NO862318L - Formdobbeltbrytende fibre og fremstillingsmetode. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt fiberoptiske bølgeledere og spesielt fiberoptiske bølgeledere hvis kjerner har to brytningsindekser og enda mer spesielt, formdobbeltbrytende optiske fibre til forplantning av en enkelt mode av optisk energi i en bestemt polarisasjon.

Når lag av to materialer med forskjellige brytningsindekser lagdeles optisk og periodisk, vil den optiske bølgeoppførsel være forskjellig fra den i et enhetlig medium. Når tykkelsen av hvert lag er tilstrekkelig liten sammenlignet med lysets bølgelengde og antallet lag tilstrekkelig stort, er det sammen-satte medium dobbeltbrytende. Formdobbeltbrytning skyldes et ordnet arrangement av lag av optisk isotrope materialer med dimensjoner som er store sammenlignet med materialenes molekyler, men små sammenlignet med den optiske bølgelengde som forplantes i fiberen. Fiberoptiske innretninger som benytter formdobbeltbrytende fibre, er nyttige i konstruksjon av gyro-skoper, sensorer, frekvensskiftere og kommunikasjonssystemer.

Problemer oppstår når man bruker vanlige fibre til å frembringe de ovennevnte innretninger. Strengt tatt er en ordinær aksialsymmetrisk enmodefiber en "tomode"-fiber fordi den vil forplante to ortogonalt polariserte HE^-moder. Hver polarisasjon har en forplantningskonstant, men i en vanlig optisk fiber er de to forplantningskonstanter så nær identiske at der inntrer degenerasjon. Forplantning av to ortogonale polarisasjoner forårsaker ustabilitet i polarisasjonstilstanden til den for-plantede mode når der forekommer geometriske perturbasjoner i fiberen.Forplantningen av degenererte polarisasjonstilstander forårsaker også polarisasjonsmodespredning som finner sted fordi de to polarisasjonsmoder har noe forskjellige hastigheter. Polarisasjonsustabilitet og modedispersjon reduserer yteevnen

til optiske fibre i endel anvendelser av enmodefibre i kommu-nikasjons- og målesystemer.

I et optisk kommunikasjonssystem fluktuerer det mottatte signal-nivå når mottakeren er følsom for polarisasjonen. Denne fluktua-sjon skjer når en optisk integrert krets benyttes i mottakeren og i optiske kommunikasjonssystemer av heterodyn-typen. Polarisas jonsustabilitet opptrer i optiske inter f erome.tr iske systemer på en måte som er analog med signalfading i klassiske kommunikasjonssystemer .

Lett elliptisk deformasjon av fiberen kan forekomme selv når fiberen er fremstilt til å bli aksialsymmetrisk. Elliptisitet adskiller forplantningskonstantene til to ortogonalt polariserte HE^-moder, som ellers degenererer med hverandre og forårsaker polarisas jonsmode-spredningsforsinkeIse.

Enkeltpolarisasjons-enmode (SPSM) optiske fibre ble utviklet

for å forhindre de uheldige virkninger av polarisasjons-ustabilitet. Tre grunntyper av SPSM-fiberen er den elliptiske kjerne-fiber, den spenningsinduserte dobbeltbrytende fiber og side-gropfiberen.

Tidligere forsøk for å frembringe polarisasjonsstabilitet

har benyttet en av flere metoder for å maksimere forskjellene mellom forplantningskonstantene til de to polarisasjonsmoder. Elliptiske kjernefibre gir en asymmetrisk forplantningskonstant-fordeling for å frembringe den nødvendige forskjell i forplant-ningskonstanten. Bruk av en asymmetrisk spenningsfordeling ved å bøye en fiber vil gi det samme resultat.

Elliptiske kjernefibre er ikke praktiske fordi denne måte

å danne den ønskede dobbeltbrytning på øker transmisjonstapet til uaksepterbart høye verdier og fordi det følger problemer med å spleise slike fibre sammen og å koble dem til andre innretninger. Spenningsindusert dobbeltbrytning er utsatt for relaksasjon når det fiberoptiske materiale flyter over lang tid for å normalisere spenningen. Å utsette en fiber for spenning for å frembringe dobbeltbrytning resulterer også

ofte i brudd av fiberen ved fremstillingen av fiberoptiske innretninger.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter to typer av formdobbeltbrytende fibre egnet til bruk i optiske rotasjonsdetekterende systemer og i kommunikasjonssystemer hvis dri ftskarakteristikker er polarisasjonsavhengige. Oppfinnelsen omfatter også fremgangs-måter for å fremstille dobbeltbrytende fibre slik at fibrene har en dobbeltbrytning som er stabil i lange tidsrom og ikke utsatt for relaksasjon forårsaket av de langsomme flytekarak-teristikker for de superkjølte væskene som vanlige optiske fibre dannes av. Selv om formdobbeltbrytende fibre og fremstil-lingsmetodene for disse her er beskrevet med referanse til enmodefibre, omfatter oppfinnelsen også flermodefibre.

