DE69028081T2 - Chlor-dotierte optische Bauteile - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft passive optische Komponenten mit chiordotierten Bereichen, und insbesondere faseroptische Koppier mit optischen Glasfasern oder Wegen, in denen chlordotierte Bereiche zumindest teilweise für einen Unterschied in Propagationskonstanten in den optischen Wegen verantwortlich sind.
• Eine Kopplung kann zwischen zwei dicht beabstandeten Kernen oder optischen Wegen in passiven optischen Vorrichtungen auftreten. Solche Vorrichtungen existieren in Form von verschmolzenen Fasern, bemantelten verschmolzenen Fasern, planaren Vorrichtungen und dergleichen. Verschmolzene Glasfaservorrichtungen sind in den US-Patenten Nr. 4,798,436 (Mortimore) und 4,822,126 (Sweeney et al.) und in der Veröffentlichung: O.Parriaux et al., "Wellenlängenselektives verteiltes Koppeln zwischen optischen Einzelmoden-Glasfasern zum Multiplexen", Journal of Optical Communications, Band 2, Nr. 3, pp. 105-109 offenbart. Bemantelte optische Koppler sind in der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 0302745 und in der US-A-5,011,251 offenbart. Beispiele planarer passiver Vorrichtungen kann man in den US-Patenten Nr. 3,957,341 (Taylor) und 4,765,702 (Dohan et al.) finden.
• Bei der Diskussion passiver Vorrichtungen mit Bereichen mit einem unterschiedlichen Brechungsindex ist die relative Differenz des Brechungsindex Δa-b zwischen zwei Materialien mit den Brechungsindizes na und nb definiert als
• Δa-b = (na² - nb²)/2na² (1)
• Zur Vereinfachung des Ausdrucks wird Δ oft in Prozent ausgedrückt, d.h. in einhundert mal Δ.
• Koppler, die diverse spektrale Kopplungseigenschaften, wie z.B. Achromasie, Schmalband-Wellenlängenteilungs-Multiplexieren (WDM) und dergleichen, aufweisen, können aus optischen Wegen oder Glasfasern mit verschiedenen Propagationskonstanten gebildet werden. Die vorhererwähnten Patente und Veröffentlichungen lehren, daß zwei optische Wege mit einem Δβ, d.h. einer Differenz in den Propagationskonstanten, durch Ausstatten des Kerns und/oder der Mantelbereiche dieser Wege mit verschiedenen Querschnittsflächen oder verschiedenen Brechungsindexprofilen versehen werden können.
• Bestimmte der vorhererwähnten Kopplungseffekte können durch Verwenden von Fasern mit leicht unterschiedlichen Mantel-Brechungsindizes erzielt werden. Diese Differenz im Mantel-Brechungsindex kann der einzige Effekt sein, der zum Erhalten eines Δβ zwischen den Glasfasern verwendet wird, oder er kann in Kombination mit einem oder weiteren Effekten verwendet werden, welche die Propagationskonstante ändern. Diese Indexdifferenz kann in Termen von ΔMäntel charakterisiert werden, dessen Wert durch Substituieren des Mantelindex n&sub2; einer Faser und des Mantelindex n&sub2;' der anderen Faser für na und nb von Gleichung (1) und Lösen nach Δ erhalten wird. Der erforderliche Wert von ΔMäntel kann durch Hinzufügen eines Dotierstoffes zum Mantel von nur einer der Fasern oder durch Hinzufügen verschiedener Mengen oder verschiedener Dotierstoffe zu den Mänteln der zwei Glasfasern erhalten werden. Bestimmte Vorrichtungen, wie z.B. der achromatische bemantelte Koppler, der in der US-A-5,011,251 offenbart ist, erfordern einen sehr kleinen Wert von ΔMäntel, nämlich weniger als 0,03%, um den erwünschten Wert von Δβ zu erhalten. Zu diesem Zweck ist es übliche Praxis, Silika als Basisglas zu verwenden und Dotierstoffe, wie z.B. Fluor oder B&sub2;O&sub2; zum Erniedrigen des Brechungsindex zu verwenden oder GeO&sub2;, P&sub2;O&sub5; oder dergleichen zum Erhöhen des Brechungsindex des Basisglas zu verwenden. Wenn ein relativ niedriger Wert von ΔMäntel zum Erhalten des erwünschten Werts von Δβ erforderlich ist, ist es schwierig, Dotierstoffe, wie z.B. B&sub2;O&sub3;, Fluor, GeO&sub2; und dergleichen zu verwenden, da sie einen relativ großen Einfluß auf den Brechungsindex ausüben. Es ist deshalb schwer, solche Dotierstoffe in den kleinen, genau gesteuerten Mengen hinzuzufügen, welche zum Andern des Brechungsindex des Basisglas in einem zur Erzeugung solcher kleinen Werte von ΔMäntel hinreichenden Ausmaß notwendig sind.
Zusammenfassung der Erfindung
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches, genaues Verfahren zum Modifizieren des Brechungsindex eines Bereichs einer optischen Vorrichtung zu schaffen. Eine weitere Aufgabe ist es, eine passive optische Vorrichtung zu schaffen, bei der zumindest ein Bereich davon aus einem Basisglas mit einem Dotierstoff, der einen sehr geringen Einfluß auf den Brechungsindex aufweist, gebildet ist. Noch eine weitere Aufgabe ist es, eine optische Vorrichtung zu schaffen, bei der der Mechanismus zum Andern der Propagationskonstante eines optischen Weges davon einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Modenfelddurchmesser davon ausübt. Eine weitere Aufgabe ist es, einen optischen Einzelmoden-Glasfaserkoppler zu schaffen, dessen Verbindungsschwänze mit niedrigem Einfügungsverlust mit Systemglasfasern verbunden werden können. Noch eine weitere Aufgabe ist es, eine achromatische optische Einzelmoden-Glasfaser zu schaffen, die durch eine sehr kleine Anderung in der Kopplungsleistung über ein breites Band von Wellenlängen gekennzeichnet ist.
• Die vorliegende Erfindung betrifft weitläufig eine passive optische Komponente mit benachbarten Bereichen transparenten Materials. Solche Komponenten existieren in der Form verschmolzener Fasern, bemantelter verschmolzener Fasern, planarer Vorrichtungen und dergleichen. Zumindest ein Bereich der Komponente enthält eine Menge von Chlor, die ausreicht, um die optische Funktionstüchtigkeit davon zu ändern. Die benachbarten Bereiche können zumindest erste und zweite benachbarte optische Wellenleiterwege enthalten, von denen jeder einen Lichtpropagationsbereich und zumindest einen benachbarten Bereich mit einem Brechungsbereich, der niedriger als der des Lichtpropagationsbereichs ist, enthält. In Übereinstimmung mit der Erfindung enthält der benachbarte Bereich des zweiten Wegs eine Menge an Chlor, die zum Erhöhen des Brechungsindex n&sub2;' davon auf einen Wert größer als den Brechungsindex n&sub2; des benachbarten Bereichs des ersten Wegs ausreicht, wobei der Unterschied zwischen n&sub2; und n&sub2;' zumindest teilweise für einen Unterschied in den Propagationskonstanten zwischen dem ersten und zweiten Weg verantwortlich ist. Der benachbarte Bereich des ersten Wegs kann frei von Chlor sein, oder er kann Chlor enthalten.
• Der benachbarte Bereich des zweiten optischen Wegs kann durch Abscheiden einer Schicht von Glaspartikeln, Aussetzen der Partikel einer chlorhaltigen Atmosphäre und Verfestigen der Partikel zum Bilden eines chlorhaltigen Glases gebildet werden. Falls der benachbarte Bereich des ersten Wegs durch ein ähnliches Verfahren gebildet wird, bei dem abgeschiedene Glaspartikel in einer chlorhaltigen Atmosphäre getrocknet wurden, müssen die bei der Bildung des zweiten Weges verwendeten Partikel einer Chlormenge ausgesetzt werden, die größer als die zum Entfernen von Wasser von dem Partikel notwendige Menge ist.
• Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft einen faseroptischen Koppler mit zumindest einer ersten und einer zweiten optischen Glasfaser, wobei jede einen Kern und einen Mantel aufweist. Die Fasern sind längs eines Teils ihrer Länge verschmolzen, um einen Kopplungsbereich zu bilden, wobei zumindest ein Teil eines optischen Signals, das sich in der ersten Faser ausbreitet, in die zweite Faser gekoppelt wird. Der Mantel der zweiten Faser enthält eine Chlorkonzentration, die hinreichend ist, den Brechungsindex n&sub2;' auf einen Wert größer als den Brechungsindex n&sub2; des Mantels der ersten Faser anzuheben. Der Unterschied zwischen n&sub2; und n&sub2;' ist zumindest teilweise für einen Unterschied in den Propagationskonstanten zwischen der ersten und zweiten Faser verantwortlich.
• Der Mantel der ersten Faser kann eine Restkonzentration von Chlor, üblicherweise mindestens 0,04 Gewichtsprozent enthalten, die von einem Prozeß herrührt, der zum Trocknen des Mantels benutzt wird. Für bestimmte Anwendungen sind die Fasern identisch bis auf den Unterschied in den Chlorkonzentrationen in ihren Mänteln. Weitere Anwendungen erfordern, daß sich die Fasern ebenfalls in anderen Belangen unterscheiden, um die erforderliche Differenz in den Propagationskonstanten und/oder spektralen Eigenschaften zu erhalten.
• Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft einen bemantelten faseroptischen Koppler, der einen länglichen Körper aus Matrixglas mit einem Brechungsindex n&sub3; enthält. Zumindest eine erste und ein zweite optische Faser erstrecken sich in Längsrichtung durch den länglichen Körper. Jede der Fasern enthält einen Kern, der von einem Mantel mit einem Brechungsindex umgeben ist, der geringer als der des Kerns aber größer als n&sub3; ist. Der Mantel der zweiten Faser enthält eine Chlorkonzentration, die zum Erhöhen des Brechungsindex n&sub2;' davon auf einen Wert größer als den Brechungsindex n&sub2; des Mantels der ersten Faser ausreicht. Die Fasern sind miteinander entlang des Mittelbereichs des Matrixglaskörpers verschmolzen. Der Durchmesser des zentralen Bereichs des Mittelbereichs und die Durchmesser der optischen Fasern im zentralen Bereich sind kleiner als deren Durchmesser an den Endflächen des Körpers, und die Kerne der optischen Fasern sind im zentralen Bereich dichter beabstandet als an den Endflächen, um einen Kopplungsbereich zu bilden, in dem ein Teil eines optischen Signals, das sich in einer der Fasern ausbreitet, zur anderen Faser gekoppelt wird.
• Bei einer speziellen Ausführungsform, bei der der Koppler achromatische Eigenschaften aufweist, ist der Unterschied zwischen den Brechungsindizes n&sub2; und n&sub2;' derart, daß der Einfügungsverlust geringer als 4 dB in jedem Zweig davon über einen Bereich von 300 nm von Wellenlängen bis zu 1565 nm ist. Die Differenz zwischen den Brechungsindizes der Mäntel der ersten und zweiten Fasern dieses Typs von Koppler ist derart, daß der Wert von ΔMäntel größer als Null, aber geringer als 0,03% ist, wobei ΔMäntel gleich (n&sub2;² - n&sub2;'²)/2n&sub2;² ist. Um 3dB- Koppler zu bilden, sollte der Wert von ΔMäntel geringer als etwa 0,025% sein.
• Verschmolzene Faserkoppler und bemantelte Koppler können durch Bereitstellen von zumindest zwei optischen Fasern gebildet werden, wobei jede einen Kern aufweist, der von einem Mantel mit einem Brechungsindex, der geringer als der des Kerns ist, umgeben ist. Der Mantel einer zweiten Faser enthält eine Chlorkonzentration, die ausreicht, um den Brechungsindex n&sub2;' davon auf einen Wert größer als den Brechungsindex n&sub2; des Mantels einer ersten der Fasern zu erhöhen. Bereiche der Fasern werden nebeneinanderliegend angeordnet und erwärmt, um zu bewirken, daß vorbestimmte Abschnitte miteinander zu einem einheitlichen Bereich verschmelzen. Eine axiale Spannung kann an den verschmolzenen einheitlichen Bereich angelegt werden, um einen verlängerten Kopplungsbereich mit reduziertem Durchmesser zu bilden.
• Um einen bemantelten Koppler zu bilden, können die Faserbereiche, die zu verschmelzen sind, in die Öffnung einer Glasröhre mit einem Brechungsindex, der geringer als der der Mäntel der Fasern ist, eingesetzt werden. Der Schritt des Erwärmens resultiert im Kollabieren der Röhre auf die Fasern.
