SE519224C2 - Optiskt arrangemang - Google Patents

Description

lO 20 25 30 35 519 224 . ....

. . . . H U ;: . .... _ _ .. 2 hela vàgledaren. Speciellt kommer ljusets intensitetsför- delning vara väldefinierad längs hela vàgledaren. Detta är ytterst viktigt för àstadkommande av en förutsägbar funktion hos vágledarbaserade komponenter.

För att öka överföringskapaciteten hos en optisk vàgledare utnyttjar man gärna flera separata kanaler, där varje kanal utgörs av en specifik ljusvàglängd. Denna teknik benämns vanligen vàglängdsmultiplexerad överföring eller WDM (flavelength Division Multiplexing). Vid WDM är det således önskvärt att kunna lägga till respektive tap- pa av enskilda kanaler, d v s enskilda ljusvàglängder, till och fràn vàgledaren.

En välkänd teknik för vàglängdsselektiv ändring av utbredningsriktningen hos ljus utnyttjar optiska fasgit- ter. Ett optiskt fasgitter är en struktur av väsentligen periodiskt varierande brytningsindex i ett optiskt trans- parent medium. När ljus infaller mot ett optiskt fasgit- ter reflekteras en liten del av det infallande ljuset av (period). Dà ett flertal gitterele- ment är anordnade efter varandra varje gitterelement (d v s ordnade i ett fasgitter) kommer det totala reflekterade ljuset att ut- göras av summan av alla dessa enskilda reflektioner. Den andel av det infallande ljuset som reflekteras av varje gitterelement beror pà djupet (amplituden) i fasgittrets brytningsindexmodulation, d v s pà brytningsindexskillna- den i gitterelementen. Ju större denna modulation är des- to större andel av det infallande ljuset reflekteras av varje gitterelement. Om det ljus som infaller mot ett fasgitter har en utbredningsriktning som är väsentligen vinkelrät mot gittret, d v s mot gitterelementens normal, sägs gittret verka i braggdomänen och vara ett braggit- ter. Som en följd av det vinkelräta infallet kommer lju- set att reflekteras tillbaka väsentligen parallellt med infallsriktningen (d v s med motsatt utbredningsrikt- ning). Det ljus som reflekteras fràn respektive gitter- element kommer således att överlappa ljus som reflekteras fràn varje annat gitterelement, varvid interferens upp- 10 15 20 25 30 519 224§J= . 3 stàr. I en monomodvàgledare kommer samtliga reflektioner inom en viss vinkelkon att koppla till den enda mod (ut- bredningsriktning) som vàgledaren medger. För den vàg- längd där dessa reflektioner är i fas uppstår konstruktiv interferens och trots att varje gitterelement endast ger en reflex med làg intensitet kommer en substantiell re- flektion att erhållas för denna våglängd av gittret som helhet. Denna våglängd, vid vilken en substantiell re- flektion erhålles fràn gittret som helhet, benämns bragg- vàglängden Äbragg och ges (vid vinkelrätt infall) av Ä =2nA bragg där n är medelvärdet av brytningsindex och A är fasgit- trets period. Reflektansen för braggvàglängden ges av R =ranh21 bragg där L är braggittrets längd i ljusets utbredningsriktning och K definieras som 4flAn K: Ä där An är amplituden hos brytningsindexmodulationen. Ef- tersom brytningsindexmodulationen An typiskt är liten (1O'5 - lO'3) kan uttrycket för reflektansen ovan serie- utvecklas, varigenom man ser att reflektansen approxima- tivt är proportionell mot kvadraten pà An.

Om ljusets infallsvinkel mot fasgittret inte är vin- kelrätt, d v s om gitterplanen är snedställda, kommer inte ljuset att reflekteras tillbaka i infallsriktningen.

Genom användning av ett snedställt gitter, eller lutande (”blazed”) kärna. Pà liknande sätt kan ljus kopplas in till vägleda- gitter, kan ljus kopplas ut fràn vàgledarens rens kärna med hjälp av ett lutande gitter. 10 20 25 30 35 > . n. - n u n . , ,' sfl. I". o» u o n u .

I I I o o u , . o po ua o o v. g. .u n. ., . _ 3.: ... u a ... v u o ua u o n y ""' ' ø n ' ' I I nu un n' , I | n o o a - . .- 4 I US-5 042 897 (Meltz et al.) beskrivs en an- ordning för utkoppling av ljus från en vågledare med (lutande) som har gitterelement (brytningsindexvariationer) hjälp av snedställda gitter, d v s fasgitter vars plan skär vàgledarens utbredningsaxel under en vinkel som är skild från 90 grader. Den vinkel i vilken ljuset kom- mer att kopplas ut från vågledaren bestäms dels av git- terelementens snedställningsvinkel relativt vàgledarens utbredningsaxel (det transversella fasmatchningsvillko- ret), dels av våglängden (det longitudinella fasmatch- ningsvillkoret). De snedställda gitterelementen fungerar som små, nästan helt genomskinliga, speglar. Speglarnas (gitterelementens) diameter är väsentligen lika med den vägledande strukturens diameter. I exempelvis en singel- modfiber utgörs den vägledande strukturen av fiberns kär- na, som vanligen har en diameter på omkring 10 mikrometer. Eftersom denna diameter inte är mycket större än ljusets våglängd kommer speglarna (gitterele- menten) att orsaka diffraktion för det reflekterade lju- set. Det reflekterade ljuset kommer därför att spridas i en kon kring den vinkel som definieras av gitterelemen- tens snedställningsvinkel. Det transversella fasmatch- ningsvillkoret ger att denna vinkel är omkring dubbla snedställningsvinkeln. Eftersom gitterelementen reflekte- rar ljus som delvis överlappar kommer en viss våglängd att ge upphov till konstruktiv interferens endast om lju- set från varje konsekutivt gitterelement är i fas med ljuset från det föregående gitterelementet. Detta sker för en viss bestämd vinkel som ges av det longitudinella fasmatchningsvillkoret znNeflr 2717160 271' T+í'dcos(p, =ícost9g där Neff och nclad är brytningsindex för den vågledande strukturen (kärnan) respektive för substratet (manteln), varvid substratet antas, i uttrycket ovan, ha oändlig ut- 10 20 25 30 35 1 | n» n v v I o a f .". .", " ' u n» u .

