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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Datenübertragung, insbesondere eine verbesserte Lichtkupplung in einer wenigstens einenwellenleiter enthaltendenanordnung zur optischen Datenübertragung nach dem Stammpatent.
Das Stammpatent Nr. 346622 betrifft eine Anordnung zur optischenDatenübertragung, 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, welche Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Brechungsindex ni des Kernes der in Form eines Kegelstumpfes ausgebildeten Lichtkupplung sich von dem einen bis zu dem andern Ende des Kernes 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.
Bei der Anordnung des Stammpatentes werden die von der Lichtquelle ausgehenden, am Ende kleineren Durchmessers des verjüngt zulaufenden Kernes unter einem grösseren Winkel als dem kritischen Winkel einfallenden und auf die Kern-Mantel-Grenzfläche auftreffenden Lichtstrahlen von dieser Grenzfläche ein oder mehrere Male reflektiert und vom Ende grösseren Durchmessers des Kernes abgestrahlt. Bei jeder inneren Totalreflexion wird dabei der von dem Lichtstrahl mit der Kernachse gebildete Winkel um das Doppelte des Verjüngungshalbwinkels ss des Kernes kleiner. Dagegen gehen die unter einem kleinerenWinkel als dem kritischen Winkel am Ende kleineren Durchmessers einfallenden und auf die Kern-Mantel-Grenzfläche fallenden Strahlen durch die Grenzfläche hindurch.
Sie stehen daher für die Lichtfortpflanzung im Wellenleiter nicht mehr zur Verfügung und gehen damit dem System verloren. Diese Verluste begrenzen die numerische Apertur NA am Eintrittsende der Kupplung auf den Wert gemäss der Gleichung
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Diese Gleichung zeigt, dass die numerische Apertur am Eintrittsende NAin durch die Brechungsindices von Kern und Mantel begrenzt wird.
Die Erfindung hat eine weitere Ausgestaltung der Lichtkupplung des optischen Datenübertragungssystems nach dem Stammpatent zur Aufgabe, die hinsichtlich der Lichtfortpflanzung mit innerer Totalreflexion nicht durch die Brechungsindices der die Innenreflexionsfläche bildenden Materialien begrenzt ist.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass auf mindestens einem Teil des durchsichtigen Mantels eine weitere umhüllende, an sich bekannte Schicht vorgesehen ist, die eine zweite, reflektierende Grenzfläche bildet und aus einem reflektierenden Metall aufgebaut ist.
Die aus einer Metallschicht bestehende Reflexionsschicht umgibt zumindest den am Ende kleineren Durchmessers der Kupplung anliegenden Teil des Mantels, oder aber die gesamte Oberfläche der Mantelschicht, die dann ihrerseits den gesamten Kern umgibt.
An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert. In diesen zeigt Fig. l den Übertragungsteil eines optischen Kommunikationssystems mit einer erfindungsgemäss ausgestalteten Lichtkupplung im Längsschnitt ; Fig. 2 ein die Arbeitsweise am Eingangsende der Lichtkupplung erläuterndes Schaubild ; Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt ; Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung mit einem aus mehreren, Abschnitten aufgebauten Kern im Längsschnitt ; Fig. 5 den Anschluss der Lichtkupplung an ein optisches Kommunikationssystem.
Bei der Anordnung nach dem Stammpatent begrenzt der kritische Winkel fc die numerische Apertur NA am Eintrittsende der Lichtkupplung mit einem gegebenen Verjüngungshalbwinkel ss. Da der Winkel fc eine Funktion der Brechungsindices ni und n 2 ist, wird die numerische Apertur am Eintrittsende der Lichtkupplung NAin durch die Werte n1 und n, gemäss der obgenannten Gleichung
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begrenzt, wobei NAin bei geringeren Differenzen von n1 und n2 kleiner ist.
Nach der weiteren Ausgestaltung gemäss der Erfindung wird diese Begrenzung wie in Fig. 1 dargestellt, dadurch vermieden, dass auf der Oberfläche der Mantelschicht --14-- eine lichtreflektierende Fläche --20--, z. B. in Form einer aufgebrachten Metallschicht --18--, vorgesehen wird.
