-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Übertragungen
per Optikfaser und speziell auf einen Koppler für eine multimode Pumpe.
-
Kürzlich sind
so genannte „Photonen"-Fasern aufgetaucht,
die auf Englisch auch als „photonic crystal
fibres" (PCF) bezeichnet
werden: diese Fasern bestehen nicht wie die herkömmlichen Fasern vollständig aus
einem transparenten festen Material wie z.B. dotiertes Siliziumdioxid;
im Querschnitt weist eine Photonenfaser eine Vielzahl von Luftlöchern auf. Diese
Löcher
sind parallel zur Achse der Faser und erstrecken sich in Längsrichtung
entlang der Faser. Praktisch können
diese Löcher
dadurch hergestellt werden, dass man die Vorform durch Zusammenfügen von
Kapillarröhrchen
oder Siliziumdioxidzylindern herstellt, wobei das in der Faser zu
erzielende Muster der Löcher
eingehalten wird. Das Strecken einer solchen Vorform liefert eine
Faser mit Löchern entsprechend
den Kapillarröhrchen.
-
Das
Vorhandensein dieser Löcher
im Material der Faser erzeugt Schwankungen des durchschnittlichen
Indexes des Materials; diese Schwankungen des Indexes können wie
bei einer herkömmlichen
Optikfaser für
die Führung
von Lichtsignalen mit geeigneten Wellenlängen verwendet werden. Eine
Beschreibung solcher Photonenfasern wird in WO-A-00 49 435 geliefert: dieses Dokument
beschreibt neben dem Funktionsprinzip der Photonenfasern einen Richtkoppler
oder Strahlenseparator. Dieser Koppler wird dadurch gebildet, dass
man zwei Photonenfasern erwärmt
und streckt; die gestreckten Bereiche der beiden Photonenfasern
werden beim Erwärmen
oder einem späteren
Erwärmungsschritt verschweißt. Das
Licht, das sich in einer der Fasern ausbreitet, wird dann in der
anderen Faser gekoppelt. Dieses Dokument schlägt auch vor, eine Photonenfaser
mit einer herkömmlichen
Faser zusammen zu fügen;
das heißt
eine Faser ohne Löcher;
die Photonenfaser wird gestreckt und in dem gestreckten Bereich
geschnitten. Das Strecken der Photonenfaser verschließt die Löcher der
Faser, so dass sie in der Nähe
des Schnitts keine Löcher
mehr aufweist. Die herkömmliche
Faser – gemäß der Figur
eine Stufenprofilfaser – wird
ebenfalls gestreckt und geschnitten, so dass sie eine Größe aufweist,
die mit der Größe der gestreckten
Photonenfaser identisch ist. Die beiden Fasern werden Ende an Ende
zusammengefügt. Der
Modendurchmesser erstreckt sich über
die gesamte Faser in den kegelförmig
gestreckten Bereichen; im nicht gestreckten Teil der Photonenfaser oder
der herkömmlichen
Faser breitet sich das Licht gewöhnlich
aus. Schließlich
gibt dieses Dokument an, dass das lokale Strecken einer Mehrkern-Photonenfaser
es ermöglichen
kann, einen lokalen Richtkoppler herzustellen; in der Tat bewirkt
das Strecken der Faser ein teilweises Verschließen der Löcher und eine Interaktion zwischen
den Lichtern der verschiedenen Kerne.
-
EP-A-1
043 816 beschreibt eine Faser mit Doppelmantel; das Signal wird
im dotierten Kern der Faser übertragen
und eine Pumpe wird in den ersten Mantel eingekoppelt. Um das Licht
von der Pumpe zum dotierten Kern zu führen wird vorgeschlagen, im ersten
Mantel Bereiche mit verändertem
Index vorzusehen. Diese Bereiche mit verändertem Index können insbesondere
aus Luftlöchern
bestehen. In diesem Dokument findet sich keinerlei Angabe dazu wie die
Pumpe im Mantel der Faser gekoppelt wird.
-
EP-A-893
862 beschreibt ein Faserbündel, das
sechs multimode Fasern für
Pumpeneinkopplung aufweist, die eine monomode Faser für das Signal
umgeben. Die Fasern werden durch Schmelzen und Strecken zusammengefügt, um den
Durchmesser der sechs Einkopplungsfasern und der monomoden Faser
auf die Größe des Kerns
einer Faser mit Doppelmantel zu verringern. Das gewonnene Bündel wird
geschnitten und Ende an Ende an die Faser mit Doppelmantel gekoppelt.
