DE69033488T2 - In optischen wellenleiter integriertes filter zur diskrimination des räumlich-transversalen modes - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein optische Filter, insbesondere in optische Wellenleiter eingebaute optische Filter. Speziell betrifft die Erfindung eine Lichtfilteranordnung zur Schwingungstypunterscheidung in einem optischen Wellenleiter, außerdem ein Verfahren zum Filtern von Licht, welches von einer Lichtquelle emittiert wird, indem das Licht durch einen optischen Wellenleiter geführt wird.
• Es gibt bereits bekannte unterschiedliche Ausgestaltungen optischer Wellenleiter, beispielsweise von optischen Fasern (Lichtwellenleitern). Solche optischen Wellenleiter führen Licht in einem vorbestimmten Weg, so zum Beispiel in Längsrichtung, durch den Kern der optischen Faser. Abhängig von der Querschnittsfläche oder dem Durchmesser des Kerns in Bezug auf die Wellenlänge des in den Kern eingeleiteten Lichts wird das Licht in dem Kern in nur einem Mode (Schwingungstyp) oder im "Multimodenbetrieb" geleitet.
• Bei einigen Anwendungen wäre es von Vorteil, zwischen den Moden des sich in dem Wellenleiterkern bei einer gegebenen Frequenz ausbreitenden Lichts unterscheiden zu können, das heißt die Moden dadurch unterschiedlich zu behandeln, daß mindestens einer von diesen Moden zurückreflektiert wird und aus dem Einspeise-Ende des Kerns austritt, während der verbleibende Schwingungstyp oder die verbleibenden Schwingungstypen sich weiter zum anderen Ende des Kerns hin im wesentlichen ungestört ausbreiten. Bislang hat allerdings noch niemand etwas Derartiges und auch nicht die Art und Weise einer möglichen Moden-Diskriminierung beim Durchgang des Lichts einer gegebenen Frequenz in dem Kern eines Multimoden-Lichtwellenleiters oder einer Faser vorgeschlagen.
• Es ist auch bereits bekannt, zum Beispiel aus der US-A-4 725 110, einem Kern einer optischen Faser dadurch periodische Gitterelemente aufzuprägen, daß man den Kern durch den Mantel hindurch einem Interferenzmuster aus zwei kompatiblen, kohärenten Ultraviolettlicht-Strahlenbündeln aussetzt, die gegenüber der optischen Faser unter zwei Winkeln relativ zu der Faserachse derart gerichtet sind, daß sie einander auf 180º ergänzen. Dies führt zu einer Situation, in der die Gitterelemente, die durch periodische Brechungsindexschwankungen gebildet sind, die dauernd in dem Kern durch Exposition des Ultraviolettstrahlungs-Interferenzmusters eingeprägt sind, senkrecht zur Faserachse orientiert sind und voneinander einen gleichmäßigen Längsabstand aufweisen, demzufolge das Gitter aus derartigen Gitterelementen von dem in dem Faserkern zur geführten Einzelmoden-Ausbreitung in Ausbreitungsrichtung eingeleiteten Licht nur denjenigen Schwingungstyp reflektiert, der eine Wellenlänge innerhalb eines sehr schmalen Bereichs aufweist, so daß das reflektierte Licht entlang der Faserachse entgegen der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung zurückläuft und innerhalb des Kerns zu dem Punkt geleitet wird, an welchem das ursprüngliche Licht in den Faserkern eingeleitet wurde. Andererseits ist dieses Gitter transparent für Einzelmoden-Licht bei Wellenlängen außerhalb des vorerwähnten schmalen Bandes, so daß es die weitere Ausbreitung dieses weiteren Lichts nicht abträglich beeinflußt. Allerdings erwähnt dieses Patent nicht die Möglichkeit, diese Methode dazu zu verwenden, permanente Gitterelemente der obigen Art in dem Kern einer Multimoden-Lichtleitfaser vorzusehen, und folglich befaßt es sich nicht mit den Konsequenzen der Verwendung dieser Methode in Verbindung mit optischen Multimoden-Wellenleitern und dem auf diese Weise auf das sich bei einer gegebenen Frequenz ausbreitende Licht erzeugten Effekt der Gitterzone.
