DE3479448T2 - Optische wellenleiter. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft optische Wellenleiter, und insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, optische Fasern und Beschichtungen für optische Faser-Wellenleiter.
• Optische Wellenleiter weisen im allgemeinen einen optischen Führungsbereich mit einem Brechungsindex n&sub1; auf, der in ein Material mit einem Brechungsindex n&sub2; eingebettet bzw. eingefaßt bzw. aufgenommen ist, wobei im allgemeinen n&sub2; < n&sub1; ist. Es sollte beachtet werden, daß der Führungsbereich ebenso wie das Einfaßmaterial selbst so strukturiert sein können, daß sie zwei oder mehr Bereiche mit unterschiedlichen Brechungsindices haben können, wie es von zahlreichen bekannten Auslegungen optischer Fasern bekannt ist.
• Es ist wohl bekannt, daß optische Fasern der in der optischen Nachrichtentechnik und für optische Fasersensoren beispielsweise verwendeten Art im allgemeinen mit einer Schutzbeschichtung bedeckt sind, um die Faseroberfläche gegen mechanische und chemische Beschädigung zu schützen.
• Es ist ebenfalls bekannt, die Temperaturabhängigkeit der Übertragungsverluste einer optischen Faser durch Anwendung einer geeigneten Beschichtung auf die Faser zu vermindern. Beispielsweise offenbart die offengelegte europäische Patentanmeldung EP-A-0076575 ("Optical fibre insensitive to temperature variations", Hughes Aircraft Company) eine optische Faser, die zum Betrieb bei hohen Temperaturen geeignet ist. Gemäß der in der EP-A-0076575 gegebenen Offenbarung wird die Temperaturabhängigkeit der Übertragungsverluste, d. h. die Dämpfung bzw. Schwächung der optischen Signale, die durch die Faser gehen bei hohen Betriebstemperaturen durch Aufbringen einer Metallbeschichtung auf die Faser und durch Glühen bzw. Tempern vermindert. Die Beschichtung, die Aluminium oder ein anderes Material oder eine Metallegierung sein kann, wird auf die Faser aufgebracht, indem die Faser beispielsweise durch ein Schmelzbad gezogen wird und die so beschichtete Faser dann bei einer Temperatur von einigen hundert Grad Celsius geglüht wird. Es wird in der EP-A-0076575 ausgeführt, daß, unter der Voraussetzung, daß die Glühtemperatur genügend hoch dafür ist, daß die über die Faser auftretenden Übertragungsverluste genau so groß sind wie bei Raumtemperatur, die Temperaturabhängigkeit des Übertragungsverlustes über einen Bereich von Temperaturen von -200ºC bis 560ºC im wesentlichen beseitigt wird.
• Die Wirkung der Temperaturänderungen auf die Übertragungsverluste von optischen Fasern wird auch in "Optimum Design of Coated Optical Fibres Considering Excess at Low Temperature", K Masuno und K Ishihara, J Opt. Comm., 3(1982) 4, Seiten 142- 145 betrachtet. Der Einfluß der Temperaturänderung auf die Übertragungsverluste wird anhand optischer Fasern betrachtet, die mit einer Nylonbeschichtung vergütet sind, und es wird vorgeschlagen, daß die Temperaturabhängigkeit des Übertragungsverlustes bei diesen Temperaturen sehr klein gehalten werden kann, wenn man Nylonbeschichtungen mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 10&supmin;&sup5;C&supmin;¹ einsetzt.
• Die Europäische Patentanmeldung EP-A1-91,253 offenbart die Verwendung eines Rohrs aus einem thermotropen Flüssigkristall- Polymer mit einem negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der als dichte Füllung um eine optische Faser als Verstärkungselement vorgesehen ist.
• Die Europäische Patentanmeldung EP-A2-129,372, ein Dokument, dessen Inhalt teilweise unter den Stand der Technik dieser Anmeldung in bezug auf Artikel 54 (3) des Europäischen Patentübereinkommens fällt, offenbart die Verwendung einer thermotropen Polymer-Vergütung mit einem negativen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der in Verbindung mit optischen Fasern verwendet wird, die einen positiven Koeffizienten haben, um ein Kabel bzw. eine Faser zu schaffen, die ein hohes Modul und hohe Belastungsaufnahme-Eigenschaften hat.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Temperaturabhängigkeit der Übertragungsverzögerung in optischen Wellenleitern zu vermindern.
