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Technisches
Gebiet
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Die
beschriebene Erfindung betrifft die Herstellung eines optischen
Faser Reflektors, wobei der Faser Reflektor mit dem Verfahren hergestellt
wird.
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Hintergrund
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Interne
Reflexionen in optischen Fasern haben einige Anwendungen, z. B.
in Messfühler
Anwendungen und zur Funktionsprüfung
in einem optischen Faser-Netzwerk. Licht, das in einer optischen
Faser übertragen
wird, wird am Reflektor reflektiert und das reflektierte Licht kann
gemessen werden.
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Stand der
Technik
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Optische
Reflektoren zur Erzeugung interner Reflexionen in optischen Fasern
und Verfahren zur Herstellung solcher Reflektoren sind bereits aus
den Patenten US-A 4,892,388 und US-A 4,400,056 bekannt.
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Jedoch
sind die bekannten Verfahren ziemlich kompliziert und es besteht
daher Bedarf für
die Bereitstellung einfacher Herstellverfahren für Reflektoren in optischen
Fasern.
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Im
Patent US-A 5,210,801 sind optische Komponenten beschrieben, die
gebaut aus flachen Wellenleitern oder aus Wellenleitern mit rechteckigem
Querschnitt sind, wobei ein Hohlraum in der Nachbarschaft des Wellenleiter-Kerns
angeordnet ist, jedoch niemals so, dass sich das Material des Wellenleiter-Kerns
direkt am Hohlraum befindet. Die Herstellung der Komponenten erfolgt
mit konventionellen, prozess-technologischen, verhältnismäßig komplizierten Verfahren,
die auch zur Herstellung integrierter elektronischer Schaltkreise
und optischer Planar-Schaltkreise verwendet werden.
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Beschreibung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren für die Herstellung
interner Reflexionen in optischen Fasern bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine optische Faser mit
einem internen optischen Reflektor zur Erzeugung interner Reflexionen
bereitzustellen.
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Die
oben genannten Aufgaben werden durch die Erfindung erfüllt, wobei
deren detaillierte Eigenschaften aus den anhängenden Patentansprüchen hervorgehen.
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Danach
wird, in einer kontrollierten Weise, eine Luftblase, insbesondere
ein kleiner Hohlraum, der im Normalfall mit Luft gefüllt ist,
mit Hilfe einer Ätz-
oder Schweiß-Prozedur
in den Kern einer optischen Faser eingebracht, und dadurch wird
ein breitbandiger Faser Reflektor erhalten. Das Faser-Ende wird
zuerst freigelegt, insbesondere wird dessen äußere Schutzschicht entfernt,
und sodann in konventioneller Weise abgeschnitten um eine im Wesentlichen
flache End-Oberfläche
zu erhalten, die im Wesentlichen senkrecht zu Längsrichtung des Faser-Endes
steht, und danach wird in der so geformten End-Oberfläche eine
Vertiefung oder Mulde im Bereich des Kerns erzeugt, und zwar speziell
in dem Bereich in welchem der Faser-Kern in der End-Oberfläche endet.
Die Mulde kann mittels eines mechanischen Verfahrens erzeugt werden,
zum Beispiel durch Schleifen oder durch Bearbeitung der End-Oberfläche mit
einem Laserstrahl zur Entfernung von Material an der geeigneten
Stelle. Jedoch wird eine chemische Bearbeitung bevorzugt, bei welcher
das Faser-Ende mit zum Beispiel verdünnter Flusssäure oder
einer Mischung aus dieser mit ähnlichen
Substanzen wie z. B. Ammonium Fluorid geätzt wird. Eine Vertiefung wird
dabei erzeugt, da der höher
dotierte Kern schneller geätzt
wird als die Ummantelung. Das geätzte
Faser-Ende wird sodann verbunden oder gespleißt, bevorzugt geschweißt, an eine
Standard-Faser, die bevorzugt eine im Wesentlichen flache End-Oberfläche aufweist,
die in der üblichen
Weise geschnitten ist, und im Wesentlichen senkrecht steht zur Längsrichtung
des Faser-Endes, wodurch eine in den Kern eingeschlossene Luftblase entsteht.
Die Stärke
der Reflektivität
kann verändert werden
durch wiederholtes Erhitzen im gespleißten oder verbundenen Bereich,
in der gleichen Weise wie beim Schweißen, und/oder durch Füllen der
Blase mit einem anderen Medium als Luft oder durch Beschichten einer
ihrer Wände
mit geeignetem Material, z. B. einem Metall.