Die Einkopplungsfasern sind multimode Fasern, die eine numerische
Apertur kleiner als diejenige der Pumpfaser mit Doppelmantel haben.
Die monomode Faser ist eine Stufenprofilfaser, die für die Einkopplung
des zu verstärkenden Signals
in die Doppelmantelfaser dient, oder für das Herausziehen des Signals
aus dieser Faser. Der Modendurchmesser in der monomoden Faser ist
eine fallende, dann steigende Funktion des Kerndurchmessers; es
ist also möglich,
für die
monomode Faser einen Kerndurchmesser nach Schmelzen und Strecken
zu wählen,
der am Eingang und am Ausgang der monomoden Faser den gleichen Modendurchmesser
gewährleistet.
-
WO
99/45419 beschreibt einen optischen Koppler gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
-
Diese
Lösung
schränkt
die Freiheitsgrade bei der Konzeption des Systems ein: in der Tat
sind die Kerndurchmesser an den beiden Enden des Kopplers verbunden.
Das kann die Herstellung komplizierter machen. Außerdem impliziert
die Lösung, dass
der Modendurchmesser abnimmt, dann zunimmt, wenn man den gestreckten
Teil der monomoden Faser durchquert, was Probleme aufwerfen kann.
Schließlich
wird der monomode Charakter der Faser bei hohen Werten des Kerndurchmessers
nicht unbedingt gewährleistet.
-
Das
Problem, mit dem sich die Erfindung befasst, besteht bezogen auf
diese Lehre darin, die Herstellung eines solchen Kopplers zu vereinfachen, und
das Managen der optischen Charakteristika des Kopplers entlang des
vom Signal genommenen Wegs zu vereinfachen.
-
Genauer
gesagt schlägt
die Erfindung einen optischen Koppler vor, der folgendes aufweist:
- – eine
optische Photonenfaser, die gestreckte Enden aufweist,
- – mindestens
eine multimode Optikfaser, die an die optische Photonenfaser gekoppelt
ist.
-
Bei
einer Ausführungsart
ist die optische Photonenfaser in der Mitte der Verbindung mit den optischen
Multimodefasern. Die optische Photonenfaser kann mit der oder den
optischen Multimodefasern durch Streckschmelzen verbunden werden
oder aber mit der oder den optischen Multimodefasern außerhalb
des gestreckten Teils.
-
Die
Photonenfaser kann auch eine Verstärkerfaser sein. Bei einer Ausführungsart
ist die Photonenfaser eine Multimodefaser; es ist dann vorteilhaft, wenn
sie im nicht gestreckten Zustand einen multimoden Kerndurchmesser
größer oder
gleich 100 Mikron aufweist. Bei einer anderen Ausführungsart
ist die Photonenfaser eine Doppelmantelfaser. In diesem Fall ist
es besser, wenn sie im nicht gestreckten Zustand einen Multimode-Kerndurchmesser
größer oder
gleich 100 Mikron und/oder für
den Monomodekern einen Modendurchmesser größer oder gleich 15 Mikron aufweist.
-
Günstigerweise
ist der Unterschied zwischen dem Durchmesser des multimoden Kerns
der Photonenfaser und dem Durchmesser des multimoden Kerns des Laserresonators
kleiner oder gleich 5%.
-
Die
Erfindung schlägt
noch einen optischen Verstärker
vor, der folgendes aufweist:
- – einen
solchen Koppler mit einer Doppelmantel-Photonenfaser;
- – eine
verstärkende
Optikfaser mit Mehrfachmantel, die an ein gestrecktes Ende des Kopplers
gekoppelt ist.
-
In
diesem Fall ist es günstig,
wenn der Unterschied zwischen dem Modendurchmesser des monomoden
Kerns der Optikfaser mit Mehrfachmantel und dem Modendurchmesser
des monomoden Kerns der Photonenfaser kleiner oder gleich 5% ist; man
kann auch vorschreiben, dass der Unterschied zwischen dem Durchmesser
des multimoden Kerns der Optikfaser mit Mehrfachmantel und dem Durchmesser
des multimoden Kerns der Photonenfaser kleiner oder gleich 5% ist.
-
Bei
einer Ausführungsart
weist der Verstärker
einen zweiten Koppler der gleichen Art auf, wobei das Ende der Faser
mit Mehrfachmantel, das dem ersten Koppler gegenüber liegt, an ein gestrecktes Ende
des zweiten Kopplers gekoppelt wird.
