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Dokumentenidentifikation DE69714218T2 28.11.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0883577
Titel VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG EINES KONTROLLIERTEN SPINS IN EINER OPTISCHEN FASER
Anmelder Corning Incorporated, Corning, N.Y., US
Erfinder HAWK, M., Robert, Pawleys Island, SC 29585-1885, US
Vertreter PAe Reinhard, Skuhra, Weise & Partner, 80801 München
DE-Aktenzeichen 69714218
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.02.1997
EP-Aktenzeichen 979076783
WO-Anmeldetag 19.02.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/US97/02541
WO-Veröffentlichungsnummer 0009730945
WO-Veröffentlichungsdatum 28.08.1997
EP-Offenlegungsdatum 16.12.1998
EP date of grant 24.07.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.11.2002
IPC-Hauptklasse C03B 37/027
IPC-Nebenklasse C03B 37/07   C03B 37/075   C03B 37/03   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Einbringen eines kontrollierten Spins in eine Single-Mode Optische Faser bzw. Lichtleitfaser, um damit die Polarisationsmodendispersion (PMD) zu reduzieren.

Es ist sehr wohl bekannt, dass die so genannte "Single-Mode- Faser", welche gewöhnlich in Kommunikationssystemen genutzt wird, nicht rein Single-Mode ist. Eher existieren zwei Moden mit senkrechter Polarisation in der Faser, wenn sich Licht bei einer bestimmten Wellenlänge durch eine Single-Mode-Faser ausbreitet. Licht, welches sich durch eine Single-Mode-Faser ausbreitet, kann durch eine lineare Überlagerung dieser beiden Moden dargestellt werden. Wenn die Faser perfekt kreissymmetrisch ist, in geometrischer und in Spannungs-Symmetrie, sind die beiden Polarisationsmoden degeneriert bzw. entartet. Sie breiten sich mit der gleichen Gruppengeschwindigkeit aus und haben keine Zeitverzögerungsdifferenz nach Durchlaufen der gleichen Entfernung in der Faser. Jedoch ist eine aktuelle Faser nicht perfekt kreissymmetrisch. Irgendeine kreisförmige Asymmetrie, welche die Ausbreitungskonstante der Faser bezüglich der beiden orthogonalen Moden ändert, durchbricht die Entartung der beiden Moden. Diese Asymmetrien können geometrisch oder durch Spannung ausgelöst sein. Als Ergebnis breiten sich die beiden Polarisationsmoden mit unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten aus. Der Unterschied zwischen den Ausbreitungskonstanten wird als Doppelbrechung bezeichnet. Die Doppelbrechung verursacht einen allgemeinen Polarisationszustand, welcher sich periodisch entlang der Faser ausbildet. Die Länge, über welche sich der Polarisationszustand fortpflanzt, ist die Faserüberlagerungslänge, welche umgekehrt proportional zur Doppelbrechung der Faser ist. Wenn Doppelbrechung vorhanden ist, pflanzen sich die beiden Polarisationsmoden mit unterschiedlicher Gruppengeschwindigkeit fort. Die differentielle Zeitverzögerung zwischen den beiden Polarisationsmoden wird als Polarisationsmodendispersion, oder PMD, bezeichnet. Die PMD verursacht die Störung des Signals, was sehr schädlich für Systeme mit hohen Bitraten und bei analogen Kommunikationssystemen ist.

Es ist auch bekannt, dass PMD reduziert werden kann, wenn die Polarisationsmoden "koppeln". Modenkoppeln tritt auf, wenn die Lichtenergie von einem Polarisationsmode mit dem anderen Polarisationsmode koppelt. Dies tritt auf, wenn die longitudinale Gleichförmigkeit der Faser nicht perfekt ist. Derartige longitudinale Gleichförmigkeit kann durch Fehler in der Kreisförmigkeit des Kerns bei der Vorformherstellung oder dem Ziehvorgang, oder durch Biegungen und Verdrehungen, wenn die Faser eingesetzt wird, unterbrochen werden.

Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren und eine Vorrichtung bzw. ein Gerät zum Drehen der Faser um ihre longitudinale Achse, während sie gezogen wird, um Rotations-Ungleichmäßigkeiten in der Faser zu bilden.

In US-A-5,298,047 wird ein Verfahren zum Ziehen einer Lichtleitfaser aus einer erwärmten Vorform und das Aufbringen einer Drehung durch eine einzelne Führungsrolle, welche um eine Achse, im Wesentlichen senkrecht zur Faserziehrichtung, oszilliert, beschrieben.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Reduzieren der PMD zu liefern.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine steuerbare und vorhersagbare Verfahrenseinrichtung zu liefern, um die Faser während des Ziehvorganges zu drehen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Reduzieren der PMD in einer Faser zu liefern, wenn sie benutzt wird, indem die Faser in einer steuerbaren und voraussagbaren Weise während des Ziehvorgangs gedreht wird, um damit Modenkoppeln auszulösen, wenn die sich ergebende Faser genutzt wird.

Entsprechend der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitfaser entsprechend Anspruch 1 geliefert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die obigen und anderen Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung offenbar, welche zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in welchen entsprechende Referenzbuchstaben sich auf entsprechende Teile darin beziehen, und in welchen:

Fig. 1 ist eine Skizze, welche die Faser darstellt, während sie durch zwei Rollen gezogen wird entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Bauteil einer Vorrichtung, welche in der Praxis meiner Erfindung benutzt wird.

Fig. 3 ist ein funktionelles Schema eines Steuersystems, welche meine Erfindung beinhaltet.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung liefert ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser, welche reduzierte PMD durch Ziehen der Faser durch Rollen aufweist, so dass eine steuerbare und vorhersehbare Drehung der Faser während des Ziehvorgangs aufgebracht wird. Spezieller ausgedrückt, bedeutet dies Erwärmen einer konventionellen Faservorform auf eine konventionelle Ziehtemperatur und Ziehen der Lichtleitfaser aus der Vorform, indem die Faser zwischen einem rotierenden Riemen und einer Riemenscheibe gezogen wird, oder durch Ziehen der Faser zwischen Rollen, so dass ein steuerbarer und vorhersagbarer Spin auf die Faser ausgeübt wird.

Bei einem konventionellen Verfahren wird eine Single-Mode- Lichtleitfaser aus einer Glasvorform gezogen, welche in einem Ofen erwärmt wird und aus dem Ofen gezogen wird, vorzugsweise bei einer konstanten Ziehgeschwindigkeit mit einer nach unten ziehenden Trommel, so dass die Faser zwischen zwei Rollen verläuft, welche sich jeweils frei drehen. Die Rollen sind gekreuzt angeordnet, so dass die Faser zwischen den Rollen liegt, und die Rollen werden vorzugsweise gegeneinander gedrückt. Auf diese Weise greift die Faser über Haftreibung auf der Oberfläche jeder Rolle ein, und dadurch, bei der bevorzugten Ausführungsform, bei welcher die Rollen nicht von Motoren getrieben werden, veranlasst die Faser jede Rolle, dass sie sich dreht. Der Grad des Reibkontakts sollte ausreichend sein, um sicherzustellen, dass die Oberflächengeschwindigkeit jeder Rolle im Wesentlichen gleich der linearen (Zug-)Geschwindigkeit der Faser ist. Jedoch sollte die Rolle die Faser nicht so fest greifen oder mitnehmen, um die Faser nicht zu überspannen. Wenn die Rollen drehend angetrieben werden, ist es wichtig sicherzustellen, dass die Drehgeschwindigkeit gesteuert wird, so dass die Vertikalkomponente der Oberflächengeschwindigkeit der Rollen im Wesentlichen gleich der Ziehgeschwindigkeit der Faser ist.

