NO823710L - Passiv fiberoptisk multiplekser. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår passive fiberoptiske multipleksere,

og spesielt en multiplekser som reagerer på bølgelengde for å kombinere en flerhet av signaler med forskjellige lysbølgelengder fremført av forskjellige optiske fibere sammen på en enkel optisk fiber, eller for å atskille signaler av forskjellige lysbølgelengder fremført av en felles optisk fiber for fortsatt transmisjon på et par av optiske fibere.

Fiberoptisk multipleksing er tidligere blitt utført ved

å anvende aktive systemer, i hvilke et par bølgeledere er omgitt av et krystallmateriale som har en spenningsavhengig refraksjonsindeks. Slike aktive systemer krever tilførsel av energi, så vel som omhyggelig avstemming og justering under bruk, for å fungere tilfredsstillende.

I tillegg til disse aktive systemene er det blitt oppfunnet passive frekvensselektive koplingsanordninger, slik som beskrevet i US patent nr. 3.957.341, utstedt 18. mai 1976

til Henry F. Taylor, i hvilke bølgelederne har forskjellig faseforplantningskonstanter ved alle frekvenser unntatt frekvensen som skal koples, hvilket gir en atskillelse av denne frekvens fra alle andre frekvenser. Slike systemer krever imidlertid omhyggelig materialvalg for den ønskede frekvensatskillelse, og lar seg ikke justere under eller etter fremstillingen for å kunne utføre atskillelsen av optiske signaler over et utstrakt frekvensområde.

Selv om frekvensavhengigheten ved kopling av lysenergi mellom to identiske parallelle dielektriske bølgeledere er blitt teoretisk forutsagt i et antall av publiserte vitenskapelige artikler, har slik kopling av lysenergi i passive systemer generelt blitt ansett upraktisk for de fleste anvendelser, siden frekvensselektiviteten generelt har vært ansett relativt uutalt, dvs. slike systemer har generelt blitt ansett bare å gi relativt dårlig oppløsning.

Det eksisterer derfor et behov for en passiv optisk koplingsanordning, som frembringer høy oppløsningsfrekvensseleksjon, og som er justerbar for å frembringe slik oppløsning for valgte frekvenser innen et bredt frekvensbånd. Således er det i mange optiske optiske systemer ønskelig at et fler-tall signaler samtidig kan sendes på en enkel optisk fiber ved forskjellige optiske frekvenser, og således multipliseres transmisjonskapasiteten til fiberen. Multipleksere som anvendes i slike systemer er fortrinnsvis avstembare, i det minste ved fremstillingstidspunktet, for å tillate multipleksing eller atskillelsen av forskjellige frekvenser slik at ved et bestemt brukspunkt, kan en enkel av de trans-mitterte frekvenser bli detektert. Det er ønskelig at slik multipleksing kan utføres med lavest mulig gjennomgangstap slik at systemetfektiviteten ikke blir urimelig begrenset av tap i multiplekseren.

Den foreliggende oppfinnelse frembringer en fiberoptisk multiplekser som er avstembar under fremstillingen, og i stand til å atskille eller kombinere enhver virkelig gruppe av optiske frekvenser. Til forskjell fra tidligere passive multipleksere frembringer den foreliggende oppfinnelse høy oppløsning sammen med nøyaktig avstemningsegenskap, for å forenkle fremstillingen av en optisk multiplekser slik at den tilfredsstiller det optiske systemets spesifikasjoner snarere enn å legge begrensninger på systemet på grunn av multiplekserbegrensninger, hvilket har vært nødvendig ved den kjente teknikk.

Multiplekseren i henhold til foreliggende oppfinnelse anvender en enkel modus optisk fiberkoplingsanordning i hvilken et par av enkelmodusfiber er anordnet nærliggende hverandre med en valgbar gjensidig påvirkningslengde for å tillate flyktig feltkopling, med overkopling ved utvalgte frekvenser. Når dekkede enkelmodusfiber blir anvendt ved konstruksjonen av koplingsanordningen, blir fiberne montert i et par under-lag eller blokker som har respektive buede spalter for mon tering av de respektive tråder av fiberoptisk materiale. Materialet blir fjernet ved samtidig å polere blokkene og trådene, inntil den ønskede mengden av fiberoptisk materiale er blitt fjernet. Blokkene blir så anordnet i et front til front-forhold, med begge trådene anordnet i tett nærhet til hverandre, og med de avskårede partier til fiberen liggende mot hverandre.

For å sikre passende flyktig feltkopling, må mengden av materiale som fjernes fra fiberne bli omhyggelig kontrollert slik at rommet mellom kjernepartiene til fiberne er innen en forutbestemt "kritisk sone". Dette forårsaker at hver tråd mottar en betydelig del av flyktigfeltenergien fra den andre tråden, og kopling blir oppnådd uten tydelig energitap.

Koplingsanordningen anvendt i multiplekseren i henhold til denne oppfinnelse kan justeres slik at den koplede energien ved en valgt bølgelengde kan endres over et forutbestemt område til en ønsket verdi, uten vesentlig påvirkning av gjennomgangstapet. Slik justering av koplingsanordningen eller avstemning av koplingsanordningen, kan utføres ved å anordne fiberne slik at deres respektive mot hverandre vendende overflater er glidbare i forhold til hverandre.

En viktig egenskap til en koplingsanordning av denne type, er dens egenskap til å avstedkomme lave gjennomgangstap. Eksperimentelle resultater viser at gjennomgangstap på 0,2 db er blitt oppnådd, selv om tap på 0,5 db er mer vanlig. Videre har koplingsanordningen en høy retningsstyring slik at hovedsakelig alt av den koplede energien blir levert til utgangssiden av koplingsanordningen. Prøver har vist at den retningsstyrte koplede energien er større enn 60 db over den mot-retningsstyrte koplede energien. Koplingsanordningen har også en utmerket polarisasjonsrespons, og vil slippe gjennom lys med enhver polarisasjon like godt. Radiusene til de buede spalter innen basiselementene eller blokkene kan velges for å frembringe en forutbestemt "gjensidig påvirkningslengde". Som anvendt i denne spesi-fikasjonen, betyr "gjensidig påvirkningslengde" lengden i retningen av fiberaksene ved hvilken kjernen av en fiber er anordnet innen flyktighetsfeltet til den andre fiberen.

Formen på flyktighetsfeltet i en enkel modus optisk fiber

er bølgelengdeavhengig. Således avhenger styrken av flyk-tighetsf eltet til en første fiber i en fiberoptisk koplingsanordning ved lokaliseringen av kjernen til en andre fiber, av bølgelengden til lyset som blir sendt av den første fiberen. Dette fakta gir en forskjellig koplingseffekt for forskjellige bølgelengder innen den fiberoptiske koplingsanordnignen, og således forskjellig "koplingslengder" for forskjellige lysbølgelengder. Som brukt i denne spesi-fikasjonen, definerer "koplingslengde", en lengde parallell til fiberaksene innen "gjensidig påvirkningslengden", som er nødvendig for å gi 100% kopling av lys med en gitt bølge-lengde fra en fiber til en annen. Dersom den gjensidige påvirkningslengden til en koplingsanordning ved en forutbestemt bølgelengde er lik til koplingslengden, vil koplingsanordningen overføre hele 100% av lyset fra en første optisk fiber til en andre optisk fiber. Dersom imidlertid den gjensidige påvirkningslengden ved en forutbestemt bølge-lengde er den doble av koplingslengden, vil hele lysenergien bli koplet fra en første fiber til en andre fiber og så koplet fra den andre fiberen tilbake til den første fiberen og forlater koplingsanordningen i den første fiberen, og gir en netto koplingseffektivitet på null. Fra denne beskrivelse kan ses at dersom den gjensidige påvirkningslengden er et likt multippel av koplingslengden ved en forutbestemt frekvens, vil koplingseffekten til koplingsanordningen være null. Dersom på den annen side den gjensidige påvirkningslengden er et ulikt multippel av koplingslengden ved en

gitt frekvens, vil koplingseffektiviteten til koplingsanordningen være 100%.

Siden koplingslengden som beskrevet ovenfor er bølgelengde-avhengig, tillater koplingskapasiteten til koplingsanordningen og lik/ulik multippelforholdet som beskrevet ovenfor, at koplingsanordningen kopler faktisk ikke noe av lyset til et første signal ved en første bølgelengde, mens det kopler rent faktisk alt lyset fra et annet signal som har en annen bølgelengde.

I tillegg vil ettersom den gjensidige påvirkningslengden blir et høyere multippel av koplingslengdene til to bølge-lengder som blir atskilt, oppløsningen eller frekvensdiskri-mineringskapasiteten til koplingsanordningen øke. Således vil, hvis X er koplingslengden for en første bølgelengde,

og Y er koplingslengden for en andre bølgelengde og lik/ulik multippelforholdet eksisterer, man få: NX = L og (N+1)Y = L, hvor L er den gjensidige påvirkningslengden til koplingsanordningen og N er den like multippelen av koplingslengdene til den første bølgelengden innen den gjensidige påvirkningslengden L. Under disse forhold er N+l den ulike multippel til koplingslengdene til det andre signalet i denne samme gjensidige påvirkningslengde L. I samsvar med denne definisjonen får man: X/Y = (N+l)/N.