I CÛ I Q Q I ' Û O, Il I O f) Q' n. .n na a 0 ...z " ' u . , , , : : o cc u n , g :":" f 0 u n - . u n | .J I n 5 sträckning, QL är utkopplingsvinkeln i manteln och Og är snedställningsvinkeln.

Ljus som kopplas ut från en vägledande kärna med hjälp av lutande gitter kommer således att uppvisa bety- dande divergens. Uppenbarligen orsakar denna divergens problem när ljuset skall behandlas vidare. Man kan exem- pelvis vilja detektera ljuset, modulera ljuset eller Följaktli- gen behövs förbättringar med syfte att undanröja detta skicka in ljuset i en annan vägledande kärna. divergensproblem.

Det skall förstås att ljusstràlar, såsom de beskrivs Det- ta innebär till exempel att strålar uppvisar en midja när i denna ansökan, skall anses vara Gaussiska strålar. de fokuseras, och att de är diffraktionsbegränsade vad avser divergens. De kännetecknande egenskaperna hos Gaussiska strålar är välkända för fackmannen.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att undan- röja, eller åtminstone mildra, divergensproblem i samband med transversell koppling av ljus till eller från en våg- ledare, såsom en optisk fiber. Detta syfte uppnås med ett arrangemang i enlighet med de bifogade patentkraven.

I en fotosensiterad fiber för gitterskrivning har kärnan vanligen en diameter på några få mikrometer (om- kring 5 pm) och manteln en diameter på mer än 100 mikro- meter (omkring 125 pm). Skillnaden i diameter mellan kär- nan och manteln är tillräckligt stor för att ljus som av- länkas ut från kärnan skall uppträda som om det kommer från en punktkälla (eller en linjekälla i fallet med dis- tribuerad avlänkning) med avseende på mantelns yttre gränsyta. Ljus som avlänkas transversell ut från fiberns kärna kommer sålunda att utbreda sig radiellt ut från det avlänkade ljuset kommer att spridas på ett solfjäderlik- kärnan. Det skall inses att, på grund av diffraktion, nande sätt fràn kärnan. Följaktligen är, när ljus från kärnan når den cylindriska gränsytan mellan manteln och 10 20 25 30 35 519 224 ¿,,¿h..~ 6 ett yttre medium, infallsvinkeln vinkelrät eller mycket nära vinkelrät. Ljuset kommer därför inte att brytas i någon märkbar utsträckning, oberoende av skillnaden i brytningsindex mellan manteln och det yttre mediet.

Föreliggande uppfinning baserar sig på insikten om att om manteln hos en optisk fiber ges en tillräckligt liten diameter, kommer ljus som avlänkas ut från fiberns (eller Istället kommer ljus som avlänkas ut kärna inte längre att uppträda som en punktkälla linjekälla) från kärnan att utbreda sig som om det kom från en dis- tribuerad källa, av ljus. om manteln har en diameter som är till- räckligt liten i förhållande till kärnans diameter. När ljuset når gränsytan mellan manteln och det yttre mediet kommer således åtminstone en del av ljuset att brytas, eftersom infallsvinkeln är större än noll, åtminstone för någon del av det avlänkade ljuset. I enlighet med uppfin- ningen utnyttjas denna effekt med syfte att erhålla en konvergerande effekt när ljus som avlänkas från fiberkär- nan passerar gränsytan mellan manteln och det yttre medi- et. Nämnda konvergerande effekt kan utnyttjas antingen för kollimering av det avlänkade ljuset utanför manteln, eller för konvergering (fokusering) av det avlänkade lju- set mot ett fokus.

Enligt föreliggande uppfinning är således ett arran- gemang innefattande en vågledare, företrädesvis en optisk fiber, med en kärna och en mantel även försedd med ett yttre medium som gränsar till manteln. I kärnan finns en avlänkare anordnad, som har till uppgift att avlänka ljus in till och ut från nämnda kärna. Brytningsindex för det yttre mediet är valt så att det skiljer sig betydligt från brytningsindex för manteln, och diametern för man- teln är sådan att ljus som kommer från kärnan kommer att ha en infallsvinkel mot gränsytan mellan manteln och det yttre mediet som är större än noll. Följaktligen bryts ljus som passerar gränsytan mellan manteln och det yttre mediet. Genom lämpligt val av brytningsindex för manteln och det yttre mediet, samt av krökning hos nämnda gräns- lO 20 25 30 35 519 224 f.=.. ' 7 yta där emellan (d.v.s. diameter hos manteln), kan ljus som kopplas ut fràn en vägledande kärna fokuseras pä ett bestämt avständ frän gränsytan. Pä liknande sätt kan ljus kopplas in till den vägledande kärnan pä ett fördelaktigt sätt genom anordnande av en ljuskälla vid eller nära nämnda fokus.

