DE69835486T2

DE69835486T2 - Optisches Faser-Gitter und sein Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69835486T2
Application number: DE69835486T
Authority: DE
Inventors: Ryozo Sakura-shi Yamauchi; Akira Sakura-shi Wada; Tetsuya Sakura-shi Sakai; Nobuyuki Sakura-shi Tanaka; Kensuke Shima; Kenji Sakura-shi Nishide; Shigefumi Sakura-shi Yamasaki
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1997-09-11
Filing date: 1998-06-01
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2018-06-02
Also published as: US6442313B2; KR100336846B1; US20010019643A1; TW386164B; CA2239276C; JPH1184151A; EP0902308A1; KR19990029213A; CN1097206C; US6298183B1; DE69835486D1; EP0902308B1; CN1210985A; CA2239276A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein faseroptisches Gitter sowie ein Herstellungsverfahren desselbigen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zu geringen Kosten hergestellt werden und weisen im Verlauf der Zeit geringe Veränderungen auf. Die vorliegende Beschreibung basiert auf der in Japan eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 9-247292, deren Inhalt hierin mittels Verweis aufgenommen ist.
Ein optisches Wellenleitergitter weist eine räumlich-periodische Störung der Wellenleiterstruktur auf, die in Längsrichtung einer optischen Faser oder eines Schaltkreises mit ebener Lichtwelle (PLC = planar lightwave circuit) ausgebildet ist.
Dieses optische Wellenleitergitter ist eine Vorrichtung, die durch Erzeugung von Kopplungen zwischen den gegenseitig festgelegten Moden, Lichtverluste in einem vorgegebenen Wellenlängenband bewirken kann. Aufgrund dieser Eigenschaft kann die Vorrichtung somit als Vorrichtung vom Kopplungstyp zur Auslöschung von Licht für bestimmte Wellenlängenbänder und als Vorrichtung vom Kopplungstyp zwischen festgelegten Moden verwendet werden.
Das optische Wellenleitergitter kann je nach Verhältnis zwischen den Kopplungsmoden in einen reflektierenden und einen ausstrahlenden Typ eingeteilt werden.
Dabei soll die Richtung des Lichteinfalls für den optischen Wellenleiter die positive Richtung und eine dieser Richtung entgegengesetzte Richtung die negative Richtung sein.
Ein optisches Wellenleitergitter vom reflektierenden Typ weist die Eigenschaft auf, Licht festgelegter Wellenlängen durch Kopplung einer Mode, die sich durch den Kern in positiver Richtung fortpflanzt sowie einer Mode, die sich durch den Kern in negativer Richtung fortpflanzt, zu reflektieren.
Ein optisches Wellenleitergitter vom ausstrahlenden Typ weist die Eigenschaft auf, auszustrahlen, indem es eine Mode, die sich durch den Kern fortpflanzt und eine Mode, die sich durch den Mantel fortpflanzt, koppelt, um so diese Eigenschaft zu erhalten, indem das Licht mit festgelegter Wellenlänge, das vom Wellenleiter nach außen ausgestrahlt und anschließend abgeschwächt wird, vorliegt.
Die periodische Störung in der Wellenleiterstruktur für ein optisches Wellenleitergitter kann nun ausgebildet werden, indem der Brechungsindex für den Kern oder den Kerndurchmesser verändert wird.
Das im Allgemeinen verwendete Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleitergitters besteht darin, den Brechungsindex für den Kern durch einen photorefraktiven Effekt zu ändern (wird auch „photosensitiver Effekt" genannt).
Der photorefraktive Effekt ist ein Phänomen, bei dem ein Anstieg des Brechungsindexes für Quarzglas beobachtet wird, wenn beispielsweise Quarzglas mit Germanium als Dotiermittel mit UV-Strahlen im Bereich einer Wellenlänge von 240 nm bestrahlt wird.
Im Folgenden wird als Beispiel eine spezifische Beschreibung der optischen Faser konkret dargelegt.
14 ist eine schematische Anordnungzeichnung, die das Herstellungsverfahren für ein herkömmliches faseroptisches Gitter beschreibt.
In der Zeichnung steht das Bezugssymbol 11 für eine optische Faser, wobei die optische Faser 11 aus ihrem Hauptteil, Kern 11a, und einem Mantel 11b, der auf dem Außenumfang des Kerns 11a bereitgestellt ist, besteht.
Diese optische Faser 11 ist beispielsweise eine optische Faser, die bei einer Wellenlänge von 1,55 μm als eine Einfachmode (die "optische Einmodenfaser") wirkt.
Der Kern 11a besteht aus mit Germanium dotiertem Quarzglas. Germanium wird zum Quarzglas normalerweise als Germaniumdioxid zugesetzt.
In diesem Beispiel besteht der Kern 11a aus Quarzglas, das zu 5 Gew.-% aus Germaniumdioxid besteht, und der Mantel 11b besteht aus Quarzglas, dessen Reinheit im Grunde etwa in einer Konzentration vorliegt, bei der das Dotiermittel ignoriert werden kann (im weiteren Verlauf als "reines Quarzglas" bezeichnet).
Im weiteren Verlauf kann reines Quarzglas oder mit einem Dotiermittel versetztes Quarzglas hin und wieder als "Glas auf Siliziumdioxidbasis" bezeichnet werden.
Das Bezugssymbol 12 ist eine Phasenmaske, wobei diese Phasenmaske 12 aus Quarzglas besteht. Eine Vielzahl an Gittern 12a ist in vorgeschriebenen Abständen an der einen Seite ausgebildet.
Der Gitterabschnitt 13 kann auf folgende Weise ausgebildet sein: und zwar wird ein UV-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 240 nm aus einem UV-Lasergenerator (nicht angeführt) auf die Seitenoberfläche der optischen Faser 11 über die Phasenmaske 12 gestrahlt.
Als UV-Lasergenerator wird ein KrF-Excimerlaser und dergleichen verwendet.
Dadurch wird ein Interferenzstreifen aus gebeugtem Licht positiver erster Ordnung und negativer erster Ordnung durch die Gitter 12a der Phasenmaske 12 aus der Strahlung des UV-Laserstrahls erzeugt. Dann verändert sich der Brechungsindex für jenen Teil des Kerns 11a, in dem dieser Interferenstreifen erzeugt wurde, woraus sich ergibt, dass der relative Brechungsindexunterschied zwischen dem Kern 11a und dem Mantel 11b verändert wird.
Auf diese Weise ergibt sich entlang der Längsrichtung der optischen Faser 11 eine periodische Veränderung bezüglich des Brechungsindexes für den Kern 11a. Anschließend wird ein Gitterabschnitt 13 erhalten, der mit einer periodischen Veränderung hinsichtlich des relativen Brechungsindexes zwischen dem Kern 11a und dem Mantel 11b ausgebildet ist.
Dabei ist die Gitterperiode, welche die Periode der Änderung im Brechungsindex des Kerns 11a (Periode des relativen Brechungsindexunterschieds zwischen Kern 11a und Mantel 11b) darstellt, dafür entscheidend, ob das faseroptische Gitter eines vom ausstrahlenden Typ oder vom reflektierenden Typ ist.
Wenn nun angenommen wird, dass die Fortpflanzungskonstante der sich in der optischen Faser fortpflanzenden Mode, β1 ist, und die Fortpflanzungskonstante der zu koppelnden Mode β2 ist, ergibt sich für den Unterschied in den Fortpflanzungskonstanten zwischen diesen Kopplungsmoden, Δβ, folgende Gleichung (1): Δβ = β1 – β2 Gleichung (1).
Die Gitterperiode Λ ist durch nachstehende Gleichung (2) angeführt, worin: Λ = 2π/Δβ Gleichung (2)
Dabei wird angenommen, dass die Fortpflanzungskonstanten β1 und β2 für das Licht in Richtung des Lichteinfalls positiv und in der dem Lichteinfall entgegengesetzter Richtung negativ sind.
