CH670319A5

CH670319A5 -

Info

Publication number: CH670319A5
Application number: CH1029/86A
Authority: CH
Inventors: Albert Dr Rer Nat Wiesmeier
Original assignee: Daimler Benz Ag
Priority date: 1985-03-14
Filing date: 1986-03-13
Publication date: 1989-05-31
Also published as: SE8601163L; FR2578984A1; FR2578984B1; GB2172412A; JPH0473124B2; US4747651A; DE3509053C1; GB2172412B; GB8606329D0; SE8601163D0; SE461243B; JPS61212807A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Dreiweg-Sternteiler für Lichtwellenleiter (LWL) gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Für die Verwirklichung faseroptischer Bussysteme zur Datenübertragung ist die Existenz bidirektionaler Sternteiler Voraussetzung. Mit ihrer Hilfe kann z.B. an eine faseroptische Datenleitung ein Teilnehmer (Gerät) angeschlossen werden, der bidirektional senden und empfangen kann.

Bekannt sind sogenannte Y- oder T-Koppler (DE-OS 33 24 161), bei denen zwei Teillichtströme über eine Gradientenlinse als Koppelelement in einen einzigen Lichtstrom zusam-mengefasst werden. Neben dieser Art der Zusammenführung von Lichtströmen sind auch Y-Koppler bekannt, bei denen zwei Fasern durch Verschmelzung bzw. Verklebung in eine einzige Faser zusammengeführt werden. Das thermische Erweichen, Verdrillen und Dehnen der Fasern erfordert bei der Produktion jedoch eine erhebliche manuelle Fertigkeit, die zumindest gegenwärtig eine Automatisierung ausschliesst. Ausserdem kön5

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nen nicht alle Anschlüsse eines Y-Kopplers gleichberechtigt miteinander kommunizieren. Erst mit drei Y-Kopplern kann ein bidirektionaler Sternteiler aufgebaut werden. Dies ist in Figur 1 gezeigt, womit gleichzeitig der funktionale Unterschied zwischen Y-Koppler und Dreiweg-Sternteiler verdeutlicht wird.

Bekannt sind ferner Dreiweg-Sternteiler (DE-OS 33 24 611) und insbesondere ein Dreiweg-Sternteiler, bei dem die Faser aufgetrennt und mit einem verspiegelten 90°-Prisma ein Teil des Lichtes in eine weitere Faser ausgekoppelt wird. Der hierfür notwendige parallele Strahlengang wird durch drei Linsen erzeugt. Den Aufbau zeigt Figur 2.

Obwohl diese Anordnung schon den Vorteil hat, dass durch ein Verschieben des Prismas der Aus- bzw. Einkopplungsgrad kontinuierlich veränderbar ist, verbietet der hohe mechanische Aufwand, der in der Justierbarkeit der Linsen liegt, eine Serienfertigung zu niedrigem Preis. Aus optischen Gründen ist zumindest bei drei gleichartigen Faseranschlüssen eine verlustarme Auskopplung nur bis ungefähr 50% möglich (in Figur 2 gezeigt).- Der Vorteil dieses Systems — nämlich der veränderbare Auskopplungsgrad — kann auch durch Austausch gegen einen entsprechend hergestellten Koppler mit festem Auskopplungsgrad erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bidirektionalen Dreiweg-Sternteiler für Lichtwellenleiter zu schaffen, welcher verlustarm und universell einsetzbar ist und einfach und preiswert in grossen Stückzahlen hergestellt werden kann.

Desweitern soll ein derartiger Sternteiler so geschaffen sein, dass durch Kombination mehrerer Sternteiler jede beliebige bidirektionale Verzweigung realisiert werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Der hier vorgeschlagene Dreiweg-Sternteiler eignet sich insbesondere zum Einbau in preiswerte Faseroptik-Bussysteme. Hierzu werden vor allem Kunststoffasern als LWL mit 1 mm Durchmesser oder sogenannte Dickkernfasern aus Glas oder Quarz mit 0,5 mm Durchmesser verwendet. Die Kopplungsglieder können in dieser Materialstärke mit Hilfe der Spritzgusstechnik preiswert und in grossen Stückzahlen hergestellt werden. Die dabei erziehlte Oberflächengüte ist für den hier geforderten Zweck ausreichend.

