DE69030077T2

DE69030077T2 - Methode zur Herstellung einer eine reflexionsarme faseroptische Verbindung enthaltenden optischen Vorrichtung

Info

Publication number: DE69030077T2
Application number: DE69030077T
Authority: DE
Inventors: Greg E Blonder; Bertrand H Johnson; Carl R Paola
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1990-02-13
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2010-12-08
Also published as: JP2948334B2; EP0442202B1; EP0442202A2; JPH04213411A; DE69030077D1; US5048908A; EP0442202A3

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Faserkommunikation. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Einrichtung, welche eine optische Faserverbindung oder -anschlüsse mit niedriger Reflexion umfaßt.

Hintergrund der Erfindung

Viele optische Faserkommunikationssyteme umfassen Halbleiterlaser-Strahlungsquellen. Der Betrieb von vielen derartigen Lasern kann nachteilig beeinflußt werden, wenn reflektierte Strahlung auf den Laser auftreffen kann. Dies trifft besonders für Laser mit hoher Leistungsfähigkeit wie beispielsweise einmodige Laser mit nur einer Frequenz zu, welche in einigen aktuellen oder vorgeschlagenen Faserübertragungssystemen mit hoher Bitrate verwendet werden. Beispielsweise müssen Reflexionen auch in bidiretionalen gerichteten Faser-Datenübertragungsstrecken und in analogen Mehrkanal-Faser-Kommunikationssystemen gesteuert werden. Die Steuerung der Reflexionen ist somit ein wichtiger Gesichtspunkt. Siehe beispielsweise R. Rao et al., Electronic Letters, Band 22 (14), Seiten 731 - 732 (1986).
Ein bekanntes Verfahren um zu verhindern, daß ein bedeutender Betrag von reflektierter Leistung einen Laser erreicht, umfaßt das Polieren eines Faserendes derart, daß die resultierende Endfläche in Bezug zur Faserachse (eben da) geneigt ist, wie schematisch in Fig. 1 veranschaulicht ist. Der Bezugsartikel von Rao zeigt die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel der Faserendfläche und der reflektierten Leistung. Beispielsweise beträgt die reflektierte Leistung bei einem Neigungswinkel von 3º etwa -35 db und bei 5º etwa -45 db.
Fig. 1 zeigt den relevanten Abschnitt einer Faserverbindung 10 zwischen einer ersten Faser 11 und einer zweiten Faser 12. Die Strahlung 13 aus einer Laserquelle pflanzt sich zur Verbindung fort, wobei typischerweise ein großer Teil der Strahlungsenergie in die zweite Faser eintritt und sich von der Verbindung weg ausbreitet, wie durch den Pfeil 14 angedeutet ist. Die Endflächen der Fasern sind derartig poliert, daß eine gegebene Endfläche einen Neigungswinkel φ (vorzugsweise φ ≥ 5º) relativ zur Faserachse besitzt. Wie immer für den Fall, daß Strahlung auf eine Unstetigkeit des Brechungsindexes trifft, wird ein Teil (15) der Strahlung an der ersten Faserendfläche reflektiert und ein Teil 16 der Strahlung durch die Endfläche übertragen und trifft auf die zweite Faserendfläche auf, wobei ein Teil 17 reflektiert und ein Teil 14 in der zweiten Faser geführt wird. Wie angedeutet, kann für ein geeignet gewähltes φ die Strahlung 15 nicht durch die Faser 11 geführt werden und tritt aus der Faser aus. Weiterhin kann bei einem geeignet gewählten Neigungswinkel die Strahlung 17 nicht in den Kern der Faser 11 eintreten.
Wie schematisch durch Fig. 2 veranschaulicht, sind Faser-zu- Faserverbindungen nicht die einzigen Faserverbindungen, welche eine geneigte Faserendfläche nach dem Stand der Technik umfassen können. Die Figur zeigt eine Verbindung 20, welche einen Halbleiterlaser 21 umfaßt, wobei die Strahlung 23 aus einem aktiven Bereich 22 emittiert und durch die sphärische Linse 24 auf die geneigte Endfläche der Faser 26 fokusiert wird. Ein Teil 27 der einfallenden Strahlung 25 wird an der Endfläche reflektiert und ein Teil 28 pflanzt sich in geführter Art und Weise von der Verbindung 20 weg zu einer nicht dargestellten Nutzungseinrichtung fort. Wenn der Neigungswinkel der Endfläche geeignet gewählt ist, wird die reflektierte Strahlung 27 nicht auf 22 fokusiert und stört somit nicht den Betrieb des Systems.