Fra dette forhold kan ses at ettersom N øker, avtar den proporsjonale differeanse mellom de gjensidig påvirknings-lengdene X og Y, og således blir differeansen mellom bølge-lengdene til de to signalene, hvorav et skal koples og et ikke koples, redusert.

Således kan den gjensidige påvirkningslengden L bli valgt for å frembringe et koplingsmultippel N som frembringer frekvensdiskrimineringsoppløsningen som er nødvendig i et gitt system.

Flere multipleksere som er konstruert i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan anvendes i kombinasjon for å atskille store antall signaler med forskjellige optiske frekvenser, eller til å kombinere slike signaler på en enkelt fiber.

Disse og andre fordeler ved den foreliggende oppfinnelse blir best forstått med henvisning til tegningene hvor: Fig. 1 er et tverrsnitt av den fiberoptiske koplingsanordningen anvendt som en multiplekser i den foreliggende oppfinnelsen, og viser et par av fiberoptiske tråder anordnet i sine respektive buede spalter til de respektive basisstykker; Fig. 2 og 3 viser i tverrsnitt kopleren på fig. 1, tatt etter linjene 2-2 og 3-3; Fig. 4 er en perspektivtegning av det underst liggende basis-stykke til koplingsanordningen på fig. 1 atskilt fra det andre basisstykket for å vise monteringen av dets tilhørende fiber og den ovalformede front-overflate til fiberen; Fig. 5 er et skjematisk diagram som viser de flyktige feltene til fiberparet overlappende hverandre ved regionen for gjensidig påvirkning;

Fig. 6 er en skjematisk tegning av koplingsanordningen

på fig. 1 og viser kurveradiusen, kjerneatskillelsen og gjensidig påvirkningslengde, som parametere til koplingsanordningen;

Fig. 7 er en skjematisk tegning av en "ekvivalent" koplings anordning; Fig. 8 er en kurve for normalisert koplet energi for et lyssignal med en gitt bølgelengde som en funksjon av gjensidig påvirkningslengde for en gitt fiber-kj erneatskilling; Fig. 9 er en kurve for normalisert koplet energi for lys-signalet med bølgelengder identisk til den på fig. 8 som en funksjon av gjensidig påvirkningslengde med en annen fiberkjerneatskillelse; Fig. 10 er en kurve for normalisert koplet energi for lys med en gitt bølgelengde som en funksjon av minimum fiberkjerneatskillelse (skilleflatene lagt på hverandre ) ; Fig. 11 er en kurve som viser effektiv gjensidig påvirkningslengde som funksjon av fiberradius for en koplingsanordning som har en minimumsatskillelse på 5 um; Fig. 12 er en kurve som viser effektiv gjensidig påvirkningslengde som en funksjon av signalbølgelengde for et koplingsanordningspar som har en minimum atskillelse på 5fim og fiberkurveradier på 25 og 100 cm; Fig. 13 er et skjematisk bilde av de ovalformede overflatene til fiberne etter polering og viser frontflatene sideforskj øvet; Fig. 14 er en skjematisk tegning som viser det fysiske forhold i en første ortogonale retning av to overliggende fibere i en koplingsanordning;

Fig. 15 er et skjematisk diagram av fiberne på fig. 14 tatt

i en retning ortogonalt til den på fig. 14;

Fig. 16 er en skjematisk illustrasjon lik fig. 14 for for- sk jøvne fibere; Fig. 17 er en skjematisk illustrasjon lik fig. 15 for de forskjøvne fibere på fig. 16; Fig. 18 er en kurve som viser den gjensidige påvirkningslengden til en koplingsanordning i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen som en funksjon av hori-sontal fiberforskyvning for et koplingsanordningspar som har en minimum fiberatskillelse på 5 (im, ved en bølgelengde på 633 nm, og radier på 25 og 100 cm; Fig. 19 er en kurve for normalisert koplet energi som en funksjon av sideforskyvning for en første minimum fiberkjerneatskilieIse; Fig. 20 er en kurve for normalisert koplet energi som en funksjon av sideforskyvning for en andre fiberkjerneatskillelse; Fig. 21 er en kurve for normalisert koplet energi som en funksjon av sideforskyvning for en tredje fiberkjerneatskillelse;

Fig. 22 er en kurve for (a) normalisert koplet energi som

en funksjon av sideforskyvning og (b) gjennomgangs-

tap som en funksjon av sideforskyvning for et koplingsanordningseksempel og viser at gjennomgangstapet er hovedsakelig konstant over hovedsakelig hele rekkevidden til normalisert koplet energi;

Fig. 23 er en skjematisk fremvisning av frontoverflåtene

til fiberen og viser frontoverflåtene forskjøvet i lengderetningen;

Fig. 24 er en skjematisk tegning av frontoverflåtene til fiberne og viser disse frontoverflåtene rotasjons-forskjøvet; Fig. 25 er en skjematisk illustrasjon av E-felt-overlappet mellom koplede fibere i koplingsanordningen til den foreliggende oppfinnelsen med korte bølgelengder; Fig. 26 er lik fig. 25 og viser E-felt-overlappet for mellom- lengde bølgelengder; Fig. 27 er lik fig. 25 og 26 og viser E-felt-overlappet for lange bølgelengder; Fig. 28 er en registrering av gjennomsnittlig energitetthet ved kjerne/kledningsgrensen og kjerneenergi/total-energi som en funksjon av normalisert frekvens; Fig. 29 er et diagram som viser koplingslengde mot signal-bølgelengde for en type 1 fiber koplingsanordning som har en fiberradius på 25 cm; Fig. 30 er et diagram som viser koplingslengde mot signal-bølgelengde for en type 2 fiber koplingsanordning

som har en fiberradius på 25 cm;

Flg. 31 er en skjematisk illustrasjon av multiplekseren

i henhold til den foreliggende oppfinnelsen;

Fig. 32 er .et diagram som viser den relative koplede energi som funksjon av signalbølgelengde for en type 1 fiber koplingsanordning som har en minimum fiberatskillelse på 4 \ im, en forskyvning på 0 |_im og en fiberradius på 25 cm; Fig. 33 er et diagram som viser den realtive koplede energi som funksjon av signalbølgelengder lik som på fig. 32, men med en fiberradius på 200 cm; Fig. 34 er et diagram for kvotienten til den gjensidige påvirkningslengde dividert med koplingslengden som funksjon av signalbølgelengden for flere koplingsanordninger som har forskjellige minimum fiberatskillelse; Fig. 35 er et diagram som viser relativt koplet energi som funksjon av signalbølgelengden for en type 1 fiber koplingsanordning som har en minimum fiberatskillelse på 4[im, en fiberradius på 200 cm og en valgbar fiberforskyvning; Fig. 36 er en perspektivtegning av en avstemningsanordning som har mikrometere for justering av forskyvningen til frontoverflåtene for å avstemme koplingsanordningen til en ønsket koplingseffektivitet; og Fig. 37 er en skjematisk illustrasjon av et multippelbølge-lengde-multipleksersystem som anvender multiplekserkoplingsanordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Som vist på fig. 1 til 4 omfatter en koplingsanordning 10 som anvendes i den foreliggende oppfinnelsen to tråder 12a og 12b av enkel modus fiberoptisk materiale anordnet i longitudinale buede spalter henholdsvis 13a og 13b, som er tildannet i optisk flate mot hverandre liggende overflater henholdsvis 14a og 14b, av rektangulære basisstykker eller blokker henholdsvis 16a og 16b. Blokken 16a med tråden 12a anordnet i spalten 13a vil bli referert til som koplings-halvdelen 10a, og blokken 16b med trådne 12b anordnet i spalten 13b vil bli referert til som koplingshalvdel 10b.

Hver av trådene 12a og 12b omfatter en kommersielt tilgjenge-lig fiber av kvartsglass som er dopet slik at den har en sentral kjerne henholdsvis 19a og 19b, og en ytre kledning henholdsvis 17a og 17b. Trådene 12a og 12b er enkelt modusfibere, som har en typisk kjernediameter av størrelsesorden 10[im eller mindre og en kledningsdiameter av størrelsen 125 um. I den viste utførelse er diameteren til trådene 12

og deres respektive kjerner uthevet for klarhetens skyld.

