DE69029175T2

DE69029175T2 - Methode zur Herstellung eines Lichtwellenleiter-Kopplers

Info

Publication number: DE69029175T2
Application number: DE69029175T
Authority: DE
Inventors: George Edward Berkey; Mark Thomas Krowiak; Daniel Paul Saunders
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1989-07-17
Filing date: 1990-07-04
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: EP0409447A3; EP0730171B1; DE69029175D1; AU5881090A; KR910003413A; KR0168651B1; DE69033798D1; EP0409447B1; EP0730171A3; JPH0351807A; CA2006346C; US4979972A; AU627598B2; CA2006346A1; EP0409447A2; JP2665389B2; DE69033798T2; EP0730171A2; ES2097135T3

Description

Die vorliegende Anmeldung ist mit den folgenden europäischen Patentanmeldungen: EP-A-302 745 mit dem Titel "Verfahren zum Herstellen eines ökonomischen Faserkopplers"; EP-A-352 957 mit dem Titel "Verfahren zum reproduzierbaren Herstellen von einem faseroptischen Koppler"; und mit der Anmeldung Nr. 90 306 147.1 (EP 407 034) mit dem Titel "Verfahren zum Herstellen optischer Vorrichtungen" verwandt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von faseroptischen Kopplern und ist insbesondere auf die Herstellung von 1xN-Kopplern, die Licht von einer einzigen optischen Faser in N optische Fasern koppeln, wobei N eine Zahl größer oder gleich 2 ist, anwendbar. Zusätzlich zur Durchführung der Kopplungsfunktion können solche Vorrichtungen ebenfalls zur Durchführung solcher Funktionen, wie z.B. dem Wellenlängenteilungs-Multiplexieren, dem Filtern und dergleichen, entworfen sein. Bei Kopplern, bei denen N größer als zwei ist, ist ein übliches Erfordernis, daß die Leistung gleichförmig von der Eingangsfaser auf die N Ausgangsfasern gekoppelt werden kann.
Verfahren zum Herstellen von Multimode-1xN-Kopplern sind in der US-A-4 083 625 (Hudson) und in der GB-A-2 023 874 offenbart. Beide dieser Dokumente lehren Verfahren, welche anfänglich ein Verschmelzen und Strecken der Endabschnitte der ersten und zweiten optischen Faser erfordern. In Übereinstimmung mit dem Hudson-Patent wird die gemeinsame Endfläche der verschmolzenen ersten und zweiten Faser mit der Endfläche einer dritten optischen Faser verschmolzen. Das britische Dokument lehrt, daß eine rundliche Linse auf dem gemeinsamen Ende der abgeschrägten ersten und zweiten Faser gebildet wird und eine dritte Faser derart angeordnet wird, daß davon ausstrahlendes Licht durch die Linse auf die erste und zweite Faser gekoppelt wird. Diese Koppler sind für Einzelmodenfasern nicht verwendbar.
Die JP-A-63-217 314 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines faseroptischen 1xN-Kopplers. Eine Vielzahl optischer Fasern sind derart in einer Röhre angeordnet, daß zumindest ein Teil jeder Faser in die Bohrung der Röhre verläuft. Der Mittelteil der Röhre wird durch Erwärmung gestreckt. Dies bewirkt, daß die gesamte Röhre eine abgeschrägte Gestalt annimmt, wobei der zentrale Abschnitt der Röhre den kleinsten Durchmesser aufweist. Da die Fasern nicht mit einem Schutzbeschichtungsmaterial versehen sind, kann der Durchmesser der Röhrenbohrung gerade groß genug gemacht werden, daß die Anordnung der sechs Fasern, welche zentrale Faser umgeben, möglich ist.
Einzelmodekoppler wurden durch Bilden von NxN-Kopplern und Zerschneiden und/oder Beenden von N-1 Fasern an einem Ende der Vorrichtung hergestellt. Beispielsweise kann ein faseroptischer NxN-Einzelmodenkoppler in Übereinstimmung mit der Lehre der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 302 745, die am (. Februar 1989 veröffentlicht wurde, hergestellt werden. Eine Vielzahl geeignet hergestellter Glasfasern jeweils mit einem Kern und einem Mantel werden innerhalb der Längsöffnung einer Glaskapillarröhre angeordnet. Jede Faser verläuft über zumindest ein Ende der Röhre zur Bildung eines Verbindungsschwanzes. Die Schwänze sind mit demselben Typ und Durchmesser einer Plastikbeschichtung wie die optischen Fasern des Systems versehen, in dem die Vorrichtung zur Benutzung vorgesehen ist, so daß die Vorrichtung leicht in das System integriert werden kann. Der Mittelbereich der Röhre wird erwärmt und kollabiert um die Fasern, und der zentrale Abschnitt der kollabierten Mittelbereichs wird gestreckt, um dessen Durchmesser zu reduzieren. Zur Bildung eines 1x2-Kopplers beispielsweise werden zwei Fasern verwendet, um anfänglich einen 2x2-Koppler zu bilden, und einer der Kopplerschwänze oder eines der Kopplerbeine wird abgeschlossen. Bei diesem Typ von Koppler liegt das abgeschlossene Bein außerhalb der Glasröhre.
Ein Erfordernis für bestimmte Koppleranwendungen ist dasjenige, daß das abgeschlossene Bein derart gestaltet ist, daß die Rückreflexion der optischen Leistung davon wesentlich reduziert ist. Eine übliche Spezifikation für solche Anwendungen ist diejenige, daß die reflektierte Leistung nicht mehr als -50 dB beträgt.
Die Herstellung der optischen Fasern für das oben beschriebene Verfahren beinhaltet die Entfernung der Beschichtung von dem Abschnitt der Faser, welcher im Mittelbereich der Röhre gelegen ist. Die beschichteten Abschnitte der Fasern werden durch die Röhrenöffnung gezogen, um den unbeschichteten Bereich vor dem Röhrenkollabierungsschritt in das Zentrum der Röhre zu positionieren. Die beschichteten Bereiche jeder Faser erstrecken sich in die Enden der Röhrenöffnung zum Halten der Faser in geeigneter Ausrichtung, während die Röhre darauf kollabiert. Die Öffnung muß deshalb groß genug sein, daß sie die beschichteten Abschnitte der Fasern aufnimmt. Wenn der Öffnungsdurchmesser relativ groß ist, wobei die Röhre einen übermäßigen Kollabierungsgrad vor der Zeit durchmacht, zu der sie mit den Fasern darin in Eingriff steht, bilden sich wahrscheinlicher Blasen im Kopplungsbereich und/oder ist es wahrscheinlicher, daß das Glas zwischen den Fasern während des Röhrenkollabierungsschritts fließt. Diese Effekte beeinflussen die optischen Charakteristika, wie z.B. die Abschwächung und das Kopplungsverhältnis, widrig.