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Vermindern der Temperaturabhängigkeit dt/dT der Übertragungsverzögerung t in einem optischen Wellenleiter über einen gegebenen Temperaturbereich auf: Anbringen des optischen Wellenleiters auf eine Spanneinrichtung, die einen vorgewählten linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten &alpha; entgegengesetzten Vorzeichens zu dem des Wellenleiters hat und so ausgelegt ist, daß sie eine temperaturabhängige Belastung bzw. Spannung auf den Wellenleiter aufbringt, um im wesentlichen Veränderungen in der optischen Weglänge l in dem Wellenleiter auszugleichen, die auf Temperatur-induzierte Veränderungen im Gruppenindex N und der physischen Länge L des Wellenleiters zurückgehen, so daß dt/dT im wesentlichen gleich Null über den gegebenen Temperaturbereich gehalten wird.
• Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein optischer Wellenleiter-Aufbau einen optischen Wellenleiter auf, der an einer Spanneinrichtung befestigt ist, die einen vorgewählten thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten &alpha; von entgegengesetztem Vorzeichen zu dem des Wellenleiters hat und so ausgelegt wird, daß eine temperaturabhängige Spannung &delta; auf den Wellenleiter aufgebracht wird, um im wesentlichen Veränderungen in der optischen Weglänge l des Wellenleiters zu kompensieren, die auf Temperatur-induzierte Veränderungen in dem Gruppenindex N und der physischen Länge L des Wellenleiters zurückgehen, so daß dt/dT im wesentlichen gleich Null über einen gegebenen Temperaturbereich gehalten wird, um dadurch die Temperaturabhängigkeit dt/dT der Übertragungsverzögerung t in dem optischen Wellenleiter über den gegebenen Temperaturbereich zu vermindern.
• Der optische Wellenleiter ist vorzugsweise eine optische Faser. Alternativ kann der optische Wellenleiter beispielsweise eine optische Wellenleiterstruktur aufweisen, in der der Führungsbereich in einem planaren Substrat eingefaßt ist, z. B. einer Dünnfilm-Wellenleiterstruktur aus LiNbO&sub3; (Litiumniobat).
• Die Spanneinrichtung kann an den Weltenleiter an diskret beabstandeten Positionen angebracht sein, oder kann in unmittelbarem Kontakt mit dem Wellenleiter oder mit einem Zwischenmaterial selbst sein, das an den Wellenleiter angebracht ist.
• Die Befestigung zwischen Wellenleiter und Spanneinrichtung kann allein durch Reibung bzw. Reibschluß zustande kommen, oder kann durch eine beliebige Einrichtung, z. B. eine Klebverbindung geschehen.
• Vorzugsweise weist die Spanneinrichtung eine Hülse um den Wellenleiter herum auf.
• Alternativ kann die Spanneinrichtung beispielsweise ein Lagerelement beziehungsweise Trageelement sein, wie z. B. ein Verstärkungselement für ein optisches Faserkabel.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der optische Wellenleiter eine optische Faser auf, und die Spanneinrichtung weist eine Hülse auf, die einen Mantel bildet, der dicht um die optische Faser herum einschließt bzw. einfaßt oder wenigstens für einen Teil ihrer Länge.
• Temperatur-induzierte Veränderungen in der Übertragungsverzögerung in beispielsweise einer optischen Faser werden durch eine Kombination von Veränderungen in der Länge der Faser und in dem Brechungsindex der Faser verursacht. Diesen Veränderungen in der Übertragungsverzögerung wird entgegengewirkt gemäß der vorliegenden Erfindung durch Belastung bzw. Verformung bzw. Dehnung der Faser, und/oder Veränderungen in dem Brechungsindex der Faser, die aus der aufgebrachten Spannung resultieren. Der Mantel wird so gewählt, daß die Veränderungen in den Übertragungsverzögerungen, die durch die Wirkung des Mantels verursacht sind, den thermisch induzierten Veränderungen zu einer solchen Stärke entgegenwirken, daß sie diese im wesentlichen kompensieren.