Enligt en aspekt ästadkommer föreliggande uppfinning ett optiskt kopplingsarrangemang för transversell kopp- ling av ljus ut frän en optisk vägledare, säsom en optisk fiber. Arrangemanget innefattar en avlänkare som är an- ordnad i en kärna hos den optiska vàgledaren, varvid nämnda avlänkare är anordnad att avlänka ljus i nämnda kärna i en väsentligen transversell riktning ut frän den- samma. Arrangemanget innefattar dessutom en mantel som gränsar till den vägledande kärnan, vilken mantel har ett brytningsindex som är lägre än brytningsindex för kärnan, med syfte att medge vägledning i nämnda kärna. Arrange- manget innefattar också ett yttre medium som gränsar till nämnda mantel, vilket yttre medium har ett brytningsindex som skiljer sig väsentligt fràn brytningsindex för man- teln. Dessutom är krökningen hos gränsytan mellan manteln och det yttre mediet sädan att ljus som passerar nämnda gränsyta konvergeras, och företrädesvis fokuseras pä ett bestämt avständ frän den vägledande kärnan. Vid en cy- lindrisk symmetri, säsom i fallet med en optisk fiber, uppnàs den brytande effekten hos gränsytan mellan manteln och det yttre mediet tack vare att manteln har en diame- ter som är tillräckligt liten för att ljus som kommer frän kärnan skall ha en infallsvinkel med avseende pä nämnda gränsyta som är större än noll. Såsom har beskri- vits ovan kommer kärnan inte längre att uppträda som en punkt- eller linjekälla när mantelns diameter är till- räckligt liten.

Med syfte att medge väglängdsselektiv koppling av ljus frän den vägledande kärnan, är nämnda kärna företrä- desvis även försedd med ätminstone ett plant Braggitter som ästadkommer en resonans för en bestämd väglängd. Det 10 20 25 30 35 519 224 8 plana gittret är företrädesvis överlagrat pà en lutande fasgitter utgörande avlänkaren. Följaktligen uppvisar nämnda bestämda våglängd en förhöjd effekttäthet vid nämnda resonans, varigenom avlänkningen av den resonanta våglängden ut frän den vägledande kärnan förstärks. Det är föredraget att det plana Braggittret är ett chirpat Braggitter med stor amplitud för brytningsindexmodulatio- nen, varigenom resonanser àstadkommes för olika vågläng- der i olika partier därav. Följaktligen kopplas olika vàglängder ut frän kärnan vid olika positioner av den distribuerade avlänkaren, d v.s. det lutande fasgittret.

Enligt en annan aspekt åstadkommer föreliggande upp- finning ett optiskt kopplingsarrangemang för transversell koppling av ljus in i en optisk vàgledare, sàsom en op- tisk fiber. Arrangemanget innefattar en avlänkare som är anordnad i en kärna hos den optiska vàgledaren, vilken avlänkare är anordnad att avlänka ljus in i nämnda kärna fràn en riktning som är väsentligen transversell mot ut- bredningsriktningen för ljus i den vägledande kärnan. Av- länkaren har det särdraget att den avlänkar olika vàg- längdskomponenter vid olika positioner längs densamma, varigenom arrangemanget för koppling av ljus blir vàg- längdsselektivt. Arrangemanget innefattar dessutom en mantel som gränsar till nämnda kärna, samt ett yttre me- dium som gränsar till nämnda mantel. Brytningsindex för manteln är lägre än brytningsindex för kärnan, med syfte att medge vägledning i nämnda kärna. Brytningsindex för det yttre mediet skiljer sig väsentligt fràn brytningsin- dex för manteln, och manteln har en tillräckligt liten diameter för att kärnan skall uppträda som en distribue- rad ljuskälla, varvid ljus som passerar gränsytan mellan manteln och det yttre mediet bryts, eftersom infallsvin- keln mot gränsytan mellan manteln och det yttre mediet är större än noll.

Avlänkaren utgörs företrädesvis av en distribuerad Bragg-reflektor som är snedställt i förhållande till ut- bredningsriktningen i vàgledarens kärna, varvid en sädan 10 20 25 30 35 519 224 9 distribuerad reflektor även går under benämningen lutat (”blazed”) I en föredragen utföringsform av föreliggande upp- fasgitter. finning innefattar ett optiskt kopplingsarrangemang en optisk fiber med en kärna och en mantel, varvid manteln har en tillräckligt liten diameter för att ovannämnda konvergerande effekt skall vara märkbar. Ett yttre medium omger fiberns mantel och har ett brytningsindex som skil- jer sig väsentligt från brytningsindex för manteln, var- vid ljus som passerar gränsytan mellan manteln och det yttre mediet bryts på grund av det icke vinkelräta infal- let mot nämnda gränsyta. I fiberns kärna finns ett lutat fasgitter anordnat, som har till uppgift att avlänka ljus som utbreder sig i nämnda kärna ut därifrån i en väsent- ligen transversell riktning. Kärnan är dessutom försedd med ett chirpat Braggitter som åstadkommer ett flertal resonanspartier, varvid resonanspartierna är resonanta för olika våglängdskomponenter av det ljus som utbreder sig i fiberkärnan. Dessutom har fiberns mantel en sådan diameter att ljus som avlänkas från kärnan fokuseras, ge- nom den brytande verkan hos gränsytan mellan manteln och det yttre mediet, på ett bestämt avstånd från nämnda kär- na. Tack vare närvaron av det chirpade gittret och de re- sonanser som àstadkommes av detsamma, avlänkas olika våg- längdskomponenter vid olika positioner längs nämnda git- ter. Olika váglängdskomponenter som avlänkas från fiber- kärnan bringas således till ett fokus vid olika positio- ner längs fibern. Ett arrangemang i enlighet med förelig- gande uppfinning åstadkommer sålunda transversell, våg- längdsselektiv koppling av ljus från en optisk fiber, varvid varje våglängdskomponent bringas till ett fokus utanför fibern.