Die Lichtführung lässt sich so gestalten, dass Aufteilung und Fokussierung der Strahlenbündel vollständig innerhalb eines flächenhaften Kunststoffteils (Kopplungsglied) mit homogener Zusammensetzung erfolgt. Die Beeinflussung der Strahlrichtungen geschieht nach einer Weiterbildung der Erfindung ausschliesslich über den Effekt der Totalreflexion an der Grenzfläche des Kunststoffteils zur Luft. Damit ist eine Oberflächenbehandlung wie z.B. Bedampfen mit reflektierenden Schichten überflüssig. Vernachlässigt man Beugungseffekte, so ist es wegen des begrenzten Strahlungskegels des LWL im Kunststoffteil immer möglich, Punkte zu finden, die im Schatten liegen und daher zur Befestigung des sonst freischwebenden Kunststoffteils genutzt werden können.

Sind Grund- und Deckfläche zueinander parallel und der Brechungsindexsprung zwischen dem Kunststoffteil und Luft stets grösser als der zwischen Kern und Mantel des LWL, so erfolgt in vertikaler Richtung im Kunststoffteil stets Totalreflexion. Die Strahlenbündel können daher in vertikaler Richtung in ihrer Ausbreitung auf die Höhe des Kunststoffelements beschränkt werden, die mit dem Kerndurchmesser des LWL vorzugsweise identisch ist.

Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Reflexion an der Innenlängs-, Grund- und Deckfläche des Kopplungsgliedes ebenfalls als Totalreflexion. Hierbei sind bestimmte Grenzwinkel einzuhalten. Die Parameter des elliptischen Reflektors ergeben sich hierbei aus den Merkmalen des Anspruches 3. Für das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel wurde eine numerische Apertur von 0,53 für den LWL und ein

Brechungsindex von n = 1,5 für das Kopplungsglied zugrunde gelegt.

Anhand der in der Zeichung dargestellten Ausführungsbeispiele soll nun die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen bidirektionalen Dreiweg-Sternteiler aus Y-Kopplern (Stand der Technik),

Fig. 2 einen bidirektionalen Dreiweg-Sternteiler mit 90°-Prisma (Stand der Technik),

Fig. 3 einen erfindungsgemässen bidirektionalen Dreiweg-Sternteiler in Draufsicht und

Fig. 4 einen als bidirektionalen Y-Koppler mit Übersprech-funktion ausgebildeten erfindungsgemässen Dreiweg-Sternteiler.

