**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.
PATENTANSPRÜCHE
1. Kupplung, in welcher zwei optische Fasern gekoppelt sind und welche eine integrierte Auskoppeleinrichtung enthält, gekennzeichnet durch - eine Diskontinuität (15; 75) zwischen den Enden der beiden optischen Fasern (11, 13; 39,51), wobei von dem optischen Signal, welches am Ende der einen Faser (11) eintrifft, ein erster Teil in den Mantel (23) der anderen Faser (13) und ein anderer Teil in den Kern (21) der anderen Faser eingekoppelt wird, - eine Photodetektor-Vorrichtung (29; 55), sowie - eine Abnahmevorrichtung (25; 52) zum Aufnehmen mindestens eines Teils des in den Mantel der anderen Faser eingekoppelten optischen Signals, welche Mittel (27; 53) aufweist, um die aufgenommenen optischen Strahlen auf die Photodetektor-Vorrichtung auszurichten.
2. Kupplung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einstellmechanismus (69 . . .77) vorgesehen ist, um die Diskontinuität zu modifizieren und damit das Verhältnis zwischen dem in den Mantel (23) und dem in den Kern (21) eingekoppelten Signalanteil zu verändern.
3. Kupplung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstellmechanismus eine Exzenteranordnung ist, mit der die Längsachsen der beiden Fasern (11, 13; 39,51), gegeneinander verschoben werden können.
4. Kupplung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fasern in je einem Führungsblock (37,49) gelagert sind, wobei die Stirnflächen (71,73) der Führungsblökke parallele Flächen aufweisen, und dass der Einstellmechanismus gebildet wird aus einer auswechselbaren Folie (77) zwischen den Stirnflächen sowie Einrichtungen (69) zum Gegeneinanderpressen der Stirnflächen der Führungsblöcke.
5. Kupplung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahmevorrichtung eine zylindrische Hülse (25; 52) aus transparentem Material ist, welche mit der Aussenfläche des Fasermantels (23) in Kontakt ist, und welche einen Brechungsindex hat, der grösser als oder gleich gross wie der Brechungsindex des Fasermantels ist.
6. Kupplung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnfläche (27; 53) der zylindrischen Hülse (25; 52) eben und gegen die Längsachse der von ihr umschlossenen optischen Faser (13; 51) geneigt ist, und dass die Photodetektor-Vorrichtung (29; 55) so an der zylindrischen Hülse befestigt ist, dass die von der geneigten Stirnfläche reflektierten Strahlen auf sie treffen.
7. Kupplung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Enden beider Fasern (11, 13; 39, 51) je eine Abnahmevorrichtung (25; 52) vorgesehen ist, so dass eine Auskopplung in beiden Signalübertragungsrichtungen möglich ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung, in welcher zwei optische Fasern gekoppelt sind und welche eine integrierte Auskoppeleinrichtung enthält.
Zur Verbindung von Lichtleitfasern sind Spleisse als feste Verbindungen sowie lösbare Kupplungen bekannt. In den meisten Fällen treten an solchen Verbindungsstellen Verluste auf, weil-die Fortpflanzung der optischen Signale, also des Lichtes, gestört wird durch Unregelmässigkeiten wie Spalte oder seitliche bzw. Winkelversetzungen der Faserenden. Über den Einfluss der Unregelmässigkeiten auf die Signale sowie über die Berechnung oder Messung der Verluste gibt es zahlreiche Ver öffentlichungen, z.B.: - M. Young: Geometrical theory of multimode optical fiberto-fiber connectors. Optics Communications, Vol 7, No. 3 (March 1973) pp. 253-255.
- S.E. Miller et al.: Research toward optical fiber transmission systems. Proc. IEEE, Vol. 61, No. 12 (Dec. 1973) pp.
1703-1751 (particularlypp. 1710, 1723, 1724).
- D. Gloge: Offset and tilt loss in optical fiber splices. Bell Syst. Techn. J., Vol. 55, No. 7 (Sept. 1976) pp. 905-916.
- D. Marcuse: Loss analysis of single-mode fiber splices.
Bell Syst. Techn. J., Vol. 56, No. 5 (May-June 1977) pp.
703-718.
- T.C. Chu et al.: Measurements of loss due to offset, end separation, and angular misalignment in graded index fibers excited by an incoherent source. Bell Syst. Techn. J., Vol. 57, No.
3 (March 1978) pp. 595-602.
Eine Kupplungsvorrichtung mit Einrichtungen zur Verminderung der Verluste, welche durch Fehlanpassung der Faserenden (gegenseitige Verschiebung usw.) entstehen, ist aus folgender Veröffentlichung bekannt: - H. Tsuchiya et al.: Double eccentric connectors for optical fibers. Applied optics, Vol. 16, No. 5 (May 1977) pp. 13231331.
Bei dieser Vorrichtung ist ein Doppelexzentermechanismus vorgesehen, um die axiale Lage der Faser in Bezug auf die Kupplungssteckerachse zu verschieben, wodurch eine Optimierung der gegenseitigen Lage der beiden zu verbindenden Faserenden erreichbar ist. Auch wurde bei dieser Vorrichtung der Einfluss eines transparenten Films zwischen den Faserenden zur Indexanpassung untersucht.
Aus dem Schweizer Patent 587 496 ist ein Verbindungsstecker für optische Fasern bekannt, bei dem besondere Elemente vorgesehen sind zur genauen Zentrierung der Fasern miteinander.