Det skall inses att ljusutbredning är tidsinvariant, vilket innebär att utbredningsriktningen alltid kan in- verteras. Om ljus kan utbreda sig i en riktning längs en väg igenom ett optiskt system, kan ljus också utbreda sig i den motsatta riktningen längs samma väg. Närhelst en lO 20 25 30 35 519 224 " a o ~ . nu 10 utbredningsriktning nämns i denna beskrivning kan följ- aktligen ljus också utbreda sig i den motsatta riktning- en. Speciellt implicerar detta att närhelst koppling av ljus från en vägledande kärna beskrivs, gäller samma ar- gument och fakta också för koppling av ljus till en våg- ledande kärna, i tillämpliga delar.

Kortfattad beskrivning av ritningarna I det följande kommer ett antal föredragna utfö- ringsformer av föreliggande uppfinning att beskrivas mer utförligt. Uppfinningens olika syften och fördelar kommer att inses bättre när den utförliga beskrivningen läses tillsammans med de bifogade ritningarna, pà vilka: Figurerna la och lb schematiskt visar en utförings- form av.föreliggande uppfinning, i lateral respektive longitudinell genomskärning, Figurerna 2a och 2b schematiskt visar en annan utfö- ringsform av föreliggande uppfinning, i lateral respekti- ve longitudinell genomskärning, Figur 3 schematiskt visar en utföringsform av före- liggande uppfinning innefattande tvà optiska fibrer mel- lan vilka ljus kopplas, Figur 4 schematiskt visar en utföringsform av före- liggande uppfinning innefattande tvà optiska fibrer mel- lan vilka ljus kopplas, samt en ljusmodulator som är an- ordnad mellan nämnda tvà fibrer, Figur 5 schematiskt visar en utföringsform av före- liggande uppfinning, i vilken ljus kopplas in i en optisk fiber fràn en lysdiod eller en laser, eller i vilken ljus som kommer fràn fiberkärnan detekteras med hjälp av en fotodiod, Figur 6 schematiskt visar en utföringsform av före- liggande uppfinning, i vilken ljus som har kopplats ut fràn den vägledande kärnan, eller ljus som skall kopplas in i den vägledande kärnan, moduleras med en ljusmodula- tor som är anordnad pà en plats där ljus bringas till ett fokus, lO 20 25 30 35 519 224 g * | n - u un o o o n n ll Figur 7 schematiskt visar en utföringsform av före- liggande uppfinning, i vilken ett flertal optiska kopp- lingsarrangemang är anordnade i kaskad längs den vägle- dande kärnan, och Figur 8 schematiskt visar en annan utföringsform av föreliggande uppfinning, i vilken ett flertal optiska kopplingsarrangemang är anordnade i kaskad längs den väg- ledande kärnan.

I figurerna anges samma delar med samma hänvisnings- siffra. Dessutom anges ljussträlar med streckade linjer.

Eftersom utbredningen hos ljus är tidsinvariant, anges inte utbredningsriktningen i figurerna.

Utförlig beskrivning av föredragna utföringsformer I figurerna la och lb visas ett arrangemang innefat- tande en kärna 10, en mantel 11 och ett yttre medium 12.

I kärnan 10 har en avlänkare 16 anordnats, vilken utgörs av ett snedställt fasgitter. I det visade arrangemanget avlänkas ljus enbart i en riktning från fiberns kärna 10.

Nämnda ljus konvergeras av gränsytan 15 mellan manteln 11 och det yttre mediet 12, och bringas till ett fokus utan- för den optiska fibern teln 11). man riktar ljus med en bestämd våglängd in i den optiska (som utgörs av kärnan 10 och man- Den visade situationen är mycket användbar när fibern, eller när man detekterar ljus med en bestämd väg- längd som avlänkas ut fràn fibern. Det visade arrange- manget är pà sätt och vis en grundläggande byggsten för arrangemang i enlighet med föreliggande uppfinning. Det kan också med fördel tillämpas när man modulerar ljus som kommer fràn fibern, eller ljus som skall kopplas in i fi- bern. Arrangemangets olika aspekter kommer att beskrivas ytterligare nedan.

Med syfte att uppnå en konvergerande effekt vid gränsytan 15 mellan manteln 11 och det yttre mediet 12, måste mantelns 11 diameter vara tillräckligt liten i för- hàllande till kärnans 10 diameter. Såsom har påpekats har en vanlig, ovan, fotosensiterad fiber för gitter- 10 20 25 30 35 'fiberns kärna 10 519 224 12 skrivning en kärna med en diameter på omkring 5 pm och en mantel med en diameter på omkring 125 pm. I en sådan fi- ber är mantelns diameter så stor, att ljus som kommer från kärnan (d.v.s. som avlänkas ut från kärnan i en vä- sentligen transversell riktning) väsentligen uppträder som en punkt- eller linjekälla. Följaktligen är infalls- vinkeln mot nämnda gränsyta vinkelrät eller mycket nära vinkelrät, varför brytning av ljus vid nämnda gränsyta är försumbar. Om emellertid mantelns diameter görs tillräck- ligt liten, kommer ljus från kärnan att uppträda som om det kommer från en distribuerad ljuskälla. Således kommer åtminstone någon del av nämnda ljus att infalla mot nämn- da gränsyta under en vinkel som är större än noll, och därför brytas. Brytningen av ljus vid gränsytan träder inte i kraft linjärt när förhållandet mellan mantelns di- Istället finns det ett tydligt tröskelintervall där brytning vid gränsytan ameter och kärnans diameter minskar. blir märkbar.

Med en kärndiameter på omkring 4 pm, måste manteln ha en diameter på omkring 45 pm eller mindre för att den konvergerande effekten skall bli märkbar. Om diametern hos kärnan är omkring 6 pm, måste mantelns diameter vara omkring 100 pm eller mindre innan den konvergerande ef- fekten blir uttalad.

