SE507445C2 - Optiskt element - Google Patents

Description

15 507 445 2 För multimodinterferensen utnyttjas ett stycke av en optisk fiber av multimodtyp, dvs en op- tisk fiber, i vilken för de avsedda eller betraktade våglängdema flera optiska moder kan samtidigt fortplantas. En sådan multimodfiber kan i princip erbjuda samma möjlighet till multimodinterferens som en planar vågledare. Alla komplikationer innefattande sidoreflektans bortfaller, eftersom inga sidor finns, som kan ge upphov till sådan. I det föredragna fallet är multimodfibem en optisk fiber med en käma i form av en ring eller en rörformig struktur. En sådan tiber kan liknas vid en planar vågledare, som har böjts kring en längsgående axel för att bilda en halv cirkulär cylinder och som sedan kompletterats med ytterligare en likadan halvcylinder till en hel cylinder. Tjockleken hos den ringformiga kärnan är i princip av samma storleksordning som tjockleken hos en motsvarande planar vågledare. Då en sådan op- tisk fiber exciteras optiskt med exciteringscentrum i en punkt på eller invid den ringformiga käman, initieras olika optiska fortplantningsmoder, vilka i stort sett har samma förhållanden mellan sina fashastigheter som de olika moderna i en motsvarande planar vågledare.

Allmänt anvisas ett optiskt element uppbyggt med huvudbeståndsdel i form av ett stycke av en optisk fiber, som till sin allmänna uppbyggnad kan vara av väsentligen konventionell typ. Fi- berstycket har sålunda en väsentligen cylindrisk kärna med en omgivande väsentligen cylind- risk mantel. Vidare finns en anslutning till en ljuskälla vid en ände av fiberstycket, så att ljus - utsänt från ljuskällan passerar genom fiberstycket. En uttagsanordning mottar ljus, som har 20 25 35 passerat genom fiberstycket, för tillförsel av detta ljus till någon annan optisk anordning, ex- empelvis någon mottagnings-, detektor- eller utvärderingsanordning. Fiberstycket är av multi- modtyp och dess anslutning är så utförd, att vid inkoppling till en ljuskälla exciteras flera op- tiska moder för ljus i fiberstycket.

Vidare skall fiberstycket vara utformat och särskilt dess längd vara så anpassad eller vald, att vid tvärsnittet av fiberstyckets ändyta vid uttagsanordningen finns en modbild, dvs en ljusin- tensitetsfördelning motsvarande de olika vid denna ändyta uppträdande optiska modema, som väsentligen är en avbildning av den modbild, som finns vid tillförseländens tvärsnitt, och detta villkor skall vara uppfyllt för åtminstone någon frekvens/våglängd hos eller något våg- längdsintervall för det tillförda ljuset. Exempelvis kan modbilden vid ändytans tvärsnitt vara väsentligen en flerfaldig avbildning av den som finns vid tillförseländens tvärsnitt.

I det föredragna fallet finns i fiberstycket en ring- eller rörformig kärna. Kärnans yttre och inre diametrar är då med fördel valda, så att fiberstycket för det betraktade våglängdsområdet är av multimodtyp i omkretsriktningen i ñberstycket i förhållande till dettas längdaxel. Fiber- stycket skall vidare vara av singelmodtyp i radiell riktning, dvs i riktningar som utgår vinkel- rätt från fiberstyckets axel.

Ett sådant optiskt element kan användas som exempelvis filter eller som sensor eller brytare. 10 15 20 25 35 3 507 445 I det senare fallet kan uttagsanordningen innefatta en optisk fiber av singelmodtyp. Anslut- ningen och uttagsanordningen är utförda och fiberstyckets längd och form i ett utgångsläge är anpassade, så att endast ljus med våglängd inom ett bestämt våglängdsintervall kan mottas av uttagsanordningen. Vid en ändring av fiberstyckets längd och/eller form från utgångsläget kommer modbildema för ljus med våglängd inom det bestämda vàglängdsintervallet att änd- ras, så att ljuset inom detta intervall mottas med en ändrad intensitet av uttagsanordningen.

Intensiteten vid tvärsnittet vid uttagsanordningen blir i det föredragna fallet väsentligt minskad och kan i vissa fall nästa försvinna.