In diesen Veröffentlichungen werden die Fehlanpassungen bei Faserverbindungen beschrieben oder analysiert sowie die Ermittlung oder Verminderung der hierdurch entstehenden Verluste dargestellt. Eine positive Ausnützung unvermeidbarer Signalverluste wird aber nirgends erwähnt.
Für die Auskopplung von optischen Signalen aus Lichtleitfasern sind zahlreiche unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Viele von ihnen werden durch zwei Spleisse oder Steckverbindungen in eine Unterbrechung der Faser eingeschaltet, was eine Erhöhung der Anzahl verlustbehafteter Verbindungsstellen bedeutet. Bei vielen wird das gesamte optische Signal in ein elektrisches verwandelt, dann ein Teil ausgekoppelt, und der Rest - evtl. nach Verstärkung - wieder in ein optisches Signal zur Weiterübertragung zurückverwandelt. Dies alles hat Verluste oder Verzerrungen zur Folge.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 50 523 ist eine Auskopplungsvorrichtung bekannt, mit der das durch eine Faser übertragene optische Signal angezapft werden kann, ohne dass eine Unterbrechung der Faser oder eine Entfernung des Fasermantels zur Freilegung des Kernes nötig ist. Bei dieser Einrichtung wird durch eine willkürlich erzeugte Krümmung der Faser optische Energie aus dem Faserkern (auf den sie bei gerade gestreckter Faser beschränkt ist) in den Fasermantel überführt, von dort durch ein umgebendes dielektrisches Medium ausgekoppelt und durch einen an dieses Medium angeschlossenen Photodetektor in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Licht leitfaser-tJbertragungsanlage einerseits für Auskoppeleinrichtungen sonst erforderliche, zusätzliche Verbindungsstellen zu vermeiden und somit die Verluste zu verringern, und andererseits die bei ohnehin erforderlichen Verbindungsstellen auftretenden unvermeidlichen Verluste positiv nutzbar zu machen.
Wie diese Aufgabe gelöst wird, ist aus dem Patentanspruch 1 ersichtlich. Besondere Ausführungsarten sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Von Vorteil sind der einfache Aufbau und insbesondere auch die durch Kombination zweier Funktionen erreichbare Verringerung der Anzahl von Bauelementen und von die Si
gnalweitergabe beeinflussenden Störstellen im Faserverlauf. Mit geringem zusätzlichem Aufwand können alle Kupplungen als Anzapfstellen ausgestaltet werden, welche somit mindestens die Entnahme eines Überwachungssignals erlauben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Modenumwandlung eines optischen Signals an einer Lücke zwischen zwei optischen Fasern;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Übergangs der optischen Energie von einem Fasermantel in ein umgebendes Dielektrikum (Abnahmemedium);
Fig. 3 den Strahlengang bei einem eine Mantel-Lichtleitfaser umgebundene Abnahmemedium mit integnerter Spiegelfläche und Photodetektor;
Fig. 4 den Querschnitt einer erfindungsgemässen Kupplung mit intergrierter Auskoppeleinrichtung;
Fig. 5 die Stirnansicht einer der Kupplungshälften gemäss Fig. 4;
Fig. 6 die Form einer in die Kupplung einzulegenden Folie zur Erreichung eines vorgegebenen Abstandes zwischen den Faserenden.
In Fig. list schematisch der Übergang eines optischen Signals vom Kernmodus in den Mantelmodus an den Enden zweier Lichtleitfasern 11 und 13 gezeigt, die durch eine Lücke 15 der Breite W getrennt sind. Die Faser 11 besteht aus Kern 17 und Mantel 19, die Faser 13 aus Kern 21 und Mantel 23. Da der Brechungsindex nl des Kerns grösser ist als der Brechungsindex n2 des Mantels, bleibt die das Signal darstellende optische Strahlung in der Faser 11 im wesentlichen auf den Kern beschränkt.
An der Grenzfläche zum Spalt 15 tritt eine Brechung auf, so dass auch Strahlen mit einem grösseren Öffnungswinkel NA als dem des Kernmodus entstehen. Diese treffen auf den Mantel 23 der Faser 13 und werden dort im Mantelmodus weiterübertragen. Nur ein Teil des optischen Signals gelangt in den Kern 21 und wird im Kernmodus weiterübertragen.
Wenn man den Mantel 23 mit einem weiteren Medium 25 einhüllt (in Fig. 1 gestrichelt), dessen Brechungsindex n3 grösser als der des Mantels ist, so wird die optische Energie aus dem Mantel 23 mindestens teilweise in diese Umhüllung übernommen.
In Fig. 2 ist dieser Vorgang schematisch dargestellt. Für die optische Faser 13, deren Kern hier nur gestrichelt dargestellt ist, ist ein Durchmesser d angenommen. Die Umhüllung 25, im folgenden Mantelmodus-Extraktor oder kurz Extraktor genannt, ist hohlzylinderförmig und transparent. Sie besteht aus einem transparenten Material mit einem Brechungsindex n3, der grösser als oder gleich gross wie der Brechungsinex n2 des Fasermantels ist. Die effektive Länge ist mit L angenommen. Die Elemente in Fig. 2 sind nicht massstäblich gezeigt, um die Zeichnung anschaulicher zu machen.
