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17. Verwendung von passiven Faser-Verzweigungen nach Anspruch 13 zum Koppeln von Licht in einem seriellen optischen Datenbus, dadurch gekennzeichnet, dass man bei einer der Anzahl der gewünschten Stationen (28) entsprechenden Anzahl von Verzweigungen (25; 30) jeweils die von einem Faserkernabschnitt (20a, 33), dem Haupt-Faserkernabschnitt, wegführenden bemantelten Faserabschnitte (19a, 32) zu einem Datenbus hintereinanderschaltet und an die weiteren bemantelten Faserabschnitte (19b, 34a, 34b, 37a, 37b, 34b, 34b') jeder Verzweigung eine Station (28) anschliesst.
18. Verwendung nach Anspruch 17 von Faser-Einfachverzweigungen gemäss Anspruch 14 für einen unidirektionalen seriellen optischen Datenbus, dadurch gekennzeichnet, dass an die nach dem Zusammenschalten zu einem Datenbus bei jeder Verzweigung freien zwei bemantelte Faserabschnitte (19b) an eine Station angeschlossen werden.
19. Verwendung nach Anspruch 17 von Faser-Doppelverzweigungen mit je drei Fasern gemäss Anspruch 15, für einen bidirektionalen seriellen optischen Datenbus, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Verzweigung (30) der eine bemantelte Faserabschnitt (34a) eines ersten Neben-Faserkernabschnittes (35) und der andere bemantelte Faserabschnitt (37b) eines zweiten Neben-Faserkernabschnittes (36) an die Senderseite einer Station (28) und der andere bemantelte Faserabschnitt (34b) des ersten Neben-Faserkernabschnittes (35) sowie der eine bemantelte Faserabschnitt (37a) des zweiten Neben-Faserkernabschnittes (36) an die Empfängerseite der Station (28) angeschlossen werden.
20. Verwendung nach Anspruch 17 von Faser-Doppelverzweigungen mit je zwei Fasern gemäss Anspruch 16 für einen bidirektionalen seriellen optischen Datenbus, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Verzweigung (30) der eine freie bemantelte Faserabschnitt (34b) der Neben-Faserkernabschnitte (35, 36) an den Sender 28S) und der andere freie bemantelte Faserabschnitt (34b') der Neben-Faserkernabschnitte (35, 36) an den Empfänger (28E) einer Station (28) angeschlossen wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von passiven optischen Faser-Verzweigungen mit einer durch ein Gehäuse geschützten Koppelstrecke aus mindestens zwei Stufenindex-Fasern, bei denen sich der optische Mantel vom Faserkern ohne Kernbeschädigung entfernen lässt, sowie nach dem Verfahren hergestellte passive Faser-Verzweigungen und deren Verwendung zum Koppeln von Licht in einem seriellen optischen Datenbus.
Für ein sogenanntes lokales Datennetzwerk , d.h. ein Datennetzwerk auf beschränktem Raum mit einem Datenübertragungsweg von zwischen etwa zehn Metern und zehn Kilometern Länge, erweist sich der serielle optische Datenbus besonders vorteilhaft. Zum Einkoppeln von Licht in den Bus und Auskoppeln von Licht aus dem Bus werden optische Faser Verzweigungen benötigt, die gewissen Anforderungen genügen müssen. So sollen die Verluste jeder Verzweigung möglichst klein sein, vorzugsweise < 0,5 dB, die zu verwendende Verzweigung soll robust und einfach herzustellen sein und soll auch ihr späteres Einfügen in den bereits installierten Bus ohne allzugrosse Schwierigkeiten gestatten. Ferner soll jeder Verzweigung einen bestimmten Kopplungsgrad aufweisen; für einen Datenbus mit 5 bis 10 Stationen z.B. ist ein Auskoppelgrad von 4% bis 8% am günstigsten.
Zum Aufbau von optischen Datennetzwerken stehen sogenannte glass-clad - also Glasmantel-Fasern und sogenannte plastic-clad - bzw. plastic-clad-step-index - also abmantelbare Stufenindex-Fasern zur Verfügung und dementsprechend sind auch Verzweigungen aus diesen beiden Faserarten bekannt.
Verzweigungen aus Glasmantel-Fasern werden durch Ver schweissen der einzelnen Glasmantel-Fasern hergestellt. So werden z.B. die Enden von drei Fasern in Form eines Y mitttels eines Lichtbogens verschweisst, wobei das Teilverhältnis der
Verzweigung durch die Geometrie der Schweissstelle bestimmt werden kann. Da die Faserenden sorgfältig bearbeitet und ge nau justiert werden müssen ist die Herstellung verhältnismässig aufwendig und zudem sind die bei einer solchen Verzweigung auftretenden Verluste ziemlich hoch, sie liegen bei ca. 1,5 dB.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung von Verzweigungen aus Glasmantel-Fasern besteht darin, dass man zwei Fasern zu einander parallel führt und ihre Glasmäntel verschweisst, wie es z.B. M.K. Barnowski, H.P. Friedrich, in Applied Optics, Vol.
15, No. 11Nov. 1976,S.2629-2630 Fabrication of an Access
Coupler with Single-Strand Multimode Fiber Waveguides be schreiben.
Zum Herstellen von Verzweigungen aus abmantelbaren
Stufenindex-Fasern (plastic clad-Fasern) kann ein direktes Ver schweissen der Fasern nicht angewendet werden. Ein bekanntes
Verfahren besteht darin, dass der Mantel in der Kopplungsre gion entfernt, die Kerne verjüngt und eventuell auch ver schweisst und das Ganze mit Mantelmaterial umgossen wird (z.B.: T. Ozeki, B.S. Kawasaki, Optical Directional Coupler Using Tapered Sections in Multimode Fibers , Applied Physics Letters, Vol. 28, No. 9, 1. May 1976, S. 528-529 und B.S.
Kawasaki, K.O. Hill, Low Loss Access Coupler for Multimode
Optical Fiber Distribution Networks , Applied Optics, Vol. 16, No. 7, July 1977, 1794-1795). Solche Verzweigungen sind aufwendig in der Herstellung und zudem ergeben sich systematische Verluste, die eine exakte Fertigung verlangen, wenn die Verzweigung in einem Datenbus verwendet werden soll.
Es ist auch bekannt, elektromagnetische Energie aus einem Faserkern in einen anderen Faserkern zu koppeln, indem man die Kerne nahe nebeneinander bringt und zwischen ihnen eine dünne Mantelschicht vorsieht, so dass die bei den Totalreflexionen entstehende quergedämpfte Welle in den anderen Kern eindringen kann. Dies verlangt eine sehr genaue Justierung der Kerne, wodurch die Herstellung von solchen Verzweigungen unwirtschaftlich wird.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, nach welchem auf einfache und wirtschaftliche Weise optische Faser-Verzweigungen, insbesondere auch Doppelverzweigungen aus abmantelbaren Stufenindex-Fasern hergestellt werden können, welche die für serielle Datenübertragungsnetzwerke erforderlichen optischen Eigenschaften aufweisen und zudem robust sind.
Die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe besteht darin, dass man bei den Stufenindex-Fasern durch Abmantelung freiliegende Faserkernabschnitte schafft, von denen jeder eine der gewünschten Koppelstrecke entsprechende Länge hat, dass man die abgemantelten Faserkernabschnitte ohne Veränderung ihres Kernquerschnittes im Gehäuse so nahe nebeneinander führt, dass eine Kopplung von elektromagnetischer Energie von Faserkernabschnitt zu Faserkernabschnitt längs der Koppelstrecke nur durch quergedämpfte Wellen stattfinden kann, dass man auf die Faserkernabschnitte in Längsrichtung eine Zugkraft einwirken lässt, die ausreichend stark ist, um die Faserkernabschnitte längs der Koppelstrecke in körperlichen Kontakt miteinander zu bringen,
und dass man die Faserkernabschnitte im Gehäuse bei aufrechterhaltener Zugkraft mit einem die gleichen optischen Eigenschaften wie der optische Mantel der Stufenindex Fasern aufweisenden Material umgibt und nach dem Fixieren der Faserkernabschnitte am Gehäuse die Zugkraft wegnimmt.