Vid användning av det optiska elementet som 1 x N-kopplare kan anslutningen innefatta en optisk fiber av singelmodtyp och uttagsanordningen innefatta N optiska fibrer av singelmod- typ, där de senares kärnor ansluter till olika platser på fiberstyckets kärna i dess ändyta vid anslutningen. Vid användning som 1 x 2-kopplare innefattar uttagsanordningen med fördel två optiska D-fibrer av singelmodtyp, där dessas plana ytor är anbragta mot varandra.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu beskrivas närmare i anslutning till ej begränsande utföringsexempel i samband med de bifogade ritningama, i vilka: - Fig. 1 är en schematisk perspektiwy av ett stycke optisk multimodfiber av standardtyp, - Fig. 2 är en schematisk perspektivvy av ett stycke optisk multimodfiber med ringkäma, - Fig. 3 är en schematisk perspektivvy av ett stycke optisk multimodfiber med ringkärna kopplad till en optisk singelmodfiber av standardtyp, - Fig. 4 är en delvy av en ändyta, som schematiskt visar en ljusintensitetsfördelning, - Fig. S visar samma vy som Fig. 3, där multimodfibem är kopplad till ytterligare en singel- modfiber av standardtyp, - Fig. 6 visar fibrerna i Fig. 5 anslutna för att verka som sensor, - Fig. 7 är en schematisk sidovy av en 1 x 2-kopplare uppbyggd av en multimodfiber och tvâ optiska D-ñbrer av singelmodtyp, - Fig. 8 är en sektion av kopplaren enligt Fig. 7 och - Fig. 9 är en sektion av en 1 x 4-kopplare.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I fig. 1 visas ett avsnitt av en optisk fiber av multimodtyp. Denna innefattar en centralt lig- gande kärna l, som allmänt har cylindersymmetri och har en diameter av mellan exempelvis omkring 20 och 100 pm för vanliga våglängder använda vid kommunikation. Käman 1 omges av en cylindrisk mantel 3, som har något lägre brytningsindex än käman l.

Vid införande av ljus vid fiberstyckets ena ände 5 kan ljusvågor fortplanta sig längs fiberstyc- ket. De speciella förhållandena i fiberstycket, som hänger samman med de olika begräns- 10 15 507 445 4 ningsytoma i radiell led, dvs den variation i brytningsindex som föreligger vid passage ut från fiberstyckets geometriska axel, ger upphov till att ljuset fortplantas i bestämda moder. Med lämplig våglängd och lämplig uppbyggnad av fiberstycket kan ett flertal sådana moder excite- ras. De olika modema har något olika utbredningshastighet. Det allmänna inbördes förhållan- det mellan dessa utbredningshastigheter kan bestämmas genom att tillämpa vågekvationen. I allmänhet fortplantas många och tätt liggande optiska moder samtidigt i den optiska fibem.

Sålunda erhålls optiska moder knutna dels till den radiell riktningen, dels till riktningen i om- kretsled eller azimutal led.

De möjliga optiska modema kan göras färre genom användning av en annan konfiguration för den optiska ñbems käma, som begränsar antalet moder i den ena riktningen. Detta åstadkoms lämpligen med hjälp av en optisk flber med ringkärna, som schematiskt visas i fig. 2. Kärnan l' i en sådan fiber kan typiskt ha samma ytterdiameter som käman i en multimodfiber enligt fig. 1 medan den inre diametem väljs, så att den optiska fibem blir av singelmodtyp i radiell riktning. Tjockleken av den cylindriska kärnan 1” blir härvid av samma storleksordning som kämdiametem i en singelmodfiber av standardtyp, givetvis alltid betraktat för en viss våg- längd eller ett visst våglängdsområde. Inuti kärnan 1' finns ett cylindriskt inre område, som har i princip samma brytningsindex och sammansättning som området utanför den ringformi- ' ga kärnan l”. 20 25 35 Liksom i det plana fallet med en tunn vågledarkäma med tvärsnitt i form av en långsträckt rektangel, jämför den ovan anförda artikeln av L.B. Soldano et al., visar det sig att det all- männa inbördes förhållandet mellan utbredningshastighetema, fashastighetema, för de olika moderna allmänt sett är approximativt regelbundet. Denna regelbundenhet leder vidare till, att en viss modbild, som inmatas i tvärsnittet S, mer eller mindre approximativt också kommer att uppträda i ett tvärsnitt av fiberstycket på ett avstånd från den första ändytan, säg vid tvär- snittet 7, som i figurema är fiberstyckets andra ände. Man får alltså här approximativt en li- kadan ljusfördelning över tvärsnittet som i inmatningstvärsnittet. I praktiska fall är vågledar- stycket, som visas i fig. 2, av en längd av flera cm. Denna figur och också de följande är inte skalenliga, utan fibrema visas med alltför stora diametrar för tydlighetens skull.

