DE69410679T2

DE69410679T2 - Mach-Zehnder Anordnung

Info

Publication number: DE69410679T2
Application number: DE69410679T
Authority: DE
Inventors: William James Miller; Daniel Aloysius Nolan
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1994-03-18
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2014-03-19
Also published as: KR100323207B1; AU5902994A; EP0618478A1; CN1094815A; US5295205A; JPH0735922A; CA2115627A1; KR940022108A; DE69410679D1; EP0618478B1; TW428734U; AU665898B2; CN1065634C

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft gegenüber der Umgebung stabile Mach-zehnder-Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellung solcher Vorrichtungen.
Es gibt ein wachsendes Bedürfnis nach engbandigen Wellenlängenteilungs-Multiplexierungs-(WDM)-Kopplern und -Filtern. Solche Vorrichtungen werden im 1550 nm-Fenster zum Modifizieren des Verstärkungsspektrums von Erbiumfaser-Verstärkers benötigt. Sie werden ebenfalls weitläufig bei Mehrfachleitungen sowie bei Architekturen mit zum Fernsprechteilnehmer verlaufenden Fasern verwendet.
Es gibt ein Bedürfnis sowohl nach wellenlängenabstimmbaren Komponenten als auch nach wellenlängenfesten Komponenten. Bei einem vollständig optischen Netzwerk beispielsweise kann die Vorrichtung am Empfängerende abgestimmt werden, um das erwünschte eintretende Signal zu erfassen. Bei einem zweiten Ansatz werden abstimmbare Laser verwendet, um eine Vielzahl von Signalen zu senden, und das erwünschte Signal wird durch Verwenden eines Empfängers mit einem festen Filter erfaßt. Das Übertragungssystem könnte ebenfalls sowohl feste Laser als auch Filter verwenden. Die Wellenlängentrennungsmöglichkeiten solcher Filter müssen in der Größenordnung von einigen zehn Nanometern bis hinab zu einem Nanometer sein. Weiterhin müssen diese Komponenten gegenüber der Umgebung stabil und sehr zuverlässig sein.
Der Mach-Zehnder-Filter ist für seine engbandigen Wellenlängenmöglichkeiten bekannt. Es wurde vorgeschlagen, daß Filter mit Bandpässen so klein wie 1 nm dadurch gebildet werden, daß zwei auslöschende Koppler mit ungleichen Wellenlängen zueinander verbunden werden. Siehe dazu OFC Conference on Optical Fiber Communication, Minitutorial Sessions, 22.-26. Januar 1990, S. 256 (Teil einer Präsentation über "Dense WDN Techniques" von C. A. Brackett). Es ist schwierig, eine Reproduzierbarkeit und eine umgebungsmäßige Stabilität mit diesem Ansatz zu erzielen, da die Verbindungsfasern externen destabilisierenden Bedingungen unterliegen, wie z.B. Temperaturänderungen und zufallsmäßigen Biegekräf ten.
Das Poster-Paper WM2 "WDM all-fiber compound devices: bimodal fiber narrow band tap and equal-arm dissimilar-fiber unbalanced Mach-Zehnder interferometer" von Hill K. O. et al., Optical Fiber Communication Conference, 22.-26. Januar 1990, San Francisco, California offenbart eine Mach-Zehnder- Vorrichtung der Art des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Im Fall dieser Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist keine Schutzstruktur zum Minimieren ungewünschter Umgebungseffekte vorgesehen. Der Oberbegriff des Verfahrensanspruchs 4 basiert ebenfalls auf diesem Dokument.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber der Umgebung stabile Mach-Zehnder-Vorrichtung zu schaffen, und insbesondere eine Mach-Zehnder-Vorrichtung zu schaffen, welche gegenüber Temperaturgradienten unempfindlich ist und welche in der Lage ist, Kräften zu widerstehen, welche ein ungünstiges Verbiegen tendenziell verursachen würden. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Bilden einer verbesserten Mach-Zehnder- Vorrichtung.
Kurz gesagt, schafft die vorliegende Erfindung eine Mach- Zehnder-Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Sie umfaßt einen länglichen Körper aus Matrixglas, durch den eine erste und zweite unterschiedliche optische Faser verlaufen. Der Körper enthält einen Phasenverschiebungsbereich, in dem die Fasern verschiedene Propagationskonstanten aufweisen, wodurch optische Signale durch die Fasern unter verschiedenen Geschwindigkeiten im Phasenverschiebungsbereich propagieren. Der Körper enthält weiterhin zwei beabstandete Kopplerbereiche an gegenüberliegenden Enden des Phasenverschiebungsbereichs. Der Durchmesser des Körpers und die Durchmesser der Fasern sind in den Kopplerbereichen kleiner als im Phasenverschiebungsbereich.
Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Mach-Zehnder-Vorrichtung, wie in Anspruch 4 definiert. Eine Vielzahl von optischen Fasern werden in die Bohrung einer Glasröhre eingesetzt, welche dann evakuiert wird. Die Röhre wird erwärmt, um einen ersten Bereich davon auf die Fasern zu kollabieren. Der Mittelbereich des ersten kollabierten Bereichs wird gestreckt, um einen ersten Kopplungsbereich zu bilden. Die Röhre wird an einem zweiten Bereich erwärmt, um den zweiten Röhrenbereich auf die Fasern zu kollabieren. Der Mittelbereich des zweiten kollabierten Bereichs wird gestreckt, um einen zweiten Kopplungsbereich zu bilden, der von dem ersten Kopplungsbereich beabstandet ist.