Die auf die Aussenfläche des Fasermantels treffenden Strahlen werden zum Teil in den Extraktor 25 hineingebrochen (Übertragungsfaktor Tun), zum Teil in den Fasermantel zurückreflektiert (Reflexionsfaktor RE). Nach mehrmaliger Brechung/ Reflexion ist der grösste Teil der Energie eines Lichtstrahls aus dem Fasermantel entnommen und in den Extraktor übergegangen. Die Anzahl Reflexionen, welche nötig sind, um die ursprüngliche Energie Eo des Mantelmodus auf 5 % zu reduzieren (E = 0,05 Eo), beträgt n = in E/ln RE. Die hierfür erforderliche Länge des Extraktors beträgt L = d n tgal, wobei al der Einfallswinkel der betreffenden Mantelmodusstrahlung ist.
Die notwendige Länge L ist dann am kürzesten, wenn die Brechungsindices des Fasermantels (n2) und des Extraktors (n3) gleich sind. (Bedingung ist n3 B n2). Dabei ist ein guter optischer Kontakt notwendig (optischer Zement, Extraktor aus Plastikmasse direkt vergossen mit der Faser).
Das Schema eines Mantelmodus-Extraktors mit Photodetektor ist in Fig. 3 gezeigt. Auf die Faser 13 mit Kern und Mantel ist der zylindrische Extraktor 25 aufgebracht, z.B. in Form zweier Hälften mit je einer Halbrinne zur Aufnahme der Faser. Die eine Stirnfläche 27 des Extraktors ist unter 45" schrägt angeschliffen und poliert (evtl. verspiegelt). Hierdurch werden die in den Extraktor eingetretenen Strahlen zum grössten Teil in die gleiche Richtung reflektiert, wie in Fig. 3 angedeutet. Ein flächiger Photodetektor 29 (z.B. BPW 34,7,6 mm2) ist auf einer Anschliffstelle am Umfang des Extraktors im Bereich der schrägen Reflektorfläche 27 angekittet. Auf diesen trifft ein grosser Teil der Strahlung, welche aus dem Fasermantel in den Extraktor 25 übernommen wurde.
Um möglichst viel der aufgefangenen optischen Energie nutzbar zu machen, können die Aussenflächen des Extraktors verspiegelt sein.
Fig. 4 zeigt das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Kupplung für optische Fasern mit einer Auskoppeleinrichtung, und zwar in Form eines Längsschnittes in schematischer Darstellung. Die Kupplung besteht aus zwei Teilen 31 und 33.
Der erste Kupplungsteil 31 enthält einen Kupplungblock 35, in den eine Faserführung 37 eingesetzt ist, welche eine optische Faser 39 hält. Der vordere Teil der Faser 39 ist unbedeckt (nur Kern und Mantel), während der übrige Teil von einer Kabelumhüllung 41 bedeckt ist, die von einer Muffe 43 gehalten wird.
Diese Muffe ist ihrerseits durch ein Gewinde 45 mit dem Stekkerblock 35 verbunden.
Der zweite Kupplungsteil 33 enthält einen Kupplungsblock 47, in dem eine Faserführung 49 eingesetzt ist, welche eine optische Faser 51 hält. Auf der Faser 51 ist ein Mantelmodus Extraktor 52 angebracht. der im Prinzip gleich dem in Fig.3 gezeigten Mantelmodus-Extraktor 25 ist. Der Extraktor 52 hat eine geneigte Stirnfläche 53 und ist (wie bei Fig. 3 beschrieben) mit einem Photodetektor 55 ausgestattet. Leiter 57 sind mit dem Photodetektor 53 verbunden und durch ein Loch 59 im Block 47 geführt, so dass das ausgekoppelte elektrische Signal S ausserhalb der Kupplung abgenommen werden kann. Die Kabelumhüllung 61, welche von dem im Extraktor 49 steckenden vorderen Teil entfernt wurde, wird durch eine Muffe 63 festgehalten. Diese Muffe ist mit dem Block 47 durch ein Gewinde 65 verbunden.
Eine Hülse 67 und ein Gewinde 69 sind vorgesehen, um die Kupplungshälften 31 und 33 zu verbinden, wie dies in vielen bekannten Kupplungsvorrichtungen der Fall ist.
Die Stirnfläche des Kupplungsblocks 35 mitsamt der Faserführung 37 und Faser 39 ist poliert, um eine glatte Oberfläche zu haben. In ähnlicher Weise ist die Stirnfläche 73 des Kupplungsblocks 47 mitsamt der Faserführung 49 und der optischen Faser 51 eben poliert.
Der Spalt 75 zwischen den Stirnflächen 71 und 73 bestimmt den Abstand (Endenabstand) zwischen den optischen Fasern 39 und 51 (dies entspricht dem Spalt 15 zwischen den Fasern 11 und 13 in Fig. 1). Wenn kein Material in den Spalt 75 eingebracht wird, so ergibt sich (bei Anziehen der Hülse 67 auf dem Gewinde 69) eine Berührung zwischen den Stirnflächen 71 und 73. Daraus ergibt sich dann weiterhin kein Endabstand oder nur ein sehr geringer Zufallsabstand zwischen den Enden der Fasern 39 und 51. Durch Einfügen von ringförmigen Plastik- oder Metallfolien verschiedener Dicke in den Spalt zwischen Stirnflächen 71 und 73 kann man die Breite des Spaltes 73 und damit den Endabstand zwischen den Fasern festlegen, bzw. verändern.
Dadurch kann eine grobe Einstellung der gewünschten Signalauskopplung erreicht werden.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt der Kupplungsvorrichtung am Luftspalt, mit den konzentrischen Elementen Kupplungsblock 47, Faserführung 49 und Faser 51, sowie mit der Hülse 67.
