DE68903528T2

DE68903528T2 - Verbinden von optischen wellenleitern.

Info

Publication number: DE68903528T2
Application number: DE8989304353T
Authority: DE
Inventors: David Stewart Forrester
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1988-04-29
Filing date: 1989-04-28
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2009-04-29
Also published as: HK129496A; DE68903528D1; EP0340042A1; JPH03504052A; GB8810286D0; AU3571189A; CA1317803C; EP0340042B1; WO1989010332A1; ATE82561T1; US5142603A; JP2911932B2; AU629214B2; ES2036029T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Verbinden von Lichtwellenleitern, wie etwa Lichtleitfasern.
Ein herkömmlicher Lichtwellenleiter besteht aus einer Länge dielektrischen Materials mit einem Querschnittsbrechzahlprofil, dessen Peak(s) so gelegt ist, daß die entlang der Lage des Materials wandernde Lichtstrahlung so geleitet wird, daß sie innerhalb des Materials des Wellenleiters bleibt. Das Material im Peakbereich ist allgemein als der Kern bekannt, während das Material außerhalb des Peakbereiches allgemein als der Mantel bekannt ist.
Üblicherweise werden Lichtwellenleiter dieses Typs dadurch miteinander verbunden bzw. verspleißt, daß benachbarte Enden der Wellenleiter durch Krafteinwirkung in Gegenwart eines elektrischen Lichtbogens zusammengefügt werden, der nach der Verbindung der Enden ausgeschaltet wird. Dies veranlaßt die Fasern, sich durch Schmelzen miteinander zu verbinden. In einigen Fällen wird die Schmelzverbindung vergütet, um die mechanische Festigkeit zu verbessern. Es ist wichtig, die hauptsächlich bestehenden Spleißverlustmechanismen zu berücksichtigen, um die durch die Schmelzverbindung entstehenden Verluste zu minimieren. Im allgemeinen können die Verlustmechanismen in drei Kategorien eingeteilt werden:
Quergerichtete Kernversetzungen - diese werden dadurch verursacht, daß der Kern nicht konzentrisch zum Wellenleiter liegt, so daß selbst dann, wenn die Wellenleiter korrekt ausgerichtet sind, die Kerne nicht ausgerichtet sind.
Kernverformung - diese wird durch mangelhalte Ausrichtung der Wellenleiter vor dem Spleißen und/oder durch den Umstand verursacht, daß die benachbarten Enden der Wellenleiter nicht ausgerichtet sind.
Fehlanpassung des Modefeldes - das Brechzahlprofil bestimmt die Querschnittsbreite eines sich im Wellenleiter ausbreitenden optischen Feldes, die zwischen den 1/e-Intensitätspegeln gemessen wird und durch die "Modenlichtfleckgröße" bzw. Modenspotgröße gekennzeichnet wird.
Bei einer typischen Monomodefaser mit einem Kerndurchmesser von ungefähr 8 um liegt die Modenspotgröße bei etwa 9 um. Falls die Modenspots in beiden Wellenleitern unterschiedliche Formen (oder Größen) besitzen, treten in der Verbindung signifikante Verluste auf.
Falls die zwei Wellenleiter signifikant unterschiedliche Modenspotgrößen besitzen, stellt die Modenfehlanpassung den dominierenden Verlustmechanismus dar. Zu diesem Problem sind verschiedene Vorschläge gemacht worden Beispielsweise beschreibt das Dokument EP-A-O.076.186 ein Verfahren zum Erwärmen der Enden der Fasern auf eine Temperatur von 800º C bis 1200º C während einer Dauer von 24 bis 48 Stunden, um ein Wandern des im Kern befindlichen Dotiermittels in den Mantel zu veranlassen, da dies zu einer Änderung der Brechzahl des Lichtleiters und einer entsprechenden Änderung der Modenspotgröße führt. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß eine lange Vorbehandlung (1 bis 2 Tage) benötigt wird und die Faser an der richtigen Stelle durchgetrennt werden muß, um die Modengrößen anzupassen.
Die Wirkung einer Fluoridwanderung vom Mantel zum Kern ist in den Beiträgen "Theory of tapering single-mode optical fibre by controlled core diffusion", von C.P. Botham und "Tapers in single-mode optical fibre by controlled core diffusion", von J.S. Harper, C.P. Botham und S. Hornung, erschienen in Electronics Letters, 18. Februar 1988, Band 24, Nr. 4, Seiten 243-246 beschrieben worden. Beide Beiträge befassen sich mit einer einzelnen Faser und mit der Wirkung eines Wärmeprozesses auf diese Faser, bei typischen Erwärmungszeiten in der Größenordnung von einer Stunde oder mehr.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Lichtwellenleitern mit unterschiedlichen Brechzahlprofilen, wobei mindestens einer der Wellenleiter eine numerische Apertur von mindestens 0.15 besitzt und das Verfahren die Verschmelzung der Enden der Wellenleiter bei gleichzeitig ausgefluchteten jeweiligen Kernen derselben, sowie die anschließende Erwärmung der Schmelzverbindung zwischen den Wellenleitern umfaßt, derart, daß das Dotiermittel aus dem Kern mindestens eines Wellenleiters auswandert, und der nachfolgende Erwärmungsschritt während einer Dauer ausgeführt wird, die ausreicht, um im Bereich der Schmelzverbindung eine annähernde Anpassung zwischen den Modenspotgrößen in den beiden Wellenleitern zu erreichen.
