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Dokumentenidentifikation DE69933611T2 23.08.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000962790
Titel Kurze filtrierende optische Faser
Anmelder Avanex Corp., Fremont, Calif., US
Erfinder Riant, Isabelle, 91120 Palaiseau, FR;
Sansonetti, Pierre, 91120 Palaiseau, FR
Vertreter Dreiss, Fuhlendorf, Steimle & Becker, 70188 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 69933611
Vertragsstaaten DE, GB, IT
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 12.05.1999
EP-Aktenzeichen 994011716
EP-Offenlegungsdatum 08.12.1999
EP date of grant 18.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.2007
IPC-Hauptklasse G02B 6/02(2006.01)A, F, I, 20060919, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G02B 6/293(2006.01)A, L, I, 20060919, B, H, EP   H01S 3/06(2006.01)A, L, I, 20060919, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung hat einen Frequenzfilter zur Veränderung des Durchlässigkeitsspektrums einer optischen Faser zum Ziel. In der Erfindung wird der Frequenzfilter in einem Abschnitt der optischen Faser realisiert, der modifiziert wurde, um ihm Filtriereigenschaften zu verleihen.

Auf dem Gebiet von optischen Fasern ist die Herstellung von Bragg-Gittern in den Kernabschnitten dieser optischen Fasern bekannt. Diese Bragg-Gitter werden durch periodische Änderungen des Brechungsindexes in dem Fasermaterial hergestellt. Diese werden durch eine W-Strahlung in diesen Abschnitten des Faserkerns erreicht. Die durch eine Belichtung hervorgerufene Veränderung des Brechungsindexes wird "lichtbrechender Effekt" genannt. Dieser Effekt ist permanenter Natur. Die Eigenschaft eines Materials, das einen Brechungsindex hat, der unter einer derartigen Belichtung verändert werden kann, wird hier Lichtempfindlichkeit genannt. Die Lichtempfindlichkeitseigenschaften sind im Stand der Technik mit dem Vorhandensein eines Mangels an Germanium in der Kieselglasmatrix der optischen Faser verbunden. Weitere Dotierungsmittel, die den Kern der Faser lichtempfindlich machen, können verwendet werden. Der Vorteil des Germaniums besteht darin, dass es normalerweise im Kern optischer Fasern vorhanden ist, da mit ihm der Brechungsindex des Faserkerns gegenüber dem Brechungsindex der Umhüllung einer optischen Faser, die diesen Kern umgibt, erhöht werden kann. Diese Erhöhung des Brechungsindexes gewährleistet die Führung des Lichtsignals in dem Faserkern.

Bei der Herstellung einer optischen Faser werden nacheinander im Innern eines Rohres verschiedene Schichten von dotiertem oder nicht dotiertem Kieselglas abgelagert, das nach und nach durch seine Adhäsion an der Rohrinnenwand die verschiedenen Schichten bilden muss, welche die optische Faser bilden. Der Durchmesser einer so gebildeten Vorform ist homothetisch größer als der Durchmesser der Faser. Diese erhält man anschließend durch Erwärmen und Ziehen der Vorform.

Um das Bragg-Gitter herzustellen, wird ein Abschnitt des Faserkerns, der die Rolle des Filters übernehmen soll, einer selektiven, periodischen UV-Strahlung unterworfen. Durch diese Strahlung werden lokale, permanente Veränderungen in dem Brechungsindex vorgenommen. Diese Veränderungen sind mit einer chemischen und strukturellen Änderung der Verbindungen der Germaniumatome in dem Kern verbunden. Die Veränderung im Wert des Brechungsindexes des Faserkerns, die sich aus diesen Änderungen ergibt, kann einige Tausendstel betragen.

Das Gitter erweist sich entlang des Abschnittes, der einen dämpfenden Filter bildet, also als eine Modulation des Brechungsindexes.

WO97/08574 beschreibt eine optische Filtriervorrichtung, die aus einem Richtungskoppler besteht, der aus zwei optischen Fasern gebildet wird, die untereinander in einem Bereich der zentralen Kopplung verschmolzen sind, in dem sich ein Gitter periodischer, geneigter Veränderungen des Brechungsindexes befindet.

WO94/00784 beschreibt ein Gitter periodischer Veränderungen des Brechungsindexes einer Länge von ungefähr 1 mm, das sich in einer Glasfaser des Typs B2O3 befindet.

WO97/26571 beschreibt einen optischen Leiter, der eine lichtempfindliche Umhüllung für ein geneigtes Bragg-Gitter besitzt.

In den Electronic Letters, Band 29, Nr. 2, Januar 1993, Seite 154-156, von R. Kashyap et al., wird ein optischer Verstärker beschrieben, der eine filtrierende optischer Faser mit Bragg-Gitter besitzt, die zu einem gleichmäßigen Durchlassbereich führt.

Wenn die Veränderungen des Netzes des Brechungsindexes senkrecht zur Achse der optischen Faser verlaufen, wird die nicht von dem Filter übertragene Lichtmenge in der herkömmlichen Art und Weise im Kern der optischen Faser reflektiert, und zwar mit einem Maximum an Reflexion über die Bragg-Wellenlänge, die durch eine Resonanzbedingung bestimmt wird. Physikalisch wird eine Kopplung zwischen der Grundschwingung, die sich in dieselbe Richtung ausbreitet, und der Grundschwingung, die sich in die entgegengesetzte Richtung ausbreitet, geschaffen.