Formdobbeltbrytende fibre i henhold til oppfinnelsen omfatter både fibre som opprettholder polarisasjonen og polariserende fibre. En fiber som opprettholder polarisasjonen, beholder polarisasjonen til et optisk signal i utgangstilstanden når signalet forplanter seg langs fiberen. En polariserende fiber vil forplante bare en enkelt polarisasjon. Om et signal med vilkårlig polarisasjon leveres til en polariserende fiber,

så vil der innenfor en kort avstand bare forekomme en enkelt polarisasjonskomponent i fiberen, idet alle andre er fjernet fra den polariserende fiber.

Den polarisasjonsopprettholdende fiber har en lagdelt kjerne

og en omgivende kledning. Kjernen har forskjellige brytningsindekser for bølger med forskjellig polarisasjon slik at forplantningskonstantene til kjernen er polarisasjonsavhengige. Kledningen har en brytningsindeks som er mindre enn begge J brytningsindeksene til kjernen. Det er velkjent at lys som faller på en grenseflate mellom to ulike dielektrika, fra materialet som har den største brytningsindeks, vil reflekteres innvendig om innfallsvinkelen er mindre enn en viss kritisk vinkel. Derfor leder den polarisasjonsopprettholdende fiber lys av begge polarisasjoner. Da forplantningskonstantene til kjernen er forskjellige, eller ikke-degenererte, kobler energi ikke lett mellom polarisasjonene. Derfor vil lys som forplantes av polarisasjonsopprettholdende fibre, ikke gjennomgå noen forandring i polarisa jon .* ;En f reinstill ingsmetode for en formdobbeltbrytende polarisas jons-opprettholdende enmodefiber i henhold til oppfinnelsen omfatter først dannelse av en rekke såkalte motiver fra alternerende lag av materialer med forskjellige brytningsindekser. Motivene stables deretter og oppvarmes slik at de danner en hovedsakelig monolittisk blokk med mange alternerende lag. Blokken kan da trekkes gjennom en rekke dyser eller på annen måte strekkes ved metoder som er velkjente i teknikken for å redusere dimensjonene til verdier egnet til bruk som kjernen i en optisk fiber-forform som kan trekkes til en fiber. Før trekking kan 'blokken slipes slik at den blir en sylinder for å frembringe en kjerne som har sirkulært tverrsnitt. En kledning med en brytningsindeks som er mindre enn begge brytningsindeksene for kjernen kan tilføres denne ved en rekke standardteknikker, f.eks. slik som sammensmelting av silisiumdioksid, SiC^, i bulk på kjernen, kollapsering av SiC^-rør på kjernen eller ved reaktiv avsetning av SiC^fra en gassformet blanding. ;Den formdobbeltbrytende polariserende fiber har også en lagdelt kjerne med polarisasjnsavhengige brytningsindekser. Den formdobbeltbrytende polariserende fiber har fortrinnsvis brytningsindekser med en forskjell på omtrent 0,004 for de to polarisasjoner. Den polariserende fiber skiller seg fra den polarisasjonsopprettholdende fiber ved å omfatte en kledning som har en brytningsindeks som er større eller lik en av kjerneindeksene. Den foretrukne forskjell i kjernebrytningsindeksene tillater tilføring av en kledning som har en brytningsindeks større enn en av kjerneindeksene. Derfor vil lys av én polarisasjon forplante seg over grenseflaten mellom kjerne og kledning, mens lys av den andre polarisasjon ledes av kjernen. Derfor vil formdobbeltbrytende polariserende fibre forplante lysbølger av bare én polarisasjon fordi lys med en foretrukken polarisasjon forblir ledet av kjernen på grunn av indre refleksjon ved grenseflaten mellom kjerne og kledning, mens lys av alle andre polarisasjoner stråler inn i kjernen. Den formdobbeltbrytende polariserende fiber i henhold til oppfinnelsen utstråler lys av en uønsket polarisasjon inn i kledningen ovér en meget kort avstand. Den formdobbeltbrytende polariserende fiber fremstilles på samme måte som den formdobbeltbrytende polarisasjonsopprettholdende fiber. Etter at kjernen er sammensmeltet, tilføres kledningen ved en eller annen passende teknikk, f.eks. som reaktiv avsetning i en gassformet blanding av SiCl4og GeCl4. På tegningen viser: Fig. 1 et tverrsnitt som representerer en periodisk flerlags ;dielektrisk struktur,;fig. 2 en grafisk fremstilling av dobbeltbrytningen til en flerlags stabel av alternerende lag av to dielektriske ;materialer,;fig. 3 et tverrsnitt av en periodisk flerlags dielektrisk struktur dannet av alternerende lag av to materialer som har forskjellige brytningsindekser, og illustrerer ;begrepet om og plasseringen av et motiv,;fig. 4 et forenklet tverrsnitt av en formdobbeltbrytende polarisas jonsopprettholdende fiber i henhold til oppfinnelsen, fig. 5 et tverrsnitt av en vanlig optisk fiber med en kjerne ;og en kledning,;fig. 6 et oppriss som viser sammensmeltede silisiumdioksid-kledninger plassert mellom en motivstabel og grafittblokker, ;fig. 7 et planriss av strukturen på fig. 6, og;fig. 8 et tverrsnitt av en formdobbeltbrytende polariserende ;fiber i henhold til oppfinnelsen.;På fig. 1 er der vist en periodisk flerlags dielektrisk struktur 10 som omfatter en rekke alternerende lag 12, 14 med forskjellige brytningsindekser. Lagene 12 og 14 har henholdsvis tykkel- - ser t^og t2som er mindre enn den bølgelengde av lyset som skal forplantes gjennom dem. I et optisk rotasjonsdetekterende system (ikke vist) er den optiske bølgelengde typisk ca. 820 nm. ;Brytningsindeksen for flerlagsstrukturen 10 avhenger av polarisas jonstilstanden til det forplantende lys. For enkelhets skyld antas det at en planbølge som er lineært polarisert med sitt elektriske felt i z-retningen, forplanter seg langs x-aksen som peker ut av planet på