De buede spaltene 13a og 13b har hver en kurveradius som er meget stor sammenlignet med diameteren til fiberne 12, og en bredde som så vidt overstiger fiberdiameteren for å tillate at fiberne 12 når de er montert deri, slutter seg til et leie gitt av bunnveggene til spaltene 13. Dypden av spaltene 13a og 13b varierer fra et minimum ved senteret til blokkene henholdsvis 16a og 16b, til et maksimum ved kantene til blokkene henholdsvis 16a og 16b. Dette tillater på fordelaktig måte at de fiberoptiske trådene 12a og 12b, når de er montert i spaltene henholdsvis 13a og 13b, gradvis konvergerer mot senteret og divergerer mot kantene til blokkene 16a, 16b, og derved eliminerer alle skarpe bøyninger eller plutselige retningsendringer til fiberne 12, hvilket kunne forårsake energitap ved modusforstyrrelser. I den viste utførelse er spaltene 13 vist som rektangulære i tverrsnitt, men det vil imidlertid være klart at andre passende tverrsnittkonturer som vil passe sammen med fiberne 12 kan anvendes alternativt, slik som et U-formet tverrsnitt eller et V-formet tverrsnitt.

Ved sentrene til blokkene 16 i den viste utførelse, er dypden av spaltene 13 som fastholder trådene 12 mindre enn diameteren til trådene 12, mens ved kantene til blokkene 16 er dypden til spaltene 13 fortrinnsvis minst så stor som diameteren til trådene 12. Fiberoptisk materiale ble fjernet fra hver av trådene 12a og 12b for å tildanne de respektive ovalformede plane overflater 18a, 18b som er koplanære med de mot hverandre vendende overflater henholdsvis 17a og 17b. Disse overflatene 18a, 18b vil bli referert til i det følgende som fiberens "motvendende overflater". Således vil mengden av fiberoptisk materiale som er fjernet øke gradvis fra null mot kantene til blokken 16 til et maksimum mot senteret til blokken 16. Denne gradvise fjerning av det fiberoptiske materialet setter fiberne i stand til å konvergere og divergere gradvis, hvilket er fordelaktig

for å unngå tilbakerefleksjon og overdrevet tap av lysenergi.

I den viste utførelsen er koplingshalvdélene 10a og 10b identiske, og er sammensatt ved å plassere de konfronterende overflatene.14a og 14b til blokkene 16a og 16b sammen, slik at de mot hverandre vendende overflater 18a og 18b til trådene 12a og 12b ligger mot hverandre.

Et indekstilpassende stoff (ikke vist), såsom en indekstilpassende olje er anbragt mellom de konfronterende overflatene 14. Dette stoffet har en refraksjonsindeks tilnærmet lik refraksjonsindeksen til kledningen, og virker også til å hindre at de optiske flate overflatene 14 blir permanent låst sammen. Oljen blir innført mellom blokkene 16 ved kapi11arrørsvirkning.

Et gjensidig påvirkningsområde 32 er dannet ved sammenføringen av trådene 12, i hvilket område lys blir overført mellom trådene ved flyktig feltkopling. Det er blitt funnet at for å sikre passende flyktig feltkopling, må. mengden av materiale fjernet fra fiberne 12 være omhyggelig kontrollert slik at avstanden mellom kjernepartiene til trådene 12 er innen en forutbestemt "kritisk sone". De flyktige feltene strekker seg inn i kledningen og avtar hurtig med avstanden utenfor sine respektive kjerner 15a og 15b. Således bør det være fjernet tilstrekkelig materiale til å tillate at hver kjerne 15a og 15b blir anordnet hovedsakelig innen flyktighetsfeltet til den andre. Dersom for lite materiale blir fjernet, vil ikke kjernene 15a og 15b være tilstrekkelig nær hverandre til å tillate at flyktighetsfeltene forårsaker den ønskede gjensidig påvirkning til de styrte moduser, og således vil dette resultere i utilstrekkelig kopling. På den annen side derimot dersom for meget materiale blir fjernet, vil forplantningskarakteristikken til fiberne bli endret, hvilket resulterer i tap av lysenergi på grunn av modusforstyrrelser. Imidlertid vil når avstanden mellom kjernene 15a og 15b til trådene 12a og 12b er innen den kritiske sonen, hver tråd motta en betydelig del av flyktighetsfeltenergien fra den andre tråden, og god kopling blir oppnådd uten vesentlig energitap. Den kritiske sonen er vist skjematisk på fig. 5 omfattende området merket med henvisningstallet 33, i hvilket flyktighetsfeltene, merket med henvisningstallene 34a og 34b, til de respektive fiberne 12a og 12b, overlapper hverandre med tilstrekkelig styrke til å frembringe kopling, dvs. hver kjerne er innen flyktighetsfeltet til den andre. Imidlertid vil som tidligere bemerket modusforstyrrelser opptre innen området 33 når kjernene 15a og 15b er bragt for nær hverandre.

F.eks. antas at for svakt styrte moduser slik som TE^-modus i enkel modus i enkel modusfibere, vil slik modusforstyr-relse begynne å opptre når tilstrekkelig materiale er fjernet fra fiberen 12 for å frilegge deres kjerner. Således er den kritiske sonen definert som arealet i hvilket flyktighetsfeltene 34 overlapper hverandre ved tilstrekkelig styrke til å forårsake kopling uten vesentlig energitap på grunn av motdusforstyrrelser.

Utstrekningen av den kritiske sonen for en bestemt koplingsanordning er avhengig av et antall av sammenhengende fak-torer slik som parameterne til fiberen selv og geometrien til koplingsanordingen. Videre kan for en enkel modusfiber som har en skrittindeksprofil, den kritiske sonen være gan-ske smal. I en enkel modusfiberkoplingsanordning av typen vist på fig. 1 til 4, er f.eks. den nødvendige senter-til-senter-avstanden mellom trådene 12 ved senteret til koplingsanordningen, typisk mindre enn noen få (f.eks. 2-3) kjerne-diametere.

Fortrinnsvis er trådene 12a og 12b (1) identiske, (2) har den samme kurveradius ved det gjensidige påvirkningsområdet 32, og (3) har en lik mengde av fiberoptisk materiale fjernet for å danne sine respektive motvendende overflater 18a og 18b. Således er fiberne 12 symmetriske over det gjensidige påvirkningsområdet 32 i planet til de motvendende overflater 18, slik at de motvendende overflater 18 dekker hverandre dersom de blir lagt over hverandre. Dette sikrer at de to fiberne 12a og 12b vil ha den samme forplantningskarak-teristikk ved det gjensidige påvirkningsområdet 32, og derved unngås koplingsdempning som er forbundet med ulike for-plantningskarakteristikker.

Blokkene eller basisstykkene 12 kan fremstilles av ethvert passende stivt materiale. I en for tiden foretrukket ut-førelse omfatter basisstykkene 12 generelt rektangulære blokker av smeltet kvartsglass omtrent 2,54 cm (1 tomme) lang, 2,54 cm (1 tomme) bred og 1,02 cm (0,4 tomme) tykk.

I denne utførelse er de fiberoptiske trådene 12 sikret i spaltene 13 ved hjelp av passende bindemiddel 38, slik som epoksylim. En fordel med de smeltede kvartsblokkene 16

er at de har en termisk ekspansjonskoeffisient lik koeffisienten til glassfiberne, og denne fordel er spesielt viktig dersom blokkene 16 og fiberne 12 er utsatt for varmebehand-ling under fremstillingsprosessen. Et annet passende materiale for blokken 16 er silikon, som også har utmerkede termiske egenskaper for denne anvendelse.

Koplingsanordningen 10 omfatter fire porter merket A, B,

C og D på fig. 1. På fig. 1 er portene A og C som korresponderer til de respektive tråder 12a og 12b på venstre-siden til koplingsanordningen 10, mens portene B og D som korresponderer til de respektive tråder 12a og 12b på høyre-siden av koplingsanordningen 10. For forklaringsformål vil det bli forutsatt at inngangslys blir påtrykt port A. Dette lyset passerer gjennom koplingsanordningen og ut ved port B og/eller port D, avhengig av mengden av energi som blir koplet mellom trådene 12. I denne henseende, er uttrykket "normalisert koplingsenergi" definert som forholdet mellom den koplede energi og den totale utgangsenergi.

I eksemplet ovenfor vil den normaliserte koplede energien være lik forholdet mellom energien ved port D og summen av energiutgangen ved portene B og D. Dette forhold blir også referert til som "koplingseffektivitet", og brukt på denne måte blir den vanligvis uttrykt som en prosent. Når således uttrykket "normalisert koplet energi" blir brukt i det følgende, må det forstås at den korresponderende koplingseffektivitet er lik den normaliserte koplede energien ganger 100. I denne henseende har prøver vist at koplingsanordningen 10 har en koplingseffektivitet på opptil 100%. Imidlertid vil det også ses at koplingsanordningen 10 kan bli "avstemt" for å justere koplingseffektiviteten til enhver ønsket verdi mellom null og maksimum.