Vidare erhåller man i tvärsnittet vid 9, som ligger mittemellan fiberstyckets ändytor 5 och 7 en modbild, som är en approximativ spegelbild av modbilden vid inmatningsändytan 5. Speg- lingen görs i ett plan, som går genom fiberstyckets längdaxel och är vinkelrätt mot ett sym- metriplan för den inmatade ljusfördelningen. På samma sätt kan i tvärsnitt liggande mellan de nämnda, såsom vid 11 i fig. 1, en modbild erhållas, som är en tvåfaldig avbildning av mod- bilden vid inmatningsytan. Läget i vinkelled för denna dubbla avbildning bestäms också här av det nämnda symmetriplanet för modbilden vid inmatningsytan. 15 20 25 30 35 507 445 5 I tig. 3 visas ett fiberstycke 13 av en fiber med ringformig käma kopplad till en optisk singel- modñber 15 av standardtyp. Standardñbem 15 har sålunda en käma 1" med liten diameter.

Standardfibern 15 kopplas till ñberstycket 13 med ringformad käma, så att centrum hos stan- dardfibem 15 och alltså dess kärna 1" ansluter till eller ligger mitt emot ett parti av den ringfonniga käman l' i fiberstycket 13. När ljus fortplantas i den optiska standardñbem 15, fortsätter ljuset in i fiberstycket 13 med ringformig käma och fortplantas där. Om fiberstycket 13 har en lämplig längd kan sålunda en spegelbild erhållas av ljusintensiteten vid införselytan.

Detta visas i den förstorade vyn i fig. 4, där schematiskt en ljusfördelning antyds med ett starkt lysande område 17.

Konfigurationen i ñg. 3 kan vidare kopplas till ytterligare en optisk fiber 19 av singelmodtyp, såsom visas i fig. 5. Kopplingen görs på lämpligt ställe på ändytan av fiberstycket 13 med ringkäma, exempelvis i ett tvärsnitt där modbilden är en spegelbild av modbilden vid införsel- ytan. Om nu ljus tillförs från den första optiska fibem 15 av standardtyp, kan detta ljus emit- teras vidare till den andra optiska ñbem 19 av singelmodtyp, men endast för ljus av ett visst våglängdsintervall. Den i ñg. 5 visade anordningen har sålunda filteregenskaper. För att yt- terligare förstärka den filtrerande förmågan kan flera ñberstycken 13 med ringkäma placeras något förskjutet i förhållande till varandra med lämplig koppling mellan ringkämoma.

Om fiberstycket 13 i fig. 5 med ringkäma deformeras mekaniskt på något sätt, t ex genom att utsättas för en böjning såsom visas med pilen 20, kommer detta att störa de optiska modemas utbredning i detta fiberstycke, varför överföringen till den andra standardfibem 19 av singel- modtyp härigenom kan minska. På detta sätt åstadkoms en avkännande funktion. Användning- en av ett sådant arrangemang visas i fig. 6 med en sensoranläggning. Denna innefattar en ljuskälla 21, som utsänder ljus av bestämd våglängd till den optiska singelmodfibern 15. Ljus från den andra singelmodñbem 19 detekteras av en fotodetektor 23. När stycket 13 av multi- modfiber utsätts för mekanisk påverkan såsom en böjning, kan ljustransmissionen ändras, vilket avkänns av detektorn 23, som då kan avge en alarmsignal.