• Die zweite Faser kann durch Abscheiden einer Beschichtung aus Glaspartikeln auf einem Glasstab, der letztlich den zentralen Bereich der Faser bildet, gebildet werden. Die Beschichtung wird einer Atmosphäre mit Chlor ausgesetzt, und die Beschichtung wird auf dem Stab verfestigt, um einen zweiten Ziehrohling zu bilden, aus dem die zweite Faser gezogen wird.
• Es ist oft wünschenswert, die erste Faser durch eine Technik zu bilden, die im Zurückbehalten einer kleinen Chlorkonzentration im Mantel resultiert. Insbesondere kann die erste Faser durch Abscheiden einer Beschichtung aus Glaspartikeln auf einem Glasstab, Aussetzen der Beschichtung einer Atmosphäre mit einer vorbestimmten Chlorkonzentration, die zum Trocknen der Beschichtung ausreicht, und Verfestigen der Beschichtung auf dem Stab zum Bilden eines ersten Ziehrohlings, aus dem die erste Faser gezogen wird, gebildet werden. Wenn die erste Faser Chlorrückstände resultierend aus dem Trocknungsprozess enthält, werden die Beschichtungspartikel, die bei der Bildung des zweiten Ziehrohlings abgeschieden werden, einer Atmosphäre mit einer Chlorkonzentration ausgesetzt, die größer als die vorgegebene Konzentration ist. Herkömmliche Fasertrocknungsprozesse resultieren im Zurückbehalten von etwa 0,04 - 0,1 Gewichtsprozent Chlor in dem Mantel der ersten Faser.
• Ein übliches Erfordernis für bestimmte optische Faserkoppler ist das, daß die davon ausgehenden Fasern, welche hier als "Schweineschwänze" bezeichnet werden, mit Standardsystemfasern, mit denen sie verbunden werden, kompatibel sind, um so den Verbindungsverlust zu minimieren. Beispielsweise sollten der Außendurchmesser und der Modenfelddurchmesser der Koppler-Schweineschwänze im wesentlichen dieselben sein wie die einer standardmäßigen Faser. Eine bei der Herstellung des achromatischen bemantelten Kopplers verwendete Faser kann eine standardmäßige, kommerziell erhältliche Faser sein. Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die Einfügung von hinreichend Chlor in den Mantel der zweiten Faser, um einen ΔMäntel-Wert geringer als 0,03% zu erzeugen, in im wesentlichen keiner Anderung im Modenfelddurchmesser der zweiten Faser relativ zu dem der ersten Faser resultiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• In den Figuren zeigen:
• Figur 1 eine Querschnittsansicht eines bemantelten Kopplers;
• Figuren 2 und 3
• Darstellungen einer Ausgangsspannung gegenüber einer Streckungszeit für Koppler mit zwei verschiedenen Mantel-Brechungsindizes;
• Figur 4 eine Darstellung der Kopplungsleistungsänderung (zentriert bei etwa 1310 nm), aufgetragen als eine Funktion von ΔMäntel;
• Figur 5 theoretische spektrale Ansprechkurven für achromatische Koppler mit einem einzelnen Fenster und einem doppeltem Fenster, wobei ΔMäntel 0,005% beträgt;
• Figur 6 eine Darstellung, die schematisch die zeitliche Anderung im Prozentsatz der Kopplungsleistung bei der Streckung der Koppler mit verschiedenen Werten von ΔMäntel illustriert;
• Figur 7 eine Darstellung zum Illustrieren nicht-einheitlicher Streckungsraten;
• Figur 8 eine Darstellung zum Illustrieren der Wirkung von Chlor auf ΔMäntel;
• Figur 9 ein Brechungsindexprofil einer Nicht-Standardfaser, die beim Koppler nach der Erfindung verwendet wird;
• Figuren 10 bis 12 achromatische Koppler mit mehr als 2 Eingängen an einem Ende davon;
• Figur 13 eine Querschnittsansicht einer Kapillarröhre, nachdem optische Fasern in sie eingesetzt worden sind;
• Figuren 14 und 15
• schematische Illustrationen von zwei Schritten während der Bildung eines Antireflexions-Abschlusses auf einer Faser;
• Figur 16 eine schematische Illustration einer Vorrichtung zum Kollabieren einer Kapillarröhre und Strecken des Mittelbereichs davon;
• Figur 17 eine teilweise Querschnittsansicht zum Illustrieren des Kollabierens der Glasröhre um die Fasern, um einen festen Mittelbereich zu bilden;
• Figur 18 eine teilweise Querschnittsdarstellung eines faseroptischen Kopplers, nachdem er gestreckt und an seinen Enden abgedichtet worden ist;
• Figur 19 eine Darstellung zum Illustrieren der spektralen Einfügungsverlustkurven für einen achromatischen Koppler, der nach dem Verfahren des speziellen Beispiels hergestellt worden ist;
• Figur 20 einen verschmolzenen Faserkoppler; und
• Figur 21 eine Schrägansicht eines planaren Kopplers.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Die Zeichnungen sollen keine Skalierungen oder Relativproportionen der darin gezeigten Elemente bezeichnen.
• Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform hat jede der optischen Fasern F&sub1; und F&sub2; einen Kern mit einem Brechungsindex n&sub1;, der von einem Mantel mit einem Brechungsindex niedriger als n&sub1; umgeben ist. Die Mäntel der Fasern F&sub1; und F&sub2; haben verschiedene Brechungsindizes n&sub2; und n&sub2;', deren Werte derart sind, daß die Propagationskonstanten dieser Fasern sich in dem Ausmaß unterscheiden, das zur Erzeugung von Achromasie notwendig ist.
• Um die Vorrichtung von Figur 1 herzustellen, wird eine Kopplervorform durch Einfädeln der Fasern F&sub1; und F&sub2; durch die Glasmantelröhre O, deren Brechungsindex n&sub3; geringer als die Brechungsindizes der Fasermäntel ist, gebildet. Demgegenüber haben die Bereiche der Fasern, die sich aus der Röhre erstrecken, vorzugsweise ein Schutzbeschichtungsmaterial (in dieser illustrativen Ausführungsform nicht gezeigt) aufgebracht, und die Bereiche davon innerhalb der Röhre haben keine Beschichtung. Der ursprüngliche Durchmesser der Röhre ist d&sub1;. Der Mittelbereich der Koppler-Vorform wird evakuiert und erwärmt, um ihn auf die Fasern zu kollabieren. Die Röhre wird wiedererwärmt, und ihre Enden werden in entgegengesetzte Richtungen gezogen, um die Röhrenlänge zu erhöhen und ihren Durchmesser zu reduzieren. Die zusammengesetzte Geschwindigkeit, unter der sich die zwei Röhrenenden voneinander wegbewegen, bildet die Streckungsrate. Der Zentralbereich des gestreckten Mittelbereichs bildet den Abschnürungsbereich N mit dem Durchmesser d&sub2;, in dem die Faserkerne hinreichend nahe über einen hinreichend langen Weg z beabstandet sind, um die erwünschte Kopplung zwischen ihnen zu bewirken. Der Bereich N ist derart illustriert, daß er einen konstanten Durchmesser hat, obwohl darin eine leichte Abschrägung existiert, wobei das Längenzentrum des Bereichs N den minimalen Durchmesser aufweist. Das Ziehverhältnis R das d&sub1;/d&sub2; beträgt, ist ein kritischer Parameter beim Bestimmen der optischen Eigenschaften der speziell hergestellten Vorrichtung. Ein bevorzugter Bereich von Ziehverhältnissen für achromatische bemantelte Koppler liegt zwischen 3:1 und 10:1, abhängig vom Wert von ΔMäntel und der zu koppelnden Leistungsmenge. Abgeschrägte Bereiche T verbinden den Abschnürungsbereich mit den ungestreckten Endbereichen der Röhre O. Die Dauer der Erwärmungsperiode für den Streckungsschritt ist kürzer als diejenige für den Röhrenkollabierungsschritt; nur der Zentralbereich des Mittelbereichs wird gestreckt.
• Es ist herkömmliche Praxis, Ausgangssignale zur Steuerung von den Prozeßschritten bei der Herstellung optischer Vorrichtungen zu überwachen, wie belegt durch die US-Patente Nr. 4,392,712 und 4,726,643, 4,798,436, die U.K.- Patentanmeldung Nr. GB 2,183,866 A und die internationale Veröffentlichung Nr. WO 84/04822. Weiterhin werden Computer oft bei Rückkopplungssystemen verwendet, die automatisch solche Überwachungsund Steuerfunktionen durchführen. Ein geeignet programmierter PDP11-73 Mikrocomputer von Digital kann zur Durchführung dieser Funktionen benutzt werden. Während der Röhrenkollabierungs- und Streckungsschritte werden die Enden der Röhre an computergesteuerte Stufen befestigt. Der Betrag der Streckung, welcher die Röhre unterworfen wird, um vorgegebene Eigenschaften zu erzielen, wird anfänglich durch Einstrahlen von Lichtenergie in die Eingangsfaser einer Koppler-Vorform und Überwachen der Ausgangsleistung an einer oder mehrerer der Ausgangsfasern während des Streckungsbetriebs bestimmt. Falls ein 2x2-Koppler gebildet wird, kann eine Lichtquelle mit einem Eingangsende der ersten und zweiten Faser verbunden werden, und ein Detektor kann an den Ausgangsenden davon angeordnet sein, wobei die Fasern derart manipuliert werden, daß die in jeden Detektor gekoppelte Ausgangsleistung maximal ist. Während des Streckens ist das Eingangsende von nur der ersten Faser mit einer Quelle verbunden, und die Ausgangsenden beider Fasern werden überwacht. Die Erfassung eines vorbestimmten Leistungsverhältnisses an den Ausgängen der ersten und zweiten Faser kann als Unterbrechungssignal benutzt werden, um zu veranlassen, daß die computergesteuerten Stufen das Ziehen der Probe stoppen. Falls ein 1x2-Koppler gebildet wird, kann die zweite Faser nicht genau bezüglich bestimmter Detektoren positioniert werden, bis etwas Licht von der ersten Faser dorthin gekoppelt wird. Ein achromatischer Koppler kann durch Überwachung von nur dem Ausgang der ersten Faser hergestellt werden. Wenn das Ausgangssignal von der ersten Faser auf einen vorbestimmten Wert fällt, wird das System angewiesen, das Strecken zu stoppen. Eine alternative Prozedur zum Überwachen von 1x2-Kopplern wird nachstehend beschrieben.
• Nach Bestimmung des richtigen Streckungswegs zur Erzielung vorbestimmter Kopplungseigenschaften kann die Vorrichtung so programmiert werden, daß sie die Stufen um diesen richtigen Streckungsweg während der Herstellung der folgenden Koppler, die diese vorbestimmten Eigenschaften aufweisen sollen, bewegt. Die Zeitablaufsequenzen, die bei der Herstellung eines bestimmten Typs von Koppler benutzt wurden, können in eine getrennte multiple Befehlsdatei eingegeben werden, die der Computer bei der Programmausführung aufruft. Die Kollabierungs- und Streckungsschritte, die zur Herstellung eines bestimmten Kopplers erforderlich sind, können aufeinanderfolgend durch den Computer an jeder Koppler-Vorform ausgeführt werden, um Koppler auf reproduzierbare Art und Weise herzustellen. Die Prozeßparameter, die durch den Computer gesteuert werden können, um eine Reproduzierbarkeit der Koppler zu gewährleisten, sind die Erwärmungszeiten und -temperaturen, Gasströmungsraten und die Rate oder die Raten, mit denen die Stufen die Koppler-Vorform ziehen und strecken.
• Falls die herzustellende Vorrichtung ein 3dB-Koppler ist, wird beispielsweise der Streckungsbetrieb nicht gestoppt, wenn die Ausgangsleistung von den zwei Fahrern gleich ist. Verschiedene Teile des Systems weisen einen Impuls auf, wodurch das Strecken der Koppler-Vorform andauert, nachdem die Stufenmotoren zum Stoppen angewiesen sind. Das Kopplungsverhältnis ändert sich deshalb, nachdem das Stoppsignal erzeugt ist. Ebenfalls können sich die Kopplungseigenschaften ändern, wenn ein neugebildeter Koppler abkühlt. Experimente können an einem bestimmten Typ von Koppler durchgeführt werden, um das Kopplungsverhältnis zu bestimmen, das zur Erzeugung des Unterbrechungssignals benutzt werden muß, um ein vorbestimmtes Kopplungsverhältnis nach dem die Vorrichtung abgekühlt ist, zu erreichen.
• Nachstehend sind Beispiele der verschiedenen Streckungsoperationen, die durchgeführt werden können, angegeben.
• A. Erwärmen der Koppler-Vorform und Strecken derselben mit einer einzelnen Rate, bis eine vorbestimmte Kopplung erreicht ist.