Wenn N groß ist wird, wird es um so schwieriger, 1xN-Koppler durch Zerteilen und/oder Abschließen von Schwänzen, die aus einem NxN-Koppler herauslaufen, herzustellen. In solch einem Koppler muß die Eingangsfaser zentral bezüglich der Ausgangsfasern gelegen sein, damit man die beste Verteilung der optischen Leistung an alle Ausgangsports erhält. Jeder der N Eingangsports des anfänglich gebildeten NxN-Kopplers müßte gemessen werden, um den zentral gelegenen Port zu bestimmen. Ein 16x16- Koppler würde 256 Messungen erfordern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, welches die Nachteile beim Stand der Technik überwindet. Eine weitere Aufgabe liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen von faseroptischen Kopplern, bei denen die Kapillarröhrenlochgröße hinreichend klein gehalten wird, daß der Röhrenkollabierungsschritt verbessert ist. Eine weitere Aufgabe liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen optischer Koppler, deren optische Eigenschaften in enger Übereinstimmung mit vorbestimmten Werten bestehen. Eine weitere Aufgabe liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von faseroptischen 1xN-Kopplern, wobei keine externen Endabschlüsse zur Verhinderung der Reflexion der optischen Leistung von der abgeschlossenen Endfläche zurück in die Faser benötigt sind.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren, welches in Anspruch 1 definiert ist. Der unbeschichtete Abschnitt der "zweiten Faser", auf die in Anspruch 1 Bezug genommen wird, kann ein abgerundetes Ende aufweisen. Der Endbereich des unbeschichteten Abschnitts kann auf einen kleineren Durchmesser abgeschrägt sein als der Rest des unbeschichteten Abschnitts. Der Durchmesser des sphärisch geformten Endes ist vorzugsweise nicht größer als der Durchmesser des nicht abgeschrägten Durchmessers der Faser, wobei der Durchmesser der Röhrenbohrung relativ klein gemacht werden kann, um so den Schritt des Kollabierens der Röhre zu vergrößern.
Das sphärisch gestaltete Ende kann durch Entfernen der Beschichtung von dem Ende einer beschichteten Faser zur Bildung eines unbeschichteten Endbereichs, Erwärmen des unbeschichteten Endbereichs entfernt von dessen Ende, und Ziehen des erwärmten Bereichs zum Zerteilen des Endes an gegenüberliegenden Seiten gebildet werden. Dieses Verfahren läßt einen unbeschichteten abgeschrägten Endbereich auf der Faser. Das Ende des abgeschrägten Bereichs wird erwärmt, um die Viskosität des Materials davon um einen hinreichenden Betrag zu erniedrigen, so daß das Material veranlaßt wird, sich entlang der Faser zurückzuziehen und eine abgerundete Endfläche zu bilden. Die Reflektanz der abgerundeten Endfläche kann während deren Bildung überwacht werden. Falls solch eine Überwachung durchgeführt wird, wird der Schritt des Erwärmens des Endes des abgeschrägten Bereichs fortgeführt, bis die Reflektanz auf einen vorbestimmten Wert reduziert ist.
Das Verfahren kann die Positionierung des unbeschichteten Abschnitts der zusätzlichen Faser neben dem unbestimmten Abschnitt der ersten Faser und das gleichzeitige Bewegen der unbeschichteten Abschnitte in der Röhre umfassen. Zur Erleichterung dieses Schrittes kann der unbeschichtete Abschnitt der zweiten Faser an die erste Faser angebracht werden. Der Punkt der Anbringung kann die Beschichtung oder unbeschichtete Abschnitt der ersten Faser sein.
Beim Verfahren kann vor dem Kollabieren der Röhre eine Menge an Klebemittel an beiden Enden der Röhrenöffnung abgeschieden werden, um diese Abschnitte der ersten Faser und die Vielzahl von Fasern, welche von den Enden der Röhre ausgehen, an diese Abschnitte anzubringen. Jeglicher Teil eines unbeschichteten Abschnitts der Vielzahl von Fasern, der sich über das Klebmittel erstreckt, wird vorzugsweise abgeschnitten.
Es ist vorteilhaft, die Röhre in einer vertikalen Orientierung zu halten. Die erste Faser wird durch die Öffnung gefädelt, bis der unbeschichtete Abschnitt davon unterhalb der Röhre liegt und der obere Abschnitt der ersten Faser, welcher von der Oberseite der Röhre aus verläuft, eingespannt ist. Der unbeschichtete Abschnitt der zweiten Faser ist neben dem unbeschichteten Abschnitt der ersten Faser gelegen. Der obere Abschnitt der ersten Faser wird nach oben gezogen, um den unbeschichteten Abschnitt davon in die Öffnung zu bringen. Der unbeschichtete Abschnitt der zumindest einen zusätzlichen Faser wird gleichzeitig in die Öffnung bewegt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft den resultierenden Koppler, der in Anspruch 7 definiert ist. Das Ende der zweiten Faser, welches innerhalb des zweiten Durchgangs endet, kann ein sphärisch geformtes Ende aufweisen, dessen Durchmesser geringer als der Durchmesser des Abschnitts der zweiten Faser ist, der in der ersten Öffnung liegt. Das sphärisch gestaltete Ende ist in der Lage, in die zweite Faser weniger als -50 dB der Leistung zurück zu reflektieren, welche durch die Faser verläuft und darauf auftrifft.
Es zeigen:
Figur 1 eine Querschnittsansicht einer Kapillarröhre, nachdem optische Fasern in sie eingesetzt sind;
Figur 2 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Bilden eines Antireflexionsabschlusses auf dem Ende einer optischen Faser;
Figur 3 ein Blockdiagramm zum Illustrieren eines Systems zum Messen der Rückreflexion einer optischen Faser;
Figuren 4 und 5 schematische Darstellungen von zwei Schritten während des Betriebs der Vorrichtung von Figur 2;
Figur 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Kollabieren einer Kapillarröhre und Ziehen des Mittelbereichs davon;
Figur 7 eine teilweise Querschnittsansicht zum Illustrieren des Kollabierens der Glasröhre um die Faser zur Bildung eines festen Mittelbereichs;
Figur 8 eine Querschnittsansicht durch den festen Mittelbereich von Figur 7 entlang der Linien 8-8;
Figur 9 eine teilweise Querschnittsansicht einer faseroptischen Kopplers, nachdem er hinuntergezogen ist und an beiden Enden versiegelt ist; und
Figuren 10 und 11 schematische Darstellungen der Öffnungsquerschnitte mit den darin angeordneten Fasern.