• Die US-A-3 891 302 offenbart einen optischen Wellenleiter mit einem optischen Gitter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Es ist folglich ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
• Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein optisches Filter und ein Verfahren zum Filtern von Licht anzugeben, das nicht die Nachteile bekannter Filter dieser Art aufweist.
• Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung des optischen Filters und eines Verfahrens zum Filtern von Licht der hier in Rede stehenden Art in der Weise, daß es in der Lage ist, zu unterscheiden zwischen verschiedenen räumlichen Transversal-Moden von Licht bei einer gegebenen Frequenz.
• Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein optisches Filter und ein Verfahren zum Filtern von Licht der oben genannten Art anzugeben, welches einen Licht-Schwingungstyp bei der gegebenen Frequenz zurück zu dem Ursprungspunkt reflektiert, während der verbleibende Schwingungstyp oder die verbleibenden Schwingungstypen dieses Lichts im wesentlichen ungestört durchlaufen können.
• Ein damit in Verbindung stehendes Ziel der Erfindung ist die Ausgestaltung eines zur Modendiskriminierung dienenden optischen Filters sowie eines Verfahrens zum Filtern von Licht der oben genannten Art in der Weise, daß das Filter einen relativ einfachen Aufbau aufweist, billig in der Herstellung, einfach zu verwenden und dennoch im Betrieb zuverlässig ist.
• Erreicht werden diese Ziele erfindungsgemäß durch eine Lichtfilteranordnung zur Modendiskriminierung bei einem optischen Wellenleiter mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, außerdem durch ein Verfahren zum Filtern von seitens einer Lichtquelle emittiertem Licht, indem das Licht durch einen optischen Wellenleiter gelangt, entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 3. Die abhängigen Ansprüche 2 und 4 beinhalten weitere Verbesserungen.
• Eine Lichtfilteranordnung zur Modendiskriminierung bei einem optischen Wellenleiter enthält einen optischen Wellenleiter mit einem langestreckten Multimoden-Kern und einen Mantel, der mindestens zwei Licht- Moden bei einer gegebenen Frequenz in einem gestreckten Weg entlang einer Längsachse des Kerns führt. Mindestens eine Gitterzone ist in den Kern an einer Stelle entfernt von den Endabschnitten des Kerns eingebettet und enthält mehrere Gitterelemente, die sich mit einem im wesentlichen gleichen Längsabstand im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Kerns erstrecken. Die Gitterelemente reflektieren sich in dem Weg ausbreitendes und sie erreichendes Licht zurück in den Weg zur dortigen Ausbreitung in Längsrichtung entgegen der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung, wobei der Abstand der Gitterelemente zu der axialen Wellenlänge eines der Moden derart in Beziehung steht, daß das reflektierte Licht des einen Schwingungstyps konstruktiv interferiert, während das Licht jedes anderen Schwingungstyps durch die Gitterzone in der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung praktisch ohne Dämpfung hindurchgelangt.
• Die vorliegende Erfindung wird im folgenden in größerer Einzelheit unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 eine Seitenansicht eines Längsabschnitts einer optischen Multimodenfaser, ausgestattet mit einem erfindungsgemäßen Gitterzonenfilter zur Modendiskriminierung; und
• Fig. 2 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Durchlässigkeit des Filters nach Fig. 1 von der axialen Wellenlänge, wobei der unterschiedliche Effekt des Filters auf zwei Lichtmoden gleicher Frequenz veranschaulicht ist.