En utföringsform av föreliggande uppfinning visas i figurerna 2a och 2b. I detta fall omsluts dels en kärna 10 och en mantel 11 hos den optiska fibern, dels ett ytt- re medium 12, av en extern resonator. Brytningsindex för är högre än brytningsindex för fiberns manteln 11, åtminstone inom ett bestämt vàglängdsinter- vall, med syfte att medge vägledning i nämnda kärna 10.

Mantelns 11 diameter är tillräckligt liten för att ge icke vinkelrätt infall mot gränsytan 15 mellan manteln 11 och det yttre mediet 12. Brytningsindex för det yttre me- diet 12 skiljer sig väsentligt från brytningsindex för manteln 11, varvid ljus som passerar gränsytan 15 mellan manteln och det yttre mediet bryts. Dessutom har manteln 10 20 25 30 35 519 224 13 11 hos fibern givits en diameter som är sådan att ljus som passerar gränsytan 15 mellan manteln 11 och det yttre mediet 12 konvergeras mot ett fokus utanför fibern, eller àtminstone kollimeras.

Den externa resonatorn som omsluter fibern definie- ras av en första 13 och en andra 14 spegel, vilka gränsar mot nämnda yttre medium 12. Företrädesvis är speglarna 13 och 14 placerade vid eller nära en plats där ljus som kommer fràn fiberkärnan 10 bringas till ett fokus av den konvergerande verkan hos gränsytan 15 mellan manteln 11 och det yttre mediet 12. länkare 16 anordnad, vilken utgörs av ett snedställt I fiberns kärna 10 finns en av- fas- gitter. Det snedställda gittret har till uppgift att av- länka ljus som utbreder sig i kärnan 10 i en väsentligen transversell riktning ut fràn fibern. Följaktligen kommer ljus att avlànkas av det snedställda gittret in i den ex- terna resonatorn, och den konvergerande verkan hos nämnda gränsyta 15 kommer att främja stabiliteten hos nämnda re- sonator. Ljus kan pà ett bekvämt sätt kopplas ut frän el- ler in i fiberns kärna 10 med hjälp av nämnda externa re- sonator. Överlagrat pà det snedställda fasgittret i fiberns kärna finns ett chirpat Braggitter. Med syfte att hàlla figurerna tydliga, visas inte nämnda chirpade gitter. Det chirpade gittret har en modulationsamplitud som är till- räckligt stor för att upprätta resonanser för olika vàg- längdskomponenter vid olika partier därav. Följaktligen kommer en specifik vàglängdskomponent att uppvisa en för- höjd effekttäthet vid ett specifikt parti av fiberns kär- na, tack vare närvaron av nämnda resonans. Den förhöjda effekttätheten vid nämnda specifika parti kommer att för- stärka avlänkningen av motsvarande vàglängd. Avlänknings- förmågan hos det snedställda gittret kan sålunda göras tillräckligt liten för att avlänkning av icke-resonanta vàglängdskomponenter ska bli försumbar. Således kommer exempelvis olika vàglängdskanaler i en vàglängdsmulti- plexerad signal som utbreder sig i fiberns kärna att av- 10 20 25 30 35 519 224 ø ~ | ø o en 14 länkas vid olika partier av fiberkärnan. Var och en av dessa kanaler konvergeras mot ett fokus utanför den op- tiska fibern av den konvergerande verkan hos gränsytan mellan fibermanteln och det yttre mediet, och fångas upp inuti en tillhörande extern kavitet.

Med den geometri som visas på ritningen måste bryt- ningsindex för det yttre mediet 12 vara lägre än bryt- ningsindex för manteln 11, för att en konvergerande ver- kan skall uppnås vid gränsytan 15. I övrigt kan det yttre mediet 12 utgöras av godtyckligt material, såsom luft, glas eller plast, under förutsättning att ovannämnda krav på brytningsindex är uppfyllt.

Figur 3 visar en utföringsform av föreliggande upp- finning, i vilken ljus kopplas från en första fiber 41 till en andra fiber 42. Den första 41 och den andra 42 fibern innefattar var sin kärna 101, 102 och var sin man- tel 111, medium 12, 112. Mellan nämnda två fibrer finns ett yttre som gränsar till både den första fiberns man- tel 111 och den andra fiberns mantel 112. Brytningsindex för det yttre mediet 12 skiljer sig väsentligt från bryt- ningsindex för både den första fiberns mantel 111 och den andra fiberns mantel 112, varvid ljus som passerar gräns- ytan 151, 152 mellan det yttre mediet 12 och någon av nämnda mantlar bryts. Företrädesvis är brytningsindex för det yttre mediet 12 lägre än brytningsindex för bägge mantlarna 111 och 112, varvid ljus som passerar gränsytan mellan det yttre mediet och någon av nämnda mantlar kon- vergeras.

I vardera fiberns kärna 101, 102 finns en avlänkare (ej visad) anordnad, företrädesvis ett snedställt fasgit- ter såsom har beskrivits ovan, som har till uppgift att avlänka ljus ut från och in i vardera kärna. Avlänkaren är vàglängdsselektiv, så att en specifik våglängdskompo- nent avlänkas vid ett specifikt parti längs kärnans axel.

Således avlänkas exempelvis olika våglängdskanaler i en våglängdsmultiplexerad optisk signal vid olika partier längs kärnan. Våglängdsselektiviteten erhålles företrä- lO 20 25 30 35 519 224 u | o o nu 15 desvis medelst ett chirpat Braggitter som är överlagrat pà avlänkaren (det snedställda fasgittret). Det chirpade gittrets verkan har beskrivits ovan.