Die Zeichnungen dienen nicht zur Bezeichnung einer Skalierung oder von Relativproportionen der darin gezeigten Elemente.
Eine erste Ausführungsform betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von faseroptischen 1x2-Kopplern. Dieses Verfahren verwendet eine Röhre 10 (Figur 1) mit einer in Längsrichtung verlaufenden Bohrung oder Öffnung 11. Abgeschrägte Öffnungen 12 und 13 bilden tunnelartige Eingänge für die Öffnung 11 an den Endoberflächen 14 bzw. 15. Die Erweichungspunkttemperatur der Röhre sollte niedriger als diejenige der Fasern, welche darin einzusetzen sind, sein. Geeignete Röhrenzusammensetzungen sind SiO&sub2; dotiert mit 1-25 Gewichtsprozent B&sub2;O&sub3; und SiO&sub2; dotiert mit 0,1 bis etwa 2,5 Gewichtsprozent Fluor. Gläser mit Silika und Kombinationen dieser Dotierstoffe können ebenfalls verwendet werden. Die Röhre 10 kann durch Abscheiden von Glaspartikeln auf einem zylindrischen Aufspanndorn zur Bildung einer porösen, zylindrisch geformten Vorform gebildet werden. Der Aufspanndorn wird entfernt, und die poröse Vorform wird getrocknet und verfestigt, um einen röhrenförmigen Glaskörper zu bilden, der erwärmt und zur Reduzierung seines Durchmessers zurückgezogen wird. Öffnungen von nicht kreisförmigem Querschnitt können in der Röhre durch Schrumpfen der Röhre auf einen Kohlenstoff- Aufspanndorn eines erwünschten Querschnitts und darauffolgendes Ausbrennen des Aufspanndorns und Strecken der Röhre zur Reduzierung ihres Durchmessers gebildet werden. Ein kurzer Abschnitt der Röhre mit abgeschrägten Öffnungen 12 und 13 kann durch Anbringen einer Kapillarröhre an eine Luftdruckquelle und Richten einer Flamme auf die Röhre unter beabstandeten Intervallen während Drehens der Röhre gebildet werden. Der Druck innerhalb der Röhre bildet eine Blase an jedem durch die Flamme erweichten Bereich. Die Röhre wird eingekerbt und am Zentrum jeder Blase zerschnitten.
Zwei Abschnitte 17 und 18 der beschichteten optischen Faser werden von einer Spule mit der Faser geschnitten. Beschichtete Fasern 17 und 18 weisen Glasfasern 19 bzw. 20 auf, die jeweils einen Kern und einen Mantel umfassen und jeweils eine Schutzbeschichtung 21 bzw. 22 aufweisen. Ein Abschnitt in der Beschichtung zwischen den Enden der beschichteten Faser 17 wird über einen Abstand, der leicht größer als die Länge der Öffnung 11, aber kürzer als die Länge der Röhre 10 ist, entfernt.
Die in Figur 2 gezeigte Vorrichtung kann zum Erzeugen eines Abschlusses mit niedrigerer Reflektanz verwendet werden, welcher für viele Koppieranwendungen erforderlich ist. Der Tisch 29 ist in der x-Richtung entlang der Nuten 28a der Basis 28 verschiebbar. Ein Sauerstoff-Azethylen-Schweißbrenner 24 ist an dem Basiselement 28 derart angebracht, daß er in der y- und z- Richtung bewegbar ist. Die Position des Schweißbrenners 24 wird in der z-Richtung anfänglich so eingestellt, daß die Düse 24' etwa in der Ebene der Oberfläche des Tischs 29 liegt. Zwei dicht beabstandete Führungen 30 sind an einem Ende des Tisches 29 in Anordnung mit einer Faserhaltenut (nicht gezeigt) gelegen. Eine Faser ist in der Nut durch eine Haltescheibe 36 gehalten. Ein Mikroskop 26 ist am Tisch 29 in einer derartigen Lage angebracht, daß das Ende einer sich über den Tisch 29 erstreckenden Faser in seinem Blickfeld erscheint.
Die Beschichtung wird vom Ende der beschichteten Faser 18 entfernt. Eine Sauerstoff-Azethylen-Flamme wird auf die unbeschichtete Faser in kurzem Abstand von deren Ende gerichtet, und das Ende der Faser wird gezogen, bis es von dem Rest der Faser abgetrennt ist. Wie in Figur 4 gezeigt, hat die Faser jetzt ein abgeschrägtes Ende.
Das Ende der beschichteten Faser 20, das von dem abgeschrägten Ende entfernt ist, wird mit der Vorrichtung von Figur 3 verbunden, um die Reflektanz von dem abgeschrägten Ende zu überwachen. Das System von Figur 3 weist einen 2x2-3dB-Koppler mit Ports 1-4 auf. Ein Laser ist mit dem Port 1 verbunden, und ein optisches Leistungsmeßgerät ist mit dem Port 2 verbunden. Das Ende der optischen Faser, das den Port 3 aufweist, ist gespalten, und dieses Ende ist in einer Röhre mit Indexanpassungsgel zur Verhinderung der Reflektion des Lichts von dem eingetauchten Ende zurück in den Koppler zum Leistungsmeßgerät eingetaucht. Das Ende der Faser 20, das von dem abgeschrägten Ende abgelegen ist, ist am Port 4 schmelzgespleißt. Laserlicht, welches von dem abgeschrägten Ende der Faser 20 reflektiert wird (und von dem abgerundeten durch die Vorrichtung von Figur 2 gebildeten Ende), tritt durch den Koppler zum Leistungsmeßgerät.
Die Faser 20 ist zwischen den Führungen 30 angeordnet, so daß sie in der Nut in der Oberfläche des Tischs liegt, wobei ihr abgeschrägtes Ende über den Tisch zur Düse 24 hin verläuft. Das Ende der Faser ist im Zentrum des Mikroskopfelds gelegen. Wenn der Schweißbrenner 24 ausgeschaltet ist und der Tisch 29 nach links von der Basis 28 (wie in Figur 2 ersichtlich) bewegt ist, wird die Position des Schweißbrenners 24 in der y-Richtung derart eingestellt, daß das Ende der Faser neben der Düse 24' (Figur 4) liegt. Der Tisch 29 wird nach rechts bewegt, und der Schweißbrenner wird gezündet. Nur der helle, zentrale Abschnitt 23 der Flamme ist in den Figuren 4 und 5 illustriert. Der Tisch 29 wird langsam nach links bewegt, wobei die abgeschrägte Spitze der Faser 20 durch die Flamme erwärmt wird. Das abgeschrägte Ende wird mit einem Abschluß niedrigerer Reflektanz durch Erwärmen desselben zur Erniedrigung der Viskosität des Materials um einen hinreichenden Betrag, so daß sich das Material entlang der Faser zurückzieht und eine abgerundete Endfläche 25 (Figur 5) bildet, versehen, wobei der Enddurchmesser davon etwa gleich oder leicht kleiner als der ursprüngliche Durchmesser der unbeschichteten Faser ist. Das Erwärmen wird fortgeführt, bis die Leistung des Laserlichts, das von dem abgerundeten Ende zurückreflektiert wird und zurück durch die Faser zum gegenüberliegenden Ende propagiert, geringer als ein vorbestimmter Wert ist. Eine momentane Spezifikation für die reflektierte Leistung ist -50dB.