Der besondere Vorteil bei diesem Verfahren besteht darin, dass die Lage der abgemantelten Faserkernabschnitte im Gehäuse nicht exakt justiert werden muss, sondern über die einwirkende Zugkraft eine Selbstjustierung der Faserkernabschnitte erzielt werden kann, die für Serienfabrikation reproduzierbare Verhältnisse schafft. Da der in den Kopplungsgrad exponentiell ein
gehende Faserkernabstand hier immer null sein kann, ist für die Menge der elektromagnetischen Energie, die ausgekoppelt werden kann, nur noch die Interaktionslänge massgebend, die jedoch weniger kritisch ist.
Die Ausführung des Verfahrens wird wesentlich durch ein Gehäuse erleichtert, das gekennzeichnet ist durch einen quaderförmigen Gehäusekörper mit einer sich in der Längsachse des Gehäusekörpers erstreckenden Mulde im mittleren Bereich und mit je einer Führungsnut in den beiden Endbereichen des Gehäusekörpers, wobei jede Führungsnut von einem Ende der Mule weg zu einer Schmalseite des Gehäusekörpers führt und zur Aufnahme von bemantelten Faserabschnitten dient, durch zwei Festhaltedeckel, die am Gehäusekörper über den Führungsnuten befestigbar sind, und durch einen zum Abdecken der Mulde dienenden Gehäusedeckel mit einer durchgehenden Bohrung zum Einführen einer Injektionsnadel in die Mulde für das Einbringen von Giessmaterial.
Ein solches Gehäuse gestattet ein Reinhalten der Faserkernabschnitte bis zur Fertigstellung der Verzweigung, so dass bei der Verzweigung keine nennenswerten durch Verunreinigungen bedingten zusätzlichen Verluste auftreten.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte passive Faser-Verzweigungen zeichnen sich demnach durch ein Gehäuse aus, in welchem wenigstens zwei abgemantelte Faserkernabschnitte von Stufenindex-Fasern in einer Giessmasse eingebettet sind, von deren Enden an den Gehäuseschmalseiten bemantelte Stufenindex-Faserabschnitte aus dem Gehäuse herausführen, die als Licht- Ein- und Auslässe dienen. Die erfindungsgemässen passiven Faser-Verzweigungen werden zum Koppeln von Licht in einem seriellen optischen Datenbus verwendet, indem man bei einer der Anzahl der gewünschten Stationen entsprechenden Anzahl von Verzweigungen jeweils die von einem Faserkernabschnitt, dem Haupt-Faserkernabschnitt, wegführenden bemantelten Faserabschnitte zu einem Datenbus hintereinanderschaltet und an die weiteren bemantelten Faserabschnitte jeder Verzweigung eine Station anschliesst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nennen für das Verfahren die Ansprüche 2 bis 10, für das Gehäuse Anspruch 12, für die hergestellten Faser-Verzweigungen die Ansprüche 14 bis 16 und für deren Verwendung die Ansprüche 18 bis 20.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeiten:
Fig. 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Totalreflexion von Licht an einem optisch dünneren Medium;
Fig. 2 zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips eine an sich bekannte Verzweigung in schematischer Darstellung;
Fig. 3 den Feldverlauf in der Verzweigung der Fig. 2 an der Schnittstelle A-A;
Fig. 4 Teile eines Gehäuses in Aufsicht;
Fig. 5 zwei Stufenindex-Fasern mit abgemantelten Faserkernabschnitten;
Fig. 6 das Gehäuse mit eingelegten Faserkernabschnitten in Aufsicht in einem Zwischenstadium der Verzweigungsherstellung;
Fig. 7 einen Längsschnitt durch das Gehäuse mit Faserkernabschnitten in einem späteren Zwischenstadium der Verzweigungsherstellung;
;
Fig. 8 in Aufsicht eine fertiggestellte Einfach-Verzweigung;
Fig. 9 ein zur Bestimmung des Kopplungsgrades und der Verluste benutztes Anschlussschema der Verzweigung der Fig. 8;
Fig. 10 einen Datenbus mit Verzweigung für drei Stationen;
Fig. 11 eine Doppelverzweigung mit drei abgemantelten Faserkernabschnitten;
Fig. 12 einen die Doppelverzweigung der Fig. 11 enthaltenden bidirektionalen Koppler mit drei Fasern;
Fig. 13a) einen die Doppelverzweigung der Fig. 11 enthaltenden bidirektionalen Koppler mit zwei Fasern, bei dem Licht aus der Nebenfaser in die Hauptfaser gekoppelt wird und b) den bidirektionalen Koppler beim Koppeln von Licht aus der Hauptfaser in die Nebenfaser;
Fig. 14 die Stirnseite eines Gehäuses in geänderter Ausführung;
;
Fig. 15 a-c drei Stadien beim Legen der Faserkernabschnitte für einen bidirektionalen Koppler (Doppelverzweigung) und
Fig. 16 für die Doppelverzweigung eine Messanordnung zum Messen des Kopplungsgrades und der Verluste.
Mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 wird zunächst das der Erfindung zugrunde liegende Kopplungsprinzip behandelt. Die Lichtleitung in einer Stufenindex-Glasfaser beruht auf den Totalreflexionen am Übergang vom optisch dichteren Medium des Faserkernes mit dem Brechungsindex n1 in das optisch dünnere Medium des optischen Mantels mit dem Brechungsindex n2 < nl. Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine an der Grenzfläche 3 zwischen einem optisch dichteren Medium 1 und einem optisch dünneren Medium 2 totalreflektierte elektromagnetische Welle W. Im Gegensatz zum klassischen Modell der Totalreflexion existiert nicht nur im optisch dichteren Medium 1 des Glasfaserkerns eine elektromagnetische Welle W, sondern auch ein Wellenfeld Q im optisch dünneren Medium 2 des Glasfasermantels.
Die elektromagnetischen Wellen Q entstehen bei den einzelnen Reflexionen der Welle W an der Grenzfläche 3 und weisen eine mit zunehmender radialer Entfernung vom Zentrum der Glasfaser exponentiell abfallende Amplitude auf.
Die quergedämpfte Welle Q transportiert keine Energie quer zur Fortpflanzungsrichtung der Welle W im optisch dichteren Medium 1, d.h. quer zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtes in der Glasfaser, es erfolgt aber ein Energietransport ausserhalb des Faserkernes im Fasermantel in der Fortpflanzungsrichtung w des Lichtes. Ist der optische Mantel der Glasfaser dick (einige so so wird die Amplitude der quergedämpften Welle Q aus- serhalb des Mantels vernachlässigbar Idein sein.
Man kann die quergedämpfte Welle zum Koppeln von Licht aus einer Faser in eine andere verwenden. Hierzu müssen die beiden Faserkerne so nahe zusammengebracht werden, dass die quergedämpfte Welle mit einer noch nicht zu stark abgefallenen Amplitude in den zweiten Kern eindringen kann.
Fig.2 zeigt in schematischer Darstellung zwei Stufenindex Glasfasern 4 und 5, deren Kerne 4a und 5a mit einem optisch dünneren Medium 6 ummantelt sind. Die beiden Glasfasern 4 und 5 verlaufen über eine längere Strecke zueinander parallel, wobei das zwischen den beiden Kernen 4a und 5a befindliche Mantelmedium 6c den für die Kopplung erforderlichen kleinen Kernabstand gewährleistet und entsprechend weniger dick ist als das aussen liegende Mantelmedium 6a, 6b. Der Faserkern 4a führt Licht Lw von links nach rechts, wie es in Fig. 2 durch einen dicken Eintrittspfeil und einen dünnen Austrittspfeil angedeutet ist.
Von der bei jeder Totalreflexion am Übergang-Faserkern 4a, Mantelmedium 6a, 6c entstehenden quergedämpften Welle verbleibt der Anteil Lol im aussenliegenden dicken Mantelmedium 6a, während der Anteil LQ2 die dünne Schicht Mantelmedium 6c zwischen den Kernen 4a und 5 a durchdringt und in den zweiten Kern 5a eindringt. Am Übergang vom Mantelmedium 6c zum zweiten Faserkern 5a wird aus der quergedämpften Welle LQ2 eine ebene Welle Lkw2, die sich im Kern 5a der zweiten Glasfaser 5 in derselben Richtung fortpflanzt (Austrittspfeil), wie die ebene Welle Lwl im Kern der ersten Glasfaser 4.