Avlänkaren i den första fibern 41 har till uppgift att avlänka ljus ut fràn den första fibern 41 i riktning mot den andra fibern 42. Det avlänkade ljuset konvergeras lll och det yttre mediet 12. När det passerar gränsytan 152 vid gränsytan 151 mellan den första fiberns mantel mellan det yttre mediet 12 och den andra fiberns mantel 112, konvergeras ljuset ytterligare, mot ett fokus i den andra fiberns kärna 102. Ljus som fokuseras pà den andra fiberns kärna 102 avlänkas därefter in i en ledningsmod i den andra fiberns kärna 102 av avlänkaren som är anordnad i nämnda kärna. Ett arrangemang i enlighet med förelig- gande uppfinning ger sålunda transversell koppling av ljus mellan tvà fibrer, och den konvergerande verkan hos gränsytan mellan en mantel och ett yttre medium förbätt- rar effektiviteten hos kopplingen.

Med syfte att ytterligare öka effektiviteten hos kopplingen mellan de tvà fibrerna, är företrädesvis två speglar 131 och 141 anordnade så att de omsluter fibrerna 41 och 42. Ljus som eventuellt inte kopplas in i en fiber av det snedställda fasgittret kommer att fortsätta i riktning mot en av nämnda speglar, och följaktligen re- flekteras tillbaka i riktning mot fiberkärnan igen. Före- trädesvis är en sådan spegel anordnad vid eller nära en plats där ljus från fiberkärnan bringas till ett fokus av den konvergerande verkan hos gränsytan mellan manteln och det yttre mediet. Genom symmetribetraktelser blir det up- penbart att ljus fokuseras på fiberkärnan efter reflek- tion från en spegel som är anordnad vid ett fokus.

I figur 4 visas ett arrangemang som har mycket ge- mensamt med det som visas i figur 3. Det arrangemang som visas i figur 4 innefattar emellertid dessutom en ljusmo- dulator 155, den första 41 och den andra 42 fibern. Ljusmodulatorn 155 som är anordnad i det yttre mediet 12 mellan kan utnyttjas för dämpning och/eller modulering av det 10 15 20 25 30 35 519 224 16 ljus som kopplas mellan de två fibrerna. Eftersom ljus med enbart en specifik våglängd kopplas mellan fibrerna vid ett specifikt parti därav, kan ljusmodulatorn med fördel utnyttjas för modulering av en enstaka kanal i en våglängdsmultiplexerad optisk signal.

Figur 5 visar schematiskt ett arrangemang i enlighet med föreliggande uppfinning, i vilken ljus med en speci- fik våglängd skickas in i en optisk fiber 40, eller i vilken ljus med en specifik våglängd kopplas ut från fi- bern och detekteras medelst en fotodetektor. Den schema- tiska symbolen för en diod (61) i figuren kan sålunda ange antingen en fotodetektor, eller en ljuskälla såsom en lysdiod eller en laserdiod. Naturligtvis är godtycklig annan typ av ljuskälla också tänkbar.

I ett första exempel, som illustreras av figur 5, kopplas ljus ut från fibern 40 och detekteras av en foto- detektor 61. I kärnan 10 hos fibern 40 finns en avlänkare (ej visad) anordnad, vilken företrädesvis utgörs av ett snedställt fasgitter såsom har beskrivits ovan, vilken avlänkare har till uppgift att avlänka ljus med en speci- fik våglängd i riktning mot fotodetektorn 61. Vàglängds- selektiviteten erhålles företrädesvis med hjälp av ett chirpat Braggitter som är överlagrat på avlänkaren, såsom har beskrivits ovan. Ljus som avlänkas ut från fiberkär- nan konvergeras vid gränsytan 15 mellan fibermanteln 11 och det yttre mediet 12 i riktning mot ett fokus vid fo- todetektorn 61. Med syfte att samla upp eventuellt ljus som möjligen avlänkas ut från fibern 40 i den motsatta riktningen, d.v.s. bort från fotodetektorn 61, finns fö- reträdesvis en spegel 62 anordnad vid eller nära en plats där ljus i den motsatta riktningen bringas till ett fokus av den konvergerande verkan hos gränsytan 15 mellan man- teln 11 och det yttre mediet 12. Ljus reflekteras sålunda av nämnda spegel 62, och kommer sedan fram till fotode- tektorn 61.

I ett andra exempel, som också illustreras av figur 5, skickas ljus in i fibern från en extern ljuskälla 61. 10 20 25 30 35 519 224 ::.:i:: 17 Ljuskällan är företrädesvis en laserdiod, även om god- tycklig annan ljuskälla är tänkbar inom ramen för uppfin- ningen. Ljuskällan 61 är anordnad vid eller nära en plats där ljus som hade kommit från fiberkärnan 10 skulle ha bringats till ett fokus av gränsytan 15 mellan manteln ll och det yttre mediet 12. Följaktligen bringas ljus från ljuskällan 61 till ett fokus vid fiberkärnan 10, och av- länkas in i en ledningsmod i fiberkärnan av den avlänkare som finns anordnad däri. I likhet med tidigare är det fö- redraget att avlänkaren utgörs av ett snedställt fasgit- i förhållande till ljus- finns en spegel 62 anordnad. Ljus som eventu- ter. På fiberns motsatta sida, källan 61, ellt passerar igenom fiberkärnan 10 utan att avlänkas in i en ledningsmod i fiberkärnan reflekteras sålunda till- baka i riktning mot kärnan 10 av spegeln 62. Spegeln 62 är placerad vid eller nära en plats där ljus bringas till ett fokus av den konvergerande verkan hos gränsytan 15 mellan manteln 11 och det yttre mediet 12. I vissa fall kan det vara önskvärt att man endast skickar in ljus i fibern från en sida, varvid spegeln 62 helt enkelt av- lägsnas eller utelämnas. Med syfte att förstärka kopp- lingen av ljus till fibern, är ett chirpat Braggitter överlagrat på det snedställda fasgittret i fiberkärnan.