Die Form eines Zwischenlageblattes 77 ist in Fig. 6 gezeigt.
Es hat etwa den gleichen Durchmesser wie die Kupplungsblöcke 35 und 47 und weist in der Mitte ein Loch 79 auf, dessen Durch messer etwas grösser ist als der der optischen Fasern. Diese Zwischenlageblätter bestehen z.B. aus Milar und haben Dicken von ca. 10 ,am bis ca. 50 llm.
Falls die Kupplungsblöcke der beiden Kupplungshälften gegeneinander nicht verdrehbar sein sollen (zur Vermeidung von nicht reproduzierbaren Fehlanpassungen bei verschiedenen Rotationsstellungen), kann in dem einen Kupplungsblock (47) ein Vorsprung 81 vorgesehen sein, während der Gegenkupplungsblock (35) dann eine (hier nicht gezeigte) dazu passende Vertiefung enthält. Falls dies vorgesehen ist, müssen auch die Zwischenlagefolien entsprechende Ausschnitte 83 aufweisen.
Die Arbeitsweise ist wie folgt:
Es sei angenommen, dass optische Signale durch die Kupplung gemäss Fig. 4 von links nach rechts übertragen werden (wie durch den Pfeil angedeutet). Infolge Fehlanpassung zwischen den optischen Fasern 39 und 51 (Winkelstellung, seitliche Verschiebung der Achsen gegeneinander, Lücke zwischen den Enden, usw.) wird die von links innerhalb des Kerns der Faser 39 eintreffende optische Energie in der Faser 51 auf Kern und Mantel verteilt (wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1 für den Fall der Lücke zwischen den Faserenden schon erläutert wurde). Das Signal im Kernmodus wird durch die Faser 51 zu irgendeinem weiterentfernten, angeschlossenen Gerät weiter übertragen.
Der in den Mantelmodus übergegangene Teil des optischen Signals wird vom Mantel der Faser 51 in den Extraktor 52 übernommen und dann zum grossen Teil durch die Re flektorfläche 53 zum Photodetektor 55 übertragen (wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 besprochen). Die zum Photodetektor ausgekoppelte Energie wird in ein elektrisches Signal S verwandelt und kann an den Leitern 57 abgenommen werden.
Der Anteil des ankommenden Signals, welcher in Faser 51 weiterübertragen wird, und der Betrag des ausgekoppelten Signals sind abhängig von der Art und Grösse der Fehlanpassung zwischen den Fasern 39 und 51.
Es lassen sich verschiedene Fälle unterscheiden: a) Nicht einstellbare zufällige Fehlanpassung.
An jeder Verbindungsstelle zweier optischer Fasern geht etwas Energie verloren, auch wenn versucht wird, die Anpassung zwischen den beiden Fasern zu optimieren. Bei der Kupplung der Fig. 4 werden die Fasern 39 und 51 so gut wie möglich in der Mittelachse der Blöcke 35 und 47 plaziert. Die Flächen 71 und 73 werden poliert, so dass die Stirnflächen der Fasern mit den Stirnflächen der Blöcke in einer Ebene liegen. Beim Zusammenfügen der beiden Kupplungshälften werden die Stirnflächen gegeneinander gepresst, so dass die Lücke zwischen den Fasern möglichst gering wird.
Infolge minimaler seitlicher Verschiebung oder Lückentrennung zwischen den Fasern wird aber ein Bruchteil der ankommenden optischen Energie in den Mantelmodus übergeführt, und dann durch die erfindungsgemässe Einrichtung als Signal S nutzbar gemacht.
Dieses ausgekoppelte Signal kann z.B. zur Regelung des Energiepegels in der Faser benützt werden. Das ermöglicht die Überwachung und Kompensation von Fluktuationen einer optischen Energiequelle. Das ausgekoppelte (schwache) Signal kann auch zur Überwachung des allgemeinen Signalzustandes einer Leitung (Signal/kein Signal) benutzt werden, oder um die Einschaltung eines angeschlossenen Gerätes in Abhängigkeit vom Vorhandensein eines Signals zu steuern.
Auf diese Weise kann die Energie, die sonst an Stossstellen (Verbindungsstellen) von optischen Fasern infolge nicht vermeidbarer (und nicht änderbarer) Fehlanpassungen in Kupplungen verloren würde, durch die Erfindung nutzbar gemacht werden.
b) Einstellbare Fehlanpassung
Wenn die Fehlanpassung zwischen den Faserenden einstellbar gemacht wird, kann ein festlegbarer (vorbestimmter) Anteil der die Kupplung erreichenden Signalenergie ausgekoppelt werden. Dies kann bei der oben im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Kupplung dadurch erreicht werden, dass man die
Breite der Lücke 75 durch Einlegen von Distanzfolien unter schiedlicher Dicke festlegt.
Distanzringe in der in Fig. 6 gezeigten Form aus Milar könn ten in verschiedenen Stärken von etwa 10 llm bis 100 Fm auf
Lager gehalten werden.
Wenn die Kupplungshälften 31 und 33 zusammen montiert werden, wird jeweils ein solcher Distanzring bestimmter Dicke eingelegt. Beim Verschrauben der Kupplung mittels des Gewin des 69 werden die Stirnflächen 71 und 73 gegen den Distanzring gepresst, welcher dann die Breite des Spaltes zwischen den Fa serenden bestimmt. Im Spalt zwischen den Faserenden befindet sich Luft, weil ja die Distanzfolie in der Mitte ein Loch aufweist.