Gemäß der Länge des Abschnittes, der belichtet wird, gemäß dem Zeitraum der Reproduktion der Veränderungen entlang diesem Abschnitt und gemäß der mehr oder weniger starken Veränderung (gemäß der mehr oder weniger großen Variation des Brechungsindexes an der Stelle der Veränderungen) kann man jeweils die folgenden Durchlässigkeitseigenschaften modifizieren: die Breite, die Mittenfrequenz des Filters und den erzielten Dämpfungsgrad.

Für starke, lichtinduzierte Variationen des Brechungsindexes kommt es bei kürzeren Wellenlängen auch zu einer Kopplung der Grundschwingung in den Hüllschwingungen. Dies kann gemäß dem Artikel "Optical Fiber Design for Strong Gratings Photimprinting with Radiation Mode Suppression", der bei der OFC-Konferenz San Diego 95, Post Deadline 5 von E. DELEVAQUE et al. vorgelegt worden ist, durch eine Germaniumdotierung eines Teils der Umhüllung in der Nähe des Kerns vermieden werden. Ein weiteres Dotierungsmittel, Fluor, wird der Umhüllung in diesem Fall hinzugefügt, um die Erhöhung des Brechungsindexes wiederherzustellen.

Bei einer besonderen Verwendung hat man mit solchen Filtern versucht, Ebenheitsfehler des Verstärkungsfaktors entlang sehr langer, optischer Verbindungen auszugleichen. Denn über sehr lange Strecken hinweg und insbesondere bei Unterwasserstrecken fällt die Dämpfung der Wellen in den optischen Fasern so aus, dass an verschiedenen Stellen optische Verstärker notwendig sind. In einer bekannten Art und Weise besitzen diese Verstärker leider den Nachteil, dass sie bestimmte Frequenzkomponenten des übertragenen Bandes systematisch begünstigen.

Dieses Phänomen ist umso ärgerlicher, als solche optischen Verstärker bei WDM-Verbindungen (WDM – Wavelength Division Multiplexed) verwendet werden, in denen verschiedene Kanäle durch optische Trägerwellen unterschiedlicher Frequenzen transportiert werden, um die globale Kapazität und die Modularität des Systems zu erhöhen. Angesichts des Phänomens im Zusammenhang mit dem optischen Verstärker wäre eine solche Begünstigung sehr nachteilig, wenn man sie nicht regelmäßig ausgleichen würde. In dieser Anwendung geht es vor allem darum, den optischen Verstärkungsfaktor mit einer mit Erbium dotierten Faser abzuflachen. Andere Anwendungen sind natürlich vorstellbar.

Diese Art von Filter mit Bragg-Gitter hat jedoch den Nachteil, dass er bei den von der Filtration betroffenen Komponenten wie ein Teilreflektor des verstärkten Signals wirkt. Ein Teil des optischen Signals mit diesen Frequenzen wird also durch Reflexion in den optischen Verstärker zurückgesendet. Daraus ergibt sich, dass das von dem Fiter reflektierte Signal in dem verstärkenden Abschnitt interferiert, aber auch, dass das von der Faser rückgestreute Signal wieder in die Leitung zurückgesendet wird und die Durchlässigkeitseigenschaften verschlechtert.

Um diese Reflexion zu vermeiden, wurde insbesondere in. dem Artikel "Wideband gain flattened erbium fibre amplifier using a photosensitive fibre blazed grating" von R. Kashyap, R. Wyatt und R.J. Campbell, der in den Electronic Letters vom 21. Januar 1993, Band 29, Nr. 2, Seite 154 bis 156 veröffentlicht wurde, das Prinzip vorgestellt, die repräsentativen Streifen der Zonen mit Indexmodulation zu neigen. Dies kann geschehen, indem man zwei Strahlen einer Argon-Laserquelle, deren Frequenz bei 244 nm verdoppelt wird, interferieren lässt, und indem man die Senkrechte zu dem Abschnitt, der als Filter dient, sich gegenüber der Winkelhalbierenden der Belichtung der beiden Strahlen neigen lässt. Man kann auch eine Phasenmaske verwenden, die im Prinzip zwei Beugungsordnungen +1 und –1 sowie eine sehr schwache nullte Ordnung erzeugt. Die Neigung beträgt in dem beschriebenen Artikel beispielsweise acht Grad. Der Vorteil der Neigung besteht darin, dass die Reflexion entlang dem Faserkern wegfällt. Denn diese Neigung bewirkt nämlich die Kopplung der Grundschwingung, die sich in dieselbe Richtung ausbreitet, mit den Strahlungsschwingungen, die sich in die entgegengesetzte Richtung ausbreiten. Diese Strahlungsschwingungen werden sehr rasch von der Umhüllung absorbiert und werden Hüllschwingungen genannt. Die Spektralhülle der Gesamtheit der Frequenzkomponenten in diesen verschiedenen Hüllschwingungen kann dabei als Filtermerkmal verwendet werden, um den optischen Verstärkungsfaktor auszugleichen.