In dem oben beschriebenen Verfahren dreht sich die Faser nicht. Vielmehr wird die Drehachse jeder Rolle, welche durch des Zentrum der Rolle geht, parallel zur anderen und senkrecht zu der Faser gehalten, um ein Drehen der Faser 106 um ihre Achse zu verhindern. Eine Untersuchung der Faserrotationsgeschwindigkeit, oder Drehgeschwindigkeit, welche durch Nicht- Parallel-Sein der Rollen verursacht wird, ergibt die folgende mathematische Beschreibung, welche die Drehgeschwindigkeit Ω, in Einheiten der Winkeldrehung pro Längeneinheit (Rad./m) auf die Winkeljustierung der Rollen bezieht, welche durch den Winkel gemessen wird, der zwischen der Drehachse der Rolle und der Faser ψ gebildet wird, und sie auf den Faserradius a bezieht:

(1) Ω = (sin ψ)/a

oder in der Einheit Umdrehungen/m,

(2) Ω = (sin ψ)/2πa

Damit wird die Beziehung zwischen der Winkelorientierung der Rollen und dem Spin, welcher auf die Faser aufgedrückt wird, im Wesentlichen durch Gleichung (1) beschrieben.

Wenn die Rollen parallel sind und jede Achse senkrecht zur Faser ist, dann wird die Faser nicht gedreht. Wenn nur eine Rolle von der parallelen Position abweicht, dann wird sich die Faser drehen und ihre Position entlang der Rolle wird sich auf ein Ende zu bewegen. Die Faser bewegt sich in die Richtung des kleineren Winkels zwischen der Rolle und der Faser. Wenn jedoch beide Rollen um den gleichen Winkel gegenüber der Faser, aber in umgekehrten Richtungen abweichen, dann wird sich die Faser drehen, aber ihre Position entlang der Rolle wird konstant bleiben. Damit ist eine Eigenschaft meiner Erfindung das Verwenden von zwei Rollen, von denen jede über Reibung an der Faser eingreift und vorzugsweise von der Faser angetrieben wird. Als Ergebnis kann die Faser, ohne sie von ihrem vertikalen Weg abzubringen, gedreht werden.

Um die Empfindlichkeit meiner Erfindung zu erläutern, beträgt der Faserradius "a" typischerweise ungefähr 125 Mikrometer (1,25 · 10&supmin;&sup4; Meter), d. h. eine mit Plastik ummantelte Lichtleitfaser, welche einen Durchmesser von 250 Mikrometer hat. Wenn man diesen Wert von "a" (125 Mikrometer) in Gleichung (2) einsetzt, zeigt das Obige, dass sich für ψ = 1 Grad, Ω = 22,6 Umdrehungen/Meter ergibt. Daraus kann ersehen werden, dass eine kleine Änderung im Winkel ψ eine große Drehung erbringen wird. Winkelgenauigkeiten von < 0,007 Grad sind leicht mit einem Mikro-Schrittmotor erzielbar, welcher eine Auflösung von 50.000 Schritten/Umdrehung aufweist.

Fig. 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Eine Single-Mode-Lichtleitfaser 106 wird aus einer erwärmten Glasvorform 100 gezogen, welche in einem Ofen 101 erwärmt wurde. Die Faser hat einen im Wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser, und sie wird bei im Wesentlichen konstanter Ziehgeschwindigkeit von einer nach unten ziehenden Trommel 105 gezogen. Die Faser 106 läuft zwischen zwei Rollen 102 und 104, welche gleichmäßig und gegenläufig zueinander rotieren. Die Drehung der Rollen 102 und 104 kann angetrieben werden, aber vorzugsweise drehen sie sich frei. Es ist ein Steuermechanismus vorgesehen, um die Winkeljustierung der Rollen 102 und 104 zu verändern, wenn es nötig wird, um eine spezielle Drehung aufzubringen. Die Winkeljustierung wird zwischen der Faser und der Rotationsachse der Rolle gemessen. Zu jeder gegebenen Zeit weicht jede Rolle von der parallelen Position ab, so dass die gemessenen Winkel zwischen der Faser und der Rotationsachse jeder Rolle der Größe nach gleich und entgegengesetzt in der Richtung sind. Da eine Rolle eine gleichmäßige Winkelgeschwindigkeit und eine entgegengesetzte Richtung der Winkeljustierung gegenüber der anderen zu jeder Zeit hat, wird sich die Richtung der Drehgeschwindigkeit, die auf die Faser eingebracht wird, umdrehen, wenn eine Rolle ihre Richtung der Winkeljustierung umdreht.