Wir haben festgestellt, daß bei den weiter oben beschriebenen Vorschlägen, die sich alle mit Fasern kleiner NA befassen, die Verluste stark ansteigen, wenn die Fasern der Wärmebehandlung unterzogen werden. Im Gegensatz dazu haben wir herausgefunden, daß eine Wärmebehandlung nach dem Schmelzen überraschend wirksam ist, wenn mindestens einer der Wellenleiter eine große NA hat. Wird eine Faser mit großer NA mit einer Standardfaser verspleißt, erzeugen die unterschiedlichen Migrationsgeschwindigkeiten in den beiden Fasern einen raschen Ausgleich der Modenspotgrößen. Werden zwei Fasern mit großer NA verspleißt, wachsen die beiden Kerne größenmäßig rasch zusammen und verringern physikalische Fehlanpassungen, wie beispielsweise quergerichtete Kernversetzungen. Wir haben festgestellt, daß hochdotierte Fasern mit großer NA beim Erwärmen eine rasche Wanderung des Dotiermittels zeigen, die zu einer kurzen Wärmenachbehandlung nach dem Spleißen führt, um eine Anpassung der Modenspotgröße oder eine Verringerung der quergerichteten Kernversetzung zu bewirken. Es wurde gefunden, daß es durch Einstellen einer passenden Wärmeleistung möglich ist, eine signifikante Anpassung der Modenspotgröße in einer vergleichsweise kurzen Zeit zu erreichen, typischerweise in etwa 30 Sekunden. Die Nacherwärmung könnte unter Benutzung des gleichen Lichtbogens, der zur Herbeiführung des Schmelzens benutzt wurde, oder durch einen anderen Erwärmungsprozeß erfolgen, wobei im ersten Falle die Heizleistung durch geeignete Wahl des Lichtbogenstromes bestimmt wird.
In der Praxis liegt die während des Nacherwärmungsprozesses erreichte Temperatur höher als bisher, wie etwa bei den bekannten Vergütungsverfahren und im Falle EP-A-0-076.186. Typischerweise werden Temperaturen in der Größenordnung von 1400º C bis 1600º C angewandt.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Änderung des Ausbreitungsverlustes während des Schmelz- und Nacherwärmungsprozesses überwacht werden um zu bestimmen, wann die Nacherwärmung beendet werden soll. Alternativ kann dieser Überwachungsvorgang in einer Vorstufe durchgeführt werden, um die passende Erwärmungsdauer zu ermitteln und bei der Herstellung nachfolgender Verbindungen kann der Nacherwärmungsprozeß mit der vorbestimmten Dauer erfolgen, ohne daß eine Echtzeitüberwachung notwendig wäre.
Vorzugsweise wird der Erwärmungsschritt so lange ausgeführt, bis die Ausbreitungsverluste ein Minimum erreichen Alternativ, oder zusätzlich, kann der Erwärmungsprozeß so lange durchgeführt werden, bis die Ausbreitungsverluste um mindestens 1 dB gegenüber demjenigen Verlust reduziert werden, der auftritt, wenn die Wellenleiter stumpf aneinandergefügt, aber nicht miteinander verschmolzen werden.
Die numerische Apertur eines Wellenleiters mit großer NA wird allgemein mindestens 0.15 betragen und typischerweise im Bereich von 0.15 bis 0.3 liegen.
Die Erfindung ist insbesondere auf die Verbindung einer herkömmlichen Monomodelichtleitfaser mit einer Faser großer NA anwendbar. Fasern mit großer NA werden in Faserlasern sowie zum Auskoppeln der Lichtleistung aus Lasern benutzt. Die Erfindung ist weiter auf das Verbinden von zwei Fasern mit großer NA anwendbar.
Das Gerät zur Durchführung des Verfahrens kann ein herkömmliches Gerät zum Verspleißen von Lichtleitfasern sein, das passend justiert ist, insbesondere um die Lichtbogendauer und den Lichbogenstrom gegenüber herkömmlichen Werten zu ändern.
Nachfolgend wird ein Beispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 veranschaulicht das Brechzahlprofil einer Lichtleitfaser mit großer NA vor und nach dem Spleißen;
Fig. 2 stellt ein Diagramm ähnlich demjenigen der Fig. 1 dar, jedoch für eine herkömmliche Monomodelichtleitfaser;
Fig. 3 veranschaulicht die zeitliche Veränderung des Ausbreitungsverlustes; und
Fig. 4 stellt in schematischer Darstellung eine Faser mit großer NA dar, die mit einer Kommunikationsfaser kleiner NA verspleißt und an einen Halbleiterlaser gekoppelt ist.
Wie zuvor erwähnt, ist die Erfindung insbesondere zur Verwendung beim Verspleißen von Lichtleitfasern mit großer NA geeignet. Bei diesem Spleißen kann es sich um die Verbindung einer Faser großer NA mit einer Standardfaser oder die Verbindung zweier Fasern mit großer NA handeln. Im vorliegenden Beispiel wird die Verbindung einer Faser mit großer NA und einer Standardfaser beschrieben.
Die numerische Apertur (NA) einer Lichtleitfaser ist gegeben durch:
(n²co - n²cl)1/2 ≈ (2xncl x δn)1/2
wobei nco die Brechzahl des Kerns, ncl die Brechzahl des Mantels, und δn = nco - ncl ist.
