DE60203933T2

DE60203933T2 - Thermisch einstellbare optische Faservorrichtungen mit mikrokapillaren Heizelementen

Info

Publication number: DE60203933T2
Application number: DE60203933T
Authority: DE
Inventors: Kirk W. Baldwin; Benjamin J. Eggleton; Kenneth S. Murray Hill Feder; Robert A. Macharrie; John A. Rogers; Paul Jersey City Steinvurzel; Jon Denville Engelberth; Rajan Deshmukh
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2022-07-23
Also published as: EP1327902A1; DE60202433T2; US6778734B2; EP1455218A1; EP1327902B1; US20030133656A1; DE60202433D1; EP1455218B1; DE60203933D1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft thermisch abstimmbare Faserbauelemente und insbesondere thermisch abstimmbare Elemente, die folgendes umfassen: eine Länge einer optischen Faser und eine Mikrokapillarröhre, die die optische Faser vollständig umgibt, wobei das Bauelement eine Erwärmungseinrichtung umfaßt, wobei die Erwärmungseinrichtung durch die Mikrokapillarröhre gebildet wird, die aus einem elektrischen Widerstandsmaterial besteht und die Erwärmungseinrichtung selber bildet.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Optische Fasern enthalten innerhalb ihrer Strukturen eine Vielzahl von Bauelementen, die für den ordnungsgemäßen Betrieb von die Fasern verwendenden Systemen höchst wichtig sind. Zu solchen Bauelementen, die dafür ausgelegt sind, eintretendes Licht zu verarbeiten, zählen optische Gitter und Längen spezieller Fasern wie etwa dispersionskompensierende Faser und seltenerddotierte verstärkende Faser. Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, ausgewählte Charakteristiken der Faserbauelemente abzustimmen. Die Abstimmung durch das Einwirken von Wärme ist insbesondere für Fasergitterbauelemente besonders zweckmäßig.
Faseroptische Gitter sind wichtige Elemente zum selektiven Steuern spezifischer Wellenlängen des Lichts innerhalb optischer Systeme. Ein optisches Gitter umfaßt in der Regel einen Körper aus Material und mehrere, im wesentlichen gleichmäßig beabstandete optische Gitterelemente, wie etwa Indexstörungen, Schlitze oder Nuten. Zu solchen Gittern zählen Bragg-Gitter und langperiodische Gitter. Die Fähigkeit, diese Gitter dynamisch zu modifizieren, würde sehr nützlich sein.
Ein typisches Bragg-Gitter umfaßt eine Länge aus einem optischen Wellenleiter, wie etwa eine optische Faser, mit mehreren Störungen beim Brechungsindex. Diese Störungen reflektieren selektiv Licht der Wellenlänge λ gleich dem doppelten Abstand Λ zwischen aufeinanderfolgenden Störungen mal dem effektiven Brechungsindex, d.h. λ = 2n_effΛ, wobei λ die Wellenlänge im Vakuum und n_eff der effektive Brechungsindex der sich ausbreitenden Mode ist. Die übrigen Wellenlängen passieren im wesentlichen ungehindert. Bragg-Gitter haben in einer Vielzahl von Anwendungen Einsatz gefunden, einschließlich Filtern, Einfügen und Herausnehmen von Signalkanälen, Stabilisierung von Halbleiterlasern, Reflexion der Faserverstärkerpumpenergie und Kompensation der Wellenleiterdispersion.
Ein langperiodisches Gitter koppelt optische Leistung zwischen zwei sich gleich ausbreitenden Moden mit sehr schwachen Rückreflexionen. Es umfaßt in der Regel eine Länge eines optischen Wellenleiters, bei dem die Brechungsindexstörungen mit einem periodischen Abstand Λ' beabstandet sind, der im Vergleich zur Wellenlänge λ des übertragenen Lichts groß ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bragg-Gittern verwenden langperiodische Gitter einen periodischen Abstand Λ', der in der Regel mindestens 10mal größer ist als die übertragene Wellenlänge, das heißt Λ' ≥ 10λ. In der Regel liegt Λ' im Bereich 15–1500 Mikrometer, und die Breite einer Störung liegt im Bereich 1/5Λ' bis 4/5Λ'. Bei einigen Anwendungen wie etwa gechirpten Gittern kann der Abstand Λ' entlang der Länge des Gitters variieren.
Langperiodische Gitter sind besonders nützlich in optischen Kommunikationssystemen zum Ausgleichen des Verstärkergewinns bei verschiedenen Wellenlängen. Siehe beispielsweise das am 4. Juli 1995 an A. M. Vengsarkar erteilte US-Patent Nr. 5,430,817.
