NO842176L - Optisk boelgeleder av enkelmodustypen med polarisasjonsopprettholdelse - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en optisk fiber av den art som angitt i ingressen til krav 1.

Ved mange anvendelser av optiske bølgeledere av enkelmodustypen, slik som sensorer og koherente optiske kommuni-kasjonssystemer er det viktig at utbredelsen av optiske signaler fastholder polarisasjonskarakteristikken til inn-gangslyset ved tilstedeværelsen av eksterne eller interne depolarisasjonsforstyrrelser. Endringen av polarisasjonstilstanden til et seg utbredende signal kan bli forhindret eller redusert ved å anvende en fiber som er dobbeltbry-tende, dvs. kjernebrytningsindeksen er forskjellig fra to ortogonale, polariserte lysbølger.

Polarisasjonsytelsen til en fiber av enkelmodustypen kan bli kjennetegnet av dens støtlengde L, hvor L er definert som 2 og A3 er forskjellen i utbredelseskonstanten til to ortogonale polarisasjoner. Det er ønskelig å fremstille fibre med en støtlengde L på 1 mm eller mindre.

Optiske fibre, ved hvilke en lett forbedring i polarisasjonsytelsen blir tilveiebrakt ved forvrengning av kjerne-symmetrien er beskrevet i US-patent nr. 4184859 og i publikasjonen av V. Ramaswamy et al., "Influence of Noncir-cular Core on the Polarization Performance of Single Mode Fibers", Electronics Letters, vol. 14, nr. 5, side 143-144, 1978. Ramaswamy-publikasjonen beskriver imidlertid at målinger av borosilikatfibre med ikke-sirkulære kjerner antyder at ikke-sirkulær geometri og den tilknyttede spenningsinduserte dobbeltbrytningen reduserer L til omkring 5,5 cm og er følgelig ikke tilstrekkelig til å forbedre polarisasjonsytelsen ved fibre av enkelmodustypen i den utstrekningen som er nødvendig for å tilveiebringe polari-sas jonsstabilisert utbredelse av enkelmodustypen. Oppfinnelsene beskrevet i US-patent nr. 4179189 og nr. 4274854 er basert på at ortogonalpolariserte bølger er mer virkningsfult dekoplet ved en bølgeleder som er fremstilt slik at det tilveiebringes en veloverveid økning i den spenningsinduserte dobbeltbrytningen eller strekkinduserte dobbeltbrytningen. Disse patentene viser således at slik oppførsel blir tilveiebrakt ved innføring av en geometrisk materialasymmetri i emnet fra hvilke den optiske fiberen blir trukket. Den spenningsinduserte dobbeltbrytningen blir innført ved i det minste delvis omgivelse av en bøl-geleder av enkelmodustypen med en ytre mantel som har en annen termisk utvidelseskoeffesient (TCE) enn den til bøl-gelederen og en tykkelse i en retning som er forskjellig fra dens tykkelse i en retning ortogonalt på den andre retningen. Andre fibre som har spenningsindusert dobbeltbrytning er beskrevet i US-patent nr. 4354736 og 4360371.

Publikasjonen H. Matsumura et al., "Fundamental Study of Single Polarization Fibers", Proe. Sixth European Confe-rence on Optical Communication, University of York, U.K., septemer 1980, side 49-52, beskriver en fiber av den typen beskrevet i tidligere nevnte US-patent nr. 4360371. En slik fiber viser en lav støtlengde L på grunn av både en anisotropisk spenning og en ikke-sirkulær kjerne. En mini-mumsstøtlengde på 0,77 mm er nevnt for en fiber som har en kjerne av silisium dopet med 27 mol-% Ge02, idet kjernen fremviser en ellipsisitet større enn 80%. En slik fiber ville imidlertid ha en dempning på tilnærmet 20 dB/km eller mer som således gjør den uegnet for bruk som en langdistansetransmisjonslinje. Denne publikasjonen beskriver at et enkelpolarisasjonsfiber dopet med B2O3og egnet for bruk som en langdistansetransmisjonslinje fremviser en koplingslinje L på 1,5 mm.