Diese Lichtkupplung arbeitet ähnlich wie die Lichtkupplung gemäss dem Stammpatent fiir gebrochene Strahlen, die auf die Grenzfläche --16-- unter Winkeln einfallen, die gleich oder grösser als der Winkel fc sind. Fig. 2 zeigt einen unter einem Winkel Oc auf die Stirnfläche --22-- fallenden kritischen Strahl --42--, wobei der gebrochene Strahl --44-- auf die Zwischenfläche --16-- unter dem kritischen Winkel oc einfällt.
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Der Strahl --44-- wird von der Grenzfläche --16-- im Wege einer inneren Totalreflexion als Strahl --46-reflektiert. Dabei ist aber die numerischeAperturNA amEintrittsende der Lichtkupplung --10-- nicht durch den Wert gemäss der Gleichung (1) begrenzt, weil die auf die Grenzfläche --16-- unter kleineren Winkeln als dem kritischen Winkel #c einfallenden Strahlen von dieser Grenzfläche nur teilweise reflektiert werden,
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ein Teil --52-- in die Mantelschicht --14-- fällt, von der Metallfläche --20-- als Strahl --54-- reflektiert wird und als Strahl --56-- in den Kern --12-- gelangt.
Während der Strahl --52-- ohne die Metallschicht ganz verloren ginge, wird so ein Wirkungsgrad bezüglich der inneren Totalreflexion von immerhin etwa 90% erzielt. Der Strahl --56-- erfährt zum Strahl --50-- eine Längsverschiebung D, wobei
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worin T die Dicke der Mantelschicht --14-- bezeichnet und fi ein kleinerer Winkel als der Winkel ist, unter dem der Strahl --50-- auf die Grenzfläche --16-- fällt. Ferner wird der Winkel des Strahls-56-- zur Längsachse des Kerns --12-- im Vergleich zum Strahl --50-- um 2ss verkleinert.
Die folgende Reflexion des Strahles --56-- kann entweder eine Reflexion von der Metallfläche oder, bei ausreichender Vergrösserung des Einfallswinkels, eine innere Totalreflexion sein. Infolge der Reflexion von der Metallfläche stellt die nume- rische Apertur NA keine Begrenzung des Wirkungsgrades der Lichtkupplung mehr dar. Die Reflexionsschicht - ist besonders wichtig, wenn die Differenz zwischen den Brechungsindices des Kernes --12-- und des Mantels --14-- gering ist, weil bei einer Differenz von 1% der kritischen Winkel fc etwa 820 beträgt.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 3 trägt der verjüngte Kern --68-- auf dem der Stirnfläche --70-benachbarten Oberflächenteil eine Metallschicht --72-- und auf der übrigen Oberfläche die Mantelschicht --74--. Diese bildet mit dem Kern --68-- die Grenzfläche --78--. Die Metallschicht --72-- dient als Reflexionsfläche --80--. Sie erstreckt sich von der Stirnfläche --70-- um den Abstand C, der folgenderma- ssen bestimmt wird. Ein am Punkt --86-- am Rande der Stirnfläche --70-- einfallender Lichtstrahl --84-- mit dem Winkel ec zur Senkrechten auf die Stirnfläche wird gebrochen und fällt als Strahl--88-- unter dem kritischen Winkel #c auf die Grenzfläche-78-.
Alle unter einem gleich grossen oder grösseren Winkel als der Winkel #c auf die Grenzfläche --78-- beim Punkt --86-- einfallenden Lichtstrahlen werden von dieser Fläche auf dem Wege einer inneren Totalreflexion reflektiert. Alle am Punkt --86-- einfallenden und auf die Reflexionsfläche --80-- auftreffenden Lichtstrahlen werden durch die Metallfläche reflektiert.
