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PATENTANSPRÜCHE
1. Optischer Strahlenteiler mit zwei Lichtleitfasern (6), die Ende an Ende längs einer gemeinsamen Achse angeordnet sind und deren benachbarte Faserendflächen abgeschrägt sind und folglich einen ersten und einen zweiten vorbestimmten Winkel mit der Faserachse einschliessen, wobei die beiden Winkel komplementär sind, gekennzeichnet durch zwei Glasplättchen (9, 10), zwischen denen sich eine der zwei Lichtleitfasern befindet, wobei die der erwähnten Faserendfläche der einen Faser benachbarten Endflächen der Glasplättchen abgeschrägt sind ion einem Winkel, der dem ersten vorbestimmten Winkel gleich ist, durch mindestens ein drittes Glasplättchen (10), welches die andere der Lichtleitfasern trägt und in derselben Ebene wie das eine der erwähnten zwei Glasplättchen liegt,
wobei die der erwähnten Faserendfläche der anderen der zwei Fasern benachbarte Endfläche des dritten Plättchen in einem Winkel abgeschrägt ist, der dem zweiten vorbestimmten Winkel gleich ist, und durch eine dielektrische Trennschicht (7) zwischen den benachbarten Faserendflächen und den diesen Endflächen benachbarten Endflächen des dritten und des einen der beiden erstgenannten zwei Glasplättchen.
2. Strahlenteiler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in der Nähe der benachbarten Faserendflächen angebrachte Mittel (8, 13) zum Empfang einer kleinen, reflektierten Lichtmenge.
3. Strahlenteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (7) aus Luft oder aus Epoxy besteht.
4. Strahlenteiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine dritte Lichtleitfaser (13) oder eine PIN-Diode (8) enthalten.
5. Strahlenteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Epoxyschicht (12) zwischen der einen der zwei Fasern und je einem der ersten zwei Glasplättchen und zwischen dem dritten Glasplättchen und der andern der zwei Fasern aufgetragen ist.
6. Strahlenteiler nach den Ansprüchen 4 und 5, gekennzeichnet durch eine erste Epoxyanhäufung, welche mindestens einen Teil der andern der zwei Fasern über dem dritten Glasplättchen umgibt und durch eine zweite Epoxyanhäufung, welche den Rest der andern Faser umgibt.
7. Strahlenteiler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein parallel zum dritten Plättchen und in der Ebene des andern der erwähnten zwei Plättchen liegendes viertes Glasplättchen (9), welches zusammen mit dem dritten Plättchen die andere der zwei Fasern festhält, wobei eine der Endfläche der andern der zwei Fasern benachbarte Endfläche des vierten
Glasplättchens den zweiten vorbestimmten Winkel aufweist.
8. Strahlenteiler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, dass sich die Trennschicht (7) bis zwischen die Endflä chen des vierten und eines der ersterwähnten zwei Glasplätt chen erstreckt.
9. Strahlenteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, dass die PIN-Diode (8) in einem vorbestimmten Abstand von einem der Glasplättchen durch Epoxyharz gesichert ist.
10. Strahlenteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass der erste vorbestimmte Winkel gleich 45" ist.
11. Strahlenteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass der erste vorbestimmte Winkel 25 bis 65" ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Strah lenteiler mit zwei Lichtleitfasern, die Ende an Ende längs ei ner gemeinsamen Achse angeordnet sind und deren benach barte Faser-Endflächen abgeschrägt sind und folglich einen ersten und einen zweiten vorbestimmten Winkel mit der Faserachse einschliessen, wobei die beiden Winkel komplementär sind.
Die Überwachung des Ausgangs-Lichtstroms aus einem Halbleiterlaser stellt ein kritisches Problem dar. Der Ausgangs-Lichtstrom eines Halbleiterlasers kann wegen Änderungen der Aussentemperatur, aus Gründen der Alterung und wegen verschiedener anderer Gründe Änderungen unterworfen werden, auch wenn der Ansteuerungsstrom stabil gehalten wird. Natürlich ergeben sich aus diesen Änderungen ernste Folgen für den Betrieb einer optischen Nachrichtenverbindung. Eine der herkömmlichen Methoden, mit welcher die erwähnten Änderungen beseitigt werden sollen, besteht in der Überwachung oder Abtastung des Laserausgangs und in der Schaffung eines Rückkopplungsnetzwerk, welches den Ausgangslichtstrom stabilisiert.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Überwachung der aus der Rückfläche des Lasers austretenden Emission, es musste jedoch festgestellt werden, dass diese Emission nicht immer dem aus der Stirnfläche austretenden Licht entspricht.