Der Nachteil dieser Technik besteht in der Trennschärfe des Filters. Wenn nämlich die üblichen Telekommunikationsfilter verwendet werden, kann man beispielsweise mit einem solchen Filter mit Bragg-Gitter und Neigung der Veränderungen kein Spektralband des Filters unter 20 nm erhalten. Theoretisch ist es möglich, den Kerndurchmesser zu variieren, um die Filterbandbreite zu reduzieren. Die Trennschärfe des Filters ist bei größerem Kerndurchmesser höher, sie beträgt beispielsweise 9 &mgr;m anstatt 3 &mgr;m. Doch diese Erhöhung des Durchmessers ist begrenzt. Außerdem besitzt sie neben weiteren Nachteilen den Nachteil, dass zwischen einer Faser mit einem großen Durchmesser und einer Faser mit einem Standarddurchmesser (in der Größenordnung von bereits 9 &mgr;m) Anpassungsabschnitte hergestellt werden müssen. Die Ausführung dieser Anpassungen ist schwierig.

Gemäß der gewünschten Zielsetzung wird die Dämpfung durch die Hüllschwingungen besser, wenn man die Länge des Netzes vergrößert, doch die Länge des Netzes hat auf die Verringerung der Breite des Filterbandes keinen Einfluss mehr. In der Praxis gilt, dass die Trennschärfe des Filters desto höher ist, je geringer der Winkel ausfällt, aber gleichzeitig kommt es zu einer Restemission durch Reflexion mit geraden Rändern. Demgegenüber gilt, dass dieses Phänomen der Reflexion umso weniger spürbar ist, je größer die Neigung des Winkels ist, aber je größer die Bandbreite des Filters ist, umso geringer ist die Trennschärfe. Der Kompromiss, den man in allen Fällen erhält, ist nicht zufriedenstellend, und man versucht, ihn zu verbessern.

Das zweite Problem bei dieser Filterart ist damit verbunden, dass die Filtration in einem Niederfrequenzband in der Nähe des Nutzbandes, wo die Filtration durchgeführt wurde, zurückprallt. Dieser Rückprall ist auf die oben genannte Restreflexion in der Grundschwingung zurückzuführen. Am Anfang ist dieser Rückprall nicht störend, da die bekannten optischen Verstärker ein begrenztes Spektralband besitzen, und dieser Rückprall der Filtration außerhalb dieses Spektralbandes liegt. Er muss allerdings dennoch schwach bleiben. Doch bei anderen Anwendungen, insbesondere bei terrestrischen Anwendungen, wird der Filter selektiv verwendet, um verschiedene Komponenten in dem Nutzband zu dämpfen. Der Spektralort dieses Rückpralls befindet sich somit ebenfalls in dem Nutzband. Bei diesen anderen Anwendungen ist dieser Rückprall der Filtration somit schädlich.

Drittens wurde zuvor gesagt, dass es sich bei der Spektraldämpfung eigentlich nur um die Hülle der Dämpfungen bei verschiedenen Spektralkomponenten handelt. Dies bedeutet, dass die Spektralkomponenten im Innern dieser Hülle tatsächlich gefiltert werden, während andere weniger oder sogar überhaupt nicht gefiltert werden. Dies ist auf die Unstetigmachung bzw. Aufgliederung der Hüllschwingungen zurückzuführen. Unter diesen Bedingungen entspricht die Hülle der Filtrierung einer Zusammenstellung diskreter Filter mit relativ engem Band, die durch Frequenzräume voneinander getrennt sind, in denen keine Filtrierung stattfindet. Ein solcher Filter kann also nicht dazu verwendet werden, den optischen Verstärkungsfaktor korrekt abzugleichen.

Mit der Erfindung wurde das dritte Problem gelöst und man hat eine Glättung der von dem Filter herbeigeführten Dämpfungen erreicht. Diese Glättung erfolgt durch Verkürzung der Länge des Filters. Die Länge des Filterabschnittes muss beispielsweise kürzer als 1 mm und vorzugsweise gleich 0,7 mm sein, um den Filter zu glätten.

Die Erfindung hat also eine optische Faser mit Bragg-Gitter zum Ziel, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Figuren in den Begleitzeichnungen noch verständlicher. Diese dienen lediglich der Information und sind beispielhaft. Sie sind in keiner Weise einschränkend im Hinblick auf die Erfindung zu verstehen. Es zeigen:

1 eine Vorform für die optische Faser, die verwendet werden kann, um die filtrierende optische Faser der Erfindung herzustellen;

2 die Darstellung eines Verfahrens, um die optische Faser der Erfindung auf ihre Filtrierfunktion vorzubereiten;

3 ein Frequenzdiagramm, das in einer Anwendung Verstärkungsfehler optischer Verstärker von Fasern zeigt, die mit Erbium dotiert worden sind, sowie die Korrektur, die durch den erfindungsgemäßen Filter durchgeführt wurde;

4a und 4b Filtrierdiagramme eines Filtrierabschnittes mit einer Länge von 0,7 mm bzw. 1,2 mm;

5a und 5b Profile des Brechungsindexes bzw. der Lichtempfindlichkeit des Kerns und der Umhüllung der filtrierenden optischen Faser der Erfindung;

6a bis 7b ein umgekehrtes Profil der Lichtempfindlichkeit, das vorzugsweise mit der Erfindung ausgeführt wurde, und seine spektralen Konsequenzen.