Die Totalreflexionen der ebenen Welle LW2 am Übergang Faserkern 5a - aussenliegendes dickes Mantelmedium 6b führen zu einer weiteren quergedämpften Welle LQ3, die, wie LQI, im dicken Mantelmedium 6b verläuft. Da die beiden Faserkerne 4a, 5a über eine längere Strecke mit geringem Abstand voneinander parallel zueinander geführt sind, tritt bei jeder Totareflexion am Übergang Faserkern 4a - Mantelmedium 6c Licht aus der ersten Faser 4 in die zweite Faser 5 über. Fig. 3 zeigt den Feldverlauf an der Schnittstelle A-A der in Fig. 2 wiedergegebenen Faseranordnung.
Auf diese Weise kann ein grosser Teil des Lichtes aus der ersten Faser 4 in die zweite Faser 5 gekoppelt werden, wobei der Kopplungsgrad durch den Abstand der beiden Faserkerne und die Länge der Kopplungsstrecke (Interaktionslänge) bestimmt werden kann. Als Literatur hierzu sei genannt: Marcuse, Light Transmission Optics, New York, 1975 und Marcuse, Theory of Dielectrical Optical Waveguides, New York, 1974.
Aus dem vorstehend dargelegten Kopplungsprinzip werden für die Herstellung von optischen Faserverzweigungen folgende wichtige Folgerungen hergeleitet:
A) um bei einer Faserverzweigung geringe Verluste zu erzielen, ist es wesentlich, dass die Faserkerne nicht verändert, insbesondere nicht gebrochen oder verjüngt werden, und
B) bei vorgegebener Faser und Modenverteilung wird der Koppelgrad bestimmt durch B 1 den Abstand der Faserkerne im Koppelbereich, wobei für eine gute Reproduzierbarkeit der Kernabstand auf Bruchteile von Ftm definiert sein muss, weil der Koppelgrad exponentiell abhängig von der Kerndistanz ist, und B2 die Interaktionslänge der Kernabschnitte,
wobei deren Einfluss auf den Koppelgrad jedoch weniger kritisch ist wegen des im Bereich der in der Praxis vorkommenden Interaktionslängen nur quadratischen Zusammenhangs von Kopplungsgrad und Interaktionslänge.
Aufgrund dieser Folgerungen ist das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von optischen Faserverzweigungen auf jene Faserarten beschränkt, bei welchen Faserkern und Fasermantel so beschaffen sind, dass der Mantel vollständig vom Kern entfernt werden kann. Eine gebräuchliche Faser dieser Art ist die sogenannte Plastic-clad-Faser mit einem Glasoder Quarzkern und einem optisch aktiven Mantel aus Kunststoff, der meist noch von einem widerstandsfähigen Schutzmantel umgeben ist.
Als Ausführungsbeispiele werden im folgenden die Herstellung eines optischen Richtkopplers (Einfachverzweigung) und eines bidirektionalen optischen Kopplers (Doppelverzweigung) beschrieben.
Der optische Richtkoppler
In den Figuren 4 bis 8 sind Verfahrensschritte bei der Herstellung eines optischen Richtkopplers veranschaulicht. Ein solcher Richtkoppler weist eine einfache Faser-Verzweigung auf und umfasst zwei Stufenindex-Fasern, die in einem Schutzgehäuse miteinander optisch gekoppelt sind, wobei sich entsprechend den zwei Fasern insgesamt vier Licht-Ein- und -Auslässe bei dem Richtkoppler ergeben.
Verwendet wird ein wannenförmiges Gehäuse 10 (Fig. 4) aus Messing oder PVC, das aus einem quaderförmigen Gehäusekörper von etwa 10 cm Länge, 1,5 cm Breite und 1 cm Höhe mit einer den Mittenbereich einnehmenden Mulde 11 von etwa 5 cm Länge und 0,5 cm Breite besteht. Von jedem Ende der Mulde 11 weg führt eine Führungsnut 12 bzw. 13 nach aussen zur Schmalseite des Gehäuses. Die Führungsnuten 12, 13 sind gerade so breit, dass zwei einander parallel ausgerichtete ummantelte Fasern darin nebeneinander liegen können, um so tief, dass die in eine Führungsnut eingelegten zwei ummantelten Fasern durch ein auf das Gehäuse 10 aufgelegten Festhaltedeckel 14 bzw. 15 in der Führungsnut ausreichend fest gehalten werden können. Zum Abdecken der Mulde 11 ist ein Gehäusedeckel 16 vorgesehen, der eine Bohrung 17 zum Einführen einer Injektionsnadel aufweist.
Gehäusedeckel 16 und Festhaltedeckel 14, 15 können z.B. mittels Schrauben 18 (Fig. 6, 8) am Gehäuse 10 befestigt werden. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Gehäuse 10 erstrecken sich die Führungsnuten 12, 13, längs der Gehäuse Längsachse, so dass die Fasern unter einem Winkel von 0" zur Gehäuse-Längsachse in die Mulde 11 ein- bzw. aus der Mulde herausgeführt werden. Die Fasern können auch unter einem Winkel von einigen Graden, z.B. 24 zur Gehäuse-Längsachse eingeführt werden, es hat sich jedoch gezeigt, dass eine solche Fasereinführung keine wesentliche Verbesserung des Kopplungsgrades erbringt und sich damit der Mehraufwand beim Herstellen eines solchen Gehäuses nicht lohnt.
Für den Richtkoppler wurden sogenannte plastic-cladstep-index -Fasern 19a, 19b verwendet, die (Fig. 5) einen Kern 20 mit verhältnismässig grossem Durchmesser aus reinem Quarz (SiO2) besitzen und einen optischen Mantel 21 in Form eines leicht zu entfernenden Überzugs aus Silikonkautschuk sowie einen widerstandsfähigen Schutzmantel 22 aufweisen.
Daten einer verwendeten Faser: Typ Quartz & Silice QSF-A-400 Kerndurchmesser 400 Fm Aussendurchmesser des optischen Mantels 550 Fm des Schutzmantels 850 Rm maximale Dämpfung bei X = 850 nm 5 dB/km numerische Apertur 0,22 optische Bandbreite (3 dB) 15 MHz: km kleinster Biegeradius 12 mm
Daneben wurden auch Fasern von Valtec, Typ PC 10, mit einem Kerndurchmesser von 200 llm verwendet.
Bei zwei Faserstücken 19a, 19b (Fig. 5) wird, etwa in der Mitte der Fasern, der Faserkern 20a, 20b auf eine der vorgesehenen Interaktionslänge entsprechenden Länge von einigen cm, z.B. 2,5 cm, 4 cm oder 7,5 cm durch vorsichtiges Entfernen des Schutzmantels 22 und des optischen Mantels 21 freigelegt, wobei an beiden Enden der freigelegten Faserkernabschnitte 20a, 20b aus den Schutzmänteln 22 kurze Enden 21a, 21a' bzw. 21b, 21b' des optischen Mantels 21 vorstehen. Nach dem Reinigen der freigelegten Faserkernabschnitte 20a, 20b werden die beiden Fasern 19a, 19b in eine Führungsnut 12 des Gehäuses 10 (Fig. 6) so eingelegt, dass die vorstehenden Enden 21a, 21b der optischen Mäntel 21 in der Mulde 11 liegen.
Der Festhaltedekkel 14 wird aufgelegt und mittels Schrauben 18 fest an das Gehäuse 10 angepresst, so dass die eingeklemmten ummantelten Fasern 19a, 19b auch bei Anwendung von mässigem Zug in ihrer Lage fixiert bleiben. Die beiden Fasern 19a, 19b werden dann verdrillt, so dass die abgemantelten Faserkernabschnitte 20a, 20b einander umschlingen, und in die andere Führungsnut 13 eingelegt. Die abgemantelten Faserkernabschnitte 20a, 20b liegen in der Mulde 11 und auch die vorstehenden Enden 21a', 21b' der optischen Mäntel 21 ragen in die Mulde 11 hinein.