fig. 1. I henhold til velkjente grensebetingelser for elektromagnetiske bølger ved dielektriske grenseflater må normalkomponenten til den elektriske forskyvningsvektor D være kontinuerlig, slik at ; og derfor hvor ei og er de dielektriske konstanter til de to materialer . Det midlere elektriske felt over en periode av den lagdelte struktur 10 er Den effektive dielektriske konstant e zfor en bølge polarisert i z-retningen er derfor ; For å lette notasjonen defineres brøktykkelser f. og f„ som: ; Ved å benytte ligningene (6) og (7) i ligning (5) fås Tangentialkomponenten til en bølge polarisert i y-retningen må være kontinuerlig slik at Den midlere verdi av den elektriske forskyvning over én periode er Fra definisjonen av den elektriske forskyvning fås som blir Uttrykt ved brøktykkelsene og f_ er den dielektriske konstant E for en bølge polarisert i y-retningen gitt av Ligningene (8) og (13) kan benyttes til å beregne brytningsindeksene i z- og y-retningene. Fra definisjonen av brytningsindeksen has ; hvor£q er permittiviteten i fritt rom.;Bruk av formlene (14), (15) og (16) i formlene (8) og (13) air ; ; Et dobbeltbrytende krystall har en ordinær brytningsindeks;ng og en ekstraordinær brytningsindeks n . En bølge polarisert langs den optiske akse som etter sedvane er z-aksen, møter den ekstraordinære brytningsindeks n .' Om den ekstraordinære indeks er større enn den ordinære indeks, sies dobbeltbrytningen å være positiv, og hvis den ekstraordinære indeks er mindre enn den ordinære indeks, er dobbeltbrytningen negativ. I det foreliggende tilfelle har den flerlags dielektriske struktur 10 brytningsindekser n^, n og n^, slik at - ; ; som betyr at den ordinære indeks n^er større enn den ekstraordinære indeks n^. Derfor er den flerlags dielektriske struktur 10 analog til et en-aksig krystall med en negativ dobbeltbrytning. ;Ligningene (17) og (18) viser at dobbeltbrytende egenskaper kan syntetiseres ved riktig valg av materialer til lagene 12 og 14, slik at de får særskilte brytningsindekser og ved riktig valg av brøktykkelsene f^ og t^. Dobbeltbrytningen av den lagdelte struktur 10 kalles "formdobbeltbrytning", ;da den effektive dielektriske konstant har én verdi for alle polarisasjoner parallelle med lagene 12 og 14 og en annen verdi for polarisasjoner perpendikulære på lagene 12 og 14. Som vist på fig. 5, er brytningsindeksen for polarisasjon langs z-aksen mindre enn brytningsindeksen for polarisasjon langs y-aksen. ;Fig. 2 viser forskjellen An = n^ - nz for brytningsindeksene for ordinære og ekstraordinære bølger som en funksjon av brøk-tykkelsen. Grafen på fig. 2 representerer formdobbeltbrytningen som fås når laget 12 dannes av A^O^ og laget 14 dannes av A1F3. ;På fig. 4 er der vist en formdobbeltbrytende enmodefiber 15;i henhold til oppfinnelsen, idet fiberen omfatter en kjerne 16 bestående av lag 18-20 av et første materiale og lag 22, 23 av et andre materiale som har en brytningsindeks forskjellig fra den for det første materiale. Kjernen 16 kan bestå av mange lag av de to materialer, men bare de fem lag 18-20 og 22, 23 er vist for å lette illustrasjonen og forklaringen. ;Kjernen 16 er vist med sirkulært tverrsnitt som i de fleste optiske fibre. Den formdobbeltbrytende enmodefiber 15 omfatter en kledning 26 som omgir kjernen 16. Materialene som utgjør kjernen 16 og kledningen 26, er valgt slik at brytningsindeksene for polarisasjon langs z-aksen og y-aksen er større enn indeksen til kledningen 26. Derfor vil en bølge polarisert langs y-eller z-retningen beholde sin polarisasjon i y- eller z-retningen når den gis som inngang til den formdobbeltbrytende enmode- ;fiber 15.;En vanlig optisk fiber 30 vist på fig. 5 har en kjerne 32;med en brytningsindeks sojn er større enn brytningsindeksen for kledningen 34. Diameteren til kjernen 32 er tilstrekkelig liten til at alt lys som forplanter seg deri, treffer grense- ;flaten mellom kjernen 32 og kledningen 34 med en vinkel som er større enn den kritiske vinkel for total indre refleksjon. Derfor vil nesten hele den optiske energi som forplanter seg ;i fiberen 30, være i kjernen 32.;Til forskjell fra den vanlige optiske fiber 30 vil den formdobbeltbrytende enmodefiber 15 opprettholde polarisasjonstilstanden for en bølge som forplanter seg i den. I fiberen 15 ;er forskjellen mellom brytningsindeksene for de to polarisasjoner tilstrekkelig store til at det er en betydelig forskjell mellom forplantningskonstantene for bølger som har to ortogonale polarisasjoner. Forskjellen mellom forplantningskonstantene eliminerer degenereringen mellom polarisasjonstil-standene og forhindrer bølger av én polarisasjon fra å koble seg til den andre polarisasjon under ordinære forhold. Kobling av energi mellom bølger krever at bølgene har i alt vesentlig samme hastighet. Hvis hastighetene er forskjellige, er der ingen nevneverdig kobling mellom de to tilstander. ;Sterkt dobbeltbrytende fiber er nødvendig for å oppnå optimal spektralrenhet og dynamisk område i en rekke frekvensskifter-konstruksjoner. Et mål på denne dobbeltbrytningen er taktlengden eller avstanden som er nødvendig for å returnere initielt fasetilpassede ortogonale bølger til samme faseforhold i et dobbeltbrytende medium. Taktlengden L er en funksjon av vakuum-bølgelengden og brytningsindeksene til det dobbeltbrytende medium, dvs. ; hvor n^> n og \^er vakuumbølgelengden til lysbølgen. Det ses lett at for X„ = 8200 Å, må n - n være større enn 0,00082 ;0 y z;for en taktlengde på mindre enn 1 mm. Vanlige dobbeltbrytende fibre har verdier for