1 zeigt eine Vorform 1 der optischen Faser. Die Vorform 1 besitzt einen ersten Zylinder 2, der von einem ersten zylindrischen Innenkranz 3 und einem zylindrischen Außenkranz 4 umgeben ist. Dieser Zylinder und diese Kränze weisen die unterschiedlichen Materialschichten auf, die in der optischen Faser vorhanden sind, wenn sie durch Ziehen hergestellt wird. Die radialen Abmessungen der Zylinder und zylindrischen Kränze 2 bis 4 sind homothetisch zu den Abmessungen der entsprechenden Teile in der optischen Faser (wenn auch kleiner), sobald sie durch Ziehen hergestellt wurde. In der Praxis werden ein Kern und eine entsprechende Faserhülle entsprechend der Schichten 2 bis 3 jeweils in mehreren Schichten ausgeführt. Die Schichten 2 bis 3 werden somit während der Herstellung der vorform mit verschiedenen Dotierungsstoffen dotiert.

In 2 wird ein bevorzugtes Verfahren für die Belichtung eines lichtempfindlichen Materials gezeigt, das verwendet werden kann, um ein Gitter von Veränderungen im Brechungsindex, auch Brechungsindex-Gitter genannt, im Innern des Kerns 5 einer Faser zu erzeugen. Bei einer Faser im Stand der Technik wird der Kern 5 der Faser im Augenblick der Fertigung des Zylinders 2 mit Germanium dotiert. Dieses Germanium wird im Augenblick der Belichtung über eine Länge, die einem Filtrierabschnitt 6 entspricht, einer Beleuchtungsstärke unterworfen, die von zwei Laserstrahlen 7 und 8 erzeugt wird, die von einer kohärenten Laserquelle stammen, und zueinander geneigt sind. Die Winkelhalbierende 9 des Winkels, der von diesen Strahlen gebildet wird, ist im wesentlichen senkrecht zu der Achse 10 des Kerns 5 ausgerichtet. Wie in dem genannten Dokument beschrieben, können die Laserstrahlen 7 und 8 einem Argonlaser entstammen, dessen Frequenz auf eine Wellenlänge von 244 nm verdoppelt wurde. Gemäß den Angaben in diesem Dokument kann man bei Neigung der Achse 10 in die Richtungen 11 oder 12 gegenüber der Senkrechten zur Winkelhalbierenden 9 Interferenzstreifen, und somit das Gitter von Veränderungen, erhalten, die geneigte Form haben. In 2 sind Abschnitte 13 geneigter Scheiben im Schnitt grob dargestellt. In der Praxis entwickelt sich der Grad der Veränderung zwischen einem Minimum und einem Maximum nach und nach zwischen jedem Streifen. Es handelt sich dabei nicht wirklich um Scheiben, doch die Darstellung ist bequem.

In einer Variante kann das geneigte Brechungsindexgitter auch durch eine Vorrichtung mit Phasenmasken hergestellt werden.

Die Herstellung von Kernen 5 mit einem Durchmesser d von 9 Mikrometern ist bekannt. So handelt es sich bei der Standardfaser SMF-28 der Corning Incorporated, New York, Vereinigte Staaten von Amerika, um eine Monomodefaser mit einem solchen Durchmesser. Die Zylinder 3 und 4 bilden eine Umhüllung-/Rohr-Einheit dieser Fasern. In einem Beispiel – insbesondere dem oben angegebenen – liegt der Außendurchmesser D dieser Einheit in einer Größenordnung von 125 bis 130 Mikrometern.

Anstatt sich mit der Germaniumdotierung des Materials 2 zufriedenzugeben, das zur Herstellung der Faser 5 dient, wurde das Material 3, das die Umhüllung bildet, erfindungsgemäß ebenfalls dotiert. Daher bilden sich im Augenblick der Belichtung Streifen 16 nicht nur in dem Kern 5, sondern auch in der Umhüllung 3. Auch hier ist der untere Teil in 2 nur eine schematische Darstellung, wobei die Streifen keine Scheiben sind.

Der Längsschnitt 17, in dem sich diese Veränderungen im Brechungsindex entwickeln, hängt von den Belichtungsgrenzen ab. Er hat eine Länge L. Die Abstände zwischen den Maximalwerten der verschiedenen Veränderungen nehmen einen Raum A (in der Größenordnung von 0,5 Mikrometern) ein, der dem Zwischenstreifen entspricht. Mit solchen Perioden kann man Filter mit Infrarot-Wellenlängen (ungefähr 1,5 &mgr;) erhalten. Die Kraft der Veränderung ist mit der Stärke der beiden Laserstrahlen 7 und 8, mit der Belichtungsdauer und mit der Germaniumkonzentration verbunden. Diese Größen sind nützliche Parameter, um den Filter einzustellen, der durch den Abschnitt 17 gebildet wird.

3 zeigt eine Kurve 18, die symbolisch und mit einiger Übertreibung die schädlichen Auswirkungen der optischen Verstärker auf der Grundlage einer mit Erbium dotierten, optischen Faser (EDFA Erbium Doped Fibre Amplifiers) darstellt. Solche Verstärker sind interessant, weil sie ein großes Spektralband besitzen, das auf die nützlichen Wellenlängen in der optischen Übertragung zentriert ist. Sie haben jedoch den Nachteil, dass sie an bestimmten Stellen des Spektrums gegenüber der Verstärkung 20 an anderen Stellen des Spektrums zu einer Überverstärkung 19 führen. Dieser Überverstärkung 19 gilt es mit einem Filter entgegenzuwirken, der in die Ausbreitung der Wellen, die von diesen Verstärkern ausgesendet werden, eingeschoben wird.