Die obigen Ausführungsformen von Faserverbindungen, welche wenigstens eine solche geneigte Endfläche umfassen, um Reflexionen wesentlich zu vermindern, sind nur beispielhaft. Andere Ausführungsformen sind bekannt und noch andere können in Zukunft entwickelt werden. Wie Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, sind nicht alle reflektierten und/oder gebrochenen Strahlen in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
Eine geneigte Endoberfläche nach dem Stand der Technik wird durch ein Verfahren hergestellt, welches das Einführen der Faser in eine Befestigungsvorrichtung umfaßt, die eine geeignet geneigte polierte Oberfläche derart besitzt, daß sich das Faserende über die polierte Oberfläche hinaus erstreckt, möglicherweise das Brechen der Faser, und das Entfernen des Teils der Faser, welcher sich über die polierte Oberfläche hinaus erstreckt, durch ein typischerweise herkömmliches Polierverfahren.
Obwohl das Verfahre des Herstellens einer geneigten Endoberfläche nach dem Stand der Technik durch Polieren wirkungsvoll Reflexionen verhindert, weist es Nachteile auf. Unter diesen sind die beträchtlichen Kosten, die Möglichkeit einer Sub-Oberflächenschädigung, eines Faserbruchs und einer Verunreinigung.
DE-U offenbart eine Spaltvorrichtung für optische Fasern mit einer Einrichtung zum Verdrehen einer geraden Faser, die nicht unter Zugspannung steht.
JP-A-57/24903 offenbart das Spalten einer gekrümmten Faser, die unter Zugspannung steht und an die ein Drehmoment angreift. Im Hinblick auf diese Nachteile ist es wünschenswert, ein Verfahren zum Herstellen einer geneigten Endoberfläche zur Verfügung zu haben, welche nicht den Unzulänglichkeiten des Verfahrens nach dem Stand der Technik ausgesetzt ist. Dieses Patent offenbart ein derartiges Verfahren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 und 2 stellen schematisch beispielhafte optische Faserverbindungen mit niedriger Reflexion nach dem Stand der Technik dar;
Fig. 3 zeigt schematisch eine beispielhafte Vorrichtung, die verwendet werden kann, um das Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen;
Fig. 4 zeigt schematisch eine durch das Verfahren gemäß der Erfindung erhaltene gespaltene, geneigte Faserendfläche;
Fig. 5 gibt die beobachtete Beziehung zwischen dem normalisierten Verdrehungswinkel und dem normalisierten Neigungswinkel für einen besonderen Satz von experimentellen Bedingungen wieder; und
Fig. 6 veranschaulicht schematisch eine optische Einrichtung unter Verwendung gespaltener, geneigter Faserendflächen, wie sie mit dem Verfahren gemäß der Erfindung gebildet werden.
Die Erfindung stellt ein Verfahren, wie in Anspruch 1 definiert, bereit.
Es wurde festgestellt, daß eine geeignet geneigte Faserendoberfläche durch ein verbessertes Spaltverfahren hergestellt werden kann. Wenn eine Faser mit einer derart hergestellten geneigten Endoberfläche Teil einer Faserverbindung ist, kann die reflektierte Strahlung, welche durch die Faser geführt wird, auf einem sehr kleinen Bruchteil der einfallenden Strahlung gehalten werden, beispielsweise kleiner als etwa -35 db, vorzugsweise kleiner als -45 db. Das verbesserte Spaltverfahren kann preiswert ausgeführt werden und führt typischerweise nicht zu einer bedeutenden Sub-Oberflächenschädigung, einem unbeabsichtigten Faserbruch oder einer Faserverunreinigung. Die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert.
