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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die
Realisierung eines Beugungsgitters auf einer optischen Faser.
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Das Dokument "Holographically generated gratings in optical
fibersid, Optics & Photonics News, Juli 1990, Seiten 14-16 von W.W. Morey
et al, beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Netzes im Herz
einer optischen Faser durch einen photorefraktiven Effekt. Die so
erhaltene optische Faser wird in einem Temperatursensor oder Drucksensor
verwendet. Der Effekt der Umsetzung basiert auf einer Veränderung der
Netzteilung in Abhängigkeit von der Veränderung der zu messenden
physikalischen Größe. Mit anderen Worten gibt eine Veränderung der Intensität der
sich in der Faser ausbreitenden Welle Raum für eine gegebene
Wellenlänge, die von der Veränderung der physikalischen Größe abhängt.
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Ein Nachteil des Verfahrens nach dem Stand der Technik für das
Anwenden des photorefraktiven Effektes ist, daß es die Anwendung einer
Lichtquelle erfordert, welche eine Ultraviolett-Lichtwelle aussendet.
Diese wenig verbreiteten Quellen haben einen hohen Preis. Üblichere
Lichtquellen, die eine Wellenlänge in der Größenordnung von 400 bis 550
nm aussenden, können zwar verwendet werden. Die Verwendung solcher
Lichtquellen erfordert jedoch eine erhebliche Lichtleistung.
Darüberhinaus ist, wegen der Tatsache, daß bei diesem Wellenlängenband der Erhalt
des photorefraktiven permanenten Effektes auf den bekannten Prozeß der
Absorption mit zwei Photonen zurückgreift, die Dauer der Belichtung
erhöht.
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Ein anderer Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin,
daß die Faserbildung immer schwieriger auszuführen ist mit Zugabe von
photoempfindlichen Material, nämlich Germaniumoxid im Herz der Faser.
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Ein Nachteil der Wandlervorrichtung, die auf diese Weise
erhalten wird, ist, daß sie nicht in einem optischen Sensor für die
Messung
einer chemischen Größe einsetzbar ist, wegen der Tatsache, daß das
chemische Milieu, das zu analysieren ist, in direktem Kontakt mit dem
Milieu stehen muß, in dem das Gitter ausgebildet ist, d.h. mit dem
Faserherz.
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Es ist somit ein Ziel der Erfindung die Realisierung eines
Beugungsgitters auf einer optischen Faser, das es ermöglicht, die
Verwendung einer Ultraviolett-Lichtquelle oder einer Lichtquelle mit sehr
hoher Leistung, die im sichtbaren Bereich strahlt, zu vermeiden.
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Das amerikanische Patent USP 4'795'226 offenbart ein Verfahren
zum Herstellen eines Beugungsgitters auf einer optischen Faser. Dieses
Verfahren umfaßt die Realisierung einer Abflachung auf einer Partie der
Faser. Hierfür ist vorgesehen, einen Support zu realisieren und
danach die Faser auf diesem Support derart anzubringen, daß sie
teilweise aus dem Support herausragt, und schließlich die herausragende
Partie zu polieren. Das beschriebene Verfahren kann nicht ohne weiteres
in industrieller Weise verwendet werden.
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Ein erster Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren für das
Herstellen mindestens eines Beugungsgitters auf einer optischen Faser
gemäß Anspruch 1.
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Gemäß einem anderen Gegenstand der Erfindung weist das
Verfahren zum Herstellen mindestens eines Beugungsgitters auf einer optischen
Faser die Merkmale des Anspruchs 2 auf.
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Ein Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin,
daß es gleichzeitig das Aufrechterhalten der Abflachung während der
Faserbildung und das Erhalten einer optischen Faser ermöglicht, die eine
gute mechanische Festigkeit hat. Die Differenz der Viskosität zwischen
der auf die Abflachung der Vorform aufgebrachten Schicht und dem Rest
des Querschnitts ermöglicht die Faserbildung bei einer hinreichend hohen
Temperatur, um das Äußere der Faser gut aufzuschmelzen und die Spannung
der Faserbildung auf einen typischen Wert zu reduzieren, entsprechend
der Faserbildung von Telekommunikationsfasern, wobei immer der gerade
Querschnitt der Abflachung aufrechterhalten bleibt.