• B. Nach Aussetzen der Koppler-Vorform einem einzelnen Heizschritt Strecken derselben bei unterschiedlichen Streckungsraten, bis eine vorbestimmte Kopplung erzielt ist. Zwei oder mehr diskrete Streckungsraten könnten verwendet werden, oder die Streckungsrate kann bezüglich der Zeit kontinuierlich variieren. Diese Streckungstechnik wurde verwendet, um die Leistungsübertragungs-Charakteristik abzustimmen, d.h. die Leistungsmenge, die von der Eingangsfaser an die Ausgangsfaser während des ersten Leistungsübertragungszyklus des Kopplers- Vorform-Streckungsbetriebs übertragen wird.
• C. Erwärmen der Koppler-Vorform und Durchführen einer ersten Streckung, welche die vorbestimmte Kopplung nicht bewirkt; Wiedererwärmen der resultierenden Vorrichtung und Durchführen einer zweiten Streckung. Die Erwärmungs- und Wiedererwärmungsschritte können bei einer einzelnen Temperatur oder bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt werden. Der erste und zweite Streckungsschritt können bei derselben Streckungsrate oder bei verschiedenen Streckungsraten durchgeführt werden. Mehr als zwei Erwärmungs- und Streckungsschritte könnten durchgeführt werden.
• Die Ausführungsart der Streckung nach C ist besonders nützlich bei der Bildung von 1x2-Kopplern. Der Streckungsbetrieb wird zeitweilig beendet, nachdem eine minimale Leistungsmenge in die zweite Faser gekoppelt ist. Beispielsweise könnte das Strecken gestoppt werden, nachdem die Koppler-Vorform um einen vorbestimmten Weg gestreckt ist, wie z.B. im Bereich zwischen 90% und 99% des gesamten erforderlichen Weges zur Erzielung des endgültigen Kopplungsverhältnisses. Die zweite Faser kann mit einem Detektor verbunden werden, und die an den Detektor gekoppelte Leistung kann maximiert werden. Darauf kann ein zweiter Streckungsbetrieb initiiert werden, wobei das Unterbrechungssignal auf dem Verhältnis der zwei Ausgangssignale basiert. Der zweite Streckungsbetrieb wird vorzugsweise mit einer endgültigen Streckungsrate durchgeführt, die niedriger als die anfängliche Streckungsrate ist. Während der zweiten Streckung ist es auch vorzuziehen, eine Flamme zu verwenden, welche eine niedrigere Temperatur hat und/oder welche weniger fokussiert ist, als die Flamme, die bei der ersten Streckung verwendet wird.
• Die Röhre O kann durch das Symbol Δ&sub2;&submin;&sub3; charakterisiert werden, dessen Wert durch Substituieren von n&sub2; und n&sub3; in Gleichung (1) erhalten wird. Kommerziell erhältliche optische Einzelmoden-Fasern haben üblicherweise einen Wert von n&sub2;, der gleich oder nahe dem von Silika ist. Falls Silika als Basisglas für die Röhre verwendet wird, wird ein Dotierstoff hinzugefügt, um den Brechungsindex n&sub3; der Röhre auf einen niedrigen Wert als n&sub2; abzusenken. Zusätzlich zur Erniedrigung des Brechungsindex der Röhre erniedrigt der Dotierstoff B&sub2;O&sub3; vorteilhafterweise auch die Erweichungspunkt-Temperatur davon auf einen Wert niedriger als den der Fasern. Dies erhöht in gewissem Ausmaß das Kollabieren auf die Fasern; das Röhrenglas fließt um die Fasern, ohne ihre Form zu zerstören. Für gewisse Zwecke kann erwünscht sein, ein Röhrenglas zu verwenden, das hinreichend hart ist, so daß die Röhre die Fasern leicht abflacht, wenn sie die Fasern zusammenquetscht. Fluor kann ebenfalls verwendet werden, um den Brechungsindex der Röhre zu erniedrigen. Geeignete Röhrenzusammensetzungen sind SiO&sub2; dotiert mit 1 bis 25 Gewichtsprozent B&sub2;O&sub3;, SiO&sub2; dotiert mit 0,1 bis 2,5 Gewichtsprozent Fluor und SiO&sub2; dotiert mit Kombinationen an B&sub2;O&sub3; und Fluor. Wenn Δ&sub2;&submin;&sub3; unterhalb 0,2% liegt, reicht die Menge von B&sub2;O&sub3; in einer Silikaröhre nicht aus, um das Röhrenglas zu erweichen, wodurch es die Fasern während des Kollabierungsschritts übermäßig deformiert. Der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; für standardmäßige Koppler beträgt deshalb üblicherweise zwischen 0,26% und 0,35%. Geeignete achromatische bemantelte Koppler wurden aus Vorformen hergestellt, welche Röhre und Fasern mit derartigen Brechungsindexwerten aufweisen, daß Δ&sub2;&submin;&sub3; innerhalb dieses Bereichs liegt. Jedoch wird die Reproduzierbarkeit des Prozesses durch Verwendung von Vorformen mit Δ&sub2;&submin;&sub3;-Werten oberhalb des zuvor verwendeten Bereichs erhöht.
• Zur Demonstration der Wirkung der Bemantelung des Glases wird nun Bezug auf die Figuren 2 und 3 genommen, welche Darstellungen der Spannung von einem Detektor sind, der mit dem Ausgangsende der Eingangsfaser während der Herstellung von 1x2- Kopplern verbunden ist, wobei die Werte von Δ&sub2;&submin;&sub3; jeweils 0,26% und 0,48% betragen. Mit Bezug auf Figur 2 ist das Ausgangssignal anfänglich am höchsten an einem Punkt a, da die Kopplung noch nicht aufgetreten ist. Wenn der Streckungsprozeß initiiert wird und die Leistung zu koppeln beginnt, beginnt die in der Eingangsfaser verbleibende Leistung an einem zeitlich nach dem Punkt a liegenden Punkt abzunehmen. Am Punkt b ist die erfaßt Leistung derart, daß die computergesteuerten Stufen angewiesen werden, die Bewegung zu stoppen. Einige Mikrosekunden später ist der Streckungsschritt beendet (Punkt c), und der fertiggestellte Koppler beginnt abzukühlen. Während des Abkühlens beginnt sich die gekoppelte Leistung zu ändern, bis sie sich endgültig am Punkt d stabilisiert, wenn er hinreichend kühl ist, so daß es keine weitere Anderung in der Spannung oder im Brechungsindex innerhalb des Kopplers gibt. Es ist möglich, durch Experimentieren einen Koppler zu bilden, dessen 3dB-Punkt innerhalb von 10 nm der erwünschten Wellenlänge liegt, indem veranlaßt wird, daß der Streckungsbetrieb bei einer vorbestimmten Kopplung, die von 50% verschieden ist, stoppt.
• Die Mäanderform des Kopplungsverhältnisses beim Abkühlen des Kopplers kann im wesentlichen durch Benutzung von bemantelten Röhren mit einem hinreichend hohen Brechungsindex, derart, daß der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; größer als etwa 0,4% ist, eliminiert werden. Dieser Stabilisierungseffekt ist in Figur 3 illustriert, in der die Bezugszeichen, die ähnlich denen von Figur 2 sind, durch gestrichene Bezugszeichen dargestellt sind. Die Kopplungsleistungsmenge beginnt am Punkt a' abzunehmen, die computergesteuerten Stufen stoppen ihre Bewegung am Punkt b', und der Streckungsschritt ist am Punkt c' beendet. Während des Abkühlens variiert die gekoppelte Leistung nur leicht, bis sie sich am Punkt d' stabilisiert. Nachdem das Strecken gestoppt ist, (Punkte c und c'), wird die Kopplungsleistung besser vorhersagbar den Punkt d' als den Punkt d erreichen.
• Eine theoretische Analyse wurde an 3dB-Kopplern des Typs durchgeführt, bei der Δβ durch die Differenz des Fasermantelindex erhalten wurde. Die Kopplungsmoden-Theorie wurde benutzt, um das Verhalten der achromatischen Koppier zu modellieren [A.W. Snyder und J.D. Love, Optical Wave Guide Theory, Chapman and Hall, New York, 1983]. In Übereinstimmung mit dieser Theorie nimmt man an, daß das Modenfeld des bemantelten Kopplers eine Linearkombination der Fundamentalmoden Ψ&sub1; und Ψ&sub2; von jeder der Fasern F&sub1; und F&sub2; in Abwesenheit der anderen Faser, d.h. wobei die Faser nur durch den Mantelindex n&sub3; umgeben ist, ist. Die Modenfeld- und Propagationskonstanten können für solch eine Struktur exakt bestimmt werden [M.J. Adams, An Introduction to optical Waveguides].
• Die Kopplungskonstante, welche die optische Kopplung zwischen den zwei Kernen beschreibt, kann dann als ein Überlappintegral beschrieben werden:
• C = Ψ&sub1; (r) Ψ&sub2; (r') (n-n') dA (2)
• In dieser Gleichung sind Ψ&sub1; und Ψ&sub2; die Modenfelder der zwei Kerne, r und r sind die radialen Abstände vom Zentrum der Kerne der Fasern F&sub1; und F&sub2;, n ist die Indexstruktur des gesamten Kopplers, n' ist die Indexstruktur, wobei der Kern von F&sub1; durch Mantelmaterial mit dem Index n&sub3; ersetzt ist, und das Integral läuft über den gesamten Querschnitt des Kopplers (aber n - n' ist nur ungleich Null über dem Kern und dem Mantel der Faser F&sub1;). Die Modenfelder sind in dieser Gleichung angenommenerweise normalisiert, d.h. die Integrale Ψ&sub1;² dA und Ψ&sub2;² sind beide gleich 1.
• Obwohl diese abgeschrägte Vorrichtungen sind, wird ihr Verhalten hinreichend unter der Annahme eines konstanten Ziehverhältnisses über eine vorgegebenen Kopplungslänge ohne Kopplung außerhalb dieser Länge, d.h. unter der Annahme, daß der Durchmesser des Bereichs N von Figur 1 über die gesamte Länge z konstant ist, modelliert. Diese Näherung funktioniert gut, da die Kopplungskonstante eine schnelle ansteigende Funktion des Ziehverhältnisses ist und somit das Verhalten eines Kopplers durch das Verhalten am größten Ziehverhältnis dominiert wird. Unter Benutzung dieser Näherung ist, wenn die Leistung in den Kern 1 eingeleitet wird, dann als eine Funktion von z, der Länge entlang der Kopplerachse, die Leistung in den zwei Kernen gegeben durch
• P&sub1;(z) = 1 - F² sin²(Cz/f) (3)
• und
• P&sub2;(z) = F² sin²(Cz/f) (4)
• wobei der Faktor F gegeben ist durch
• wobei β1 und β2 die Propagationskonstanten der Fasern F&sub1; und F&sub2; sind.
• Eine optimale achromatische Funktionstüchtigkeit wurde für eine Vorrichtung mit einem einzelnen Fenster mit einer zentralen Wellenlänge von 1310 nm und einer Breite von 50 nm als Punkt definiert, an dem
• P&sub1; (1297,5 nm) = P&sub2; (1322,5 nm) 0,5 (6)
• Die Achromasie wurde definiert als Achromasie
• Das Kopplungsmodenmodell wurde zur Bestimmung eines geeigneten Bereichs von ΔMäntel benutzt. Die meisten der Annahmen, die betreffend der Kopplerparameter getroffen wurden, basieren auf Arbeiten, die an standardmäßigen bemantelten Kopplern durchgeführt wurden. Die Faser F&sub1; war angenommenerweise eine standardmäßige Einzelmodenfaser mit 125 µm Außendurchmesser und mit einem Kernradius von 4 µm. Die Brechungsindizes n&sub1; und n&sub2; von Kern und Mantel waren angenommenerweise 1,461000 und 1,455438. Es wurde angenommen, daß die Faser F&sub2; identisch zur Faser F&sub1; ist, mit Ausnahme der Tatsache, daß der Mantelindex n&sub2;' größer als n&sub2; war. Der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; war angenommenerweise 0,3%. Zur Bestimmung der Kombination des Ziehverhältnisses und der Länge z, für die die Achromasie am besten ist, wurde P&sub2; bei geeigneten Wellenlängen für einen Bereich von Ziehverhältnissen berechnet. Die Kombination des Ziehverhältnisses und der Kopplungslänge z, die Gleichung (6) erfüllt, wurden bestimmt und dann die Achromasie (die Anderung in der Kopplungsleistung in Prozent pro Nanometer) für diese Kombination berechnet)
• Wie in Figur 4 gezeigt, ergab die theoretische Analyse, daß die Anderung in der Kopplungsleistung (bei 1310 nm) ansteigt, wenn der Wert von ΔMäntel abnimmt. Dies steht in Übereinstimmung mit der erwarteten Beziehung, wonach die Achromasie des Kopplers abnimmt, wenn die Differenz zwischen den Faserpropagationskonstanten abnimmt. Die in Figur 4 gezeigte Beziehung gilt für Koppler mit einem Δ&sub2;&submin;&sub3; -Wert von 0,3%. Für Koppler mit größeren Werten von Δ&sub2;&submin;&sub3;, ist die Kurve hin zu höheren Werten der Anderung in Prozent der Kopplungsleistung verschoben. Wenn der Wert von ΔMäntel geringer als 0,005% ist, steigt die Anderung in Prozent der Kopplungsleistung schnell an. Die Achromasie nimmt deshalb schnell bei Werten von ΔMäntel unterhalb dieses Wertes ab. Ebenfalls steigt, wenn der Wert von ΔMäntel auf unterhalb 0,005% abnimmt, die erforderlich Länge des Abschnürungsbereiches in solch einem Ausmaß an, daß der resultierende achromatische Koppler insofern unpraktisch wird, als daß er unerwünscht lang und schwierig herstellbar würde.