• Nunmehr auf die Zeichnung im einzelnen Bezug nehmend, kann man sehen, daß Bezugszeichen 10 hier dazu dient, einen optischen Wellenleiter zu bezeichnen. Der Wellenleiter 10 ist gemäß Darstellung als optische Faser ausgebildet, von der lediglich ein relativ kurzer Längsabschnitt dargestellt ist, und die einen Faserkern 11 und einen den Faserkern 11 umgebenden Fasermantel 12 aufweist. Der Faserkern 11 beinhaltet eine Gitterzone 13, die mehrere Gitterelemente 14 beinhaltet, welche sich jeweils im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Kerns 11 erstrecken. Die Gitterelemente 14 sind äquidistant voneinander beabstandet, betrachtet in Längsrichtung der optischen Faser 10.
• Die Gitterelemente 14 können in dem Kern 11 nach dem Verfahren gemäß der US-A-4 725 110 ausgebildet werden, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme insoweit inkorporiert ist, als dies zum Verständnis beiträgt, wie die Gitterelemente 14 des optischen Wellenleiters gemäß der Erfindung in dem Kern 11 ausgebildet werden können. Grundsätzlich wird der Kern 11, vorzugsweise durch den Mantel 12 hindurch, ohne diesen zu beeinträchtigen, einem Interferenzmuster ausgesetzt, resultierend aus der Interferenz zweier kohärenter Ultraviolettstrahlungs-Bündel, die gegenüber der optischen Faser 10 unter jeweiligen Winkeln bezüglich der Längsachse des Kerns 11 geneigt sind, die einander auf 180º ergänzen. Unter diesen Umständen durchsetzen die Interferenzgebiete (zum Beispiel Lichtintensitäts-Spitzen) die Faser 10 in einer Richtung senkrecht zur Längsachse des Kerns 11 und induzieren in dem Kern 11 permanente Brechungsindexänderungen, die die einzelnen Gitterelemente 11 bilden. Aufeinanderfolgende Gitterelemente 14 sind mit gleichen periodischen Abständen über die Gitterzone 13 verteilt angeordnet, allerdings nicht in Bereichen des Faserkerns 11, die an die betreffenden Enden der Gitterzone 14 anschließen.
• Erfindungsgemäß kann der Kern 11, dem die Gitterelemente 14 permanent aufgeprägt wurden oder in den sie eingebettet sind, vorzugsweise unter Anwendung der obigen Methode, mehr als einen (den Grund-)Schwingungstyp von Licht einer gegebenen Frequenz führen, das heißt, im dargestellten Beispiel ist er ein Teil eines optischen Multimoden-Wellenleiters, insbesondere der optischen Multimodenfaser 10 im dargestellten Beispiel. Wenn nun die verschiedenen Transversalmoden des Lichts einer gegebenen Frequenz sich in Längsrichtung des Kerns 11 ausbreiten, so ist die axiale Wellenzahl jedes Schwingungstyps höherer Ordnung verschieden von (niedriger als) derjenigen des Grund-Transversalmodus von Licht gleicher Frequenz.
• Wenn folglich die Periodizität der Gitterelemente 14 der Gitterzone 13 beispielsweise in der in dem obigen Patent diskutierten Weise ausgewählt wird, indem die Winkel der Aufpräge-Strahlenbündel und/oder die Wellenlänge der Ultraviolettstrahlung geeignet gewählt werden, so daß sie der Hälfte der Wellenlänge eines der Moden (vorzugsweise des Grund- Schwingungstyps), die sich in dem Kern 11 des erfindungsgemäß aufgebauten optischen Wellenleiters 10 ausbreiten, entspricht, so wird ein winziger Anteil des durch den Multimodenfaser-Kern 11 laufenden Lichts an jedem der Gitterelemente 11 zum Ursprungspunkt zurückreflektiert, Ergebnis der Brechungsindexänderungen aufgrund des Vorhandenseins der Gitterelemente 14. Der kumulative Effekt der Gitterelemente 14 ist die Reflexion eines wesentlichen Anteils des Lichts, allerdings nur für denjenigen Anteil des so reflektierten Lichts, dessen axiale Wellenlänge in einem sehr schmalen Bereich um eine Mittenwellenlänge λ herum liegt, die in einem vorbestimmten Verhältnis zu der Periodizität der Gitterlemente 14 steht, wobei der gesamte oder nahezu der gesamte Rest des in dem Multimodenkern 11 in Richtung der Gitterzone 13 geführten Lichts diese Gitterzone 13 passiert oder durch sie hindurchgeleitet wird. In Fig. 1 ist die Reflexion von Licht in dem ausgewählten axialen Wellenlängenbereich durch einen Pfeil Rλ angedeutet, während das Durchlassen von Licht außerhalb dieses schmalen Bereichs durch einen Pfeil Tλ angedeutet ist.