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Ausgehend von einer Vorform mit nicht runder Symmetrie, deren
äußere Partie gleichförmig ist, ergibt nämlich die Verwendung einer
Wärmequelle
runder Symmetrie beim Ziehen eine Faser, mit der Tendenz rund
zu werden. Eine bekannte Lösung für dieses Problem besteht darin, die
Faser bei einer niedrigeren Temperatur als den üblicherweise verwendeten
Temperaturen zu ziehen. Ein Nachteil dieser Lösung ist die Fragilität
der auf diese Weise erhaltenen Faser.
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Ein anderer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht
darin, die Verwendung eines konventionellen Faserziehofens zu
ermöglichen, der keinerlei vorhergehende Modifikation benötigt.
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Ein weiterer Vorteil, herrührend vom Aufbringen der Schicht
auf die Vorform, ist die Verringerung der Herstellungskosten der
Wandlervorrichtung, die eine solche optische Faser enthält.
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Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wird die Schicht aus
optischem Material, beispielsweise aus Siliziumdioxid SiO&sub2;, mit
mindestens einem Element dotiert, gewählt aus der Gruppe, die von
Titanoxid TiO&sub2;, Germaniumoxid GeO&sub2;, Zirkoniumoxid ZrO&sub2;, Hafniumoxid
HfO&sub2;, Phosphoroxid P&sub2;O&sub5; und seltenen Erden gebildet ist.
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Das Titanoxid TiO&sub2;, das Zirkoniumoxid ZrO&sub2; und das Hafniumoxid
HfO&sub2; sind Verbindungen, deren Schmelzpunkt vorteilhafterweise höher
liegt als derjenige von Siliziumdioxid, was es ermöglicht, die
Faserbildung bei typischwerweise in Faserbildungsverfahren für
Telekmmunikationsfasern zu realisieren.
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Die anderen Dotierungsmittel, nämlich Germaniumoxid GeO&sub2;,
seltene Erden, Phosphoroxid P&sub2;O&sub5;, enthalten in der optischen Schicht in
Kombination mit einem der vorstehend zitierten Dotierungsmittel, haben
den Vorteil, die Erhöhung der Lebensdauer von Beugungsgittern, erhalten
durch den photoresistiven Effekt, zu ermöglichen.
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Die Wandlervorrichtung, erhalten durch das Verfahren gemäß der
Erfindung, charakterisiert sich dadurch, daß sie eine optische Faser
umfaßt, deren Querschnitt mindestens ein gerades Segment derart umfaßt,
daß eine Abflachung auf der gesamten Länge der optischen Faser gebildet
wird, und daß eine Schicht eines optischen Materials, angebracht auf der
Abflachung, dessen Beugungsindex sich periodisch längs der optischen
Faser ändert zur Bildung mindestens eines Beugungsgitters, umfaßt.
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Ein Vorteil dieses Charakteristikums, zurückzuführen darauf,
daß die optische Schicht während der Herstellung der Vorform
aufgebracht wird, ist das Entfallen des komplizierten Schrittes, der darin
besteht, eine abschließende Aufbringung auf der Faser vorzunehmen.
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Eine Wandlervorrichtung, erhalten gemäß dem Verfahren nach der
Erfindung, kann in einem physikalischen oder chemischen Sensor und in
einer Telekommunikationseinrichtung verwendet werden.
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Ein Vorteil der Wandlervorrichtung ist ihre Kompaktheit und
Verläßlichkeit, wie auch die Einfachheit ihrer Herstellung.
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Ein anderer Vorteil ist die Möglichkeit, mehrere Gitter auf
ein und demselben Support zu multiplexieren, ohne dabei die
Kontinuität zu unterbrechen.
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Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich deutlicher aus dem Studium der folgenden Beschreibung
des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung für mindestens ein
Beugungsgitter auf einer optischen Faser, der erhaltenen
Wandlervorrichtung und der Verwendung dieser Wandlervorrichtung, welche Beschreibung
nur als illustrativ zu verstehen ist und wobei auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
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Die Fig. 1 ein Beispiel einer Wandlervorrichtung zeigt, die
gemäß dem Verfahren nach der Erfindung realisiert wurde.