Ein fortgeführtes Erwärmen der abgerundeten Endefläche würde bewirken, daß das Glas fortfährt, sich von dem abgeschrägten Ende zurückzuziehen und so den Durchmesser des abgerundeten Endes ohne wesentliche Verbesserung der Reflexionsreduzierungseigenschaften erhöht. Falls der Durchmesser des abgerundeten Endes größer als der der Faser würde, würde die Röhrenöffnung 11 groß genug gemacht werden müssen, um es aufzunehmen. Deshalb bevorzugt man, daß der Schritt des Erwärmens des abgeschrägten Endes beendet wird, bevor der Durchmesser der abgerundeten Endfläche größer als der Anfangsdurchmesser der unbeschichteten Faser wird.
Falls der unbeschichtete Abschnitt der Faser 20 nach Bildung des Antireflexionsabschlusses zu kurz ist, wird ein zusätzlicher Abschnitt der Beschichtung entfernt, wodurch der gesamte unbeschichtete Abschnitt der optischen Faser 20 hinreichend lang ist, daß er über den Röhrenmittelbereich 27 hinaus verläuft, wenn das Ende der Beschichtung 22 in der abgeschrägten Öffnung 13 liegt. Nach dem Fasereinsetzprozess verläuft das Faserende 25 vorzugsweise nicht über das Röhrenende 14 hinaus; es kann innerhalb der abgeschrägten Öffnung 12 oder am Ende der Öffnung 11 in Längsrichtung liegen.
Die Fasern werden gereinigt, um Restmaterial zu entfernen. Eine geringe Menge Ethylalkohols kann in die Röhre gespritzt werden, um zeitweilig die Fasern während deren Einsetzen zu befeuchten; er verdampft dann unmittelbar. Die beschichtete Faser 17 wird durch die Öffnung 11 eingesetzt, bis der unbeschichtete Abschnitt von genau oberhalb dem Röhrenende 15 liegt. Der unbeschichtete Abschnitt der beschichteten Faser 18 wird neben dem unbeschichteten Abschnitt der beschichteten Faser 17 gehalten, und beide beschichteten Fasern werden zusammen zum Röhrenende 14 hin bewegt, bis die Beschichtungsendbereiche, welche nebeneinanderliegen, in der abgeschrägten Öffnung 13 verklemmt sind. Der unbeschichtete Abschnitt der beschichteten Faser 17 wird dann zwischen die Endoberfläche 14 und 15 gesetzt, wobei der unbeschichtete Abschnitt der beschichteten Faser 17 vorzugsweise innerhalb der Öffnung 1 zentriert ist. Das Ende 25 der Faser 18 liegt zwischen dem Mittelbereich 27 und dem Ende 14 der Röhre 10.
Der abgestreifte Abschnitt der Faser 17 könnte anfänglich in der Öffnung 11 zentriert sein, und der abgestreifte Endbereich der Faser 18 könnte danach in die Öffnung eingesetzt werden. Jedoch wird der Fasereinsetzprozess durch gleichzeitiges Einsetzen beider abgestreiften Abschnitte erleichtert.
Die Vorrichtung zum Kollabieren und Strecken der resultierenden Vorform 31 ist in Figur 6 gezeigt. Die Einspannvorrichtungen 32 und 33, welche die Vorform 31 in dieser Vorrichtung sichern, sind an motorgesteuerte Stufen 45 bzw. 46 angebracht, welche vorzugsweise durch einen Computer gesteuert werden. Der Wärmeschild 35 schützt die um den Ringbrenner 34 herum gelegene Vorrichtung. Die Vorform 31 wird durch den Ringbrenner 34 eingesetzt, wird an die Zieheinspannvorrichtung geklemmt, und die Vakuumanbringungen 41 und 41' werden an deren Enden befestigt. Die Vakuumanbringung 41, die in Figur 1 im Querschnitt gezeigt ist, kann eine Röhre 40, einen darauf gesetzten Kragen 39 und einen zwischen einer Schelle und der Röhre angeordneten O-Ring 38 aufweisen. Nachdem die Vakuumanbringung 41 über das Ende der Röhre 10 geschoben ist, wird die Schelle 39 festgezogen, um dadurch den O-Ring 38 gegen die Röhre zu drücken. Die Vakuumanbringung 42 ist mit der Röhre 40 verbunden. Ein Ende eines Abschnitts einer dünnen Gummiröhre 43 wird an dem Ende der Vakuumanbringung 41 angebracht, welches der Vorform 31 gegenüberliegt; das übrige Ende der Röhre verläuft zwischen Klemmklauen 44. Die obere Vakuumanbringung 41' ist der Leitung 42', der Röhre 43' und den Klemmklauen 44' in ähnlicher Weise zugeordnet. Die beschichteten Bereiche der Fasern erstrecken sich von diesen Röhren 43 und 43' aus.
Die Röhre 10 kann durch die Einspannvorrichtungen 32 und 33 vor dem Fasereinsetzschritt befestigt werden. Während die Röhre 10 vertikal durch die Einspannvorrichtungen gehaltert ist, werden die Fasern, wie oben beschrieben, eingesetzt. Die Fasern, die von beiden Enden der Röhre verlaufen, werden durch ihre jeweilige Vakuumvorrichtung gefädelt, und die Vakuumanbringungen 41 und 41' werden mit der Röhre verbunden.
Ein Vakuum wird an den unteren Abschnitt der Kopplervorform 31 durch die Klemmklauen 44 an der Röhre 43 angelegt, während die obere Vakuumanbringung zur Luft entlüftet wird oder mit einer Quelle von Inertgas oder ein Flüssigreinigungsmittel verbunden wird. Dies wäscht irgendwelche losen Splitter aus der Öffnung
11, welche sich während des Fasereinsetzschritts darin angesammelt haben. Die Klauen 44' werden dann gegen die Röhre 43' geklemmt, um an dem oberen Abschnitt der Vorform 31 anzulegen.
Die Flamme von dem Ringbrenner 34 erwärmt die Röhre 10 während einer kurzen Zeitspanne, typischerweise etwa 25 Sekunden, um die Temperatur des Mittelbereichs 27 der Röhre auf deren Erweichungstemperatur zu erhöhen. Mit der Hilfe des Differenzdrucks an der Röhre kollabiert das Matrixglas auf die Faser 19 und 20 und drückt sie in gegenseitigen Kontakt. Das Röhrenmatrixglas umgibt die Fasern und füllt die Öffnung zur Bildung einer festen Struktur, wie in den Figuren 7 und 8 gezeigt. Der Mittelbereich 27, dessen zentraler Abschnitt dem Kupplungsbereich des resultierenden Kopplers bildet, wird ein fester Bereich, in dem im wesentlichen die gesamten Abschnitte der Fasern 19 und 20 in gegenseitigem Kontakt stehen. Die Länge des kollabierten Bereichs in Längsrichtung hängt von der Temperatur und der zeitlichen Dauer der Flamme der thermischen Leitfähigkeit der Glasröhre und der Größe des angelegten Vakuums ab.