Die Kurve 21 zeigt auf schematische Art und Weise den Filter, den man durch Anordnung eines filtrierenden Abschnittes erhält, der nach dem unteren Teil von 2 hergestellt wurde. Die Eigenschaften des Filters sind seine charakteristische Frequenz f0, die Amplitude A der selektiven Dämpfung, die er auferlegt, und seine Bandbreite B. In einer bekannten Art und Weise hängt f0 von &Lgr; ab, A hängt von dem Grad der Veränderung der lichtempfindlichen Materialien ab, die in die Faser eingeschoben wurden, und bei einem herkömmlichen Bragg-Gitter mit gerader Veränderung hängt B von der Länge L des Abschnittes 17 ab. Je größer die Länge L ist, desto geringer kann die Bandbreite B sein.

Im Stand der Technik ist bekannt, dass man die Länge von Abschnitt 6 oder Abschnitt 17 erhöht, um die Filter-Trennschärfe zu verbessern. In der Erfindung dagegen verkürzt man die Länge des Filtrierabschnittes, so dass sie gleich 1 mm ist oder darunter liegt. In einem bevorzugten Modus, der optimal ist, konnte man zeigen, dass der Filtrierabschnitt 0,7 mm plus oder minus 20 % betragen müsste.

Das in der Erfindung eingesetzte Phänomen ist das folgende. Aufgrund der Kopplung der Grundschwingung mit den diskreten Strahlungsschwingungen, für die die Wellenlänge &lgr; ein Vielfaches der Periode A ist, besteht der Filter aus einer Zusammenstellung diskreter Filter. Anders ausgedrückt, die Kurve 21 ist nicht die Frequenzkennlinie des Filters, sondern eine Maximalumhüllung für die Filtrierung. Jeder diskrete Filter besitzt dort eine relativ geringe Breite. Um das Band jedes dieser Filter zu vergrößern, verringert man in der Erfindung die Länge der Filtrierung. In diesem Fall besitzen die diskreten Filter jeweils ein Spektrum, das sich vergrößert. Sie dringen ineinander ein. Daraus ergibt sich, dass die Umhüllungskurve 21 nun zur Frequenzkennlinie des Filters wird. Dieser hat keine Schwingungen mehr.

Die 4a und 4b zeigen Filtrierdiagramme in einem Nutzband zwischen 1550 nm und 1566 nm bei Längen der Filtrierabschnitte von 0,7 mm bzw. 1,2 mm. Man stellt ganz klar fest, dass die Glättung bei 0,7 mm besser ist. Man erkennt mehr Überschwingungen als in 4b: die Glättung ist dort weniger gut.

Die 5a und 5b zeigen jeweils das Profil des Brechungsindexes und ein Lichtempfindlichkeitsprofil in einer Faser, die mit einer Weiterentwicklung aus der Erfindung versehen ist. Gegenüber einer X-Achse 0 zentral in der Mitte des Kerns 5 der Faser erkennt man zu beiden Seiten die X-Achsen bei ungefähr 4 Mikrometern von den Enden des Durchmessers des Kerns 5, sowie die X-Achsen bei ungefähr 20 Mikrometern von den Enden des Durchmessers der Umhüllung 3. Das Profil des Brechungsindexes fällt so aus, dass es eine Erhöhung &Dgr;n in der Größenordnung von 0,5 % aufweist. Dieses Profil des Brechungsindexes ist erforderlich, um die Ausbreitung einer einzigen optischen Hauptschwingung in dem Faserkern zu gewährleisten. Dieses Profil des Brechungsindexes erhält man, indem man den Faserkern mit Materialien dotiert, die diese Eigenschaft der Erhöhung des Brechungsindexes besitzen. Im allgemeinen wird eine Dotierung mit Germanium durchgeführt. Man kann auch Phosphor verwenden, mit dem der Brechungsindex ebenfalls erhöht werden kann.

Das Germanium besitzt aufgrund der Veränderungen der chemischen Verbindungen und der Struktur durch Belichtung eine brauchbare Lichtempfindlichkeit, um das Gitter der Veränderungen im Brechungsindex zu bilden. Somit entwickelt sich der Brechungsindex entlang des Abschnittes 17 zunehmend nach einer Variation &dgr;n und periodisch von einem Streifen zum anderen. Die Variation &dgr;n ist ein Bruchteil von &Dgr;n.

5b zeigt, dass sich das Profil der Lichtempfindlichkeit in der Verbesserung in der ganzen Faser oder in einem Teil der Faser ausgebreitet hat: in dem Kern 5 und in einem Teil der Umhüllung 3. Vorzugsweise wurde das Profil der Lichtempfindlichkeit in der ganzen Schicht der Umhüllung ausgebreitet. In dieser bevorzugten Ausführungsart wurde diese Schicht der Umhüllung mit 20 &mgr;m festgelegt. Somit konnte man eine Filtrierbreite von 9 bis 10 nm erhalten. Es wäre auch möglich gewesen, die Erweiterung auf einen inneren Teil der Schicht der Umhüllung 3 zu begrenzen. Indem man die Breite der Erweiterung in der ganzen Umhüllung 3 oder in einem Teil der Umhüllung variiert, variiert man nämlich die Filter-Trennschärfe. Mit weiteren Bedingungen könnte man die Breite der Filtrierung noch weiter begrenzen.