• Figur 5 zeigt die theoretische Beziehung der Kopplungsleistung bezüglich der Wellenlänge sowohl für Koppler mit einem einzelnen Fenster als auch für Koppler mit einem doppelten Fenster, wobei ΔMäntel = 0,005% und Δ&sub2;&submin;&sub3; = 0.3% sind. Der Wert von d&sub1;/d&sub2; beträgt 6,6 für die Vorrichtung mit einem einzelnen Fenster, wie durch das Erfordernis, das Gleichung (6) erfüllt ist, bestimmt wird. Der Wert von d&sub1;/d&sub2; beträgt 6,2 für die Vorrichtung mit einem doppelten Fenster, wie durch das Erfordernis, daß eine analoge Gleichung für die Wellenlängen 1310 nm und 1550 nm erfüllt ist, bestimmt wird.
• Obwohl das Modell angab, daß ein Ziehverhältnis von etwa 6:1 notwendig wäre, um einen Koppler zu bilden, bei dem ΔMäntel 0,005% beträgt, wurden achromatische 3dB-Koppler mit niedrigen Werten von ΔMäntel mit Ziehverhältnissen so niedrig wie etwa 3,5:1 hergestellt. Das Ziehverhältnis kann sogar für Abzweiger (weniger als 50% Kopplung) noch niedriger sein, da eine geringere Streckung erforderlich ist. Wenn der Wert von ΔMäntel ansteigt, muß das Ziehverhältnis ansteigen, um das erwünschte Kopplungsverhältnis zu erzielen. Obwohl Figur 4 scheinbar vorschlägt, daß ein ΔMäntel-Wert von 0,025% vom Standpunkt des Erzeugens einer guten Achromasie erwünscht wäre, ist solch ein Koppler schwierig herzustellen, da das zu seiner Herstellung erforderliche Ziehverhältnis etwa 10:1 beträgt. Ebenfalls aus nachstehend erörterten Gründen kann die Kopplungsleistung bei höheren Werten von ΔMäntel unzureichend sein, um das erwünschte Kopplungsverhältnis zu erzielen.
• Obwohl eine Kopplervorform zur Bildung eines Kopplers gestreckt wird, wird der Durchmesser des Abschnürungsbereichs N mit steigender Zeit kleiner. Figur 6 zeigt, daß die Kopplungsleistung während des Streckungsprozesses variiert. Die Kurven von Figur 6 weisen keine exakte gegenseitige Beziehung auf; vielmehr ist beabsichtigt, daß sie in qualitativer Weise die Relativbeziehung zwischen den temporären Kopplungsleistungskurven der Koppler mit verschiedenen ΔMäntel-Werten illustrieren. Während der Streckung eines standardmäßigen Kopplers (ΔMäntel = 0) erreicht die Kopplungsleistung relativ schnell 50% und erreicht eventuell fast 100%. Beim Strecken der Vorrichtungen mit größeren Werten von ΔMäntel sind größere Zeitspannen erforderlich, um eine 50%-Kopplung zu erreichen, und die maximal mögliche Kopplungsleistungsmenge nimmt ab. Für einen vorgegebenen Satz an Streckungsbedingungen einschließlich der Streckungsrate, der Temperatur der Koppler- Vorform und dergleichen, gibt es einen Wert von ΔMäntel, für den die Kopplungsleistung gerade 50% am ersten Maximum der Kopplungsleistungkurve erreicht. Für einen vorgegebenen Satz von Ziehbedingungen ist dieser Wert von ΔMäntel in Figur 6 als 0,015% gezeigt. Für höhere Werte von ΔMäntel, wie z.B. 0,025%, kann das erste Leistungsübertragungsmaximum der Kopplungsleistungskurve keine 50%-Kopplung bieten. Jedoch kann man sehen, daß eine Vorrichtung zur Kopplung von weniger als der Hälfte der Eingangsleistung beispielsweise ein 10%-Abzweiger leicht durch Strecken einer Koppler-Vorform mit einem ΔMäntel-Wert von 0,025%, bis die Kopplungsleistung 10% beträgt, ein Wert, der bei dem ersten Maximum erreicht werden kann, hergestellt werden kann.
• Die Kurven von Figur 6 sind zeitlich nicht weiter fortgeführt als in dem Ausmaß, das zum Illustrieren des speziellen erörterten Punkts notwendig ist. Das erste Leistungsübertragungsmaximum ist für Koppler gezeigt, bei denen ΔMäntel 0,015 und 0,025 beträgt. Folgende Leistungsübertragungsmaxima sind nicht gezeigt. Falls jedoch die Koppler-Vorformen längere Zeitspannen gestreckt würden, würde die Kopplungsleistung fortfahren, zwischen Null und einem Maximalwert zu oszillieren, wobei die Periode jeder folgenden Oszillation kürzer als die vorhergehende wäre. Falls die Kurven zum Darstellen von Kopplern mit ΔMäntel -Werten von 0 und 0,005 zeitlich fortgeführt würden, würden sie ähnliche Oszillationen in der Kopplungsleistung erfahren. Die Beziehung zwischen der Kopplungsleistung und der Kopplungslänge (die eine Funktion der Streckungszeit ist) über eine Vielzahl von Kopplungsleistungmaxima ist graphisch in dem vorher erwähnten US-Patent-Nr. 4,798,436 illustriert.
• Es wird angenommen, daß die Kurve t (ΔMäntel = 0,025%) für einen Streckungsbetrieb gilt, bei dem die Koppler-Vorform einmal erwärmt und mit einer einzelnen Rate gestreckt wird. Falls alle weiteren Bedingungen gleich bleiben, kann die Leistungsübertragungskurve nach oben zur Kurve t' (zu größerer Leistungsübertragung) durch Strecken der Koppler-Vorform bei mehr als einer Streckungsrate verschoben werden, wie in Figur 7 illustriert. Nur beispielshalber illustriert Figur 7 eine Streckungstechnik mit Strecken bei zwei diskreten Raten (Kurven si und 52) sowie eine Technik, bei der die Streckungsrate kontinuierlich bezüglich der Zeit (Kurve s') variiert. In Übereinstimmung mit einer speziellen Ausführungsform, die in Figur 7 dargestellt ist, wird die Koppler- Vorform erwärmt und um 0,2 cm bei einer Streckungsrate von 0,95 cm/s gestreckt, wobei die Streckungsrate abrupt auf 0,45 cm/s abnimmt, wenn die Koppler-Vorform um zusätzliche 0,55 cm gestreckt wird.
• Für bestimmte Streckungsbedingungen einschließlich eines ΔMäntel Werts von etwa 0,025% oder höher kann ein folgendes Leistungsübertragungsmaximum, wie z.B. das dritte Maximum erforderlich sein, um den erwünschten Kopplungswert, beispielsweise 50%, zu erreichen. Da das dritte Maximum viel schmaler als das erste ist, muß der Streckungsbetrieb genau zur richtigen Zeit gestoppt werden, um das erwünschte Kopplungsverhältnis zu erzielen. Falls das Strecken für nur eine kurze zusätzliche Zeitspanne fortgeführt wird, kann sich das Abschnürungsverhältnis derart ändern, daß die Kopplungsleistung drastisch abfällt. Es ist schwierig, solch einen Koppler zu ziehen, wenn die Ausgangsleistung überwacht wird, um das Ziehen zu stoppen, und es ist nahezu unmöglich, solch einen Koppler durch Ziehen auf eine vorbestimmte Länge herzustellen. Weiterhin degradiert die Achromasie, wenn der Koppler über das erste Leistungsübertragungsmaximum zu ziehen ist. Aus den vorhererwähnten Gründen beträgt der maximale bevorzugte Wert von ΔMäntel für 3dB-Koppler etwa 0,025%, und der Maximalwert von ΔMäntel für einen Leistungsabzweiger beträgt etwa 0,03%.
• Angesichts des Wertes von ΔKerne, der für den achromatischen verschmolzenen Faserkoppler, welcher in dem vorhererwähnten Patent von Sweeney et al. gelehrt wurde, erforderlich war, ist der oben definierte Bereich von Amäfltgi, welcher für achromatische bemantelte Koppler geeignet ist, unerwarteterweise niedrig. Es scheint, daß die Gegenwart der Mantelröhre das Erreichen der Achromasie mit relativ geringen Werten von ΔMäntel ermöglicht und daß ein Wert von ΔMäntel größer als 0,03% erforderlich wäre, falls keine Mantelröhre verwendet würde, d.h. für einen verschmolzenen Faserkoppler.
• Der kleine Bereich von Werten von ΔMäntel, der durch das vorhererwähnte Modell bestimmt wurde, wurde durch die experimentellen Resultate verifiziert. Wenn Koppler gebildet wurden, welche Werte von ΔMäntel unterhalb von 0,005% aufwiesen, war Δβ dermaßen insignifikant, daß das Kopplungsverhalten dasjenige eines standardmäßigen Kopplers erreichte. Koppler mit einem ΔMäntel-Wert im Bereich von etwa 0,015% zeigten einen Einfügungsverlust von weniger als 4 dB in jedem ihrer Zweige über einen Bereich von 300 nm der Wellenlängen bis zu 1565 nm.
• Eine Anzahl von Nachteilen resultiert aus den unerwartet niedrigen Werten von ΔMäntel. Koppler mit niedrigen ΔMäntel-Werten können mit geringem Verlust in das System eingegliedert werden. Eine der Fasern kann eine standardmäßige Einzelmodenfaser sein. Um einen ΔMäntel-Wert von 0,015% zu erzeugen, muß sich beipielsweise der Mantelindex der anderen Faser (oder nicht-standardmäßigen Faser) von demjenigen der standardmäßigen Faser um 0,00022 unterscheiden. Solche nicht-standardmäßige Faser zeigt im wesentlichen denselben Modenfelddurchmesser wie die standardmäßige Faser. Da die Durchmesser beider Fasern im wesentlichen identisch sind, können die nicht-standardmäßige Faser sowie die standardmäßige Faser mit den Systemfasern mit geringem Verlust verbunden werden.
• Es wurde herausgefunden, daß Chlor einen hinreichenden Einfluß auf den Brechungsindex von Silika aufweist, daß es als ein Dotierstoff im Mantel einer nicht-standardmäßigen Faser benutzt werden kann. Da die Anderung im Brechungsindex pro Gewichtsprozent an Dotierstoff in Silika für Chlor viel geringer als für herkömmliche Dotierstoffe, wie z.B. B&sub2;O&sub3;, Fluor, GeO&sub2; und dergleichen, ist, kann Chlor benutzt werden, um präzise gesteuerte Brechungsindexwerte zu erzeugen, die nur leicht höher als diejenigen von Silika sind, dem das Chlor hinzugefügt wird. Weiterhin vereinfacht die Benutzung von Chlor den Prozeß der Herstellung der nicht-standardmäßigen Fasern, da es üblicherweise für Trocknungszwecke verwendet wird. Hinreichende Mengen an Chlor können einfach dem Mantelbereich der nicht-standardmäßigen Faser im Zusammenhang mit dem Trocknungs-/ Verfestigungsprozeß hinzugefügt werden.
• Die standardmäßige Faser kann durch einen üblichen Prozeß hergestellt werden, wie z.B. denjenigen, der im US-Patent-Nr. 4,486,212 offenbart ist, der hier durch Bezugnahme mitoffenbart ist. Kurz gesagt besteht dieser Prozeß aus dem Bilden einer porösen Vorform mit einem Kernbereich und einer dünnen Schicht aus Mantelglas auf einem zylindrischen Aufspanndorn. Dieser Aufspanndorn wird entfernt, und die resultierende röhrenförmige Vorform wird schrittweise in eine Verfestigungsofenmuffel eingeführt, deren Maximaltemperatur zwischen 1200º und 1700ºC und vorzugsweise etwa 1490ºC für ein Glas mit hohem Silikagehalt beträgt. Das Temperaturprofil der Muffel ist im Zentralbereich am höchsten, wie im US-Patent-Nr. 4,165,223 gelehrt, das hier durch Bezugnahme mitoffenbart ist. Chlor, das in der Minimalkonzentration vorliegt, die zum Erzielen einer Trocknung erforderlich ist, kann der Vorform durch Fließenlassen eines Trocknungsgases bestehend aus Helium mit etwa 5 Volumenprozent Chlor in die Vorform-Öffnung zugeführt werden. Das Ende der Öffnung wird verstopft, um zu bewirken, daß das Gas durch die Poren der Vorform fließt. Ein Heliumspülgas wird gleichzeitig durch die Muffel fließen gelassen.
• Der resultierende röhrenförmige Glasartikel wird in einem standardmäßigen Ziehofen gestreckt, während ein Vakuum an die Öffnung zum Bilden eines "Kernstabes", in dem die Öffnung geschlossen ist, angelegt wird. Eine geeignete Länge des Stabes wird in einer Drehbank vorgesehen, wo Silikapartikel darauf abgeschieden werden. Die resultierende endgültige Vorform wird schrittweise in den Verfestigungsofen eingeführt, wo sie verfestigt wird, während eine Mischung von 99,5 Volumenprozent Helium und 0,5 Volumenprozent Chlor nach oben durchfließen gelassen wird. Die resultierende Glasvorform wird gezogen, um eine optische Stufenindex-Einzelmodenfaser zu bilden, deren gesamter Mantel Silika dotiert mit einer Restmenge von Chlor aufweist. Wenn der Mantel in einem standardmäßigen Tiefenvorschub-Verfestigungsofen, wie oben beschrieben verfestigt wird, sind normalerweise 0,04-0,06 Gewichtsprozent Chlor im Fasermantel vorhanden.