Viele potenzielle Anwendungen erfordern optische Gitter mit Charakteristiken, die sich abstimmen lassen. Abstimmbare Bragg-Gitter können eine dynamische Steuerung dessen gestatten, welche Wellenlänge durch das Gitter hindurchtreten wird und welche reflektiert oder abgelenkt wird. Ein abstimmbares gechirptes Bragg-Gitter kann eine dynamische Dispersionskompensation gestatten. Und ein abstimmbares langperiodisches Gitter kann eine dynamische Gewinnkompensation bereitstellen.
Thermisch abstimmbare Gitterbauelemente steuern die Charakteristiken der Gitter durch das Einwirken von Wärme, um den Brechungsindex und somit die optische Weglänge zwischen aufeinanderfolgenden Störungen zu ändern. Eine auftauchende Klasse von abstimmbaren Faserbauelementen verwendet herkömmliche, im Kern befindliche Fasergitter und Dünnfilmwiderstandserwärmungselemente mit gleichmäßigen, verjüngten oder periodisch variierenden Dicken, die in Einzel- oder mehrschichtigen Geometrien auf der Faseroberfläche ausgebildet sind. Durch diese Filme fließender Strom bewirkt eine Ohmsche Erwärmung mit Geschwindigkeiten, die vom elektrischen Strom und dem örtlichen Widerstand der Beschichtung abhängen. Die durch diese Erwärmung induzierten Temperaturänderungen verändern die Eigenschaft von Gittern im Kern der Faser. Eine gleichförmige Erwärmung eines Bragg-Fasergitters bewirkt beispielsweise eine proportionale Verschiebung der Resonanzwellenlänge zu der Temperaturänderung. Diese Verschiebung ist in erster Linie auf die intrinsische Abhängigkeit des Brechungsindexes von Glas von der Temperatur zurückzuführen. Eine durch die Wärmeausdehnung verursachte Verlängerung der Faser induziert ebenfalls kleinere Verschiebungen.
Indem mikrostrukturierte verteilte Erwärmungseinrichtungen mit Widerständen verwendet werden, die entlang der Länge des Fasergitters variieren (in der Regel 2–10 cm lang), ist es möglich, einfache oder komplexe räumliche Variationen in der Periodizität des Gitters zu induzieren und dynamisch zu verstellen (d.h. Chirps). Integrierte Erwärmungseinrichtungen mit Dicken, die invers von der Position entlang der Faser abhängen, weisen Widerstände auf, die linear mit der Position variieren. Eine von diesen Filmen erzeugte Erwärmung liefert bis auf eine gute Annäherung einen abstimmbaren linearen Chirp. Im Reflexionsmodus können Bragg-Gitter mit diesem Design für die dynamische Kompensation der Dispersion pro Kanal in Lichtwellenkommunikationssystemen mit hohen Bitraten verwendet werden. Diese Einrichtungen sind kompakt, leistungseffizient, kosteneffektiv und lassen sich einfach bauen.
In vielen existierenden und zukünftigen Anwendungen wird es erforderlich sein, lineare Chirps und Chirps höherer Ordnung unabhängig herzustellen und zu steuern und die Mittenposition des Reflexionsbands zu verstellen. Diese Funktionalität kann mit mehreren unabhängigen Erwärmungseinrichtungen realisiert werden, die Temperaturgradienten mit verschiedenen Funktionsformen erzeugen. Diese Erwärmungseinrichtungen sind mit Geometrien ausgelegt, die einen „Basissatz" zum Definieren und Abstimmen des gewünschten Bereichs von Temperaturprofilen liefern. Wir haben diesen Ansatz bereits in einem einfachen System demonstriert, das eine gleichförmige und eine verjüngte Erwärmungseinrichtung enthält, die in einer mehrschichtigen Geometrie auf der Faseroberfläche abgeschieden sind. Die metallischen Erwärmungseinrichtungen waren in diesem Fall elektrisch voneinander durch einen Dünnfilm aus SiO₂ isoliert, der durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung abgeschieden wurde. Eine koordinierte Steuerung der Erwärmungseinrichtungen gestattete beispielsweise eine Verstellung der Chirprate ohne Verschieben der Mittenposition.
Während man mit dieser mehrschichtigen Geometrie die erforderliche Funktionalität erreicht, erfordert sie die Abscheidung von mehreren robusten Dünnschichten auf einem stark gekrümmten Objekt. Es kann eine Herausforderung darstellen, diese Beschichtungen zuverlässig aus Materialien herzustellen, die mit den relativ hohen Arbeitstemperaturen (z.B. 300°C dieser Bauelemente) kompatibel sind, und zwar ohne teure Abscheidungswerkzeuge. Außerdem erfordern diese Designs mehrere Verarbeitungsschritte.