n y - n z fra 0,00016 til 0,' 00027 og n takt-lengder på 3-5 mm. Denne dobbeltbrytningen frembringes vanligvis ved at der anvendes anisotrope spenninger på kjernen, ;og bruken av større spenninger er upraktisk om den mekaniske stabilitet for fiberen sk'al beholdes. ;Den foreliggende oppfinnelse benytter konstruksjon av en formdobbeltbrytende fiber, i hvilken dobbeltbrytningen frembringes ved å sammenstille materialer med forskjellige volumbrytnings-indekser i passende forhold. Disse parametrene er relatert ;til hverandre ved ligningene (17) og (18) ovenfor.;I det følgende er der beskrevet en foretrukken prosess for;å fremstille den formdobbeltbrytende kjerne 16 som oppfyller de ovennevnte krav. Hvis n = 1,4582 og r n y = 1,4592, da vil dobbeltbrytningen være 0,001, og taktlengden vil være 0,820 mm ved et bølgelengde på 0,82 u.'Dette valg tillater bruk av sammensmeltet silisiumdioksid (n^= 1,453) som lavindekskompo-nenten i den formdobbeltbrytende stabel. Hvis n. = 1,453, så ;er f1= 0,9578. Det følger da at n2= 1,593, og brøktykkelsen f2= 0,0422. Disse parametrene angir bruken av Ge02( n^ = 1,593) som høyindekskomponenten i den formdobbeltbrytende stabel. Både silisiumdioksid og germaniumdioksid blir brukt i praktisk talt alle enmode- og flermodefibre på grunn av deres lave tap og fysiske kompatibilitet. Kombinert inhomo-gent med den gitte brøktykkelse danner de en kjerne 16 hvor både n og n er store nok til å dekkes av sammensmeltet sili- ;z y ;siumdioksid. Derfor vil en formdobbeltbrytende fiber med en taktlengde på 0,820 mm fremstå, og den kan fremstilles av to vanlige lavtapskomponenter, silisiumdioksid og germaniumdioksid. ;For å danne en formdobbeltbrytende polarisasjonsopprettholdende. fiber med dimensjoner som kan realiseres praktisk, blir frem-stillingsteknikker og begrensninger tilpasset retningslinjene for formdobbeltbrytning. ;Fordi fiberen har uhåndterlige dimensjoner (flere kilometers lengde og mikrometer i diameter), er det nødvendig at slutt-dimensjonen holdes tilbake inntil det endelige fremstillings-trinn. Dette er vanligvis oppnådd ved konstruksjon av en forform som har romforhold, vinkelrelasjoner og brytningsindekser som er de samme som i den ferdige fiber fremstilt ved en rekke trekkingstrinn velkjent i teknikken. Bevaring av disse tre egenskaper i trekkingsprosessen tillater fremstillingen av vanlige en- og flermodefibre. Med hensyn til disse faktorer er det mulig å definere en kjernegeometri og skalere den til en håndterlig størrelse. ;For formdobbeltbrytning må skalaen til den ferdige fiber;vise brytningsindeks-periodisiteter i kjernen mindre enn den ledede bølgelengde. Den strukturelle enhet som benyttes til å kvantifisere dette krav, representeres av begrepet "motiv". Motivet til en periodisk struktur er den minste dimen-sjon som bevarer proporsjonene til dens enkelte deler. Motivet til den omhandlede formdobbeltbrytende kjerne er da tykkelsen til et Si02-lag pluss tykkelsen til et Ge02~lag. A, B, C og D på fig. 3 viser forskjellige plasseringer av et motiv. Lengden av strukturen på fig. 3 er fire motiver langs z-aksen. Da der ikke er noen periodisitet langs x-aksen eller y-aksen, ;er nz den riktige brytningsindeks for bestemmelse av den største motivstørrelse M som vil vise formdobbeltbrytning. Som nevnt ovenfor vil formdobbeltbrytning begynne å vise seg når motiv-størrelsen M er lik eller mindre enn den optiske bølgelengde i det omhandlede materiale. Dette kalles terskelen for formdobbeltbrytning . Således er terskelen for formdobbeltbrytning ; Terskelen for formdobbeltbrytning forekommer med et motiv mindre enn 5623 Å, derfor er ; For å sikre formdobbeltbrytning må M være meget mindre enn terskelen, f.eks. ; For en endelig kjernediameter på C = 2,8 u, eller tilsvarende 28000 Å, inneholder kjernen 16 således C/M = 28000 Å/7034 Å = 40 motiver. ;Fig. 6 viser en stabel 41 av motiver som holdes mellom en rekke grafittblokker 42, 43, 44. Stabelen 41 bør være lag-ret på fem sider, selv om bare tre grafittblokker er vist på fig. 6. Ved å sette forform-motivet til 0,5 mm og fremstille hver av de nødvendige 40 motiver som en tynn rektangulær plate med dimensjoner 0,5 x 20 x 50 mm, kan den ferdige kjerne monteres som et rektangulært legeme med dimensjoner 20 x 20 x 50 mm. ;Si0o-komponenten motivet vil ha en tykkelse på; GeC^-Komponenten til motivet vil ha en tykkelse på ; Volumer til kjernen 26 konstruert på denne måte er;(20 mm)(20 mm)(50 mm) = 20.000 mm 3 og bevares under trekkingsprosessen. Lengden. L av den ferdige fiber med et kvadratisk tverrsnitt på 2,8 u pr. side kan bereqnes som ; som leder til resultatet at ; Med omtrent 2500 km med en veldefinert fiber tilgjengelig;fra en enkelt forform kan prototyp-utvikling av et instrument og hele produksjonsserien av instrumenter dele den samme fiber. De beregnede dimensjoner er gitt for rektangulære tverrsnitt ;for enkelhets skyld. En lignende beregning kan lett utføres for en fiberkjerne som har et sirkulært tverrsnitt, i hvilket tilfelle den velkjente formel for volumet til en sylinder må brukes til å beregne lengden av fiberkjernen. Den sylindriske fiber dannet i henhold til prosessen beskrevet ovenfor har en kjernediameter på omtrent 2,8 u. - ;Veletablerte optiske fremstillingsmetoder kan benyttes til;å fremstille Si02-platene fra ren SiG^i bulk. Ge02-komponenten kan være for tynn til å dannes ved hjelp av mekaniske fremstil-1ingsmetoder. Ge02-laget kan dannes på en likefrem, men forholdsvis tidkrevende måte velkjent* i teknikken, ved å sprute en Ge02~