Die Näherungswerte von β1 und β2 entsprechen in etwa 2π geteilt durch die Wellenlängen des Lichts, das sich in der optischen Faser fortpflanzt. Die Größenordnungen der Werte entsprechen in etwa der Wellenlänge von Licht in Vakuum geteilt durch den Brechungsindex der optischen Faser.

Die Größenordnungen der verschiedenen Werte sind zur Orientierung beispielsweise wie folgt festgelegt:

Lichtwellenlänge (im Vakuum):	1,55 μm.
Brechungsindex der optischen Faser:	etwa 1,5.
Lichtwellenlänge in der optischen Faser
(Wellenlänge im Leiter):	etwa 1 μm.
β1 und β2:	etwa 2π Rad/μm.

Wenn die Gitterperiode Λ kurz ist, wirkt die optische Faser als eine vom reflektierenden Typ, und wenn die Gitterperiode lang ist, wirkt das faseroptische Gitter als eines vom ausstrahlenden Typ.
Daher gibt es Fälle, in denen das faseroptische Gitter vom reflektierenden Typ als "kurzperiodenfaseroptisches Gitter" und das faseroptische Gitter vom ausstrahlenden Typ als "langperiodenfaseroptisches Gitter" bezeichnet wird.
Wenn die Gitterperiode Λ beispielsweise 0,5 μm beträgt, ist das verwendete faseroptische Gitter vom reflektierenden Typ. Dabei wird eine bestimmte Lichtmode, die an einem Ende dieses faseroptischen Gitters (optische Faser 11) einfällt, mit der anderen Mode gekoppelt, die im Kern 11a in einer Richtung verläuft, die jener des Lichteinfalls (die negative Richtung) entgegengesetzt ist, und dadurch zu einem reflektierten Licht wird.
Dieses reflektierte Licht erleidet im austretenden Licht einen Verlust, sodass es gegebenenfalls als Vorrichtung zur Verleihung eines Verlusts in einem festgelegten Wellenlängenband verwendet wird.
Der Wert der Gitterperiode Λ von 0,5 μm entspricht zu diesem Zeitpunkt ungefähr der Hälfte der Lichtwellenlänge in der optischen Faser (Wellenlänge im Leiter), was als zuvor angeführter Leiter angegeben wurde. Dass Störungen mit einer derartig kurzen Dauer in Längsrichtung der optischen Faser 11 verliehen werden, ist ein Hinweis darauf, dass das Licht die Eigenschaft erhält, in entgegengesetzter Richtung reflektierend zu sein.
Im Gegensatz dazu ist das faseroptische Gitter vom ausstrahlenden Typ eines, für das die Gitterperiode Λ der Gleichung (2) lang ist. Wenn das faseroptische Gitter vom ausstrahlenden Typ ist, beträgt die Gitterperiode Λ üblicherweise mehrere zehn bis mehrere hundert μm.
Die Tatsache, dass die Gitterperiode Λ lang ist, weist darauf hin, dass der Unterschied in den Fortpflanzungskonstanten zwischen den Moden lang ist, der im Kopplungsvorgang verwendete Δβ klein ist, und dass zwischen den zwei Moden, die sich in gleicher Richtung fortpflanzen, Kopplungen erzeugt werden können.
Die Mode, die Licht auf dieses faseroptische Gitter einfallen läßt und mit der Mantelmode koppelt, wird als ausstrahlendes Licht vom Kern nach außen ausgestrahlt und abgeschwächt. Das so ausgestrahlte Licht der Mode erleidet einen Verlust im abgehenden Licht, sodass dieses faseroptische Gitter als Vorrichtung zur Verleihung eines Verlusts im vorgeschriebenen Wellenlängenband verwendet werden kann.
Ein Beispiel für dieses faseroptische Gitter vom ausstrahlenden Typ ist in der japanischen Patentanmeldung mit der Erstveröffentlichungsnummer Hei 7-283786 offenbart.
In dieser Veröffentlichung wurde ein faseroptisches Gitter vom ausstrahlenden Typ offenbart, wobei ein Laserstrahl mit einem KrF-Laser durch eine Amplitudenmaske auf eine optische Faser mit einem Kern, der aus mit Germanium dotierten Quarzglas besteht, strahlt und ein faseroptisches Gitter ausgebildet ist, bei dem die Änderung des Brechungsindexes des Gitters mit einer Periode im Bereich von 50 bis 1.500 μm im Kern der optischen Faser beträgt.
Die nachstehenden Probleme bestanden jedoch bei faseroptischen Gittern nach dem Stand der Technik.
Die Kombinationen der Wellenlängen der Lichtquelle und des Dotiermittels, das zur optischen Faser zugesetzt wird, sind nämlich eingeschränkt. Folglich sind die Arten von Lichtquellen ebenfalls eingeschränkt.
Um bei der Herstellung von faseroptischen Gittern den Vorteil des photorefraktiven Effekts zu nutzen, werden die optischen Fasern, realistisch gesehen, auf jene beschränkt, denen Germanium im Kern zugesetzt ist, und die Wellenlängen, die im mit Germanium dotierten Quarzglas eine Lichtbrechungswirkung bewirken können, sind auf Wellenlängen in der Nähe von 240 nm eingeschränkt.
Als Lasergeneratoren, die UV-Laserstrahlen solcher Wellenlängen ausstrahlen können, sind KrF-Excimerlaser, die zweite Harmonische des Argonlasers mit einem Band bei 480 nm und dergleichen beinhaltet. Davon sind jedoch alle kostenintensiv, was zur Erhöhung der Herstellungskosten beiträgt.
Darüber hinaus weist die Veränderung des Brechungsindexes für das mit Germanium dotierte Quarzglas, die durch einmaliges Bestrahlen mit einem UV-Laserstrahl aus einem KrF-Excimerlaser und dergleichen erhalten wird, eine Größenordnung von 10^–4 bis 10^–3 auf und ist folglich nicht so groß. Daher ist es erforderlich, dass eine vorgegebene Stelle viele Male mit einem UV-Laserstrahl bestrahlt wird, um eine relativ große Veränderung des Brechungsindexes zu erhalten, was eine Verlängerung des Herstellungsverfahrens mit sich bringt.
Da die Veränderung des Brechungsindexes der optischen Faser aufgrund des photorefraktiven Effekts auf den strukturellen Defekten von Quarzglas beruht, kommt es zu keiner ausreichenden Stabilität.
Speziell die Veränderung des Brechungsindexes, die im mit Germanium dotierten Quarzglas verursacht wird, weist eine deutliche Veränderung innerhalb mehrerer Stunden unter der Bedingung einer Umgebung mit einer hohen Temperatur von 200 °C oder mehr auf. Es war auch bekannt, dass eine wesentliche Reduktion der Veränderung des Brechungsindexes bei Temperaturen über 300 °C stattfindet.
Im US-Patent 5.411.566 ist ein faseroptischer Raummoden-Umwandler offenbart, der periodische Kernverformungen verwendet, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Der Kern wird verformt, indem zuerst der Fasermantel in periodischen Abständen abgeschmolzen und der Mantel anschließend getempert wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellungsverfahren für ein wie in Anspruch 1 dargelegtes faseroptisches Gitter bereitgestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine wie in Anspruch 6 dargelegte optische Faser bereitgestellt.
Mit vorliegender Erfindung ist es folglich möglich, ein faseroptisches Gitter herzustellen, das hohe Herstellungseffizienz aufweist ohne dafür teure Geräte zu benötigen.
Die vorliegende Erfindung kann auch die Herstellung eines faseroptischen Gitters ermöglichen, das stabile Gittereigenschaften im Verlauf der Zeit aufweist, und ein Herstellungsverfahren dafür bereitstellen.