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Das Verfahren zum Herstellen eines Beugungsgitters auf einer
optischen Faser gemäß der Erfindung umfaßt die folgenden Schritte:
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- Herstellen einer Vorform, deren Querschnitt mindestens ein
gerades Segment, ausgehend von einer Anfangsvorform, aufweist, deren
äußere Partie bearbeitet oder poliert ist, gemäß einer Ebene parallel
zur Achse der Vorform, derart, daß eine Abflachung auf der gesamten
Länge der Vorform gebildet wird;
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- Aufbringen auf die Abflachung der Vorform einer optisch
dotierten Schicht;
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- Ziehen der Vorform zum Erhalten einer optischen Faser, deren
Querschnitt mindestens ein gerades Segment derart aufweist, daß eine
Vorform auf der gesamten Länge der Faser gebildet wird; und
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- Realisieren mindestens eines Beugungsgitters in der
genannten Schicht durch photorefraktiven Effekt.
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In einer Variante umfaßt das Verfahren zum Herstellen eines
Beugungsgitters auf einer optischen Faser gemäß der Erfindung die
folgenden Schritte:
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- Herstellen einer Vorform, deren Querschnitt mindestens ein
gerades Segment aufweist, ausgehend von einer Anfangsvorform, deren
äußere Partie bearbeitet oder poliert wird, gemäß einer Ebene parallel
zur Achse der Vorform, derart, daß eine Abflachung auf der gesamten
Länge der Vorform gebildet wird;
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- Aufbringen auf der Oberfläche der Vorform einer optisch
dotierten Schicht;
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- chemische Bearbeitung der auf die runde Partie der Vorform
aufgebrachten optischen Schicht;
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- Ziehen der Vorform zum Erhalten einer optischen Faser,
deren Querschnitt mindestens ein gerades Segment derart aufweist, daß
eine Abflachung auf der gesamten Länge der Faser gebildet wird; und
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- Realisieren mindestens eines Beugungsgitters durch
photorefraktiven Effekt in der Schicht.
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Der chemische Angriff wird mit einem fluorhaltigen Gasfluß
unter einem Plasmalichtbogen auf einer Glaserdrehbank ausgeführt und wird
unterbrochen, wenn die Abflachung der Vorform dem Lichtbogen zugekehrt
ist.
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Das britische Patent 2 189 900 von Luksun Li et al beschreibt
ein Verfahren der Realisierung einer optischen Faser, deren Querschnitt
mindestens ein gerades Segment aufweist. Dies wird erhalten durch die
Realisierung einer Abflachung auf einer Vorform der optischen Faser vor
dem Ziehen der letzteren. Die Abflachung wird jedoch im Innern der
Vorform realisiert.
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Ein Herstellungsverfahren, das den photorefraktiven Effekt
verwendet, ist in dem vorstehend genannten amerikanischen Patent
beschrieben.
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Die Schicht aus optischem Material, beispielsweise aus
Siliziumdioxid SiO&sub2; kann vorteilhafterweise mit mindestens einem Element
dotiert sein, gewählt aus der Gruppe, die von Titanoxid TiO&sub2;,
Germaniumoxid GeO&sub2;, Zirkonoxid ZrO&sub2;, Hafniumoxid HfO&sub2;, Phosphoroxid P&sub2;O&sub5; und
seltenen Erden gebildet wird.