• In einer ferner bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die optische Faser aus einer Stoffzusammensetzung und Struktur, so daß der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der Faser die Gesamtveränderung in der Übertragungsverzögerung bestimmt, und der Mantel weist Material mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten entgegengesetzten Vorzeichens zu dem der Faser auf.
• In einer ferner bevorzugten Ausführungsform weist die vorliegende Erfindung eine optische Faser mit einem positiven linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, und einen Mantel eines Materials, das einen negativen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat.
• Der Mantel kann in geeigneter Weise aus einem flüssig-kristallinen Polymer gebildet sein. Das Polymer kann auf die optischen Fasern extrudiert werden.
• Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise eingesetzt werden, um einen im wesentlichen Temperatur-unabhängigen optischen Weglänge-Referenzwert zu erhalten.
• Somit haben sich optische Fasern als nützlich beispielsweise für interferometrische Sensor-Elemente erwiesen, und zwar Dank der ihnen eigenen Empfindlichkeit auf Veränderungen der Temperatur, der Beanspruchung, des Drucks und elektrischen Stroms und Magnetfelds. Jedoch erfordern die meisten dieser Messungen beim Aufnehmen die Fähigkeit zur Unterscheidung zwischen dem gemessenen Parameter und den anderen Einflüssen, die einen ähnlichen Einfluß auf die Meßeigenschaften der Faser haben können. Dies wird oft durch Verwendung einer Referenzfaser erreicht, die denselben Einflüssen wie die Meßfaser unterworfen wird, mit Ausnahme des einen zu messenden Parameters. Dies erfordert ein sorgfältiges Layout bei Entwurf des Sensors. Einige Steuerelemente werden ferner im Referenzarm eingebaut, um eine Spurnahme der Drift, die durch Differential-Effekte induziert ist, zu behalten, insbesondere wenn die Temperatur eine Rauschquelle ist.
• Die vorliegende Erfindung löst oder erleichtert wenigstens einige dieser Probleme, indem sie unter anderem eine optische Faser schafft, die mit einem Material beschichtet ist, das die Wirkung der Desensibilisierung bzw. Aufhebung der Empfindlichkeit der optischen Verzögerung in der Faser bezüglich Temperaturänderungen hat.
• Die vorliegende Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf ein theoretisches Modell beschrieben, und beispielsweise mit Bezug auf die angehängten Figuren, von denen:
• Fig. 1 ein schematischer Querschnitt durch eine beschichtete optische Faser ist;
• Fig. 2 eine grafische Darstellung des Verhältnisses zwischen Temperatur und Übertragungsverzögerung einer optischen Faser bei Messung mit einem interferometrischen Verfahren ist, bei der die Faser gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtet ist; und
• Fig. 3 bis 5 weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutern.
• Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 weist eine optische Faser 1 einen Kern 2 auf, der in einer Plattierung bzw. einem Plaqu 3 eingefaßt ist, und, auf die primäre Beschichtung 4 aufgebracht, eine Beschichtung 5, die einen dicht umschließenden Mantel für die optische Faser 1 darstellt. Die Beschichtung 5, die beispielsweise auf eine primäre Beschichtung 4 aufgebracht werden kann, wie gezeigt, oder direkt auf die Oberfläche der Plattierung 3, dient dazu, im wesentlichen alle Temperaturinduzierten Veränderungen der Übertragungsverzögerung in der optischen Faser 1 auszugleichen.
• Die für das Beschichtungsmaterial erforderlichen Eigenschaften und die Beschichtung allgemein ergeben sich aus einer kurzen Darstellung der theoretischen Hintergründe. Wenn man beispielsweise die Meßeinrichtungen mit optischen Fasern betrachtet, ist das Messen mit optischen Fasern als Ergebnis der Veränderung der optischen Weglänge 1 möglich, und zwar aufgrund eines Einflusses, wie z. B. einer Temperaturveränderung. Dies hat die Wirkung einer Veränderung des Gruppenindex N, ebenso wie der physikalischen Länge der Faser L. Die Verzögerung in einer Faser kann dargestellt werden durch
• wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und 1 = NL.
• Wenn die Temperatur T sich ändert, wird die Verzögerung geändert und die Empfindlichkeit auf Veränderung ist gegeben durch
• Die Veränderung des Gruppenindex und der Länge können additive oder subtraktive Änderungen sein. Die Längenveränderung ist abhängig von den thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Faser, der in den Borosilikat-Gläsern ( 10&supmin;&sup5;) groß ist und für Silica-Fasern ( 10&supmin;&sup6;) klein ist. Der Basiswert (Nettowert) ist im allgemeinen positiv bezüglich der Temperatur.
• Wenn jedoch eine Faser beansprucht wird, kann gezeigt werden, daß die Veränderung der optischen Verzögerung bezüglich der Spannung durch die folgende Beziehung gegeben ist.
• wobei &sigma; die in der Faser induzierte Spannung ist. In dieser Gleichung haben die zwei Ausdrücke in den Klammern entgegengesetzte Vorzeichen und daher ist der Gesamteffekt leicht vermindert. Der Gesamteffekt ist jedoch positiv bei einer Erhöhung der Spannung.
• Der Leser sollte jetzt diese Faser betrachten, wenn sie mit einem Material beschichtet wird, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten hat, der entgegengesetzten Zeichens zu dem der Faser ist. Wenn die Faser einer Temperaturänderung unterworfen wird, treten zwei Wirkungen auf. Die eine ist die durch Längenänderung induzierte Belastung als Basiswert des in Konkurrenz damit stehenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Faser und der Beschichtung. Der andere Effekt ist die Veränderung der Verzögerung aufgrund einer Veränderung des Gruppenindex N und zwar als Ergebnis der Belastungswirkung und wegen der Temperaturverteilung (Dispersion von N). Man kann sehen, daß bei einer geeigneten Wahl des Beschichtungsmaterials die Gesamtänderung der optischen Verzögerung bezüglich der Temperatur auf Null vermindert werden kann. Es kann durch Analyse der Kompositstruktur aus Faser und Beschichtung gezeigt werden, daß
• wobei Ef der Youngsche Modul der Faser ist, af sein linearer Ausdehnungskoeffizient und
• Hier verweisen die Indizes "c" und "f" auf die Beschichtung bzw. die Faser. A ist die Querschnittsfläche, E der Youngsche Modul, und a der thermische Ausdehnungskoeffizient.
• Unter Verwendung der Gleichungen (4) und (5) erhalten wir einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtung von:
• wobei Kc = AcEc und Kf = AfEf. Für verschwindende Temperaturempfindlichkeit ist
• dt/dT=0.
• Unter Verwendung von typischen Werten für die Einzel-Mode- Silica-Faser und Verwendung von Parametern für die Beschichtung, wie sie in Tabelle 1 dargestellt sind, erhalten wir die erforderlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtung von etwa -9*10-&supmin;&sup6;.
• Eine enge Extrusions-Beschichtungspackung wurde für Natrium- Borsilikat (Multimode-und Silica-Monomode) optische Fasern hergestellt unter Verwendung eines orientierten thermotropen Flüssigkristall-Polyesters mit einem Youngschen Modul von etwa 20GNm². Diese Polymere werden auch "selbst-verstärkend" genannt und das verwendete Polymer ist ein Co-Polyester, das 73 Mol% p-oxybenzoyl und 27 Mol% 6-oxy-2 Naphthnoyl enthält. Dieses Polymer besitzt einen geordneten Schmelzzustand, der durch Scherung und verlängertem Schmelzfluß während der Extrusionsbeschichtung neugeordnet werden kann. Unter Verwendung dieser Eigenschaft können die Extrusionsbedingungen so zugeschnitten werden, daß sie einen Bereich von Polymer-Moduli und thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergeben. Typische Bedingungen geben hohe Moduli (20GNm&supmin;²) und geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten (5 · 10&supmin;&sup6;) im Vergleich zu herkömmlichen Polymeren.