Da der Lichtstrahl --88-- den Grenzfall bildet und kein Lichtstrahl auf die Stirnfläche --70-- und die Oberfläche des Kerns --68-- mit einem grösseren Axialabstand als der Grenzstrahl --88-- fallen kann, wird als Abstand C der Axialabstand des Grenzstrahles --88-- an der Oberfläche des Kernes --68-- gewählt. Der Abstand C lässt sich geometrisch nach der Gleichung errechnen :
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worin A den Durchmesser der Stirnfläche-22-, ss den Verjüngungshalbwinkel des Kernes --68-- und n1 und n2 die Brechungsindices von Kern --68-- und Mantel --74-- bezeichnen.
Fig. 4 zeigt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Reflexionsschicht auf einer in ähnlicher Weise wie in Fig. 1 aus mehreren Abschnitten aufgebauten Lichtkupplung. Die Abschnitte -98, 100, 102--haben verschiedene, jeweils grössere Brechungsindices. Die Mantelschicht --104-- bildet mit diesen drei Abschnitten jeweils eine Grenzschicht --106, 108 und 110--. Auf der Schicht --104-- ist eine Reflexionsschicht, z. B. Metallschicht --112-- aufgebracht. Dünne, durchsichtige Schichten --114, 116-- mit möglichst ähnlichem Brechungsindex wie ihre Nachbarschichten, z. B. aus Epoxyharz, binden die Lichtkupplung an die Lichtquelle - 118-und den optischen Wellenleiter-120-.
Da der Abschnitt --102-- einen relativ hohen Brechungsindex hat, ist der kritische Winkel an der Grenzfläche --110-- vergleichsweise klein und selbst die auf die Eingangsfläche und die Grenzfläche unter relativ kleinen Winkeln einfallenden Lichtstrahlen erfahren eine innere Totalreflexion.
Dabei jeder Reflexion der Winkel des reflektierten Strahles mit der Längsachse der Kupplung um das Doppelte des Verjüngungshalb-
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Winkels ss kleiner wird, kann ein mehrmals von der Metallschicht --112-- und/oder der Grenzfläche --110-- reflektierter Strahl in den Abschnitt --100-- einfallen und von der Grenzfläche --108-- reflektiert werden, obwohl die Differenz zwischen den Brechungsindices von Abschnitt --100-- und Mantel --104-- nicht so gross wie die Differenz zwischen den Brechungsindices vonAbschnitt-102-- und Mantel-104-- ist. Entsprechend fällt der Strahl nach einer Reihe weiterer Reflexionen unter noch kleinerem Winkel mit der Längsachse der
Kupplung in den Abschnitt --98-- ein.
Der Abschnitt --98-- kann aus dotiertem Kieselsäureglas mit annähernd dem gleichen Brechungsindex wie jenem des Kerns des anschliessenden Wellenleiters --120-- hergestellt werden, wodurch zwischen Lichtkupplung und Wellenleiter ein guter Kupplungswirkungsgrad gewährleistet wird.
Fig. 5 zeigt den Empfängerteil einer Anordnung zur optischen Datenübertragung mit einem Wellenleiter --124-- und einer an deren einem Ende angeschlossenen Lichtkupplung --126--, an deren Ende kleineren Durchmessers ein Lichtdetektor --128-- angeordnet ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur optischenDatenübertragung, 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, der Brechungsindex nl des Kernes der in Form eines Kegelstumpfes ausgebildeten Lichtkupplung sich von dem einen bis zu dem andern Ende des Kernes ändert, u. zw. an dem Ende grösseren Durchmessers kleiner als an dem Ende kleineren Durchmessers ist, und wobei dieses kleinere Ende zur Lichtquelle bzw. zum Lichtdetektor hin liegt, nach Pantent Nr.
346622 dadurch gekennzeichnet,'dass auf mindestens einem Teil des durchsichtigen Mantels (14) eine weitereumhüllende, an sich bekannte Schicht (18) vorgesehen ist, die eine zweite, reflektierende Grenzfläche (20) bildet und aus einem reflektierenden Metall aufgebaut ist.