Man hat nun durch die Experimente zeigen können, dass sich die Breite B der Filtration des Filters durch diese Anordnung so anpassen lässt, dass sie auf eine gewünschte Anwendung passt. In dem Fall, wo diese Anwendung eine Verstärkung betrifft, wie sie in 3 gezeigt wird, lässt sich die Überverstärkung 19 beispielsweise mit einem Frequenzband B des Filters in der Größenordnung von 8 oder 9 nm kompensieren. Je nach der gewünschten Breite von 8 ist der dotierte Teil der Umhüllung 3 mehr oder weniger stark, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten.

Die Tatsache, die Umhüllung der Faser mit Germanium zu dotieren, kann, wie bei dem Kern 5, dazu führen, dass sich das Profil des Brechungsindexes in dieser äußeren Schicht verändert. Normalerweise erhält man eine Germaniumdotierung des Kerns mit einem Massenanteil zwischen 0 und 11 %. Wenn die Umhüllung 3 auf die gleiche Art und Weise hergestellt wird, erlaubt das Profil des Brechungsindexes nicht mehr, den Kern 5 dieser Umhüllung 3 korrekt zu begrenzen. Die Faser kann die Hauptwelle nicht mehr korrekt ausbreiten.

Um dieses Problem zu beseitigen, wird erfindungsgemäß die Dotierung der Umhüllung 3 mit Fluor vorgesehen. Fluor hat die entgegengesetzte Wirkung auf den Brechungsindex wie Germanium. Es reduziert nämlich den Brechungsindex anstatt ihn zu erhöhen. Indem man die Fluor- und Germaniummengen in der Umhüllung kompensiert, wird dort ein Profil des Brechungsindexes aufrechterhalten, das demjenigen entspricht, das in 5a gezeigt wird, während aufgrund des Vorhandenseins der Germaniumdotierung das Profil der Lichtempfindlichkeit außerdem so bleibt, wie es in 5b gezeigt wird. Unter diesen Bedingungen kann man tatsächlich einen Filtrierabschnitt L herstellen, wie er unten in 2 gezeigt wird, bei dem sich das Gitter des Brechungsindexes über die gesamte oder einen Teil der Umhüllung 3 erstreckt.

In der Erfindung hat man somit den Kernradius fiktiv erhöht, indem er mit fünf (Durchgang von 4 &mgr;m bis 20 &mgr;m) multipliziert wurde. Daher wird die Filter-Trennschärfe größer, wobei eine akzeptable Länge beibehalten wird.

Im Hinblick auf eine Verbesserung zeigt 6a ein Profil des Brechungsindexes, das in der optischen Faser hergestellt werden soll. Der Kern 5 der Faser ist daher dotiert, so dass man einen Brechungsindex n+ erreicht, beispielsweise einen Wert zwischen 1,448 und 1,452. Im Innenteil 22 der Umhüllung 3 (in dem bevorzugten Beispiel entspricht der Innenteil 22 der gesamten Umhüllung) hat man das Material außerdem mit Germanium und mit Fluor (oder einem anderen Dotierungsmittel, das dieselben Wirkungen besitzt) dotiert. Die gewünschte Wirkung besteht darin, dass der normale Brechungsindex des Quarzglases verändert wird. Dies kann in dem Teil 22 der Umhüllung 3 der optischen Faser beispielsweise zu einem Brechungsindex n– in der Größenordnung von 1,440 bis 1,446 führen. Eine Erhöhung 23 des Brechungsindexes, die somit bei der Trennung Kern 5 / Umhüllung 3 durchgeführt wird, entspricht dann n+ – n–. Bei einem erhöhten Durchmesser der Umhüllung 3 – beispielsweise 20 &mgr;m – kann man davon ausgehen, dass es sich bei dieser Erhöhung des Brechungsindexes um eine Erhöhung des Brechungsindexes handelt, die für eine Monomode-Ausbreitung erforderlich ist. Wir werden nachfolgend sehen, wie diese verschiedenen Faktoren dazu dienen, den erfindungsgemäßen Filter zu verbessern. Insbesondere, nachdem man den Durchmesser des Teils der Umhüllung gewählt hat, die mit Germanium dotiert wurde, um die vorgegebene Breite des Filters zu erfüllen, hat man nach dem optimalen Wert für die Erhöhung des Brechungsindexes An gesucht, damit die Hülle der Filtrierung so glatt wie möglich ist. Bei einem Kerndurchmesser von 8 &mgr;m hat man beispielsweise festgestellt, dass eine Erhöhung des Brechungsindexes von 5.10-3 (1,449-1,444) am besten wäre. Mit den verschiedenen Dotierungsmitteln für die Umhüllung wird diese Erhöhung in dem Bereich 22 eingestellt.

6b zeigt ein Profil der Lichtempfindlichkeit, das in der Faser hergestellt wurde. Dieses Profil der Lichtempfindlichkeit wird mit 1 genormt. Dieser genormte Wert entspricht einer gegebenen Konzentration an lichtempfindlichem Dotierungsmittel, das auf verschiedene Stellen der Faser verteilt ist, sowie einem Verfahren, das jeder Faser zur Belichtung des lichtempfindlichen Materials gemeinsam ist. 6b ist also alles in allem repräsentativ für die Konzentration des lichtempfindlichen Dotierungsmittels in den verschiedenen Teilen der Faser. Sie zeigt eine Umkehrung der Lichtempfindlichkeit, wobei die äußeren Teile der Faser lichtempfindlicher sind als die inneren Teile.

