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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Datenübertragung mit einem Wellenleiter, einer Lichtkupplung und einem elektro-optischen Energiewandler, oder mehreren dieser Elemente.
Die Datenübertragung, z. B. auf dem Gebiet der Fernmeldetechnik, kämpft seit längerem mit der zunehmenden starken Besetzung und Überlastung der verfügbaren Frequenzbänder. Der seit kurzem erschlossene Frequenzbereich von 106 - 109Hz ist schon wieder überlastet, so dass an der Aufschliessung des Bandes von 109 - 1012 Hz gearbeitet wird. Ein Bedürfnis nach weiteren Frequenzbereichen bis zum sichtbaren Lichtspektrum bei etwa 10 Hz ist bereits abzusehen. Für das zukünftige optische Nachrichtensystem werden zuverlässige Lichtleiter benötigt.
Hiefür sind optische Fasern mit einem Kern und einem diesen umgebenden Mantel mit jeweils verschiedenem Brechungsindex grundsätzlich geeignet, vgl. hiezu sowie hinsichtlich der Einzelheiten des Aufbaues und der Wirkungsweise optischer Wellenleiter die US-PS Nr. 3, 157, 726 sowie E. Snitzer in Journal of the Optical Society of America 51, S. 491 - 498, und N. S. Kapany, FiberOptics, (1967).
Die Herstellung optischer Fasern erfolgt bisher in der Weise, dass ein Glasstab aus einem für den Faserkern geeigneten Glas in ein Glasrohr aus einem für den Fasermantel bestimmtem Glas gesteckt und erhitzt wird, bis die Viskosität das Ziehen des Rohres mit dem eingesteckten Stabkern gestattet. Beim Ausziehen fällt das Rohr nach innen zusammen und verschmilzt mit dem Stabkern. Es kann dann noch weiter gezogen werden, bis ein verlangter kleinerer Durchmesser erreicht ist. Für ein bestimmtes Durchmesserverhältnis werden Rohr und Stabkern meist mit verschiedener Geschwindigkeit gezogen. Das Verhältnis des Gesamtdurchmessers zum Kerndurchmesser beträgt in der Regel 10 : 1 bis 300 : 1 für Wellenleiter mit nur einer Wellenmode.
Dagegen liegt bei Wellenleitern mit mehreren Wellenmoden das Verhältnis des Gesamtdurchmessers zum Kerndurchmesser zwischen 1001 : 1000 und 10 : 1 und der Kerndurchmesser beträgt bis zu 1000 it, neuerdings aber auch weniger als 25 jn, weil die Bandbreite des Wellenleiters mit der Kerngrösse und der Zahl der fortgepflanzten Wellenmoden abnimmt. Bevorzugt werden Wellenleiter, die sich nur in einigen statt in mehreren Tausend Wellenmoden fortpflanzen, weil sie mehr Daten übertragen können. Oft werden mehrere Fasern gebündelt. Das von einer Lichtquelle ausgesandte Licht wird meist auf eine Stirnfläche der Faser oder des Faserbündels gerichtet.
Dabei ist der Einfallskegel auf den Halbwinkel mit der Faserachse IG begrenzt, wobei
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worin n. den Brechungsindex des umgebenden Materials an der Eingangsfläche bezeichnet. Die numerische Apertur NA einer solchen Faser ist ein Mass ihrer lichtsammelnden Fähigkeit und ergibt sich aus der Gleichung
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Da inWellenleitern die Differenz der Brechungsindices von Kern und Mantel im Vergleich zu andern optischen Fasern gering ist, wird gemäss Gleichung (2) auch die numerische Apertur kleiner als gewöhnlich,
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od. dgl., weil sie kompakter, weniger anfällig und auch weniger aufwendig als Laser sind und leichter an Festkörperschaltungen angeschlossen werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur optischen Datenübertragung mit einem optischen Wellenleiter zu schaffen, die eine verbesserte, vereinfachte und zugleich im Wirkungsgrad verbesserte Lichtkupplung enthält.
Die erfindungsgemässe Anordnung zur optischen Datenübertragung, in welcher ein oder mehrere Wellenleiter über eine Lichtkupplung an eine Lichtquelle oder einen Lichtdetektor gekoppelt sind, wobei die Lichtkupplung einen langgestreckten, sich verjüngenden Abschnitt mit einem durchsichtigen Kern und einem durchsichtigen Mantel mit kleinerem Brechungsindex als der Kern aufweist, ist nun dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex n des Kerns der in Form eines Kegelstumpfes ausgebildeten Lichtkupplung sich von dem einen bis zu dem andern Ende des Kerns ändert, u. zw. an dem Ende grösseren Durchmessers kleiner als an dem Ende kleineren Durchmessers ist, und dass dieses kleinere Ende zur Lichtquelle bzw. zum Lichtdetektor hin liegt.