Das Ändern der Winkeljustierung der Rollen bringt die Faser dazu, während des Faserziehvorgangs um die Longitudinalachse zu rotieren oder sich zu drehen., Der auf die Faser ausgeübte Spin Ω ist proportional zum Winkel zwischen der Achse der Rollen, wie dies durch die oben aufgeführte Formel aufgezeigt wird. Dadurch ist der auf die Faser ausgeübte Spin leicht durch die Modulation bzw. Veränderung der Rollen zu steuern. Der auf die Faser ausgeübte Spin kann direkt proportional zur Modulation der ersten und zweiten Rolle sein.

Betrachtet man eine spezielle Ausführungsform meiner Erfindung, so zeigt Fig. 2 eine Draufsicht auf Rolle 104. Vorzugsweise ist die Rollenoberfläche mit einem Elastomermaterial überzogen, wie z. B. Polyurethan, um eine Beschädigung der ummantelten Faser zu verhindern und um kleine Fehler in der Rundheit der Rollen zuzulassen. Die Härte dieses Materials wird so gewählt, dass sich die Oberfläche elastisch verformt, wenn die Faser über sie läuft. Dies liefert einen federartigen Mechanismus, um eine Vorrichtung zu liefern, welche eine enge Berührung zwischen der bzw. den Rolle(n) und der Faser, welche gezogen wird, gewährleistet.

Durch die Rolle 104 ragt die Welle 108, auf der sich die Rolle 104 frei dreht. Die gegenüberliegenden Enden der Wellen 108 sind mit dem Bügel 109 verbunden, welcher mit seinem Zentrum mit der Wellen 112 verbunden ist, welche sich in den Schrittmotor 114 erstreckt. Damit ist ersichtlich, dass, wenn der Schrittmotor 114 Steuersignale empfängt, sich die Wellen 104 in einer Richtung, die durch die Polarität des Pulses bestimmt ist, dreht und die Größe der Drehung durch die Anzahl der Pulse bestimmt wird. Der Motor 114 kann auch mit einer Einrichtung versehen sein, um ein Ausgangssignal zu liefern, welches die Winkelorientierung der Welle anzeigt, d. h. die Gradzahl und die Richtung, in der sie sich gedreht hat, in Abhängigkeit zu den vorher empfangenen Pulsen. Die Rolle 102 würde ähnlich konfiguriert und mit ihrem entsprechenden Motor über einen ähnlichen Bügel und eine Welle verbunden.