Die Fasern 19a, 19b werden einem definierten Zug von z.B. 2,5 N ausgesetzt, so dass sich die Faserkernabschnitte längs Mantellinien berühren (Kernabstand Null) und eine reproduzierbare Geometrie gewährleistet ist. Um die abgemantelten Faserkernabschnitte 20a, 20b vor Verschmutzung zu schützen, wird der Gehäusedeckel 16 auf das Gehäuse 10 aufgelegt und mittels Schrauben 18 daran befestigt (Fig. 7). Dann wird bei immer noch aufrechterhaltenem Zug die Mulde 11 mit giessfähigem Mantelmaterial oder einem optisch gleichwertigen Material grösserer mechanischer Härte ausgefüllt, indem die Giessmasse mittels einer durch die Bohrung 17 im Gehäusedeckel geführten Injektionsnadel 23 in die Mulde 11 eingebracht wird.
Durch das Vergiessen der abgemantelten Faserkernabschnitte im Kopplungsbereich mit einem Material, das dieselben optischen Eigenschaften hat wie der Mantel 21, wird erreicht, dass die quergedämpfte Welle nur dort gestört wird, wo der zweite Kern 20b in das Feld der quergedämfpten Welle eindringt. Nur dort geht Leistung für die eine Faser 19a verloren.
Diese wird aber vollständig in die andere Faser 19b gekoppelt.
Dies steht im vorteilhaften Gegensatz zu Verfahren, bei welchen die Kerne zum Koppeln von Licht verformt werden. Dort ergeben sich systematische Verluste durch die Störung des Wel lenfeldes, da nur ein Teil des z.B. durch eine Kernverjüngung austretenden Lichtes vom zweiten Kern aufgenommen werden kann und der Rest in die Umgebung als Verlust abgestrahlt wird.
Als Giessmasse kann z.B. ein Zweikomponenten-Silikon Kautschuk (Rhodorsil 141 von Rhone-Poulence) und als mechanisch härtere Giessmasse ein Epoxidharz verwendet werden.
Bei immer noch aufrechterhaltenem Zug wird dann die in die Mulde 11 eingefüllte Giessmasse 24 ausgehärtet, z.B. während 1 1/4 Stunden bei 90 "C. Nach dem Aushärten der Giessmasse 24 (Fig. 8) wird der andere Festhaltedeckel 15 an das Gehäuse 10 angeschraubt und der Zug an den Fasern 19a, 19b entfernt.
Fig. 8 zeigt den Richtkoppler 25 in Aufsicht, wobei angenommen ist, dass der Gehäusedeckel 16 aus durchsichtigem Material besteht.
Bei einem wie vorstehend beschriebenen hergestellten Richtkoppler mit einer Interaktionslänge von 2,5 cm (einfache Verzweigung) wurden der Kopplungsgrad und die Verluste in der in Fig. 9 schematisch wiedergegebenen Anordnung gemessen. Die Lichtleistungen wurden bei X = 890 nm gemessen.
Zur Bestimmung der Verluste wurde die Faser, in die Licht eingekoppelt wurde, nach der Messung am Ausgang des Kopplers vor der Verzweigung abgetrennt und die gekoppelte Lichtleistung gemessen.
Es ergaben sich folgende Resultate: Messort (Fig. 9) gemessene
Lichtleistung I 20 W II 0,9 FW III 21,5 tW
Dies ergibt einen Kopplungsgrad von 4,2% und Verlusten von 2,8%, entsprechend 0,12 dB.
Übertragungsmatrix (ohne Verluste) der Einfachverzweigung:
I II III 95,7 % 4,3% IV 4,2% 95,8%
Bei einem Richtkoppler mit einer Interaktionslänge von 7,5 cm ergab sich ein Kopplungsgrad von 20%.
Solche Richtkoppler werden zum Aufbau von unidirektionalen seriellen optischen Datenübertragungswegen verwendet.
Fig. 10 zeigt in schematischer Darstellung einen seriellen optischen Datenbus 26 mit einer Zentrale 27 und drei Stationen 28, die mit optischen Sendern und Empfängern ausgerüstet sind. Die einen Fasern 19a der Richtkoppler 25 bilden den Bus und die anderen Fasern 19b der Richtkoppler 25 sind an je eine Station 28 angeschlossen.
Bidirektionaler optischer Koppler
Um Licht in beiden Richtungen zu koppeln, können zwei separate Einfachverzweigungen der vorstehend beschriebenen Art in Serie geschaltet werden. Dies bedingt jedoch doppelte Koppelverluste, was allgemein nachteilig ist.
Fig. 11 zeigt in schematischer Darstellung eine Doppelverzweigung 30 nach der Erfindung, mit der Licht in beiden Richtungen gekoppelt werden und die somit einen bidirektionalen Koppler bilden kann. In einem Gehäuse 31 befinden sich drei abgemantelte Faserkernabschnitte 33, 35, 36, ein Haupt-Faser Kernabschnitt 33 und zwei Neben-Faserkernabschnitte 35, 36, die sich auf der Interaktionslänge, wie vorstehend beschrieben, z.B. Iängs Mantellinien berühren.
Von dem in den Haupt-Faser Kernabschnitt 33 in Richtung des dicken Eintrittspfeils eingespeisten Licht werden im Koppelbereich Anteile in die Neben Faserkernabschnitte 35, 36 gekoppelt, so dass in der Lichtfort pflanzungsrichtung nach dem Koppelbereich alle drei Faser Kernabschnitte 33, 35, 36 Licht führen (dünne Austrittspfeile).
Mit einer solchen Doppelverzweigung 30 können zwei Arten von bidirektionalen Kopplern realisiert werden: ein bidirektionaler optischer Koppler mit drei Fasern und insgesamt sechs Licht-Ein- und Auslässen und ein bidirektionaler optischer Koppler mit zwei Fasern und entsprechend insgesamt vier Licht-Ein- und -Auslässen.
Fig. 12 zeigt schematisch einen an eine Station 28 angeschlossenen bidirektionalen Koppler 40 mit drei Fasern. Jeder abgemantelte Faserkernabschnitt 33, 35, 36 (Fig. 11) gehört zu einer separaten Faser: der Haupt-Faserkernabschnitt 33 zur Hauptfaser 32 (Fig. 12) der Neben-Faserkernabschnitt 35 zur Nebenfaser 34a, 34b und der andere Neben-Faserkernabschnitt 36 zur Nebenfaser 37a, 37b, wobei mit 34a, 37a die auf der einen Gehäuseseite austretenden Faserabschnitte der Nebenfasern und mit 34b, 37b die auf der anderen Gehäuseseite austretenden Faserabschnitte der Nebenfasern bezeichnet sind.
Der eine (rechte) Faserabschnitt 34a der ersten Nebenfaser sowie der andere (linke) Faserabschnitt 37b der zweiten Nebenfaser, sind z.B. an die Sendeseite einer Station 28 angeschlossen und der eine (rechte) Faserabschnitt 37a der zweiten Nebenfaser sowie der andere (linke) Faserabschnitt 34b der ersten Nebenfaser sind an die Empfangsseite der Station 28 angeschlossen.
Wenn die Hauptfaser 32 Licht in der einen Richtung (von links nach rechts) führt, wird Licht in die Nebenfaserabschnitte 34a und 37a gekoppelt und die Station 28 empfängt Licht aus dem Faserabschnitt 37a der zweiten Nebenfaser. Wenn die Hauptfaser 32 Licht in der anderen Richtung (von rechts nach links) führt, führen die Nebenfaserabschnitte 34b und 37b Licht und die Station 28 empfängt Licht aus der Hauptfaser 32 über den Faserabschnitt 34b der ersten Nebenfaser. Ebenso kann von der Station 28 über den Faserabschnitt 37b der zweiten Nebenfaser Licht in der einen Richtung (von links nach rechts) und über den Faserabschnitt 34a der ersten Nebenfaser Licht in der anderen Richtung (von rechts nach links) in die Hauptfaser 32 gekoppelt werden.