-
Weitere
Kennzeichen und Vorteile der Erfindung treten beim Lesen der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsarten
der Erfindung zutage, die beispielhaft und unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen angegeben werden, die folgendes zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines optischen Kopplers, der nicht gemäß einer
Ausführungsart
der Erfindung ist,
-
2 eine
schematische Darstellung eines optischen Kopplers gemäß einer
Ausführungsart
der Erfindung,
-
3 und 4 Graphen,
die den Modendurchmesser des monomoden Kerns und den Durchmesser
des multimoden Kerns im Koppler aus 2 zeigen.
-
Die
Erfindung schlägt
vor zwecks Herstellung eines optischen Kopplers eine optische Photonenfaser
und mindestens eine optische Multimodefaser zu verbinden. Die Photonenfaser
kann eine optische Multimodefaser sein oder mit Doppelmantel. Bei
einer ersten Ausführungsart
ist die Photonenfaser eine Multimodefaser; in diesem Fall ist der
Koppler besonders geeignet für
eine Verwendung für
die Einkopplung von multimoden Pumpen, beispielsweise in einem Laserresonator,
der aus einer Doppelmantelfaser gebildet wird. Bei dieser ersten
Ausführungsart
dient die Photonenfaser nicht für
die Einkopplung eines Signals, sondern gewährleistet eine gute Anpassung
des Kopplers an den Laserresonator, hinsichtlich numerischer Apertur
und Durchmessern.
-
Bei
einer zweiten Ausführungsart
ist die Photonenfaser eine Doppelmantelfaser; der Koppler ist dann
besonders geeignet für
eine Verwendung als Multiplexer, beispielsweise für die Einkopplung
eines Signals und von multimoden Pumpen in eine dotierte Doppelmantel-Verstärkerfaser.
Der monomode Kern der Photonenfaser dient dann für die Einkopplung des zu verstärkenden
Signals (oder dem Herausziehen des verstärkten Signals), während der
multimode Kern der Photonenfaser der Einkopplung der multimoden
Pumpen dient.
-
In
dem einen Fall wie in dem anderen kann der Koppler durch Schmelzen
und Strecken oder durch Kopplung der Fasern und Strecken hergestellt werden.
Der konisch geformte gestreckte Teil kann wie bei EP-A-893 862 der
Verknüpfungsstelle
der Fasern des Kopplers entsprechen; bei dieser Ausführungsart
handelt es sich um diejenige aus 1. Man kann
auch zum einen die Kopplung der multimoden Fasern und der Photonenfaser
und zum anderen das Strecken der Faser trennen; in diesem Fall wird lediglich
die Photonenfaser gestreckt; diese Ausführungsart wird in 2 dargestellt.
-
Wie
weiter oben angegeben versteht man unter Photonenfaser eine Faser,
die nicht wie die herkömmlichen
Fasern vollständig
aus einem festen transparenten Material, wie z.B. dotiertem Siliziumdioxid,
besteht; im Querschnitt weist eine solche Photonenfaser eine Vielzahl
von Luftlöchern – oder von Löchern eines
anderen Gases oder aber Lücken
auf. Diese Löcher
sind parallel zur Achse der Faser, und erstrecken sich in Längsrichtung
entlang der Faser. Wie in der Patentanmeldung angegeben, die die
Anmelderin am 16.03.01 unter der Nummer 01 03639 hinterlegt hat
und die den Titel trägt „Optische
Photonenfaser mit starker Wirkfläche" bewirken diese Löcher, dass
in der Faser lokale Schwankungen des Indexes induziert werden; diese
Schwankungen, ebenso wie die Schwankungen, die in der Faser durch
Dotanten induziert werden, sind an der Führung des Lichts in der Faser
beteiligt.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung eines optischen Kopplers, der nicht
gemäß einer Ausführungsart
der Erfindung ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Koppler
geeignet für
die Kopplung in der Ausgangsfaser 10 von multimoden Pumpen.
Die Photonenfaser ist multimode, d.h. kann das Licht entsprechend
verschiedenen Moden übertragen;
sie kann einen monomoden Kern aufweisen oder nicht. Der Koppler
wird gebildet aus der multimoden optischen Photonenfaser 2,
die mit mindestens einer multimoden Optikfaser verbunden ist; im Beispiel
aus der Figur haben wir zwei multimode Optikfasern 4 und 6 dargestellt.