• Die Fasern (zwei Proben von Natrium-Borsilikat (Multimode) mit abgestuftem bzw. sortiertem Index und zwei Proben von Silica (Monomode)) waren im Durchmesser 125um breit mit einer Silikongummi (Kautschuk-Beschichtung, die den Gesamtdurchmesser auf 250um treibt. Diese Fasern wurden unter Verwendung eines herkömmlichen 19 mm einschraubigen Extruders beschichtet. Der Schlüsselparameter bei Bestimmung des Grades der Polymerausrichtung, die durch den Extrusionsprozeß induziert wird, ist das Ziehverhältnis, gegeben durch die Quotienten aus der Querschnittsfläche der Form bzw. Pressform durch Querschnittsfläche der Beschichtung. Beispielsweise wurde eine 1 mm Form für Probe 1 verwendet und die Anlage wurde bei einer Extrusionsrate gleich der Abzugsrate (haul-off) betrieben, wodurch es ermöglicht wurde, den Beschichtungsdurchmesser bei 1 mm zu belassen. Dies begrenzt den Orientierungsprozeß, und gibt geringe Werte sowohl von a als auch E. Im Gegensatz dazu wurde für Probe 2 eine größere Form (2 mm) benutzt und das noch geschmolzene Polymer wurde nach der Extrusion abgezogen bzw. herabgezogen. Dies erhöht den Orientierungsgrad, und somit die entstehenden größeren Werte von a und E. Die Extrusionsbedingungen ermöglichen die Veränderung von &alpha;c von einem kleinen negativen Wert in einen kleinen positiven Wert. Die Koeffizienten der linearen Ausdehnung wurden wie folgt gemessen. Proben Nr. Beanspruchung Durchmesser Anlagengeschwindigkeit Preßform/Durchmesser a*10&supmin;&sup6; E Natrium-Borsilikat-(multimode)-Faser Silica-(monomode)-Faser
• Es folgt unmittelbar, daß ein sehr hoher Wert der Belastung besteht, der in den Glasfaser-Proben mit Natrium-Borsilikat festgelegt ist, und ein sehr geringer Wert in den Silica- Fasern. Dies wird verursacht durch den Unterschied in den a- Werten des Borsilikats und der Silica-Gläser (10&supmin;&sup5; bzw. 5*10&supmin;&sup7;) im Vergleich zu dem a Wert des Polymers. Das Polymer wird auf der Faser abgeschieden bzw. abgelagert, die durch seinen Durchgang durch den Extruder aufgeheizt und ausgedehnt wurde. Während das Polymer und das Glas abkühlen, schützt das starke und jetzt verfestigte Polymer die Faser vor einem Zusammenziehen und die Faser bleibt daher unter Spannung. Diese Wirkung ist größer für Natrium-Borsilikatglas aufgrund seines großen a. Der Ausdehnungskoeffizient des Fasermaterials ist daher wichtig in Verbindung mit diesem Polymer.
• In einem Beispiel wurde bemerkt, daß die Temperaturempfindlichkeit der Übertragungsverzögerung sehr gering war, und von etwa 38 ps deg&supmin;¹ km&supmin;¹ für die nackte Faser auf etwa Null für die Komposit-Faserstruktur vermindert wurde, und zwar bei einer Temperatur um -20ºC herum. Um die starke Verminderung der Empfindlichkeit auf Temperatur und seine Anwendung in Sensoren zu bestätigen, wurde ein Einzel-Mode-Faser Michelson Interferometer hergestellt, wobei jeder Arm etwa 30 m beschichtete Faser hatte. (Ein Einzel-Mode-Faser-Michelson-Interferometer ist beispielsweise beschrieben in den britischen Patentanmeldungen Nr. 8305154 und 8306774 im Namen der vorliegenden Anmelderin.) Ein Arm wurde in eine stabile Temperaturumgebung bei Raumtemperatur gesetzt, während der andere Arm bei -25ºC Temperatur-geneigt war. Ein Streifen-Zähler wurde an dem Ausgang des Interferometers angesetzt, um ihn mit der nackten Faser zu vergleichen, der einer ähnlichen Temperaturneigung ausgesetzt war.
• Die Empfindlichkeit der nackten Faser wurde zu etwa 8,33 Streifen C&supmin;¹m&supmin;¹ (16.66 &Pi; rads C&supmin;¹ m&supmin;¹) gemessen. Eine Messung des Streifenzählers für die beschichtete Faser ergab einen Durchschnitt von 0,92 Streifen C&supmin;¹ m&supmin;¹ (1,84 &Pi; rads C&supmin;¹ m¹). Dies stellt eine Verminderung der Empfindlichkeit auf etwa 10% des Wertes der nackten Faser dar. Die gemessenen Streifenzähl-Daten sind als Funktion der Temperatur in Fig. 2 aufgetragen, wo die Hysterese aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der zur Messung der Temperatur verwendeten Thermokopplung und der tatsächlichen Temperaturverteilung längs der Gesamtlänge der beschichteten Faser auftritt. Wie man aus der Figur sehen kann, ist das Gefälle bzw. die Neigung bzw. die Schräge in beiden Richtungen etwa 2 Grad nach dem Beginn der Messung in jeder Richtung des Temperaturverlaufs.