Das Verhältnis zwischen dem in die Faser 39 eingegebenen Si gnal und dem in der Faser 51 weiterübertragenen Signal, oder der Wert des ausgekoppelten Signals S kann dann gemessen werden. Wenn das Ergebnis nicht den gewünschten Wert hat, wird ein Distanzring anderer Dicke eingelegt usw., bis das benö tigte Auskoppelverhältnis erreicht ist.
c) Alternativlösungen für die einstellbare Fehlanpassung
Anstelle von Distanzfolien verschiedener Dicke zur Ände rung der Breite des Spaltes 75 und damit zur Anpassung des in der Kupplung aus den Fasern ausgekoppelten Signalanteils kön nen auch andere Mittel eingesetzt werden. Es folgen zwei Bei spiele: cl) Exzentrisch angeordnete Hülsen zur Lagerung der Fa serführungen 37 oder 49 (oder beider Teile). Eine Verdrehung der exzentrischen Hülsen um verschiedene Rotationswinkel re- sultiert dann in verschiedenen Werten der axialen Verschiebung der Fasern 39 und 51 gegeneinander, wodurch sich wiederum ein einstellbare Auskoppelung des durch die Kupplung übertra genen Signals ergibt. Eine exzentrische Faserführung dieser Art ist z.B. im oben genannten Aufsatz von H. Tsuchiya et al. be schrieben.
Die Exzenter-Hülsen können in einer entsprechenden Boh rung des Blocks 35 bzw. des Blocks 47 gelagert werden. Der
Durchmesser der Bohrung (und ebenso der Aussendurchmesser der Exzentervorrichtung) müsste dann ungefähr dem der Ge winde 45 bzw. 65 entsprechen. Nach wahlweiser Einstellung einer solchen Exzentervorrichtung auf eine bestimmte Winkel position muss sie dann fixiert werden, z.B. durch Zement oder durch eine Querschraube. Wenn die Stirnflächen 71 und 73 an ihrem Umfang einen Vorsprung, bzw. eine Vertiefung haben, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist, bleibt die relative Winkelposi tion und damit die axiale Verschiebung auch beim Auseinander nehmen und Wiederzusammensetzen der Kupplung erhalten.
c2) Mittel zur Änderung des Winkels zwischen den beiden
Faserachsen durch Änderung der Neigung der beiden Stirnflä chen 71 und 73 gegeneinander. Hierfür könnten keilförmige
Folien im Spalt 75 plaziert werden. Solche Folien sind bereits früher benutzt worden, zum Abgleichen von Übertragerkernen.
Durch Folien mit unterschiedlichem Keilwinkel können dann wahlweise verschiedene Winkelfehlanpassungen und damit un terschiedliche Werte für das mit einer erfindungsgemässen Vor richtung ausgekoppelte Signal erreicht werden.
d) Modifikation für Auskopplung in zwei Signalübertra gnngsrichtungen
Mit dem in Fig. 4 gezeigten und oben beschriebenen Kupp lungsstecker mit Signalanzapfung kann ein Signal nur für eine Signalübertragnngsrichtung ausgekoppelt werden (von links nach rechts, siehe Pfeil).
Wenn Signalübertragung und Anzapfung in beiden Richtun gen erfolgen sollen, wird zwischen der Faserführung 37 und der
Kabelumhüllung 41 auf die Faser 39 ein Mantelmodus-Extrak tor aufgesetzt, der dem Extraktor 52 mit Photodetektor 55 und
Ausgangsleitungen 57 gleich ist. Ausserdem wird im Block 35 ein dem Loch 59 entsprechendes Loch zur Herausführung der Leitungen vorgesehen. In diesem Fall sind dann die Kupplungshälften bis auf Hülse 67 und Gewinde 69 gleich. Deshalb ist diese Modifikation nicht in der Zeichnung dargestellt. Für den Fachmann ist es klar, wie bei einer solchen modifizierten Kupplung je nach Übertragungsrichtung ein ausgekoppeltes Signal an einem der beiden Ausgänge (Leitungen 59 und entsprechende Leitungen in der anderen Kupplungshälfte) entsteht.
** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.
PATENT CLAIMS
1. Coupling, in which two optical fibers are coupled and which contains an integrated decoupling device, characterized by - a discontinuity (15; 75) between the ends of the two optical fibers (11, 13; 39, 51), whereby the optical signal , which arrives at the end of one fiber (11), a first part is coupled into the jacket (23) of the other fiber (13) and another part into the core (21) of the other fiber, - a photodetector device (29 ; 55), and - a take-off device (25; 52) for receiving at least a part of the optical signal coupled into the cladding of the other fiber, which has means (27; 53) for directing the picked-up optical beams onto the photodetector device.
2. Coupling according to claim 1, characterized in that an adjusting mechanism (69.. .77) is provided in order to modify the discontinuity and thus the ratio between the signal component coupled into the jacket (23) and the core (21) to change.
3. Coupling according to claim 2, characterized in that the adjusting mechanism is an eccentric arrangement with which the longitudinal axes of the two fibers (11, 13; 39, 51) can be shifted against each other.
4. Coupling according to claim 2, characterized in that the two fibers are each mounted in a guide block (37,49), the end faces (71,73) of the guide blocks having parallel surfaces, and that the adjusting mechanism is formed from an interchangeable film (77) between the end faces and devices (69) for pressing the end faces of the guide blocks against one another.