Es besteht dementsprechend ein Bedarf nach alternativen Erwärmungseinrichtungsdesigns, die mehrfache Abscheidungen auf stark gekrümmten Fasern vermeiden, aber gleichzeitig alle Vorteile der mehrschichtigen Dünnfilmbauelemente beibehalten.
WO-A-01 53 880 betrifft ein abstimmbares optisches Bauelement und eine geschlitzte Erwärmungseinrichtung, die ein faseroptisches Bauelement mit optischen Eigenschaften enthält, die mit der Temperatur variieren.
Aus EP-A-0 997 764 ist ein Wellenleitergitter in Wärmekontakt mit einem elektrisch steuerbaren wärmewandelnden Körper bekannt. Der wärmewandelnde Körper kann Wärme auf der Faser erzeugen, um entlang des Gitters einen Temperaturgradienten auszubilden.
Rogers et al., Applied Optics, Band 39, 2000, S. 5109, beschreibt eine Analyse der Wärmeströmung in einer Art von abstimmbarem faseroptischen Gitter, das Dünnfilmwiderstandserwärmungseinrichtungen verwendet, die auf die Oberfläche der Faser mikrostrukturiert sind.
Aus EP-A-1 139 149 ist ein Wellenleitergitter in Wärmekontakt mit einer oder mehreren Widerstandsfilmbeschichtungen bekannt. Eine Beschichtung erstreckt sich entlang der Länge des Gitters, und ihr örtlicher Widerstand variiert entlang der Länge des Gitters.
Aus GB-A-2 184 859 ist ein thermisch abstimmbares faseroptisches Dämpfungsglied bekannt, das eine Länge einer optischen Faser mit einer Doppelkonusverjüngung umfaßt, das umfangsmäßig von einer ungeschlitzten Mikrokapillarröhre mit einem elektrischen Widerstandserwärmungselement umgeben ist, das als ein Dünnfilm auf der Mikrokapillarröhre ausgebildet ist. Die Merkmale des Obergriffs von Anspruch 1 sind aus diesem Dokument bekannt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein thermisch abstimmbares faseroptisches Bauelement gemäß der Erfindung ist wie in Anspruch 1 dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein umfassenderes Verständnis des Charakters, der Vorteile und verschiedener zusätzlicher Merkmale der Erfindung ergibt sich bei Betrachtung der Bauelemente, die nunmehr in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch ein abstimmbares Faserbauelement innerhalb einer mikrokapillaren Erwärmungseinrichtung;
2 ein abstimmbares Faserbauelement unter Verwendung einer mikrokapillaren Erwärmungseinrichtung und mit einer Dünnfilmerwärmungseinrichtung auf dem Gitter;
3 einen schematischen Querschnitt durch ein abstimmbares Faserbauelement unter Verwendung einer mikrokapillaren Erwärmungseinrichtung und mit mehreren verschachtelten Dünnfilmerwärmungseinrichtungen;
4 ein abstimmbares Faserbauelement unter Verwendung einer mikrokapillaren Erwärmungseinrichtung mit mehreren winkelmäßig beabstandeten Dünnfilmerwärmungseinrichtungen;
5A schematisch einen Glastrichter, der sich zum Einfädeln von Faserbauelementen in Mikrokapillaren eignet;
5B schematisch eine trennbare Mikrokapillare, um die Plazierung eines Faserbauelements zu erleichtern;
6A und 6B graphisch die Dispersion von experimentellen Einzel-Erwärmungseinrichtungs-Bauelementen der in 1 gezeigten Art;
7 graphisch die Wellenlängenverschiebung als Funktion der Heizleistung für ein experimentelles Einzel-Erwärmungseinrichtungs-Bauelement;
8 graphisch Reflexionsgradspektren von experimentellen Doppel-Erwärmungseinrichtungs-Bauelementen der in 2 gezeigten Art und
9 typische Gruppenverzögerungen von einem Doppel-Erwärmungseinrichtungs-Bauelement.