Andere Methoden konzentrierten sich auf die Modifizierung der Lichtausbreitung in der an den Laser gekoppelten Faser, derart, dass ein kleiner aus der Faser austretender Teil des Lichts durch einen Detektor überwacht wird. All diese Methoden messen vorzugsweise Fasermodes höherer Ordnung und können folglich keine genauen Angaben über den totalen Lichtstrom des Lasers liefern. Da die Alterung und Änderungen der Temperatur Modeverschiebungen des Lasers zur Folge haben können, sind diese Methoden vollkommen unannehmbar.
Eine herkömmliche Lösung des Problems der Modeabhängigkeit wird in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Eine Lichtleitfaser 1 wird mittels eines verhältnismässig durchsichtigen Epoxyharzes 2 in einer Form befestigt; nach dem Aushärten des Harzes wird die Form in einem Winkel von 45" zerschnitten.
Die Endflächen des Epoxyharzes 2 und der Faser 1 werden dann poliert, die Faserenden aneinander gekoppelt und eine Trennschicht 3 aus Epoxyharz zwischen diese gelegt. Da der Brechungsindex der Epoxy-Trennschicht 3 nicht genau jenem der Faser entspricht, entsteht eine kleine Fresnelsche Reflexion an den Berührungsflächen zwischen Faser und Epoxy, wobei diese Reflexion senkrecht zur Faserachse verläuft. Ein Photodetektor, z.B. eine PIN-Photodiode 4, wird durch Epoxyharz 5 an das Epoxyharz 2 befestigt und empfängt die Reflexion aus den Berührungsflächen.
Diese Strahlenteiler-Lösung ist den übrigen Methoden vorzuziehen, da das abgezweigte, reflektierte, Signal den Laser-Ausgangslichtstrom genau wiedergibt. Die Abzweigung wird lediglich auf Anderungen des Laserausgangs-Lichtstroms, nicht jedoch auf Änderungen in der Verteilung von Zwischenmodes reagieren. Ausserdem ist die Konstruktion einfach und die fertige Einrichtung kompakt. Bei Verwendung von vielschichtigen, dielektrischen Überzügen einer der Faser-Stirnflächen kann eine Anzahl weiterer Vorrichtungen hergestelft werden, z.B. ein 3 dB-Leistungsstrahlenteiler, ein
10 dB-Sammelschienen-Abzweigekoppler oder ein Wellenlängen-Duplexkoppler.
Beim Testen der Laser-Monitorkoppler gemäss den Fig. 1 und 2 wurde jedoch festgestellt, dass sie den Temperaturbedürfnissen nicht entsprechen. Die meisten Einrichtungen konnten über 50 C nicht mehr arbeiten, manche versagten bereits bei 30 C.
Ein weiterer Strahlenteiler wird im Artikel Lightwave Fiber Tap , Applied Optics, Band 17, No. 14, Seiten 2215-2218, Juli 1978 von M.A. Karr, T.C. Rich und M.
DiDomenico, Jr. beschrieben. Diese Ausführung ähnelt dem 45 -Strahlenteiler der Fig. 1 und 2. Der wichtigste Unterschied zwischen den beiden Einrichtungen ist ein anstatt der Epoxy-Trennschicht verwendeter Luftspalt zwischen den po
lierten Endflächen der Fasern. Der grosse Unterschied der Brechungsindexe von Faser und Luft verursacht eine viel grössere Reflexion als im vorher beschriebenen Fall, so dass bei einer Verwendung eines Winkels von 45 das ganze Licht reflektiert würde und keines zur Übertragung übrig bliebe.
Folglich muss der Einfallwinkel auf z.B. 25' reduziert werden.
Auch bei diesem reduzierten Winkel ist die Reflexion recht gross (8% oder 0,4 dB) eine weitere Reduktion des Winkels ist jedoch wegen in der Geometrie auftretenden Schwierigkeiten nicht möglich; das abgezweigte Licht würde z.B. die Faser in einem streifenden Winkel verlassen.