Nachdem die Röhre abgekühlt ist, wird die Flamme erneut gezündet, und das Zentrum des kollabierten Bereichs wird wieder auf den Erweichungspunkt der Materialien davon erwärmt. Die Flammendauer für den Streckungsprozess, welche von den erwünschten Kopplereigenschaften abhängt, beträgt üblicherweise zwischen 10 und 20 Sekunden. Eine kürzere Erwärmungsperiode für den Strekkungsschritt resultiert in einem gestreckten Bereich, der kürzer als der kollabierte Bereich ist. Das Strecken von nur dem zentralen Abschnitt des kollabierten Mittelbereichs gewährleistet, daß der Kopplungsbereich der Faser in dem Matrixglas der Kapillarröhre eingebettet ist. Während dieses Wiedererwärmschrittes werden die Fasern ebenfalls geheizt, da sie vollständig von dem Matrixglas der Kapillarröhre umgeben sind und deshalb im thermischen Kontakt damit stehen. Nachdem die kollabierte Röhre wiedererwärmt ist, wird die Flamme ausgelöscht, und die Stufen 45 und 46 ziehen in entgegengesetzter Richtungen, bis die Kopplerlänge um einen vorbestimmten Betrag erhöht ist, um die Faserkerne dichter aneinander entlang eines hinreichenden Abstandes zur Erreichung eines vorbestimmten Kopplungstyps zu bringen. Der Durchmesser des Mittelbereichs 27 wird, wie durch den Bereich 51 von Figur 9 illustriert, reduziert. Der Durchmesser des nach unten gezogenen Bereichs 51 hängt von verschiedenen Faser- und Betriebsparametern ab. Das Verhältnis des heruntergezogenen Durchmessers des Bereichs 51 zum Ausgangsdurchmesser des Mittelbereich 27 (das Streckverhältnis) wird durch die optischen Charakteristika der spezielle hergestellten Vorrichtung bestimmt. Es ist wohlbekannt, daß solche Streckverhältnisse eine Funktion des Verhältnisses des zwischen den Fasern aufgespaltenen Signals, der Brechungsindexdifferenz zwischen der Röhre und dem Fasermantel des Außendurchmessers des Fasermantels, des Durchmessers des Faserkerns, der Signalbetriebswellenlänge, der Abschneidewellenlänge, des erträglichen Überschußverlusts und dergleichen sind. Ein bevorzugter Bereich von Streckverhältnissen liegt zwischen 1/2 und 1/20; jedoch können Koppler mit Streckverhältnissen außerhalb dieses Bereichs hergestellt werden.
Der Streckungsgrad, dem die Kopplervorform unterworfen werden muß, um einen vorbestimmten Typ von Koppler zu erzielen, wird anfänglich durch Injizieren von Lichtenergie in die Eingangsfaser einer Kopplervorform und Überwachen der Ausgangsleistung an den Ausgangsfasern während des Streckbetriebs bestimmt. Das vorbestimmte Verhältnis der dynamischen Ausgangsleistungen von den zwei Fasern kann als Unterbrechung benutzt werden, um zu veranlassen, daß die Stufen 45 und 46 das Ziehen der Probe beenden. Nach Bestimmung der geeigneten Streckdistanz zur Erzielung vorbestimmter Kopplungseigenschaften, kann die Vorrichtung zur Bewegung der Stufen und diesen geeigneten Streckabstand während der Herstellung der folgenden Koppler, welche diese vorbestimmten Eigenschaften aufweisen müssen, programmiert werden.
Es ist übliche Praxis, die Ausgangssignale für die Steuerprozesschritte bei der Herstellung optischer Vorrichtungen zu überwachen, wie durch die US-Patente Nr. 4,392,712 und 4,726,643 die U.K.-Patentanmeldung Nr. GB 2,183,866 A und die internationale Veröffentlichung Nr. WO 84/04822 verdeutlicht. Weiterhin werden Computer oft in Rückkopplungsthemen verwendet, welche automatisch solche Überwachungs- und Steuerfunktionen durchführen. Ein geeigneter programmierter PDP 11-73- Mikrocomputer kann zur Durchführung dieser Funktionen verwendet werden. Die Zeitablaufsequenzen, die bei der Herstellung eines bestimmten Typs von Kopplern verwendet werden, können in eine getrennte multiple Befehlsdatei eingegeben werden, welche der Computer bei Laufen aufruft. Die Kollabierungs- und Streckungsschritte, die zur Herstellung des besonderen Kompaß erforderlich sind, können darauffolgend durch den Computer an jeder Kopplervorform ausgeführt werden, um die Koppler in reproduzierbarer Weise herzustellen. Die Prozessparameter, die durch den Computer gesteuert werden können, um die Reproduzierbarkeit der Koppler zu gewährleisten, sind Heizzeiten- und -temperaturen, Strömungsraten der Gase und die Rate, unter der die Stufen die Kopplervorform ziehen und strecken.
Die Kopplungscharakteristika eines Kopplers ändern sich wenn ein neu gebildeter Koppler abkühlt. Falls das Rückkopplungssystem den Streckbetrieb stoppt, wenn 50% der Eingangsleistung an jede Faser bei 1300 nm gekoppelt wird, wird das Kopplungsverhältnis bei 1300 nm nicht 50/50 sein, nachdem der Koppler abgekühlt ist. Der Koppler wird deshalb bei einer Wellenlänge überwacht, die größer als die erwünschte Betriebswellenlänge ist. Falls beispielsweise die Ausgangssignale bei einer Wellenlänge, wie z.B. 1400 nm, am Ende des Streckbetriebs 50/50 aufgeteilt sind, wenn der Koppler noch heiß ist, kann eine Aufspaltung 50/50 bei einer erwünschten Betriebswellenlänge, wie z.B. 1300 nrn, erhalten werden, nachdem der Koppler auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Eine Wellenlänge von 1400 nm würde deshalb zur Überwachung des Kopplerausgangssignals während des Streckbetriebs verwendet werden.
Die Vakuumleitungen werden von dem resultierenden Koppler entfernt, und Mengen 48 und 49 an Klebemittel werden an die Enden der Kapitalröhre (Figur 9) aufgebracht. Wärme (Pfeil H) kann lokal an die unkollabierten Bereiche des Kopplers zum Austreiben von Luft aus der Öffnung angelegt werden. Die Wärmequelle wird entfernt, und das Klebemittel wird in die Öffnung gezogen und dann gehärtet. Das Klebemittel 48 und 49 erhält die Ziehfestigkeit der Faserschwänze und erzeugt eine hermetische Abdichtung. Der resultierende faseroptische Koppler 50 von Figur 9 dient zur Kopplung eines Signals, das in der optischen Faser am Ende 14 allein propagiert, an die zwei optischen Fasern, die vom Ende 15 aus verlaufen. Der Koppler wird dann von der Ziehvorrichtung entfernt und kann verpackt werden, falls eine zusätzliche Steifigkeit erwünscht ist.