Videre er koplingsanordningen 10 høyst retningsstyrt, slik

at det alt vesentlige av energien påtrykt ved en side av koplingsanordningen blir levert til den andre siden av koplingsanordningen. Koplingsdirektiviteten er definert som forholdet mellom energien ved port D og energien ved port C, med inngangssignal påtrykt port A. Prøver har vist at den retningskoplede energien (ved port D) er større enn 60 db over den mot-retningskoplede energien (ved port C). Videre er koplingsdirektiviteten symmetrisk. Dvs. at koplingsanordningen arbeider med de samme egenskapene uavhengig av hvilken side av koplingsanordningen som er inn-gangssiden og hvilken side som er utgangssiden. Dessuten oppnår koplingsanordnignen 10 disse resultater med svært lave gjennomgangstap. Gjennomgangstapet er definert som forholdet mellom den totale utgangsenergien (portene B og D) og inngangsenergien (port A) fratrukket fra en (dvs.,

1 - (P + P )/P ). Eksperimentelle resultater viser at

3DA

gjennomgangstap på 0,2 db er blitt oppnådd selv om tap på 0,5 db er mer vanlig. Videre indikerer disse prøver at koplingsanordningen 10 arbeider hovedsakelig uavhengig av polarisasjonen til det påtrykte inngangslyset.

Koplingsanorndingen 10 arbeider etter koplingsprinsippene for flyktige felt ved hvilken styrte moduser av trådene 12 samvirker ved sine flyktige felt for å forårsake at lys blir overført mellom trådene 12. Som tidligere indikert opptrer denne overføring av lys ved området for gjensidig påvirkning 32 i det etterfølgende kalt samvirkeområdet. Lysmengden som blir overført er avhengig av nærheten og orienteringen av kjernene 15a og 15b så vel som den effektive lengde av samvirkeområdet 32. Som vil bli beskrevet i detalj nedenfor, 'er også den overførte lysmengde avhengig av bølgelengden til lyset. Lengden av samvirkeområdet 32

er i sin tur avhengig av kurveradius til fiberne 12, og i en begrenset utstrekning avstanden mellom kjernene, selv om det er blitt funnet at den effektive lengden av samvirkeregionen 32 er hovedsakelig uavhengig av kjerneavstanden. Som vil bli forklart mer detaljert nedenunder, er imidlertid koplingslengden en funksjon av kjerneavstand så vel som bølgelengde. I et utførelseseksempel som anvender en kant-til-kant-kjerneavstand på omkring 1,4 |im, og en kurveradius i størrelsesorden 25 cm, er det effektive samvirkeområdet omtrentlig 1 mm langt ved en lyssignalbølgelengde på 633 nm. Fordi koplingslengden ved 633 nm også er 1 mm i slik en koplingsanordning, foretar lyset bare en overgang mellom trådene 12, mens det vandrer gjennom samvirkeregionen 32. Dersom imidlertid lengden av samvirkeområdet 32 blir økt, eller kjerneavstanden minsket, vil et fenomen som her er referert til som "overkopling" opptre, siden koplingslengden er kortere enn den effektive samvirkelengden. Under disse omstendigheter vil lyset overføres tilbake til ledningen som det kom ifra. Ettersom samvirkelengden blir ytterligere økt og/eller kjerneavstanden videre minsket, blir den effektive samvirkelengde et større multippel av koplingslengden, og lyset overføres tilbake til den andre tråden. Således kan lyset utføre et antall overganger frem og tilbake mellom de to trådene 12, mens det vandrer gjennom området 32, og antallet slike overføringer er avhengig av lengden på samvirkeområdet 32, lysbølgelengden (som beskrevet nedenunder) og kjerneavstanden.

Det forutgående kan bli mer fullstendig forstått ved henvisning til fig. 6 som viser en skjematisk representasjon av koplingsanordningen 10 på fig. 1. Kjernene til fibere 12a og 12b er vist gradvis konvergerende til en minimumavstand merket H ved seneret av koplingsanordningen, og divergerende mot kantene av koplingsanordningen. Den effektive samvirkelengde er merket L og kurveradius til trådene 12a og 12b er merket R. Som indikert ovenfor, har det blitt funnet at mens den effektive samvirkelengden L er en funksjon av kurveradiusen R, er den hovedsakelig uavhengig av minimumsavstanden H mellom fiberne 12. Selv om denne uavhengighet i virkeligheten er gyldig bare for relativt store kjerne-avstander og korte bølgelengder, gir den en god tilnærming for de fleste anvendelser og således tillater den på fordelaktig vis at koplingsanordningen, vist på fig. 6, kan ana-lyseres som en "ekvivalent" koplingsanordning omfattende to parallelle bølgeledere, atskilt over en samvirkelengde L (lik den effektive samvirkelengden L til koplingsanordningen på fig. 6), med en atskillelse H lik atskillelsen H på fig. 6, som vist på fig. 7.

Virkningene av å variere enten samvirkelengden L eller fiberavstanden H til den "ekvivalente" koplingsanordningen vist på fig. 7 kan forstås med referanse til fig. 8 og 9. Fig. 8 viser en sinusformet kurve 40 som illustrerer at den koplede energien P endres sinusformet som en funksjon av samvirkelengden L for en gitt fiberatskillelse Hl og en gitt bølgelengde. Ved denne fiberatskillelse eller -avstand, kan det ses at den koplede energien er omtrent 50% når samvirkelengden er lik LI, og øker til 100% når samvirkelengden øker til L2. I samsvar med definisjonen gitt ovenfor, er L2 lik koplingslengden for denne gitte bølgelengde. Hvis samvirkelengden blir ytterligere økt, slik at den er lenger enn koplingslengden, blir resultatet "overkopling", og lys blir overført tilbake til tråden som det kom ifra og den koplede energien P^begynner å avta mot null. Den koplede energien øker så fra null til f.eks. 50% ved L3. Det kan således ses at koplingsmengden kan varieres ved å endre lengden L til samvirkeregionen til den "ekvivalente koplingsanordning" på fig. 7.

Resultatet av å minske avstanden H mellom fiberne til denne 'ekvivalente koplingsanordning" er å øke styrken til koplingen, og således øke lysmengden som blir overført over en gitt samvirkelengde L, som vist ved å sammenligne sinuskurven 42 på fig. 9 med sinuskurven på fig. 8. Dersom f.eks. fiberavstanden ble minsket fra H, (fig. 8) til H»(fig. 9), kan den koplede energien være 100% ved samvirkelengde LI

på fig. 9, sammenlignet med 50% for den samme samvirkelengde LI på fig. 8. Denne endring i avstand reduserer således

på en effektiv måte koplingslengden for den gitte bølge-lengden fra L2 (fig. 8) til LI (fig. 9). Kurven 42 begynner så å vise overkopling og den koplede energien minsker til 50% ved samvirkelengde L2. Ved samvirkelengde L3, som er et ulikt multippel av koplingslengden Li (5 ganger), indikerer kurven 42 at den koplede energien igjen er 100%. Således kan for en gitt samvirkelengde (f.eks. Li, L2 eller L3), med den "ekvivalente koplingsanordningen" på fig. 7,

og lysbølgelengde, koplingslengden bli justert ved å endre fiberkjerneavstanden.

Forholdet mellom minimum fiberavstand H og den koplede energien P^, for en gitt samvirkelengde L til den "ekvivalente koplingsanordningen" på fig. 7, og en gitt lysbølge-lengde er illustrert på fig. 10 ved kurven 44. Som vist

på denne figur vil den normaliserte koplede energi veksle mellom 0 og 1 med økende frekvens ettersom koplingslengden blir avkortet ved minske kjerneavstanden H. Referansepunk-tene a, b og c på kurven H ble valgt noe vilkårlig for å indikere normalisert koplet energi på henholdsvis 0,5, 1,0 og 0,25. Det vil erindres at ved punkt "a" blir 50% av energien koplet fra en fiber til den andre. Ved punkt "b" blir full kopling oppnådd, og 100% av den optiske energien blir overført mellom trådene. På den annen side representerer punkt "c" en overkoplet tilstand hvori den koplede energien har minket fra full kopling til 25%.

Som fastsatt tidligere, er koplingsmengden til koplingsanordningen, som vist skjematisk på fig. 6, mest fordelaktig analysert ved bruken av en "ekvivalent koplingsanordning", vist på fig. 7, hvor minimumsavstanden H er identisk til minimumsavstanden H til den virkelige fiberen, men den "effektive samvirkelengden" til den virkelige fiberen på

fig. 6 er lik den virkelige samvirkelengden til den "ekvivalente koplingsanordningen" på fig. 7. Den "effektive samvirkelengden" til koplingsanordningen på fig. 6 er i denne analysen en kompleks funksjon som avhenger primært på kurveradiusen R til den virkelige koplingsanordingen. Denne analyse medfører integrasjonen av koplingskoeffisienten i begge retninger fra punktet med minimumavstand, i retningen til fiberaksene, med koplingskoeffisienten varierende i samsvar med den varierende avstanden til fiberne. Denne varierende avstand for overlappende kurvede fibere

er gitt av den følgende ligningen:H(Z) =Hq + Z 2/2R,

hvor R er kurveradius til fiberne fra punktet med minimumsavstand, og Hg er minimumsavstanden.