Im Stand der Technik, der in dem oberen Teil von 2 wiedergegeben ist, war nur das Material 2 für den Faserkern mit lichtempfindlichem Material dotiert. Dies ist in 6b beispielsweise mit den Linien 24, 25 und 26 wiedergegeben, die die Höhe der Konzentration an Dotierungsmittel (Germanium) angeben, und die Grenzen an den X-Achsen (bei 4 &mgr;m zu beiden Seiten der Kernmitte 5) an der Stelle, an der das Dotierungsmittel eingebracht wurde. In der Erfindung wird im wesentlichen eine Erhöhung 27 der Lichtempfindlichkeit erzeugt, welche die Besonderheit besitzt, dass ein innerer Teil der Faser, hier beispielsweise der Kern 5, einen Lichtempfindlichkeitsindex (also eine Konzentration veränderbarem lichtempfindlichem Material) besitzt, der niedriger ist als ein Lichtempfindlichkeitsindex eines äußeren Teils, beispielsweise der inneren Schicht 22 der Umhüllung. Das Profil der Lichtempfindlichkeit ist also umgekehrt.

Die Erhöhung 27 impliziert also, dass in der Schicht 22 der Umhüllung lichtempfindliches Material vorhanden ist. Um nun die Verschiebung der Erhöhung 23 des Brechungsindexes über den Kern 5 hinaus zu verhindern, ist vorgesehen, dass die Auswirkungen der Dotierung mit lichtempfindlichem Material auf den Brechungsindex in dem Teil 22 durch eine Dotierung mit einem Material kompensiert werden, das aus dieser Sicht eine gegenteilige Wirkung hat: beispielsweise mit Fluor. Unter diesen Umständen ist es möglich, dass die Erhöhung 27 in dem Teil 22 der Umhüllung entlang den Pfeilen 28, 29 (symmetrisch) über die Erhöhung 22 hinaus verschoben wird. Selbst wenn sich die Grenze 27 der Germaniumdotierung nicht an der Stelle 23 des Überganges Kern/Umhüllung befindet, verhindert sie dann nicht die ordnungsgemäße Führung der optischen Faser, da die Erhöhung des Brechungsindexes 23 an derselben Stelle aufrechterhalten wird.

Anstatt die umgekehrte Erhöhung 27 der Lichtempfindlichkeit in der Umhüllung 3 zu verschieben, kann vielmehr ein Faserkern 5hergestellt werden, der in einem äußeren Teil, insbesondere einem Kranz 30, eine Nennkonzentration an lichtempfindlichem Material besitzt, doch in einem mittleren Teil 31 des Kerns 5 weniger oder sogar überhaupt kein lichtempfindliches Material besitzt. Es ist nicht schwierig, dies herzustellen, da in der Praxis die Materialien 2 und 3 des Kerns und der Umhüllung aus 1 selbst in Form von konzentrischen Kränzen hergestellt werden, die mit unterschiedlichen Materialien realisiert werden können. Die Besonderheit der Erfindung liegt hier also in der Tatsache, dass der mittlere Teil 31 des Kerns 5 mit einem Dotierungsmittel ausgestattet wird, das zu der Erhöhung 23 des Brechungsindexes beiträgt (beispielsweise Phosphor), aber in diesem Teil nicht oder weniger zu dem Lichtempfindlichkeitsindex beiträgt.

Durch Kombination der beiden Techniken kann die Erhöhung des Lichtempfindlichkeitsindexes durch eine doppelte Erhöhung 27-32 der Lichtempfindlichkeit ersetzt werden. In diesem Fall weist das Lichtempfindlichkeitsprofil eine Treppe 33 auf. Mit den relativen Stärken der Lichtempfindlichkeit x und y sowie den X-Achsen der Erhöhungen 27 und 32 lässt sich ein weiter Bereich an Einstellungen und Auswahlmöglichkeiten für verschiedene Filterparameter öffnen. In 6b ist y gleich 0, doch dies muss nicht der Fall sein. Durch Umkehrung von 6b erhält man das gewünschte Ergebnis, dass der Rückprall der Restreflexion der Hauptschwingung in dem Filter neutralisiert wird.

7a zeigt bei einem Filter, bei dem die Brechungsindexveränderungen um 3° geneigt sind, und die Länge L des Filtrierabschnittes gleich 0,7 mm beträgt, die charakteristische Filtrierkurve, während es sich um einen klassischen Lichtempfindlichkeitsindex (mit einer nominalen Lichtempfindlichkeit 24 in dem Kern der Umhüllung) handelt. In diesem Fall erhält man die Filtrierung durch eine Dämpfungsspitze 34, die sich aus der Kopplung der Hauptschwingung in Hüllschwingungen ergibt, und zwar hier bei einer Mittenfrequenz, die im wesentlichen einer Wellenlänge von 1558,2 nm entspricht.

7a zeigt, dass der auf diese Art und Weise hergestellte Filter neben der gewünschten Spitze 34 eine Reflexion 35 in der bei f0 zentrierten Grundschwingung in der Größenordnung von 1562,2 nm hervorruft. Je mehr die Dämpfung 34 gewünscht wird, umso schädlicher ist tatsächlich die Spitze 35. Es kann also sein, dass sich die Dämpfungsfrequenz 35 bei einer bestimmten Anwendung in der Mitte eines zu übertragenden Bandes befindet. In diesem Fall wäre die unbeabsichtigte Intervention der Dämpfung 35 ein großer Nachteil.