Verschiedene Modifikationen können in der oben beschriebenen Ausführungsform durchgeführt werden. Der Mittelbereich 27 könnte mittels eines üblichen Einzelflammenbrenners während der Röhrenkollabierungs- und Streckschritte erwärmt werden, wobei in diesem Fall die Kapillarröhre vorzugsweise bezüglich der Flamme zur Gewährleistung eines gleichförmigen Erwärmens gedreht wird. Der Brenner kann den Mittelbereich 27 während des Röhrenkollabierungsschritts und/oder des Streckungsschritts durchqueren. Während des Röhrenkollabierungsschritts könnte die Vakuumquelle an nur ein Röhrenende angebracht sein, wobei in diesem Fall ein traversierender Brenner das Röhrenende zum evakuierten Ende der Röhre hin überstreichen sollte. Während des Schritts des Ziehens des Mittelbereichs der Vorform könnte die Stufe 45 mit einer anderen Geschwindigkeit als die Stufe 46 und in derselben Richtung wie die Stufe 46 bewegt werden. Weiterhin kann die Röhre 10 in einer beliebigen Orientierung einschließlich einer vertikalen oder einer horizontalen, während des Röhrenkollabierungs- und/oder Ziehbetriebs angeordnet sein.
Falls die Kollabierungs- und Streckoperationen in derselben Vorrichtung durchgeführt werden, ist es bevorzugt, daß die Röhre 10 vor dem Wiederaufheizen für den Streckschritt abkühlen gelassen wird. Diese temporäre Trennung der zwei Schritte resultiert in einer besseren Prozessteuerung und daher einer besseren Reproduzierbarkeit. Die Koppler können ebenfalls durch eine alternative Ausführungsform hergestellt werden, bei der die Schritte des Kollabierens der Röhre auf die Fasern und des Ziehens oder Streckens des Mittelbereichs der Röhre in einem einzelnen Erwärmungsschritt durchgeführt werden. Jedoch kann diese modifizierte Ausführungsform in einer Reduktion in der Hermetizität resultieren und kann die Herstellung Reproduzierbarkeit in widriger Weise beeinflussen.
Hierzu wird die Größe der Röhrenöffnung durch den Durchmesser der Beschichtung vorgegeben, da die Faserbeschichtung durch die abgeschrägten Öffnungen an beiden Enden des Kopplers verläuft und einen kurzen Abstand in die zentrale Öffnung, 53, wie in Figur 10 gezeigt, verläuft. Bei diesen Verfahren nach dem Stand der Technik wurde die Röhrenöffnung vorzugsweise wie ein Diamant oder dergleichen gestaltet, so daß die beschichteten Fasern durch die Öffnung geeignet positioniert wurden. Die Beschichtung 54 und 55 passen bündig in die Öffnung 53. Die optischen Fasern 56 und 57 wurden deshalb in geeignete Ausrichtungen an beiden Enden der Röhre gehalten. Da der Querschnitt der Öffnung hinreichend groß zum Aufnehmen der Faserbeschichtung war, waren die Fasern von den Öffnungswänden beabstandet, und sie waren voneinander um einen Abstand d getrennt, welcher das doppelte der Beschichtungsdicke beträgt.
Nachstehend ist die Sequenz der Ereignisse angegeben, welche angenommenerweise während des Kollabierungsschritts abläuft, wobei auf die schematische Illustration in Figur 10 Bezug genommen wird&sub4; Wenn die Dimensionen des Querschnitts der Öffnung in der Größe während des Röhrenkollabierungsschritts abnehmen, kommen die abgeflachten Wandoberflächen der Öffnung eventuell in Kontakt mit den Fasern. Wenn die Öffnung weitere Kollabierung erfährt, werden die Fasern zueinander gedrängt, bis ein gegenseitiger Kontakt erreicht ist.
Da die Fasern anfänglich um den Abstand d getrennt sind, und da die Öffnung 53 einen beträchtlichen Kollabierungsgrad bis zu der Zeit durchlaufen muß, zu der sie die Fasern kontaktiert, kann der Schritt des Kollabierens der Röhre auf die Fasern mit weniger als optimalen Resultaten verlaufen, d.h. Blasen können sich neben den Fasern bilden oder Glas von der Röhrenwand kann in den Bereich zwischen den Fasern eindringen. Das Auftreten dieser widrigen Effekte kann den Vorrichtungsverlust erhöhen und die Prozesse der Reproduzierbarkeit widrig beeinflussen.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird der Röhrenkollabierungsschritt durch Verwenden einer Kapillarröhre mit einer Öffnung reduzierter Querschnittsgröße verbessert. Diese Verbesserung wird durch das Merkmal der vorliegenden Erfindung möglich gemacht, daß der beschichtete Abschnitt von nur einer Faser durch die Öffnung 11 durchgeführt wird, wobei die übrige beschichtete Faser oder Fasern an ihren Enden abgestreift sind, und die abgestreiften Enden derart in die Vorrichtung eingesetzt werden, daß sie keinen Abschnitt der Öffnung belegen, der durch die beschichtete Faser belegt ist.
Zur Illustration der Verbesserung wird auf Figur 11 Bezug genommen. Die Abwesenheit von Beschichtungen in der Öffnung 11 ermöglicht, daß die Öffnung in ihrem Querschnitt kleiner als 53 ist. Da die Wände der Öffnung 11 eine geringere Einwärtsbewegung vor Erreichen des vollständigen Kollabierens unterlaufen, und da die Faser 19 und 20 einen kürzeren Weg sich bewegen müssen, um einen gegenseitigen Kontakt zu erreichen, wird der Röhrenkollabierungsschritt wahrscheinlicher so erreicht, ohne daß Matrixglas von der Röhre zwischen die Fasern fließt und ohne die Abweichung der Fasern von einem linearen Weg. Weiterhin ist während des verbesserten Röhrenkollabierungsschritt der kollabierte Röhrenmittelbereich wahrscheinlicher frei von Luftlinien, Blasen und dergleichen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung sollte deshalb in konsistenter Weise Koppler mit geringerem Verlust und vorbestimmten Kopplungsverhältnis hervorbringen. Zusätzlich ermöglicht die Benutzung der vorbestimmten Faser 20, daß das abgeschlossene Ende 25 innerhalb der Glasröhre 25 liegt. Dies eliminiert die Notwendigkeit der Zerteilung und des Abschlusses eines Beins, nachdem der Koppler gebildet ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Faserkopplers durch Anordnen von zwei optischen Fasern (17, 18) in solcher Weise, daß zumindest ein Teil einer jeden Faser in die durchgehende Bohrung (11) eines Glasrohrs (10) reicht, wobei zumindest der Teil einer jeden Faser, der im Mittelbereich (27) des Rohres lokalisiert ist, auf der Faser keine Beschichtung aufweist, und Strecken des zentralen Teils des Mittelbereichs in Längsrichtung, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß

die Rohrbohrung zu Beginn einen Bereich mit einem konstanten Durchmesser, der sich durch den Mittelbereich des Rohres erstreckt, und einen sich verjüngenden Bereich (12, 13) zwischen jedem Ende des Rohres und dem Bereich mit dem konstanten Durchmesser aufweist, und daß der Schritt des Anordnens folgendes umfaßt:

Bereitstellen einer ersten optischen Faser (17) mit einer darauf befindlichen Schutzbeschichtung, mit der Ausnahme eines unbeschichteten, von ihren Enden beabstandet angeordneten Abschnitts, Bereitstellen einer zweiten optischen Faser (18) mit einer darauf befindlichen Schutzbeschichtung, mit Ausnahme eines unbeschichteten Abschnitts an ihrem einen Ende, und

Einbringen des unbeschichteten Abschnitts der ersten Faser in die Rohrbohrung entweder vor oder gleichzeitig mit dem Schritt des Einbringens des unbeschichteten Abschnitts der zweiten Faser in die Rohrbohrung, wobei das Ende des unbeschichteten Anteils der zweiten Faser zwischen dem Mittelbereich und dem Ende des Rohres endet,

der Schritt des Einbringens des unbeschichteten Abschnitts der ersten Faser in die Rohrbohrung so lange andauert, bis die beschichteten Anteile der ersten und zweiten Fasern außerhalb des Anteils der Bohrung mit dem konstanten Durchmesser angeordnet sind,

und daß der Mittelbereich des Rohres vor dem Schritt des Streckens des zentralen Anteils des Mittelbereichs des Rohres erhitzt und auf die Fasern kollabiert wird,