film på et Si02~substrat. GeG^-laget kan også dannes ved å

dekke Si02med et lag av Ge og oksidere det til GeC>2i en

rørovn pa en måte om er velkjent i teknikken. Den resulterende tykkelse av Ge-laget finnes av følgende: 3

1 cm av Ge veier 5,36 g, og

oksidert til GeO^ ~ veier den 7,72 g.

Densiteten av GeO- er 3,604 g/cm , og derfor

T 3

er GeG^-volumet således 2,142 cm .

Overflatearealet til Ge-filmen bestemmes av dimensjonene til

SiC^-platene både før og etter oksidasjonen til Ge02, slik

at forandringen i volum ved oksidasjon bare forandrer tykkelsen. Hvis GeO- skal være 21,1 u tykt, da må tykkelsen til Ge-laget være (21,1 u)(1 cm 3 /2,142 cm 3) = 9,85 u. En omhyggelig plassering av motivet (svarende til C på fig. 3) tillater bruken av halv-parten av denne tykkelse på begge sider av SiC^-platen. Med dette valg forløper oksidasjonen hurtigere og restspenningene gir lik strekk på begge sider av SiG^-platen. Den store tett-heten til Ge gir en forandring på 5,4 kHz pr. 0,1 u Ge avsatt som målt ved forandringen i resonansfrekvensen til en krystall-tykkelsesmonitor som gir presis og nøyaktig tykkelseskontroll.

De 40 motiver stables deretter og lagres på 5 sider ved grafittblokker som vist på fig. 6. Hele montasjen plasseres i en ovn og varmes til mykningspunktet for GeC^og kjøles deretter langsomt til romtemperatur. Grafittblokkene blir deretter fjernet (grafitt er en av de få materialer som glassmelter ikke fester seg til) og den sammensmeltede kjerne fjernes.

Fra dette punkt består de gjenværende trinn i fremstillingen

av fiber-forformen i påføring av en passende tykkelse av SiC^-kledning, mens sideforholdet til forformen (lengden av forformen/diameteren av forformen) beveges mot et nominelt 5:1-forhold som fremkommer under trekkingen til den ferdige fiber. Hvis all kledning nødvendig for den fullstendige fiber blir tilføyd i forhold til de sammensmeltede kjernedimensjoner, ville forformen være nesten 60 cm i diameter, men bare ha en tykkelse på 50 mm og følgelig være umulig å trekke.