Es gibt zwei unterschiedliche Techniken zum Kollabieren und Strecken der Röhre. Der erste und zweite Bereich und der gesamte Abschnitt der Röhre zwischen den zwei Bereichen kann vor dem Strecken des ersten und zweiten Bereichs kollabiert werden. Beispielsweise kann der erste Röhrenbereich erwärmt werden, um die Röhre auf die Fasern zu kollabieren, und die wärmequelle kann bezüglich der Röhre bewegt werden, bis sie den zweiten Röhrenbereich erreicht. Der erste und zweite Bereich der Röhre können dann sequentiell gestreckt werden. Bei dieser Ausführungsform werden die Fasern im Matrixglas der Röhre in dem Abschnitt der Röhre zwischen den zwei kollabierten Bereichen eingebettet.
Alternativermaßen kann der erste Röhrenbereich vor dem Kollabieren und Strecken des zweiten Röhrenbereichs kollabiert und gestreckt werden. Bei dieser Ausführungsform bildet die Röhre einen Hohlraum zwischen den zwei Bereichen. Die Fasern verlaufen durch den Hohlraum und haben minimalen Kontakt mit dem Matrixglas im Bereich zwischen den zwei Kopplungsbereichen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer monolithischen bemantelten Mach-Zehnder-Vorrichtung;
Fig. 2 eine teilweise Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie 2-2 von Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Illustration einer Vorrichtung zum Kollabieren einer Kapillarröhre auf Fasern und Strecken der Röhre zum Bilden eines Kopplungsbereichs;
Fig. 4 eine teilweise Querschnittsansicht einer Ausführungsform, welche eine Faser mit einem Antireflexionsabschluß verwendet;
Fig. 5 ein schematisches Diagramm einer Mach-Zehnder- Vorrichtung;
Fig. 6 eine Darstellung einer berechneten Ausgangsleistung gegenüber der Wellenlänge für einen einstufigen Mach-Zehnder-Filter mit einem 2 cm langen Phasenverschiebungsbereich;
Fig. 7 eine schematische Illustration von zwei verknüpften Mach- Zehnder-Vorrichtungen;
Fig. 8 eine Darstellung einer berechneten Ausgangsleistung gegenüber der Wellenlänge für den Mach-Zehnder- Filter von Fig. 6;
Fig. 9 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungs form;
Fig. 10 eine teilweise Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie 10-10 von Fig. 9;
Fig. 11 ein schematisches Diagramm, welches eine abstimmbare Mach-Zehnder-Vorrichtung illustriert; und
Fig. 12 eine Darstellung einer gemessenen Ausgangsleistung gegenüber der Wellenlänge für einen einstufigen Mach-Zehnder-Filter des speziellen Beispiels.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die zeichnungen sollen keine Skalierungen oder Relativabschnitte der darin gezeigten Elemente bezeichnen.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist eine Mach-Zehnder-Vorrichtung (Fig. 1) als monolithische Struktur ausgebildet, welche verbundene bemantelte Koppler 11 und 12 aufweist, welche durch einen Phasenverschiebungsbereich 14 verbunden sind. Die Vorrichtung wird durch Einsetzen optischer Fasern 16 und 17 in die Bohrung 18 einer Röhre aus Matrixglas 19 gebildet. Jede der optischen Fasern hat einen Kern, der von einem Mantel umgeben ist, welcher einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als derjenige des Kerns ist. Die Faserkerne können verschiedene Brechungsindizes, n&sub1; und n&sub1;' aufweisen, und die Fasermäntel können verschiedene Brechungsindizes, n&sub2; und n&sub2;', aufweisen. Die verschiedene Dichte von Punkten in den Kernen der Fasern 16 und 17 illustriert eine Differenz des Brechungsindex. Der Brechungsindex n&sub3; dieses Bereichs der Matrixglasröhre neben den Fasern ist geringer als der geringste Brechungsindex n&sub2; von jedem der Fasermäntel. Die Bohrung kann mit Trichtern (nicht gezeigt) an jedem Ende versehen sein, um das Einsetzen der Fasern zu erleichtern. Die Kombination der Röhre und der Fasern wird als eine Kopplervorform bezeichnet.
Die Kopplervorform kann in der Ziehvorrichtung nach Fig. 3 weiter verarbeitet werden. Die Vorform 31 wird durch den Ringbrenner 34 eingesetzt und wird an Zieh-Einspannvorrichtungen 32 und 33 angeklemmt, welche an motorgesteuerten Stufen 45 und 46 angebracht sind. Die Fasern werden dann durch die Vakuumanbringungen 41 und 41' gefädelt, welche dann mit den Enden der Vorform 31 abgedichtet werden. Typische Vakuumanbringungen sind im US-Patent 5,011,251 offenbart. Ein Vakuum wird der Röhre 41 über die Leitung 42 zugeführt. Ein Ende einer langen Röhre 43 aus dünnem Gummi wird an dem Ende der Vakuumanbringung 41 gegenüber der Vorform 31 angebracht; das andere Ende der Röhre verläuft innerhalb der Röhrenklemmeinrichtung (nicht gezeigt). Die obere Vakuumanbringung 41' ist ähnlich der Leitung 42', Röhre 43' und Röhrenklemmeinrichtung zugeordnet. Bemantelte Abschnitte der Fasern verlaufen von der Röhre 43 und 43', wobei die Faserbereiche innerhalb der Röhre zwischen den Punkte a und b unbemantelt sind. Wenn Luftdruck gegen die Röhre 43 und 43' gerichtet wird, wie durch Pfeile 44, 44' angedeutet, um die Röhre gegen die dadurch verlaufenden Fasern zu klemmen, wird die Bohrung 14 durch die Leitungen 42 und 42' evakuiert.