En fiber av enkelmodustypen som har en azimut-asymmetrisk brytningindeksprofil for å øke forskjellen mellom utbre-delseskonstantene til to ortogonale polarisasjoner for en- kelmodussignalet er beskrevet i publikasjonen til T. Okoshi et al., "Single-Polarization Single-Mode Optical Fibre with Refractive-Index Pits on Both Sides of Core", Elektronics Letters, vol. 16, nr. 18, 28. august 1980, side 712-713. Denne publikasjonen beskriver et fiber som har et sirkulært sentralområde som er delt i en rektangulærformet kjerne og sirkulære segmenter med lav brytningsindeks langs lengdesiden til sentralområdet. Den fiberen er beskrevet og har en støtlengde på 2,3 mm.

Stabiliseringen av polarisasjonstilstanden ved en optisk bølgeleder har også blitt tilveiebrakt ved anvendelse av et optisk anisotropisk enkelkrystall som lysledende medium. Jfr. f.eks. US-patent nr. 4.077.699. At dobbeltbry-tende egenskaper til krystaller kan bli forklart utfra anisotropiske elektriske egenskaper til molekylene, som krystallene er sammensatt av, er beskrevet av Born et al., "Principles of Optics", Pergamon Press, New York, 1975, side 705-708. Det er videre nevnt at "formdobbeltbrytning" også kan forekomme i en skala som er større enn molekular når der er en ordnet anordning av like partikler med optisk isotropisk materiale, hvis størrelse er større sam-menlignet med størrelsen på molekylene, men liten sammen-lignet med bølgelengden for lys. Et slikt medium kan være visuelt som enhet av tynne, parallelle plater med tykkelsen t-L, dielektrisitetskonstanten 6^og brytningsindeksen n-^neddykket i et medium som har en dielektrisitetskons-tant £ 2 og en brytningsindeks n2• Bredden på mellomrommet mellom platene er t2 • Etter utledning av forskjellen mellom dielektrisitetskonstantene parallelt med platene og normalt på platene, konkluderer ovenfor nevnte publikasjon med at den sammensatte enheten oppfører seg som et nega-tivt uniaksialt krystall. Forskjellen mellom brytningsindeksene n og n parallelt med og normalt på planet til platene hhv. er gitt som:

Det tidligere nevnte US-patentet nr. 4.077.699 angir at en optisk bølgelederfiber har en krystallinsk kjerne og optisk kappeglass er underlagt slike feil som hulrom, som ligger mellom krystallet og glasset. Også siden den sylin-driske kjernen må bli dannet som et enkelkrystall er dan-nelsen av lange lengder av slike fibre svært vanskelig, 200 mm lengder av defektfrie krystaller som er nevnt i nevnte US-patent.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en forbedret optisk bølgelederfiber av enkelmodustypen med polarisasjonsstabilisering eller enkelpolarisasjon, og hvor ovenfor nevnte ulemper blir unngått. Dette blir tilveiebrakt ved en anordning av den innledningsvis nevnte art, og hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av underkrave-ne.

Foreliggende oppfinnelse angår nærmere bestemt en optisk fiber som kan driv enkelpolarisasjon, enkelmodus ved en bølgelengde X. Fiberen innbefatter et kjerneelement omgitt av et optisk kappeelement, som har en gjennomsnittlig brytningsindeks lavere enn den gjennomsnittlige brytningsindeksen til kjernelementet. Fiberen er kjennetegnet ved at den ene eller begge kjernene og de optiske kappeelementene innbefatter flere transparente lameller. Hver av lamellene har en brytningsindeks forskjellig fra den til tilliggende lamell, og tykkelsen på hver av lamellene er tilnærmet lik eller mindre enn bølgelengden ~ K.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et tverrsnitt av en utførelsesform av oppfinnelsen hvor begge kjernene og den optiske kappen er laminert. Fig. 2 viser et tverrsnitt av en fiber hvor kun kjernen er laminert og den optiske kappen inneholder spenningsstaver. Fig. 3 viser et forstørret riss av kjernen til fiberen

på fig. 2.

Fig. 4 og 5 viser brytningsindeksprofiler tatt gjennom aksen til kjernen på fig. 3 i retninger perpendikulært på lamellene og langs lamellene hhv. Fig. 6 og 7 viser forskjellige alternative profiler som

kan bli anvendt i stedet for de på fig. 4 og 5.