Es versteht sich, daß diese Zeichnungen die Konzepte der Erfindung veranschaulichen sollen und mit Ausnahme der graphischen Darstellungen nicht maßstabsgetreu sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 ein thermisch abstimmbares Faserbauelement 9, das eine Länge optischer Faser 10 einschließlich einem Faserbauelement 11 (hier ein optisches Gitter, das aus einer Sequenz von Indexstörungen 12 besteht) umfaßt. Das Bauelement 11 ist innerhalb einer elektrisch steuerbaren mikrokapillaren Erwärmungseinrichtung 23 angeordnet, die in der Regel eine Mikrokapillarröhre 23A und eine Widerstandsfilmerwärmungseinrichtung 23B auf der Außenfläche der Röhre über dem Bauelement umfaßt. Unter Mikrokapillarröhre wird eine Röhre mit einem größten effektiven Außendurchmesser von unter etwa 2 mm verstanden. (Der effektive Durchmesser einer nicht kreisförmigen Mikrokapillare ist der Durchmesser eines Kreises mit vergleichbarem Flächeninhalt.) Eine derartige Röhre ist vorteilhaft, weil ihre kleine Oberfläche für eine effiziente Erwärmung wenig Wärme verliert und ihre kleine thermische Masse ein schnelles Verhalten gestattet. Die Filmerwärmungseinrichtung 23B kann entlang der Länge des Gitters einen gleichförmigen Widerstand oder alternativ einen örtlichen Widerstand, der entlang der Länge des Gitters variiert, aufweisen. Der örtliche Widerstand kann variiert werden, indem seine Dicke oder Zusammensetzung variiert wird. Leitungen 24 und 25 können für elektrischen Kontakt mit einer Stromquelle 26 sorgen, um Strom durch die Filmerwärmungseinrichtung 23B entlang der Länge des Gitters zu schicken.
Die Mikrokapillare ist in der Regel aus einem elektrisch nicht leitenden Material wie etwa Glas oder einem temperaturbeständigen Polymer wie etwa Polymid. Es kann jedoch, wie in der Erfindung ein Widerstandsmaterial sein, und eine Widerstandsmikrokapillare kann an eine Stromquelle angeschlossen werden, um das Widerstandsmaterial der Mikrokapillare als eine Erwärmungseinrichtung zu verwenden. Die Mikrokapillare weist in der Regel einen kreisförmigen Querschnitt auf, aber nicht kreisförmige Querschnitte wie etwa quadratische oder rechteckige Röhren können ebenfalls verwendet werden. Typische Mikrokapillaren sind steif. Flexible Polymermikrokapillaren können aber verwendet werden und sind gegenüber Bruch widerstandsfähiger.
Das faseroptische Bauelement 11 ist hier als ein optisches Gitter dargestellt. Es kann sich bei ihm jedoch um jedes faseroptische Bauelement handeln, dessen relevante Charakteristiken als Funktion der Temperatur variieren. Es kann sich bei ihm beispielsweise um eine Länge einer Spezialfaser wie etwa eine dispersionskompensierende Faser oder seltenerddotierte Faser handeln.
2 zeigt ein Bauelement ähnlich dem von 1, außer, daß die Faser 10 auch eine Widerstandsfilmerwärmungseinrichtung 13 auf der Außenfläche aufweist. Der Film 13 kann entlang der Länge des Gitters einen gleichförmigen Widerstand oder einen Widerstand, der entlang der Länge des Gitters variiert, aufweisen. Leitungen 14 und 15 sorgen für elektrischen Kontakt mit einer nicht gezeigten Stromquelle, um Strom durch den Film 13 zu schicken.
3 zeigt ein Bauelement ähnlich dem von 1, außer, daß mehrere (hier drei) verschachtelte Mikrokapillarerwärmungseinrichtungen 23B, 33B und 43B vorliegen. Jede der Erwärmungseinrichtungen kann entlang der Gitterlänge gleiche oder andere Widerstandsprofile aufweisen. Vorteilhafterweise sind die Widerstandsprofile so gewählt, daß sie einen Satz bilden, der entlang des Bauelements 11 gewünschte Temperaturprofile erzeugen kann. Beispielsweise kann die Erwärmungseinrichtung 23B einen gleichförmigen Widerstand entlang ihrer Länge aufweisen, Erwärmungseinrichtung 33B kann einen monoton zunehmenden Widerstand aufweisen, und Erwärmungseinrichtung 43B kann ein periodisches oder abnehmendes Widerstandsprofil aufweisen. Die Steuerung jeweiliger Stromquellen für jede Erwärmungseinrichtung (nicht gezeigt) gestattet die Festlegung einer großen Vielfalt von Temperaturprofilen entlang des Gitters 11.