Derfor må kledningen 26 tilføyes etter at stabelen 41 er blitt redusert til dimensjoner som er mindre enn de dimensjoner som er gitt ovenfor. Under prosessen med reduksjon av dimensjonene til stabelen 41 bør den være beskyttet mot kjemisk forurensing og fysiske skader. Der må tilføres nok materiale slik at ovnstemperaturen og trekkingshastigheten kan justeres for å gi nøyaktige og konsistente kjernedimensjoner. For å beskytte stabelen 41 mot fysisk skade og kjemisk forurensing fra grafittblokkene 42, 43 og 44, kan stabelen 41 av motiver 40 som vil utgjøre kjernen 16, innelukkes med fire sammensmeltede silisiumoksiddeksler 46, 48, 52 og 54, som vist på fig. 6 og 7. For å tilføre tilstrekkelig materiale til tempera-tur- og trekkings justeringer tilsettes et par av smeltede silisiumdioksid-propper 47 og 49 til endene av kjernen 16. Hele montasjen av stabelen 41 av motiver 40, grafittblokken

og de sammensmeltede silisiumstykkene monteres som vist på fig. 7 og 8 forut for sammensmeltingen. De sannsynlige deksel-platedimensjoner kan øke tverrsnittet med omtrent 10 mm.

To av dekselplatene kan ha dimensjoner på omtrent 20 mm x

5 mm x 50 mm, og de to andre dekselplater kan fortrinnsvis ha dimensjoner på rundt 30 mm x 5 mm x 50 mm. Proppene 47,

49 passer sammen med tverrsnittet av montasjen på fig. 7

og kan fortrinnsvis være omtrent 30 mm x 30 mm x 50 mm. Hele montasjen av stabelen, dekslene og proppene oppvarmes deretter mens de er plassert mellom grafittblokkene, slik at de utgjør en monolitt som deretter trekkes ned til et tverrsnitt på omtrent 3 mm x 3 mm.

Kledningen 26 kan deretter tilføyes kjernen 16 ved en av flere metoder velkjent i teknikken for fremstilling av optiske fibre såsom å smelte Si02i bulk, kollapsering av Si02~rør på kjernen eller ved reaktiv avsetning av Si02fra en gass-formig blanding.

For å forenkle denne beskrivelse er kjernen 16 blitt beskrevet som rektangulær i tverrsnitt. En fordel ved den rektangulære form omfatter effektiv buttkobling til koherente lyskilder i form av dioder og integrerte optiske kretser. Imidlertid kan det være forbundet betydelige tapsulemper med et rektangulært tverrsnitt. Den sammensmeltede kjerne kan slipes senter-løst til en sylinderform forut for påføring av kledningen hvis et sirkulært tverrsnitt er mest ønskelig. Den sammensmeltede silisiumoksid-kledning slipes deretter av, méns kjernen 16 gjøres sylindrisk, fortrinnsvis ved en senterløs slipemetode som er velkjent i teknikken.

Strukturen til en formdobbeltbrytende polariserende fiber

60 vist på fig. 9 med en lagdelt kjerne 62 og en kledning

64 er lik den til den formdobbeltbrytende polarisasjonsopprettholdende fiber 15. Kjernen 62 har en rekke lag 68-70 av et første materiale som har en første brytningsindeks n^og en rekke lag 72, 73 av et andre materiale som har en andre brytningsindeks n^. Som forklart ovenfor må imidlertid brytningsindeksen for kledningen 64 på den formdobbeltbrytende polariserende fiber 60 være større eller lik en av brytningsindeksene til kjernen 62. På matematisk notasjon er relasjonen mellom brytningsindeksene

hvor n^ og nz tidligere er definert og nc er brytningsindeksen til kledningen. Det er vist at den selektive ledning av en tilstand og stråling av alle andre kan realiseres om den formdobbeltbrytende kjerne 16 har brytningsindekser n og n^ slik at

Med en ønsket verdi for An på 0,004 kan brytningsindeksen

ncfor kledningen gjøres tilnærmet lik eller litt større enn den mindre kjernebrytningsindeks nz- Med brytningsindekser valgt som beskrevet ovenfor vil z-komponenten av polarisasjonen til alt lys gitt til fiberen 60 bli strålt inn i kledningen 64, mens y-komponenten vil ledes av kjernen 62 og bevares uten å koble seg til z-komponenten.

Da brytningsindeksene for den formdobbeltbrytende polariserende fiber 60 skiller seg fra dem til den formdobbeltbrytende polarisasjonsopprettholdende fiber 15, vil motivet M til den formdobbeltbrytende polariserende fiber 60 være forskjellig fra verdien beregnet i formlene (21)-(24) ovenfor. Ved terskelen for dobbeltbrytning has

For å sikre formdobbeltbrytning settes M godt hinsides terskelen med som resulterer i at

for en endelig kjernediameter på C = 2,8 u, som er ekvivalent med 28000 Å. Kjernen 62 inneholder derfor C/M = 28000 Å/693 Å, som gir som resultat at kjernen 62 til den formdobbeltbrytende polariserende fiber 60 også inneholder 40 motiver.

Den formdobbeltbrytende polariserende fiber fremstilles på

en måte som er lik den beskrevet ovenfor for den formdobbeltbrytende polarisasjonsopprettholdende fiber. Kjernen 62 dannes fra stabelen 41 av førti motiver 40 som skjematisk er vist på fig. 4, 7 og 8. Dimensjonene til stabelen 41 kan være som beskrevet ovenfor med henvisning til fremstillingen av den formdobbeltbrytende polarisasjonsopprettholdende fiber 15.