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An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung im einzelnen erläutert. Darin zeigen Fig. 1 eine bekannte Lichtkupplungmit einem optischen Wellenleiter im Längsschnitt ; Fig. 2 den Übertragungsteil eines optischen Kommunikationssystems mit einer erfindungsgemässen Lichtkupplung im Längsschnitt ; Fig. 3 ein die Arbeitsweise des Eingangsendes der erfindungsgemässen Lichtkupplung erläuterndes Schaubild ; Fig. 4 ein weiteres, die Arbeitsweise der Erfindung erläuterndes Schaubild ; Fig. 5 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mit einem aus mehreren kegelstumpfförmigen Abschnitten bestehenden Kern des Wellenleiters im Längsschnitt ; Fig. 6 schematisch den Anschluss der Lichtkupplung an ein optischen Datenübertragungssystem.
In Fig. 1 ist als lichtübertragender Teil der Anordnung eine Inkohärenz-Lichtquelle --6-- dargestellt, z. B. eine lichtsendende Diode, die mit dem Eingangsende eines optischen Wellenleiters --10-- gekoppelt ist. Dieser besteht aus dem Kern--12-- aus durchsichtigem Material mit dem Brechungsindex n, umgeben von einerMantelschicht --14-- aus durchsichtigem Material mit dem niedrigeren Brechungsindex n 2'In bekannten Anordnungen fällt ein grosser Teil des von dem Teil--18-- der Diode --6-- ausgestrahlten Lichtes nicht in den Einfangswinkel # des Wellenleiters --10-- gemäss Gleichung (1) und wird daher nicht fortgepflanzt. Die Anordnung gemäss Bell Lab. Record 49.
Nr. 11, Dezember 1971, mit einer GaAs-Diode mit einer lichtabstrahlenden Fläche von 50 p. Durchmesser und einer Multimodenfaser von 50 p, Kerndurchmesser überträgt daher nur etwa 1 mW von den von der Diode gesendeten mehreren mW.
Durch die erfindungsgemässe Anordnung wird demgegenüber die gekoppelte Lichtmenge erheblich gesteigert. Die Lichtkupplung --26-- gemäss Fig. 2 besteht aus einem kegelstumpffömigen Kern --30-- aus durchsichtigem Material mit einem Brechungsindex nt, der von einer durchsichtigen Mantelschicht mit dem niedrigeren Brechungsindex n2 2 umgeben ist ; mit-34-- ist die Grenzfläche zwischen Kern und Mantel bezeichnet. Der Kern besteht beispielsweise aus Flintglas mit einem Brechungsindex von 1, 75 und der Mantel aus Kronglas mit einem Brechungsindex von 1,52. Geeignet sind auch andere Gläser, Kunststoffe usw. So kann z.
B. der Kern aus dotiertem und der Mantel aus reinem Kieselsäureglas bestehen, doch wird dann der Brechungsindex entlang des Kernes nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit unterschiedlichen Werten ausgebildet, weil bei dieser Materialwahl die numerische Apertur am Eintrittsende (d. i. das das Licht aufnehmende Ende) verhältnismässig niedrig ist. Der Kern kann aus dem gleichen Material bestehenwie der Kern oder die Kerne der Wellenleiter. Die Stirnflächen mit kleinem Durchmesser--36--und grösse- remDurchmesser--38-- sind vorzugsweise optisch poliert. Die Stirnfläche --36-- kann so gross ausgebildet werden, dass sie die gesamte lichtabstrahlende Fläche --40--der Diode --42-- deckt.
Auch die Stirnfläche - kann etwa dem Durchmesser der wirksamen Fläche des bzw. der an die Lichtkupplung angeschlossenen Lichtleiter entsprechen. Bei einem Lichtleiter in Form eines einzelnen optischen Wellenleiters besteht die wirksame lichtübertragende Fläche aus dem Kern und jenem Teil des den Kern umgebenden Mantels, in welchen ein kleiner Teil des im Kern sich fortpflanzenden Lichtes eintritt, aber dort noch immerweiter fortgepflanzt wird. Besteht der Lichtleiter aus einem Faserbündel-46-, so ist dessen gesamter Querschnitt die wirksame Fläche. Die Kupplung --26--kann durch Kittperlen --44,48--mit der Diode --42-und dem Faserbündel-46-- verbunden werden.
Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge befindet sich die Diode --42-- in unmittelbarem Kontakt mit der Stirnfläche --36--. Den hiebei entstehenden Strahlengang erläutert die Fig. 3. Der Brechungsindexvon Kern, Mantel und Diode ist mit n, n2 und n bezeichnet.
Da der Brechungsindex einer Diode meist sehr hoch ist, wird n grösser als n und n2 sein; daher wird ein unter einem grösseren Winkel e, als dem kriti- schen Winkel e (d. i. der Grenzwinkel, bei welchem die Lichtstrahlen in die Stirnfläche eintreten und nicht mehr reflektiert werden) entspricht, auf die Stirnfläche --36-- auftreffender Strahl reflektiert werden und nicht in die Stirnfläche eintreten, wobei
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Ist der Einfallswinkel # aber kleiner als der kritische Winkel 80'so tritt der Lichtstrahl --56--in den Kern --30-- ein und wird als Strahl--58-- unter einem Winkel 81 > 8 vom Lot gebrochen.
Ein Teil der in den Kern --30-- eintretenden Lichtstrahlen trifft nicht auf die Grenzfläche --34-- auf und geht durch die Lichtkupplung --26-- ohne Änderung ihrer Winkelorientierung hindurch. Trifft der Strahl
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worin # = der Winkel des Lichtstrahles --58-- mit der Senkrechten zur Grenzfläche --34-- und ss = der Verjüngungshalbwinkel des Kerns --30-- ist. Nimmt der Winkel e zu, so wird der Winkele kielner,
bis der
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bestimmte Lichtquelle bestimmt den Radius R der kleineren Stirnfläche --36-- und die Grösse der Wellenleiter --46-- bestimmt den Radius A der grösseren Stirnfläche --38--. Die Länge L der Lichtkupplung kann dann durch die folgende Gleichung errechnet werden :
L = (A-R) cot ss. (8)
Für jede Innenreflexionnimmt der Winkel des Lichtstrahles mit der Längsachse des Kernes --30-- und 2 ss ab. Daher ist der Winkel -- 60-- der Fig. 3 mit der Längsachse des Kernes-30-um2 ss kleiner als der des Lichtstrahls-58-.
Wie die Fig. 4 zeigt, entsteht für einen an der Kante der Stirnfläche --36-- unter einem Winkel von Oc einfallenden Lichtstrahl ein gebrochener Lichtstrahl-66-, der einer maximalen Anzahl von Reflexionen unterworfen ist. Der zuletzt reflektierte Strahl -- 66-- bildet mit der Längsachse der Kernes --30-- einen Winkel, der um 2 Mss kleiner als der vom Strahl--64-- mit dieser Längsachse gebildete Winkel ist, wobei M die Gesamtzahl der Reflexionen bezeichnet. Der Austrittswinkel K steht mit dem Einfallswinkel e durch die Brechungsindices der Lichtquelle, des Kerns und des optischen Wellenleiters, sowie der Gesamtzahl der Reflexionen in Beziehung.
Die Zeichnungen sind nur schematisch ; beispielsweise braucht die Verjüngung des Kerns nicht ganz linear zu verlaufen. Kerne mit linearer Verjüngung sind aber in bekannter Weise durch Ausziehen einer Faser mit grossem Durchmesser herstellbar, wobei durch Regelung der Temperatur und der Ziehkraft der gewünsche Verjüngungswinkel entsteht. Auch die Dicke der Mantelschicht braucht nicht konstant zu sein, sie soll aber gross genug sein, um zu verhindern, dass nennenswerte Mengen des einfallenden Lichtes an die Mantelaussenfläche gelangen. Die Mindestdicke des Mantels richtet sich nach dem Brechungsindex von Kern und Mantel und beträgt in der Regel nicht weniger als etwa das Zehnfache der Wellenlänge der Lichtfortpflanzung durch die Anordnung.
In der oben beschriebenen Ausführungsform besteht der Kern der Lichtkupplung aus einem homogenen Element, dessen Brechungsindex über seine gesamte Länge konstant ist. Die Erfordernisse hinsichtlich des Brechungsindex an den beiden Enden des Kernes --30-- in Fig. 2 sind dagegen verschieden. Der Brechungsindex in der Nähe der Stirnfläche --36-- soll so hoch wie möglich sein, damit die in die Stirnfläche --36-- eintretenden und auf die Grenzfläche--34-- unter kleinem Winkel zur Senkrechten einfallenden Lichtstrahlen von dieser Grenzfläche --34-- reflektiert werden. Anderseits soll der Brechungsindex nahe der Stirnfläche - ähnlich dem des Kernmaterials in dem Wellenleiter sein, damit an der Grenzfläche die Kupplungs-
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wirkung möglichst gross ist.