Bei einer Ausführungsform wird dieser Bereich der Röhre zwischen den Punkten a und b anfangs auf die Fasern kollabiert. Nachdem die Vorform an den Einspannvorrichtungen 32 und 33 befestigt ist und die Röhrenbohrung evakuiert ist, wird die Röhre nahe einem ersten Ende 23 erwärmt, um zu bewirken, daß sie im Bereich der angelegten Wärme kollabiert. Die Einspann vorrichtung 32 und 33 bewegen die Vorform relativ zum Brenner zum schrittweisen Erstrecken des kollabierten Bereichs zum Ende 24, bis die gewünschte Länge der kollabierten Röhre erhalten ist.
Bei einem alternativen Prozeß können die Einspannvorrichtungen 32 und 33 fest sein, und der Brenner 34 kann auf einer motorgesteuerten Stufe 35 angebracht sein. Der Brenner 34 ist anfänglich nahe dem Ende 23 positioniert, um zu bewirken, daß es kollabiert; die Stufe 35 bewegt den Brenner relativ zur Vorform zum Erstrecken des kollabierten Bereichs zum Ende 24 hin.
Darauf wird der Koppler 11 nahe dem Ende 23 der Röhre durch Erwärmen eines Bereichs der Röhre und Bewegen computergesteuerter Stufen 45 und 46 in entgegengesetzte Richtungen zum Strecken des erwärmten Bereichs gebildet. Der Röhrenstreckbetrieb kann in Übereinstimmung mit dem US-Patent 5,011,251 durchgeführt werden. Die Rate bzw. Geschwindigkeit, mit der sich die zwei Röhrenenden voneinander weg bewegen, bildet die kombinierte Streckrate. Die Röhre kann mit einer konstanten Rate gestreckt werden, oder die Streckrate kann kontinuierlich oder in diskreten Schritten variieren. Der Streckbetrieb kann stoppen, nachdem eine vorbestimmte Kopplung erreicht ist; darauf kann die Röhre erneut erwärmt werden, und das Strecken kann mit einer zweiten Streckrate geschehen. Der Bereich 21 ist so illustriert, daß er einen konstanten Durchmesser aufweist, obwohl eine leichte Abschrägung darin existiert, wodurch das Längszentrum des Bereichs 21 den minimalen Durchmesser aufweist. Es ist wohlbekannt, daß die Kopplungscharakteristika des resultierenden Kopplers durch solche Parameter wie die optischen und mechanischen Charakteristika des Matrixglas 19 und Fasern 16 und 17, und von den Kopplerparametern, wie z.B. der Länge und Gestalt der Abschnürung und der angeschrägten Bereiche, abhängt.
Beim Strecken der Röhre zum Bilden des ersten Kopplers kann die optische Leistung an eine optische Faser gekoppelt werden, und die Ausgangssignale können überwacht werden, um die prozeßschritte beim Kopplerherstellungsprozeß zu steuern. Bei dem nachstehend beschriebenen speziellen Beispiel wurde die Ausgangsleistung nicht für Kontrollzwecke während des Strekkens überwacht. Bei vorherigen Versuchen mit bemantelten faseroptischen Kopplern lag die gesamte Streckdistanz für beide Stufen während der Bildung jedes Kopplers üblicherweise zwischen 12 und 16 mm. Koppler des Typs, welche bei dem speziellen Beispiel zu verwenden waren, wurden deshalb anfänglich um eine gewisse Strecke innerhalb des Bereichs verlängert. Die optischen Charakteristika der resultierenden Vorrichtung wurden gemessen, und der Streck- oder Verlängerungsweg der darauffolgend hergestellten Koppler wurde derart eingestellt, daß er noch näher die erwünschten Charakteristika erzielte. Durch dieses Verfahren wurde der optimale Streckabstand erzielt. Beim Herstellen einer Mach-Zehnder-Vorrichtung nach dem speziellen Beispiel wurde der erste Koppler um diesen optimalen Abstand gestreckt, um die erwünschten optischen Charakteristika zu erzielen. Ein Signal wurde an einer Eingangsfaser angelegt, und die Ausgabe wurde überwacht, um zu venfizieren, daß das erwünschte Kopplungsverhältnis erzielt worden ist.
Für beste Funktionstüchtigkeit als Filter oder WDM-Koppler haben die Koppler 11 und 12 im wesentlichen identische Kopplungscharakteristika. Der zweite Koppler 12 wird deshalb vorzugsweise nahe dem Röhrenende 24 durch Unterwerfen des geeigneten Bereichs der Röhre hinsichtlich Streckbedingungen, welche identisch wie die sind, die zum Bilden des ersten Kopplers benutzt wurden, gebildet.
Obwohl die Koppler 11 und 12 achromatisch oder vom WDM-Typ sein können, ist die Mach-Zehnder-Vorrichtung über einen breiteren Wellenlängenbereich nützlich, falls achromatische Koppler verwendet werden. Verschiedene Techniken können verwendet werden, um Achromasie zu erhalten.
In Übereinstimmung mit dem US-Patent Nr. 5,011,251 wird Achromasie dadurch erhalten, daß der Brechungsindex n&sub2; des Mantels der ersten Kopplerfaser verschieden ist von dem Brechungsindex n&sub2; des Mantels der zweiten Kopplerfaser, und zwar um solch einen Betrag, daß der Wert ΔMANTEL größer als null ist, aber geringer als 0,03%, wobei ΔMANTEL gleich (n&sub2;² - n&sub2;'²)/2n&sub2;² ist. Die Differenz zwischen den Brechungsindizes n&sub2; und n&sub2;' ist derart, daß der Koppler sehr geringe Änderungen im Kopplungsverhältnis mit der Wellenlänge über ein breites Band von Wellenlängen zeigt.