Fig. 8 og 9 viser et tverrsnitt av to typer rektangulære

kjerner.

Fig. 10 viser et tverrsnitt av en fiberkjerne som har

buet laminering.

Fig. 11 viser en kurve hvor både størrelsen ~ nx. ^

og støtlengden L er opptegnet som en funksjon av n-^for en bestemt verdi for n2»Fig. 12 viser et tverrsnitt av en laminert optisk fiberkjerne som inneholder en ringformet brytningsindeksundertrykkelse. Fig. 13 viser en brytningsindeksprofil tatt langs den

sentrale laminellen på fig. 12.

Foreliggende oppfinnelse angår en optisk fiber ved hvilken form dobbeltbrytning finnes på grunn av det faktum, at enten kjernen eller den optiske kappen eller begge er konstruert av hovedsakelig parallelle, langstrakte laminater av transparent materiale tilliggende en som har en annen brytningsindeks. Fibrene kan dessuten inneholde dobbeltbrytning bevirket av en eller flere andre faktorer slik som spenning, brytningsindeksgrøfter tilliggende kjernen eller lignende.

Med henvisning til fig. 1 er det vist en fiber 14 som innbefatter en kjerne 15 av transparent materiale omgitt av en transparent kappe 18. Kjernen 15 kan være dannet av flere transparente laminater 17 tilliggende en som er adskilt av transparente lameller 16. Ved en utførelsesform som er foretrukket utfra det standpunktet av at den er enkel å fremstille, innbefatter kjernen ovenfor nevnte lamellkonstruksjon og den optiske kappen er enten et homogent sjikt eller består av flere konsentriske sjikt.

Ut fra ytelsesstandpunktet, dvs. muligheten til å opprett-holde polarisasjonsplanet til et inngangssignal i tillegg til den laminerte kjernen 15, skulle den optiske kappen 18 også være lamellert. På fig. 1 innbefatter den optiske kappen transparente lamineller 20 adskilt av transparente lameller 19 av en annen brytningsindeks enn lamellen 20. De optiske lamellene 19 og 20 er perpendikulære på kjernelamellene 16 og 17. Dobbeltbrytningsegenskapene til kjer-neelementet 15 og det optiske kappeelementet 18 kan være kjennetegnet av ligningen (1), og derfor må tykkelsen til enhver av lamellene 16, 17, 19 og 20 være tilnærmet lik eller mindre enn bølgelengden X til lyset som skal bli utbredt gjennom fiberen. Det skal bemerkes at en fiber ville være effektiv for opprettholdelse av polarisasjonen til et seg utbredende signal selv om lamelltykkelsen ville være litt større enn Ai selv om ytelsen ikke vil være så effektiv som dersom tykkelsen var lik eller mindre enn A. Fig. 2 viser en utførelsesform hvor kjernen 21 er en laminert konstruksjon som innbefatter flere vekselvis anbrakte lameller 23, 24 som strekker seg parallelt i forhold til fiberaksene. Brytningsindeksen til lamellene 23 er forskjellige fra den til lamellen 24. Den optiske kappen 26 er et homogent materiale som har en brytningsindeks nc, som er lavere enn den gjennomsnittlige brytningsindeksen til lamellene 23 og 24. Fig. 2 viser også bruken av spenningsstaver 27, hvis dobbeltbrytningsvirkning kan bli tillagt eller subtrahert fra virkningen frembrakt av den laminerte kjernen. En dobbeltbrytningseffekt er også innført ved spenningen bevirket ved anvendelsen av vekslende lameller som har forskjellige TCE. Fig. 3 viser et forstørret riss av kjernen 21, hvis dia-meter er 2a. Tykkelsen på lamellene 23 er vist lik t-^, idet brytningsindeksen er n-^. Tykkelsen på laminellen 24 er vist lik t2»idet dens brytningsindeks er n2 • Brytningsindeksen til den optiske kappen som omgir kjernen er nc, som vist på fig. 2.