Såsom har beskrivits ovan, ger det chirpade gittret par- tier med förhöjd effekttäthet för skilda våglängder vid skilda partier längd fibern. Tack vare detta förstärks kopplingen av en specifik våglängd vid det parti där nämnda våglängd är resonant.

Istället för att anordna en ljuskälla eller en foto- detektor vid eller nära fokus, såsom schematiskt visas i figur 5, skulle en ljusmodulator 155 kunna anordnas vid nämnda fokus. Ett sådant arrangemang visas schematiskt i figur 6. Ljusmodulatorn 155 kan utnyttjas för dämpning eller modulering av ljus som kommer från fibern, eller av ljus som skall skickas in i fibern. Kom ihåg att kopp- lingen av ljus till och från fibern genom arrangemanget i enlighet med föreliggande uppfinning är våglängdsselek- 10 20 25 30 35 n uno. 519 224 18 tiv. En modulator kan sålunda verka för att modulera en bärvàglängd innan den skickas in i fibern. Bärváglängden själv tillhandahàlles då av en sändare av lämpligt slag (ej visad). Å andra sidan skulle bärvåglängden också kunna plockas ut från fibern. I ett sådant fall bär fibern en kontinuerlig signal, innefattande ett flertal vàglängds- kanaler. Varje kanal avlänkas ut fràn fibern vid en egen plats, tack vare ett chirpat Braggitter som har beskri- vits tidigare, och fokuseras av gränsytan mellan manteln och det yttre mediet i riktning mot en tillhörande modu- lator 155, där den moduleras med en informationssignal.

Denna situation är nära besläktad med det arrangemang som schematiskt visas i figur 4. Den första fibern som visas i figur 4 skulle med fördel kunna bära en kontinuerlig signal som innefattar ett flertal väglängdskanaler. Varje bärkanal avlänkas vid ett eget parti längs den första fi- bern, och konvergeras av gränsytan mellan den första fi- berns mantel och det yttre mediet i riktning mot ljusmo- dulatorn. Vid modulatorn moduleras bärkanalen med en in- formationssignal i realtid. Därefter konvergeras den mo- dulerade bärkanalen vid gränsytan mellan det yttre mediet och den andra fiberns mantel i riktning mot den andra fi- berns kärna, där den avlänkas in i en ledningsmod på så- dant sätt som har beskrivits tidigare.

Den kaskaderbara möjligheten med föreliggande upp- finning illustreras i figurerna 7 och 8. I figur 7 ut- nyttjas ett kontinuerligt, snedställt gitter 16 för av- länkning av ljus in till och ut från fiberkärnan 10. En extern resonator (som definieras av speglar 13 och 14) finns tillhandahàllen, vilken omsluter fiberkärnan 10, I det fall som visas i figur 7 är speglarna i de olika kopplingspartier- fibermanteln ll och det yttre mediet 12. na intilliggande, i den meningen att det inte finns någon fysisk separation mellan speglarna 13 och 14 på någon sida av fibern. När man utnyttjar ett kontinuerligt av- är det före- länkande gitter 16, såsom visas i figur 7, 10 20 25 30 519 224 l9 draget att det vàglängdsselektiva gittret (som är över- lagrat pà det avlänkande gittret) är ett chirpat Braggit- ter.

Sàsom visas i figur 8 kan man även ha ett dedikerat avlänkande gitter l6a, l6b, l6c och ett dedikerat par av l4a, l3b, l4b, l3c, I detta fall kan vàglängdsselektiviteten externa speglar 13a, 14c för varje kopplingsparti. fortfarande åstadkommas med hjälp av ett chirpat Braggit- ter som sträcker sig igenom samtliga kopplingspartier.

Det är emellertid också tänkbart att man har separata, vàglängdsdiskriminerande gitter i varje kopplingsparti, varvid varje gitter är överlagrat pà respektive avlänkan- l6b, l6c, respektive avlänkande gitter i fiberkärnan. de gitter l6a, eller anordnat pà bägge sidor om Uppfinningen har beskrivits ovan med hänvisning till utföringsformer i vilka ljus som kommer fràn en fiberkär- na konvergeras mot ett fokus genom den brytande verkan hos en gränsyta mellan en mantel och ett yttre medium; eller, ekvivalent, ljus som kommer fràn det yttre mediet konvergeras av den brytande verkan hos gränsytan i rikt- ning mot fiberkärnan. Det är emellertid också tänkbart inom ramen för uppfinningen att man skräddarsyr krökning- en hos nämnda gränsyta mellan manteln och det yttre medi- et, med syfte att erhàlla godtycklig form hos vàgfronten efter det att ljuset har passerat gränsytan. Detta skulle kunna åstadkommas genom att man gör gränsytan mellan man- teln och det yttre mediet icke-cylindrisk, eller cylind- risk med en superstruktur pà ytan av manteln.