• Der Effekt dieser axial-wellenlängen-selektiven Reflexion ist in Fig. 2 dargestellt, bei der es sich um eine Darstellung der Faser-Durchlässigkeit gegenüber der axialen Wellenlänge für eine optische Multimodenfaser 10 mit eingebautem Gitter bei einer gewissen Gitterelement-Periodizität unter gewissen Einsatzbedingungen handelt. Man kann dort erkennen, daß eine Durchlässigkeitskurve 15 eine ausgeprägte schmale Kerbe oder ein Sperrband 16 bei λ&sub0; (beispielsweise bei etwa 576 Nanometer) aufweist. Eine Untersuchung von diesem Typ optischer Faser mit eingebetteter Gitterzone hat gezeigt, daß das so aus dem Durchlässigkeitsspektrum Tλ entfernte Licht, wie es durch die Durchlässigkeitskurve 15 repräsentiert wird, tatsächlich als Rλ zurück zum Ursprungspunkt reflektiert wird. Man kann sehen, daß dann, wenn die Periodizität der Gitterelemente 14 in der oben postulierten Weise ausgewählt wird, die Durch lässigkeitskerbe 16 übereinstimmt mit der axialen Wellenlänge des Grund-Schwingungstyps des geführten Lichts eines gegebenen Frequenzbereichs (das heißt zentriert um λ = λ&sub0;), der nächsthöhere Transversalmodus des Lichts des gleichen Frequenzbereichs bezüglich einer Axialwellenlänge λh zentriert ist, die ausreichend niedriger liegt als die Wellenlänge λ&sub0;, um außerhalb der Durchlässigkeitskerbe 16 zu liegen, wie durch eine gestrichelte Linie 17 angedeutet ist. Folglich ist die Gitterzone 13 für diesen höheren Transversalmodus des Lichts der gegebenen Frequenz im wesentlichen transparent, so daß dieses Licht eines höheren Schwingungstyps nicht zum Ursprungspunkt zurückreflektiert wird. Man kann also sehen, daß die Gitterzone 13 diskriminiert zwischen dem Grund-Schwingungstyp und den höheren Schwingungstypen des Lichts der gegebenen Frequenz, indem diese unterschiedlich beeinflußt werden, das heißt im dargestellten Fall, durch Reflektieren des Grund- Schwingungstyps und durch Durchlassen des oder der höheren Schwingungstypen, ohne daß diese gedämpft werden. Somit lassen sich Grundmodus und Modus (oder Moden) höherer Ordnung effektiv voneinander separieren, so daß man sie für verschiedene Zwecke verwenden kann.
• Während es offensichtlich besonders vorteilhaft ist, wenn die Gitterzone 13, die das Transversalmoden-Unterscheidungsfilter bildet, direkt in einen optischen Wellenleiter beträchtlicher Länge eingebettet ist, vorzugsweise in der oben beschriebenen Weise, so kann doch auch der optische Wellenleiterabschnitt (der Faserabschnitt), der mit der Gitterzone 13 der obigen Art in der oben beschriebenen Weise ausgestattet ist oder auf irgendeine andere Weise damit ausgestattet ist, um zu einer Gitterzone 13 mit den oben beschriebenen Eigenschaften zu führen, eine separate Komponente eines optischen Systems gebildet werden, die mit anderen Komponenten zusammenarbeitet, beispielsweise mit Einzelmoden- oder Multimoden-Wellenleitern eines solchen optischen Systems.
• Während die Erfindung dargestellt und beschrieben wurde anhand einer Ausführungsform mit einem speziellen Aufbau eines optischen Wellenleiters mit eingebetteter Gitterzone, so ist zu erkennen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf dieses spezielle Beispiel beschränkt ist; vielmehr soll der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ausschließlich durch die beigefügten Patentansprüche bestimmt werden.