Brytningsindeksprofilene tatt gjennom kjerneaksen i en retning perpendikulært på lamellene og langs lamellen er vist på fig. 4 og 5 hhv. Den stipplede linjen merket nav»som er er gjennomsnittsbrytningsindeksen til kjernen på grunn av fordelingen av lamellene 23 og 24 er noe høyere enn den optiske kappens brytningsindeks nc.

Fig. 6 og 7 er ment å vise forskjellige profiler som til-svarer kravene til foreliggende oppfinnelse. Mens alle lamellene 23 er vist på fig. 4 med en brytningsindeks n^, kunne disse lamellene har forskjellige brytningsindekser som vist på fig. 6, hvor kjernebrytningsindeksen er opp tegnet som en funksjon av radiusen. Som vist på fig. 7 kan brytningsindeksen i en lamell også være enhver ikke-trinn profil innbefattende enhver <-typeprofil eller annen gra-dering. Fig. 7 viser også at brytningsindeksen i en lamell kan øke som en funksjon av avstanden fra senteret til lamellen som vist med kurven 28 eller kan avta eller følge en annen funksjon av avstanden som angitt med kurvene 29 og 30.

Den sirkulærformede kjernen 21 på fig. 2 og 3 er en egnet form for kopling av lys fra visse fiberkilder. Andre kjer-neformer slik som elliptiske eller rektangulære kan imidlertid bli anvendt ved foreliggende oppfinnelsesfiber.

Fig. 8 og 9 viser to rektangulære former. På fig. 8 danner lamellene 31 og 32 en rektangulærformet kjerne som har områder 33 med transparent materiale eller motsatte sider derav. Området 33 kan bli dannet av et materiale som har en brytningsindeks n^, som er lavere enn brytningsindeksen for den optiske kappen, ved hvilke tilfelle det er kjent som brytningsindeksspor. Som nevnt i publikasjonen til Okoshi et al., virker slike dobbeltbrytningsindeksspor til en dannelse av dobbeltbrytning og slik dobbeltbrytning kan bli tillagt virkningen av den laminerte kjernen. Områdene 36 for det transparente materialet blir likeledes anbrakt på motsatte sider av den rektangulære kjernen vist på fig. 9. Fig. 9 viser dessuten at den totale formen på kjernen og tilliggende brytningsindeksspor kan være elliptiske. Mens derimot lamellene 31 og 32 på fig. 8 er parallelle til lengderetningen av den rektangulære kjernen er lamellene 37 og 38 perpendikulære derpå. Også områdene 33 og 36 på fig. 8 og 9 kunne bli utelatt ved hvilke tilfelle de ville være erstattet av optisk kappemateriale. Noen av de mulige kombinasjonene for brytningsindeksene til forskjellige deler av fibrene er listet opp i tabell 1.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse kan forskjellige deler av fiberen, innbefattende kjernelamellene bli dannet av ethvert transparent materiale som har den ønskede brytningsindeksen forutsatt at slik materiale kan bli formet til en fiber. Eksempler på slike transparente materialer er glass, plast, krystallinmateriale og kombinasjoner derav. F.eks. kan glass av lavtemperaturtypen av den typen som er beskrevet i US-patent nr. 4.285.730 og 4.362.819 bli laminert med plastmateriale. Også en eller flere lameller kunne bli farvedopet og derved virke som et optisk aktiveringsmedium egnet for bruk som en laser eller for-sterker .

Som tidligere nevnt skulle tykkelsen på lamellene som ut-gjør kjernen og/eller den optiske kappen være tilnærmet lik eller mindre enn bølgelengden for lyset som skal bli utbredt gjennom fiberen i løpet av dens drift som en pola-risas jonsstabilisert eller enkelpolarisasjonsfiber av enkelmodustypen. Minimumsvirkningsgradtykkelsen til lamellene er difusjonsbegrenset og må derfor være større enn 100 angstrøm.