4 veranschaulicht ein weiteres Bauelement ähnlich 1, außer, daß mehrere (hier zwei) mikrokapillare Filmerwärmungseinrichtungen 53B und 63B vorliegen, die winkelmäßig beabstandet sind. Jede der Erwärmungseinrichtungen 53B, 63B kann sich entlang der Länge des Gitters erstrecken, obwohl eine oder mehrere sich möglicherweise nicht gleich mit dem Bauelement 11 zu erstrecken brauchen. Die Erwärmungseinrichtungen können eine gleichförmige Dicke aufweisen oder ihre Dicke kann entlang der Länge variieren. Sie können das gleiche Dickeprofil mit der Entfernung oder verschiedene Dickeprofile aufweisen. Die Leitungen 124, 125 und 224, 225 sorgen für elektrischen Kontakt zu diskreten Stromquellen.
Die Bauelemente lassen sich nun unter Betrachtung der folgenden spezifischen Beispiele klarer verstehen.
BEISPIEL
A. Allgemeines Design, Mikrokapillarröhren und Werkzeuge zum Einfädeln
Es wurden Bauelemente konstruiert, wobei konventionelle faserinterne Gitter, dünne Metallfilme und Glasmikrokapillarröhren verwendet wurden. In allen Fällen wiesen die Gitter ein intrinsisches lineares Chirp auf und wurden unter Verwendung von holographisch erzeugten Phasenmasken und herkömmlichen Vorgehensweisen in eine standardmäßige Telekommunikationsfaser (Lucent 5D-Faser) geschrieben. Um einen stabilen Betrieb dieser Gitter bei Temperaturen von bis zu ~150°C sicherzustellen, wurden die Gitter 20 Sekunden lang bei 400°C getempert. Ein Bauelement war ein Mikrokapillarenbauelement ähnlich dem in 2 dargestellten. In diesem Fall wurden metallische Filmerwärmungseinrichtungen an der Faser und der äußeren Oberfläche der Kapillare ausgebildet. Die Charakteristiken der Filme sind unten beschrieben. Mikrokapillaren mit Innendurch messern (ID) von 140 μm wurden gewählt, weil sie gut zu einer standardmäßigen ungemantelten optischen Einmoden-5D-Faser (125 μm Durchmesser) paßten. Mikrokapillaren mit IDs von 280 μm wurden ebenfalls verwendet, weil sie gut zu ummantelten Fasern paßten.
Die Mikrokapillaren weisen so, wie sie vom Hersteller bezogen werden, auf ihren äußeren Oberflächen dünne Polyimidbeschichtungen (10–20 μm dick) auf. Zuerst wurden diese Beschichtungen mit einer Butanflamme abgebrannt. Die ausgezogenen Kapillaren wurden mit Methanol gespült und in etwa 15 cm lange Stücke geschnitten. Über unten beschriebene Prozesse wurden die dünnen metallischen Erwärmungseinrichtungen ausgebildet. Eine optische Faser (mit oder ohne Polymermantel) wurde mit einem in 5A dargestellten einfachen Glastrichter in die metallbeschichteten Kapillaren gefädelt. Dieser Trichter 50 ist ein zylindrisches Glasstück mit einem mittigen axialen Luftloch 52, dessen Durchmesser ständig und symmetrisch von einem relativ großen Wert (~2 mm) an den Enden zu einem relativ kleinen Wert (~0,2 mm) in der Mitte variiert. Der schmalste Teil der hier verwendeten Trichter wiesen Durchmesser auf, die nur geringfügig größer waren als die Durchmesser einer optischen Faser mit oder ohne Mantel. Um eine Faser 10 in eine Mikrokapillare 23A einzufädeln, werden die Faser und die Kapillare in entgegengesetzte Enden des Trichters eingeführt. Die Mikrokapillare erreicht an der Stelle einen Stoppunkt, wo ihr Außendurchmesser (OD) gleich dem lokalen Innendurchmesser des Trichters ist. Die Fasern 10, die in den Trichter 50 von der entgegengesetzten Seite aus eintritt, wird von dem Trichter auf natürliche Weise auf die Mitte der Bohrung der Kapillare ausgerichtet. Durch Schieben der Faser durch den Trichter wird sie deshalb schnell und leicht in die Mikrokapillare eingefädelt. Diese Prozedur erfordert keine Mikroskope oder Präzisionsausrichtungsstufen.
5B veranschaulicht einen alternativen Ansatz zum Erleichtern des Einführens der Faser in eine trennbare Mikrokapillare. Hier wird die Mikrokapillare axial in zwei Teile 55, 56 geteilt. Die beiden Teile werden dann zusammen um die Länge der Faser 10 einschließlich dem zu erwärmenden Bauelement geklebt. Nach dem Kleben werden die erwärmenden Beschichtungen auf die geklebte Mikrokapillare aufgebracht.