In Übereinstimmung mit der US-Patentanmeldung SN 913,390 "Achromatic Overclad Fiber Optic Coupler", angemeldet am 15. Juli 1992, kann ein Koppler achromatisch gemacht werden, falls der Brechungsindex n&sub3; des Matrixglaskörpers, der den Kopplungsbereich umgibt, geringer ist als n&sub2;, und zwar um solch einen Betrag, daß der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; geringer ist als 0,125%, wobei Δ&sub2;&submin;&sub3; gleich (n&sub2;² - n&sub3;'²)/2n&sub2;² ist. Falls die Fasermäntel verschiedene Brechungsindizes aufweisen, wird der geringste Mantelbrechungsindex zum Bestimmen des Werts von Δ&sub2;&submin;&sub3; verwendet.
Nur eine der Fasern eines Mach-Zehnder-Filters muß von der Vorrichtung ausgehen. Nachdem die Vorrichtung gebildet ist, können die Abschnitte der Faser 17, die von der Vorrichtung ausgehen, durchtrennt werden. Die durchtrennten Enden der Faser 17 werden dann vorzugsweise mit Antireflexionsabschlüssen versehen.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei ähnliche Elemente wie diejenigen von Fig. 1 durch Bezugszeichen mit einem Strich versehen sind. Die Faser 17' kann auf eine Länge geschnitten werden, die leicht länger ist als die Länge der Kapillarröhre, und sie kann vollständig vom Mantelmaterial befreit werden. Die Antireflexionsabschlüsse können auf jedem Ende der Faser 17' durch Richten einer Flamme nahe dem Ende der Faser und Ziehen und Durchtrennen der Faser am erwärmten Bereich gebildet werden. Die Spitze des erwärmten Bereichs wird durch eine Brennerflamme erwärmt, um zu veranlassen, daß sich das Glas zurückzieht und eine abgerundete Endfläche 25 bildet, deren Durchmesser gleich oder leicht kleiner als der Durchmesser der ursprünglich unbeschichteten Faser ist. Nachdem die Antireflexionsabschlüsse an beiden Enden der Faser gebildet sind, ist ihre Länge leicht kürzer als die der Kapillarröhre. Die Faser 17' wird durch den Trichter 25 und in die Bohrung der Matrixglas-Kapillarröhre entlang des bloßen Bereichs der Faser 16' eingesetzt. Die Vorrichtung wird darauf ausgebildet, wie oben beschrieben. Ein Ende der Faser 16' dient als Eingangsport, und das andere Ende davon dient als Ausgangsport der resultierenden Vorrichtung.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Diagramm einer üblichen Mach- Zehnder-Vorrichtung. Zwei Koppler C&sub1; und C&sub2; werden durch optische Fasern F&sub1; und F&sub2; verbunden. Die Koppler, welche Kopp-1er vom auslöschenden Typ sind, sind üblicherweise 3 Db- Koppler, wobei die optische Leistung, die beispielsweise an den Eingangsport 2 angelegt wird, gleichermaßen zwischen die zwei Ausgänge des Kopplers C&sub1; aufgeteilt wird. Eine der Fasern hat eine Einrichtung OPLD zum Schaffen einer optischen Weglängendifferenz, so daß es eine Phasenverschiebung zwischen den zwei Eingängen des Kopplers C&sub2; gibt. Die Phasenverschiebung wurde üblicherweise beispielsweise durch Verwenden von Fasern F&sub1; und F&sub2; von verschiedenen Längen oder durch Einsetzen von Phasenverschiebungseinrichtungen in eine der Fasern erzeugt. Solche Mach-Zehnder-Vorrichtungen wurden verwendet, um Filter- und Schaltfunktionen zu schaffen. Jedoch waren solche Vorrichtungen sehr empfindlich gegenüber Temperaturdifferenzen zwischen den Fasern F&sub1; und F&sub2; sowie gegenüber Verbiegung von einer der Fasern relativ zur anderen.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind die Faserabschnitte 16' und 17', welche die Koppler 11 und 12 verbinden, innerhalb des Matrixglases 19 derart angeordnet, daß sie diese vor widrigen Umgebungsbedingungen schützen. Falls beispielsweise der Phasenverschiebungsbereich 14 einem Temperaturgradienten unterworfen wird, erfahren beide Fasern im wesentlichen dieselbe Temperatur aufgrund des Effekts des Matrixglases. Das Matrixglas widersteht ebenfalls einer Verbiegung, wodurch eine Faser nicht ungünstig bezüglich der anderen verlängert wird.
Da die Längen der Faserabschnitte 16' und 17', welche durch den Phasenverschiebungsbereich 14 verlaufen, gleich sind, müssen diese Faserabschnitte verschiedene Propagationskonstanten innerhalb des Bereichs 14 aufweisen, um die notwendige Phasenverschiebung zwischen den zwei Signalen bereitzustellen, welche von dem Koppler 11 an den Koppler 12 angelegt werden. Dies wird durch Verwendung unterschiedlicher optischer Fasern bewerkstelligt. Beispielsweise kann der Kerndurchmesser und/oder das Brechungsindexprofil der Faser 16 von demjenigen der Faser 17 verschieden sein. Obwohl die Propagationskonstanten der Fasern 16 und 17 im Bereich 14 verschieden sind, sind sie im wesentlichen identisch in den Abschnürungsbereichen der Koppler 11 und 12, da die Faserkerndurchmesser im gestreckten Kopplungsbereich sehr gering sind. Diese Differenz zwischen den Kerndurchmessern und/oder Brechungsindexprofilen der Kopplerfasern 16 und 17 resultieren in einer Differenz zwischen den Propagationskonstanten (Δβ) der fundamentalen Modi, welche in diesen Fasern außerhalb der Kopplungsbereiche der Koppler 11 und 12 propagieren. Der Effekt der verschiedenen Kerne auf die Propagationskonstanten der fundamentalen Modi, die in diesen Fasern innerhalb des Kopplungsbereichs (ΔβCR) propagieren, ist aufgrund der geringen Größe der Kerne in diesem Bereich nicht signifikant. Wenn der Fasermanteldurchmesser hinreichend klein wird, dient die Zusammensetzung aus Kern und Mantel als Lichtleiterabschnitt des Wellenleiters im Kopplungsbereich, und das umgebende Matrixmaterial mit geringem Index dient als Mantel. Deshalb gibt es einen Energietransfer zwischen den benachbarten Fasermänteln im Kopplungsbereich.