Durch vorliegende Erfindung können nachstehende Wirkungen erzielt werden:
Da die Heizmittel zur Ausbildung des Gitterabschnitts nicht auf die Wellenlänge des betreffenden Laserstrahls beschränkt sind, können nämlich statt teurem Gerät, wie z.B. Excimerlasern, relativ kostengünstige Kohlendioxidgaslaser und dergleichen verwendet werden.
Da ferner die zur Erweichung des Mantels benötigte Laserleistung relativ gering ist, wird die Spannung des Kerns abgebaut, sodass der Brechungsindex erhöht werden kann, sogar wenn die Anzahl der die optische Faser durchkreuzenden Abtastungen gering ist.
Folglich sind die Kosten der Herstellungsgeräte gering, die Herstellungszeit kurz, der Arbeitsvorgang einfach und die Herstellungseffizienz herausragend. Daher kann eine Senkung der Kosten erreicht werden.
Da die periodischen Veränderungen für den Brechungsindex des Kerns (räumlich-periodische Veränderungen für den relativen Brechungsindexunterschied zwischen dem Kern und dem Mantel) dieses faseroptischen Gitters strukturell erfolgen, kommt es hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs zu geringen Veränderungen, wodurch ein faseroptisches Gitter erhalten wird, dass über einen langen Zeitraum hinweg stabil ist.
Das erfindungsgemäße faseroptische Gitter kann die Wellenlängenabhängigkeit von optischen Vorrichtungen, wie z.B. Lichtquellen, Photodetektoren, Lichtverstärkern, optischen Fasern und dergleichen, die in der Verstärkungswellenlängeneigenschaft eine Wellenlängenabhängigkeit aufweisen, verringern, sodass es in verschiedenen optischen Kommunikationssystemen verwendet werden kann.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben, worin:
1 eine perspektivische Ansicht ist, die das Ziehverfahren für die vorliegende Erfindung zeigt;
2 eine schematische Darstellung einer Vergrößerungsansicht des faseroptischen Teils im Innern des Heizelements eines in 1 gezeigten Heizofens ist;
3 eine schematische Darstellung einer Vergrößerungsansicht der optischen Faser am Äußeren des Heizelements eines in 1 gezeigten Heizofens ist;
4 eine schematische Darstellung der Zugspannung im Kern des faseroptischen Teils und der Druckbeanspruchung im Mantel ist;
5 ein Diagramm ist, welches das Verhältnis zwischen Temperatur und Viskosität für reines Quarzglas zeigt, wobei das Quarzglas zu 3 Gew.-% mit Fluor und Germaniumdioxid dotiert ist;
in 6 6A eine schematische Konstruktionszeichnung ist, die den Aufbau des Formgeräts für den Gitterabschnitt darstellt und 6B eine veranschaulichende graphische Darstellung ist, welche den Abtastvorgang des Laserstrahls zeigt;
7 ein Diagramm ist, das die Veränderung des relativen Brechungsindexunterschieds in Längsrichtung des Gitterabschnitts des durch eine Ausführungsform zur Herstellung der vorliegenden Erfindung erhaltenen faseroptischen Gitters schematisch darstellt;
8 eine veranschaulichende graphische Darstellung ist, welche die Arbeitsweise des durch eine Ausführungsform zur Herstellung der vorliegenden Erfindung erhaltenen faseroptischen Gitters schematisch darstellt;
9 ein Diagramm ist, das die Wellenlängenübertragungs-Verlusteigenschaft des durch eine Ausführungsform zur Herstellung der vorliegenden Erfindung erhaltenen faseroptischen Gitters schematisch darstellt;
10 eine schematische Konstruktionszeichnung ist, die ein Beispiel des mit einem Lichtverstärker ausgestatteten faseroptischen Kommunikationssystems, welches das faseroptische Gitter der vorliegenden Erfindung verwendet, zeigt;
11 ein Diagramm ist, das die Wellenlängenverstärkungseigenschaft des mit Erbium dotierten optischen Faserverstärkers zeigt;
12 ein Diagramm ist, das die Wellenlängenverstärkungseigenschaft des faseroptischen Gitters zeigt;
13 ein Diagramm ist, das die Wellenlängenverstärkungseigenschaft eines optischen Kommunikationssystems zeigt, das erhalten wird, wenn ein Lichtverstärker und das faseroptische Gitter miteinander kombiniert werden.
14 eine graphisch veranschaulichte Konstruktionszeichnung ist, die das Herstellungsverfahren eines faseroptischen Gitters nach dem Stand der Technik beschreibt.
Im Folgenden wird ein faseroptisches Gitter der vorliegenden Erfindung nach Beschreibung des Herstellungsverfahrens davon detailliert beschrieben.
Das Verfahren besteht aus dem Verfahren zum Ziehen einer optischen Faser, damit die optische Faser erhalten wird, die mit einem Kern mit Restspannung bereitgestellt ist, und einem Formverfahren zur Ausbildung eines Gitterabschnitts, welcher den Gitterabschnitt auf dieser optischen Faser ausbildet.
(1) Verfahren zum Ziehen der optischen Faser
Zuerst wird die im faseroptischen Gitter verwendete optische Faser hergestellt.
Diese optische Faser verfügt selektiv hauptsächlich im Kerninneren über Restspannung und weist darüber hinaus die Eigenschaft auf, dass diese Spannung durch Erhitzen abgebaut und freigesetzt wird.
Eine solche optische Faser kann beispielsweise durch Erhitzen einer Vorform (Basismaterial für die Faser) und Ziehen hergestellt werden, um eine optische Faser zu ergeben, indem der Temperaturunterschied zwischen der Erweichungstemperatur des Kerns und der Erweichungstemperatur des Mantels genutzt, der Kern in geschmolzenem Zustand vor der Ummantelung verfestigt und eine vom Ziehen stammende Restspannung im Kerninneren selektiv zurückgelassen wird.
Im Folgenden sind konkrete Beschreibungen angeführt.
Zuerst wird eine Vorform angefertigt.
Diese Vorform besteht in ihrem Mittelpunkt aus einem zylinderförmigen Kern und einem Mantel, der am Außenumfang bereitgestellt ist.
Ferner ist der Brechungsindex des Materials, aus dem der Kern besteht, höher als jenes Materials, aus dem der Mantel besteht. Auch die Erweichungstemperatur des Material, aus dem der Kern besteht, ist höher als jenes Materials, aus dem der Mantel besteht.
Darüber hinaus ist das Verhältnis zwischen Kerndurchmesser und Mantelaußendurchmesser dieser Vorform vorzugsweise so eingestellt, dass die nach dem Ziehen erhaltene optische Faser eine optische Einmodenfaser ist. Anders gesagt ist die im faseroptischen Gitter für die vorliegende Erfindung verwendete optische Faser vorzugsweise eine optische Einmodenfaser.
Eigentlich kann das faseroptische Gitter der vorliegenden Erfindung sogar dann ausgebildet werden, wenn die optische Faser eine optische Mehrmodenfaser ist.
Die optische Einmodenfaser weist jedoch, in Bezug auf die Querschnittsfläche des Kerns, eine ausreichend große Querschnittfläche des Mantels auf, sodass sie sich dafür eignet, dass die Restspannung selektiv im Kern zurückbleibt, wie später beschrieben wird.
Die in Zusammenhang mit den Brechungsindexen stehenden Bedingungen sind jene Bedingungen, unter denen die optische Faser mit dem Kern, der als Wellenleiter dient, betrieben wird.
Bedingungen in Zusammenhang mit den Erweichungstemperaturen sind jene Bedingungen zum Zeitpunkt des Erhitzens der Vorform und des Ziehens, damit daraus eine optische Faser entsteht und der Kern in geschmolzenem Zustand vor der Ummantelung verfestigt wird.