Det følgende teoretiske eksempelet viser hvorledes fibre konstruert i samsvar med oppfinnelsen kan tilveiebringe submillimeter lange støtlengder. Det antas at fiberen skal bli drevet ved en bølgelengde på 632,8 nm. Kjernen konstruert i samsvar med fig. 8 og den optiske kappen er et homogent sjikt av glass som har en brytningsindeks på 1,46. Kjernediameteren er 6,0 pm og w, og den mindre stør-relsen på den rektangulære kjernen er 3,0 pm. Tykkelsene t^og t2er antatt å være like, idet den maksimale tilla-telige verdien for dem er omkring 0,63 ;um i betraktning av driftsbølgelengden. Lamellen 31 har en brytningsindeks på omkring 1,5. Lamellen 32 har en brytningsindeks på omkring 1,45. Forholdet t1/(t1<+>t2) er 0,5, og den gjennomsnittlige brytningindeksen nav er derfor omkring 1,475. Brytnings-indekssporene eller gropene 33 som har en tykkelse på 1,5 pm, fremviser en brytningsindeks på omkring 1,445. Ovenfor nevnte brytningsindeksverdier kan bli tilveiebrakt ved å tilføre silisium i egnede mengder eller en eller flere dopemidler slik som Ge02,<P>2°5'A12°3'B2°3 °9 F* Glass av andre optiske kvaliteter som kunne tilveiebringe nødvendi-ge brytningsindekser er også kjent. ;Dersom drifts-V-verdiene er antatt å være 3, kan følgende dobbeltbrytningskarakteristikker for fiberen bli beregnet antatt at to typer dobbeltbrytning er ansett å være addi-tive. Det skal bemerkes at sperre-V-verdien ville være omkring 4 for å tilveiebringe enkelmodusdrift. Størrelsen ^nll~nJL ^ er°PPte9net Pa fig* 11 som en funksjon av brytningsindeksen n-^for fibre ved hvilke verdien n2er 1,45. Tre forskjellige kurver er opptegnet for parameterne fl = 0,1, 0,25 og 0,5. Støtlengden L for fiberen drevet ved 632,8 nm er ordinatet uttrykt langs den høyre siden av kurven. Den øverste kurven angir at f^er lik 0, 5 og rijer lik 1,55, og at støtlengden er omkring 0,8 mm. Det skal bemerkes at størrelsen (n^ - n-] ) er omkring 2,5 x 10~J for denne støtlengden.

Bølgelengdeeffekten bevirket av den generelt rektangulære kjernen som har lave indeksgroper på dens motsatte sider (se ovenfor nevnte Okoshi et al. publikasjon) medfører en støtlengde på omkring 2,3 mm. Dersom dobbeltbrytningsfor-men og den på grunn av brytningindeksgropene er additiv, vil fiberstøtlengden ved 632,8 nm være omkring 0,5 mm. Det skal bemerkes at spenningsdobbeltbrytningseffektene ikke er betraktet ved dette eksempelet. Tillegget av spenningsstaver slik som de vist på fig. 3 kunne medføre i en jevnt lavere støtlengde.

Fibre av den typen vist på fig. 1 kunne bli fremstilt ved hjelp av en form med emner av skiver av glass som har den egnede brytningindeksen. Bredden og tykkelsen på glasski-vene ville være proporsjonal med bredden og tykkelsen på lamellene i den resulterende fibren. Emnet dannet på denne måten kunne så bli oppvarmet ved ene enden og trukket til en fiber.

For å danne en fiber hvor kun kjernen er laminert, kan skiver av glass som har egnet brytningsindeks bli stablet som ovenfor angitt og så trukket til en mellomfiber som har en gjennomsnittsdiameter i området på omkring 4 til 10 mm. Trekningsoperasjonen vil bevirke tilliggende skiver til å klebe til hverandre. Den ytre overflaten til resulterende mellomfibre kan bli slipt og polert til ønsket tverrsnittsform, slik som sirkelformet. Den kan så bli forsynt med et sjikt av optisk kappeglass ved å innføre det inn i et rør eller ved å rotere det i en dreiebenk, mens en strøm med glassot blir rettet mot den som beskrevet i US-patent nr. 4.360.371.

En annen fremstillingsmetode er beskrevet i US-patentsøk-nad nr. med tittelen "Method of Forming Optical Fiber Håving Laminated Core", (A. Sårkar) inngitt samtidig med denne.