und wobei der Durchmesser des Bereichs mit dem konstanten Durchmesser geringer ist als die Summe der Durchmesser eines beschichteten Abschnitts der Faser und eines unbeschichteten Abschnitts der Faser.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens einer zweiten optischen Faser (18) das Bereitstellen einer Faser mit einem unbeschichteten Abschnitt (20) an einem Ende der Faser umfaßt, wobei der unbeschichtete Abschnitt ein abgerundetes Ende (25) aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens einer zweiten optischen Faser (18) das Bereitstellen einer Faser mit einem unbeschichteten Abschnitt (20) an einem Ende der Faser umfaßt, wobei der Endbereich des unbeschichteten Abschnitts sich zu einem geringeren Durchmesser verjüngt als der Rest des unbeschichteten Abschnitts, wobei die zweite Faser ein relativ vergrößertes, kugelförmig ausgebildetes Ende (25) aufweist, dessen Durchmesser nicht größer ist als der Durchmesser des nicht verjüngt ausgebildeten Durchmessers der Faser, wobei der Durchmesser der Rohrbohrung relativ klein ausgebildet sein kann, wodurch der Schritt des Kollabierens des Rohres verstärkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens einer zweiten optischen Faser das Entfernen der Beschichtung vom einen Ende einer beschichteten Faser (18) umfaßt, um einen unbeschichteten Endbereich (20) zu bilden, Erhitzen des unbeschichteten Endbereichs entfernt von seinem Ende und Ziehen der Faser an den sich gegenüberliegenden Enden des erhitzten Bereichs, um das Ende des unbeschichteten Endbereichs abzutrennen, wodurch auf der zweiten optischen Faser ein unbeschichteter verjüngter Endbereich verbleibt, und anschließendes Erhitzen des Endes des verjüngten Bereichs, um die Viskosität seines Materials um einen solchen Wert zu erniedrigen, der ausreichend ist, um zu erreichen, daß das Material längs der Faser zurückfällt und eine abgerundete Endfläche (25) bildet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Bereitstellens einer zweiten optischen Faser weiterhin das Kontrollieren des Reflexionsgrades der abgerundeten Endfläche (25) und das Fortsetzen des Schritts des Erhitzens des Endes des verjüngten Bereichs bis zur Verringerung des Reflexionsgrades auf einen vorbestimmten Wert umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Positionierens das Abstützen des Rohres (10) in vertikaler Ausrichtung, das Einfädeln der ersten Faser (17) durch die Öffnung, bis der unbeschichtete Abschnitt (19) der Faser unterhalb des Rohres liegt, das Zurückhalten des oberen Teils der ersten Faser, das aus dem oberen Teil des Rohres reicht, das Positionieren des unbeschichteten Abschnitts (20) der zweiten Faser (18) benachbart zum unbeschichteten Abschnitt (19) der ersten Faser, das Ziehen des oberen Teils der ersten Faser, um ihren unbeschichteten Abschnitt in die Öffnung (11) einzubringen, und das gleichzeitige Einbringen des unbeschichteten Abschnitts (20) der zweiten Faser in das Rohr umfaßt.

7. Optischer Faserkoppler mit einem langgestreckten Glaskörper (10) mit einem festen Mittelbereich und ersten und zweiten, sich gegenüberliegenden Anteilen, die sich je vom Mittelbereich zu den ersten und zweiten Enden (14, 15) des Körpers erstrecken,

erste und zweite durchgehende, sich in Längsrichtung erstreckende Durchlässe, die sich je von den ersten und zweiten Enden des Körpers zu seinem Mittelbereich erstrecken, wobei die Durchlässe angrenzend zum Mittelbereich einen Bereich mit einem konstanten Durchmesser und einen verjüngten Bereich angrenzend zu den Rohrenden aufweisen,

einer ersten optischen Glasfaser (17) mit einem Kern und einem Mantel, wobei die erste Faser sich durch den Körper und über die ersten und zweiten Enden des Körpers erstreckt, diejenigen Teile der ersten Faser, die sich aus dem Körper erstrecken, hierauf eine Schutzbeschichtung aufweisen, die Schutzbeschichtung der ersten Faser in den verjüngten Abschnitten der Durchlässe enden,

einer zweiten optischen Glasfaser (18) mit einem Kern und einem Mantel, wobei ein Ende der zweiten Faser sich über das erste Ende des Körpers erstreckt, das zweite Ende der zweiten Faser im zweiten Endabschnitt des Körpers zwischen dem Mittelbereich und dem Ende des Körpers endet, wobei der Teil der zweiten Faser innerhalb des festen Mittelbereichs und des zweiten Endanteils des Körpers unbeschichtet ist,

der zentrale Anteil des Mittelbereichs einen geringeren Durchmesser aufweist als der Durchmesser des verbleibenden Teils des Glaskörpers, die Kerne der optischen Fasern im zentralen Abschnitt des Mittelbereichs näher zusammen sind als im Rest des Glaskörpers, so daß optische Signale vom Kern von einer der Fasern zum Kern einer anderen Faser gekoppelt werden können,

der Durchmesser der konstanten Durchmesserabschnitte geringer ist als die Summe der Durchmesser eines beschichteten Abschnitts der Faser und eines unbeschichteten Abschnitts der Faser,

und Mittel (48, 49) in den ersten und zweiten Durchlässen, um alle hieraus hervorragenden Fasern an den Körper anzuschmelzen

8. Optischer Faserkoppler nach Anspruch 7, wobei das zweite Ende (25) der zweiten Faser innerhalb des zweiten Durchlasses endet.

9. Optischer Faserkoppler nach Anspruch 8, wobei das Ende der zweiten Faser (18), das innerhalb des zweiten Durchlasses endet, ein kugelförmig ausgebildetes Ende (25) aufweist, wobei das kugelförmig ausgebildete Ende einen Durchmesser aufweist, der geringer ist als der Durchmesser desjenigen Abschnitts der zweiten Faser, der im ersten Durchlaß angeordnet ist, wobei das kugelförmig ausgebildete Ende befähigt ist, weniger als -50 dB der Leistung in die zweite Faser rückzureflektieren, die sich durch die Faser ausbreitet und auf das kugelförmig ausgebildete Ende auftrifft.