• Die Empfindlichkeit der Übertragungsverzögerung der beschichteten Faser gegen Temperaturveränderungen kann weiter vermindert werden durch Veränderung der Schmelz- und Extrusions- Bedingung, die ihrerseits den Ausdehnungskoeffizienten des Materials verändern. Bei der korrekten Ausdehnung des Beschichtungsmaterials sollte es möglich sein, die Empfindlichkeit der Übertragungsverzögerung der Faser auf Temperaturfluktuationen über einen weiter verwendbaren Temperaturbereich zu minimieren. Es sollte ferner möglich sein, die akustische Empfindlichkeit der beschichteten Faser durch Extrudieren von Materialien mit geringer Nachgiebigkeit zu vermindern. Dies würde die Herstellung von Sensoren für spezifische Anwendungen ermöglichen. Eine Messung hat ergeben, daß die Empfindlichkeit auf etwa 10% einer nackten Silikafaser vermindert wurde. Durch Änderung der Extrusionsbedingungen werden weitere Verminderungen der Empfindlichkeit gegen Temperaturveränderungen angestrebt. Optische Fasern, die erfindungsgemäß beschichtet sind, betrachtet man als nützlich bei Sensoranwendungen. Ebenso würden diese zum erstenmal den Aufbau von hochstabilen Einrichtungen wie z. B. Faser-Einzelmode-Laser mit externer Kavität ermöglichen. Tabelle 1 Faser Polymer Durchmesser Primär-Beschichtung Ausdehnungskoeffizient Youngscher Modul
• Unter Bezugnahme auf Fig. 3 bis 5 sind alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert.
• In Fig. 3 sind die Spanneinrichtungen für die optische Faser 1 durch ein verstärktes auf Polymer gegründetes Substrat 10 gegeben. Die Faser 1 ist durch Klammern bzw. Klemmen 14 und 15 daran befestigt, an beabstandeten Positionen 12 und 13, die von lösbarem Typ sein können, z. B. Schraubenklammern. Alternativ kann anstelle der lösbaren Klammern eine Klebverbindung eingesetzt werden, um die Faser an dem Substrat anzubringen, entweder direkt oder indirekt über Befestigungsblöcke (nicht gezeigt). In der Anordnung von Fig. 3 muß die Faser 1 vor der Befestigung an dem Substrat genügend vorgespannt werden, um zu gewährleisten, daß die Spannung der Faser nicht durch Veränderungen des Substrats von thermischen Ausmaßen über den angestrebten Bereich von Arbeitstemperaturen freigegeben bzw. gelöst wird.
• Es ist zu verstehen, daß in dem Beispiel der Fig. 3 die optische Faser leicht durch eine optische planare Wellenleiter- Struktur ausgetauscht werden kann, z. B. eine Dünnfilmwellenleiter-Struktur aus LiNbO&sub3;, die dann vorzugsweise an dem Substrat über ihre ganze Länge befestigt wäre. Im Hinblick auf die Festigkeit bzw. Steifigkeit solcher Wellenleiter-Strukturen wäre jedoch die Vorspannung bzw. Vorbeanspruchung normalerweise nicht nötig.
• In Fig. 4 ist eine Anordnung gezeigt, in der die Faser 1 um ein Polymer-Verstärkungselement 21 mit den erwünschten thermischen Ausdehnungseigenschaften gewickelt ist, wie obenstehend diskutiert. Faser 1 ist wiederum vorgespannt. Dies gewährleistet einen engen Kontakt zwischen der Faser und dem Verstärkungselement 21, so daß jede Veränderung, primär in der Länge, aber auch im Durchmesser, des Verstärkungselementes 21 eine entsprechende Veränderung der Spannung der Faser 1 verursacht.
• In Fig. 5 ist die Faser 1 um eine Trommel 31 aus Polymer herumgewickelt gezeigt, das die geeigneten thermischen Eigenschaften hat, wie sie bereits angesprochen wurden. Es ist leicht zu verstehen, daß jede Veränderung, hauptsächlich im Durchmesser, aber auch axial, der Trommel eine Veränderung der Spannung in der Faser 1 verursacht.

