FI85195C - Optisk formfaeltstransformator. - Google Patents

Description

85195

Optinen muotokentän muunnin Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen muotokentän muunnin.

Taperointi, eli kuidun ohentaminen on yleisesti tunnettu menetelmä muuttaa yksimuotokuidun ytimessä etenevän muodon (valon) poikittaista jakaumaa. Perinteisissä ohentamalla valmistetuissa muotokentän muuntimissa, tapereissa, on esimerkiksi vetämällä pienennetty muuntimen halkaisijaa siten, että muunnin muodostuu muodoltaan katkaistuksi kartioksi. Samassa yhteydessä voidaan muuttaa myös muuntimen osien geometriaa muuntimen eri päissä. Kuituhaaroittimet ovat esimerkkinä komponenteista, jotka perustuvat tähän ilmiöön. Tunnetut muuntimet ovat ns. askeltaitekertoimisia muuntimia, toisin sanoen muuntimia, joissa on vain yksi taitekertoimel-taan perusmateriaalista poikkeava alue.

Mikäli tavallista askeltaitekertoimista yksimuotokuitua ohennetaan, tulee kuidun ytimestä "liian pieni", jotta valo olisi pelkästään rajoittunut ytimen alueelle. Tämä jakauman leviäminen on helposti voimakkaampi ilmiö kuin ytimen koon pieneneminen, joten ohennettaessa yksimuotokuitua kuidussa etenevän muodon koko kasvaa.

Käytettäessä taperissa pelkästään askeltaitekertoimista profiilia ei muotokentän jakauma ole kuidun ohentamisen jälkeen gaussinen, vaan se on lähempänä eksponentiaalista jakaumaa. Tämä aiheuttaa kytkentähäviöitä taperin ohennetusta päästä aaltoputkeen, koska aaltoputkien muotokenttien jakauma on yleensä gaussinen. Myös kentän leveys kasvaa voimakkaasti ohentamisen mukana, jolloin toleranssit ohentamisen suhteen ovat tiukat. Samaten askeltaitekertoimisen muotokentän muuntimen valmistusmenetelmä ei salli juurikaan ei-ympyräsymmet-risen ja ympyräsymmetrisen aaltojohteen sovittamista toisiinsa, koska ytimen ohentaminen ei vaikuta merkittävästi muotokentän epäsymmetriaan.

2 85195 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uuden-tyyppinen muotokentän muunnin.

Keksintö perustuu siihen, että taperoidun muotokentän muun-timen ydin koostuu kolmen erilaisen taitekertoimen omaavasta kerroksesta siten, että ytimen keskiosalla on suurin taitekerroin, kuorikerroksella toiseksi suurin taitekerroin ja keskiosan ja kuorikerroksen väliin jäävällä välikerroksella on pienin taitekerroin.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle muotokentän muuntimelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Muotokenttäjakauman koko ja muoto taperin eri päissä voidaan muokata toisistaan lähes riippumatta, ja siten saada aikaan hyvä kytkentähyötysuhde kahden hyvinkin erilaisen (sekä muodoltaan että kooltaan) valokanavan välillä.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellusesimerkkien avulla.

Kuvio 1 esittää yhden keksinnön mukaisen muotokentän muunti-men ohentamatonta päätä.

Kuvio 2 esittää kenttäjakautuman laskennallista arvoa kuvion 1 mukaisen muuntimen ohentamattomassa päässä.

Kuvio 3 esittää kenttäjakautuman laskennallista arvoa kuvion 1 mukaisen muuntimen ohennetussa päässä.

Kuvio 4 esittää perspektiivikuvantona kuvion 1 mukaista muotokentän muunninta.

Kuvion 1 esittämällä tavalla keksinnön mukaisessa ratkaisussa ytimen taitekerroinprofiili koostuu kolmesta oleellisen koaksiaalisestia osasta. Sisimmän, keskiosan 1 taitekerroin 3 85195 on suurin. Seuraavalla, välialueella 2 on profiilin alhaisin taitekerroinarvo, ts. se on hauta ja kolmannella, kuoriosalla 3 on keskiosaa 1 pienempi, mutta välialuetta 2 suurempi taitekerroinarvo. Kun kuitu on paksu, rajoittuu perusmuodon kenttä lähes pelkästään keskiosan 1 alueelle, joka täten määrää muotokentän koon ja jakauman. Kun kuitu on ohennettu esim. puoleen alkuperäisestä halkaisijastaan, ei keskiosan 1 koko riitä enää pitämään kenttää sisällään (mikä on tilanne myös tavallisessa askeltaitekertoimisessa tapauksessakin), vaan kenttä "karkaa" muuntimen muihin alueisiin. Koska ytimen kuoriosalla 3 on positiivinen taitekerroinero väliosaan 2 nähden, alkaa se toimia kentän rajoittavana osana. Täten muuntimen ohuessa päässä muotokentän jakauman koon ja muodon määrää lähinnä ytimen uloimman osan 3 muoto ja koko. Niinpä uloimman osan 3 muotoa voidaan vaihdella muuntimen eri päissä aina muuntimeen liitettävän kuidun mukaan.