Die Details sind später beschrieben; der Richtwert für die Verfestigung dieses Kerns und Mantels ist jedoch die Glastemperatur. Das Verhältnis zwischen den Glastemperaturen im Kern und Mantel entspricht dem Verhältnis der zuvor erwähnten Erweichungstemperatur, wenn der Abkühlungszustand (Messbedingungen) konstant ist. Dies bedeutet, dass da die Erweichungstemperatur des Mantels während des Ziehens unter der Erweichungstemperatur des Kerns liegt, die Glastemperatur des Mantels so eingestellt wurde, dass sie unter der Glastemperatur des Kerns liegt.
Diese Bedingung hinsichtlich Erweichungstemperatur stellt auch eine erforderliche Bedingung im Formverfahren des Gitterabschnitts dar, was ebenfalls später beschrieben wird.
Es war bekannt, dass durch Zusetzen von Dotiermitteln die Erweichungstemperatur von Quarzglas im Allgemeinen drastisch gesenkt wird.
Um in der Folge einen für die Erweichungstemperatur erforderlichen Temperaturunterschied (den Temperaturunterschied der Glastemperaturen) zu erhalten, ist es notwendig, dass die zugesetzte Menge des Dotiermittels für den Kern Null oder gering ist, und dass die zugesetzte Menge des Dotiermittels für den Mantel relativ groß ist.
Wie zuvor erwähnt, ist es erforderlich, dass der Brechungsindex des Kerns höher als der Brechungsindex für den Mantel angelegt ist.
Daher ist das zum Kern für diesen Zweck zugesetzte Dotiermittel im Allgemeinen Germanium oder dergleichen. Germanium bewirkt, dass der Brechungsindex des Quarzglases steigt.
Es ist wichtig, dass das zum Mantel zugesetzte Dotiermittel eine solche Eigenschaft aufweist, dass es den Brechungsindex des Quarzglases senkt. Ein solches Dotiermittel ist entweder auf Fluor oder Bor beschränkt.
In vorliegender Erfindung ist, wie zuvor erläutert, die Zugabe eines Dotiermittels in Bezug auf den Kern nicht unbedingt erforderlich. Sogar wenn eines zugesetzt wird, beispielsweise Germanium, ist die Menge gering, mit weniger als oder gleich 1 Gew.%. In Bezug auf die Umwandlungstemperatur des Mantels ist es eher üblich, dass der Kern aus Quarzglas besteht, dem kein Dotiermittel zugesetzt wurde.
Die als Dotiermittel für den Mantel zugesetzte Menge beispielsweise im Fall von Fluor liegt in einer Konzentration im Bereich von 1 bis 3 Mol-% (0,3 bis 1 Gew.-%) vor.
Eigentlich werden für die Herstellungsbedingungen geeignete Einstellungen vorgenommen, einschließlich der Materialzusammensetzungen für den Kern und den Mantel dieser Vorformen, der Temperatur beim Ziehen, der Spannung beim Ziehen (Ziehgeschwindigkeit) und dergleichen, sodass der erforderliche Temperaturunterschied für die Umwandlungstemperaturen des Glases (die Erweichungstemperaturen) sowie der gewünschte relative Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel durch die im Kern selektiv zurückbleibende Spannung erhalten werden.
In diesem Beispiel besteht der Kern beispielsweise aus so reinem Quarzglas, dass für sämtliche praktische Zwecke Unreinheiten ignoriert werden können und eine Vorform verwendet wird, die aus Quarzglas mit zugesetztem Fluor besteht (im weiteren Verlauf kann dies mitunter als "mit Fluor dotiertes Quarzglas" bezeichnet werden), zu der 1 Mol-% Fluor zum Mantel als Dotiermittel zugesetzt wurde.
Wie oben erwähnt weist das mit Fluor dotierte Quarzglas einen Brechungsindex auf, der unter jenem von reinem Quarzglas liegt und dessen Erweichungstemperatur darüber hinaus geringer als jener von reinem Quarzglas wird.
Im mit Fluor dotierten Quarzglas, dem Fluor zugesetzt wurde, um dessen Brechungsindex um ca. 0,3 % im Vergleich zu jenem von reinem Quarzglas zu senken, wird die Erweichungstemperatur beispielsweise um etwa 100 °C gesenkt.
Da das Verhältnis der Glastemperatur dem Verhältnis der Erweichungstemperatur entspricht, wird die Umwandlungstemperatur des mit Fluor dotierten Quarzglases, wie oben dargelegt, niedriger als die Umwandlungstemperatur von reinem Quarzglas.
In diesem Beispiel beträgt der relative Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel der Vorform etwa 0,35 %.
Auch die Erweichungstemperatur des Kerns beträgt etwa 1.600 °C, und die Erweichungstemperatur des Mantels beträgt etwa 1.400 °C.
Der Kerndurchmesser der Vorform beträgt 3,5 mm, und der Außendurchmesser des Mantels (der Außendurchmesser der Vorform) beträgt 50 mm, damit ermöglicht wird, dass aus dieser Vorform eine optische Einmodenfaser erhalten wird. Hinsichtlich Kerndurchmesser bedeutet dies, das der Außendurchmesser des Mantels etwa 14-mal größer und somit ausreichend groß ist.
1 ist eine schematische Zeichnung, die das Ziehverfahren für die optische Faser darstellt, wobei das Bezugssymbol 1 für eine Vorform steht und 2 eine Heizofen-Heizeinheit ist.
Diese Vorform 1 wird durch ein Heizelement des Heizofens 2 von oben eingeführt und mit einer Zugspannung S von 100 g oder dgl. gezogen, während gleichzeitig beispielsweise auf 1.950 °C erhitzt wird. Daraufhin reduziert sich der Durchmesser der Vorform 1 nach unten hin, und es bildet sich ein konischer eingekehlter Teil 1a. Anschließend bildet sich ein gezogener faseroptischer Teil 3 und wird zu einer optischen Faser 4.
2 ist eine graphische Darstellung, die eine Vergrößerungsansicht des faseroptischen Teils 3 im Innern des Heizelements des in 1 gezeigten Heizofens ist.
Da die Temperatur im Innern des Heizelements des Heizofens 2 ausreichend hoch ist, wurden sowohl der Kern 1b als auch der Mantel 1c bei ausreichend geringer Viskosität geschmolzen. Anschließend werden die Durchmesser sowohl des Kerns 1b als auch des Mantels 1c durch die Ziehspannung S nach unten hin schrittweise verengt.
Als nächstes wird, wie in 3 gezeigt, der Durchmesser des faseroptischen Teils 3, der aus dem Äußeren der Heizofen-Heizeinheit 2 gezogen wurde, weiter verengt, und dessen Temperatur verringert.
Zu diesem Zeitpunkt verfestigt sich der Kern 1b vor dem Mantel 1c, da die Glastemperatur des Kerns 1b höher als die Glastemperatur des Mantels 1c ist, wodurch die Viskosität erhöht wird. Daraus ergibt sich, dass der Kern 1b eine solche Viskosität erzielt, dass er sich eher als elastischer Körper als ein so genannter viskoser Körper verhält.
Die Grenztemperatur des Punkts, an dem sich ein Glas entweder als flüssig oder als fest (elastischer Körper) verhält, ist die Glastemperatur (Tg) und wird als die Temperatur angesehen, bei der die Viskosität von herkömmlichem Glas 10^13·5 Poise erreicht.
5 ist ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen Temperatur und Viskosität zeigt.
Eine strichlierte Linie g zeigt den Viskositätswert von 10^13·5 Poise, der als Bezug für die Glastemperatur dient. Die geraden Linien A, B und C zeigen jeweils Eigenschaften von reinem Quarzglas, ein mit 3 Gew.-% Fluor dotiertes Siliziumdioxid und Germaniumdioxid.
Wie aus diesem Diagramm hervorgeht, ist die Glastemperatur des mit Fluor dotierten Quarzglases, verglichen mit jener von reinem Quarzglas, niedriger. Ferner weist Germaniumdioxid, das ein typisches Dotiermittel ist, eine Glastemperatur auf, die im Wesentlichen unter jener von reinem Quarzglas liegt. Folglich wird klar, dass die Zugabe eines Dotiermittels zur Verringerung der Glastemperatur führen kann.