Mit Bezug auf Fig. 3 wird (funktionell) ein Steuersystem und der Vorgang gezeigt, welcher meine Erfindung umfasst, und das Verwenden der Rollen, welche einen Spin auf eine Faser übertragen. Spezieller zeigt die Steuerungsstrategie, welche sich in der Ausführungsform meiner Erfindung wiederspiegelt, welche in Fig. 3 gezeigt wird, eine dieser Eigenschaften, nämlich die Fähigkeit, auf eine Faser einen gewünschten Spin aufzudrücken, welcher eine Funktion seiner Länge ist. In Fig. 3 wird eine repräsentative Faser 106 gezeigt, welche zwischen den Rollen 102 und 104 läuft und an diesen über Reibung eingreift, welche jeweils so aufgebaut und angeordnet sind, wie dies in Fig. 2 gezeigt wird, nämlich sind ihre jeweiligen Wellen, über die sie rotieren, über die Arme 112 und 116 mit ihren jeweiligen Motoren 114 und 118 verbunden. In Fig. 3 wird auch ein Steuersystem 120 für die Ziehgeschwindigkeit funktionell gezeigt, welches konventionell ist. Im Betrieb würde das Steuersystem 120 ein Signal VA 122 empfangen, welches von einer Messeinrichtung der Ziehgeschwindigkeit einer Faser erhalten wird und welches die augenblickliche Geschwindigkeit der Faser wiedergibt. Dem Steuersystem 120 wird auch die gewünschte Fasergeschwindigkeit VD zugeführt. Das Steuersystem 120 liefert dann ein Ausgangssignal 124 (ΔV), welches die gewünschte Veränderung in der Ziehgeschwindigkeit wiedergibt, so dass VA = VD.

Wie aufgezeigt, wird die Signalleitung, welche das Signal VA trägt, angezapft und liefert dem Integrator 128 ein Ausgangssignal in Form eines Signales, welches die Länge der Faser darstellt, welche mit Bezug auf eine willkürliche Zeit, t = 0, gezogen wird.

Als Beispiel, wie meine Erfindung angewendet werden kann, nehme man an, dass gewünscht ist, den Spin, der auf die Faser aufgedrückt wird, sinusförmig als Funktion der Länge zu variieren. Die gewünschte Änderung des Spins als Funktion der Länge wird in den Computer 130 eingegeben, welcher das Signal 129 als sein Eingangssignal empfängt, wobei es die Länge der Faser LA, welche aktuell von dem Faserziehsystem gezogen wird, anzeigt. Benutzt man die aufgezeigte funktionelle Beziehung, z. B. ΩD = sinLA, so berechnet das Rechenbauelement 130 die gewünschte Spin-Geschwindigkeit, ΩD. Dieses Ausgangssignal 131 wird dem Rechenbauelement (welches ein Computer sein kann) 132 zugeführt.

Wie vorher dargelegt, kann der Betrieb meines Systems mit zwei Rollen mit Bezug auf die Drehung, die auf die Faser aufgeprägt wird, durch die Gleichung Ω = (sin ψ)/a beschrieben werden. Durch Umformen kann gesehen werden, dass

ψ = sin&supmin;¹(Ωa)

Damit wird diese Funktion dem Berechnungselement 132 zugeliefert, welches das Signal 131 empfängt, und dann den erforderlichen Winkel ψ errechnet, um den gewünschten augenblicklichen Spin zu erhalten. Dieser wird als Ausgangssignal 136 bereitgestellt, welches, wenn ein Rückführregelsystem genutzt wird, zur Summenverzweigung 138 geliefert werden kann, welche auch das Rückführsignal 142 empfängt, welches die aktuelle Verschiebung der Welle 112 wiedergibt, mit der Größe von A. Das Ausgangssignal der Summenverzweigung 144 wird dem Multiplier 146 zugeführt, welcher einfach dessen Polarität umdreht. Dadurch werden die Steuersignale Δψ und -Δψ den Motoren 114 und 118 zugeführt, und die Rollen 104, 102 unterziehen sich jeweils einer Winkelrepositionierung, wodurch die gewünschte Spin-Geschwindigkeit, ΩD, auf die Faser eingedrückt wird.

Bei der obigen Beschreibung wurde angenommen, dass der Durchmesser der Faser, a, konstant bleibt. Jedoch kann in Übereinstimmung mit meiner Erfindung das konventionelle Faserdurchmesser-Messsystem, welches bei den meisten Ziehvorgängen gefunden wird, abgezweigt werden, um das Signal 152 zu liefern, welches, wie dies durch die gestrichelte Linie in Fig. 3 angezeigt wird, zum Berechnungselement 132 geliefert werden kann und welches bei der Berechnung der angezeigten Gleichung eingeschlossen ist.