Man könnte
nur eine multimode Optikfaser benutzen; umgekehrt könnte man
wie bei EP-A-0 893 862 sechs multimode Optikfasern verwenden, die
um die Photonenfaser herum verteilt sind. Die Wahl der Anzahl von
multimoden Optikfasern hängt
von den Kennzeichen der Fasern, der Beschaffenheit des zu koppelnden
Lichts, sowie den geplanten Anwendungen ab.
-
Die
optische Photonenfaser 2 und die Multimodefasern werden
durch Schmelzen zusammengefügt
und werden anschließend
gestreckt, damit sie einen konischen Teil 8 bilden; beim
Zusammenbau bleibt die optische Photonenfaser in der Mitte. Diese Art
des Zusammenfügens
entspricht derjenigen, die in EP-A-0 893 862 vorgeschlagen wird.
Man könnte auch
die Multimodefasern an die Photonenfaser durch seitliche Kopplungstechniken
koppeln, die in WO-A-95 10868, WO-A-95 10869 oder WO-A-96 20519
beschrieben werden, so dass das in die Multimodefasern eingekoppelte
Licht in der Photonenfaser gekoppelt wird. Der konische Teil wäre dann
von dem Teil verschieden, in dem die Fasern gekoppelt werden. In
diesem Fall würde
der konische Teil einfach einer Verringerung des Durchmessers der
Photonenfaser entsprechen, die gegebenenfalls mit dem Verschwinden
der Löcher
aus der Faser einhergeht.
-
In
dem einen Fall wie in dem anderen ermöglicht die Bildung des Kegels
es, die gestreckte Verbindung auf einen multimoden Kerndurchmesser
zu schneiden, der dem Durchmesser des multimoden Kerns der Faser 10 entspricht,
an die der Koppler angeschlossen ist; der Unterschied der multimoden Kerndurchmesser
ist vorzugsweise kleiner als 5%. Diese Faser 10 ist beispielsweise
eine Doppelmantelfaser, die als Laserresonator verwendet wird. Unter
einer an sich bekannten Doppelmantelfaser verstehen wir hier eine
Faser, die einen ersten Kern aufweist, der geeignet ist, die Ausbreitung
eines Lichts gemäß einem
einzigen Modus zu gewährleisten,
und einen zweiten Kern, der geeignet ist, die Ausbreitung des Lichts
gemäß verschiedenen
Moden zu gewährleisten;
die Faser kann also im monomoden Kern ein monomodes Signal oder
Licht führen
und gleichzeitig im multimoden Kern Pumpenlicht führen. Der
Modendurchmesser für
den monomoden Kern liegt typischerweise in der Größenordnung
von 5 Mikron, und der Durchmesser des multimoden Kerns liegt typischerweise
in der Größenordnung
von 200 Mikron. Eine solche Faser kann man beispielsweise durch das
Wählen
eines zweistufigen Indexprofils erzielen: die erste Stufe oder Indexsprung
gewährleistet
die Einschließung
des monomoden Lichts, während
die zweite Stufe die Einschließung
des multimoden Lichts gewährleistet.
-
Das
Strecken der Photonenfaser – gegebenenfalls
zusammen mit den Multimodefasern – ermöglicht es, den multimoden Kerndurchmesser
und die numerische Apertur am Ausgang des Kopplers anzupassen. Die
Photonenfaser weist zu Beginn einen großen multimoden Kerndurchmesser
auf und eine große
numerische Apertur; so bleibt diese Anpassung möglich, selbst wenn das Strecken
der Faser und die Abnahme des entsprechenden Durchmessers eine Verringerung
des multimoden Kerndurchmessers und der numerischen Apertur induzieren.
Die Verwendung einer Photonenfaser ermöglicht es, eine gute Kopplung
mit der Faser 10 zu behalten, die am Kopplerausgang angeordnet
ist. Der Unterschied zwischen den Multimodekerndurchmessern der
Photonenfaser und der Faser, die den Laserresonator bildet, ist
vorzugsweise kleiner als 5%. Das Herausziehen des Lasersignals erfolgt
in an sich bekannter Art und Weise, durch das Ende des Resonators,
das dem Koppler gegenüber
liegt; die Einkopplung des Signals erfolgt dann durch das Ende des Resonators,
das mit dem Koppler verbunden ist. Man kann auch den Koppler im
Laserresonator anordnen, wobei in diesem Fall die Photonenfaser
des Kopplers zum Resonator gehört;
in diesem Fall kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Photonenfaser
dotiert ist.