Die erwartete Wellenlängentrennung der Vorrichtung nach Fig. 5 wird nachstehend berechnet. Für eine typische Mach- Zehnder-Vorrichtung, bei der die Propagationskonstanten der Fasern F&sub1; und F&sub2; identisch sind, ist die Energie in einem Ausgangsbein
P = cos² (3,1416 dL/λ) (1)
wobei D1 die Differenz der optischen Weglängen zwischen den Fasern F&sub1; und F&sub2; ist. Für eine Vorrichtung, bei der die Weglängendifferenz unter Verwendung verschiedener Kernbrechungsindex erhalten wird, wäre die Ausgangsleistung
P = cos² (3,1416 L dn/n λ) (2)
Der Einfluß, den verschiedene Kerne auf die optische Weglänge ausüben, kann unter der Annahme abgeschätzt werden, daß die halbe Energie eines Einzelmodenleiters im Kern ist und durch Erhöhen des Delta (Δ) einer Faser. Der effektive Index ändert sich näherungsweise zu
dn/n = (Δ&sub1;&submin;&sub2; + Δ&sub1;&submin;&sub2;')/2 (3)
wobei Δ&sub1;&submin;&sub2; gleich (n&sub1;² - n&sub2;²)/(2n&sub1;²) ist und Δ&sub1;&submin;&sub2;' gleich (n&sub1;'² - n&sub2;²)/(2n&sub1;'²) ist, wobei n&sub1; und n&sub1; die Brechungsindizes der Kerne 16 und 17 sind. Die Differenz der Weglängen zwischen den zwei Fasern von Fig. 1 wäre dann
dn/n = (Δ&sub1;&submin;&sub2; + Δ&sub1;&submin;&sub2;')/2 - 2 Δ&sub1;&submin;&sub2;/2 = (Δ&sub1;&submin;&sub2;' - Δ&sub1;&submin;&sub2;)/2 (4)
Gleichung 4 kann in Gleichung 2 eingesetzt werden, um zu erhalten
P = cos²(3,1416 L (Δ&sub1;&submin;&sub2;' - Δ&sub1;&submin;&sub2;)/λ) (5)
Gleichung 5 ist in Fig. 6 dargestellt für einen einstufigen Mach-Zehnder-Filter, in dem die Faser 16 einen Δ&sub1;&submin;&sub2;-Wert von 0,3% aufweist, die Faser 17 einen Δ&sub1;&submin;&sub2;-Wert von 1,0% aufweist, wobei die optische Weglänge L 1 cm beträgt. Die Wellenlängentrennung zwischen den Spitzen 29 in Fig. 6 wäre halbiert, falls L verdoppelt wäre.
Die Länge L des Phasenverschiebungsbereichs 14 von Fig. 1 enthält sowohl den Abschnitt mit konstantem Durchmesser als auch den Teil der benachbarten Abschrägungen der Koppler 11 und 12. Somit verläuft die Länge L zwischen den mit L bezeichneten zwei Linien. Beim anfänglichen Herstellen der Vorrichtung von Fig. 1 ist der Abschnitt des Bereichs 14 mit konstantem Durchmesser anfänglich leicht kürzer gestaltet als der Wert L, der aus Gleichung 5 berechnet wird. Die resultierende Vorrichtung wird getestet, und zusätzliche Vorrichtungen können dann hergestellt werden, wobei der erforderliche Wert von L empirisch bestimmt wird.
Zwei Mach-Zehnder-Vorrichtungen 51 und 52 können, wie in Fig. 7 gezeigt, verbunden werden. Nur eine der Fasern sollte von der Vorrichtung 51 zur Vorrichtung 52 verlaufen. Wenn die Verzögerung des Phasenverschiebungsbereichs von einer Mach- Zehnder-Vorrichtung das Zweifache der Verzögerung des Phasenverschiebungsbereichs der anderen Mach-Zehnder-Vorrichtung beträgt, z.B. falls L&sub1; 1 cm beträgt und L&sub2; 2 cm beträgt, wird das Spektrum von Fig. 8 erhalten. Diese Berechnung wird durch Malnehmen der zwei Terme entsprechend der Gleichung 5 erhalten.
Zwei doppelstufige Mach-Zehnder-Vorrichtungen können miteinander verspleißt werden, um eine höhere Isolation zu schaffen, indem die Filterspektralspitzen verengt werden und das Rauschen reduziert wird. Eine gute Umgebungs-Funktionstüchtigkeit kann noch erwartet werden, da es nur die Einzelstufen selbst sind, welche für gute thermische Stabilität monolithisch sein müssen. Dies kommt daher, weil die bedeutende Phasenverschiebung im Bereich zwischen den zwei 3 Db-Kopplern einer einzelnen Mach-Zehnder-Vorrichtung auftritt und nicht im Bereich zwischen den zwei Stufen.
Es sei bemerkt, daß die Ausgangsleistung in Fig. 6 und 8 von null auf im wesentlichen 100% der Eingangsleistung variiert. Um solch eine Filterung zu erhalten, muß die Mach-Zehnder- Vorrichtung 3 Db-Koppler verwenden, welche das Eingangssignal in zwei gleiche Teile aufteilen. Zum Erzielen einer Filterung, bei der die Ausgabe von x% zu 100-x% variiert, müssen die Koppler das Eingangssignal ungleich teilen. Solche Kopp-1er könnten das Eingangssignal in ein 20%-80%-Verhältnis beispielsweise teilen. Die Kurve 28 von Fig. 6 illustriert die Ausgabe eines Mach-Zehnder-Filters unter Verwendung von Kopplern, welche von 3 Db-Kopplern verschieden sind.