Lagene 68-70 kan være SiC^/og lagene 72, 73 kan være dannet

av GeC>2 som i den formdobbeltbrytende polarisas jonsopprett-holdende fiber 15.

For å oppnå den ønskede An = 0,004 kan SiC^-komponenten av motivet 40 ha en brøktykkelse f^= 0,800, mens GeC^-komponenten har en brøktykkelse f ? = 0,200. Derfor er tykkelsen av Si02~lagene 18-20 gitt ved

Tykkelsen til Ge09-komponenten er gitt ved

Lagene av SiC^og GeO^kan dannes ved en hvilken som helst

av fremgangsmåtene beskrevet ovenfor med henvisning til den formdobbeltbrytende polarisasjonsopprettholdende fiber 15. Etter at stabelen 41 av motiver 40 er dannet, følges prosessene beskrevet ovenfor for den formdobbeltbrytende polarisasjonsopprettholdende fiber 15 for å redusere dimensjonene av stabelen 41 slik at den kan trekkes for å danne fiberkjernen 62. Kledningen må formes slik at den får en brytningsindeks større enn brytningsindeksen for SiC^. SiCl^og GeCl^forekommer begge som damper som kan oksideres til en blanding av SiC^

og GeC^ved en metan/oksygen-flamme. Brytningsindeksen for den resulterende blanding avhenger av dens molare sammensetning. Derfor vil kontroll av strømningshastighetene til SiCl^og GeCl^tillate avsetning av en sot bestående av 82,8 molprosent SiC^og 17,72 molprosent Ge02på kjernen slik at kledningen dannes. Brytningsindeksen for kledningen vil da være lik nz i kjernen.

Kledningen 64 som skal tilføres til kjernen 62, må ha en brytningsindeks som er større eller lik brytningsindeksen for SiC^-Kledningen 64 kan tilføres ved å oksidere en blanding

av SiCl^- og GeCl4-damper i en metan/oksygen-flamme. Brytningsindeksen for den resulterende blanding avhenger av dens molare sammensetning. Derfor vil kontroll av strømningshastighetene til SiCl^- og GeCl^-damper tillate avsetning av en sot som består av 82,18 molprosent Si02og 17,72 molprosent Ge02på kjernen 62 slik at kledningen 64 dannes. Brytningsindeksen for kledningen 64 dannet i henhold til denne prosess er lik n i kjernen 62.

z J

I overensstemmelse med den ovenfor beskrevne prosess kan en enmode-formdobbeltbrytende polariserende fiber fremstilles slik at den får spesifikasjoner som angitt i tabell 1 nedenfor. hvor k = 2ttA<q>er bølgetailet, idet Aq er bølgelengden til lyssignalet i vakuum, og p kjerneradien. V-tallet er kri-teriet for å bestemme hvorvidt en fiber vil forplante bare én mode av elektromagnetisk energi på en gitt frekvens, eller hvorvidt fiberen vil forplante en rekke moder. Det er vist at hvis V < 2,405 for et gitt sett av parametre i ligning (37), så er fiberen en enmodefiber. Minsking av V-tallet øker størrelsen av svinnfeltet og minsker feltet i kjernen av lys ledet av fiberen. Dopingen av GeC^er større i kjernen 62

enn i kledningen 64. Da GeG^er den primære spredningsgiver i fiberen 60, vil øking av svinnfeltet og minsking av feltet i kjernen 62 redusere spredningen, noe som gjør at en del av signalet kobles inn i kledningen 64. Derfor dannes den formdobbeltbrytende polariserende fiber 60 slik at den får relativt lav V-tall.

All informasjon båret av enhver optisk fiber transporteres ved lysets forplantning. På grunn av en rekke mekanismer vil en del av lyset ledet av f.eks. kjernen 62 unnslippe derfra. Hvis intensiteten av det unnsluppede lys ikke undertrykkes, vil dette forplante seg langs fiberen 60 som kledningsmoder. Kledningsmoder er ukorrelert med informasjonen inneholdt i lyset som ledes av kjernen 62 og betraktes som støy. Over lengden av fiberen 60 har en del av kledningsmodene en tendens til å koble seg tilbake til kjernen 62 og svekke integriteten av informasjonen i lyset ledet av kjernen 62. Om utgangssignalet fra fiberen 60 faller inn på en detektor (ikke vist), vil detektoren gi respons både på lyset ledet av kjernen 62 og støyen overført i kledningsmodene.

Vanlige enmode- og flermodefibre såsom fiberen 30 på fig.

6 dekkes med et mykt plastmateriale 76 slik at den skjøre glassfiber 30 beskyttes mot brekkasje under mekanisk påkjenning. Denne kledning er vanligvis gjennomsiktig eller gjennomskinnelig og har en brytningindeks større enn brytningsindeksen for kledningen 34 til fiberen 30. Relasjonen mellom brytningsindeksene for kledningen 34 og dekningsmåterialet 76 tillater at strålingsmoder fjernes fra kledningen 34. I de fleste til-feller for vanlige dekninger kreves der flere timetere av fiberen 30 for at modefjerningen skal være effektiv.