Kuvion 1 mukaisessa ratkaisussa taitekerroinerot ympäröivää, kvartsilasisen kuorirakenteen taitekertoimeen no nähden (Δηη = nn - no) ovat seuraavat: Δη^ = 29,5*10“3, Δη£ = -4,83*10-3 ja Δη 3 * 6,43*10-3. LiNbC>3 valokanaviin sopiva keksinnön mukainen muunnin voidaan valmistaa esimerkiksi seostamalla kvartsia GeC>2:lla ja fluorilla. Positiivinen taitekerroinero (Δη^, Δη3) saavutetaan seostamalla kvartsia esimerkiksi germaniumoksidillä ja negatiivinen taitekerroinero (Δη2) puolestaan seostamalla kvartsia esimerkiksi fluorilla. Keskiosan 1 poikkileikkaus on kuvion 1 mukaisessa ratkaisussa ellipsimäinen. Ellipsin akseleiden suhde on n. 3 ja maksimiulottuvuus ohentamattomassa päässsä n. 6 ym. Keskiosaa 1 välittömästi ympäröivän väliosan 2 ulkopinnan poikkileikkaus on ympyränmuotoinen ja ulkohalkaisija on n. 7 ym. Väliosaa 2 välittömästi ympäröivän kuoriosan 3 ulkopinnan poikkileikkaus on myös ympyränmuotoinen ja ulkohalkaisija on n. 15 ym.

Kuviossa 4 on esitetty katsomissuuntaan taivutettu muunnin siten, että ohentamaton pää 4 on vasemmalla puolella ja 4 85195 ohennettu pää 5 oikealla puolella. Ohennetun pään 5 halkaisija on n. 50 % ohentamattoman pään 4 halkaisijasta. Ydintä ympäröivän kvartsilasisen kuorirakenteen 6 halkaisijaa on kuviossa piirustusteknisistä syistä pienennetty. Substraat-tiputken ulkohalkaisija 6 on tyypillisesti n. 100 pm.

Tässä yhteydessä on matemaattisesti mallitettu keksinnön mukaisen profiilin mahdollisuuksia. Kyseinen mallitus suoritettiin A. Tervosen kehittämällä Beam Propagation-menetel-mään perustuvalla tietokoneohjelmalla. Kuvion 1 ja 4 mukaisen esimerkkitapauksen muotokentän koot on esitetty kuvioissa 2 ja 3, kun taperointisuhde on 2 (= muuntimen päiden halkaisijoiden suhde). Kuten kuviosta 2 voidaan nähdä, pysyy kenttä kuvion 4 mukaisen muuntimen ohentamattomassa päässä 4 likimain ellipsimäisen keskiosan 1 alueella. Ohennetussa päässä 4 kenttä on kuvion 3 mukaisesti levinnyt koko ytimen alueelle, jonka ulkohalkaisija on n. 7,5 pm ja kenttä on samalla muuttunut ellipsimäisestä ympyränmuotoiseksi.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla kentän muoto voidaan muuntimen ohentamattomassa päässä määritellä keskiosan 1 muodolla ja ohennetussa päässä puolestaan uloimman osan 3 muodolla. Esitetyn ellipsi-ympyrämuunnoksen lisäksi keksinnön mukainen ratkaisu mahdollistaa periaatteessa kentänmuotomuun-nokset kaikkien tunnettujen optisten komponenttien välillä. Käytetyt taitekertoimet samoin kuin profiilin muodot määräytyvät käytännössä aina sovelluskohteen mukaan.

Claims (5)

1. Kavennettu, pitkänomainen optinen muotokentän muunnin, joka käsittää ensimmäisen, kaventamattoman pään (4) ja toisen, kavennetun pään (5), jolloin muotokentän muunnin oleellisen tasaisesti kapenee kaventamattomasta päästä (4) kavennettuun päähän (5), ja muunnin käsittää - ydinosan (1, 2 ,3) ja - ydinosaa (1, 2, 3) välittömästi ja oleellisen koaksiaalisesti ympäröivän kuorirakenteen (6), jonka materiaalin taitekerroin (no) on pienempi kuin ydinosan (1, 2, 3) kuorirakenteeseen (6) rajoittuvan materiaalin taitekerroin (n3), tunnettu siitä, että ydinosa (1, 2, 3) käsittää - keskiosan (1), jonka materiaalin taitekerroin (ni) on muuntimessa suurin, - keskiosaa (1) välittömästi ympäröivän väliosan (2) , jonka materiaalin taitekerroin (n2) ydinosassa on pienin, ja - väliosaa (2) välittömästi ympäröivän kuoriosan (3) , jonka materiaalin taitekerroin (n3) on pienempi kuin keskiosan (1) materiaalin taitekerroin (ni) ja suurempi kuin väliosan (2) materiaalin taitekerroin (n2).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen muotokentän muunnin, tunnettu siitä, että väliosan (2) materiaalin taitekerroin (n2) on pienempi kuin kuorirakenteen (6) materiaalin taitekerroin (ng).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen muotokentän muunnin, tunnettu siitä, että keskiosan (1) poikkileikkaus- 6 85195 muoto on ellipsi.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen muotokentSn muunnin, tunnettu siitä, että kuoriosan (3) poikki-leikkausmuoto on ympyrä.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen muotokentän muunnin, tunnettu siitä, että keskiosan (1) materiaali on germaniumoksidillalla seostettua kvartsilasia, väli-osa (2) on fluorilla seostettua kvartsilasia ja kuoriosa (3) on germaniumoksidilla seostettua kvartsilasia. 7 85195