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Im
allgemeinen hat eine optische Faser einen Kern und einen Mantel
der den Kern umgibt. Um einen Reflektor zu erzeugen, wird ein Hohlraum
in der optischen Faser erzeugt, welcher speziell im Faser-Kern angeordnet
ist. Der Hohlraum ist im allgemeinen vollständig durch Faser Material eingeschlossen
und ist so nahe am Kern angeordnet, dass das Licht, das eingebracht
wird und sich entlang der Faser ausbreitet, erheblich durch den
Hohlraum gestört
und deshalb teilweise reflektiert wird. Der Reflektor wird durch
den Umstand erhalten, dass das Faser-Kern-Material bis zum Hohlraum
reicht und im speziellen das Kern-Material den Hohlraum auch vollständig einschließen bzw.
umgeben kann. Bei einer Herstellung entsprechend obiger Erläuterung wird
der Hohlraum tatsächlich
Linsen-Form oder etwa die Form eines abgeflachten Elipsoids, mit
zwei gegenüber
liegenden großen
gebogenen oder gekrümmten
Oberflächen,
erhalten. Das Faser-Kern-Material erstreckt sich zumindest bis zum zentralen
Bereich dieser großen
Oberflächen
und außerdem
zu nahezu allen Bereichen dieser Oberflächen außer möglicherweise einer kleinen, äußeren marginalen
Fläche.
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In
dem Hohlraum kann eine Substanz vorgesehen werden, welche die Reflektivität des Hohlraumes
für Lichtwellen,
die sich in der optischen Faser ausbreiten, erhöht. Eine solche Substanz kann
insbesondere einen Brechungsindex aufweisen, der sich vom Brechungsindex
des den Hohlraum umgebenden Materials und der optischen Faser unterscheidet,
oder sie kann ein metallisches Material sein. Die Substanz kann,
wie bei metallischen Materialien, im Wesentlichen feste Form haben
und dann als Schicht auf nur eine Oberfläche im Hohlraum aufgebracht
sein, nämlich
eine der großen
Oberflächen im
Sinne des oben gesagten, oder generell nur auf eine Oberfläche, welche
gerichtet ist zum oder angeordnet ist am Wellenleiter-Kern, oder
auf nur eine Oberfläche,
die hauptsächlich
in eine Richtung, nämlich
in die Richtung der Faser, gerichtet ist.
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Legenden der
Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun in größerem Detail mit
Bezug auf nicht beschränkende
Ausführungsbeispiele
und die zugehörigen
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 ein Faser Ende mit einer
geätzten End-Oberfläche zeigt;
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2 eine gespleißte Faser
mit einem eingeschlossenen Hohlraum zeigt;
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3 die Bearbeitung der End-Oberfläche der
Faser illustriert;
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4 schematisch das Spleißen von
optischen Fasern zeigt;
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5 einen Abschnitt eines
beschichteten Endes einer optischen Faser zeigt;
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6 einen Abschnitt des beschichteten
Endes entsprechend 5,
bei welchem die Beschichtung teilweise entfernt wurde, zeigt;
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7 interne Reflexionen in
optischen Fasern angewendet zur Überprüfung der
Funktion eines optischen Netzwerkes zeigt.
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Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
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In 1 ist das Ende einer optischen
Faser 1 gezeigt. Es besteht wie üblich aus einem Kern 3,
einem Mantel 5 der den Kern umgibt, und einer äußeren Schutzschicht 7.
Für übliche Quarzglas
Fasern, die für
Telekommunikation verwendet werden, besteht der Kern 3 und
der Mantel 5 aus Quarzglas mit unterschiedlichen Brechungsindizes,
erzeugt durch geeignete Dotierungen, und die äußere Schutzschicht besteht
aus einem Polymer. Für
die Herstellung eines internen Reflektors wird zuerst die äußere Schutzschicht 7 über eine
geeignete Distanz von einem Ende der Faser entfernt. Das Ende der
Faser wird dann in einen Kessel 9 getaucht, siehe 3, welcher eine ätzende Flüssigkeit
in Form von mit Wasser verdünnter
Flusssäure,
möglicherweise
gemischt mit Ammonium Fluorid, NH4F, enthält, wobei diese
mit einem Mixer, wie bei 11 gezeigt, durchmischt wird.
Wenn das Glas in der Faser mittels einer der genannten Flüssigkeiten
geätzt
wird, dann wird der höher
dotierte Faser Kern 3 schneller geätzt als der Mantel 5,
wodurch eine Mulde oder Vertiefung 13 in der End-Oberfläche der
Faser, siehe 1, erzeugt
wird. Die Mulde 13 kann mehr oder weniger genau im innersten
Kern 3 der Faser angeordnet werden, abhängig vom Typ der Faser. Ein
kontinuierlicher Übergang
in der End-Oberfläche
zwischen dem Bereich des Faser Kerns und dem Bereich der Ummantelung
wird jedoch immer erhalten, auch für Fasern mit abgestuften Brechungsindizes.