Fra denne analyse er en typisk avhengighet av koplingsanordningens "effektive samvirkelengde" av fiberkurveradius R, vist på figur 11 for et bredt spekter av signalbølge-lengder. Som ventet, vil samvirkelengden øke med økende kurveradius. Som en tilnærming gyldig for situasjoner hvor minimumsfiberavstanden Hq er stor i sammenligning med fiber-radien, A, og for store verdier av v (signalfrekvens), dvs. korte signalbølgelengder, er verdien av L, samvirkelengde:

Fra denne ligning kan ses at samvirkelengden L er ventet å øke med (R)<2>.Dette resultat er vist på fig. 11. En økning av radien R med en faktor på 4 dobler den effektive samvirkelengden .

Som tidligere fastslått kan den effektive samvirkelengden

L anses som uavhengig av minimum fiberavstanden H på fig.

6.

Av viktighet ved bruken av denne koplingsanordningen som en multiplekser er avhengigheten av den effektive samvirkelengden L (fig. 6) på signalbølgelengder, spesifisert ved det tilnærmede uttrykk for L ovenfor. Dersom verdien y angir inntrengningsdypden til det flyktige feltet til den uforstyrrede fibermodus innenfor fiberkledningen, så er Y = v/a. Uttrykket gitt ovenfor for samvirkelengden viser at denne lengden burde øke med bølgelengden siden lengre signalbølgelengder trenger dypere inn i fiberkledningen.

Virkningen av signalbølgelengder på effektive samvirke-lengder (fig. 6) er vist på fig. 12. Av denne figur ses at samvirkelengden øker mer eller mindre lineært med økende bølgelengder.

Den foregående beskrivelse er nyttig ved forståelsen av "avstemningsaspektene" til koplingsanordningen 10. Som nyttet i denne beskrivelse, er uttrykket "avstemning" definert som overlapping av fiberne 12 relativt til hverandre for å justere energien som blir koplet dem imellom. Slik overlapping av fiberne 12 blir utført ved å la de plane motvendende overflatene 18 gli relativt til hverandre, slik de blir forskjøvet snarere enn å ligge over hverandre. Dvs. at fiberne 12 blir gjensidig forskjøvet i planet til de plane motvendende overflatene. Sett på

en annen måte opptrer slik overlapping for de respektive plan som hver av fiberne ligger i blir forskjøvet relativt til hverandre.

Ved en for tiden foretrukket metode for fibertranslasjon, blir de motvendende overflatene 18 sideforskjøvet. Som benyttet her, betyr uttrykket "sideforskjøvet" at de motvendende overflatene 18 glir til siden fra sin overlappende posisjon for å øke avstanden mellom fiberkjernene, samtidig som det opprettholdes et hovedsakelig parallelt forhold mellom fiberne 12. Slik sideforskyvning av de motvendende overflatene 18 er vist skjematisk på fig. 13. Virkningen av slik sideforskyvning er selvfølgelig at avstanden mellom kjernene til fiberne 12 endres. I tillegg til denne avstands-endring blir imidlertid også samvirkelengden påvirket. Uttrykket H(Z) = Hq + Z 2/2R var fremkommet som en definisjon av den varierende avstand for overlappende kurvede fibere. Når slike fibere blir sideforskjøvet, blir dette uttrykket mer kompleks. Fig. 14 og 15 viser skjematisk to riss (parallelt og perpendikulært til fiberplanet) av en overlappende utforming som analysert tidligere. I en sideforskjøvet utførelse, som vist på fig. 16 og 17, blir minimumsfiberavstanden (Hq 2 + Y 2 ) J 2', hvorved Y er sideforskyvningen, men også retningen til denne minimumsavstanden, vist ved den strekede linjen på fig. 17, ligger ikke lenger i planet til fiberne. En ny akse A, som vist i fig. 17, blir skrådd relativt dette plan. Sett i retningen fra denne A-akse, endrer fiberkrumningen seg, og den projekterte kurveradius er større enn den virkelige radien R. Således øker ikke avstanden H(Z) mellom fiberne langs Z-aksen så raskt som i den overlappende utførelse når begge utførelser har den samme minimumsavstand. Således blir uttrykket gitt oven-

for for H(Z) i denne sideforskjøvede utførelsen:

En direkte bekreftelse av denne foreslåtte oppførsel kan oppnås ved å beregne koplingssamvirkelengden mot fiberforskyvningen Y. Fig. 18 viser at med økende fiberforskyvning, øker koplingssamvirkelengden.

Fra beskrivelsen ovenfor kan ses at den effektive samvirkelengden (fig. 6) ved en gitt signalbølgelengde er funnet å avhenge primært av kurveradiusen til fiberne. Avhengigheten av minimum fiberavstand H er for alle praktiske for-mål neglisjerbar. Siden signaler med forskjellige bølge-lengder har forskjellig gjennomtrengningsdypde i kledningen, er det en avhengighet av samvirkelengde på signal-bølgelengder ved at samvirkelengden øker med økende bølge-lengder. I tillegg medfører geometrien til den kurvede fiberkoplingsanordningen en økning i den effektive kurve radiusen til hver fiber og dermed samvirkelengden med økende sideforskyvning av fiberne. Den viktige konklusjon av denne beskrivelse er at for en gitt fibertype og signal-bølgelengde, blir den effektive samvirkelengden mellom de kurvede fiberne på fig. 6 i en overlappende utforming fastsatt ved fremstillingen ved valget av fiberkurveradius.

Kurven 46 på fig. 19 illustrerer grafisk virkningen av sideforskyvning av fiberens motvendende overflater for en koplingsanordning som har en minimums kant-til-kant-kjerneavstand H lik "a" (fig. 10) og en gitt lysbølgelengde.

Når de motvendende overflatene 18 til fiberne blir lagt over hverandre (dvs. ingen sideforskyvning), vil den normaliserte koplede energi være lik 0,5, som gitt av kurven 44 på fig. 10. Når imidlertid de motvendende overflater 18 til fiberne 12 er sideforskjøvet i hvilken som helst retning for å øke avstanden mellom kjernene, avtar den koplede energien gradvis til null.

Med henvisning til kurven 48 på fig. 20, er vist virkningen av sideforskjøvet fiber på normalisert koplet energi for en koplingsanordning som har en kant-til-kant-kjerneavstand lik "b" (fig. 10) og den samme lysbølgelengden. Når det er ingen forskyvning og de motvendende overflatene 18 ligger over hverandre, er den normaliserte koplede energien lik 1,0 som vist ved kurven 44 på fig. 10, men ettersom de motvendende overflatene 18 til fiberne 12 imidlertid blir sideforskjøvet i hvilken som helst retning, avtar den koplede energien gradvis.

Kurven 50 på fig. 21 viser koplet energi som en funksjon

av relativ fiberforskyvning for en kjerneavstand lik "c"

(fig. 10) og den samme lysbølgelengden, hvilken som det vil erindres, representerer en overkoplet tilstand. (Dvs. den effektive samvirkelengden overskrider koplingslengden.) Fra denne kurve 50 kan ses at når de motvendende overflatene 18 til fiberne 12 ligger over hverandre, er den normalisert

koplede energien lik 0,25. Ettersom kjerneavstanden blir øket ved å la de motvendende overflatene 18 gli slik at de blir sideforskjøvet, øker den normaliserte koplede energien til å begynne med til 1,0 ettersom den effektive samvirkelengden avtar til å bli lik koplingslengden, og så avtar energien mot null når kjerneavstanden blir videre økt.

I alle de foregående tilfellene som er illustrert ved

fig. 19, 20 og 21, avtar den koplede energien til null ved hovedsakelig den samme sideforskyvning, og det antas at de fysiske parameterene og lysbølgelengder korresponderende til disse figurene er identiske unntatt for sin fiberavstand ved null forskyvning. Ved å sammenligne kurvene 46,48 og 50 på fig. 19, 20 og 21, kan det ses at de respektive sløyfer av disse kurver har en tendens til å

øke ettersom kjerneavstanden minskes. Således er følsom-heten overfor sideforskyvning høyere for en koplingsanordning som har de karakteristiske trekkene vist på fig. 21 enn koplingsanordninger som har de karakteristiske trekkene vist på enten fig. 19 eller 20.