5. Coupling according to claim 1 or 2, characterized in that the removal device is a cylindrical sleeve (25; 52) made of transparent material, which is in contact with the outer surface of the fiber jacket (23), and which has a refractive index which is greater than or the same size as the refractive index of the fiber cladding.
6. Coupling according to claim 5, characterized in that an end face (27; 53) of the cylindrical sleeve (25; 52) is flat and inclined against the longitudinal axis of the optical fiber (13; 51) enclosed by it, and that the photodetector Device (29; 55) is attached to the cylindrical sleeve so that the rays reflected from the inclined end face hit it.
7. Coupling according to claim 1 or 2, characterized in that on the ends of both fibers (11, 13; 39, 51) each a take-off device (25; 52) is provided, so that a decoupling is possible in both signal transmission directions.
The present invention relates to a coupling in which two optical fibers are coupled and which contains an integrated decoupling device.
Splices are known as fixed connections and releasable couplings for connecting optical fibers. In most cases, losses occur at such connection points because the propagation of the optical signals, that is to say the light, is disturbed by irregularities such as gaps or lateral or angular displacements of the fiber ends. There are numerous publications on the influence of irregularities on the signals and on the calculation or measurement of losses, e.g .: - M. Young: Geometrical theory of multimode optical fiber-fiber connectors. Optics Communications, Vol 7, No. 3 (March 1973) pp. 253-255.
- S.E. Miller et al .: Research toward optical fiber transmission systems. Proc. IEEE, Vol. 61, No. 12 (Dec. 1973) pp.
1703-1751 (particularlypp. 1710, 1723, 1724).
- D. Gloge: Offset and tilt loss in optical fiber splices. Bell system. Techn. J., Vol. 55, No. 7 (Sept. 1976) pp. 905-916.
- D. Marcuse: Loss analysis of single-mode fiber splices.
Bell system. Techn. J., Vol. 56, No. 5 (May-June 1977) pp.
703-718.
- T.C. Chu et al .: Measurements of loss due to offset, end separation, and angular misalignment in graded index fibers excited by an incoherent source. Bell system. Techn. J., Vol. 57, No.
3 (March 1978) pp. 595-602.
A coupling device with devices for reducing the losses which result from mismatching of the fiber ends (mutual displacement, etc.) is known from the following publication: - H. Tsuchiya et al .: Double eccentric connectors for optical fibers. Applied optics, vol. 16, no. 5 (May 1977) pp. 13231331.
In this device, a double eccentric mechanism is provided in order to shift the axial position of the fiber with respect to the coupling plug axis, whereby an optimization of the mutual position of the two fiber ends to be connected can be achieved. The influence of a transparent film between the fiber ends for index matching was also investigated in this device.
From the Swiss patent 587 496 a connector for optical fibers is known, in which special elements are provided for exact centering of the fibers with each other.
In these publications, the mismatches in fiber connections are described or analyzed and the determination or reduction of the resulting losses is shown. A positive exploitation of unavoidable signal losses is not mentioned anywhere.
Numerous different methods and devices are known for decoupling optical signals from optical fibers. Many of them are switched into an interruption in the fiber by two splices or plug connections, which means an increase in the number of lossy connection points. For many, the entire optical signal is converted into an electrical one, then a part is decoupled, and the rest - possibly after amplification - is converted back into an optical signal for further transmission. All of this results in loss or distortion.
A decoupling device is known from German Offenlegungsschrift 25 50 523, with which the optical signal transmitted by a fiber can be tapped without an interruption of the fiber or a removal of the fiber cladding being necessary to expose the core. In this device, an arbitrarily generated curvature of the fiber transfers optical energy from the fiber core (to which it is limited when the fiber is straight) into the fiber cladding, from there it is coupled out by a surrounding dielectric medium and into a by a photodetector connected to this medium electrical signal converted.
The invention is based on the object, in an optical fiber transmission system, on the one hand to avoid additional connection points otherwise required for decoupling devices and thus to reduce the losses, and on the other hand to make positive use of the inevitable losses which occur in connection points which are required anyway.
How this object is achieved can be seen from patent claim 1. Special embodiments are described in the dependent claims.
The simple structure and in particular the reduction in the number of components and the Si that can be achieved by combining two functions are advantageous
impurities in the fiber course that influence signal transmission. With little additional effort, all couplings can be designed as tapping points, which thus allow at least the removal of a monitoring signal.
An embodiment of the invention is described below with reference to drawings.
Show it:
Figure 1 is a schematic representation of the mode conversion of an optical signal at a gap between two optical fibers.
2 shows a schematic representation of the transition of the optical energy from a fiber cladding into a surrounding dielectric (removal medium);
3 shows the beam path in the case of a removal medium with an integrated mirror surface and a photodetector, which is bound by a cladding optical fiber;
4 shows the cross section of a coupling according to the invention with an integrated decoupling device;
5 shows the end view of one of the coupling halves according to FIG. 4;
Fig. 6 shows the shape of a film to be inserted into the coupling to achieve a predetermined distance between the fiber ends.
FIG. 1 shows schematically the transition of an optical signal from the core mode to the cladding mode at the ends of two optical fibers 11 and 13, which are separated by a gap 15 of width W. The fiber 11 consists of core 17 and cladding 19, the fiber 13 from core 21 and cladding 23. Since the refractive index n1 of the core is greater than the refractive index n2 of the cladding, the optical radiation representing the signal remains essentially in the fiber 11 confined to the core.