-
Als
Beispiel kann man im Falle eines Kopplers außerhalb des Laserresonators
für die
Faser, welche den Laserresonator bildet, eine Doppelmantelfaser
verwenden, die einen multimoden Kerndurchmesser von 200 Mikron aufweist,
und eine numerische Apertur von 0,45. Als Photonenfaser kann man
eine Faser von der Art verwenden wie sie in der vorgenannten französischen
Patentanmeldung genannt wird, die multimode ist und nicht unbedingt
einen monomoden Kern hat; sie weist vor dem Strecken einen Kerndurchmesser
in der Größenordnung von
600 Mikron auf und eine numerische Apertur von 0,16. Durch das Strecken
dieser Faser wird der Kerndurchmesser zu 200 Mikron und die numerische Apertur
zu 0,45.
-
Bei
einem Koppler, der im Resonator angeordnet ist, kann man die gleiche
Faser für
den Resonator verwenden; als Photonenfaser kann man auch die gleiche
Faser verwenden oder aber eine dotierte Faser in der Art wie sie
in der französischen
Patentanmeldung gemäß Hinterlegung
der Anmelderin vom 16.03.01 unter der Nummer 01 03640 mit dem Titel „Optische
Photonenfaser mit Doppelmantel" beschrieben
wird. Man sieht dann einen zweiten verjüngten oder konischen Teil am
anderen Ende des Kopplers vor, um dieses andere Ende mit dem Laserresonator
zu verbinden.
-
Bei
dem Beispiel eines Kopplers, der für das Pumpen von multimoden
Pumpen in einem Laserresonator verwendet wird, ermöglicht die
Verwendung einer Photonenfaser die Erhöhung der Freiheitsgrade in
der Konzeption des Systems, insbesondere bei der Wahl der Modendurchmesser
und der numerischen Aperturen.
-
2 zeigt
eine Ausführungsart
der Erfindung. Bei dieser Ausführungsart
wird der Koppler als Multiplexer verwendet, und die Photonenfaser
dient der Einkopplung eines Signals. Es ist dann vorteilhaft, wenn
die Photonenfaser eine Doppelmantelfaser ist; der monomode Kern
wird für
die Einkopplung (oder das Herausziehen des Signals) verwendet, während die
multimoden Lichter durch die Fasern gekoppelt werden, die im multimoden
Kern der Photonefaser zusammengefügt sind. Die Verwendung einer
Photonenfaser bei dieser Ausführungsart
weist die folgenden Vorteile auf. Die Photonenfaser weist vor dem
Strecken einen großen
Modendurchmesser für
den monomoden Kern auf, der Werte in der Größenordnung von 30 Mikron erreichen
kann, und einen multimoden Kerndurchmesser, der 400 Mikron oder
mehr erreichen kann; nach dem Strecken der Faser wird zwecks Veränderung
des multimoden Kerndurchmessers auf 100 Mikron der Modendurchmesser
des monomoden Kerns auf 7 Mikron reduziert, im gleichen Verhältnis. Die
numerische Apertur wird um einen umgekehrten Faktor erhöht und kann am
Ausgang des konischen Teils Werte von 0,3 bis 0,6 erreichen.
-
Der
Modendurchmesser des monomoden Kerns der gestreckten Faser ist dann
etwa identisch mit dem Modendurchmesser einer Faser, die am Ausgang
des Kopplers aus der Erfindung angeordnet ist; der Unterschied der
Modendurchmesser ist vorzugsweise kleiner als 5%. Die Erfindung
ermöglicht also
eine gute Anpassung am Ausgang des Kopplers für das monomode Signal. Dieses
Kennzeichen steht im Zusammenhang mit dem Vorhandensein der Löcher in
der Faser, die an der Einschließung
des monomoden Lichts im monomoden Kern beteiligt sind, trotz der
großen
Abmessungen dieses Kerns.
-
Außerdem weist
die Photonenfaser auch einen multimoden Kern mit großen Abmessungen
vor dem Strecken auf; der multimode Kern kann nach dem Strecken
einen Durchmesser aufweisen, der mit demjenigen der Faser kompatibel
ist, die am Ausgang des Kopplers angeordnet ist. Der Unterschied der
multimoden Kerndurchmesser ist wiederum vorteilhafterweise kleiner
als 5%.