Eksperimentelle kjensgjerninger indikerer gjennomgangstapene til koplingsanordningen 10 er hovedsakelig konstant, unntatt når sideforskyvningen av kjernene er relativt stor. Prøver med et eksempel av koplingsanordningen viste at gjennomgangstapene var innen 0,2 db som minimumstapet med en sideforskyvning opp til 10 |im i enten den ene eller andre retning. Denne koplingsanordning nyttet en enkel modusfiber med en kjerneindeks på 1,460, en kledningsindeks på 1, 4559 og en kjernediameter på 4 |am. Kurveradiusen til fiberne var 25 cm, kant-til-kant-kjerneavstanden var omtrent 0,9 |im og bølgelengden til det anvendte lyset var 632 ,8

nm. Fig. 22 viser, for denne eksempelvise koplingsanordning, et diagram for gjennomgangstap merket med henvisningstallet 60, og et diagram for den normaliserte koplede energien merket med referansetallet 62, og begge diagrammer er en

funksjon av sideforskyvning til de motvendende overflatene 18. De to horisontale brutte linjene trukket gjennom senteret på fig. 14 frembringer de øvre og nedre grensene for et 0,2 db energitapbånd. Det kan ses at energitap-kurven 60 er innen dette bånd for sideforskyvning opp til omkring 12 \ im i en av retningene. Videre kan det ses at ved 12 (im sideforskyvning er den normaliserte koplede energi omtrent 0,1. Således vil for koplet energi 0,1 og 1 energitapet være innen omkring 0,2 db til minimum energitapet. Dersom energitapbåndet blir utvidet til 0,5 db, er energitapbåndet innen 0,5-db-båndet for fiberforskyvning opp til 15 (jm, hvilket korresponderer til en koplet energi på mindre enn 0,05 (dvs. 5%). Således fremviser denne koplingsanordning hovedsakelig konstante gjennomgangstap, dvs.

innen en relativt smal energitapbåndvidde, over hovedsakelig hele arbeidsområdet for innretningen. Videre er det tydelig at gjennomgangstapene er meget små og relativt konstante for koplet energi mellom 10% og 100%.

Prøveresultater viser at gjennomgangstap så lave som omkrig 0,2 dB er blitt oppnådd, selv om tap på 0,5 dB er mer vanlig som i det ovenfor beskrevne eksempeleksemplar.

Siden koplingstapene er relativt ufølsomme for sideforskyvning av de mot hverandre vendende overflatene 18 over hovedsakelig hele koplingsområdet, er slik sideforskyvning en spesielt fordelaktig metode for avstemming av koplingsanordningen 10 for å frembringe en ønsket mengde av koplet energi. Det må imidlertid forstås at koplingsanordningens karakteristika kan bli endret ved langsgående forskyvning av de motvendende overflatene. Uttrykket "langsgående forskyvning" som nyttet i denne betydning, refererer seg til forskyvning av de motvendende overflatene 18 fra en overlappende stilling til en forskjøvet stilling i en retning parallell med fiberne 12, som vist skjematisk på fig. 23. Slik langsgående forskyvning har som virkning at den øker minimumskjerneavstanden til fiberne 12. F.eks. med referanse tilbake til fig. 10, dersom det er forutsatt at fiberavstan den H, når de motvendende overflatene 18 overlapper hverandre er lik "a", vil den langsgående forskyvning av de motvendende overflatene 18 bevege dette punktet "a" langs kurven 44 til et punkt merket "a<1>". På samme måte vil denne langsgående forskyvning overføre punktet "b" langs kurven 44 til "b<1>" og punktet "c" langs kurven 44 til "c<1>". Dette vil selvfølgelig frembringe korresponderende endringer i forskyvningskuvene på fig. 19, 20 og 21 ved å redu-sere den normaliserte koplede energien ved null forskyvning.

Forsøk har vist at det kreves en relativt stor langsgående forskyvning for å frembringe endringer i koplingen lik disse som ble oppnådd ved forholdsvis små sideforskyvninger. Således er koplingsanordningen relativt ufølsom overfor langsgående forskyvning. I tillegg er det blitt funnet at siden gjennomgangstapene ikke blir vesentlig påvirket av langsgående forskyvninger, er ikke innrettingen av den motvendende overflaten 18 kritisk.

Koplingsegenskapene til koplingsanordningen 10 kan også

bli påvirket ved å rotere de motvendende overflatene 18

i forhold til hverandre, ettersom dette minsker den effektive lengden til samvirkeområdet. Uttrykket "rotert forskyvning" vil bli nyttet for å referere til sideforskyvning av fiberne som vist skjematisk på fig. 24, ved å rotere de motvendende overflatene 18 rundt en felles akse, f.eks. aksen 66. Virkningen av slik rotasjonsforskyvning er lik til den som er beskrevet ovenfor for langsgående forskyvning av overflaten. Dvs. at koplingsanordningen 10 er relativt ufølsom for små rotasjonsforskyvninger, både når det gjelder endringer i koplet energi så vel som gjennomgangstapene .

Mens således mindre justeringer av den koplede energien

kan bli utført ved rotasjonsforskyvning eller langsgående forskyvning av de motvendende overflatene, blir først og fremst justeringer i koplet energi utført ved sidefor-

skyvning av de motvendende overflatene 18, men det må forstås at i praksis kan en kombinasjon av disse teknikker bli brukt.

Som tidligere fastslått, er koplingslengden 35 innen koplingsanorndingen 10 lengden som er nødvendig for lys ved en gitt bølgelengde for å overføres sentralt fra en fiber 12 til den andre fiberen 12. Som tidligere beskrevet, spesielt med henvisning til fig. 8, 9 og 10, er koplingslengden 35 direkte påvirket av minimumsfiberavstanden H

(fig. 6). I tillegg er det blitt funnet at koplingslengden 35 er en funksjon av lysbølgelengden. Som beskrevet ovenfor, øker inntrengningsdypden til det flyktige feltet i en uforstyrret fibermodus inne i fiberkledningen med økt bølgelengde.

Dette fenomenet er vist grafisk på fig. 25, 26 og 27 som viser størrelsen av det flyktige feltet for hver av to i nær avstand anordnede optiske fibere. Med korte bølge-lengder, som avbildet på fig. 25, er det en dårlig overlapping mellom de flyktige feltene El og E2, fordi de flyktige feltene ved slike bølgelengder er for det meste begrenset til nær fiberkjernen (avbildet ved de brutte linjene), dvs. at modusene er godt styrt og godt begrenset i de respektive bølgeledere. Ettersom signalbølgelengden blir økt, som vist på fig. 26, strekker de flyktige feltene El og E2 seg videre vekk fra fiberkjernene og modusoverlappet øker. Likeledes øker koplingskoeffisienten siden denne koeffisienten er resultatet av en integrasjon over kjernen til fiberen (de skraverte områdene på fig. 25-27) av de flyktige feltverdiene El og E2. For lange bølgelengder imidlertid, som vist på fig. 27, sprer modusene seg så langt ut inn i den omgivende kledningen at mesteparten av den tilgjengelige modusenergien er fraværende fra det skraverte området med samvirke (fiberkjerne).

Dette fenomen er videre vist på fig. 28 på hvilken den norma-

liserte energien fremført av kledningen (eller kjernen)

og energitettheten ved kjernekledningsinnerflaten er avteg-net som en funksjon av normalisert frekvens for en svakt styrt fiber. Det er klart at ved lengre bølgelengder (lavere frekvenser), vil de fleste av modusene være i fiberkledningen (svak styring). Det er også åpenbart at energitettheten (og størrelsen på det elektriske feltet)

ved kjernekledningsgrensen, eller for den saks skyld, ved enhver radiell posisjon i kledningen, er maksimum ved en bestemt signalbølgelengde. Ved kortere bølgelengder vil energifordelingen forskyves mot kjernen (godt styrt modus), mens ved lengre bølgelengder sprer energien seg videre ut,

og blir således redusert ved enhver radiell posisjon i kjernen (godt styrt modus), mens ved lengre bølgelengder sprer energien seg videre ut og blir således redusert ved enhver radiell posisjon i kjernen eller kledningen (løs styring). Eksistensen av en maksimumskopblingsbølgelengde i parallell fiberkoplingsanordningen er en konsekvens av denne maksimum i modellens energitetthetskurve.

Fordi modusoverlappet topper seg ved en maksimum koplings-bølgelengde, fremviser koplingslengden (den nødvendige lengden for en fullstendig overføring av energi mellom fiberne)

et minimum ved en gitt fiberavstand H ved denne maksimum koplingsbølgelengde. Videre blir bølgelengde eller kortest koplingslengde seg mot det infrarøde området ettersom fiberavstanden blir økt.

Koplingslengdens avhengighet av signalbølgelengdene er vist for to forskjellige fibertyper på fig. 29 og 30. Type 1 fiberen vist på fig. 29 har en fiberradius på 2 um, en kjernerefraksjonsindeks på 1,460 og en kledningsrefraksjonsindeks på 1,4559. Type II-fiberen som vist på fig. 30

har en kjerneradius på 3 |am, en kjernerefraksjonsindeks på 1,458 og en kledningsrefraksjonsindeks på 1,4551. Av disse figurene kan ses at for en gitt fiberavstand H, vil koplingslengden først avta når signalbølgelengden øker fra

en ende av det synlige spektrum mot det infrarøde, og så øke ettersom bølgelengden blir videre økt. Således vil det for en gitt fiberavstand være en bølgelengde som har den korteste koplingslengden og denne bølgelengden forskyves mot det infrarøde ettersom fiberavstanden blir økt.