A refraction occurs at the interface with the gap 15, so that beams with a larger opening angle NA than that of the core mode also arise. These hit the cladding 23 of the fiber 13 and are transmitted there in the cladding mode. Only part of the optical signal gets into the core 21 and is transmitted further in the core mode.
If the jacket 23 is enveloped with a further medium 25 (dashed in FIG. 1), the refractive index n3 of which is greater than that of the jacket, the optical energy from the jacket 23 is at least partially transferred into this jacket.
This process is shown schematically in FIG. A diameter d is assumed for the optical fiber 13, the core of which is only shown in broken lines here. The envelope 25, hereinafter referred to as jacket mode extractor or extractor for short, is hollow cylindrical and transparent. It consists of a transparent material with a refractive index n3 that is greater than or equal to the refractive index n2 of the fiber cladding. The effective length is assumed to be L. The elements in Fig. 2 are not shown to scale to make the drawing clear.
The rays striking the outer surface of the fiber cladding are partly broken into the extractor 25 (transmission factor Tun) and partly reflected back into the fiber cladding (reflection factor RE). After repeated refraction / reflection, most of the energy of a light beam is removed from the fiber cladding and transferred to the extractor. The number of reflections required to reduce the original energy Eo of the cladding mode to 5% (E = 0.05 Eo) is n = in E / ln RE. The length of the extractor required for this is L = d n tgal, where al is the angle of incidence of the relevant cladding mode radiation.
The necessary length L is shortest when the refractive indices of the fiber cladding (n2) and the extractor (n3) are the same. (Condition is n3 B n2). A good optical contact is necessary (optical cement, extractor made of plastic mass directly cast with the fiber).
The diagram of a jacket mode extractor with a photodetector is shown in FIG. 3. The cylindrical extractor 25 is applied to the fiber 13 with core and jacket, e.g. in the form of two halves, each with a half-channel to hold the fiber. One end face 27 of the extractor is ground at an angle of 45 "and polished (possibly mirrored). As a result, the rays that have entered the extractor are largely reflected in the same direction as indicated in FIG. 3. A flat photodetector 29 (e.g. BPW 34.7.6 mm2) is cemented to a bevel on the circumference of the extractor in the area of the inclined reflector surface 27. A large part of the radiation which has been taken from the fiber jacket into the extractor 25 is incident on this.
The outer surfaces of the extractor can be mirrored in order to make use of as much of the captured optical energy as possible.
4 shows the exemplary embodiment of a coupling according to the invention for optical fibers with a coupling-out device, in the form of a longitudinal section in a schematic representation. The coupling consists of two parts 31 and 33.
The first coupling part 31 contains a coupling block 35, into which a fiber guide 37 is inserted, which holds an optical fiber 39. The front part of the fiber 39 is uncovered (core and sheath only), while the remaining part is covered by a cable sheath 41 which is held by a sleeve 43.
This sleeve is in turn connected to the connector block 35 by a thread 45.
The second coupling part 33 contains a coupling block 47, in which a fiber guide 49 is inserted, which holds an optical fiber 51. A cladding mode extractor 52 is attached to the fiber 51. which is in principle the same as the jacket mode extractor 25 shown in FIG. The extractor 52 has an inclined end face 53 and (as described in FIG. 3) is equipped with a photodetector 55. Conductors 57 are connected to the photodetector 53 and passed through a hole 59 in the block 47 so that the outcoupled electrical signal S can be taken outside the coupling. The cable sheath 61, which has been removed from the front part inserted in the extractor 49, is held in place by a sleeve 63. This sleeve is connected to the block 47 by a thread 65.
A sleeve 67 and a thread 69 are provided to connect the coupling halves 31 and 33, as is the case in many known coupling devices.
The end face of the coupling block 35 together with the fiber guide 37 and fiber 39 is polished in order to have a smooth surface. Similarly, the end face 73 of the coupling block 47 together with the fiber guide 49 and the optical fiber 51 is polished.
The gap 75 between the end faces 71 and 73 determines the distance (end distance) between the optical fibers 39 and 51 (this corresponds to the gap 15 between the fibers 11 and 13 in FIG. 1). If no material is introduced into the gap 75, there is a contact (when the sleeve 67 is tightened on the thread 69) between the end faces 71 and 73. From this, there is still no end distance or only a very small random distance between the ends of the Fibers 39 and 51. By inserting ring-shaped plastic or metal foils of different thickness into the gap between end faces 71 and 73, the width of the gap 73 and thus the end distance between the fibers can be determined or changed.
This allows a rough setting of the desired signal coupling to be achieved.
5 shows a cross section of the coupling device at the air gap, with the concentric elements coupling block 47, fiber guide 49 and fiber 51, and with the sleeve 67.
The shape of an intermediate sheet 77 is shown in FIG. 6.
It has approximately the same diameter as the coupling blocks 35 and 47 and has a hole 79 in the middle, the diameter of which is somewhat larger than that of the optical fibers. These interleaf sheets are e.g. from Milar and have thicknesses of approx. 10, am to approx. 50 llm.
If the coupling blocks of the two coupling halves are not to be rotatable relative to one another (in order to avoid non-reproducible mismatches in different rotational positions), a projection 81 can be provided in one coupling block (47), while the mating coupling block (35) then has a (not shown here) matching recess contains. If this is provided, the intermediate layer films must also have corresponding cutouts 83.