Bei allen den hier beschriebenen Bauelementen weist das Gebiet der Faser, das das Gitter enthält, keinen Polymermantel auf. Der Mantel wurde vor dem Schreiben des Gitters abgelöst, und die bloße Faser wurde nicht wieder beschichtet. Bei den 140 μm-ID-Mikrokapillaren wurde auch der Polymermantel entlang der halben Länge der Faser bis zum Gitter abgelöst, so daß sie in die Kapillare eingefädelt werden konnte. Es wurden auch die 280 μm-ID-Mikrokapillaren verwendet, die den Vorteil aufwiesen, daß bei ihnen der Mantel nicht entfernt werden mußte. In beiden Fällen wurde die radiale Position der Faser innerhalb der Kapillare nicht direkt gesteuert. Die Fasern kontaktierten die Innenwände der Kapillaren an verschiedenen Stellen, die dadurch bestimmt wurden, wie die Fasern nach den Einfädelvorgängen und den unten beschriebenen Verkapselungsschritten ruhte.
B. Metallbeschichtungen
Dünne Metallbeschichtungen wurden über Elektronenstrahlverdampfung bei Basisdrücken von ~1 × 10 Torr auf den Mikrokapillaren und den Fasern abgeschieden. Die Beschichtungen bestanden in der Regel aus 10 nm Ti (Abscheidungsrate ~0,1 nm/s; Haftvermittler) und zwischen 200 und 2000 nm Au (Abscheidungsrate ~0,3–0,6 nm/s). Die Dickengradienten für die verjüngten Beschichtungen wurden mit einer sich bewegenden Schattenmaske erzeugt, die an eine computergesteuerte Drehbühne gekoppelt war. In den meisten Fällen wurden die Metallbeschichtungen nur auf einer Seite der Mikrokapillaren abgeschieden.
Bei anderen wurden zum Beschichten von beiden Seite zwei Abscheidungsläufe durchgeführt. Die Abscheidungen erfolgten durch eine Schlitzmaske, die geringfügig schmaler war als die Mikrokapillare, und auf sie ausgerichtet war. Die Mikrokapillare wurde zwischen den beiden Abscheidungen um 180°C gedreht, und die Filme nach der Abscheidung berührten sich nicht und waren elektrisch getrennt. Die optischen Fasern wurden nur auf einer Seite beschichtet.
C. Verkapselung und elektrische Verbindungen
Jede Mikrokapillare wurde innerhalb einer Quartzröhre mit einem Durchmesser von ~5 mm befestigt. Es lieferte eine gewisse Wärmeisolierung der Fasern von ihren Umgebungen; es bot außerdem mechanische Unterstützung und Schutz. Die Fasern und Mikrokapillaren wurden entweder mit Silberfarbe, Silberepoxid oder Indiumlot an zwei Paaren von vergoldeten Messinghülsen an beiden Enden dieser Röhren geklebt. Die optische Faser klebt an den Enden der Verkapselung an den Hülsen. Das innere Paar von Hülsen ist mit den Mikrokapillaren verbunden. Drähte wurden an den beiden Sätzen von Hülsen angebracht, um die Verbindung mit Stromversorgungen zu erleichtern.
D. Optisches und elektrisches Testen
Die Bauelemente wurden mit Strom von Gleichstromversorgungen angesteuert. In der Regel wurden die angelegten Spannungen und die Ströme gemessen, um die Eingangsleistung zu bestimmen. Die Reflexionsgradspektren wurden mit einem JDS Swept Wavelength System gemessen. Die Gruppenverzögerungscharakteristiken wurden mit einem HP Chromatic Dispersion Tester bei hoher Auflösung mit einer Modulationsfrequenz von 2 GHz ausgewertet.
E. Ergebnisse
6A stellt typische Dispersionsdaten von einem Einzel-Erwärmungseinrichtungs-Bauelement dar, das eine verjüngte metallische Filmerwärmungseinrichtung auf der Faser selbst (nur auf einer Seite abgeschieden) verwendet. 6B zeigt ähnliche Daten von einem Bauelement, das eine bloße Faser verwendet, die in eine Mikrokapillarröhre (280 μm ID, 357 μm OD) eingefädelt ist, die eine (nur auf einer Seite abgeschiedene) metallische Dünnfilmerwärmungseinrichtung trägt. Die Geometrien der Metallbeschichtungen waren in beiden Fällen die gleichen: 0,2 bis 2,0 μm Schwankung bei der Dicke auf eine Weise, die umgekehrt von der Position entlang der ~10 cm Länge des Gitters abhängt. Die Gruppenverzögerungscharakteristiken (Linearität, Gruppenverzögerungswelligkeit, usw.) dieser beiden Bauelemente sind bis auf experimentelle Unsicherheiten die gleichen. Die optischen Charakteristiken des Mikrokapillarbauelements sind so gut wie jene von zuvor vorgeführten Faserdispersionskompensatoren.