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Die
End-Oberfläche
der Faser 1, welche die Mulde oder Vertiefung 13 im
Bereich des Kerns enthält,
wird dann an die End-Oberfläche
einer anderen Faser gespleißt.
Der Spleißprozess
wird vorteilhaft durch verschmelzendes Schweißen ausgeführt, wobei die Heizung in der
einen oder anderen Weise erreicht wird, mittels eines elektrischen
Lichtbogens, wie anschließend
beschrieben wird, oder mittels eines Laserstrahls, einer Wasserstoffgas-Flamme,
etc. Ebenso ist ein rein mechanischer Spleiß vorstellbar, wie zum Beispiel
mit parallel ausgerichteten V-Nuten in einer geeigneten Halterung.
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Die
Faser 1, enthaltend die Mulde 13 in einer End-Oberfläche, wird
also als eine der Fasern in eine allgemein mit 15 bezeichnete
Faser-Schweißvorrichtung,
für welche
einige zentrale Teile in 4 illustriert
sind, eingelegt. Das Faser-Stück 1 wird
sodann in einer Führung
in einem Einspannfutter 17, welche in der Schweißmaschine 15 auf
einer Auflage 19 angebracht ist, befestigt. In dem gegenüberliegenden Einspannfutter 17' ist eine ähnliche
Faser platziert, welche auf übliche
Weise gerade abgeschnitten und nicht zur Herstellung einer Mulde 13 bearbeitet
wurde. In der Faser-Schweißmaschine 15 werden
die Elektroden 20 durch Anlegen einer hohen Spannung aktiviert,
wobei sich ein elektrischer Lichtbogen zwischen diesen ausbildet.
Es entwickelt sich Hitze, so dass die Enden der Fasern 1 und 1' schmelzen,
wobei diese Enden während
des Schweißens
sehr nahe aneinander angeordnet sind. Wenn die Faserenden ausreichend
geschmolzen sind, können
sie etwas gegeneinander gedrückt
werden, so dass das geschmolzene Material zusammenfließt und.
die Fasern miteinander verschweißt werden, wonach der elektrische
Lichtbogen durch Unterbrechung der Spannungsversorgung der Elektroden 20 abgeschaltet
wird, und wonach der Spleiß letztlich
abkühlen kann.
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Eine
zusammengesetzte Faser wird erhalten, wie in 2 illustriert, mit den Enden der beiden Fasern 1 und 1' im Schweißbereich 21 aneinander geschweißt. Wegen
der Mulde 13 im Ende einer der Fasern ist nach dem Schweißen eine
kleine Luftblase oder ein Hohlraum 23 im Faser-Kern der
spleißgeschweißten Faser
entstanden. Wie bis jetzt beobachtet werden konnte, ist diese Blase
vollständig
im Faser-Kern eingeschlossen und in jedem Falle im Wesentlichen
immer im Bereich des Kerns angeordnet, d. h. innerhalb des zentralen
Bereiches der Faser, in welchem der Brechungsindex variiert und
sich unterscheidet vom Brechungsindex im Hauptteil des Mantels 5.
Diese Luftblase 23 ist eine Diskontinuität im Faserkern
und wirkt als ein Reflektor oder Spiegel für eine elektromagnetische Welle
die in der optischen Faser übertragen
wird.
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Die
resultierende Blase 23 muss eine Größe haben, die das Strahlungsfeld
einer Lichtwelle, die sich entlang der optischen Faser ausbreitet,
beeinflusst. Das bedeutet, dass deren Dimension generell in der
gleichen Größenordnung
liegen sollte wie der Durchmesser des Faser-Kerns und dass deren kleinstes
Quermaß,
gewöhnlich
gleich zu deren Breite, gesehen in longitudinaler Richtung der Faser,
z. B. etwa 1/5 oder 1/10 des Kern-Durchmessers überschreiten muss. Außerdem sollte
der Hohlraum die Lichtwelle nicht zu stark stören, da es in den meisten Fällen erwünscht ist,
dass die Lichtwelle sich auch weiter in der Faser ausbreitet, wenn
auch mit reduzierter Intensität.