• Die nicht-standardmäßige Faser kann durch einen Prozeß hergestellt werden, der anfänglich identisch mit dem Prozeß ist, durch den die standardmäßige Faser hergestellt wird. Beispielsweise wird der Kernstab, welcher aus einem festen Glasstab aus Kernglas besteht, der optionell durch eine dünne Schicht von Silika-Mantelglas umgeben ist, anfänglich gebildet. Eine poröse Schicht von Silikapartikeln wird auf dem Stab abgeschieden, und die poröse Schicht wird in einer Atmosphäre mit einer Chlorkonzentration größer als der, die für Trocknungsprozesse notwendig wäre, verfestigt. Die Chlorkonzentration im Verfestigungsofen wird gesteuert, um den erwünschten Wert von ΔMäntel zu erzeugen. Die Chlorkonzentration, die in das Basisglas eingebracht wird, hängt von verschiedenen Bedingungen, wie z.B der Maximaltemperatur und dem Temperaturprofil des Verfestigungsofen, den Konzentrationen von Chlor und Sauerstoff darin und der Rate des Einbringens der Vorform in den Ofen, ab. Die Porosität und die Zusammensetzung der Vorform beeinflussen ebenfalls die endgültige Chlorkonzentration. Eine Darstellung, wie z.B. die in Figur 8 gezeigte, kann für eine vorgegebene standardmäßige Faser erzeugt werden. Für die spezielle in Figur 8 gezeigte Beziehung enthielt die standardmäßige Faser etwa 0,05 Gewichtsprozent Chlor. Deshalb sollten etwa 0,2 Gewichtsprozent Chlor in den Mantel einer nicht-standardmäßigen Faser eingebracht werden, um einen ΔMäntel-Wert von 0,015% zu erzielen. Diese Chlorkonzentration wird durch Auslesen des inkrementalen Anstiegs im Chlorgehalt für den erwünschten Wert für ΔMäntel und Hinzufügen von 0,05 Gewichtsprozent aus der Darstellung von Figur 8 bestimmt. Falls erwünscht, könnten beide Fasern vom nicht-standardmäßigen Typ sein, d.h. beide könnten mehr Chlor als standardmäßige, kommerziell erhältliche Fasern enthalten. Beispielsweise könnte ein ΔMäntel-Wert von 0,015% ebenfalls unter der Benutzung von Fasern erhalten werden, deren Mäntel 0,10 Gewichtsprozent und 0,23 Gewichtsprozent Chlor enthalten.
• Falls die nicht-standardmäßige Faser durch anfängliches Bilden eines Kernstabs mit einem Kernglas, das durch eine dünne Schicht von Mantelglas (mit einem kleinen Restgehalt von Chlor) erstellt würde, und das äußere Mantelglas mit einer größeren Chlorkonzentration dotiert würde, würde das Brechungsindexprofil der resultierenden Faser so aussehen, wie in Figur 9 illustriert. Die Radien der verschiedenen Schichten einer standardmäßigen Faser könnten 4 µm Kernradius r&sub1;, 10,5 µm innerer Mantelradius r&sub2; und 62,6 µm Außenradius r&sub3; betragen. Wegen der kleinen Fläche der inneren Mantelschicht braucht der Brechungsindex dieser Schicht nicht bei der Spezifikation des Brechungsindex des Mantels berücksichtigt zu werden. D.h. der effektive Brechungsindex des gesamten Mantels oberhalb des Radius r&sub1; ist im wesentlichen derselbe, wie der der Schicht zwischen r&sub2; und r&sub3;.
• Es wird bemerkt, daß Anstrengungen von bestimmten Faserherstellern unternommen wurden, den Chlorgehalt in optischen Fasern zu reduzieren, um die Abschwächung zu erniedrigen (siehe die japanische Veröffentlichung Kokai Nr. 63/285137). Falls eine Faser einen reinen Silikamantel hätte (durch Entfernen des Chlors daraus), wären etwa 0,13 Gewichtsprozent Chlor in der anderen Faser erforderlich, um einen ΔMäntel-Wert von 0,015% zu erzielen. Jedoch wurde herausgefunden, daß die Gegenwart von Chlor in den kurzen Längen der Kopplerfasern einen geringen oder gar keinen Einfluß auf den Kopplerverlust hat. Der zusätzliche Schritt der Beseitigung von Chlor von den Kopplerfasern wäre deshalb eine unnötige Ausgabe.
• Obwohl 2x2-Koppler in Figur 1 illustriert sind, ist die vorliegende Erfindung auch auf andere Konfigurationen anwendbar. Ein NxN-Koppler (N> 1) kann gebildet werden, um eine Faser an N Fasern zu koppeln. Ein 1x2-Koppler ist in der speziellen Ausführungsform beschrieben. Mehr als zwei Fasern können an ihren eingeschnürten Mittelbereichen verbunden werden, um einen NxN-Koppler zu bilden. Manchmal werden eine oder mehrere Fasern von einem Ende eines NxN-Kopplers abgetrennt, so daß eine jeweilige Mehrzahl von Fasern, die anzahlmäßig ungleich ist, von gegenüberliegenden Enden des Kopplers ausgeht. Die Ausführungsformen der Figuren 10 bis 12 sind schematische Illustrationen gekoppelter Fasern, wobei die Mantelrohrgläser der Einfachheit halber weggelassen worden sind. Das Vorliegen eines Mantelglases wird durch das Symbol n&sub3; neben den Fasern angezeigt. Beim 1x3-Koppler von Figur 10 ist eine standardmäßige Faser S mit zwei nicht-standardmäßigen Fasern S+ und S&supmin; verbunden. Der Brechungsindex des Mantels der Faser S&spplus; ist negativ bezüglich des Mantels der Faser S, wodurch der Wert von ΔMäntel der Faser S&spplus; bezüglich der Faser S positiv ist. Der Brechungsindex des Mantels der Faser S&supmin; ist derart, daß der Wert von ΔMäntel der Faser S&supmin; bezüglich der Faser S negativ ist.
• Bei der 1x4-Ausführungsform der Figuren 11 und 12 ist der Brechungsindex des Mantelglases der Faser S&spplus; derart, daß der Wert von ΔMäntel der Fasern S&spplus; bezüglich der Faser S positiv ist. Figur 12 zeigt, daß die Fasern S&spplus; vorzugsweise um die Faser S gleich beabstandet sind.
• Obwohl die bevorzugte Herstellungstechnik in einem Koppler mit optischen Faser-Schweineschwänzen, die davon ausgehen, resultiert, ist die Erfindung ebenfalls auf bemantelte Kopp-1er des Typs anwendbar, bei dem die Fasern sich durch den länglichen Matrixglaskörper erstrecken, aber mit dem Ende der Körperendfläche bündig sind. Verfahren der Herstellung für solch einen Koppier sind in dem US-Patent Nr. 4,773,924 und 4,799,949 offenbart. Kurz gesagt umfaßt das Verfahren das Einsetzen einer Vielzahl optischer Faser-Vorformstäbe in eine Glasröhre, Erwärmen und Strecken der resultierenden Vorform zur Bildung eines Glasstabes, welcher dann in eine Vielzahl von Einheiten zertrennt wird. Wärme wird an den Zentralbereich jeder Einheit zugeführt, und der Zentralbereich wird gestreckt, um einen abgeschrägten Bereich, wie beschrieben, zu bilden.
• Ein Verfahren zum Herstellen von achromatischen optischen 1x2-3dB-Kopplern ist in den Figuren 13 bis 18 illustriert. Eine Glaskapillare 10 mit 3,8 cm Länge, 2,8 mm Außendurchmesser und 270 µm Längsöffnungsdurchmesser war durch Einspannvorrichtungen 32 und 33 der Vorrichtung von Figur 16 befestigt. Die Röhre 10, die durch einen Flammenhydrolyse-Prozess gebildet wurde, bestand aus Silika dotiert mit etwa 6 Gewichtsprozent B&sub2;O&sub3; und etwa 1 Gewichtsprozent Fluor. Konusförmige Öffnungen 12 und 13 wurden durch Fließenlassen des gasförmigen Ätzmittels NF&sub3; durch die Röhre bei einheitlicher Erwärmung des Endes der Röhre ausgebildet.
• Beschichtete Fasern 17 und 18 enthielten optische Einzelmodenfasern 19 und 20 mit 125 µm Durchmesser und mit Urethan- Acrylat-Beschichtungen 21 und 22 mit 250 µm Durchmesser. Beide Fasern hatten einen Kern aus Silika dotiert mit 8,5 Gewichtsprozents GeO&sub2; und mit einem Durchmesser von 8 µm. Die Abschneide-Wellenlängen der Faser lagen unterhalb der Betriebswellenlänge des Kopplers. Falls beispielsweise die minimale Betriebswellenlänge 1260 nm beträgt, werden die Abschneide-Wellenlängen der Fasern im Bereich zwischen 1200 und 1250 nm ausgewählt. Alle Chlorkonzentrationen wurden durch Mikrosonden-Techniken gemessen. Die Anfangsschritte der Prozesse der Herstellung beider Fasern waren die gleichen. Diese Schritte sind oben im Zusammenhang mit einer Diskussion des US-Patents-Nr. 4,486,212 angeführt. Eine erste Schicht aus Glaspartikeln mit SiO&sub2; dotiert mit 8,5 Gewichtsprozent GeO&sub2; wurde auf einem Aufspanndorn abgeschieden, und eine dünne Schicht aus SiO&sub2; -Partikeln wurde auf der ersten Schicht abgeschieden. Der Aufspanndorn wurde entfernt, und die resultierende poröse Vorform wurde schrittweise in einen Ofen mit einer Aluminiummuffel eingeführt, wo sie getrocknet und verfestigt wurde. Während dieses Prozesses floß eine Gasmischung mit 65 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute) Chlor und 650 sccm Helium in das zentrale Loch, wo der Aufspanndorn entfernt worden ist. Ein Spülglas mit 40 lpm (Liter pro Minute) Helium und 0,5 lpm Sauerstoff floß nach oben vom Boden der Muffel. Die Öffnung wurde evakuiert, und das untere Ende des röhrenförmigen Körpers wurde auf 1900ºC erwärmt und unter einer Rate von 15 cm/min zur Bildung eines 5 mm großen festen Glasstabes gezogen. Der Stab wurde zerschnitten, um Abschnitte zu bilden, von denen jeder in einer Drehbank eingespannt war, wo er als Aufspanndorn diente, auf den SiO&sub2;-Mantelruß zum Bilden einer endgültigen porösen Vorform abgeschieden wurde.
a. Bildung einer standardmäßigen Faser
• Eine endgültige poröse Vorform wurde schrittweise in die Aluminiummuffel eines Verfestigungsofens mit einer Maximaltemperatur von 1490ºC eingeführt. Eine Gasmischung mit 40 lpm Hehum, 0,5 lpm Chlor und 0,5 lpm Sauerstoff floß durch die Muffel. Die poröse Vorform wurde befestigt, um einen Ziehrohling zu bilden, dessen Außenmantel dieselbe Zusammensetzung wie die innere Mantelschicht, d.h. SiO&sub2; dotiert mit etwa 0,05 Gewichtsprozent Chlor, aufwies. Die Spitze des Ziehrohlings wurde auf etwa 2100ºC erwärmt, und eine standardmäßige optische Faser wurde daraus gezogen, wobei die Faser während des Ziehens beschichtet wurde. Die Faser hatte einen Kern mit einem Durchmesser von 8 µm und eine homogene Mantelschicht aus Silika mit etwa 0,05 Gewichtsprozent Chlor als Restgehalt von dem Trocknungsprozess und mit einem Durchmesser von 125 µm.
b. Bildung einer nicht-standardmäßigen Faser
• Eine weitere endgültige poröse Vorform wurde schrittweise in einen Verfestigungsofen mit einer Silikamuffel eingeführt. Die Maximaltemperatur betrug 1450ºC. Die poröse Vorform wurde einer nach oben fließenden Gasmischung mit etwa 2 lpm Helium und 0,6 lpm Chlor ausgesetzt. Die poröse Vorform wurde verfestigt, um einen Ziehrohling zu bilden, dessen Außenmantel aus SiO&sub2; dotiert mit 0,2 Gewichtsprozent Chlor bestand. Die resultierende nicht-standardmäßige Faser war ähnlich wie die standardmäßige Faser mit Ausnahme dessen, daß sie einen inneren Mantelbereich mit etwa 0,05 Gewichtsprozent Chlor und einem Durchmesser von 10,5 µm sowie einen äußeren Mantelbereich mit 0,2 Gewichtsprozent Chlor und mit einem Durchmesser von 125 µm aufwies. Die Brechungsindizes der Mäntel dieser Faser und der Standardfaser waren derart, daß der Wert von ΔMäntel 0,015 betrug.
• Die standardmäßige und die nicht-standardmäßige Faser waren im folgenden Prozeß austauschbar.
• Ein 6 cm langer Abschnitt der Beschichtung wurde von dem Ende einer 1,5 m langen beschichteten Faser 18 entfernt. Eine Flamme wurde auf das Zentrum des abgezogenen Bereichs der Faser gerichtet, und das Ende der Faser wurde gezogen und abgetrennt, um ein konusförmiges Ende (Figur 14) zu bilden. Das von dem konusförmigen Ende entfernte Ende der Faser wurde mit einer Reflektanz-Überwachungsvorrichtung verbunden. Das konusförmige Ende wurde langsam entlang seiner Längsachse nach rechts (wie in den Figuren 14 und 15 gezeigt, in denen nur der helle zentrale Abschnitt 23 der Flamme illustriert ist) bewegt. Da die Spitze der Faser 20 durch die Flamme 23 des Brenners 24 erwärmt wurde, wich das Glas zurück und bildete eine gerundete Endfläche 25 (Figur 15), deren Durchmesser vorzugsweise gleich oder leicht kleiner als der ursprüngliche Durchmesser der unbeschichteten Faser war. Eine momentane Spezifikation für die Reflexionsleistung ist -50 dB. Die resultierende Länge der unbeschichteten Faser betrug etwa 2,9 cm.