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Die Wandlervorrichtung, die gemäß dem Verfahren nach der
Erfindung realisiert wird, ist in Fig. 1 dargestellt. Die
Wandlervorrichtung 1 umfaßt eine optische Faser 2, deren Querschnitt mindestens ein
gerades Segment 3 derart aufweist, daß eine Abflachung 4 auf der
gesamten Länge der optischen Faser gebildet wird. Die Abflachung der
optischen Faser wird von einer Schicht aus einem dotierten optischen
Material 5 überlagert, deren Beugungsindex sich periodisch längs der optischen
Faser ändert, zur Bildung mindestens eines Beugungsgitters 6. Wie
vorstehend beschrieben, kann die Schicht aus optischem Material
vorteilhafterweise mit mindestens einem Element dotiert sein, gewählt aus der
Gruppe, die von Titanoxid TiO&sub2;, Germaniumoxid GeO&sub2;, Zirkonoxid ZrO&sub2;,
Hafniumoxid HfO&sub2;, Phosphoroxid P&sub2;O&sub5; und seltenen Erden gebildet wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die Abflachung der
optischen Faser von einer optischen Schicht aus photoresistivem Material
überlagert, deren Dicke sich periodisch längs der Länge der optischen
Faser ändert, um mindestens ein Beugungsgitter zu bilden. Die
Realisation des Beugungsgitters bzw. der Beugungsgitter greift beispielsweise
auf ein bekanntes Verfahren des chemischen Angriffs zurück.
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Die Wandlervorrichtung wird in einem optischen Sensor für die
Messung einer physikalischen Größe verwendet, wie beispielsweise der
Temperatur oder des Drucks, oder einer chemischen Größe, wie
beispielsweise des Gehalts an Antikörpern in einer Lösung.
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In solchen Sensoren, gemäß einer ersten Ausführungsform, kann
der gesuchte Effekt eine Kopplung zwischen den Führungsmoden oder
Polarisationsmoden sein, je nachdem ob man eine bimodale optische Paser oder
eine optische Faser zur Aufrechterhaltung der Polarisation verwendet.
Die physikalische oder chemische zu messende Größe wird an eines der
Gitter der optischen Faser angelegt und wird gegeben durch das
Verhältnis zwischen den Intensitäten der jeweiligen Moden.
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In einer zweiten Ausführungsform des optischen Sensors
verändert die Variation der physikalischen oder chemischen zu messenden Größe
die spektralen Charakteristiken der Lichtwelle, die sich in der
optischen Faser ausbreitet. Eine spektrale Messung beispielsweise am Ende
der optischen Faser ermöglicht die Bestimmung der Veränderung der zu
messenden Größe.
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In einer dritten Ausführungsform des optischen Sensors wird
das oder werden die Beugungsgitter auf der optischen Faser verwendet, um
in die optische Faser eine Lichtwelle zu injizieren oder sie zu
extrahieren, welches sich außerhalb bzw. innerhalb der Faser ausbreitet.
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In dem Fall, wo eine auftreffende externe Welle in die Faser
mit Hilfe irgendeines Kopplungsgitters injiziert wird, ist die
Lichtintensität der injizierten optischen Welle im Herz der Faser eine Funktion
der Veränderung des Beugungsindex eines Wandlermaterials, das auf dem
Kopplungsgitter angebracht ist, und damit eine Funktion der Veränderung
der zu messenden Größe.
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In dem Fall, wo eine Welle sich in der optischen Faser
ausbreitet und aus dieser nach außen mit Hilfe irgendeiner
Kopplungsanordnung extrahiert wird, ist der Winkel, den die Ausbreitungsachse der
optischen extrahierten Welle mit der Faserachse bildet, eine Funktion der
Veränderung des Beugunsindex eines Wandlermaterials, das auf dem
Kopplungsnetz angeordnet ist, und damit eine Funktion der Veränderung der zu
messenden Größe.
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Die Wandlervorrichtung wird außerdem in einer
Telekommunikationseinrichtung verwendet, wie sie in dem Dokument "Optical Fiber
Delay-Line Signal Processing, IEEE Transductions or Microwave Theory and
Techniques, Band MTT-33, Nr. 3, März 1985 von Kenneth P. Jackson et al
beschrieben ist. In einer solchen Telekommunikationseinrichtung wird ein
Anteil der geführten Welle in der Größenordnung von 1 % aus der Faser
mittels Kopplung zwischen einem geführten Modus in der Faser und einem
nach außen abgelenkten Modus extrahiert. Diese Einrichtung wird auf dem
Gebiet der Telekommunikation verwendet, um in der optischen geführten
Welle enthaltene zu übertragende Information zwischen einer gegebenen
Anzahl von Empfängern zu verteilen.