I fig. 7 visas en passiv 1 x 2-kopplare. Här finns en optisk fiber 15 av singelmodtyp, liksom i ñg. 3 och 5 kopplad till ett fiberstycke 13' med ringkäma. Fiberstyckets 13' längd väljs nu, så att modbilden vid dess tillförselyta vid den optiska fibem 15 ger en tvåfaldig avbildning vid fiberstyckets 13' andra ändyta. Vid denna ändyta finns två optiska D-fibrer 27 av singel- modtyp anordnade med sina plana ytor mot varandra. Kärnoma i D-fibrema 27 ligger på ett avstånd från varandra, som motsvarar dimensionema hos den ringformade kärnan hos fiber- stycket 13', så att en koppling av ljus erhålls från fiberstycket 13' till de båda D-fibrema 27, se även sektionen i fig. 8. Härvid kommer käman 1"' i den ena D-fibem 27 att ligga väsentli- gen mitt för käman i den optiska fibem 15 av singelmodtyp, från vilken ljus tillförs. Den andra D-fibems käma har diametralt motsatt läge, sett i förhållande till fiberstycket 13”. 507 445 6 På motsvarande sätt kan en passiv 1 x 4-kopplare utföras. I stället för D-fibrema 27 används då fibrer 29 med tvärsnitt av ungefärlig kvadrantform, där varje sådan ñbers kärna ligger nä- ra kvadrantens spets såsom visas i fig. 9.

Claims (8)

10 15 20 25 507 445 7 PATENTKRAV

1. Optiskt element innefattande ett stycke av en optisk fiber, som har en väsentligen cylind- risk kärna med en omgivande väsentligen cylindrisk mantel, innefattande en anslutning till en ljuskälla, så att ljus utsänt från ljuskällan passerar genom fiberstycket, och innefattande en ut- tagsanordning för mottagande av ljus, som har passerat genom fiberstycket, för tillförsel till en annan optisk anordning, k ä n n e te c k n at av - att fiberstycket är av multimodtyp och anslutningen är så utförd, att vid inkoppling till en ljuskälla exciteras flera optiska moder för ljus i ñberstycket, och - att fiberstyckets längd är så anpassad, att vid ändytans tvärsnitt finns en modbild som vä- sentligen är en avbildning av den som finns vid tillförselåndens tvärsnitt, åtminstone för nå- gon frekvens hos det tillförda ljuset.

2. Optiskt element enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att ñberstyckets längd är så anpas- sad, att modbilden vid ändytans tvärsnitt är väsentligen en flerfaldig avbildning av den som finns vid tillförseländens tvärsnitt.

3. Optiskt element enligt något av krav 1 - 2, k ä n n e t e c k n a t av att ñberstycket inne- fattar en ringformig käma.

4. Optiskt element enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att fiberstycket är av multimodtyp i omkretsriktningen, dvs i cirkulär riktning, där den cirkulära riktningen ges av en cirkel vin- kelrät mot ñberstyckets axel och cirkelns centrum ligger på denna axel, och att fiberstycket är av singelmodtyp i radiell riktning, dvs i riktningar som utgår vinkelrätt från fiberstyckets ax- el.

5. Optiskt element enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att det är avsett att tillföras ljus med flera våglängder och att anslutningen och uttagsanordningen är anordnade och fiberstyckets längd är anpassad, så att ljus med endast våglängder inom ett bestämt våg- längdsintervall kan mottas av uttagsanordningen, varigenom det optiska elementet fungerar som filter.

6. Optiskt element enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att uttagsanord- ningen innefattar en optisk fiber av singelmodtyp och att anslutningen och uttagsanordningen är anordnade och ñberstyckets längd och form i ett utgångsläge är anpassade, så att endast ljus med våglängd inom ett bestämt våglängdsintervall kan mottas av uttagsanordningen, me- dan vid en ändring av fiberstyckets längd och/eller form från utgångsläget ljus med våglängd inom det bestämda våglängdsintervallet mottas med en ändrad intensitet av uttagsanordningen, särskilt så att intensiteten blir väsentligt minskad, varigenom det optiska elementet fungerar som sensor eller brytare. 507 445 8

7. Optiskt element enligt något av föregående krav, k å n n e t e c k n a t av att anslutningen innefattar en optisk fiber av singelmodtyp och uttagsanordningen innefattar N optiska ñbrer av singelmodtyp, varvid de senares kämor ansluter till olika platser på ñberstyckets käma i ândytan, varigenom det optiska elementet fungerar som 1 x N-kopplare. s

8. Optiskt element enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att uttagsanordningen innefattar 2 optiska D-ñbrer av singelmodtyp, varigenom det optiska elementet fungerar som 1 x Z-kopp- lare.