Zur Erläuterung sei als Beispiel angenommen, dass der Wellenleiter aus dotiertem Kieselsäureglas mit einem Brechungsindex von weniger als 1,5 besteht. Hätte der Kern zwecks Erzielung einer guten Kupplungswirkung der Lichtkupplung --26-- und des Wellenleiters --46-- einen Brechungsindex von ebenfalls etwa 1,5, so wäre die numerische Apertur der Lichtkupplungan der Stirnfläche --36-- relativ klein und ein grosser Teil des nahe der Stirnfläche --36-- auf die Grenzfläche-34-- fallenden Lich- tes würde aus der Lichtkupplung entweichen. Durch einen Kern der Lichtkupplung mit sich allmählich oder abgestuft änderndem Brechungsindex wird diese Schwierigkeit behoben.
In der Ausführungsform gemäss Fig. 5 besteht der Kern aus drei Abschnitten-70, 72 und 74-- mit jeweils zunehmendem Brechungsindex. Die Mantelschicht --76-- bildet mit diesen Abschnitten eine Grenzfläche --78 bzw. 80 bzw. 82--. Die dünnen durchsichtigen Schichten --86 und 88--, z. B. aus Epoxyharz oder anderem durchsichtigem Material mit einem den benachbarten Teilen ähnlichen Brechungsindex verbinden die Lichtkupplung --26'-- mit der Lichtquelle --42'-- und dem optischen Wellenleiter --90--, vorzugsweise als unmittelbare Kontaktverbindung entsprechend Fig. 2. Besteht z.
B. wegen der Bindeschicht-86-- zwischen der Lichtquelle und der Stirnfläche --36'-- ein Abstand, so soll der Brechungsindex des Bindemittels so hoch wie möglich sein, damit eine möglichst grosse Lichtmenge von der Lichtquelle zur Lichtkupplung übertragen wird.
Infolge des relativ hohen Brechungsindex des Abschnittes --74-- hat das der Eingangsfläche --36'--be-nachbarte Ende der Lichtkupplung --26'-- eine relativ grosse numerische Apertur und nimmt einen relativ
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die Stirnfläche --36'-- und auf die Grenzfläche --82-- unter relativ kleinem Winkel zur Senkrechten einfallenden Lichtstrahlen einer inneren Totalreflexion und werden zur Stirnfläche --38'-- hin fortgepflanzt. Da für jede Reflexion der Winkel mit der Längsachse des Kerns um 2 ss abnimmt, kann ein mehrmals reflektierter Strahl in den Teil--72-- gelangen und trotz der unterschiedlichen Brechungsindices von Teil--72-und Mantel --76-- von der Grenzfläche --80-- reflektiert werden.
Entsprechend fällt auch der im Teil - -72-- mehrmals reflektierte Strahl unter noch kleinerem Winkel zur Kupplungslängsachse in den Abschnitt - 70-ein. DerAbschnitt-70-bestehtz. B. aus dotiertem Kieselsäureglas,mit einem dem des Kernsdes Wellenleiters --90-- ähnlichen Brechungsindex, so dass zwischen der Lichtkupplung --26'-- und dem optisehen Wellenleiter -- 90-- ein guter Wirkungsgrad der Kupplung erzielt wird.
Die Fig. 6 zeigt den Empfängerteil einer Anordnung zur optischen Datenübertragung mit einem Wellen- leiter --92-- und einer angeschlossenen Lichtkupplung-94--, an deren Ende kleineren Durchmessers ein Lichtdetektor -- 96-- angeordnet ist.
Da der Querschnitt optischer Wellenleiter und Fasern meist kreisrund ist, wird das grössere Ende der Lichtkupplung vorzugsweise ebenfalls kreisrund sein, es kann aber auch von anderer Form sein, entsprechend dem jeweiligen Querschnitt des Wellenleiters. Das gilt entsprechend für das Kupplungsende kleineren Durchmessers (Eintrittsende). Dies kann z. B. elliptisch sein, je nach der Form der lichtaussendenden Fläche der Lichtquelle.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur optischen Datenübertragung, in welcher ein oder mehrere Wellenleiter über eine Lichtkupplung an eine Lichtquelle oder einen Lichtdetektor gekoppelt sind, wobei die Lichtkupplung einen langgestreckten, sich verjüngenden Abschnitt mit einem durchsichtigen Kern und einem durchsichtigen Mantel mit kleinerem Brechungsindex als der Kern aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bre-
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ner als an dem Ende (36) kleineren Durchmessers ist, und dass dieses kleinere Ende (36) zur Lichtquelle bzw. zum Lichtdetektor hin liegt.