Claims (33)

1. Verfahren zum Vermindern der Temperaturabhängigkeit dt/dT der Übertragungsverzögerung t in einem optischen Wellenleiter über einen gegebenen Temperaturbereich, das aufweist:

Anbringen des optischen Wellenleiters (1) an einer Spanneinrichtung (5; 10; 21; 31), die einen ausgewählten linearen thermischen Ausdehnungkoefizienten &alpha; von entgegengesetztem Vorzeichen zu dem des Wellenleiters hat, und so ausgelegt ist, daß eine temperaturabhängige Spannung &delta; im Wellenleiter angebracht wird, um im wesentlichen Veränderungen der optischen Weglänge 1 in dem Wellenleiter zu kompensieren, die auf temperaturinduzierte Veränderungen des Gruppenindex N und der physischen Länge L des Wellenleiters zurückgehen, so daß dt/dT über den gegebenen Temperaturbereich im wesentlichen gleich Null gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend das Anbringen des Wellenleiters an der Spanneinrichtung, die einen negativen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das aufweist: Anbringen der Spanneinrichtung, die einen dicht umgebenden Mantel (5) aufweist, um den Wellenleiter (1) herum, wobei die Parameter des Mantels so gewählt sind, daß

wobei Kj=AjEj und Kw=AwEw sind und

&alpha; der Ausdehnungskoeffizient, A die Querschnittsfläche und E der Youngsche Modul ist, wobei die Indices j und w auf den Mantel bzw. den Wellenleiter verweisen, und wobei

und die Auswahl wird so bestimmt, daß dt/dT im wesentlichen gleich Null über den gegebenen Temperaturbereich gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das aufweist: Anbringen des Wellenleiters an einer Spanneinrichtung, die aus einem orientiertem Polymer gebildet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, das folgendes aufweist: Bilden der Spanneinrichtung durch die Extrusion eines Flüssigkristall- Polymers.

6. Verfahren nach Anspruch 3, das aufweist: Anbringen des Mantels (5) an einer optischen Faser (1).

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Mantelmaterial auf die Faser extrudiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei wenigstens ein elastisches Modul oder der Temperaturkoeffizient des extrudierten Materials wenigstens teilweise durch die Extrusionsbedingungen bestimmt sind.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das aufweist: Vorspannen des Wellenleiters und Anbringen der Spanneinrichtung an dem vorgespannten Wellenleiter.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Befestigung wenigstens primär durch Reibkontakt bzw. Reibschluß besteht.

11. Optische Wellenleiter-Anordnung, die aufweist: einen optischen Wellenleiter (1), der an der Spanneinrichtung (5; 10; 21; 31) angebracht ist, welche einen ausgewählten thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten u von entgegengesetztem Vorzeichen zu dem der Wellenlänge hat, und so ausgelegt ist, daß sie eine Temperatur-abhängige Belastung bzw. Spannung 6 an den Wellenleiter anlegt, um im wesentlichen Veränderungen der optischen Weglänge 1 in dem Wellenleiter zu kompensieren, die auf Temperaturinduzierte Veränderungen des Gruppenindex N und der physischen Länge L des Wellenleiters zurückgehen, so daß dt/dT im wesentlichen gleich Null über einen gegebenen Temperaturbereich gehalten wird, um dadurch die Temperaturabhängigkeit der Übertragungsverzögerung t des optischen Wellenleiters über den gegebenen Temperaturbereich zu vermindern

12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei die Spanneinrichtung einen negativen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat.