Um die relativen Leistungswirkungsgrade zu untersuchen, wurden Bauelemente mit gleichförmigen Beschichtungen verglichen. Die optischen Eigenschaften waren so wie erwartet: Verschiebung ohne Verzerrungen entweder bei den Reflexionsspektren oder bei den Gruppenverzögerungscharakteristiken. 7 zeigt typische Wellenlängenverschiebungen als Funktion der eingegebenen Heizleistung für Bauelemente, die Mikrokapillaren mit IDs von 140 bzw. 280 μm und ODs von 360 μm bzw. 357 μm und gleichförmige Beschichtungen auf beiden Seiten der Kapillaren verwenden. Es wurde beobachtet, daß (i) diese beiden Bauelemente die gleichen Leistungswirkungsgrade aufwiesen und (ii) die Wirkungsgrade dieser Bauelemente (~0,00145 nm/mW) nur geringfügig schlechter sind als Nicht-Kapillarbauelemente, die Beschichtungen direkt auf der Faser verwenden (~0,0018 nm/MW). Die Analyse zeigt, daß die fast identischen ODs dieser beiden Bauelemente zum größten Teil ihre ähnlichen Leistungswirkungsgrade erklären. Es überrascht, daß diese Wirkungsgrade mit denen von nur aus Faser bestehenden Bauelementen vergleichbar sind, zwar insbesondere deshalb, weil (i) die Hinzufügung der Kapillarröhren die thermische Masse erheblich erhöht und (ii) die thermische Kopplung zwischen der Erwärmungseinrichtung und der Faser wegen des Vorliegens eines kleinen Luftspalts zwischen den Kapillaren und den Fasern nicht ganz ideal ist.
2. Doppel-Erwärmungseinrichtungs-Bauelemente
8 zeigt die Reflexionsgradspektren eines typischen Doppel-Erwärmungseinrichtungs-Bauelements auf der Basis einer (nur auf einer Seite abgeschiedenen) verjüngten Metallbeschichtung auf einer Faser, die in eine Mikrokapillare eingefädelt wird, die eine gleichförmige (auf beiden Seiten abgeschiedene) Metallbeschichtung trägt. Diese Ergebnisse veranschaulichen die guten Charakteristiken dieses Bauelements: die Spektren erleben keine Verzerrung, wenn Strom durch die gleichförmige Erwärmungseinrichtung verstellt wird, und die Spektren verbreiten sich auf die erwartete Weise, wenn Strom durch die verjüngte Beschichtung fließt.
9 zeigt typische Gruppenverzögerungen. Das wichtige Ergebnis besteht darin, daß (mit Ausnahme der langwelligen Seiten der Dispersion, wenn erheblicher Strom gleichzeitig durch beide Erwärmungseinrichtungen fließt) die Abstimmung der durch das Fließen von Strom durch jede der Erwärmungseinrichtungen induzierte Gruppenverzögerungen entkoppelt wird: das Schicken von Strom durch die gleichförmige Erwärmungseinrichtung verschiebt die Gruppenverzögerungskurven gleichförmig, ohne ihre Gestalt zu verändern, und das Schicken von Strom durch die verjüngte Erwärmungseinrichtung ändert die Gruppenverzögerungssteigung und die Mittenposition des Reflexionsbands auf erwartete Weise. Ähnliche Tests mit Mikrokapillarbauelementen mit zwei Erwärmungseinrichtungen ähnlich 4 wiesen Ergebnisse auf, die denen in 8 und 9 gezeigten im wesentlichen ähnlich sind.
Somit liefern Mikrokapillarröhren die Basis für eine neue Art von Design für thermisch abgestimmte Fasergitterbauelemente. Durch ihre Verwendung erhält man eine einfache preiswerte Möglichkeit, um mehrere Erwärmungseinrichtungen zu erreichen, die zum flexiblen Abstimmen von Gittereigenschaften unabhängig gesteuert werden können. Sie ermöglichen außerdem, daß die Herstellung der Dünnfilmerwärmungseinrichtungen von der der Fasergitter getrennt wird. Bauelemente, die Mikrokapillaren verwenden, weisen Leistungswirkungsgrade und optische Eigenschaften auf, die alle mit denen von Bauelementen vergleichbar sind, die direkt auf der Faseroberfläche abgeschiedene Beschichtungen verwenden. Die Bauelemente auf Mikrokapillarbasis weisen trotz der Tatsache, daß die Position der Achse der Faser innerhalb der Kapillare nicht präzise gesteuert wird, gute optische Eigenschaften auf.