Die Vorrichtung gemäss dem oben erwähnten Artikel wurde gebaut, getestet und ausgewertet. Der Luftspalt bewirkte zwar im Vergleich zu der Strahlenteilerausführung gemäss den Fig. 1 und 2 eine geringere Temperaturabhängigkeit, die Herstellung der Einrichtung war jedoch kompliziert und verursachte grosse Durchlaufverluste. Der Hauptgrund dieser hohen Verluste in der Einrichtung ist in der grossen Reflexion, oder Abzweigung, zu suchen, welche auf die grosse Differenz der Brechungsindexe zurückzuführen ist. Bei 25 beträgt die Reflexion 0,5 dB, wobei es um einen inhärenten Durchlaufverlust geht, der nicht mehr reduziert werden kann.
Dies resultiert in einem grösseren Abzweig-Lichtstrom, ein Laser-Monitorkoppler benötigt jedoch bei weitem keine so grosse Leistung und kann tatsächlich um eine oder zwei Grössenordnungen weniger Licht verwenden. Ein weiterer Grund für den grossen Verlust besteht in der End-Oberflächenbehandlung der Faserendflächen, da kein indexangepasstes Material im Spalt zwischen den Faserenden vorhanden ist.
Kleine Vertiefungen oder Kratzer streuen beträchtlich weniger bei einem indexangepassten Material im Spalt, ihr Einfluss vergrössert sich jedoch beträchtlich bei einem Luftspalt und bei einem Einfallwinkel von 25 . Dies ist auch Teil der erhöhten Konstruktionsschwierigkeiten, da dem Polieren der Faserendflächen erhöhte Aufmerksamkeit gewidmet werden muss. Ein weiteres Problem bildet die Montage der Einrichtung wegen des Luftspalts: Die nackten Faserenden können sehr leicht zerkratzt werden oder sogar Risse erleiden, wenn beim Koppeln keine Epoxy-Trennschicht oder Trennflüssigkeit vorhanden sind.
Die Vielseitigkeit des 45 -Strahlenteilers wurde schon früher erwähnt, indem durch Aufdampfen eines vielschichtigen, dielektrischen Überzugs auf die Endfläche der Fasern ein 3dB-Strahlenteiler oder ein Wellenlängen-Duplexer gebildet werden kann. Es ist sehr fraglich, ob dies auch bei der im oben erwähnten Artikel beschriebenen Einrichtung durchführbar ist. Ein empfindlicher, vielschichtiger, dielektrischer Überzug benötigt mit Sicherheit eine Epoxy- oder ähnliche Schutzschicht, da die zwei ungeschützten Fasern den Überzug bei Berührung beschädigen könnten. Ausserdem werden bei der Herstellung entblösste Einzelfasern verwendet (im Gegensatz zu in Formen befestigten Fasern), so dass eine Behandlung, z.B. das Auftragen des dielektrischen Überzugs, sich sehr schwierig gestaltet.
Es bestehen auch offene Fragen in Sachen Zuverlässigkeit und Robustheit einer Einrichtung, in welcher die Fasern nicht durch Epoxy in einer Form festgehalten sind.
Beim Luftspalt besteht immer die Möglichkeit einer Verunreinigung durch Staub oder andere Partikeln, die in den Luftspalt gelangen und so die Einrichtung funktionsunfähig machen könnten. Der Artikel macht auch keine Erwähnung über die Temperaturabhängigkeit der Einrichtung. Dies ist aber ein äusserst wichtiger Parameter, da der Lasermonitor vorzugsweise dazu bestimmt ist, den Ausgangslichtstrom des La sers bei Temperaturschwankungen konstant zu halten. Bei einer Einrichtung mit einem 25 Luftspalt wird ein gerilltes Silicium-Distanzstück zur Kopplung der Fasern verwendet und bekanntlich ist die Wärmeausdehnung von Silicium um eine
Grössenordnung höher als jene einer Siliciumdioxidschmelze, welche eine Hauptkomponente der Faser bildet. Wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungszahlen kann es also zum Versagen der Einrichtung kommen.
Zusammenfassend weist die im oben erwähnten Artikel beschriebene Einrichtung folgende Nachteile auf: Grosse Durchlaufverluste, eine komplizierte Konstruktion und mögliche Zuverlässigkeitsprobleme.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Strahlenteiler zu schaffen, der bei einer Temperatur von mindestens 60 C betrieben werden kann, wobei alle positiven Eigenschaften des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Strahlenteilers beibehalten werden. Die Konstruktion soll einfach sein, und ein verbessertes Polieren der Faserendfläche ermöglichen. Die Zuverlässigkeit soll erhöht, der Durchlaufverlust herabgesetzt werden.