Ein bidirektionaler Koppler 41 mit zwei Fasern ist schematisch in den Figuren 13a und 13b wiedergegeben. Der Haupt Faserkernabschnitt 33 der Doppelverzweigung 30 (Fig. 11) gehört, wie vorher, zur Hauptfaser 32. Es ist jedoch nur eine einzige Nebenfaser 34 vorhanden und die beiden Neben-Faserkernabschnitte 35,36 sind mit einem ausreichenden Abstand voneinander bei dieser Nebenfaser 34 abgemantelt. Die beiden Neben-Faserkernabschnitte 35,36 sind so über den bemantelten Mittelabschnitt 34a der Nebenfaser 34 direkt miteinander verbunden. Von den bemantelten Aussenabschnitten 34b, 34b' der Nebenfaser 34 ist der eine, z.B. 34b an den Stationssender 28S und der andere 34b' an den Stationsempfänger 28E angeschlossen.
Wenn die Nebenfaser 34 Licht führt (Fig. 13a), wird über den zweiten Neben-Faserkernabschnitt 36 Licht in der einen Richtung (von links nach rechts) und über den ersten Neben-Faserkernabschnitt 35 Licht in der anderen Richtung (von rechts nach links) in den Haupt-Faserkernabschnitt 33 gekoppelt.
Führt die Hauptfaser 32 (Fig. 13b) Licht in der einen Richtung (von links nach rechts), so wird ein Anteil davon in den zweiten Neben-Faserkernabschnitt 36 gekoppelt und dieser Lichtanteil gelangt über den Nebenfaserabschnitt 34a, den ersten Neben-Faserkernabschnitt 35 und den Nebenfaserabschnitt 34b' zum Stationsempfänger 28E. Wenn die Hauptfaser 32 Licht in der anderen Richtung (von rechts nach links) führt, so wird ein Anteil davon in den ersten Neben-Faserkernabschnitt 35 gekoppelt und von da gelangt dieser Lichtanteil über den Nebenfaserabschnitt 34b' zum Stationsempfänger 28E.
Zur Herstellung eines bidirektionalen Kopplers 40 bzw. 41 nimmt man daher eine Hauptfaser 32 und legt bei dieser, wie in Fig. 5 veranschaulicht, den Haupt-Faserkernabschnitt 33 frei.
Ferner nimmt man eine oder zwei Nebenfasern 34 bzw. 34,37, die auch einen Faserkern mit kleinerem Querschnitt als die Hauptfaser haben können, und legt entweder für einen bidirektionalen Koppler mit drei Fasern 40 bei den zwei Nebenfasern 34,37 je einen Neben-Faserkernabschnitt 35, 36 oder für einen bidirektionalen Koppler 41 mit zwei Fasern bei der einen Nebenfaser 34 zwei Neben-Faserkernabschnitte 35, 36 frei.
Man kann ein Gehäuse verwenden, das im wesentlichen in Fig. 4 gezeigten entspricht. Da bei dem bidirektionalen Koppler drei abgemantelte Faser-Kernabschnitte in der Mulde 11 zu liegen kommen, ist es zweckmässig, in die Führungsnuten 12, 13 bemantelte Nebenfaserabschnitte einzulegen und für die bemantelten Hauptfaserabschnitte in den beiden Festhaltedeckeln 14 und 15 je eine separate Führungsnut 12', 13' (Fig. 14) vorzugsehen.
Das weitere Vorgehen bei der Herstellung von bidirektionalen Kopplern ist für beide Arten derselben identisch: Nach dem Einlegen der Fasern z.B. in die Führungsnuten 12, 12' (Fig. 14) wird der Festhaltedeckel 14 auf das Gehäuse 10 aufgeschraubt (etwa wie in Fig. 6 wiedergegeben). Dann werden die abgemantelten Faser-Kernabschnitte 33, 35, 36 in der Mulde 11 vorzugsweise wie folgt ausgerichtet:
Zuerst werden die beiden Neben-Faserkernabschnitte 35, 36 unterhalbt des Haupt-Faserkernabschnittes 33 gekreuzt (Fig.
15a). Dann wird der Haupt-Faserkernabschnitt 33 mit dem Neben-Faserkernabschnitt 35 und dem Neben-Faserkernabschnitt 36 umwunden (Fig. 15b). Dabei ist zu beachten, dass die Neben-Faserkernabschnitte 35 und 36 möglichst weit voneinander entfernt sind, um eine unerwünschte Kopplung zwischen den Neben-Faserkernabschnitten zu vermeiden. Anschliessend werden die Neben-Faserkernabschnitte 35, 36 oberhalb des Haupt Faserkernabschnittes 33 gekreuzt (Fig. 15c). Dann wird der Haupt-Faserkernabschnitt 33 zwischen den Neben-Faserkernabschnitten 35, 36 hindurch nach oben gezogen und der daran anschliessende bemantelte Hauptfaserabschnitt 32 in die Führungsnut 13' des anderen Führungsdeckels 15 eingelegt.
Der Führungsdeckel 15 wird nur leicht am Gehäuse 10 befestigt und die Fasern werden einem ausreichend starken Zug ausgesetzt, so dass sich die abgemantelten Faser-Kernabschnitte in der Mulde 11 eng aneinanderlegen. Die weiteren Schritte entsprechen denen bei der Herstellung eines Richtkopplers (Fig. 7, Fig. 8).
Bei einer Doppelverzweigung, zu deren Herstellung die vorstehend für den Richtkoppler genannten Fasern, Gehäuse und Giessmasse verwendet wurden, wurden der Kopplungsgrad und die Verluste in der in Fig. 16 schematisch wiedergegebenen Anordnung gemessen.
Es ergaben sich folgende Resultate: Messort (Fig. 16) gemessene
Lichtleistung 34a 1,5 itW 32a 19,4 LW 37a 0,6 uW 32b 22 uW
Die Verluste betrugen demnach ca. 2,5% entsprechend ca.
0,11 dB.
Obertragungsmatrix der Doppelverzweigung:
34a 32a 37a 34b 92,7% 7 % 0,3% 32b 6,8% 90,4% 2,7% 37b 0,2% 3,3% 96,5%
Die Doppelverzweigungen werden vorwiegend zum Aufbau von bidirektionalen, seriellen optischen Datenbussen verwendet. Bei einer den vorgesehenen Stationen entsprechenden Anzahl von Doppel-Verzweigungen werden die bemantelten Faserabschnitte der Hauptfaser 32 zusammengeschaltet, wie dies in Fig. 10 ersichtlich ist. Das Anschliessen einer Station 28 an eine Doppel-Verzweigung mit drei Fasern erfolgt, wie in Fig. 12 gezeigt und das Anschliessen einer Station 28 an eine Doppelverzweigung mit zwei Fasern wie in Fig. 13 ersichtlich ist. Bei der Verwendung von Doppelverzweigungen mit zwei Fasern wird bei jeder Station eine Faser eingespart und es sind nur zwei Fasern an die Station anzuschliessen.
Ausserdem wird im allgemeinen eine Sende- und Empfangsdiode eingespart, so dass solche Doppel-Verzweigungen mit zwei Fasern vorteilhafter sind.
** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.
17. Use of passive fiber branches according to claim 13 for coupling light in a serial optical data bus, characterized in that one of the number of branches (25; 30) corresponding to the number of desired stations (25; 30) each of a fiber core section (20a, 33), the main fiber core section, sheathed fiber sections (19a, 32) leading away to a data bus and to the further sheathed fiber sections (19b, 34a, 34b, 37a, 37b, 34b, 34b ') of each branch a station ( 28) connects.
18. Use according to claim 17 of single fiber branches according to claim 14 for a unidirectional serial optical data bus, characterized in that to the free two sheathed fiber sections (19b) are connected to a station at each branch after interconnection to form a data bus.
19. Use according to claim 17 of fiber double branches with three fibers each according to claim 15, for a bidirectional serial optical data bus, characterized in that with each branch (30) the one covered fiber section (34a) of a first secondary fiber core section (35) and the other covered fiber section (37b) of a second secondary fiber core section (36) on the transmitter side of a station (28) and the other covered fiber section (34b) of the first secondary fiber core section (35) and the one covered fiber section (37a) of the second Secondary fiber core section (36) are connected to the receiver side of the station (28).
20. Use according to claim 17 of fiber double branches with two fibers each according to claim 16 for a bidirectional serial optical data bus, characterized in that with each branching (30) the one uncovered fiber section (34b) of the secondary fiber core sections (35, 36 ) to the transmitter 28S) and the other free sheathed fiber section (34b ') of the secondary fiber core sections (35, 36) to the receiver (28E) of a station (28).