-
Der
Koppler aus 2 ist dem aus 1 ähnlich;
jedoch erfolgt die Verbindung der Fasern im Koppler aus 2 im
Abstand vom konischen Teil 12 der Photonenfaser; außerdem wird
die Photonenfaser für
die Einkopplung des Signals verwendet und weist also an ihrem Ende,
das dem Eingang des Kopplers entspricht, einen gestreckten Teil 14 auf; das
Strecken ermöglicht
es, den Modendurchmesser des monomoden Kerns der Photonenfaser zu
verringern, um ihn an den Modendurchmesser der Faser 16 anzupassen,
die mit dem Eingang des Kopplers verbunden ist, um das Signal einzukoppeln.
Bei dem Beispiel einer SMF-Faser könnte der Modendurchmesser in
der Größenordnung
von 10 Mikron liegen; dieser Wert kann für den Modendurchmesser des monomoden
Kerns der Photonenfaser erreicht werden, indem man den Außendurchmesser
der Photonenfaser vermindert. Man versteht in diesem Fall, dass
für die
Einkopplung des Signals der Durchmesser des multimoden Kerns der
Photonenfaser keine Auswirkung hat.
-
Wie
bei der Anpassung am Ausgang des Kopplers ermöglicht die Verwendung einer
Photonenfaser also eine Anpassung am Eingang des Kopplers; die Photonenfaser
weist auch auf ihrer gesamten Länge
einen monomoden Kern auf, sogar in dem nicht gestreckten Teil.
-
Es
folgen nun Beispiele für
Verstärker,
die ausgehend von einem Koppler der Art aus 2 konstruiert
werden. Beim ersten Beispiel ist die Photonenfaser dotiert und gewährleistet
die Verstärkung. Man
kann dann jedes Ende des Kopplers mit SMF-Fasern mit einem Kerndurchmesser
in der Größenordnung
von 10 Mikron verbinden. Für
die Photonenfaser verwendet man eine Faser der Art wie sie in der
Patentanmeldung 01 03640 beschrieben wird. Gegebenenfalls erhöht man die
Photonenfaserlänge. Die
Faser weist vor dem Strecken einen multimoden Kerndurchmesser von
500 Mikron auf und nach dem Strecken einen multimoden Kerndurchmesser
von 125 Mikron – der
keine Auswirkung hat; der monomode Kerndurchmesser verändert sich
von 40 auf 10 Mikron, was die Anpassung an die SMF-Faser gewährleistet.
Man kann vier Multimodefasern mit einem Kerndurchmesser von 100
Mikron verwenden, die die Pumpen in der Photonenfaser koppeln.
-
Bei
einem zweiten Beispiel ist der Multiplexer von der Verstärkungsfaser
verschieden; in diesem Fall kann man die Photonenfaser aus der Patentanmeldung
01 03639 verwenden, die nicht unbedingt dotiert ist. Die Photonenfaser
kann einen multimoden Kerndurchmesser von 400 Mikron aufweisen und
einen Modendurchmesser des monomoden Kerns von 30 Mikron. Am Eingang
wird die Photonenfaser gestreckt, um einen monomoden Kerndurchmesser
in der Größenordnung
von 10 Mikron aufzuweisen wie die SMF-Faser, die das Signal liefert.
Am Ausgang wird die Photonenfaser gestreckt, um einen Modendurchmesser
des monomoden Kerns in der Größenordnung
von 7 Mikron aufzuweisen; der multimode Kerndurchmesser verändert sich
auf 100 Mikron; die numerische Apertur verändert sich von 0,15 auf 0,6. Der
Koppler ist also am Ausgang angepasst an eine Verstärkungsfaser,
die solche Werte für
den Kerndurchmesser und die numerische Apertur aufweist. Man kann
die gleichen Pumpen wie im vorstehenden Beispiel verwenden.
-
Bei
einem dritten Beispiel verwendet man eine Photonenfaser von der
gleichen Art wie beim zweiten Beispiel, aber mit einem multimoden
Kerndurchmesser von 100 Mikron, einem Modendurchmesser des monomoden
Kerns von 14 oder 15 Mikron und einer numerischen Apertur von 0,15;
man verwendet zwei Pumpen, die jeweils einen multimoden Kerndurchmesser
von 50 Mikron aufweisen, mit einer numerischen Apertur von 0,15.
Am Ausgang wird die Photonenfaser gestreckt, um einen monomoden
Kerndurchmesser in der Größenordnung
von 7 Mikron aufzuweisen; der Multimodekerndurchmesser verändert sich
auf 50 Mikron; die numerische Apertur verändert sich von 0,15 auf 0,22.