The mode of operation is as follows:
It is assumed that optical signals are transmitted from left to right by the coupling according to FIG. 4 (as indicated by the arrow). As a result of mismatch between the optical fibers 39 and 51 (angular position, lateral displacement of the axes relative to one another, gap between the ends, etc.), the optical energy arriving from the left inside the core of the fiber 39 is distributed in the fiber 51 to the core and cladding (as this has already been explained in connection with FIG. 1 for the case of the gap between the fiber ends). The core mode signal is passed through fiber 51 to any remote, attached device.
The part of the optical signal which has passed into the cladding mode is taken from the cladding of the fiber 51 into the extractor 52 and then largely transmitted through the reflector surface 53 to the photodetector 55 (as already discussed in connection with FIGS. 2 and 3). The energy decoupled to the photodetector is converted into an electrical signal S and can be taken from the conductors 57.
The proportion of the incoming signal which is further transmitted in fiber 51 and the amount of the decoupled signal depend on the type and size of the mismatch between fibers 39 and 51.
Different cases can be distinguished: a) Random mismatch that cannot be set.
Some energy is lost at each junction of two optical fibers, even if an attempt is made to optimize the adaptation between the two fibers. 4, the fibers 39 and 51 are placed as well as possible in the central axis of the blocks 35 and 47. The surfaces 71 and 73 are polished so that the end faces of the fibers lie in one plane with the end faces of the blocks. When the two coupling halves are joined together, the end faces are pressed against one another so that the gap between the fibers is as small as possible.
As a result of minimal lateral displacement or gap separation between the fibers, however, a fraction of the incoming optical energy is converted into the cladding mode and then made usable as signal S by the device according to the invention.
This decoupled signal can e.g. used to regulate the energy level in the fiber. This enables the monitoring and compensation of fluctuations in an optical energy source. The decoupled (weak) signal can also be used to monitor the general signal condition of a line (signal / no signal) or to control the switching on of a connected device depending on the presence of a signal.
In this way, the energy that would otherwise be lost at joints (connection points) of optical fibers as a result of unavoidable (and unchangeable) mismatches in couplings can be used by the invention.
b) Adjustable mismatch
If the mismatch between the fiber ends is made adjustable, a definable (predetermined) portion of the signal energy reaching the coupling can be coupled out. In the case of the clutch described above in connection with FIG. 4, this can be achieved in that the
Width of the gap 75 is determined by inserting spacers of different thickness.
Spacer rings in the form shown in Fig. 6 from Milar could in different thicknesses from about 10 llm to 100 Fm
Be held in stock.
If the coupling halves 31 and 33 are assembled together, such a spacer ring of a certain thickness is inserted. When screwing the coupling by means of the thread of 69, the end faces 71 and 73 are pressed against the spacer ring, which then determines the width of the gap between the serends. There is air in the gap between the fiber ends because the spacer film has a hole in the middle.
The ratio between the signal input into the fiber 39 and the signal transmitted further in the fiber 51, or the value of the decoupled signal S can then be measured. If the result does not have the desired value, a spacer ring of a different thickness is inserted, etc., until the required decoupling ratio is reached.
c) Alternative solutions for the adjustable mismatch
Instead of spacer foils of different thicknesses for changing the width of the gap 75 and thus for adapting the signal portion coupled out of the fibers in the coupling, other means can also be used. Two examples follow: cl) Eccentrically arranged sleeves for storing the fiber guides 37 or 49 (or both parts). A rotation of the eccentric sleeves by different angles of rotation then results in different values of the axial displacement of the fibers 39 and 51 against each other, which in turn results in an adjustable decoupling of the signal transmitted by the coupling. An eccentric fiber guide of this type is e.g. in the above-mentioned article by H. Tsuchiya et al. be described.
The eccentric sleeves can be stored in a corresponding drilling tion of the block 35 or block 47. The
The diameter of the bore (and also the outside diameter of the eccentric device) would then have to correspond approximately to that of the threads 45 and 65, respectively. After such an eccentric device is optionally set to a certain angular position, it must then be fixed, e.g. by cement or by a cross screw. If the end faces 71 and 73 have a projection or a recess on their circumference, as indicated in Fig. 5, the relative Winkelposi tion and thus the axial displacement also when disassembling and reassembling the clutch is preserved.
c2) means for changing the angle between the two
Fiber axes by changing the inclination of the two Stirnflä surfaces 71 and 73 against each other. This could be wedge-shaped
Films are placed in the gap 75. Such foils have been used previously for aligning transformer cores.
Films with different wedge angles can then be used to selectively achieve different angle mismatches and thus different values for the signal coupled out with a device according to the invention.
d) modification for decoupling in two signal transmission directions
With the coupling connector with signal tapping shown in FIG. 4 and described above, a signal can only be coupled out for one signal transmission direction (from left to right, see arrow).
If signal transmission and tapping are to take place in both directions, between the fiber guide 37 and the
Cable sheath 41 placed on the fiber 39 a sheath mode extractor, the extractor 52 with photodetector 55 and
Output lines 57 is the same. In addition, a hole corresponding to hole 59 is provided in block 35 for leading the lines out. In this case, the coupling halves are identical except for sleeve 67 and thread 69. Therefore this modification is not shown in the drawing. It is clear to the person skilled in the art how, in the case of such a modified coupling, depending on the direction of transmission, a decoupled signal is produced at one of the two outputs (lines 59 and corresponding lines in the other coupling half).