The invention relates to a method for producing passive optical fiber branches with a coupling path protected by a housing from at least two step index fibers in which the optical cladding can be removed from the fiber core without core damage, and to passive fiber branches produced by the method and their use for coupling light in a serial optical data bus.
For a so-called local data network, i.e. If a data network in a limited space with a data transmission path of between approximately ten meters and ten kilometers in length, the serial optical data bus proves to be particularly advantageous. To couple light into and out of the bus, optical fiber branches are required, which must meet certain requirements. The losses of each branch should be as small as possible, preferably <0.5 dB, the branch to be used should be robust and simple to manufacture and should also allow it to be inserted later into the already installed bus without too great difficulty. Furthermore, each branch should have a certain degree of coupling; for a data bus with 5 to 10 stations e.g. a degree of decoupling of 4% to 8% is the cheapest.
So-called glass-clad - i.e. glass-clad fibers and so-called plastic-clad - or plastic-clad-step-index - i.e. strippable step index fibers are available for the construction of optical data networks and, accordingly, branches from these two types of fibers are also known.
Branches made of glass-clad fibers are produced by welding the individual glass-clad fibers together. For example, the ends of three fibers are welded in the form of a Y by means of an arc, the partial ratio of
Branch can be determined by the geometry of the welding point. Since the fiber ends have to be carefully processed and precisely adjusted, the production is relatively complex and, moreover, the losses which occur with such a branching are quite high, they are approximately 1.5 dB.
Another method of producing branches from glass-clad fibers is to lead two fibers parallel to one another and weld their glass claddings, as is e.g. M.K. Barnowski, H.P. Friedrich, in Applied Optics, Vol.
15, No. 11 Nov 1976, pp. 2629-2630 Fabrication of an Access
Write Coupler with Single-Strand Multimode Fiber Waveguides.
For making branches from strippable
Step index fibers (plastic clad fibers) cannot be used to directly weld the fibers together. A well known
The procedure consists in removing the jacket in the coupling region, tapering the cores and possibly also welding them, and encapsulating the whole with jacket material (e.g. T. Ozeki, BS Kawasaki, Optical Directional Coupler Using Tapered Sections in Multimode Fibers, Applied Physics Letters, Vol. 28, No. 9, May 1, 1976, pp. 528-529 and BS
Kawasaki, K.O. Hill, Low Loss Access Coupler for Multimode
Optical Fiber Distribution Networks, Applied Optics, Vol. 16, No. 7, July 1977, 1794-1795). Such branches are complex to manufacture and, moreover, there are systematic losses which require exact manufacture if the branch is to be used in a data bus.
It is also known to couple electromagnetic energy from one fiber core to another fiber core by bringing the cores close to each other and providing a thin cladding layer between them, so that the transverse attenuated wave resulting from the total reflections can penetrate into the other core. This requires a very precise adjustment of the cores, which makes the production of such branches uneconomical.
It was therefore an object of the invention to provide a method by which optical fiber branches, in particular also double branches, can be produced from strippable step index fibers, which have the optical properties required for serial data transmission networks and are also robust, in a simple and economical manner.
The solution to the problem according to the invention is that in the case of the step index fibers, exposed fiber core sections are created by stripping, each of which has a length corresponding to the desired coupling distance, that the stripped fiber core sections are guided so close to one another in the housing without changing their core cross section that a Coupling of electromagnetic energy from the fiber core section to the fiber core section along the coupling section can only take place by means of transversely damped waves by allowing the fiber core sections to be subjected to a tensile force in the longitudinal direction which is sufficiently strong to bring the fiber core sections along the coupling section into physical contact with one another,
and that one surrounds the fiber core sections in the housing with the tensile force maintained, with a material having the same optical properties as the optical cladding of the step index fibers, and the tensile force is removed after the fixing of the fiber core sections to the housing.
The particular advantage of this method is that the position of the stripped fiber core sections in the housing does not have to be adjusted exactly, but self-adjustment of the fiber core sections can be achieved via the tensile force acting on them, which creates reproducible conditions for series production. Since the exponential in the degree of coupling
outgoing fiber core distance can always be zero here, only the interaction length is decisive for the amount of electromagnetic energy that can be coupled out, but this is less critical.
The implementation of the method is significantly facilitated by a housing, which is characterized by a cuboid housing body with a trough extending in the longitudinal axis of the housing body in the central region and with a guide groove in each of the two end regions of the housing body, each guide groove from one end of the Mule leads away to a narrow side of the housing body and serves to receive covered fiber sections, through two retaining covers, which can be attached to the housing body above the guide grooves, and through a housing cover serving to cover the trough with a continuous bore for inserting an injection needle into the trough for the introduction of casting material.
Such a housing allows the fiber core sections to be kept clean until the branching is completed, so that no significant additional losses due to impurities occur during the branching.
Passive fiber branches produced by the method according to the invention are therefore distinguished by a housing in which at least two stripped fiber core sections of step index fibers are embedded in a casting compound, from the ends of which step-stepped step index fiber sections lead out of the housing on the narrow sides of the housing and which lead out as Light inlets and outlets serve. The passive fiber branches according to the invention are used for coupling light in a serial optical data bus, in that, at a number of branches corresponding to the number of desired stations, the sheathed fiber sections leading from a fiber core section, the main fiber core section, are connected in series to form a data bus and a station connects to the other covered fiber sections of each branch.
Advantageous developments of the invention name claims 2 to 10 for the method, claims 12 for the housing, claims 14 to 16 for the fiber branches produced and claims 18 to 20 for their use.
The invention is explained in detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Times:
Figure 1 is a diagram illustrating the total reflection of light on an optically thinner medium.
FIG. 2 shows a known branch in a schematic representation to explain the principle on which the invention is based;
3 shows the field profile in the branching of FIG. 2 at the interface A-A;
Fig. 4 parts of a housing in supervision;
5 shows two step index fibers with stripped fiber core sections;
6 shows the housing with inserted fiber core sections in supervision in an intermediate stage of the branch production;
7 shows a longitudinal section through the housing with fiber core sections in a later intermediate stage of the branch production;
;
8 is a top view of a completed single branch;
FIG. 9 shows a connection diagram of the branch of FIG. 8 used to determine the degree of coupling and the losses;
10 shows a data bus with branching for three stations;
11 shows a double branch with three stripped fiber core sections;
FIG. 12 shows a bidirectional three-fiber coupler containing the double branch of FIG. 11;
13a) a bidirectional coupler with two fibers containing the double branch of FIG. 11, in which light from the secondary fiber is coupled into the main fiber, and b) the bidirectional coupler when coupling light from the main fiber into the secondary fiber;
14 the end face of a housing in a modified version;
;
15 a-c three stages in the laying of the fiber core sections for a bidirectional coupler (double branching) and
16 shows a measuring arrangement for measuring the degree of coupling and the losses for the double branching.
The coupling principle on which the invention is based is first dealt with with reference to FIGS. 1 to 3. The light conduction in a step index glass fiber is based on the total reflections at the transition from the optically denser medium of the fiber core with the refractive index n1 to the optically thinner medium of the optical cladding with the refractive index n2 <nl. 1 shows a schematic representation of an electromagnetic wave W totally reflected at the interface 3 between an optically denser medium 1 and an optically thinner medium 2. In contrast to the classic model of total reflection, an electromagnetic wave W does not only exist in the optically denser medium 1 of the glass fiber core , but also a wave field Q in the optically thinner medium 2 of the glass fiber jacket.
The electromagnetic waves Q arise at the individual reflections of the wave W at the interface 3 and have an amplitude that decreases exponentially with increasing radial distance from the center of the glass fiber.
The transversely damped wave Q does not transport any energy transversely to the direction of propagation of the wave W in the optically denser medium 1, i.e. transverse to the direction of propagation of the light in the glass fiber, but energy is transported outside the fiber core in the fiber cladding in the direction of propagation w of the light. If the optical cladding of the glass fiber is thick (some so, the amplitude of the transversely damped wave Q outside the cladding will be negligible Idein.
The cross-attenuated wave can be used to couple light from one fiber to another. For this purpose, the two fiber cores must be brought so close together that the transversely damped shaft can penetrate the second core with an amplitude that has not yet dropped too much.