Charakteristische Merkmale des erfindungsgemässen Strahlenteilers sind dem Wortlaut des Patentanspruchs 1 zu entnehmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun anhand der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen herkömmlichen Strahlenteiler,
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1,
Fig. 3 einen Längs schnitt durch einen erfindungsgemässen Strahlenteiler,
Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 aus Fig. 3, und
Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Strahlenteilers.
Das Grundprinzip, gemäss welchem der erfindungsgemässe Strahlenteiler nach den Fig. 3 und 4 betrieben wird, ist mit jenem des herkömmlichen Strahlenteilers nach den Fig. 1 und 2 identisch. Eine Lichtleitfaser 6 wird zerschnitten, so dass ein Paar Lichtleitfasern entsteht, deren Enden in einer gewissen Distanz voneinander entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet sind. Eine Endfläche einer Faser des Faserpaares weist einen vorbestimmten, ersten Winkel zur Längsachse der Fasern auf die benachbarte Endfläche der zweiten Faser des Faserpaares einen vorbestimmten, zweiten Winkel, der komplementär zum ersten Winkel ist. In der Fig. 3 beträgt dieser Winkel 45 . Die Endflächen der beiden Fasern werden poliert und zwischen diese eine Epoxy-Trennschicht 7 einige fügt.
Das resultierende kleine (-20 bis3QdB) abgezweigte, reflektierte, Signal wird durch eine PIN-Photodiode 8 überwacht. Der Hauptunterschied zwischen der Anordnung gemäss Fig. 4 und der herkömmlichen Anordnung gemäss Fig.
1 liegt im Ersatz der mit Epoxy gefüllten Form 2 durch einen Glasschichtaufbau. Es werden sehr billige Glasplättchen 9 und 10 verwendet, wie sie als Objektträger für Mikroskope bekannt sind. Diese auf die gewünschten Masse geschnittenen Plättchen ersetzen das Epoxyharz 2 aus Fig. 1 und eliminieren dadurch das Temperaturversagen des Strahlenteilers bis zu mindestens 60 "C. Diese Verbesserung findet statt, da die Wärmeausdehnungszahl der Glasplättchen 9 und 10 eherjener der Glasfaser 6 angepasstlst, als dies gemäss der Fig. 1 zwischen dem Epoxyharz 2 und der Faser der Fall ist.
Es wurden auch Modifikationen ausprobiert, um die Wärmeausdehnung von Epoxy zu reduzieren. So z.B. wurde Epoxy mit Glaspartikeln gefüllt, wobei dieser Versuch versagte, da es nicht möglich war, eine genügende Menge von Glas mit Epoxy zu mischen. Es wurde erwogen, eine Glasfasermatrix im Epoxyharz zu verwenden, was jedoch wegen konstruktionellen Schwierigkeiten nicht durchgeführt wurde.
Verschiedene weitere Möglichkeiten stehen zwar offen, es würde sich jedoch als schwierig erweisen, eine Technik zu entwickeln, die rascher und einfacher ist als die Glasplättchenmethode gemäss Fig. 3.
Der Ersatz des Epoxyharzes 2 aus Fig. 1 durch die Glas plättchen 9 und 10 aus Fig. 3 erleichtert auch die Konstruktion des Strahlenteilers. Beim Polieren eines beliebigen Materials ist es wichtig, das polierte Muster mittels einer Substanz festzuhalten, welche eine ähnliche Polierhärte aufweist. Wird Epoxy verwendet, welches weicher als Glas ist, können in der Faser Sprünge und Risse entstehen, insbesondere beim Polieren unter einem gewissen Winkel. Die Verwendung von Glasplättchen 9 und 10 ist eine wichtige Verbesserung auf diesem Gebiete und verkürzt beträchtlich die benötigte Arbeitszeit.
Zusätzlich kann die Glasstruktur rascher zusammenmontiert werden, als es bei der Epoxyform der Fall war, da hier eine aufwendige Faservorbereitung vorangehen musste, die Form wurde gleichfalls mühsam repariert und schlussendlich ist noch die lange Aushärtezeit von Epoxy zu erwähnen.
Schliesslich wird bei der erfindungsgemässen Einrichtung auch der Abzweigeverlust reduziert, da die meisten Epoxyarten nicht so klar wie Glas sind, was zu einer einige dB grossen Absorption zwischen Faser 1 und Photodiode 4 in der Fig. 1 führt.