Falls es erwünscht ist, daß der Phasenverschiebungsbereich gegenüber einer Verbiegung vollständig resistent ist, kann die gesamte Mach-Zehnder-Vorrichtung in ein steifes Material eingewickelt oder verkapselt werden, wie z.B. ein Metall oder ein Polymer beispielsweise, welches in engem Kontakt mit der Vorrichtung steht. Solche Verkapselung ist für verschmolzene, bichronische abgeschrägte Koppler nicht geeignet, welche das bemantelte Matrixglas 19 nicht aufweisen. Da die Modenfelder der Kopplerfasern sich über die Fasern im Kopplungsbereich erstrecken, wäre ein verschmolzener, bichronischer abgeschrägter Koppler verlustreich, falls diese Energie in das Verkapselungsmaterial liefe.
Der Phasenverschiebungsabschnitt kann ebenfalls unkollabiert bleiben, wie in Fig. 9 und 10 gezeigt, in denen gleiche Elemente wie diejenigen von Fig. 1 mit Bezugszeichen mit einem Strich versehen sind. Mit Ausnahme der folgenden Anderungen ist die Vorrichtung so wie oben beschrieben gebildet. Nachdem die Röhre aus Matrixglas 19' in den Ringbrenner gesetzt ist und an beiden Enden durch die computergesteuerten Streckeinspannvorrichtungen befestigt ist, wird sie durch Anbringen der Vakuumanbringungen an ihren Enden evakuiert. Bei dieser Ausführungsform wird die Röhre anfänglich nahe dem Ende 23' erwärmt, um zu bewirken, daß sie im Bereich der angelegten Wärme kollabiert. Der Koppler 11' wird durch Wiedererwärmen der Röhre am selben Ort und Bewegen der Einspannvorrichtungen in entgegengesetzte Richtungen zum Strecken des erwärmten Bereichs und zum Versehen des Kopplers 11' mit den erwünschten Kopplungscharakteristika gebildet. Die Relativbewegung zwischen der Röhre und dem Brenner positioniert dann den Brenner an den geeigneten Ort nahe dem gegenüberliegenden Ende der Röhre, wo die Kollabier- und Streckoperationen wiederum zum Bilden des Kopplers 12' durchgeführt werden können. Die Fasern 16a' und 17a' verlaufen durch einen Hohlraum 62 im Phasenverschiebungsbereich 61.
Die Ausführungsformen von Fig. 1 und 9 können durch Biegen des Phasenverschiebungsbereichs 14 oder 61 in der Ebene der Fasern, wie in Fig. 11 gezeigt, abgestimmt werden, wobei die Koppler 50 und 52 durch den Phasenverschiebungsbereich 51 verbunden sind. Ein Ende des Bereichs 51 kann durch eine Einrichtung 54 festgehalten werden, und das andere Ende des Bereichs 51 kann durch eine Einrichtung 55 zum Biegen der Fasern 57 und 58 in der Ebene, in der beide Fasern liegen, verbogen werden. Elektromagnetische, piezoelektrische, bimetallische und andere Typen von Vorrichtungen können die geringe gesteuerte Biegebewegung erzeugen. Die Drehwirkung des Schalters, der im US-Patent 5,146,519 offenbart ist, ist zum Biegen der Fasern 57 und 58 ebenfalls geeignet.
Nach-Zehnder-Vorrichtungen, welche von den Filtern verschieden sind, haben ebenfalls einen Vorteil von der offenbarten monolithischen Konstruktion. Beispielsweise könnte die Vorrichtung von Fig. 11 als Schalter dienen, wobei ein Signal bei einer gegebenen Wellenlänge von der Faser 57 zur Faser 58 durch geeignetes Biegen des Bereichs 51 schaltbar ist.
Das folgende spezielle Beispiel beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Mach-Zehnder-Filters
Die optischen Fasern wurden durch ein Verfahren hergestellt, welches ähnlich demjenigen ist, das im US-Patent Nr. 4,486,212 offenbart ist. Kurz gesagt, wird in Übereinstimmung mit diesem Patent eine poröse Kernvorform mit einem Kernbereich und einer dünnen Schicht aus Mantelglas auf einem zylindrischen Auf spanndorn gebildet. Der Aufspanndorn wird entfemt, und die resultierende röhrenförmige Vorform wird schrittweise in eine Verfestigungsofenmuffel eingeführt, deren Maximaltemperatur zwischen 1200ºC und 1700ºC liegt und vorzugsweise 1490ºC für Glas mit hohem Silicagehalt beträgt. Das Temperaturprofil der Muffel ist im zentralen Bereich am höchsten, wie in US-Patent Nr. 4,165,223 gelehrt. Chlor, das normalerweise in einer Minimalkonzentratino vorliegt, welche zum Erzielen einer Trocknung erforderlich ist, kann der Vorform zugeführt werden, in dem in die Vorformöffnung ein Trocknungsgas aus Helium und etwa 5 Vol.-% Chlor strömen gelassen wird. Das Ende der Öffnung kann verstopft werden, um zu bewirken, daß das Gas durch die Vorformporen strömt. Hehumspülgas wird gleichzeitig durch die Muffel strömen gelassen.
Der resultierende röhrenförmige Glasartikel wird in einem standardmäßigen Ziehofen gestreckt, wobei ein Vakuum an die Öffnung angelegt wird, um eine "Kernstange" zu schaffen, in der die Öffnung geschlossen ist. Eine geeignete Länge der Stange wird in einer Drehbank gehaltert, wo Partikel aus Silica darauf abgeschieden werden. Die resultierende endgültige poröse Vorform wird schrittweise in den Verfestigungsofen eingeführt, wo sie verfestigt wird, während eine Mischung von 99,5 Vol.-% Helium und 0,5 Vol.-% Chlor nach oben durch den Ofen strömen gelassen wird. Die resultierende Glasvorform wird gezogen, um eine optische Einzelmodenfaser mit einem Stufenindex zu bilden.