2 shows a schematic representation of two step index glass fibers 4 and 5, the cores 4a and 5a of which are coated with an optically thinner medium 6. The two glass fibers 4 and 5 run parallel to one another over a longer distance, the sheath medium 6c located between the two cores 4a and 5a ensuring the small core spacing required for the coupling and correspondingly being less thick than the outer sheath medium 6a, 6b. The fiber core 4a guides light Lw from left to right, as is indicated in FIG. 2 by a thick entry arrow and a thin exit arrow.
The portion Lol of the transversely damped wave that arises with each total reflection at the transition fiber core 4a, cladding medium 6a, 6c remains in the outer thick cladding medium 6a, while the portion LQ2 penetrates the thin layer of cladding medium 6c between the cores 4a and 5a and into the second core 5a penetrates. At the transition from the cladding medium 6c to the second fiber core 5a, the transversely damped wave LQ2 becomes a flat wave Lkw2, which propagates in the core 5a of the second glass fiber 5 in the same direction (exit arrow) as the flat wave Lwl in the core of the first glass fiber 4.
The total reflections of the plane wave LW2 at the transition from the fiber core 5a to the outside thick jacket medium 6b lead to a further transversely damped wave LQ3 which, like LQI, runs in the thick jacket medium 6b. Since the two fiber cores 4a, 5a are guided parallel to one another over a longer distance at a small distance from one another, light from the first fiber 4 passes into the second fiber 5 at each transition of the total reflection at the fiber core 4a-cladding medium 6c transition. FIG. 3 shows the field profile at the interface A-A of the fiber arrangement shown in FIG. 2.
In this way, a large part of the light from the first fiber 4 can be coupled into the second fiber 5, the degree of coupling being able to be determined by the distance between the two fiber cores and the length of the coupling path (interaction length). The following literature may be mentioned: Marcuse, Light Transmission Optics, New York, 1975 and Marcuse, Theory of Dielectrical Optical Waveguides, New York, 1974.
The following important conclusions for the production of optical fiber branches are derived from the coupling principle set out above:
A) in order to achieve low losses in the case of fiber branching, it is essential that the fiber cores are not changed, in particular not broken or tapered, and
B) for a given fiber and mode distribution, the degree of coupling is determined by B 1 the distance of the fiber cores in the coupling area, whereby for good reproducibility the core distance must be defined to fractions of Ftm because the degree of coupling is exponentially dependent on the core distance, and B2 the interaction length the core sections,
However, their influence on the degree of coupling is less critical because of the quadratic relationship between the degree of coupling and the interaction length that occurs in practice in the range of interaction lengths.
Because of these conclusions, the method according to the invention for the production of optical fiber branches is limited to those fiber types in which the fiber core and fiber cladding are such that the cladding can be completely removed from the core. A common fiber of this type is the so-called plastic clad fiber with a glass or quartz core and an optically active sheath made of plastic, which is usually still surrounded by a resistant protective sheath.
The manufacture of an optical directional coupler (single branch) and a bidirectional optical coupler (double branch) are described below as exemplary embodiments.
The optical directional coupler
Process steps in the production of an optical directional coupler are illustrated in FIGS. 4 to 8. Such a directional coupler has a simple fiber branching and comprises two step index fibers which are optically coupled to one another in a protective housing, with a total of four light inlets and outlets corresponding to the two fibers in the directional coupler.
A trough-shaped housing 10 (FIG. 4) made of brass or PVC is used, which consists of a cuboid housing body of approximately 10 cm in length, 1.5 cm in width and 1 cm in height with a trough 11 which occupies the central region and is approximately 5 cm in length and 0 , 5 cm width. A guide groove 12 or 13 leads outwards from each end of the trough 11 to the narrow side of the housing. The guide grooves 12, 13 are just so wide that two mutually aligned coated fibers can lie next to one another therein, so deep that the two coated fibers inserted in a guide groove are held in the guide groove by a retaining cover 14 or 15 placed on the housing 10 can be held sufficiently firmly. To cover the trough 11, a housing cover 16 is provided which has a bore 17 for inserting an injection needle.
Housing cover 16 and holding cover 14, 15 can e.g. are fastened to the housing 10 by means of screws 18 (FIGS. 6, 8). In the housing 10 shown in FIG. 4, the guide grooves 12, 13 extend along the longitudinal axis of the housing, so that the fibers are led into or out of the trough 11 at an angle of 0 "to the longitudinal axis of the housing. The fibers can also be introduced at an angle of a few degrees, for example 24 to the longitudinal axis of the housing, but it has been shown that such a fiber insertion does not result in a significant improvement in the degree of coupling and the additional effort in producing such a housing is therefore not worthwhile.
So-called plastic cladstep index fibers 19a, 19b were used for the directional coupler, which (FIG. 5) have a core 20 with a relatively large diameter made of pure quartz (SiO2) and an optical cladding 21 in the form of an easily removable coating Have silicone rubber and a resistant protective sheath 22.
Data of a fiber used: Type Quartz & Silice QSF-A-400 core diameter 400 Fm outer diameter of the optical cladding 550 Fm of the protective cladding 850 Rm maximum attenuation at X = 850 nm 5 dB / km numerical aperture 0.22 optical bandwidth (3 dB) 15 MHz: km smallest bending radius 12 mm
Valtec type PC 10 fibers with a core diameter of 200 llm were also used.
In the case of two pieces of fiber 19a, 19b (Fig. 5), approximately in the middle of the fibers, the fiber core 20a, 20b is cut to a length of a few cm, e.g. 2.5 cm, 4 cm or 7.5 cm are exposed by carefully removing the protective jacket 22 and the optical jacket 21, with short ends 21a, 21a 'and 21b, 21b respectively from the protective jackets 22 at both ends of the exposed fiber core sections 20a 'protrude from the optical cladding 21. After cleaning the exposed fiber core sections 20a, 20b, the two fibers 19a, 19b are inserted into a guide groove 12 of the housing 10 (FIG. 6) such that the projecting ends 21a, 21b of the optical sheaths 21 lie in the trough 11.
The retaining cover 14 is placed on and firmly pressed onto the housing 10 by means of screws 18, so that the clamped sheathed fibers 19a, 19b remain fixed in their position even when moderate tension is applied. The two fibers 19a, 19b are then twisted so that the stripped fiber core sections 20a, 20b loop around each other, and inserted into the other guide groove 13. The stripped fiber core sections 20a, 20b lie in the trough 11 and also the projecting ends 21a ', 21b' of the optical cladding 21 protrude into the trough 11.
The fibers 19a, 19b are subjected to a defined draw of e.g. 2.5 N exposed so that the fiber core sections touch along the surface lines (core distance zero) and a reproducible geometry is guaranteed. In order to protect the stripped fiber core sections 20a, 20b from contamination, the housing cover 16 is placed on the housing 10 and fastened to it by means of screws 18 (FIG. 7). Then, while the train is still maintained, the trough 11 is filled with pourable jacket material or an optically equivalent material of greater mechanical hardness by introducing the casting compound into the trough 11 by means of an injection needle 23 which is guided through the bore 17 in the housing cover.
By casting the stripped fiber core sections in the coupling area with a material that has the same optical properties as the sheath 21, it is achieved that the transversely damped shaft is disturbed only where the second core 20b penetrates into the field of the transversely damped shaft. Only there is power lost for one fiber 19a.
However, this is completely coupled into the other fiber 19b.
This is in an advantageous contrast to methods in which the cores are deformed to couple light. There are systematic losses due to the disturbance of the wave field, since only part of the e.g. can be absorbed by a core rejuvenation emerging light from the second core and the rest is radiated into the environment as a loss.
As casting compound e.g. a two-component silicone rubber (Rhodorsil 141 from Rhone-Poulence) and an epoxy resin can be used as the mechanically harder casting compound.
With the train still being maintained, the casting compound 24 filled into the trough 11 is then cured, e.g. for 1 1/4 hours at 90 "C. After the casting compound 24 has hardened (FIG. 8), the other holding cover 15 is screwed onto the housing 10 and the tension on the fibers 19a, 19b is removed.