• Die Röhre 10 wurde in den Ringbrenner 34 (Figur 16) eingesetzt, und eine Zieheinspannvorrichtung 32 und 33 geklemmt. Die Einspannvorrichtungen waren an motorgesteuerten Stufen 45 und 46 angebracht, welche durch einen Computer gesteuert wurden. Etwa 3,2 cm der Beschichtung wurde von dem Zentralbereich einer 3 m langen Faser 17 abgezogen. Die unbeschichteten Abschnitte der Fasern 17 und 18 wurden gereinigt, und eine geringe Menge an Ethylalkohol wurde in die Röhre gespritzt, um zeitweilig die Fasern während des Einfügungsprozesses zu befeuchten.
• Die beschichtete Faser 17 wurde durch die Öffnung 11 eingesetzt, bis ihr unbeschichteter Bereich unterhalb des Endes 15 der Röhre lag. Der unbeschichtete Bereich der beschichteten Faser 18 wurde neben dem unbeschichteten Bereich der beschichteten Faser 17 gehalten, und beide wurden zusammen zum Ende 14 der Röhre bewegt, bis die beschichteten Endbereiche in der konusförmigen Öffnung 13 eingezwängt waren. Der unbeschichtete Bereich der beschichteten Faser 17 wurde dann zwischen die Endflächen 14 und 15 gesetzt, wobei der unbeschichtete Bereich der beschichteten Faser 17 vorzugsweise innerhalb der Öffnung 11 zentriert war. Das Ende 25 der Faser 18 wurde zwischen den Mittelbereich 27 und das Ende 14 der Röhre 10 angeordnet. Die Fasern wurden durch die Vakuumanbringungen 41 und 41 gefädelt, welche dann an den Enden der Vorform 31 angebracht wurden. Mit Bezug auf Figur 13 wurde die Vakuumanbringung 41 über das Ende der Röhre 10 geschoben, und die Muffe 39 wurde angezogen, um den 0-Ring 38 gegen die Röhre zu drücken. Die Vakuumröhre 42 wurde mit der Röhre 40 verbunden. Ein Ende einer langen dünnen Gummiröhre 43 wurde an dem Ende der Vakuumanbringung 41 gegenüberliegend der Vorform 31 angebracht; das verbleibende Ende der Röhre erstreckte sich zwischen Klemmklauen 44. Die obere Vakuumanbringung 41' wurde in ähnlicher Weise mit einer Leitung 42', einer Röhre 43' und Klemmklauen 44' verbunden. Die beschichteten Bereiche der Fasern ragten aus den Röhren 43 und 43'.
• Ein Vakuum wurde an den unteren Bereich der Koppler-Vorform 31 durch die Klemmklauen 44 in der Röhre 43 angebracht, wobei die obere Vakuumanbringung mit einer Stickstoffquelle verbunden war, um den Öffnungsinhalt zu spülen. Die Klauen 44 wurden dann gegen die Röhre 43' geklemmt, um ein Vakuum am oberen Abschnitt der Vorform 31 zu erzeugen.
• Das obere Ende der Faser 17 wurde mit einem mit einer weißen Lichtquelle verbundenen Monochrometer verbunden. Das Monochrometer wurde so eingestellt, daß die Faser mit einem Lichtstrahl von 1310 nm versorgt wurde. Das untere Ende der Faser 17 wurde mit einem Detektor verbunden, welcher einen Teil des Systems bildete, welches die Bewegung der Einspannvorrichtung 32 und 33 steuert.
• Bei einem Vakuum von 10 inch (25,4 cm) Quecksilber, verbunden mit der Röhrenöffnung, wurde der Ringbrenner 34 gezündet. Die oberhalb des Ringbrenners 34 gelegene Vorrichtung wurde durch ein Wärmeschild 35 geschützt. Flammen von etwa 1800ºC wurden durch Zuführen von Gas und Sauerstoff an den Brenner unter Raten von 0,8 slpm bzw. 0,85 slpm erzeugt. Die Flamme vom Ringbrenner 34 erwärmte die Röhre 10 etwa 25 Sekunden lang. Das Matrixglas kollabierte auf die Fasern 19 und 20, wie in Figur 17 gezeigt. Der Mittelbereich 27, dessen Zentralbereich den Kopplungsbereich des resultierenden Kopplers bildet, wurde ein fester Bereich, in dem im wesentlichen die gesamten Längen der Fasern 19 und 20 im gegenseitigen Kontakt standen.
• Nachdem die Röhre abgekühlt war, wurden die Strömungsraten sowohl vom Gas als auch vom Sauerstoff auf 0,9 slpm erhöht, und der Brenner wurde erneut gezündet. Flammen mit einer Temperatur von etwa 1900ºC erwärmten das Zentrum des kollabierten Bereichs auf den Erweichungspunkt seiner Materialien. Nach 12 Sekunden wurde die Zuführung von Sauerstoff an den Brenner 34 abgestellt, wobei die Flamme zu defokussieren begann. Die Stufen 45 und 46 wurden in entgegengesetzte Richtungen unter einer zusammengesetzten Rate von 2,5 cm/s gezogen, bis der Zentralabschnitt des Mittelbereichs 25 um 1,46 cm gestreckt war. Die Flamme wurde nach dem Streckungsbetrieb ausgelöscht. Dieser Längenanstieg war nur eine kurzes Stück der Länge, auf die die Kopplervorform 31 gestreckt hätte werden müssen, um eine Achromasie bei einem einzelnen Streckungsbetrieb zu erzielen. Eine hinreichende Leistungsmenge begann zur Faser 18 zu koppeln, um zu ermöglichen, das Ende der Faser mit einem Detektor zu verbinden, und die Ausgangsleistung am Detektor wurde ein Maximalwert.
• Die Strömungsraten von Gas und Sauerstoff zum Brenner 34 wurden dann auf 0,65 slpm bzw. 0,6 slpm eingestellt, um eine breitere Flamme mit einer Temperatur von 1650 ºC zu erzeugen. 12 Sekunden nachdem die Flamme gezündet war, wurde die Sauerstoffströmung ausgeschaltet, und die Stufen 45 und 46 zogen in entgegengesetzten Richtungen unter einer zusammengesetzten Rate von 0,5 cm/s, um die Länge der Kopplervorform 31 weiter um etwa 0,02 cm zu erhöhen. Während dieses Schrittes wurde das Licht, das von den Fasern 17 und 18 kam, bei 1310 nm überwacht. Der Streckungsbetrieb stoppte automatisch, als das Verhältnis der optischen Leistung von der Faser 17 zu dem der Faser 18 1,2 betrug, wobei das Steuersystem die Stufen zu dieser Zeit zum Stoppen der Bewegung instruierte. Wegen des Impulses des Systems lief es einen hinreichenden Streckungsweg weiter, um ein Leistungsverhältnis von 1 zu erzeugen, bei dem gleiche Lichtleistungen von den Fasern 17 und 18 bei 1310 nm kamen. Der Durchmesser des Mittelbereichs wurde durch die Streckungsoperationen reduziert, wie durch den Bereich 51 von Figur 18 illustriert.
• Nachdem der Koppler abgekühlt worden war, wurden die Vakuumleitungen von dem resultierenden Koppler entfernt, und Tropfen 48 und 49 von einem wärmeaushärtbaren Haftmittel wurden von einer Spritze in die Enden 14 und 15 der Kapillarröhre eingebracht. Nachdem das Haftmittel durch Aussetzung gegenüber Wärme ausgehärtet war (Pfeil H), wurde der Koppler von der Zieheinrichtung entfernt.
• Die resultierenden Vorrichtungen koppeln etwa 50% des Signals, das in das Ende der optischen Faser 17 am Ende 14 zur optischen Faser 18 bei etwa 1310 nm und 1490 nm propagiert; die Leistungsänderung bei 1310 nm beträgt 0,077% pro nm oder 0,006 dB pro nm. Diese Koppler wiesen einen Median des Überschuß-Vorrichtungsverlusts von 0,3 dB auf. Der niedrigste gemessene Überschußverlust betrug 0,05 dB.
• Die spektralen Einfügungsverlustkurven für einen spezifischen Koppler, der in Übereinstimmung mit dem spezifischen Beispiel hergestellt wurde, sind in Figur 19 gezeigt. Die Kurve P2 repräsentiert die Kopplungsleistung. Der Überschußverlust für diesen Koppler betrug 0,09 dB und 0,05 dB bei 1310 nm bzw. 1550 nm. Der Einfügungsverlust war geringer als 4 dB in jedem Zweig des Kopplers in einem Bereich von 300 nm bei Wellenlängen bis zu etwa 1565 nm.
• Die Benutzung von Fasern mit chlordotierten Mänteln ist nicht auf bemantelte Koppler oder auf achromatische Koppler beschränkt. Chlordotierte Mäntel können verwendet werden, um das gesamte Δβ oder einen Teil des Δβ zu erzeugen, der für eine vorgegebene spektrale Antwort, wie z.B. ein Wellenlängenteilungs-Multiplexieren, Achromasie und dergleichen, notwendig ist. Der Mantel von einer oder mehreren der Fasern 61 und 62 des verschmolzenen Faserkopplers 60 von Figur 20 kann mit Chlor dotiert werden, um den erwünschten Wert von ΔMäntel zu erzeugen. Die Fasern 60 und 61 sind in nebeneinanderhegend angeordnet und werden erwärmt, um sie entlang einer vorbestimmten Länge thermisch zu verschmelzen. Der verschmolzene Bereich, in dem die Kerne der Fasern innerhalb eines gemeinsamen Mantelbereichs von länglichem Querschnitt angeordnet sind, kann gestreckt werden, um einen Abschnürungsbereich 63 zu bilden, in dem die Kerne relativ nah beabstandet sind. In Übereinstimmung mit der vorhererwähnten Publikation von Parriaux et al. können ein oder mehrere weitere Parameter, z.B. der Kernbrechungsindex und/oder -durchmesser, der Faser 62 ebenfalls verschieden von dem entsprechenden Parameter der Faser 61 eingestellt werden.
• Die passive, in Figur 21 gezeigte optische Komponente ist eine planare Vorrichtung 70 mit ersten und zweiten nebeneinanderliegenden optischen Wellenleiterwegen. Einer der Wege beinhaltet einen Lichtpropagationsbereich 71 und den benachbarten Oberflächenbereich 73; der andere beinhaltet einen Lichtpropagationsbereich 72 und den benachbarten Oberflächenbereich 74. Die Brechungsindizes der Bereiche 73 und 74 sind niedriger als die der Lichtpropagationsbereiche 71 und 72. Angeordnet über den Bereichen 71 und 72 ist eine Substanz, wie z.B. Luft, Glas (nicht gezeigt) oder dergleichen, deren Brechungsindex geringer als der der Bereiche 71 und 72 ist.
• Die Lichtpropagationsbereiche 71 und 72 sind über einen hinreichend langen Weg im Kopplungsbereich 75 dichter beabstandet, damit eine Kopplung auftritt. In Übereinstimmung mit der Erfindung enthält zumindest einer der Bereiche 73 und 74 einen Chiorgehalt, der ausreicht, um die optische Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung 70 zu ändern. Falls beide Bereiche 73 und 74 Chlor enthalten, dann muß die Chlorkonzentration im Bereich 74 größer als die Chlorkonzentration im Bereich 73 sein, wobei die Differenz in den Chlorkonzentrationen ausreicht, um den Brechungsindex des Bereichs 74 auf einen Wert größer als den des Brechungsindex des Bereichs 73 zu erhöhen. Die Differenz der Brechungsindizes zwischen den Bereichen 73 und 74 ist zumindest teilweise verantwortlich für eine Differenz in den Propagationskonstanten zwischen den ersten und zweiten optischen Wellenleiterwegen.
• Die Vorrichtung 70 kann durch photolithographische Techniken in Übereinstimmung mit dem folgenden theoretischen Beispiel gebildet werden. Eine Maske wird über dem Bereich des Substrats 76 gebildet, der durch den Bereich 74 zu belegen ist. Partikel eines Glases, wie z.B. Silika, werden auf den freigelegten Oberflächenbereichen des Substrats 76 sowie auf die Maske abgeschieden. Die Maske wird beseitigt, und die Partikel werden in einer chlorfreien Atmosphäre zur Bildung des Bereichs 73 verfestigt. Eine zweite Maske wird dann auf der Oberfläche des Bereichs 73 gebildet, und Glaspartikel werden auf den freigelegten Oberflächenbereich des Substrats 76 sowie auf die zweite Maske abgeschieden. Die zweite Maske wird entfernt, und die Partikel werden in einer chlorhaltigen Atmosphäre zur Bildung des Bereichs 74 verfestigt. Die Glaspartikel können in Übereinstimmung mit der Lehre der US-Patente-Nr. 3,806,223, und 3,873,339, welche hier durch Bezugnahme mitoffenbart sind, abgeschieden und verfestigt werden. Die Lichtpropagationsbereiche 71 und 72 können durch jegliche bekannte Technik gebildet werden. Falls von beiden Bereichen 73 und 74 Wasser zu entfernen ist, können beide in einer chlorhaltigen Atmosphäre verfestigt werden, wobei die Chlorkonzentration während der Verfestigung des Bereichs 74 größer ist.