(a) Bildung der Faser 16

Die Faser 16 war eine standardmäßige optische Telekommunikationsfaser
Eine erste Schicht aus Glaspartikeln mit SiO&sub2;, dotiert mit 8,5 Gew.-% GeO&sub2;, wurde auf einen 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 getrocknet und verfestigt. Während dieses Verfahrens strömte eine Gasmischung mit 65 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute) Chlor und 650 sccm Helium in das zentrale Loch, wo der Aufspanndorn entfernt worden ist. Ein Spülgas mit 40 slpm (Standardliter pro Minute) Helium und 0,5 slpm Sauerstoff strömte nach oben von dem Boden der Verfestigungsofenmuffel. Die resultierende verfestigte Vorform wurde in einen Ziehofen eingesetzt. Die Öffnung wurde evakuiert, und das untere Ende des röhrenförmigen Körpers wurde auf 1900ºC erwärmt, und unter einer Rate von etwa 15 cm/min gezogen, um eine feste Glasstange mit 5 mm zu bilden. Die Stange wurde zum Ausbilden von Abschnitten zerteilt, von denen einer in einer Drehbank gehaltert wurde, wo er als Aufspanndorn diente, auf den SiO&sub2;-Mantelruß zum Bilden einer endgültigen porösen Vorform abgeschieden wurde. Die endgültige poröse Vorform wurde schrittweise in die Aluminamuffel eines Ofens mit einer Maximaltemperatur von 1490ºC eingeführt, wo sie zum Bilden eines Ziehrohlings verfestigt wurde. Während des Verfestigungsprozesses strömte eine Gasmischung mit 40 slpm Helium, 0,5 slpm Chlor und 0,5 lpm Sauerstoff durch die Muffel. Die Spitze des Ziehrohlings wurde auf etwa 2100ºC erwärmt, und eine Faser mit einem Außendurchmesser von 125 um wurde daraus gezogen, wobei die Faser mit einer Urethanacrylatbemantelungmmit 170 um Durchmesser während des Ziehens beschichtet wurde.

(b) Bilden der Faser 17

Mit Ausnahme der folgenden Unterschiede wurde ein Verfahren ähnlich dem in Abschnitt (a) beschriebenen zum Bilden der Faser 16 verwendet. Eine erste Schicht aus Glaspartikeln mit SiO&sub2;, dotiert mit 18 Gew.-% GeO&sub2;, wurde auf einen Aufspanndorn abgeschieden, und eine dünne Schicht aus SiO&sub2;-Partikeln wurde auf der ersten Schicht abgeschieden. Die resultierende poröse Kernvorform wurde verfestigt, gestreckt und mit einem reinen Silicamantel beschichtet. Das Verhältnis des Kerndurchmessers zum Außendurchmesser des resultierenden Ziehrohlings war derart, daß der Kern kleiner als derjenige der Faser 16 (siehe Tabelle 1) war. Die Faser wure auf einen Außendurchmesser von 125 um gezogen und wurde mit einer Urethanacrylatbeschichtung von 170 um Durchmesser versehen.

(c) Fasercharakteristika

Tabelle listet Δesi (äquivalenter Stufenindex Delta), desic (äquivalenter Stufenindex-Kerndurchmesser) und den MFD dieser Fasern. Die Modenfeldparameter für die Faser 16 sind diejenigen Nominalwerte, welche zuvor zur Herstellung von Fasern gemessen wurden; sie wurden unter Verwendung des Verfahrens für eine variable Apertur im Fernfeld mit der Petermann II- Definition des Modenfelddurchmessers bestimmt. Die Modenfeldparameter für die Faser 17 wurden berechnet. Tabelle 1