Den potensielle høye båndbredden til optiske fibre av enkelmodustypen kan bli tilveiebrakt kun dersom den totale spredningen for HE^-modusen er lik null eller så nær som mulig lik null ved driftsbølgelengden. US-søknad nr. 328.369 med tittelen "Low Dispersion, Low-Loss Single-Mode Optical Waveguide", inngitt den 7. desember 1981, og "continuation-in-part"-søknaden nr. beskriver en fiberkonstruksjon som medfører en spredningsminimalisering over et bredt bølgelengdeområde. Den anvendte teknikken ved nevnte samtidig inngitte søknad kan bli anvendt ved kombinasjon med laminert kjernekonstruksjon beskrevet ovenfor for å tilveiebringe lav spredning, polarisasjonsstabilisert, enkelmodusutbredelse. Kjernen til en slik fiber er vist på fig. 12. Den sirkulære kjernen 70 er dannet av lameller 72 tilliggende en som er adskilt med lameller 74 av forskjellig brytningsindeks. Etteller flere områder med undertrykket brytningsindeks kan finnes innen-for kjernen, som beskrevet i den samtidig inngitte søkna-den for å redusere spredningen eller for å tilveiebringe lav spredningsdrift over et bredt bølgelengdebånd. På fig. 12 er det undertrykte brytningsindeksområdet i form av en symmetrisk asimutring 76. Som vist på fig. 13, som er brytningsindeksprofilen for den sentralt anbrakte laminellen 74, kan brytningsindeksen n-^til lamellen 74 avta til en verdi n^i området 76. Den stiplede linjen på fig. 13 viser at brytningsindeksen n'^til området 76 kan være lavere enn den optiske kappebrytningsindeksen nc. Mens derimot indeksundertrykkelsen er vist på fig. 13 som flat kan ha enhver form som avrundet eller V-formet. Området 76 kan også være asimutmessig symmetrisk. Der kan dessuten være flere enn et område med undertrykket brytningsindeks. En brytningsindeksundertrykkelse kan bli overlagret enhver lamellindeksprofil. F.eks. kunne enhver av profilene 28, 29 eller 30 på fig. 7 ha overlagret derpå en eller flere undertrykte brytningsindekser av typen beskrevet ovenfor. Mens derimot tykkelsen til kjernelamellene må ikke være større enn tilnærmet bølgelengden A. for å utbrede seg gjennom fiberen, må bredden s for brytningsindeksunder-trykkelsen være større enn

Claims (10)

1. Optisk fiber som kan drives ved polarisasjonsstabilisert eller enkelpolarisasjon, enkelmodus ved en bølgelengde A , idet fibren har et kjerneelement omgitt av et optisk kappeelement som har en gjennomsnittlig brytningindeks lavere enn den gjennomsnittlige brytningsindeksen for kjerneele-mentet, karakterisert ved at en eller begge kjernene og det optiske kappeelementet innbefatter flere transparente lameller, idet hver lamellene har en brytningsindeks forskjellig fra den til tilliggende lamell og idet tykkelsen til hver av lamellene er tilnærmet lik eller mindre enn bølgelengden Å.

2. Fiber ifølge krav 1, karakterisert ved at kjernen er sirkulær.

3. Fiber ifølge krav 1, karakterisert ved at kjernen er ikke-sirkulær.

4. Fiber ifølge krav 1, karakterisert ved at kjernen er rektangulær.

5. Fiber ifølge krav 4, karakterisert ved at kjernelamellene strekker seg parallelt til kjernens lengdeside.

6. Fiber ifølge krav 4, karakterisert ved at kjernelamellene strekker seg perpendikulært på kjernens lengdeside.

7. Fiber ifølge krav 1, karakterisert ved at lamellene er flate.

8. Fiber ifølge krav 1, karakterisert ved at lamellene er buet.

9. Fiber ifølge krav 1, karakterisert ved at brytningsindeksen til en kjernelamelltype er mindre enn den gjennomsnittlige brytningsindeksen til den optiske kappen.

10. Fiber ifølge krav 1, karakterisert ved at i det minste de lamellene, som er anbrakt i sentralområdet av kjernen og som har en brytningsindeks større enn den til tilliggende lameller, har i det minste to av akse-området med undertrykt brytningsindeks, idet bredden på de undertrykte brytningsindeksområdene er større en X.