Das Doppel-Erwärmungseinrichtungs-Mikrokapillarbauelement, das vorgeführt wurde, liefert die Möglichkeit zum Verstellen der Mittenposition des Reflexionsbands, um eine Verschiebung zu kompensieren, die durch thermisch induzierte Änderungen in der Chirprate oder durch Änderungen bei der Umgebungstemperatur verursacht werden kann. Diese Art von Funktionalität wird für auf einzelnen Gittern basierende Dispersionskompensatoren benötigt, die eine große Dispersionsabstimmbarkeit aufweisen.
Bei diesen Doppel-Erwärmungseinrichtungs-Bauelementen kann die aktive Stabilisierung der Gittermittenwellenlänge dadurch erreicht werden, daß die gleichförmige Erwärmungseinrichtung mit ausreichend Strom angesteuert wird, damit ihr Widerstand konstant bleibt. Bis auf eine erste Annäherung stellt dieser Zustand eines konstanten Widerstands sicher, daß die entlang der Länge des Fasergitters gemittelte Temperatur konstant bleibt. Bei diesem Ansatz dient die Beschichtung einer doppelten Rolle als Erwärmungseinrichtung und verteilter Temperatursensor. Diese Art von Rückkopplungssteuerung ist deshalb attraktiv, da sie keinen separaten kalibrierten Temperatursensor erfordert; der intrinsische spezifische Widerstand des Metalls für die Erwärmungseinrichtung ändert sich auf lineare Weise mit der Temperatur (bei Gold ändert sich der spezifische Widerstand um 0,3%/°C). Bei diesem Effekt besteht ein Nachteil darin, daß durch Schicken von Strom durch die verjüngte Erwärmungseinrichtung erzeugte Temperaturgradienten Gradienten des spezifischen Widerstands in der gleichförmigen Beschichtung erzeugen. Strom durch diese gleichförmige Beschichtung zu schicken, wenn die verjüngte Erwärmungseinrichtung ebenfalls in Betrieb ist, erzeugt somit eine Eingangsleistung, die auf eine Weise mit der Position variiert, die im allgemeinen den existierenden Temperaturgradienten erhöht. Auf diese Weise liefert die gleichförmige Erwärmungseinrichtung nicht länger eine einfache gleichförmige Verschiebung des Gitterspektrums, sondern erhöht das Chirpen. Dieser Effekt ist zumindest teilweise für das nicht ideale Verhalten verantwortlich, das die gemessenen Gruppenverzögerungen bei langen Wellenlängen aufweisen, wenn keine wesentlichen Ströme durch beide Erwärmungseinrichtungen fließen. Für das hier beschriebene besondere Bauelement verschlechtert dennoch dieses Verhalten nicht die optische Leistung in dem Wellenlängenbereich, der am wichtigsten ist (das heißt die kurzwellige Seite des Reflexionsbands). Außerdem erhält man durch die Fähigkeit zum Abstimmen der Mittenposition des Reflexionsbands zusätzliche Flexibilität, um sicherzustellen, daß der WDM-Kanal nur den linearen Teil der Gruppenverzögerung sieht.

Claims

Thermisch abstimmbares faseroptisches Bauelement, das eine Länge optischer Faser (10) umfaßt; und eine Mikrokapillarröhre (23A), die die optische Faser (10) vollständig umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß: das Bauelement eine Erwärmungseinrichtung (23) umfaßt, wobei die Erwärmungseinrichtung durch die Mikrokapillarröhre (23A) gebildet wird, die aus einem elektrischen Widerstandsmaterial besteht und die Erwärmungseinrichtung (23) selber bildet.
Abstimmbares Faserbauelement nach Anspruch 1, wobei die optische Faser (10) ein Fasergitter (11) umfaßt.
Abstimmbares Faserbauelement nach Anspruch 2, wobei das Widerstandsmaterial verjüngt ist.
Abstimmbares Faserbauelement nach Anspruch 2, wobei ein Widerstand der Mikrokapillarröhre (23A) entlang der Länge des Gitters (11) variiert.
Abstimmbares Faserbauelement nach Anspruch 2, wobei die Mikrokapillarröhre sich gleich mit dem Gitter (11) erstreckt.
Abstimmbares Faserbauelement nach Anspruch 1, weiterhin mit mehreren verschachtelten Röhren (23B, 33B, 43B), wobei jede verschachtelte Röhre Dünnfilmerwärmungselemente (24, 34 bzw. 44) enthält.