(d) Bilden des Kopplers

Die Glaskapillarröhre, welche verwendet wurde, hatte eine Länge von 56,3 cm und einen Außendurchmesser von 2,70 mm. Die Bohrung war diamantförmig, wobei jede Seite des Diamanten eine Länge von etwa 310 um aufwies. Die Kapillarröhre, welche durch einen Flammenhydrolyseprozeß gebildet wurde, bestand aus Silica, dotiert mit 9 Gew.-% B&sub2;O&sub3;. Trichter wurden in jedem der Röhrenenden durch Fließenlassen von NF&sub3; durch die Röhre unter Erwärmen des Endes der Röhre gebildet.
Beschichtete optische Fasern 16 und 17 wurden auf Längen von etwa 3 Metern geschnitten. Ein Abschnitt der Beschichtung von etwa 48,3 cm Länge wurde aus dem zentralen Bereich beider Fasern entfernt, und sie wurden durch die Röhrenbohrung gefädelt, bis die unbemantelten Abschnitte zwischen den Enden der Röhre angeordnet waren. Eine kleine Menge von UV-aushärtbarem Haftmittel wurde auf die beschichteten Fasern aufgebracht, um sie an einem Ende der Röhre anzubringen. Die Fasern wurden einer leichten Spannung unterworfen und wurden am anderen Ende der Röhre angebracht.
Die resultierende Kopplervorform 31 wurde durch den Ringbrenner 34 eingesetzt und an die Zieheinspannvorrichtungen 32 und 33 der Vorrichtung nach Fig. 3 geklemmt, wobei das Zentrum des Brenners etwa 1,9 cm von dem oberen Ende der Kapillarröhre entfernt positioniert war. Die Vakuumanbringungen 41 und 41' wurden an den oberen Enden der Röhre angebracht und angeklemmt (Pfeile 44, 44'), um ein Vakuum an die Vorform 31 anzulegen, welches bei etwa 38 cm (15 inch) Hg stabilisiert wurde.
Gas und Sauerstoff strömten zum Ringbrenner mit 60 slpm bzw. 120 slpm. Der Ringbrenner wurde für etwa 18 Sekunden gedreht, um die Temperatur eines Bereichs der Röhre von etwa 14 bis 23 mm von dem Ende zu erhöhen. Dies bewirkte, daß die Röhre auf die Fasern entlang des Abschnittes der Röhre mit etwa 0,92 cm Länge kollabierte. Nachdem die Kopplervorform etwa 30 Sekunden gekühlt wurde, wurde die Flamme erneut gezündet, wobei der Gas- und Sauerstoffluß derselbe wie für den Röhrenkollabierungsschritt war, und der kollabierte Bereich wurde etwa 16 Sekunden lang wiedererwärmt. Das Vakuum blieb bei etwa 38 cm Hg. Die Einspannvorrichtungen 32 und 33 bewegten sich in entgegengesetzte Richtungen unter einer Rate von etwa 2,5 cm/s zum Schaffen eines Gesamtanstiegs der Röhrenlänge von etwa 1,55 cm, wodurch der Koppler 12 gebildet wurde.
Die untere computergesteuerte Einspannvorrichtung wurde gelöst, und die obere Einspannvorrichtung 32 wurde dann nach unten bewegt um einen Abstand von 2,835 mm, um den unteren Endbereich der Röhre in den Brenner zu setzen. Die obigen Schritte des Kollabierens der Röhre auf die Fasern und Strekkens der Röhre wurden zum Bilden des Kopplers 11 wiederholt.
Nachdem der Koppler abgekühlt war, wurden die Vakuumleitungen von dem Koppler entfernt, und ein Tropfen Faftmittel wurde auf jedes Ende der Kapillarröhre aufgebracht und UV-Licht ausgesetzt. Die Mach-Zehnder-Vorrichtung wurde dann von der Zieheinrichtung entfernt.
Die Gesamtlänge der Röhre der resultierenden Mach-Zehnder- Vorrichtung betrug 8,75 cm, und die Länge des Abschnitts mit konstantem Durchmesser des Phasenverschiebungsbereichs zwischen den zwei Kopplern betrug 1,144 cm. Die spektrale Ausgabe der Vorrichtung ist in Fig. 11 gezeigt.

Claims

1. Mach-Zehnder Vorrichtung mit:

einer ersten und einer zweiten verschiedenen optischen Faser (16, 17),

einem Bereich (16a, 17a, 16a', 17a') der Fasern zum Bilden eines Phasenverschiebungsbereichs (14, 61), in welchem die Fasern verschiedene Propagationskonstanten aufweisen, wodurch die optischen Signale mit verschiedenen Geschwindigkeiten in dem Phasenverschiebungsbereich durch die optischen Fasern propagieren, und

zwei beabstandeten Kopplerbereichen (11, 12, 11', 12') an gegenüberliegenden Enden des Phasenverschiebungsbereichs, wobei die Durchmesser der Fasern in den Kopplerbereichen geringer sind als in dem Phasenverschiebungsbereich,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin aufweist:

einen länglichen Körper aus Matrixglas (19),

wobei sich die erste und zweite Faser in Längsrichtung durch den Körper erstrecken,

wobei der Phasenverschiebungsbereich der Fasern innerhalb des Körpers verläuft, wobei die Fasern das Matrixglas in dem Phasenverschiebungsbereich berühren,

wobei die zwei beabstandeten Kopplerbereiche in den Körper an gegenüberliegenden Enden des phasenverschiebungsbereichs liegen und wobei der Durchmesser des Körpers in den Kopplerbereichen geringer ist als in dem Phasenverschiebungsbereich.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne der Fasern (16, 17) verschiedene Brechungsindizes aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixglas (19) auf die Fasern (16, 17) in dem Phasenverschiebungsbereich kollabiert ist.

4. Verfahren zum Herstellen einer Mach-Zehnder Vorrichtung mit den Schritten:

Halten einer Vielzahl von verschiedenen optischen Fasern (16, 17) Seite an Seite und Erwärmen und Strecken der Fasern an zwei beabstandeten Bereichen zum Bilden eines ersten und eines zweiten Kopplerbereichs (11, 12, 11', 12'),

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte aufweist

Bereitstellen einer Glasröhre (19),

Einsetzen der Fasern in die Bohrung (18) der Röhre,

Evakuieren der Röhrenbohrung,

wobei die Schritte des Bildens des ersten und zweiten Kopplerbereichs aufdeisen:

Erwärmen der Röhre zum Kollabieren eines ersten Bereichs der Röhre auf die Fasern,

Strecken des Mittelbereichs des ersten kollabierten Bereichs zum Bilden des ersten Kopplerbereichs (11, 11'),

Erwärmen der Röhre zum Kollabieren eines zweiten Bereichs der Röhre auf die Fasern, und

Strecken des Mittelbereichs des zweiten kollabierten Bereichs zum Bilden des zweiten Kopplerbereichs (12, 12'),

wobei die Fasern nach den Schritten des Erwärmens der Röhre zum Kollabieren des ersten und zweiten Bereichs der Röhre auf die Fasern das Matrixglas in diesem Bereich der Röhre zwischen dem ersten und zweiten Kopplerbereich berühren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Erwärmens der Röhre zum Kollabieren des ersten und zweiten Röhrenbereichs vor dem Schritt des Streckens des Mittelbereichs des ersten kollabierten Bereichs durchgeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Erwärmens der Röhre (19) zum Kollabieren des ersten und zweiten Bereichs der Röhre auf die Fasern (16, 17) umfassen: Erwärmen der Röhre am ersten und zweiten Bereich und Erwärmen der Röhre zwischen dem ersten und zweiten Bereich, wodurch der gesamte Bereich der Röhre einschließlich des ersten Lind zweiten Bereichs und des Bereichs zwischen dem ersten und zweiten Bereich auf die Fasern kollabiert.