Claims (4)

1. Lichtfilteranordnung zur Modendiskriminierung bei einem optischen Wellenleiter, umfassend:

a) eine Lichtquelle;

b) einen optischen Wellenleiter (10) mit einem langgestreckten Kern (11), der zwei in Längsrichtung beabstandete Endabschnitte aufweist, wobei Licht aus der Lichtquelle in den optischen Wellenleiter (10) eingeleitet wird, wobei der Wellenleiterkern als Multimoden-Kern arbeitet;

c) und eine Einrichtung (12) zum Führen von Moden des Eingangslichts in einem Längsweg entlang der Längsachse des Kerns (11); und

d) mindestens eine Gitterzone (13), die in dem Kern (11) an einer Stelle entfernt von den Endabschnitten angeordnet ist und eine Mehrzahl von Gitterelementen (14) aufweist, die sich mit im wesentlichen gleichem Längsabstand etwa senkrecht zur Längsachse erstrecken, um sich in dem Weg ausbreitendes Licht, welches das Gitter erreicht, in den Weg zur Ausbreitung in Längsrichtung entgegen der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung zu reflektieren,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) der optische Wellenleiter (10) mehrere räumliche Transversalmoden des von der Lichtquelle kommenden Lichts aufweist,

f) der Abstand derart zu der axialen Wellenlänge eines beliebigen der Moden des Eingangslichts derart in Beziehung steht, daß die Gitterzone (13) diesen beliebigen einen Moden reflektiert, während das Licht jeglicher anderer Moden des Eingangslichts die Gitterzone (13) in der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung im wesentlichen ungedämpft passiert; und

g) die Gitterzone (13) in dem Kern (13) eingebettet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Mode ein Grund-Schwingungstyp bei der gegebenen Frequenz ist.

3. Verfahren zum Filtern von aus einer Lichtquelle emittiertem Licht durch Passierenlassen des Lichts durch einen optischen Wellenleiter (10), welcher beinhaltet:

a) einen länglichen Kern (11) mit zwei in Längsrichtung beabstandeten Längsabschnitten, wobei der Wellenleiterkern als Multimoden-Kern arbeitet;

b) eine Einrichtung (12) zum Führen von Moden des Eingangslichts in einem länglichen Weg entlang der Längsachse des Kerns (11); und

c) mindestens eine Gitterzone (13), die in dem Kern (11) an einer Stelle entfernt von den Endabschnitten angeordnet ist und eine Mehrzahl von Gitterelementen (14) aufweist, die sich mit im wesentlichen gleichem Längsabstand etwa senkrecht zur Längsachse erstrecken, um sich in dem Weg ausbreitendes Licht, welches das Gitter erreicht, in den Weg zur Ausbreitung in Längsrichtung entgegen der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung zu reflektieren,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) der optische Wellenleiter (10) mehrere räumliche Transversalmoden des von der Lichtquelle kommenden Lichts aufweist,

e) der Abstand derart zu der axialen Wellenlänge eines beliebigen der Moden des Eingangslichts derart in Beziehung steht, daß die Gitterzone (13) diesen beliebigen einen Moden reflektiert, während das Licht jeglicher anderer Moden des Eingangslichts die Gitterzone (13) in der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung im wesentlichen ungedämpft passiert; und

f) die Gitterzone (13) in dem Kern (13) eingebettet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der eine Mode ein Grund- Schwingungstyp bei der gegebenen Frequenz ist.