Vor der Herstellung des Strahlenteilers gemäss Fig. 3 wird vorerst eine bestimmte Faserlänge in der Mitte zerschnitten und die so gewonnenen Faserenden von ihrem Mantel 11 befreit. Glasplättchen einer entsprechenden Grösse (z.B. 12,7 auf 6,35 auf 3,175 mm) werden an einem Ende unter einem Winkel von 45 abgeschrägt, siehe Fig. 3. Jedes Faserende mit zwei Glasplättchen wird dann mit einem dünnen Überzug 12 aus Epoxy 1 versehen, wobei die Dicke des Überzugs lediglich der Dicke der Faser, d.h. ungefähr 0,13 mm, entspricht. Nach einer einstündigen Aushärtung uner Hitzeeinwirkung wird dann das Ganze geschliffen und poliert, wobei die Faser unter einem Winkel von 45 gehalten wird.
Die zwei Hälften der zerschnittenen, ursprünglichen Faser werden dann mit Hilfe eines Mikropositionierers wieder zusammengebaut und durch ein Epoxy 2, welches nachfolgend die Epoxy-Trennschicht 7 bildet, in der gewünschten Lage befestigt. An dieser Stelle sollte bemerkt werden, dass beim erfindungsgemässen Strahlenteiler die Menge und die Lage der verwendeten Epoxyarten keinen nennenswerten Einfluss auf die Bewegung der Faser 6 durch Wärmeausdehnung ausübt. Der Strahlenteiler gemäss Fig. 3 wird hauptsächlich für Laser-Überwachungsfunktionen eingesetzt, wobei nur ein kleiner Teil des Lichtstroms in der Faser gemessen und der Rest durch die Faser übertragen wird. Die Konstruktion des Strahlenteilers ist so entworfen, dass er in einem Temperaturbereich zwischen -20 C und + 60 C zuverlässig arbeitet.
Dabei ist der Aufbau einfacher als bei herkömmlichen Teilern.
Einfache Modifikationen gestatten es, den Strahlenteiler für verschiedene Anwendungsarten zu verwenden. So z.B.
wird im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 die Photodiode 8 aus Fig. 3 durch eine Lichtleitfaser-Abzweigung 13 ersetzt. In diesem Falle wird in einer Hälfte des Strahlenteilers nur ein Glasplättchen vorhanden sein und die Abzweigung 13 wird dann mittels Epoxy an jener Stelle befestigt, wo das Signalmaximum auftritt. Um die Lichtstärke des abgezweigten Signals einstellen zu können, kann entweder der Winkel des Faserschnitts oder der Brechungsindex der Epoxy-Trennschicht geändert werden. Eine Änderung des Winkels der Faser der Abzweigung kann sich wegen der Geometrie der Situation als schwierig erweisen; trotzdem sollte ein Bereich zwischen 25 und 65 des Einfallwinkels möglich sein.
Bei einem Winkel von 65 und mit einem Epoxy, dessen Brechungsindex n z 1,55 ist würde der abgezweigte Lichtstrom im Vergleich zum 45 -Einfallwinkel um ungefähr 5dB ansteigen. Die Abzweigungsraten würden dann zwischen -15 bis - 25dB, verglichen mit - 20 bis - 30dB bei 45 , liegen.
Durch Änderung des Brechungsindexes der Trennschicht 7 können sogar grössere Abzweigungsverhältnisse entstehen.
Z.B. bei n= 2,3 und einem Einfallwinkel von 45 wird die Ab zweigung15dB betragen. Höhere Brechungsindizes können durch verschiedene Massnahmen erreicht werden. Durch eine Kombination einer Refraktionsschicht mit einem hohen Brechungsindex und hohen Einfallwinkeln können noch grössere Abzweigungen erreicht werden.
Am besten können Änderungen der Abzweigungen durch einen auf eine Faserfläche aufgedampften, vielschichtigen, dielektrischen Überzug vorgenommen werden. Dieser Uber- zug kann zur Herstellung eines beliebigen Abzweigverhältnisses für eine beliebige Wellenlänge verwendet werden. Auf die geschilderte Weise wurden Wellenlängenduplexer konstruiert, welche eine Wellenlänge reflektieren und eine andere übertragen.
Schliesslich ist es auch möglich, durch einen Luftspalt und durch Änderungen des Winkels stärkere Abzweigungsverhältnisse zu erhalten. Wie schon erwähnt,-gleicht ein Einfall von 25 ungefähr -10dB. Ein 3dB-Strahlenteiler kann mit einem Winkel zwischen 35 und 45 hergestellt werden. In allen oben erwähnten Fällen kann für die Abzweigung entweder ein Detektor oder eine Faser verwendet werden.