Im weiteren Verlauf wird die Übergangstemperatur des Kerns 1b als Tg-Kern und die Glastemperatur des Mantels 1c als Tg-Mantel gekennzeichnet.
Wenn die Temperatur des faseroptischen Teils 3 unter jener von Tg-Kern und über jener von Tg-Mantel liegt, verfestigt sich somit der Kern 1b und verhält sich als elastischer Körper. Andererseits befindet sich der Mantel 1c nach wie vor in geschmolzenem Zustand, bei dem die Viskosität unter jener der Kerns 1b liegt.
Kurz gesagt, zieht die auf den Kern 1b angelegte Zugspannung S den Kern 1b als einen elastischen Körper, wie in 3 gezeigt, während andererseits der Mantel 1c in geschmolzenem Zustand gedehnt wird. Daher wird der Kern 1b elastisch gedehnt und befindet sich in einem Zustand, bei dem Zugspannung angelegt ist (elastische Beanspruchung), was durch einen Pfeil im Innern des Kerns 1b angezeigt wird.
Auf diese Weise verläuft der faseroptische Teil 3 einige Zeit nach unten hin bis der Mantel 1c verfestigt wird, der nach wie vor vom Kern 1b angelegt wird, für den sich die Zugspannung S als elastischer Körper verhält.
Indem sich der faseroptische Teil 3 nach unten hin bewegt, wird dessen Temperatur geringer als jener von Tg-Mantel. Daraufhin verfestigt sich der Mantel 1c, während an den Kern 1b nach wie vor die Zugspannung angelegt wird, und es wird die optische Faser 4 erhalten, die auf einen vorgeschriebenen Durchmesser eingestellt wurde.
Anders gesagt, wandelt sich die auf den Kern 1b angelegte Zugspannung in einen Zustand, worin er durch die Verfestigung des Mantels 1c gehalten wurde.
Dann bleibt diese Zugspannung dadurch, dass die Querschnittsfläche des Mantels 1c im Vergleich zur Querschnittsfläche des Kerns 1b außergewöhnlich viel größer ist, selektiv im Kern 1b, während der Mantel 1c praktisch keinen Einfluss nimmt.
Genau gesagt wird an den Mantel 1c, wie in 4 gezeigt, als Reaktion auf die durch einen Pfeil im Inneren des Kerns 1b angezeigte Zugspannung eine Druckspannung angelegt, die durch einen Pfeil im Inneren des Mantels 1c angezeigt ist. Da die Querschnittsfläche des Mantels 1c jedoch verglichen mit der Querschnittsfläche des Kerns 1b ausreichend groß ist, ist der Druckspannungswert gering und seine Auswirkungen vernachlässigbar.
Auf diese Weise kann die optische Faser 4 erhalten werden, die mit einem Kern 1b vorliegt, der über Restspannung (Zugspannung) verfügt, indem sie in einem Zustand gezogen wird, bei dem die Viskosität des Kerns 1b höher als die Viskosität des Mantels 1c ist.
Ein Beispiel für die Eigenschaften der optischen Faser 4, die mit diesem Beispiel erhalten wird, ist in Tabelle 1 angeführt.
[Tabelle 1]
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, verringert sich der relative Brechungsindexunterschied zwischen Kern 1b und Mantel 1c aufgrund der Restspannung auf einen Wert, der unter jenem der Vorform 1 liegt.
Im Gegensatz zum relativen Brechungsindexunterschied der Vorform 1 von 0,35 % beträgt der relative Brechungsindexunterschied für die daraus erhaltene optische Faser 4 in diesem Beispiel 0,25 %.
(2) Verfahren zur Ausbildung des Gitterabschnitts
Ein faseroptisches Gitter wird hergestellt, indem ein Gitterabschnitt auf der wie oben beschrieben erhaltenen optischen Faser 4 ausgebildet wird.
6A ist eine schematische Konstruktionszeichnung, die eine Heizvorrichtung 6 zeigt, aus welcher der Gitterabschnitt besteht.
Diese Heizvorrichtung 6 besteht auf einem Lasergenerator 6a, einem beweglichen Spiegel 6b, einer Linse 6c und einer Laserstrahlen-Abtastvorrichtung 6d.
Die Richtung eines Laserstrahls 7, der im Laserstrahlgenerator 6a erzeugt wird, wird somit vom beweglichen Spiegel 6b, wie z.B. einem reflektierenden Spiegel, einer Linse und dergleichen, gesteuert und zu einem Laserstrahlendurchmesser im Bereich von mehreren zehn bis mehreren hundert μm in Linse 6c gebündelt, womit eine Abtastung mit der Laserstrahlen-Abtastvorrichtung 6d erfolgen kann.
Die optische Faser 4 wird mit einer nicht angeführten Faserklemme fixiert und zusammen mit dieser Faserklemme auf einem Impulsmotor-betriebenen Feinabstimmungstisch angeordnet. Anschließend erfolgt eine solche Anordnung, dass die optische Faser ihrer Längsrichtung entlang mit diesem Feinabstimmungstisch bewegt werden kann.
Speziell wird zuerst die optische Faser 4 an der Faserklemme (nicht angeführt) fixiert und die optische Faser 4 zusammen mit der Faserklemme, an welcher sie fixiert ist, auf einem Impulsmotor-betriebenen Feinabstimmungstisch (nicht angeführt) angeordnet.
Als nächstes wird der Laserstrahl 7, wie durch einen Pfeil mit unterbrochenen Linien in 6B dargestellt, mit einer Laserabtastvorrichtung 6d von der äußeren Seitenoberfläche der optischen Faser heraus so zum Abtasten herangezogen, dass die Abtastung die optische Faser 4 in einer Richtung durchquert, die senkrecht zur Längsrichtung dieser optischen Faser 4 steht.
Zu diesem Zeitpunkt wird die optische Faser 4 auf eine Temperatur erhitzt, die zumindest jener der Erweichungstemperatur des Mantels 1c entspricht oder darüber liegt.
Speziell wird bevorzugt, die optische Faser über die Glastemperatur (Tg-Mantel) des Mantels 1c zu erhitzen, um eine ausreichende Weichheit zu erlangen. Die Temperatur muss jedoch so sein, dass der Kern 1b nicht zu weich wird.
Unter normalen Bedingungen beträgt diese Heiztemperatur 1.100 bis 1.700 °C.
Diese Heiztemperatur kann durch Verändern der Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls 7 eingestellt werden. Bei der eigentlichen Herstellung werden Vorversuche vorzugsweise bei verschiedenen Abtastgeschwindigkeiten ausgeführt, sodass im Voraus eine geeignete Abtastgeschwindigkeit gefunden wird, die den Mantel 1c weich machen kann.
Obwohl die Anzahl der Abtastungen (die Anzahl der Transversalen über die optischen Faser 4) herkömmlich im Bereich von ein- bis zehnmal eingestellt ist, wird bevorzugt, dass die Abtastgeschwindigkeit so vorliegt, dass der Mantel 1c mit einer oder zwei Abtastungen weich gemacht werden kann.
Die vom Mantel 1c gehaltene und im Kern 1b zurückgebliebene Spannung wird freigesetzt, hauptsächlich aufgrund des Erweichens des Mantels 1c aufgrund dieses Heizvorgangs sowie wegen Wegfall der Rückhaltekraft. Daraus ergibt sich die Bildung eines von Spannung befreiten Abschnitts 1d.
Auf diese Weise wird die Restspannung des Kerns 1b, für den die Erweichungstemperatur höher ist als jene des Mantels 1c, durch Erhitzen der optischen Faser 4 in einem Zustand freigesetzt, bei dem seine Form ausreichend beibehalten wird.