Dieses Beispiel weist verglichen mit dem zweiten den Vorteil auf,
dass es möglich
ist, mehr als eine Pumpe zu verwenden, und dabei gleichzeitig am
Ausgang eine schwache numerische Apertur zu haben. Die Verstärkungsfaser
kann eine Faser ohne Polymerbeschichtung mit geringem Index sein
(von der Art, die es gestatten, die numerische Apertur zu vergrößern, aber
die mechanischen Leistungen mindern).
-
Allgemeiner
gesagt kann man die folgende Relation verwenden, um die Eingangs-
und Ausgangsdurchmesser in Abhängigkeit
von der Anzahl der Multimodefasern zu bestimmen. Die Eingangs- und
Ausgangs-Multimodekerndurchmesser schreibt man als d1 und
d2, die numerischen Eingangs- und Ausgangs-Aperturen
schreibt man als NA1 und NA2, und
die Anzahl der Multimodefasern als n. Als „Eingang" bezeichnen wir hier die Kennzeichen
der Photonenfaser vor der Kopplung mit den Multimodefasern, und
als „Ausgang" die Kennzeichen
dieser Photonenfaser nach der Kopplung mit dem Multimodefasern.
Dann hat man: (d2·NA2/d1·NA1)2 = n was bei
einem Beispiel mit acht Fasern mit identischen Eingangs- und Ausgangs-Multimodendurchmessern
zeigt, dass die numerische Apertur von 12 am Eingang sich zu 0,34
am Ausgang verändert.
-
Die
Verwendung einer Photonenfaser erlaubt es entlang des gestreckten
Teils mindestens ebenso vorteilhafte Ausbreitungskennzeichen wie am
Kopplereingang und -ausgang vorhanden zu bewahren; unter einem qualitativen
Gesichtspunkt führt das
Strecken der Photonenfaser zu einer homothetischen Verringerung
der Größe der Löcher, die
in der Faser vorhanden sind, sogar zu deren vollständigem Verschwinden.
Wenn die Photonenfaser zu Beginn einen großen Modendurchmesser aufweist,
nimmt der Modendurchmesser im Koppler im konischen Bereich ab, bleibt
aber immer noch größer als
der Modendurchmesser am Ausgang des Kopplers.
-
Diesbezüglich kann
man in 4 des Dokuments EP-A-0 893 862 Bezug nehmen; diese
Figur zeigt, dass der Modendurchmesser eine fallende, dann steigende
Funktion des Kerndurchmessers einer gestreckten Faser ist. Dieses
Dokument schlägt vor,
das Strecken so zu wählen,
dass der Modendurchmesser der gestreckten Faser gleich dem Modendurchmesser
der Faser vor dem Strecken ist. Das entspricht auf dem Graphen dem
Verlauf des Modendurchmessers in Abhängigkeit vom Kerndurchmesser
einer waagerechten Linie, die die Kurve in zwei Punkten schneidet.
Umgekehrt schlägt
die Erfindung vor, eine Photonenfaser zu wählen mit einem Modendurchmesser
im ungestreckten Zustand der dergestalt ist, dass man im Koppler
im steigenden Teil der Funktion bleiben kann, wobei der Modendurchmesser
mit dem Kerndurchmesser verknüpft
ist. Somit nimmt der Modendurchmesser im konischen Teil ab, und
erreicht am Ausgangspunkt des Kopplers einen Minimalwert; jedoch
bleibt er im ganzen Koppler größer als
dieser Wert. Die Photonenfaser weist außerdem auf ihrer gesamten Länge einen
monomoden Kern auf.
-
Die
Photonenfaser wird vorteilhafterweise so gewählt, dass sie einen multimoden
Kerndurchmesser von mindestens 100 Mikron vor dem Strecken aufweist.
Dieser Wert stellt sicher, dass das Strecken zu Durchmesserwerten
des multimoden Kerns führt, die
mit den Fasern kompatibel sind, welche mit dem Koppler verbunden
sind. Wenn die Photonenfaser eine Doppelmantelfaser ist, ist es
auch günstig,
wenn sie einen monomoden Kerndurchmesser von mindestens 15 Mikron
aufweist; dieses gewährleistet, dass
das Strecken zu monomoden Kerndurchmessern führt, die mit den mit dem Koppler
verbundenen Fasern kompatibel sind.
-
3 und 4 sind
Graphen, die den Modendurchmesser des monomoden Kerns beziehungsweise
den Durchmesser des multimoden Kerns im zweiten Beispiel aus 2 zeigen.