8 shows the directional coupler 25 in a top view, it being assumed that the housing cover 16 consists of transparent material.
In the case of a directional coupler manufactured as described above with an interaction length of 2.5 cm (simple branching), the degree of coupling and the losses were measured in the arrangement shown schematically in FIG. 9. The light outputs were measured at X = 890 nm.
To determine the losses, the fiber into which light was injected was cut off after the measurement at the output of the coupler before branching and the coupled light output was measured.
The following results were obtained: measurement location (FIG. 9) measured
Light output I 20 W II 0.9 FW III 21.5 tW
This results in a coupling level of 4.2% and losses of 2.8%, corresponding to 0.12 dB.
Transfer matrix (without losses) of the single branch:
I II III 95.7% 4.3% IV 4.2% 95.8%
With a directional coupler with an interaction length of 7.5 cm, the degree of coupling was 20%.
Such directional couplers are used to set up unidirectional serial optical data transmission paths.
Fig. 10 shows a schematic representation of a serial optical data bus 26 with a center 27 and three stations 28, which are equipped with optical transmitters and receivers. The one fibers 19a of the directional coupler 25 form the bus and the other fibers 19b of the directional coupler 25 are each connected to a station 28.
Bidirectional optical coupler
In order to couple light in both directions, two separate single branches of the type described above can be connected in series. However, this requires double coupling losses, which is generally disadvantageous.
11 shows a schematic representation of a double branch 30 according to the invention, with which light is coupled in both directions and which can thus form a bidirectional coupler. In a housing 31 there are three stripped fiber core sections 33, 35, 36, one main fiber core section 33 and two secondary fiber core sections 35, 36, which are on the interaction length as described above, e.g. Touch along the generatrices.
In the coupling area, portions of the light fed into the main fiber core section 33 in the direction of the thick entry arrow are coupled into the secondary fiber core sections 35, 36, so that all three fiber core sections 33, 35, 36 guide light in the light propagation direction after the coupling area ( thin exit arrows).
With such a double branch 30, two types of bidirectional couplers can be realized: a bidirectional optical coupler with three fibers and a total of six light inlets and outlets and a bidirectional optical coupler with two fibers and correspondingly a total of four light inlets and outlets.
FIG. 12 schematically shows a bidirectional coupler 40 with three fibers connected to a station 28. Each stripped fiber core section 33, 35, 36 (Fig. 11) belongs to a separate fiber: the main fiber core section 33 to the main fiber 32 (Fig. 12), the sub fiber core section 35 to the sub fiber 34a, 34b and the other sub fiber core section 36 to Secondary fiber 37a, 37b, 34a, 37a denoting the fiber sections of the secondary fibers emerging on one housing side and 34b, 37b the fiber sections emerging of the secondary fibers on the other housing side.
The one (right) fiber section 34a of the first secondary fiber and the other (left) fiber section 37b of the second secondary fiber are e.g. connected to the transmission side of a station 28 and one (right) fiber section 37a of the second secondary fiber and the other (left) fiber section 34b of the first secondary fiber are connected to the reception side of station 28.
When the main fiber 32 guides light in one direction (left to right), light is coupled into the sub fiber sections 34a and 37a and the station 28 receives light from the fiber section 37a of the second sub fiber. When the main fiber 32 carries light in the other direction (right to left), the sub fiber sections 34b and 37b carry light and the station 28 receives light from the main fiber 32 via the fiber section 34b of the first sub fiber. Likewise, light in the station 28 can be coupled into the main fiber 32 via the fiber section 37b of the second subsidiary fiber in one direction (from left to right) and via the fiber section 34a of the first subsidiary fiber in the other direction (from right to left).
A bidirectional coupler 41 with two fibers is shown schematically in FIGS. 13a and 13b. The main fiber core section 33 of the double branch 30 (FIG. 11) belongs, as before, to the main fiber 32. However, there is only a single secondary fiber 34 and the two secondary fiber core sections 35, 36 are stripped at a sufficient distance from one another with this secondary fiber 34 . The two secondary fiber core sections 35, 36 are thus directly connected to one another via the covered central section 34a of the secondary fiber 34. Of the covered outer sections 34b, 34b 'of the secondary fiber 34, the one, e.g. 34b connected to the station transmitter 28S and the other 34b 'to the station receiver 28E.
If the secondary fiber 34 conducts light (FIG. 13a), light passes through the second secondary fiber core section 36 in one direction (from left to right) and via the first secondary fiber core section 35 light in the other direction (from right to left) coupled into the main fiber core section 33.
If the main fiber 32 (FIG. 13b) guides light in one direction (from left to right), a portion thereof is coupled into the second sub fiber core section 36 and this light portion passes through the sub fiber section 34 a, the first sub fiber core section 35 and the sub fiber section 34b 'to the station receiver 28E. If the main fiber 32 directs light in the other direction (from right to left), a portion of it is coupled into the first sub fiber core section 35 and from there this light portion passes through the sub fiber section 34b 'to the station receiver 28E.
To produce a bidirectional coupler 40 or 41, a main fiber 32 is therefore taken and, as illustrated in FIG. 5, the main fiber core section 33 is exposed.
Furthermore, one or two secondary fibers 34 or 34, 37, which can also have a fiber core with a smaller cross section than the main fiber, are taken and either a secondary fiber core section is placed for a bidirectional coupler with three fibers 40 for the two secondary fibers 34, 37 35, 36 or for a bidirectional coupler 41 with two fibers in the one secondary fiber 34, two secondary fiber core sections 35, 36 are free.
A housing can be used which essentially corresponds to that shown in FIG. 4. Since three stripped fiber core sections come to rest in the trough 11 in the bidirectional coupler, it is expedient to insert sheathed secondary fiber sections into the guide grooves 12, 13 and a separate guide groove 12 ', for each of the stripped main fiber sections, in the two retaining covers 14 and 15. 13 '(Fig. 14).
The further procedure for the production of bidirectional couplers is identical for both types of the same: After inserting the fibers e.g. the retaining cover 14 is screwed onto the housing 10 in the guide grooves 12, 12 '(FIG. 14) (approximately as shown in FIG. 6). Then the stripped fiber core sections 33, 35, 36 in the trough 11 are preferably aligned as follows:
First, the two secondary fiber core sections 35, 36 are crossed below the main fiber core section 33 (Fig.
15a). Then the main fiber core section 33 is wound with the sub fiber core section 35 and the sub fiber core section 36 (Fig. 15b). It should be noted that the secondary fiber core sections 35 and 36 are as far apart as possible to avoid undesired coupling between the secondary fiber core sections. The secondary fiber core sections 35, 36 are then crossed above the main fiber core section 33 (FIG. 15c). The main fiber core section 33 is then pulled up between the secondary fiber core sections 35, 36 and the adjoining covered main fiber section 32 is inserted into the guide groove 13 ′ of the other guide cover 15.
The guide cover 15 is only slightly attached to the housing 10 and the fibers are subjected to a sufficiently strong pull, so that the stripped fiber core sections in the trough 11 lie close together. The further steps correspond to those in the manufacture of a directional coupler (FIGS. 7, 8).
In the case of a double branch, for the manufacture of which the fibers, housing and casting compound mentioned above for the directional coupler were used, the degree of coupling and the losses were measured in the arrangement shown schematically in FIG. 16.
The following results were obtained: Measurement site (Fig. 16) measured
Light output 34a 1.5 itW 32a 19.4 LW 37a 0.6 uW 32b 22 uW
The losses were approx. 2.5%, corresponding to approx.
0.11 dB.
Transfer matrix of the double branch:
34a 32a 37a 34b 92.7% 7% 0.3% 32b 6.8% 90.4% 2.7% 37b 0.2% 3.3% 96.5%
The double branches are mainly used to set up bidirectional, serial optical data buses. In the case of a number of double branches corresponding to the intended stations, the covered fiber sections of the main fiber 32 are interconnected, as can be seen in FIG. 10. A station 28 is connected to a double branch with three fibers, as shown in FIG. 12, and a station 28 is connected to a double branch with two fibers, as can be seen in FIG. 13. When using double branches with two fibers, one fiber is saved at each station and only two fibers have to be connected to the station.
In addition, a transmission and reception diode is generally saved, so that such double branches with two fibers are more advantageous.