Daraufhin wird der Brechungsindex des Kerns 1b in diesem freigesetzten Teil 1d erhöht.
Wenn die Abtastung des Laserstrahls 7 abgeschlossen ist, nimmt die Temperatur der optischen Faser 4 ab, und der Mantel 1c des von Spannung befreiten Abschnitts 1d verfestigt sich wieder.
Sowohl der Kern 1b als auch der Mantel 1c bestehen aus Quarzglas, und die Werte ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten sind vergleichbar. Wenn folglich die Temperatur der optischen Faser 4 abnimmt und der Mantel 1c verfestigt wird, befinden sich sowohl Kern 1b als auch Mantel 1c, sofern keine Spannung zugesetzt wird, die außerhalb der optischen Faser 4 liegt, in einem Zustand, bei dem es kaum zu Verformungen aufgrund von Spannungen kommt.
Als nächstes kann die optische Faser 4, wie in 6A gezeigt, durch Bewegen des Feinabstimmungstisches in einem Abstand bewegt werden, der einer vorgeschriebenen Einzelperiode des Gitters in dessen Längsrichtung entspricht, und der Laserstrahl 7 führt eine solche Abtastung durch, wie erneut in 6B gezeigt, dass dabei der zweite von Spannung befreite Abschnitt 1d gebildet wird.
Indem der zuvor erläuterte Arbeitsvorgang periodisch mit einer vorgeschriebenen Periode wiederholt wird, werden eine Vielzahl an von Spannung befreiten Abschnitten 1d intermittierend in vorgeschriebenen Gitterperioden ausgebildet.
In den von Spannung befreiten Abschnitten 1d, die an den vorgeschriebenen Intervallen im Kern 1b bereitgestellt sind, verändert sich der Brechungsindex des Kerns 1b periodisch. Daraus ergibt sich, dass ein Gitterabschnitt 5 so beschaffen ist, dass es zu Schwankungen im relativen Brechungsindexunterschied zwischen dem periodischen Kern 1b und dem Mantel 1c in Längsrichtung der optischen Faser 4 kam.
Da die Gitterperiode dieses faseroptischen Gitters durch lokales Erhitzen die von Spannung befreiten Abschnitte 1d ausbildet, wird es normalerweise auf den Bereich von 200 bis 2.000 μm eingestellt. Folglich ist das faseroptische Gitter der vorliegenden Erfindung eines, das sich zur Anwendung als ausstrahlender Typ eignet.
In vorliegender Erfindung kann die Gitterperiode darüber hinaus ihre Periode genau konstant halten oder fast konstant. Wenn die Dauer fast konstant ist, muss die Abweichung in dieser Periode ± 15 % betragen.
Zudem wurde mit dem Laserstrahl 7 in diesem Beispiel abgetastet, indem die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 7 bewegt wird, damit die optische Faser 4 in der Laserabtastungsvorrichtung 6d durchquert wird. Darüber hinaus kann mit dem Laserstrahl 7 auch abgetastet werden, indem die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 7 fixiert wird und die optische Faser 4 mit dem Feinabstimmungstisch in eine in Bezug auf ihre Längsrichtung senkrechte Richtung bewegt wird.
In diesem Beispiel kann nach Ausbilden eines einzigen von Spannung befreiten Abschnitts 1d ferner bei der Bildung des benachbarten von Spannung befreiten Abschnitts 1d die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 7 in Längsrichtung der optischen Faser 4 bewegt werden, obwohl die optische Faser 4 zusammen mit dem Feinabstimmungstisch in ihrer Längsrichtung bewegt wurde.
Anders gesagt ist es durch Verändern des Winkels des beweglichen Spiegels 6b auch möglich, mit dem Laserstrahl 7 abzutasten oder die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 7 in Längsrichtung der optischen Faser 4 zu bewegen.
Herstellungsbeispiele
Im Folgenden sind spezifische Herstellungsbeispiele in diesem Bildungsverfahren für das Gitter beschrieben.
Für die optische Faser 4, wurde eine verwendet, die die in Tabelle 1 angeführten Eigenschaften aufweist.
Für den Lasergenerator 6a wurde ein Kohlendioxidgaslaser verwendet.
Die Leistung des Lasergenerators 6a (Kohlendioxidgaslaser) betrug maximal etwa 3 W.
Die von Spannung befreiten Abschnitte 1d wurden durch Steuern der Richtung dieses Laserstrahls 7 mit dem beweglichen Spiegel 6b ausgebildet, wodurch der Strahlendurchmesser in Linse 6c etwa auf 200 μm gebündelt wurde und mit der Laserstrahlen-Abtastvorrichtung 6d weitere 5 mal in einer in Bezug auf die Längsrichtung der optischen Faser 4 rechtwinkligen Richtung abgetastet wurde.
Zu diesem Zeitpunkt wurde die Heiztemperatur der optischen Faser 4 eingestellt, indem die Abtastgeschwindigkeit der Laserstrahlen-Abtastvorrichtung 6d versuchsweise im voraus verändert wurde, wodurch mit dem Laserstrahl 7 auf eine ähnliche Weise abgetastet wurde wie die vorliegende Ausführungsform, und der Erweichungszustand des Mantels 1c der optischen Faser 4 beobachtet sowie die Abtastgeschwindigkeitsbedingung gefunden wurde, die ausreicht, um den Mantel 1c ausreichend weich zu machen.
Darüber hinaus wurde die Länge des einen von Spannung befreiten Abschnitts 1d entlang der Längsrichtung der optischen Faser 4 auf ca. 200 μm eingestellt, was dem Strahlendurchmesser entsprach, der in der Linse 6c des Laserstrahls 7 gebündelt wurde.
Als nächstes wurde die Bestrahlungsposition des Laserstrahls 7 nur um eine Länge bewegt, die einem Periodenabschnitt der Gitterperiode in Richtung der optischen Faser 4 (etwa 400 μm), und dem nächsten von Spannung befreiten Abschnitt 1d, der mit dem von Spannung befreiten Abschnitt 1d benachbart ist, entspricht.
In der vorliegenden Ausführungsform wurde der Bildungsvorgang dieses von Spannung befreiten Abschnitts 1d periodisch mit einer Gitterperiode von etwa 400 μm entlang der Längsrichtung der optischen Faser 4 wiederholt.
Anschließend wurde der Gitterabschnitt 5 im Bereich von 10 mm in Längsrichtung der optischen Faser 4 ausgebildet.
Die Länge dieses Gitterabschnitts 5 (10 mm) wird als Gitterlänge bezeichnet.
Der Brechungsindex des Kerns 1b wird in den von Spannung befreiten Abschnitten 1d lokal vergrößert. Daraus ergab sich, dass der Brechungsindexunterschied zwischen dem Kern 1b und dem Mantel 1c etwa einen Wert von 0,35 % erhielt.
7 ist ein Diagramm, das die Veränderung des relativen Brechungsindexunterschieds dieses Gitterabschnitts 5 in Längsrichtung der optischen Faser 4 schematisch darstellt.
Wie in diesem Diagramm gezeigt, könnte ein Gitterabschnitt 5 gebildet sein, für welchen der relative Brechungsindexunterschied gegenseitig periodisch von 0,25 % auf 0,35 % geändert wird, indem der Brechungsindex des Kerns 1b periodisch verändert wird.
8 ist eine schematische Darstellung, welche die Arbeitsweise dieses faseroptischen Gitters schematisch darstellt.
Die Gitterperiode dieses optischen Fasergitters beträgt etwa 400 μm, und da dessen Periode lang ist, wird es als faseroptisches Gitter vom ausstrahlenden Typ betrieben.
Dabei wird eine festgelegte Mode des einfallenden Lichts mit dem bestrahlten Licht (Mantelmodus) gekoppelt, was sich durch den Mantel 1c im Gitterabschnitt 5 fortpflanzt und rasch abgeschwächt wird. Daraus ergab sich, dass ein austretendes Licht, welches das an die Mantelmode gekoppelte Licht des Wellenlängenbands verloren hatte, erhalten wurde.