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Die
Größe der resultierenden
Blase 23 und damit die Stärke der Reflexion an der Blase 23 kann nach
dem Verschweißen
der Fasern 1 und 1' bis
zu einem bestimmten Ausmaß variiert
werden, durch Wiederholung der Erhitzung bis zum Schmelzpunkt oder
nahe dem Schmelzpunkt des geschweißten Spleißes, z. B. mittels eines elektrischen
Lichtbogens in der Schweiß-Vorrichtung 15.
In den weiteren Erhitzungs-Prozeduren werden die Dimensionen der
eingeschlossenen Blase mehr und mehr reduziert und damit auch die
Reflektivität
oder alternativ die Abschwächung.
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Eine
Luftblase 23, in dieser Weise im Bereich des Kerns erzeugt,
bedingt Reflexionen für
Licht verschiedener Wellenlängen.
Es war bisher möglich,
die Reflektivität
durch die Bedingungen des Herstellprozesses um –20 dB und darunter zu variieren.
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Ein
Verfahren die auf der eingeschlossenen Luftblase 23 basierende
Reflektivität
zu erhöhen kann
darin bestehen, vor dem Spleißen
der Faser-Enden die geätzte
Mulde 13 mit einer anderen Substanz als Luft zu füllen. Ein
Beispiel hierfür
ist in 5 und 6 illustriert. In 5 ist also ein Abschnitt
eines Faser-Endes gezeigt, welches eine geätzte Mulde hat, in welcher
eine Metall-Schicht über die
ganze flache End-Oberfläche,
speziell über
den senkrechten Schnitt, des Faser-Endes aufgebracht ist und über die
Mulde 13. Diese Schicht 25 kann eine Metallschicht
sein, die durch ein Beschichtungsverfahren, wie z. B. Bedampfung,
aufgebracht wurde. Danach wird der Großteil dieser Schicht 25 von
der End-Oberfläche
der Faser entfernt, wie im Schnittbild in 6 illustriert. Wenn die End-Oberfläche der
Faser nun in geeigneter Weise poliert wird, dann wird metallisches
Material in der Mulde 13 verbleiben, jedoch nicht auf anderen
Teilen der End-Oberfläche. Das
Material 27, welches in der Mulde 13 verbleibt, wird
die Reflexionen in der fertig gestellten Faser verstärken, welche,
in der gleichen Weise wie oben beschrieben, erhalten wird durch
Verschweißen
des Endes der Faser 1 mit einer anderen optischen Faser,
deren End-Oberfläche
keine spezielle Bearbeitung erhalten hat.
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In 7 ist schematisch dargestellt,
wie eine optische Faser 1, 1', die in dieser Weise hergestellt wurde,
und welche eine Luftblase oder Diskontinuität enthält, dazu verwendet werden kann,
die Funktion eines Faser-optischen Netzwerks zu überprüfen, vergleiche die internationale
Patentanmeldung mit der Publikationsnummer WO 90/06498. Eine Kontroll- und Überwachungs-Einheit 29,
welche z. B. OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) anwenden kann,
ist in geeigneter Weise an die Haupt-Leitung 31 in einem
optischen Faser-Netzwerk gekoppelt. Die Haupt-Leitung 31 ist
außerdem
an einen optischen Koppler 33 angeschlossen, von welchem
individuelle Zweig-Leitungen 35 ausgehen. In jede Zweig-Leitung 35 ist
eine geschweißte
Einheit eingebunden, bestehend aus gespleißten Fasern 1, 1', welche einen
in den Spleiß eingebauten
Reflektor 21 enthalten. Die Kontroll- und Überwachungs-Einheit 29 emittiert Licht-Pulse
in die Hauptleitung 31, welche weiter in die Zweig-Leitungen 35 verteilt
werden. Das emittierte Licht wird an den Reflektoren 21 in
den Faser-Verbindungen 1, 1' reflektiert und die Kontroll-
und Überwachungs-Einheit 29 registriert
das zurück
kommende Licht. Wenn die Reflektoren sich in unterschiedlichen optischen
Entfernungen von der Kontroll- und Überwachungs-Einheit 29 befinden,
dann können
die Reflexionen aus verschiedenen Zweig-Leitungen individuell erkannt
werden. Wenn es in einer Zweig-Leitung 35 eine Unterbrechung
gibt, dann wird die frühere
Reflexion vom Reflektor 21 in dieser Zweig-Leitung entfallen
und damit wird es möglich, zu
entscheiden, welche der Zweig-Leitungen 35 fehlerhaft oder
gestört
ist. In diesem Fall kann die Kontroll- und Überwachungs-Einheit 29 einen
Alarm oder ein geeignetes Signal erzeugen, um anzuzeigen, dass die
fragliche Zweig-Leitung als fehlerhaft erkannt wurde.