Wie durch die Praxis meiner Erfindung anerkannt werden wird, kann ein präzises Steuern des augenblicklichen Spins, der auf die Faser gedrückt wird, erreicht werden.

Der Steuermechanismus ist ein programmierbarer Controller, welcher vorzugsweise zwei Motoren aufweist, in welchem der erste Motor mit der Rolle 102 und der zweite Motor mit der Rolle 104 verbunden ist. Der erste Motor steuert die Winkeljustierung der Rolle 102, wie sie zwischen der Rotationsachse der Rolle und der Faser gemessen wird. In ähnlicher Weise steuert der zweite Motor die Winkeljustierung der Rolle 104, wenn sie zwischen der Rotationsachse der Rolle und der Faser gemessen wird. Vorzugsweise werden bei der Erfindung Schrittmotoren angewendet. Ein pulsierender Schaltkreis wird mit jedem Motor verbunden, um den Motor zu bewegen. Je größer die Anzahl der Pulse ist, welche zur Umdrehung benötigt werden, umso größer ist die Steuerung sowohl des Motors als auch der Winkeljustierung der Rollen. Der pulsierende Schaltkreis kann vom Ausgangssignal einer programmierbaren Anordnung betrieben werden.

Damit wird ein Verfahren zum Reduzieren der PMD durch Aufbringen eines steuerbaren und voraussagbaren Spins auf die Faser während des Ziehvorgangs geliefert. Obwohl einzelne erläuternde Ausführungsformen dargestellt wurden, werden Fachleute es anerkennen, dass die vorliegende Erfindung durch andere als die beschriebenen Ausführungsformen praktiziert werden kann, welche zum Zwecke der Erläuterung präsentiert werden, und nicht zur Eingrenzung, und die vorliegende Erfindung wird nur durch die Ansprüche, welche folgen, begrenzt.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser aus einer Vorform (100), welches aufweist:

Erwärmen wenigstens eines Teils der Vorform (100) auf eine Ziehtemperatur;

Ziehen der optischen Faser (106) aus der Vorform (100), so dass die Faser (106) zwischen einer ersten Rolle (102) und einer zweiten Rolle (104) läuft und diese berührt, wobei sich diese frei um eine Drehachse drehen, welche durch das Zentrum jeder Rolle läuft, wobei die Rollen so nebeneinander liegen, dass die Faser zwischen den Rollen liegt; und Ändern des Winkelversatzes der Drehachsen der ersten und zweiten Rolle (102, 104), so dass jede der ersten und zweiten Rollen (102, 104) von der parallelen Position abweicht, um einen Spin auf die Faser (106) auszuüben, so dass die gemessenen Winkel zwischen der Faser und der Drehachse jeder Rolle der Größe nach gleich und entgegengesetzt in der Richtung sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner aufweist den Schritt des Modulierens der Winkelversatzwerte der ersten und zweiten Rolle (102, 104) in Abhängigkeit von der Zeit.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein gewünschter Winkelversatz der ersten und zweiten Rolle (102, 104) in einen Steuermechanismus (120) einprogrammiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine gewünschte Modulation des Winkelversatzes der ersten und zweiten Rolle (102, 104) in einen Steuermechanismus (120) einprogrammiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optische Faser mit einer konstanten Ziehgeschwindigkeit gezogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner aufweist:

Erzeugen eines Signals, welches für eine Spin- bzw. Dreh- Geschwindigkeit, die der Faser (106) verliehen wird, repräsentativ ist; und

in Antwort auf das Signal, Ändern des Winkelversatzes der Rollen, wodurch ein Spin auf die Faser (106) aufgedrückt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner aufweist Ändern des Winkelversatzes der Achse jeder Rolle, in Antwort auf ein Signal, welches für eine gewünschte Spin-Geschwindigkeit als Funktion der Länge repräsentativ ist.







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