Somit ist die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Einrichtung (z.B. ein Kommunikationssystem), welches eine optische Faserverbindung mit niedriger Reflexion umfaßt, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: das Bereitstellens einer Strecke einer optischen Faser umfaßt, das Formen eines ersten Endes der optischen Faser derart, daß eine geneigte Faserendfläche resultiert, das Einbringen des ersten Endes der optischen Faser in die optische Faserverbindung und das Vervollständigen der Herstellung der Vorrichtung (beispielsweise umfassend derartige Schritte wie Koppeln eines Lasers an ein Ende des Faserübertragungspfades, welcher die Strecke der optischen Faser und die Faserverbindung, und/oder Koppeln eines Detektors an das andere Ende umfaßt).
In bedeutsamer Weise umfaßt der Schritt des Formens des ersten Endes das Aufbringen eines Drehmomentes an die optische Faser an oder in der Nähe des ersten Endes der Faser derart, daß ein Ende eines Abschnittes der optischen Faser über einen vorbestimmten Verdrehungswinkel θ relativ zu dem anderen Ende des Abschnittes verdreht ist, und umfaßt ferner das Spalten der optischen Faser an einem Punkt entlang des Abschittes der optischen Faser. Der Verdrehungswinkel ist derart ausgewählt, daß die resultierende geneigte Endfläche einen Nenneigungswinkel φ der geeigneten Größe besitzt, beispielsweise 3º < φ < 20º, vorzugsweise φ ≥ 5º. Eine Zugkraft wird auch an die Faser derart angelegt, daß der verdrehte Abschnitt der Faser unter Zugspannung steht.
Wir haben herausgefunden, daß eine vorhersagbare Beziehung zwischen dem Nenneigungswinkel einer gemäß der Erfindung hergestellten Faserendfläche und dem Verdrehungswinkel der Faser besteht, vorausgesetzt andere Variablen (beispielsweise derartige Parameter wie Faserdicke und die an die Faser angelegte Zugkraft) werden im wesentlichen konstant gehalten. Wie erwartet, sind die gemäß der Erfindung hergestellten Endflächen typischerweise nicht eben, sondern statt dessen etwas gekrümmt, typischerweise wie schematisch in Fig. 4 veranschaulicht, näherungsweise in einer schraubenförmigen Art und Weise. Die Figur zeigt eine optische Faser 40, welche eine Achse 41 und eine geneigte und etwas gekrümmte Endfläche 42 besitzt. Der Nenneigungswinkel φ wird als das Komplement des Winkels zwischen der Faserachse und einer gedachten Linie 43 definiert, welche zwischen den zwei Extrempunkten der Endfläche verläuft, d.h. zwischen den Punkten 45 und 46. Die Figur zeigt auch den Faserkern 44, dessen Durchmesser typischerweise nur ein kleiner Bruchteil des Faserdurchmessers ist. Beispielsweise besitzt eine weit verbreitet verwendete einmodige Faser einen Kerndurchmesser von etwa 8 µm und einen Faserdurchmesser von etwa 125 µm.
Die gemäß dem erfinderischen Verfahren geformte Faser kann im wesentlichen in allen Fällen die Faser nach dem Stand der Technik mit geneigter Endfläche ersetzen, was zu beträchtlich verminderten Kosten und anderen Vorteilen führt. Somit könnten die schematischen Fig. 1 und 2 durch das Verfahren der Erfindung erhaltene Faserverbindungen zeigen, falls die geneigten Faserendflächen nicht wie gezeigt polierte Endflächen wären, sondern statt dessen gemäß dem verbesserten Spaltverfahren gespalten wären.
Genau genommen ist der relevante Neigungswinkel der dem Kernabschnitt der Faserendfläche zugeordnete Neigungswinkel. Dieser "Kernabschnitt"-Neigungswinkel ist jedoch verhältnismäßig schwierig zu bestimmen. Für die hier betrachteten relativ kleinen Nenneigungswinkel ist in jedem Fall die Differenz zwischen dem (leicht meßbaren) Nenneigungswinkel und dem Kernbereich-Neigungswinkel typischerweise klein.