Claims (13)

1. Faseroptischer Koppler (50, 60) mit wenigstens ersten und zweiten optischen Glasfasern (19, 20; 61, 62), wobei jede einen Kern und einen Mantel aufweist, wobei die Fasern längs eines Teils ihrer Länge verschmolzen sind, um einen Kopplungsbereich (51, 63) zu bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß

wenigstens der Querschnittsbereich des Mantels der zweiten Faser Chlor enthält, wobei der Mantel der zweiten Faser eine Chlorkonzentration aufweist, die größer ist als die Konzentration von Chlor, falls Chlor überhaupt vorliegt, im ersten Fasermantel, wobei der Unterschied in der Chlorkonzentration in den Mänteln der ersten und zweiten Fasern ausreichend ist, um den Brechungsindex n&sub2;¹ des zweiten Fasermantels auf einen Wert über dem Brechungsindex n&sub2; des Mantels der ersten Faser zu erhöhen.

2. Faseroptischer Koppler nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend einen langgestreckten Körper (10) aus Matrixglas mit einem Brechungsindex n&sub3;, wobei der Körper zwei sich gegenüber liegende Endflächen (14, 15) und einen Mittelbereich (27) aufweist, wobei sich die ersten und zweiten optischen Fasern in Längsrichtung durch den langgestreckten Körper erstrecken, der Brechungsindex der Fasermäntel größer als n&sub3; ist, die Fasern an das Matrixglas im Mittelbereich angeschmolzen sind und die Kerne der optischen Fasern am zentralen Teil des Mittelbereichs näher beabstandet sind als an ihren Endflächen.