Siden koplingslengden i en enkel modusfiberkoplingsanordning som beskrevet med henvisning til fig. 1-4, viser en sterk avhengighet av signalbølgelengde, som vist på fig. 29 og 30, er det mulig med hensiktsmessig valgte geometriske parametere for koplingsanrodningen 10 å totalkople en signalbølgelengde mens en annen signalbølgelengde forblir i hovedsaken ukoplet. Dette fenomenet tillater atskillelsen av to overliggende signaler som er matet inn i en enkelt port til koplingsanordningen, eller kombinasjonen av to signaler matet inn i portene på en side av koplingsanordningen 10. Således kan, som vist på fig. 31, dersom et første signal, signal 1, som har en bølgelengde \^blir matet inn i port A til koplingsanordningen 10, og et andre signal, signal 2 som har en bølgelengde x blir koplet til port C og geometrien er hensiktsmessig utvalgt, begge signalene blir kombinert ved port B, og med ikke noe lys-utgang ved port D. Dette fenomen er reversibelt, dvs.

hvis signal 1 og signal 2 er inngangssignaler ved port B, vil de være separate utgangssignaler ved portene A og C.

For å illustrere denne bølgelengdeavhengighet viser fig. 32 en opptegning av koplet energi mot signalbølgelengden i det synlige og nær infrarøde spektrum for en bestemt kop-lingsanordningsgeometri. Fordi den effektive samvirkelengden til koplingsanordningen er et ulikt multippel av koplingslengden for bølgelengden 720 nm, men et likt multippel av koplingslengden for bølgelengden 550 nm ved denne koplingsanordningsutførelsen, vil bølgelengden 720 nm bli 100% koplet, mens bølgelengden 550 nm vil bli effektivt ikke koplet. Med forskjellig effektivitet kan forskjellige bølgelengder bli kombinert eller atskilt,F.eks. kan 590 nm og 650 nm bli atskilt eller kombinert med en effektivitet på 80%.

I virkeligheten kan ethvert bølelengdepar (xl, X 2) bli effektivt kombinert eller atskilt så lenge som den effektive samvirkelengden er et likt multippel av koplingslengden for en bølgelengde og et ulikt multippel av koplingslengden for den andre bølgelengden. Som tidligere forklart, vil ettersom antallet koplingslengder innen den effektive samvirkelengden øker, oppløsningen til multiplekseren bli endret. Fordi, som vist tidligere, den effektive samvirkelengden er hovedsakelig en funksjon av kurveradiusen R til koplingsanordningen 10, kan multiplekseroppløsningen bli endret ved å øke kurveradiusen R. Forutsatt at samvirkelengden til koplingsanordningen er stor nok, kan hvilke som helst to signaler bli nøyaktig blandet eller atskilt uansett hvor nært deres bølgelengder ligger.

Siden, som beskrevet under henvisning til fig. 29 og 30, koplingslengdene viser et minimum i spektralområdet som er av interesse for typiske enkelmodusfibere, må det tref-fes foranstaltninger slik at multiplekseren arbeider borte fra dette lav-oppløsningspunkt. Posisjonen til minimum-koplingslengden, som beskrevet med referanse til fig. 29

og 30, avhenger av minimum-fiberavstanden. Denne para-meter kan derfor bli brukt til hensiktsmessig forspenning av en koplingsanordning for høy koplingsoppløsning i bølge-lengdeområdet av interesse.

Samvirkelengden, som ble beskrevet med henvisning til fig. 12, er en funksjon av bølgelengde og oppløsningen er omtrentlig proporsjonal med (R) . Ettersom R øker vil den effektive samvirkelengden, og blir et høyere multippel av koplingslengden, og derved forbedrer oppløsningen. Dette resultat er vist på fig. 33, hvor det fremgår at ettersom den effektive samvirkelengden øker og blir et høyere multippel av koplingslengden, forbedres oppløsningen. Dette resultat er vist på fig. 33, som er sammenlignbart med kurven på fig. 32, unntatt at kurveradiusen er blitt økt til 200 cm. Som forutsatt forbedrer denne økning i radius oppløsningen til koplingsanordingen nær X = 600 nm fra omtrent 170 nm ved 25 cm radiusen til omtrent 60 nm ved 200 cm tilfellet. En bør også merke seg det faktum at,

som ventet fra fig. 29, er koplingslengden er minimum ved

= 1 um, hvilket forklarer den dårligere oppløsningen

i dette området, som forklart tidligere.

Det kan gjenkalles at, med referanse til fig. 12, den effektive samvirkelengden var vist som å være en funksjon av bølgelengden. Siden, som beskrevet i referanse til fig. 29 og 30, koplingslengden også blir påvirket av bølge-lengden, multippel-tallet til koplingslengder innen den effektive samvirkelengden, som definerer multiplekser-oppløsningen, blir påvirket av begge disse bølgelengde-avhengigheter. I denne henseende viser fig. 34 at kvotienten til den effektive samvirkelengden dividert med koplingslengden gir en maksimumverdi, og både denne maksimumverdi og bølgelengden ved hvilken den opptrer, avhengig av minimum-fiberavstanden H. Som bemerket tidligere er det vanskelig å oppnå god oppløsning med en multiplekser som arbeider nær et maksimum til en av kurvene på fig.

34 siden kvotienten nær dette ormådet varierer sakte med bølgelengden. Det er således høyst ønskelig å la en multiplekserkoplingsanordning arbeide i et område hvor hel-lingen til denne kvotient er relativt stor. Av fig. 34

kan ses at dette mål kan nås for ethvert bølgelengdepar ved hensiktsmessig valg av parameteren H, fiberavstand. Dersom f.eks. effektiv pultipleksing er ønsket nær en bølge-lengde på 0,9[im i en type 1-fiber, vil en fiberavstand på 5-6[im frembringe større helling og således bedre opp-løsning .

Når minimumfiberavstanden H er blitt bestemt, kan kurveradiusen R bli valgt for å frembringe den nødvendige frekvensatskillelse (XI - X2) fpr frekvensparet som skal bli multiplekset. Dette forhold ble tidligere forklart ved at den effektive samvirkelengden er en funksjon av kurve radiusen, og lik/ulikt multippelkravene til koplingslengden for de to frekvensene som skal bli atskilt. Det skal be-merkes at en endring i kurveradiusen R bare begrenser den effektive samvirkelengden, men begrenser ikke koplingslengden. Siden således posisjonen til maksimumspunktene på kurvene på fig. 34 er en funksjon av posisjonene til minimumskoplingslengdene (fig. 29 og 30), vil en endring i radiusen R minske kurvene på fig. 34 uten vesentlig forskyvning av deres maksimumspunkter.

Oppløsningen til en multiplekserkoplingsanordning avhenger derfor av de to uavhengige parameterne H (fiberavstand)

og R (kurveradius til fiberne). For et gitt par signal-bølgelengder vil effektiv blanding være teoretisk oppnådd ved først å velge en hensiktsmessig fiberavstand for koplingsanordningen, hvilket gir en stor bølgelengdeavhen-gighet for kvotienten på fig. 34 nær bølgelengdene av interesse (valg av H), og således ved å velge en kurveradius som gir en oppløsning lik forskjellen mellom bølge-lengdene (valg av R).

Etter at oppløsningen til koplingsanordningen er blitt innstilt i samsvar med bølgelengdene som skal atskilles, kan koplingsanordingen bli avstemt for nøyaktig å justere koplingslengdene for bølgelengdene av interesse slik at den effektive samvirkelengden er et likt multippel av koplingslengden til en bølgelengde og et ulikt multippel av koplingslengden til den andre bølgelengden. Dette blir oppnådd ved å forskyve fiberne, som beskrevet med henvisning til fig. 16 og 17. Slik en forskyvning, som ble beskrevet tidligere, har som virkning at minimumfiberavstanden H øker, og dermed øker den effektive kurveradius til fiberne. Dersom den nødvendige forskyvning er liten nok, vil den ikke påvirke multiplekseroppløsningen. Dette skyldes det faktum at avstanden H til en koplingsanordning med stor radius endrer seg hurtig med fiberforskyvningen sammenlignet med endringer i den effektive kurveradius ved fiberforskyvning.

For å illustrere denne avstemmingsegenskap til multiplekserkoplingsanordningen, viser fig. 35 en opptegning av relativ koplet energi som funksjon av bølgelengden for tre økende verdier av f iberf orskyvning (0 (im, 0,5 um og 1,0 (im). Det ses at kurven forskyves mot økende bølge-lengder ettersom forskyvningen øker, mens svingningsperioden (eller oppløsning) forblir uendret. I dette spesielle eksemplet (R = 200 cm, H = 4 (im) , vil en forskyvning på

1 (im forskyve kurven omtrentlig 45 nm.

Fra den forutgående beskrivelse vil det forstås at kon-strueringen av en effektiv multiplekser ved et gitt bølge-lengdepar (Xl, X2) omfatter de følgende skritt: 1. Minimumfiberavstanden blir valgt slik at frekvensene av interesse ligger borte fra maksimumspunktene på

kurvene på fig. 34.