13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Wellenleiter an der Spanneinrichtung an diskret beabstandeten Positionen angebracht ist.

14. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Wellenleiter vorgespannt und auf die Spanneinrichtung in vorgespanntem Zustand angebracht wird.

15. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Spanneinrichtung aus einem orientierten Polymer gebildet wird.

16. Anordnung nach Anspruch 15, wobei die Spanneinrichtung aus einem Flüssigkristall-Polymer gebildet ist.

17. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Wellenleiter eine optische Faser aufweist.

18. Anordnung nach Anspruch 17, wobei die Spanneinrichtung ein zylindrisches Element (31) aufweist, und die optische Faser um das zylindrische Element gewickelt ist.

19. Anordnung nach Anspruch 17, wobei die Spanneinrichtung ein Hülsenelement (5) um die Faser herum aufweist.

20. Optische Faser (1), die wenigstens einen Teil ihrer Länge in einem dicht abschließenden Mantel (5) eingeschlossen aufweist, der einen ausgewählten thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten &alpha; von entgegengesetztem Vorzeichen zu dem der Faser hat und so ausgelegt ist, daß er eine temperaturabhängige Spannung &delta; auf die Faser aufbringt, um im wesentlichen Veränderungen der optischen Weglänge l in der Faser auszugleichen, die auf Temperaturinduzierte Veränderungen des Gruppenindex N und der physischen Länge L der Faser zurückgehen, so daß dt/dT im wesentlichen gleich Null über einen gegebenen Temperaturbereich gehalten wird, wodurch die Temperaturabhängigkeit der Übertragungsverzögerung t der optischen Faser über den gegebenen Temperaturbereich vermindert wird.

21. Optische Faser nach Anspruch 20, wobei die Parameter des Mantels (5) so gewählt sind, daß

wobei kj=AjEj und Kf=AfEj sind und

&alpha; der Ausdehnungskoeffizient, A die Querschnittsfläche und E der Youngsche Modul sind, die Indizes j und f auf den Mantel bzw. die Faser verweisen, und wobei

und

K=(AjEj&alpha;j+AfEf&alpha;f)/(AjEj+AfEf)

und die Auswahl so bestimmt ist, daß dt/dT im wesentlichen gleich Null über den gegebenen Temperaturbereich aufrechterhalten wird.

22. Optische Faser nach Anspruch 20 oder 21, wobei der Mantel einen negativen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten hat.

23. Optische Faser nach Anspruch 20 oder 21, wobei der Mantel ein orientiertes Polymer aufweist.

24. Optische Faser nach Anspruch 23, wobei das Polymer ein thermotropes flüssigkristallines Polymer ist.

25. Optische Faser nach Anspruch 20 oder 21, wobei der Mantel ein Beschichtungsmaterial ist, das auf die Primärbeschichtung der Faser angebracht wird.

26. Optische Faser nach Anspruch 20 oder 21, wobei das Mantelmaterial einen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von -5 · 10&supmin;&sup6; hat.

27. Optische Faser nach Anspruch 20 oder 21, wobei die optische Faser eine Monomode-optische Silicafaser ist.

28. Optische Faser nach Anspruch 20 oder 21, wobei das Mantelmaterial einen elastischen Modul in der Größenordnung von 20GNm&supmin;² hat.

29. Optische Faser-Anordnung in der zwei oder mehr optische Fasern, wie sie in Anspruch 20 oder 21 beansprucht sind, eine gemeinsame Beschichtung haben.

30. Interferometrische Meßvorrichtung, die optische Fasern nach Anspruch 20 oder 21 aufweist.

31. Meßvorrichtung nach Anspruch 30, die ein Michelson Interferometer mit optischen Fasern aufweist.

32. Temperatur-stabilisierte optische Kavität, die eine optische Wellenleiter-Anordnung nach Anspruch 11 oder 12 aufweist.

33. Temperatur-stabilisierte optische Kavität, die eine Länge der optischen Faser gemäß Anspruch 20 oder 21 aufweist.