Claims (17)

10 15 20 25 30 35 519 224 20 PATENTKRAV

1. Optiskt arrangemang, innefattande en vägledande kärna (10) med en första radie och ett första brytningsindex, (11) (lo), mantel har en andra radie och ett andra brytningsindex en mantel som omger nämnda kärna vilken vilket är lägre än nämnda första brytningsindex, åtmin- stone för ett bestämt våglängdsintervall, (12) (ll), vilket yttre medium har ett tredje brytningsindex ett yttre medium som gränsar till nämnda mantel vilket är lägre än nämnda andra brytningsindex, åtminsto- ne för nämnda bestämda våglängdsintervall, käJ1net:ec}<- rlat av att det även innefattar en avlänkare (16) som är anordnad i nämnda vägledan- de kärna (l0), vilken avlänkare har till uppgift att av- länka ljus ut fràn nämnda kärna i en väsentligen trans- versell riktning, och att förhållandet mellan nämnda andra radie och nämnda första radie är sàdant att ljus som kommer från kärnan (10) gränsytan (15) mellan manteln (ll) och det yttre mediet (12). kollimeras, eller konvergeras mot ett fokus, av

2. Arrangemang enligt krav 1, varvid avlänkaren inne- fattar ett snedställt fasgitter.

3. Arrangemang enligt krav 1 eller 2, dessutom innefat- tande ett chirpat Braggitter som är anordnat i den vägle- dande kärnan (10), vilket chirpat gitter är överlagrat på avlänkaren (16).

4. Arrangemang enligt något av föregående krav, dessut- (sz, 13, 131) och som är anordnad att om innefattande en första spegel (12) reflektera ljus som infaller mot densamma. som grän- sar till det yttre mediet 10 20 25 30 35 519 22431* ÉÅÉÉ-ëïëï* 21

5. Arrangemang enligt krav 4, varvid den första spegeln är anordnad att reflektera ljus, som kommer frän den väg- ledande kärnan (10), tillbaka i riktning mot nämnda väg- ledande kärna.

6. Arrangemang enligt krav 5, varvid spegeln är anord- nad pä en plats där ljus som kommer frän den vägledande kärnan (10) bringas till ett fokus av gränsytan (15) mel- lan manteln (11) och det yttre mediet (12).

7. Arrangemang enligt krav 4, dessutom innefattande en andra spegel (14, 141) som gränsar till det yttre mediet (12), vilken andra spegel är anordnad pä ett sädant sätt att den första spegeln (13, 131) (14, 141) dande kärnan (10), manteln (11) och det yttre mediet (12). och den andra spegeln definierar en resonator som omsluter den vägle-

8. Arrangemang enligt nägot av föregäende krav, dessut- om innefattande en detektor (61) som är anordnad vid el- ler nära en punkt där ljus från den vägledande kärnan (10) bringas till ett fokus av gränsytan (15) mellan man- teln (11) och det yttre mediet (12), vilken detektor (61) är anordnad att detektera ljus som avlänkas ut från den vägledande kärnan (10).

9. Arrangemang enligt nägot av föregående krav, dessut- om innefattande en ljuskälla (61) som är anordnad vid el- ler nära en punkt där ljus som kommer frän kärnan (10) bringas till ett fokus av gränsytan (15) mellan manteln (11) (12), vilken ljuskälla (61) är anordnad att skicka in ljus i den vägledande kärnan (10), och det yttre mediet varvid ljus avlänkas in i en ledningsmod i nämnda kärna av avlänkaren (16).

10. Arrangemang enligt nägot av föregående krav, dessut- om innefattande en ytterligare vägledande kärna (102) och lO 20 25 30 35 519 224 22 (112) kärna, varvid det yttre mediet (12) gränsar till bàde den en ytterligare mantel som omger nämnda ytterligare förstnämnda manteln (111) och det ytterligare manteln (112), och nämnda ytterligare kärna (102) är anordnad pà en plats där ljus som kommer frän den förstnämnda kärnan (101) uppvisar ett fokus.

11. Arrangemang enligt krav 10, dessutom innefattande en extern resonator som omsluter bägge de vägledande kärnor- na och bägge mantlarna, vilken resonator definieras av en första (131) och en andra (141) spegel.

12. Arrangemang enligt krav 10 eller 11, varvid utbred- ningsriktningen för ljus i den andra vägledande kärnan är väsentligen parallell med utbredningsriktningen för ljus i den vägledande kärna frän vilken ljus kommer, vilken andra vägledande kärna innefattar en avlänkare som har till uppgift att avlänka ljus som infaller transversell däremot in i en ledningsmod i nämnda andra vägledande kärna.

13. Arrangemang enligt nägot av föregående krav, varvid det yttre mediet (12) utgörs av luft.

14. Arrangemang enligt nägot av kraven 1 till 12, varvid det yttre mediet (12) utgörs av glas.

15. Arrangemang enligt nägot av kraven 1 till 12, varvid det yttre mediet (12) utgörs av plast.

16. Arrangemang enligt nägot av föregående krav, inne- fattande ett flertal kopplingspartier (a, b, c) som är anordnade i en kaskad längs den vägledande kärnan (10), varvid vart och ett av kopplingspartierna har till upp- gift att koppla en specifik väglängd in till och ut frän nämnda kärna. l0 20 . 519 224 "i 23 innefattande (10)

17. Optiskt arrangemang, en vägledande kärna med en första radie och ett första brytningsindex, en mantel (ll) som omger nämnda kärna, vilken mantel har en andra radie och ett andra brytningsindex vilket är lägre än nämnda första brytningsindex, ätminstone för ett bestämt väglängdsintervall, ett yttre medium (12) som omger nämnda mantel, vil- ket yttre medium har ett tredje brytningsindex vilket är lägre än nämnda andra brytningsindex, ätminstone för nämnda bestämda väglängdsintervall, kär1net:ec} att det även innefattar (16) (10), vilken avlänkare har till uppgift att av- en avlänkare som är anordnad i nämnda vägledan- de kärna länka ljus ut frän nämnda kärna i en väsentligen trans- versell riktning, och att krökningen hos gränsytan (15) mellan nämnda mantel (ll) och nämnda yttre medium (12) är sädan att ljus som kommer frän kärnan (10) och passerar nämnda gränsyta (15) bryts och ges en vägfront som har en önskad form i enlig- het med nämnda krökning.