3. Faseroptischer Koppler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Mantel der ersten Faser kein Chlor enthält.

4. Faseroptischer Koppler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Mantel der ersten Faser wenigstens 0,04 Gew.-% Chlor enthält.

5. Faseroptischer Koppler nach Anspruch 1, wobei der Kopplungsbereich durch Matrixglas (10) mit einem Brechungsindex n&sub3; umgeben ist, der niedriger ist als die Brechungsindices der Mäntel.

6. Faseroptischer Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, mit Ausnahme des Untschieds in den Konzentrationen des Chlors in den Mänteln der ersten und zweiten Fasern (19, 20; 61, 62) die Fasern identisch sind.

7. Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Kopplers (50, 60) mit den Schritten:

- Bereitstellen von wenigstens zwei optischen Glasfasern (19, 20; 61, 62), wobei jede der Fasern einen Kern aufweist, der von einem Mantel mit einem Brechungsindex umgeben ist, der niedriger ist als der des Kerns, und wobei der Mantel eines zweiten Teils dieser Fasern eine Chlormenge enthält, die ausreichend ist, um seinen Brechungsindex n&sub2;¹ auf einen Wert zu erhöhen, der größer ist als der Brechungsindex n&sub2; des Mantels eines ersten Teils dieser Fasern,

- nebeneinander Anordnen von Teilen der Fasern; und

- Erhitzen der Fasern über vorherbestimmte Abschnitte, um ein Zusammenschmelzen vorbestimmter Teile zu einem einheitlichen Bereich zu erreichen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, das weiterhin die Anwendung einer axialen Spannung auf den verschmolzenen einheitlichen Bereich umfaßt, um einen langgestreckten Kopplungsbereich (51) mit verringertem Durchmesser zu bilden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Anordnen das Einsetzen der Teile in die Öffnung (11) eines Glasrohrs (10) mit einem Brechungsindex umfaßt, der niedriger ist als der der Mäntel der Fasern, und wobei das Erhitzen im Kollabieren des Rohres auf die Fasern (19, 20) resultiert.

10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei das Bereitstellen der zweiten Faser das Bereitstellen eines Glasstabes, das Aufbringen einer Beschichtung aus Glasteilchen auf dem Stab, das Aussetzen der Beschichtung einer chlorenthaltenden Atmosphäre, das Konsolidieren der Beschichtung auf dem Stab zur Bildung eines Ziehrohlings und das Ziehen einer Faser aus dem Rohling umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, wobei das Bereitstellen der ersten Faser das Bereitstellen eines ersten Glasstabes, das Aufbringen einer ersten Beschichtung aus Glasteilchen auf dem ersten Stab, das Aussetzen der ersten Beschichtung aus Teilchen einer eine solche Menge an Chlor enthaltenden Atmosphäre, die ausreichend ist, um die erste Beschichtung zu trocknen, das Konsolidieren der ersten Beschichtung auf dem Stab zur Bildung eines ersten Ziehrohlings und das Ziehen der ersten Faser aus dem Rohling umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Aussetzen der ersten Beschichtung aus Teilchen einer Atmosphäre das Aussetzen der ersten Beschichtung einer Atmospäre umfaßt, die eine Menge an Chlor enthält, die ausreichend ist, um den Mantel der ersten Faser mit einer Chlorkonzentration von wenigstens 0,04 Gew.-% bereitzustellen.

13. Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen, achromatischen Kopplers (50), mit den Schritten:

-Einsetzen eines Teils einer jeden einer Vielzahl optischer Fasern (19, 20) in ein Glasrohr (10) mit einem Brechungsindex n&sub3;, so daß die Teile den Mittelbereich (27) des Rohres einnehmen, jede der Fasern einen Kern mit einem Brechungsindex n&sub1; und einen Mantel mit einem Brechungsindex aufweist, der geringer ist als n&sub1;, jedoch größer ist als n&sub3;, der Mantel eines zweiten Teils der Fasern eine Menge an Chlor enthält, die ausreichend ist, um seinen Brechungsindex n&sub2;¹ der zweiten Faser auf einen Wert zu erhöhen, der größer ist als der Brechungsindex n&sub2; des Mantels des ersten Teils der Fasern, wobei der Unterschied zwischen n&sub2; und n&sub2;¹ derart ist, daß der Wert ΔMäntel größer als Null ist, jedoch geringer als 0,03 %, wobei ΔMäntel gleich (n&sub2;² - n2'²)/2n&sub2;²,

-Kollabieren des Mittelbereichs des Rohres auf die Fasern und Strecken des zentralen Teils des Mittelbereichs.