Fasern mit großer NA weisen einen hohen Wert von δn auf, typischerweise zwischen 0.02 bis 0.008, entsprechend einer NA im Bereich von 0.24 bis 0.15. Bei Quarzfasern, die mit Germanium dotiert sind, wird dies durch eine hohe Germaniumkonzentration im Kernbereich erzielt Fig. 1 veranschaulicht durch die Kurve 1 das Brechzahlprofil einer solchen Faser mit großer NA. Die Faser besitzt einen Kernradius a von etwa 2 Mikron und einen Modenradius von etwa 2 Mikron.
Das Brechzahlprofil einer herkömmlichen Monomodefaser, mit der die Faser großer NA verspleißt werden soll, ist in Fig. 2 durch die Kurve 2 dargestellt. In diesem Falle liegt der Wert von δn bei etwa 0.004; a beträgt etwa 4 Mikron und der Modenradius beträgt etwa 5 Mikron. Daraus geht hervor, daß es zwischen den beiden Fasern einen signifikanten Unterschied der Modenspotgröße gibt.
Nach der Vorbereitung der Enden der Faser in einer üblichen Weise, nämlich sie so flach wie möglich zu machen, werden die Fasern in einer herkömmlichen Spleißmaschine befestigt und geringfügig auseinandergerückt, um durch den Raum zwischen den Fasern einen Lichtbogen zünden zu können. Bei stehendem Lichtbogen werden dann die is Fasern schnell aneinandergefügt, was zum Schmelzen der Fasern führt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Spleißen wird der Lichtbogen während einer Dauer von insgesamt 25 bis 30 Sekunden aufrechterhalten.
Die Wirkung dieser zusätzlichen Erwärmung nach dem Schmelzen besteht darin, daß das Dotiermittel im Kern der Faser großer NA veranlaßt wird, in den Mantel der Faser zu wandern. Diese Migration verursacht Änderungen der Brechzahl des Kerns und des Mantels und reduziert wirksam den Wert δn dieser Faser. In der Faser mit großer NA tritt die Migration aufgrund der hohen Konzentration des Dotiermittels im Kern wesentlich schneller ein als in der Standardfaser. Diese hohe Konzentration senkt die "Erweichungstemperatur" des Kerns (im Vergleich zum Mantel oder zum Kern einer weniger hoch dotierten Faser), so daß die Mobilität der Germaniumatome bei jeder gegebenen Temperatur beträchtlich erhöht wird.
Da die Modenbreite einer Lichtleitfaser sehr stark vom Wert δn und vom Kernradius a abhängt, insbesondere wenn a klein ist, können kleine Änderungen von δn und a, die durch Diffusion des Kerndotierungsmittels hervorgerufen werden, große Änderungen der Modenbreite erzeugen.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, hat sich nach der etwa 25 Sekunden dauernden Erwärmung das Brechzahlprofil deutlich in die durch die Kurve 3 wiedergegebene Form umgewandelt. Wie aber Fig. 2 zeigt, ist ersichtlich, daß sich die Brechzahl der herkömmlichen bzw. der Standardfaser nur sehr wenig geändert hat, wie die Kurve 4 anzeigt. Ein Vergleich dieser beiden Diagramme zeigt jedoch, daß die Brechzahlprofile 3, 4 jetzt einander sehr ähnlich sind.
Der während des Nacherwärmungsprozesses fließende Lichtbogenstrom ist so eingestellt, daß die Temperatur der Fasern auf ihren Erweichungspunkt erhöht wird, der typischerweise im Bereich von 1400º - 1600º C liegt.
Die Wirkung der Erfindung auf den Ausbreitungsverlust während des Prozesses geht aus Fig. 3 hervor. Anfänglich stehen die beiden Fasern während der Dauer einer Periode 5 gegeneinander an. Dann werden sie auseinandergerückt, was unvermeidlicherweise eine Zunahme der Verluste verursacht, wobei der Lichtbogen während der Dauer einer Periode 6 brennt. Während der Lichtbogen brennt, werden die Fasern aneinandergefügt und geschmolzen. Bei der Standardspleißtechnik würde der Lichtbogen am Ende der Periode 7, etwa 2 bis 3 Sekunden nachdem die Fasern aneinandergefügt wurden, abgeschaltet. Bei der Erfindung wird jedoch mit der Erwärmung durch Aufrechterhalten des Lichtbogens fortgefahren, wobei beobachtet wird, daß die Verluste nach und nach laufend abnehmen, bis sie etwa 25 Sekunden nach dem Aneinanderfügen der Fasern, bei stehendem Lichtbogen, ein Minimum von 0.2 dB erreichen. Fig. 3 veranschaulicht die Wirkung auf die Verluste bei 1.3 Mikron (Kurve 8) und 1.5 Mikron (Kurve 9), wobei sich zeigt, daß diese einander sehr ähnlich sind.
Obgleich die Erfindung in Verbindung mit einem hochdotierten Kern beschrieben wurde, ist sie auch bei Fasern mit einem hochdotierten Mantel anwendbar (beispielsweise dotiert mit Fluor oder Bor), um die Brechzahl des Mantels zu verringern; oder mit einer Kombination derselben.
Nachfolgend wird Bezug auf Fig. 4 genommen, in der eine Faser 40 mit großer NA zum Auskoppeln von Licht aus einem Halbleiterlaser 42 in Stellung gebracht und mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Kommunikationsfaser kleiner NA verspleißt ist. Diese Kombination ergibt eine verlustarme Kopplung zwischen dem Laser 42 und der Kommunikationsfaser 44. Die Kombination kann als Baugruppe ausgeführt werden, wobei die Faser 44 eine Anschlußfaser zum Verspleißen, durch herkömmliche Mittel, mit einer gleichen Faser (nicht dargestellt) eines optischen Kommunikationssystems bildet.