In 7b wird die wesentliche Verbesserung durch die Erfindung gezeigt: der Wegfall der Reflexionsspitze 35. Außerdem kann der Filtrierfaktor mit einem solchen Filter 0,7 dB betragen, während er mit dem Filter von 7a in 4dB gipfelt. Wenn also in der Erfindung eine starke Dämpfung erforderlich ist, platziert man in der Faser mehrere Filterabschnitte 17 in ausreichendem Abstand nebeneinander und führt jeweils einen geglätteten Anteil der Filtrierung herbei.

Nach einer weiteren Verbesserung der Erfindung wurde schließlich klar, dass man sogar ein Optimum erreicht hat, als man bestimmte Herstellungsparameter beibehalten wollte, um die Grundschwingung der Reflexion 35 zu beseitigen, die sich am Rand des Filtrierbandes des Filters zu Niederfrequenzen hin befindet.

In der Erfindung hat man zeigen können, dass das Erreichen eines Optimums jedes Mal möglich war, und zwar unabhängig von den Parametern n+, n–, x, y, X-Achse 27 oder X-Achse 32, die verändert wurde, und unabhängig von der Höhe der Konzentration an Dotierungsmittel entsprechend der Nennkonzentration (nominale Menge 1) und dem festgelegten Grad der Veränderung.

Die Methode für die Auswahl der Parameter der Faser ist die folgende. Zunächst wird die Breite der Zone 22 ausgewählt, um die Vorgaben für die Breite der Filtrierung zu erfüllen. Anschließend wird eine Erhöhung für den Brechungsindex &Dgr;n ausgewählt, um einen Filter zu erhalten, der ungefähr symmetrisch ist. Dann wird die Höhe der Umkehrung eingestellt, um den Rückprall 35 zu eliminieren. Danach wird die Länge des Abschnittes 17 ausgewählt, um die Glättung abzuschließen. So kann ein nicht reflektierender, dämpfender Filter einer Spektralbreite von 9 nm mit einem Brechungsindex-Gitter einer Neigung von 3° in einer Faser mit einer lichtempfindlichen Umhüllung einer Stärke von 20 &mgr;m realisiert werden. Für die Form des Filters konnte bei einer Erhöhung des Brechungsindexes von 5.10-3 ein Optimum gefunden werden. Was das Lichtempfindlichkeitsprofil betrifft, wurde dann ein Optimum gefunden, um die Reflexion in der Grundschwingung zu reduzieren. Bei diesem Optimum handelt es sich um ein Lichtempfindlichkeitsverhältnis zwischen dem Kern und der Umhüllung von 20 %. Bei anderen gewünschten Filtrierfunktionen kann es zwischen 10 % und 60 % liegen.

7b entspricht somit dem Fall von 6b, in der es keine Zone 31 gibt, und in der der Wert von × 20 % beträgt. In diesem Beispiel liegt die Germaniumkonzentration in der Umhüllung in der Größenordnung von einem Massenanteil von 5 %. Sie hat also einen Massenanteil von 1 % in dem gesamten Kern 5 der Faser.


Anspruch[de]
Filtrierende Glasfaser mit Bragg-Gitter, einen Faserkern (5) aufweisend, der mit einem Material mit einem durch Photoneneffekt veränderbaren Brechungskoeffizienten dotiert ist, und eine Faserhülle (3), wobei ein Längsabschnitt der Faser ein Längsgitter periodischer Indexveränderungen aufweist, die das besagte Bragg-Gitter bilden, wobei die besagten Veränderungen derart geneigt sind, dass mit ihnen die sich im Kern/in den Kernen der Faser (5) in eine bestimmte Richtung ausbreitende Grundschwingung an Strahlungsschwingungen, auch Hüllschwingungen genannt, koppeln können, die sich in der Hülle (3) in entgegengesetzter Richtung ausbreiten, wobei die besagte Faser dadurch gekennzeichnet ist, dass die Länge des besagten Abschnitts, der das besagte Längsgitter geneigter periodischer Indexveränderungen aufweist, kleiner ist als 1 Millimeter. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 20 die Länge des besagten Längsabschnitts 0,7 Millimeter beträgt. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle ebenfalls mit einem Material mit einem durch Photoneneffekt veränderbaren Brechungskoeffizienten dotiert ist, und dadurch, dass dieses Hüllmaterial ebenfalls in ein Längsgitter periodischer geneigter Indexveränderungen verändert wird. Faser nach. einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material zur Dotierung des Kerns und/oder der Hülle Germanium ist, wobei die Veränderung durch selektive Isolierung (7, 8) dieses Materials erfolgt. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Hülle mit einem den Brechungskoeffizienten korrigierenden Material dotiert ist. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer Teil der Faser einen Lichtempfindlichkeitskoeffizienten aufweist, der unter dem Lichtempfindlichkeitskoeffizienten eines äußeren Teils zu diesem inneren Teil liegt, vorzugsweise in einem Verhältnis in der Größenordnung von 20 %. Faser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der innere und äußere Teil jeweils im Kern und in der Hülle der Faser platziert sind. Faser nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der innere und äußere Teil im Kern der Faser platziert sind.






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