Fig. 3 zeigt schematisch eine beispielhafte Vorrichtung zur Ausführung der Erfindung umfassend eine herkömmliche Spalteinrichtung 30 und eine Einrichtung 36 zum Vermitteln einer Verdrehung an einen Endabschnitt der Faser 31. Die Faser ist in einer ersten Halteeinrichtung 32 festgeklemmt und das Ende der Faser wird in einem Ring 37 gehalten, der selbst drehbar in einer Trägereinrichtung 38 gehalten wird. Nach dem Drehen des Rings um einen Winkel θ um die Faserachse durch eine nicht gezeigte Einrichtung, wird die zweite Halteeinrichtung 34 verwendet um die Faser in der Lage festzuklemmen und eine geeignete Zugkraft (typischerweise im Bereich von 50 - 300 gm, was zu einer Zugspannung in einer 125 µm Faser im Bereich von 4200 - 25000 gm/mm² führt) an den Abschnitt der Faser zwischen 32 und 34 anzulegen. Eine Anlegeeinrichtung 35 wird verwendet, um eine wesentliche laterale Bewegung der Faser zu verhindern wenn das Spaltwerkzeug 33 in Kontakt mit der Faser gebracht wird. Wahlweise ist das Spaltwerkzeug ein Ultraschall-getriebenes und/oder ein erhitztes nach bekannter Art und die Anlegeeinrichtung umfaßt ein halbelastisches Kontaktmaterial, beispielsweise Silikongummi. Andere Kontaktmaterialien, sowohl weniger steife als auch steifere können auch verwendet werden. Für die hier interessierenden verhältnismäßig kleinen Verdrehungswinkeln ist der Verdrehungswinkel am Spaltpunkt (x&sub2;θ)/x&sub1;, wobei x&sub1; und x&sub2; die angegebenen Abstände zwischen der Halteeinrichtung 32 und dem Ring 37 bzw. dem Spaltwerkzeug 33 sind.
Die Beziehung zwischen dem Verdrehungswinkel θ und dem resultierenden Nenneigungswinkel φ kann leicht für eine gegebene Kombination von Faser und Spaltvorrichtung bestimmt werden. Beispielsweise wurde die Kurve der Fig. 5 unter Verwendung des Spalt-Aufbaus einer geeignet veränderten kommerziell verfügbaren Faserspliceeinrichtung (York FK-11) mit einer aufgebrachten Zugkraft von etwa 200 gm für eine herkömmliche, auf Silika oder Quarz basierende einmodige, 125 µm optische Faser erreicht. Die Vorrichtung war im wesentlichen wie die schematisch in Fig. 3 gezeigte, wobei x&sub2;:x&sub1; etwa 0,1 und x&sub1; 10 cm betrug. Somit entspricht θ = 90º einer Verdrehung von etwa 9º auf der Spaltseite, welche typischerweise etwa 1 - 2 cm von der Halteeinrichtung 32 liegt. Für x&sub2;:x&sub1; = 0,1 führt ein gegebener Verdrehungswinkel θ (wie hier verwendet) zu einer Verdrehung pro Einheitslänge der Faser von θ/10 Grad/cm, wobei dieser Parameter, auf den als "normalisierter" Verdrehungswinkel Bezug genommen wird, in Fig. 5 angegeben ist.
Fig. 6 zeigt schematisch einen Abschnitt einer beispielhaften, durch das Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten optischen Einrichtung. Insbesondere wird ein Anschluß eines beidseitig gerichteten Datenübertragungssystems gezeigt, welches eine Einzelfaser- Fernnetzverbindung 67 umfaßt, um gleichzeitig optische Signale in beide Richtungen zu übertragen. Eine Faserverbindung 60 dient zum Koppeln des Arms 64 des Dividierers 66 an den Laser 61 und umfaßt wahlweise eine Fokusiereinrichtung 62. Der Endabschnitt der optischen Faser 64 umfaßt eine nach dem Verfahren der Erfindung gebildete gespaltene, geneigte Endoberfläche. Der Anschluß umfaßt auch eine Nutzungseinrichtung, beispielsweise einen Detektor 63, welcher durch eine herkömmliche Faserverbindung 70 an den anderen Arm (65) des Dividierers 66 gekoppelt ist, welcher selbst mittels einer nach dem Verfahren der Erfindung gebildeten Verbindung 80 an die Fernnetzverbindungsfaser 67 des Kommunikationssystems gekoppelt ist. Ein Anschluß, im wesentlichen ähnlich dem gezeigten Anschluß, ist mit dem entfernt gelegenen Ende von 67 verbunden. Das Vorhandensein der Verbindung 60 mit niedriger Reflexion verhindert, daß irgendeine Ausgangsstrahlung des Lasers 61 in den Laser zurückreflektiert wird, während die Verbindung 80 sicherstellt, daß Strahlung aus dem Laser 61 nicht zurück in den Detektor 63 reflektiert wird.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen einer optischen Einrichtung, die eine optische Faserverbindung (60, 80) mit niedriger Reflexion umfaßt, wobei das Verfahren umfaßt:

a) Bereitstellen einer Strecke einer optischen Faser (31),

b) Formen eines ersten Endes der optischen Faser derart, daß sich eine geneigte Faserendfläche (42) ergibt,

c) Einbringen des ersten Endes der optischen Faser mit deren geneigter Endfläche in die optische Faserverbindung, und

d) Vervollständigen des Erzeugens der optischen Einrichtung,

wobei der Schritt b) umfaßt:

Aufbringen eines Drehmomentes auf die optische Faser bei oder nahe von deren erstem Ende derart, daß ein Ende eines Abschnitts der optischen Faser nahe dem ersten Ende um einen vorbestimmten Verdrehungswinkel θ relativ zu dem anderen Ende des Abschnitts, welches dem ersten Ende entfernt gelegen ist, verdreht wird, Aufbringen einer vorbestimmten axialen Zugkraft auf die Faser derart, daß der verdrehte Abschnitt der optischen Faser unter axialer Zugspannung steht ohne in eine gekrümmte Form gebogen zu werden, wobei die Zugspannung höher als ungefähr 4200 gm/mm² ist und Kontaktieren des verdrehten geraden unter Zugspannung stehenden Abschnitts der Faser mit einer Spalteinrichtung (33), derart, daß sich die Faser bei einem Punkt entlang des Abschnitts der optischen Faser trennt, wobei der Wert von θ derart ausgewählt ist, daß die geneigte Endfläche, die nach der Trennung erhalten wird, einen Nennneigungswinkel φ in Bezug auf die normale der Faserachse im Bereich von 3º bis 20º hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Bereitstellen einer Anlegeeinrichtung (35), die die Faser während des Schritts des Trennens gegen die Spalteinrichtung (33) zwingen kann.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Spalteinrichtung ein ultraschallgetriebenes und/oder erhitztes Spaltmesser umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die zu erzeugende optische Einrichtung einen Halbleiterlaser (61) umfaßt und bei welchem die Faserverbindung (60, 80) eine optische signalübertragende Verbindung (60) zwischen dem Laser und der Strecke der optischen Faser umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die zu erzeugende optische Einrichtung einen Halbleiterlaser (61) umfaßt und bei welchem die Faserverbindung (60, 80) eine optische signalübertragende Verbindung (80) zwischen der Strecke der optischen Faser und einer weiteren Strecke (67) der optischen Faser umfaßt.