Claims

1. Verfahren zum Anschließen von Lichtwellenleitern mit unterschiedlichen Brechungsindexprofilen, wobei mindestens einer der Wellenleiter eine numerische Apertur von mindestens 0.15 besitzt und das Verfahren die Verschmelzung der Enden der Wellenleiter bei gleichzeitig ausgefluchteten jeweiligen Kernen derselben, sowie die anschließende Erwärmung der Schmelzverbindung zwischen den Wellenleitern umfaßt, derart, daß das Dotiermittel aus dem Kern mindestens eines Wellenleiters auswandert, und der nachfolgende Erwärmungsschritt während einer Dauer ausgeführt wird, die ausreicht, um im Bereich der Schmelzverbindung eine annähernde Anpassung zwischen den Modenspotgrößen in den beiden Wellenleitern zu erreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der anschließende Erwärmungsschritt während einer Zeitdauer ausgeführt wird, die 30 Sekunden nicht überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schmelzverbindung während des anschließenden Erwärmungsschrittes auf mindestens 1400ºC erwärmt wird.

4. Verfahren nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem der anschließende Erwärmungsschritt so lange ausgeführt wird, bis die Ausbreitungsverluste ein Minimum erreichen.

5. Verfahren nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem der anschließende Erwärmungsschritt so lange ausgeführt wird, bis die Ausbreitungsverluste um mindestens 1 db gegenüber den Verlusten verringert worden sind, die auftreten, wenn die Wellenleiter stumpf gegeneinanderstehen, aber nicht verschmolzen sind.

6. Verfahren nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, das weiter die Überwachung der Ausbreitungsverluste während des anschließenden Erwärmungsschrittes umfaßt.

7. Verfahren nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem der anschließende Erwärmungsschritt während einer Dauer durchgeführt wird, die substanziell wesentlichen länger als 10 Sekunden ist.

8. Verfahren nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem die numerische Apertur mindestens eines Wellenleiters zwischen 0.15 bis 0.3 liegt.

9. Verfahren nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem die Wellenleiter Lichtleitfasern umfassen.