Auf der Abszisse wurde die Entfernung entlang des Kopplers eingetragen,
in mm, und auf der Ordinate der Modendurchmesser oder der multimode
Kerndurchmesser, in Mikron. Die Abszisse 0 entspricht dem Anfang
der Photonenfaser, mit anderen Worten der Kopplungsstelle mit der
Faser 16 in 2. An dieser Stelle weist die
Faser einen Modendurchmesser des monomoden Kerns von 10 Mikron auf,
der dem Kerndurchmesser einer Faser mit Stufenprofil gemäß dem Stand
der Technik entspricht. Der Durchmesser des multimoden Kerns liegt
in der Größenordnung
von 130 Mikron. Der verjüngte
oder konische Teil 14 erstreckt sich zwischen der Abszisse
0 und der Abszisse x1; diese kann einen Wert in der Größenordnung von
2 m aufweisen. Auf dieser Abszisse weist die – nicht gestreckte – Photonenfaser
einen Modendurchmesser des monomoden Kerns von 30 Mikron auf, und
einen Durchmesser des multimoden Kerns von 400 Mikron. Zwischen
den Abszissen x1 und x2 weist die Photonenfaser einen konstanten
Durchmesser auf; dieser Teil entspricht in 2 dem Ort
der Kopplung der Multimodefasern an die Photonenfaser; die Länge x2 – x1 ist
die erforderliche Länge
für die
seitliche Kopplung der Multimodefasern, und kann in der Größenordnung
von 2 bis 3 Metern liegen; bei einem Beispiel, wo die Photonenfaser
als Verstärkerfaser dient,
wäre diese
Länge größer. Der
verjüngte
oder konische Teil 12 erstreckt sich zwischen der Abszisse x2
und der Abszisse x3 auf einer Länge
in der Größenordnung
von 2 m. Der Modendurchmesser des monomoden Kerns am Ausgang liegt
in der Größenordnung
von 7 Mikron und der Durchmesser des multimoden Kerns liegt in der
Größenordnung
von 100 Mikron: diese Werte entsprechen denjenigen einer herkömmlichen
Doppelmantelfaser.
-
Die
Graphen aus 3 und 4 zeigen, dass
auf der gesamten Länge
des Kopplers die Faser einen Modendurchmesser größer oder gleich einem Wert
von 7 Mikron aufweist. Genauer gesagt nimmt der Modendurchmesser
im ersten verjüngten
Teil 14 zwischen den Abszissen 0 und x1 zu. Er erreicht
den Wert 100 Mikron im nicht verjüngten Teil der Faser zwischen
den Abszissen x1 und x2. Dann nimmt der Modendurchmesser in Teil 12 des
Kopplers ab. Auf der ganzen Länge
des Kopplers bleibt die Faser für das übertragene
Signal monomode. Zum Vergleich: bei der Vorrichtung aus Dokument
EP-A-0 893 862 weist der Modendurchmesser einen Nennwert von 10
Mikron an den Enden des Kopplers auf, fällt aber im Koppler auf 7,5
Mikron.
-
Die
Erfindung wird obenstehend in einer bevorzugten Ausführungsart
beschrieben. Sie kann zahlreiche Varianten aufweisen; insbesondere
kann man die Parameter verändern,
welche die Photonenfaser oder die Multimodefasern definieren. Zum
Einkoppeln des Pumpenlichts könnte
man andere Fasern als Multimodefasern verwenden. Der Koppler kann
für andere
Vorrichtungen als den beschriebenen Verstärker oder Laser verwendet werden.
Bei den Verstärkerbeispielen
hat man eine optische Verstärkungsfaser
mit Doppelmantel erwähnt;
man kann auch eine Optikfaser mit Mehrfachmantel verwenden, oder
eine optische Photonenfaser der Art, die in der französischen
Patentanmeldung 01 03640 der Patentanmelderin beschrieben wird.
Bei den Beispielen hat man ein monodirektionales System betrachtet;
ein bidirektionales System ist auch möglich. Der Aufbau kann symmetrisch
sein mit einem Koppler, der das Signal oder die Pumpen an jedem
Ende des Laserresonators oder der Verstärkerfaser einkoppelt. Man kann
auch einen sequentiellen Aufbau vorsehen, mit Kopplern, welche die
Pumpen in der gleichen Ausbreitungsrichtung einkoppeln, in aufeinander
folgenden Faserabschnitten, die einen Laserresonator oder eine Verstärkerfaser
bilden.