9 ist ein Diagramm, das die Wellenlängenübertragungs-Verlusteigenschaft dieses faseroptischen Gitters schematisch darstellt.
Wie dieses Diagramm zeigt, ist die Übertragungs-Verlusteigenschaft im vorgeschriebenen Wellenlängenband selektiv groß geworden.
Die Breite des Wellenlängenbereichs, in welchem der Übertragungsverlust steigt, wird als "Sperrbereichband", dessen Wellenlänge im Zentrum als "Zentralwellenlänge" und die Größe der Veränderung für den Übertragungsverlust als "Sperre" bezeichnet.
In der vorliegenden Ausführungsform konnten eine Zentralwellenlänge von 1.555 nm und eine Sperrbandbreite von etwa 14 nm sowie ein Sperrpeakwert von etwa 3 dB erhalten werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Kohlendioxidgaslaser als Lasergenerator 6a verwendet.
Für den Lasergenerator 6a reicht es aus, zumindest die optische Faser 4 auf über die oder gleich der Erweichungstemperatur des Mantels 1c erhitzen zu können, und es kann ein kleiner Kohlendioxidlaser verwendet werden, wobei es dabei keine besonderen Einschränkungen gibt.
Einschließlich der Verwendung anderer Heizmittel (Lasergenerator 6a) bedeutet, dass solche verwendet werden können, die lokal erhitzen können, wie z.B. YAG-Laser, solche vom Lichtbogenentladungstyp und dergleichen.
Die Lichtbogenentladung ist ein Verfahren, das bei der Schmelzspleißverbindung von optischen Fasern verwendet wird, wobei dieses abgewandelt werden kann. Als spezifische Bedingungen im Fall einer Lichtbogenentladung gelten beispielsweise ein Abstand zwischen den Entladungselektroden von 2 mm, eine anzulegende Frequenz der Hochfrequenz von 140 kHz, eine Spannung zwischen den Entladungselektroden zum Zeitpunkt des Beginns der Entladung von etwa 10.000 Volt und etwa 100.000 Volt während der Entladung.
Kohlendioxidgaslaser einsetzende Heizmittel, YAG-Laser und Lichtbogenentladungen sind relativ kostengünstig, wenn sie eine geringe Leistung aufweisen, und es ist auch ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass solche kostengünstige Heizmittel verwendet werden können.
Insbesondere ein Laserstrahl mit einer Oszillations-Standardwellenlänge von 10,6 μm für den Kohlendioxidgaslaser weist ein sehr hohes Absorptionsvermögen für das Glas auf Siliziumdioxidbasis auf, und durch die Bestrahlung des Laserstrahls wird dieses Glas auf Siliziumdioxidbasis zu einem lichtundurchlässigen Körper. Folglich eignet sich der Kohlendioxidlaser zur lokalen Erhitzung der optischen Faser 4.
Da die Temperatur, bei der ein herkömmlicher Mantel 1c ausreichend weich ist, beispielsweise bei 1.350 °C bis 1.700 °C bei Verwendung eines Kohlendioxidgaslaser, ist ferner die erforderliche Leistung äußerst gering.
Wenn beispielsweise der aus diesem Kohlendioxidgaslaser austretende Laserstrahl direkt auf eine optische Faser gestrahlt wird, die aus einem Standardglas auf Siliziumdioxidbasis mit einem Durchmesser von 125 μm besteht, beträgt die zum Erhitzen dieser optischen Faser für eine Länge, die 200 μm misst, von Raumtemperatur auf 1.500 °C weniger als oder gleich mehrere hundert mW.
Ähnlich der in der Heizvorrichtung 6 gezeigten 6A nimmt die Laserleistung jedoch in einem gewissen Ausmaß ab, indem sie durch den beweglichen Spiegel 6b and die Linse 6c wandert.
Durch das Abtasten des Laserstrahls 7, wird die wirksame Bestrahlungszeit pro Oberflächeneinheit der optischen Faser 4 kurz.
Daher kann die optische Faser 4 erhitzt werden und sich die von Spannung befreiten Abschnitte 1d ausbilden, die einen vergleichbaren Spielraum aufweisen, wenn die Laserleistung auf einen Wert im Bereich von mehreren W auf 10 W für den verwendeten Kohlendioxidgaslaser eingestellt ist.
Ferner ist es möglich, wenn auch kostenintensiv, einen Excimerlaser, wie z.B. einen KrF-Excimerlaser zu verwenden, der bei der Herstellung von faseroptischen Gittern unter Verwendung der herkömmlichen photoreaktiven Wirkung verwendet wird.
Bei Herstellungsverfahren des faseroptischen Gitters nach dem Stand der Technik wird in dessen Kern eine optische Faser verwendet, die aus mit Germanium dotierten Quarzglas besteht, und durch deren Bestrahlung mit einem UV-Laserstrahl in der Umgebung der Wellenlänge von 240 nm aus einem KrF-Excimerlaser und dergleichen, wird der Brechungsindex des Kerns erhöht.
Bei Verwendung als Lasergenerator 6a der vorliegenden Erfindung wird der KrF-Excimerlaser jedoch als einer verwendet, der nicht zur Erhöhung des Brechungsindexes des Kerns 1b dient, sondern lediglich als Heizmittel.
Das bedeutet, dass in diesem Beispiel entweder kein Germanium zugesetzt wurde oder sogar bei Zugabe davon als Dotiermittel für den Kern 1b die Menge zu gering war. Dies ergibt, dass sogar wenn ein UV-Laserstrahl mit dem Excimerlaser bestrahlt wird, keine Erhöhung des Brechungsindexes des Kerns 1b auftritt.
Da der Laserstrahl 7 keine Wellenlängenabhängigkeit aufweist, ist es auf diese Weise auch möglich, andere Excimerlaser als den KrF-Excimerlaser zu verwenden.
Auf diese Weise unterliegt der als Heizmittel verwendete Lasergenerator 6a in der Wellenlänge seiner Laser bei der Herstellung des zuvor angeführten faseroptischen Gitters keinen besonderen Einschränkungen. Daher können relativ kostengünstige Kohlendioxidgaslaser und dergleichen verwendet werden, ohne teure Geräte, wie z.B. Excimerlaser, anzuwenden.
Da die zum Erweichen des Mantels 1c benötigte Laserleistung vergleichbar gering ist, reicht es durch Einstellen der Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls aus, dass der Laserstrahl 7 die optische Faser durchquerend relativ wenige Abtastungen vornimmt, um einen einzelnen von Spannung befreiten Abschnitt 1d auszubilden.
Daher werden kostengünstige Geräte, kurze Herstellungszeiten, einfache Bedienung und ausgezeichnete Herstellungseffizienz erreicht, was zu Kostenreduktionen führt.
Da die Veränderung des Brechungsindexes des Kerns 1b in den von Spannung befreiten Abschnitten 1d strukturell ist, kommt es ferner im Laufe der Zeit zu geringen Veränderungen, sodass ein stabiles faseroptisches Gitter erhalten werden kann.
Das erfindungsgemäße faseroptische Gitter kann dazu verwendet werden, die Wellenlängenabhängigkeit, welche optische Vorrichtungen, wie z.B. Lichtquellen, Photodetektoren, Lichtverstärker, optische Fasern und dergleichen, aufweisen, zu verringern.
Wenn die Wellenlängenverstärkungseigenschaft von Licht, das durch diese optische Geräte hindurchtritt, eine Wellenlängenabhängigkeit aufweist, kann die Wellenlängenabhängigkeit verringert werden, indem ein Licht mit einer Wellenlänge von be sonders großer Verstärkung durch die Verwendung des faseroptischen Gitters Licht verliert, wodurch es zu einer Abschwächung der Wellenlängenabhängigkeit kommt.