Det er vist at hurtig svekking av strålingsmodene øker effekti-viteten til den formdobbeltbrytende polariserende fiber 60

ved forplantning av bare én enkelt polarisasjon uansett polarisasjonen til signalet som leveres til den. Da mekanismene som frembringer støy i fiberen 60 er fordelt langsetter denne, bør støyen undertrykkes på kortest mulig lengde for å minimere de uheldige virkninger av støy på signalintegriteten. For derfor å øke signal/støy-forholdet til fiberen 60 kan en absorberende dekning 80 tilsettes .rundt kledningen som vist på

fig. 5. Den absorberende dekning 80 består fortrinnsvis av en ugjennomsiktig substans, f.eks. som findelt kjønrøk i en plastmatrise med høy brytningsindeks for å absorbere kledningsmoder innenfor avstander på noen få cm langsetter den polariserende fiber 60. Det absorberende lag 64 kan dannes ved å tilsette kjønrøk til vanlige dekningsmåterialer.

Claims (15)

1. Formdobbeltbrytende fiberoptisk bølgeleder, karakterisert ved at den omfatter: en kjerne dannet av en rekke lag av fiberoptisk materiale for forplantning av optiske signaler, idet kjernen er utført med en første kjernebrytningsindeks for lys av en første polarisasjon og en andre kjernebrytningsindeks for lys av en andre polarisasjon og en kledning som omgir kjernen, idet kledningen har en kledningsbrytningsindeks slik at lyset til minst én polarisasjon ledes av kjernen.

2. Formdobbeltbrytende fiberoptisk bølgeleder i henhold til krav 1, karakterisert ved at kjernen består av en rekke motiver sammensmeltet slik at de danner en monolittisk struktur, idet hvert motiv omfatter en rekke lag av minst to forskjellige dielektriske materialer som har forskjellige brytningsindekser.

3. Formdobbeltbrytende fiberoptisk bølgeleder i henhold til krav 1, karakterisert ved at kjernen dannes av vekslende lag av Si02 og Ge02 .

4. Formdobbeltbrytende fiberoptisk bølgeleder i henhold til krav 2, karakterisert ved at kledningens brytningsindeks er mindre enn både den første og den andre kjernebrytningsindeks, slik at begge polarisasjoner ledes av kjernen.

5. Formdobbeltbrytende fiberoptisk bølgeleder i henhold til krav 2, karakterisert ved at kledningens brytningsindeks er minst så stor som den første kjernebrytningsindeks og mindre enn den andre kjernebrytningsindeks, slik at kjernen bare leder lys av den andre polarisasjon og lys av alle andre polarisasjoner forplanter seg fra kjernen og inn i kledningen.

6. Formdobbeltbrytende fiberoptisk bølgeleder i henhold til krav 5, karakterisert ved at den dessuten omfatter et belegg på kledningen for å absorbere lys som forplantes av kledningen.

7. Formdobbeltbrytende fiberoptisk bølgeleder i henhold til krav 1, karakterisert ved at kledningens brytningsindeks er mindre enn både første og andre kjernebrytningsindeksene, slik at både første og andre polarisasjoner ledes av kjernen, idet de første og andre polarisasjoner har ikke-degenererte forplantningskonstanter.

8. Formdobbeltbrytende fiberoptisk bølgeleder i henhold til krav 1, karakterisert ved at klednings-brytningsindeksen er minst så stor som den første kjernebrytningsindeks og mindre enn den andre kjernebrytningsindeks, slik at kjernen bare leder lys bestående av lys av den andre polarisasjon, og lys av alle andre polarisasjoner stråler fra.kjernen og inn i kledningen.

9. Fremgangsmåte til fremstilling av en formdobbeltbrytende optisk bølgeleder med en lagdelt kjerne som har en første kjernebrytningsindeks og en andre kjernebrytningsindeks som er forskjellig fra den første kjernebrytningsindeks, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: dannelse av en struktur bestående av en rekke lag av minst to dielektriske materialer som har forskjellige brytningsindekser , oppvarming av strukturen til mykningstemperaturen for de dielektriske materialer slik at der dannes en monolitt, og anvendelse av strekk på monolitten for å fremstille en lagdelt fiberkjerne med forutbestemte dimensjoner.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 9, karakterisert ved at dannelsestrinnet omfatter dannelse av en rekke motiver av vekslende lag av SiG^ og Ge02 , stabling av en rekke motiver, og opplagring av de stablede motiver ved hjelp av grafittblokker.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 9, karakterisert ved at den dessuten omfatter et trinn for å dekke motivstablene med sammensmeltet silisiumdioksid før oppvarming for å fremstille en monolitt.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 9, karakterisert ved at den ytterligere omfatter et trinn med sliping av monolitten til en sylinder.

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 9, karakterisert ved at den dessuten omfatter et trinn for å dekke kjernen med en kledning som har en kledningsbrytningsindeks som er mindre enn brytningsindeksene for kjernen.

14. Fremgangsmåte i henhold til krav 9, karakterisert ved at den dessuten omfatter et trinn for å dekke kjernen med en kledning som har en kledningsbrytningsindeks som er minst så stor som én av brytningsindeksene for kjernen.

15. Fremgangsmåte i henhold til krav 14, karakterisert ved at den dessuten omfatter et trinn for å dekke kledningen med et materiale som absorberer lys for-plantet av kledningen.