2. Kurveradiusen R blir valgt for å oppnå den nødvendige oppløsning, dvs. kurveradiusen bør gi en samvirkelengde som frembringer det nødvendige antall koplingslengder innen den effektive samvirkelengden for å frembringe

ulik/lik multippelforholdet beskrevet ovenfor.

3. Etter fremstillingen blir multiplekseren justert ved å forskyve de to fiberne for å øke fiberavstanden H, hvilket påvirker koplingen ved begge bølgelengder XI

og X2 uten merkbare endringer av b'ølgelengdeoppløsningen.

Koplingsanordningen 10 kan avstemmes mekanisk i samsvar med de forutgående angivelser ved hjelp av en avstremnings-innretning 70, vist på fig. 36. Innretningen 70 omfatter en mikrometervogn 71 som har en avtrappet U-formet kanal 72. Det nedre partiet 74 til kanalen 72 er smalere enn det øvre partiet 76, og har en størrelse slik at det fast-monterer koplingsblokken 16B med bunnen til blokken 16B hvilende på bunnen av kanalen 72. Avtrappingen har en overgang 79 mellom den øvre og nedre del av kanalen. Over-gangen 79 mellom den øvre delen 76 og den nedre delen 74 er anordnet lavere enn de motvendende overflatene 14 til blokken, slik at den øvre blokken 16A kan beveges en retning perpendikulært på kanalpartiet 76. Koplingsanordningen 10 er orientert slik at trådene 12 går i en retning som er parallell med kanalen 72 for å tillate bevegelse for sideforskyvning av de motvendende overflatene 18.

Et par sylinderformede støtter 78 er glidbart montert og strekker seg fra en sidevegg av det øvre partiet 76 til kanalen 72. Disse støttene 78 er fjærbelastet mot en side av blokken 16A. Differensialmikrometere 80 er montert på den motsatte sideveggen til kanalens øvre parti 76. Mikrometerne 80 støtter seg mot den motsatte siden til blokken 16A, slik at blokken 16A blir holdt mellom mikrometerne 80 og de fjærforspente støttene 78.

Ved å dreie mikrometerne 80 kan posisjonen til blokken

16A bli justert i relasjon til blokken 16B for overlapping av de motvendende overflatene 18. Siden blokkene 16 be-står av gjennomsiktig kvarts, kan de relative posisjoner til de motvendende overflatene 18 bli observert ved å anvende et mikroskop. Overflatene 18 kan også bli sideforskjøvet fra sin overlappende posisjon dersom det er ønskelig, for å avstemme koplingsanordningen 10 til den ønskede koplingseffektivitet, ved å dreie mikrometerne 80. Når koplingsanordningen 10 er blitt avstemt, kan blokkene 16 dersom det er ønskelig, bli fastklemt, limt eller smeltet sammen for å frembringe en koplingsanordning med en permanent eller semipermanent fast forskyvning.

Anordningen 70 kan også bli brukt til å dreie de motvendende overflatene 18 i forhold til hverandre ved å dreie en av mikromterne 80 slik at blokkene 16 kommer i skråstilling i forhold til hverandre.

Fig. 37 viser skjematisk hvordan multiplekserkoplingsanordningen i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan bli anvendt for å atskille en større flerhet av signalbølge- lengder. I denne illustrasjonen blir en flerhet av multiplekserkoplingsanordningen 100-112 anvendt. En inngangs-fiber til koplingsanordningen 100 blir koplet til en fiber på hvilken åtte separate optiske bølgelengder blir overført, representert ved Xl til X8. I dette systemet vil frekvens-atskillelsen til hvert par av nærliggende fibere, dvs.

(XI -X2), (X2 -X3), (X3 -X4), etc. være lik og bli kalt AX. Den første multiplekserkoplingsanordningen 100 har

en oppløsning lik AX og vil således kople bølgelengderX2, x4, X6 og X8, men vil etterlate ukoplet de gjenværende bølgelengdene xl, X3, X5 ogX7. Disse sistnevnte bølge-lengdene blir koplet til en fiberinngang på koplingsanordningen 102. På samme vis blir bølgelengdene x2, X4, X6

og X8 koplet til en fiberinngang til koplingsanordningen 104. Koplingsanordningene 102 og 104 har en oppløsning lik 2AX og skiller således inngangsbølgeiengdene atskilt med 2 A x inn i separate utgangsfibere. F.eks. frembringer koplingsanordningen 102 i hovedsak ingen kopling av bølge-lengdene Xl og X5, men i det alt vesentlige fullstendig kopling av bølgelengdene X3 og X7. Fiberne fra koplings-anordingene 102 og 104 frembringer innganger til koplingsanordningene 106 til 112 som hver har en oppløsning på 4 A X, og således frembringer en siste atskillelse av inngangs-bølgeiengdene inn til separate utgangsfibere. Det vil forstås at demultipleksingoperasjonen som nettopp er beskrevet kan reverseres ved å frembringe inngangsbølgeiengdene xl til x8 på de passende fiberne, som vist på fig. 37, til koplingsanordningen 106 til 112. Denne multipleksing-operasjonen vil resultere i at alle bølgelengdene blir kombinert på den enkle utgangsfiberen til koplingsanordningen 100 .

For å konstruere dette systemet, kan oppløsningene som beskrevet ovenfor bli justert i samsvar med den forutgående beskrivelse og frekvensen for hver multipleksingkoplings-anordning kan bli valgt ved å avstemme koplingsanordningen. Oppløsningen for koplingsanordningene 102 og 104 er iden tiske, og det er også oppløsningen for koplingsanordningene 106 til 112. Således er disse grupper av koplingsanordninger identiske i konstruksjon, men er avstemt forskjellig, og man trenger bare tre typer av koplingsanordninger for apparatet vist på fig. 36 for å frembringe det ønskede frekvensvalg.

Claims (8)

1. Fiberoptisk multiplekser for kombinering eller atskillelse av et par av optiske bølgelengder, karakterisert ved : et par av optiske fibere anordnet i tett nærhet for å frembringe flyktig feltkopling derimellom med en samvirkelengde av fiberne, og flyktigfeltkoplingen mellom fiberne opptrer innen en koplingslengde innen samvirkeområdet, og samvirkelengden er et likt multippel av koplingslengden til fiberne ved en av de optiske bølgelengdene og et ulikt multippel av koplingslengden ved den andre optiske bølgelengden.

2. Fiberoptisk multiplekser som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte par av optiske fibere er buet og hvori nevnte samvirkningslengde er en funksjon av kurveradius til nevnte buede fibere.

3 . Fiberoptisk multiplekser som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte par av optiske fibere er sideforskjøvet fra hverandre for å utvelge nevnte par av optiske bølgelengder.

4. Fiberoptisk multiplekser som angitt i krav 3 hvor nevnte par av optiske fibere er anordnet i faste blokker, og nevnte multiplekser i tillegg er karakterisert ved : apparat for å bevege nevnte blokker på hverandre for å velge nevnte par av optiske bølgelengder.

5. Fiberoptisk multiplekser som angitt i hvilket som helst av de forutgående krav, karakterisert ved at nevnte par av optiske fibere er buede og har en kurveradius valgt for å definere en frekvensdifferanse mellom nevnte første og andre optiske bølgelengder.

6. Fiberoptisk multiplekser som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte fibere er buede og nevnte effektive samvirkelengde er en funksjon av kvadratroten til radiusen til nevnte buede fibere.

7. Fremgangsmåte for multipleksing av et par optiske bølgelengder karakterisert ved følgende trinn: frembringelse av to blokker av stivt materiale med første og andre hovedsakelig parallelle plane overflater ; tildanning av en spalte tvers over en flate til hver av blokkene idet hver spalte har en større dypde mot kantene av blokken enn mot senteret av blokken; montering av en tråd av fiberoptisk materiale som har et kjerneparti og et kledningsparti i hver av spaltene slik at trådene strekker seg langs føringene som korresponderer med bunnveggene til de respektive spaltene; fjerning av materialet fra hver av trådene og overflatene til blokkene på en plan måte inntil klednings-partiet til hver tråd er innen noen få |im av kjernepartiet i senteret til spalten, og ikke noe materiale blir fjernet fra tråden ved kantene til blokken; og anordning av blokkene mot hverandre med overflatene i mot hverandre vendende forhold og kjernepartiene til trådene i tett nærhet til hverandre hvor kledningen er fjernet for å danne et område i hvilket styrte modus til trådene samvirker ved flyktig feltkoplinger for å forårsake at lys med utvalgte bølgelengder blir overført mellom de to trådene, mens lys med andre utvalgte bølgelengder ikke blir overført på denne måte.

8. Fremgangsmåten i henhold til krav 9, hvorved de relative translasjons- og rotasjonsposisjoner til blokkene blir justert for på valgt måte å variere samvirkeområdet mellom de styrte modus for å velge nevnte utvalgte bølgelengder.