Die Abschwächung einer solchen Wellenlängenverstärkungseigenschaft ist beispielsweise bei Wellenlängentrennungs-Multiplexingübertragungen in einem faseroptischen Kommunikationssystem mit einem Lichtverstärker effektiv.
Ein solches optisches Kommunikationssystem weist einen Grundaufbau auf, der aus einer Lichtquelle, einem damit verbundenen faseroptischen Übertragungsweg, einem in diesen faseroptischen Übertragungsweg eingesetzten Lichtverstärker und einem Photodetektor zur Detektion von aus dem faseroptischen Übertragungsweg abgehendem Licht besteht.
Damit die Wellenlängeneigenschaft (Wellenlängenabhängigkeit), über welche die optischen Geräte (Lichtquelle, Photodetektor, Lichtverstärker und optische Faser) verfügen, aus denen das optische Kommunikationssystem mit diesem Grundaufbau besteht, die gewünschte Wellenlängeneigenschaft aufweist, wird ein faseroptisches Gitter verwendet, das in einem faseroptischen Übertragungsweg eingesetzt ist.
10 ist eine schematische Konstruktionszeichnung, die ein Beispiel des faseroptischen Kommunikationssystems, welches das faseroptische Gitter der vorliegenden Erfindung verwendet, zeigt. In der Figur steht das Bezugssymbol 8 für einen Lichtverstärker, und das Bezugssymbol 9 ist das faseroptische Gitter der vorliegenden Erfindung. Diese sind mit einer Lichtquelle (nicht angeführt) an ihren Einfallseiten verbunden und in einem faseroptischen Übertragungsweg an den abgehenden Seiten eingesetzt, die mit einem Lichtdetektor (nicht angeführt) verbunden sind, was den Aufbau dieses faseroptischen Systems ausmacht.
Gegenwärtig wird für den Lichtverstärker 8 häufig ein mit Erbium dotierter faseroptischer Verstärker verwenden.
11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Wellenlängenverstärkungseigenschaft des mit Erbium dotierten optischen Faserverstärkers zeigt.
12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Wellenlängenverstärkungseigenschaft des faseroptischen Gitters 9 zeigt.
13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Wellenlängenverstärkungseigenschaft zeigt, das erhalten wird, wenn dieser Lichtverstärker 8 und das faseroptische Gitter 9 miteinander kombiniert werden.
Aus 11 geht hervor, dass Verstärkungsspitzen in den Umgebungen von Wellenlängen von 1.535 nm und 1.558 nm vorliegen, und dass diese wellenlängenabhängig sind.
Wenn eine Wellenlängenteilungs-Multiplexingübertragung durchgeführt wird, die Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen unter Verwendung eines solchen Lichtverstärkers 8 gleichzeitig überträgt, wird beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 10 bis mehreren zehn Wellen in Abständen von 1 bis 2 nm parallelgeschaltet gleichzeitig übertragen. Daher liegt der gleichzeitig übertragene Wellenlängenbereich normalerweise über 10 nm, und dieser Wellenlängenbereich macht eine abgeschwächte Wellenlängenverstärkungseigenschaft erforderlich.
Wie in 12 gezeigt, kann dabei die Verstärkung durch Kombination mit dem faseroptischen Gitter 9, das in der Umgebung der Wellenlänge 1.558 nm wirksame Verluste aufweist, verflacht werden, wie dies in 13 gezeigt ist. Daraus geht hervor, dass es möglich ist, ein optisches Kommunikationssystem zu konstruieren, das aus einem Lichtverstärker mit äußerst hoher Wellenlängenverflachung besteht.
Bei Messung einer Wellenlängenverstärkungseigenschaft mit einem durch die Herstellungsausführung erhaltenen faseroptischen Gitter, das in ein solches optisches Kommunikationssystem eingesetzt wurde, wurde bestätigt, dass ein wie in 13 gezeigter wellenlängen-abgeflachter Bereich erhalten werden kann.
Das faseroptische Gitter der vorliegenden Erfindung ist nicht auf den hierin als ein Beispiel angeführten Lichtverstärker beschränkt, sondern kann in verschiedenen optischen Kommunikationssystemen zur Abschwächung der Wellenlängenabhängigkeit von solchen über diese Eigenschaft verfügenden optischen Vorrichtungen, wie z.B. Lichtquellen, Photodetektoren, Lichtverstärker, optische Fasern und dergleichen, verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Gitters, umfassend die folgende Abfolge von Schritten: das Herstellen einer Vorform (1), die einen Kern (1b) und einen den Kern umgebenden Mantel (1c) umfasst, wobei der Kern eine höhere Erweichungstemperatur als jene des Mantels (1c) aufweist; das Erwärmen und Ziehen der Vorform (1), um eine optische Faser (4) zu formen, wobei der Kern (1b) aufgrund des Unterschieds in der Erweichungstemperatur zwischen dem Kern (1b) und dem Mantel (1c) eine Restspannung aufweist; und das intermittierende Erwärmen der optischen Faser (4) in einer vorbestimmten räumlichen Periode in Längsrichtung, um den Mantel (1c) in der Umgebung des Kerns (1b) zu erweichen, um die Restspannung abzubauen, wodurch der Brechungsindex des Kerns (1b) geändert wird, und um in Längsrichtung der optischen Faser (4) periodische Änderungen des relativen Brechungsindexunterschieds zwischen dem Kern (1b) und dem Mantel (1c) zu bewirken.
Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Gitters nach Anspruch 1, worin der Kern (1b) aus reinem Quarzglas besteht und der Mantel (1c) aus mit Fluor dotiertem Quarzglas besteht.
Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Gitters nach Anspruch 1, worin die optische Faser (4) eine optische Einmodenfaser ist.
Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Gitters nach Anspruch 1, worin ein Kohlendioxidgaslaser (6a) als Heizmittel zum Erwärmen der optischen Faser verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Gitters nach Anspruch 1, worin die räumliche Periode der periodischen Änderungen des relativen Brechungsindexunterschieds im Bereich von 200 bis 2.000 μm liegt.
Faseroptisches Gitter, umfassend: eine optische Faser (4), die einen Kern (1b) und einen den Kern umgebenden Mantel (1c) aufweist, wobei der Kern (1b) eine höhere Erweichungstemperatur als jene des Mantels (1c) aufweist, und wobei der Kern (1b) von Spannung befreite Abschnitte (1d) aufweist, bei denen die Restspannung periodisch in Längsrichtung der optischen Faser (4) abgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex des Kerns (1b) in den von Spannung befreiten Abschnitten (1d) solcherart ist, dass der relative Brechungsindexunterschied zwischen dem Kern (1b) und dem Mantel (1c) sich in Längsrichtung der optischen Faser (4) periodisch ändert, während die Form der Faser ausreichend beibehalten wird.
Faseroptisches Gitter (9) nach Anspruch 6, worin der Kern (1b) aus reinem Quarzglas besteht und der Mantel (1c) aus mit Fluor dotiertem Quarzglas besteht.
Faseroptisches Gitter (9) nach Anspruch 6, worin die optische Faser (4) eine optische Einmodenfaser ist.
Faseroptisches Gitter (9) nach Anspruch 6, worin die Gitterperiode der des faseroptischen Gitters (9) im Bereich von 200 bis 2.000 μm liegt.
Faseroptisches Kommunikationssystem mit einem faseroptischen Gitter (9) nach Anspruch 6.
Faseroptisches Kommunikationssystem nach Anspruch 10, weiters umfassend: eine Lichtquelle; einen mit dieser verbundenen faseroptischen Übertragungsweg; einen Lichtverstärker (8); und einen Photodetektor zur Detektion von aus dem faseroptischen Übertragungsweg abgehendem Licht; worin der Lichtverstärker (8) und das faseroptische Gitter (9) im faseroptischen Übertragungsweg eingesetzt sind.