Der in Figur 3 dargestellte bidirektionale Dreiweg-Sternteiler 1 weist drei Kopplungsglieder 2, 3 und 4 auf, welche aus planparallelen Glas- bzw. Kunstglaselementen mit homogener Zusammensetzung bestehen. Unter Kunstglas wird hierbei ein transparenter Kunststoff verstanden, allgemein bekannt unter der Bezeichnung PMMA, im speziellen bekannt unter der Bezeichnung Acrylglas oder Plexiglas. Jedes Kopplungsglied weist eine als planer Reflektor ausgebildete Innenlängsfläche 5 und eine als elliptischer Reflektor ausgebildete Aussenlängsfläche 6 auf, wobei die Längsflächen 5 und 6 eines jeden Kopplungsgliedes durch plane Kopplerflächen 2.1, 2.2 - 3.1, 3.2 - 4.1, 4.2 miteinander verbunden sind, welche jeweils zur zugeordneten Innenlängsflächen 5 einen spitzen Winkel g einschliessen. Da im gezeigten Ausführungsbeispiel die drei Innenlängsflächen ein gleichseitiges Dreieck bilden, beträgt dieser Winkel g = 60°. Die Schnittlinien 2.1.1 - 4.2.1, 2.2.1 - 3.2.1 und 3.1.1 - 4.1.1 zwischen den einzelnen Kopplerflächen und den Innenlängsflächen 5 stossen hierbei aneinander und sind in vorteilhafter Weise stoffschlüssig miteinander verbunden, so dass insgesamt die drei Kopplungsglieder 2, 3 und 4 als einstückiges Formteil stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die jeweils aneinan-derstossenden Kopplerflächen 2.1, 4.2 - 2.2, 3.2 - 3.1, 4.1 bilden zusammen ebenfalls eine plane Fläche, zu welcher jeweils die Stirnfläche 7.1, 8.1, 9.1 eines Lichtwellenleiters 7, 8 und 9 parallel verläuft. Die Ausrichtung des Lichtwellenleiters ist jeweils derart, dass die Schnittlinien 2.1.1 - 4.2.1 auf der optischen Achse 7.2 des Lichtwellenleiters 7, die Schnittlinien 2.2.1 - 3.2.1 auf der optischen Achse 8.2 des Lichtwellenleiters 8 und die Schnittlinien 3.1.1 - 4.1.1 auf der optischen Achse 9.2 des Lichtwellenleiters 9 liegen.

Die als elliptischer Reflektor ausgebildete Aussenlängsfläche 6 eines jeden Kopplungsgliedes 2, 3 und 4 ist nun so gestaltet, dass der Öffnungswinkel a des Strahlungskegels des einfallenden Lichtbündels gleich dem Öffnungswinkel b des Strahlungskegels des reflektierten Lichtbündels und ferner die mittlere Gegenstandsweite

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— also die Summe der Längen sämtlicher vom Brennpunkt Fi ausgehenden Lichtstrahlen xi...xm dividiert durch die Anzahl m der Lichtstrahlen des einfallenden Lichtbündels — gleich der mittleren Bildweite

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— also der Summe der Längen sämtlicher durch den Brennpunkt F2 gehenden Lichtstrahlen yi ym diviviert durch die

Anzahl m der Lichtstrahlen des reflektierten Lichtbündels — ist. Da die Reflexion als Totalreflexion erfolgen soll, ist unter Berücksichtigung der numerischen Apertur des LWL — beispielsweise N.A = 0,53 —, dem Brechungsindex n des Materials des Kopplungsgliedes — für Plexiglas n = 1,5 — und dem sich hieraus ergebenden Aperturwinkel c — im Beispiel c = 20°

— ferner darauf zu achten, dass die Einfallswinkel der Licht5

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strahlen des Strahlenbündels grösser gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion sind — im Beispiel beträgt der Grenzwinkel zwischen Plexiglas und Luft 42°. Die Brennpunkte Fi und F2 des elliptischen Reflektors 6 — im Ausführungsbeispiel dargestellt für den elliptischen Reflektor 6 des Kopplungsgliedes 4 — sind ausserdem so zu wählen, dass sie einerseits ausserhalb der Innenlängsfläche 5 hegen, jedoch so, dass andererseits ihre gespiegelten Brennpunkte Fi' und F2' auf den Kopplerflächen — im Beispiel auf den Kopplerflächen 4.2 und 4.1 — liegen.

Durch die vorstehend aufgezeigten Parameter ist also die Kontur des elliptischen Reflektors zu bestimmen bzw. bestimmt.

Die Dicke der Kopplungsglieder 2, 3 und 4 ist so gewählt, dass sie vorzugsweise gleich dem Kerndurchmesser des Lichtwellenleiters 7, 8, 9 entspricht, während die Länge der Innenlängsflächen 5 in etwa das 8 bis 15fache des Kerndurchmessers des Lichtwellenleiters beträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt sie das lOfache.

Da im gezeigten Ausführungsbeispiel die drei angekoppelten Lichtwellenleiter 7, 8, 9 und auch die Kopplungsglieder 2, 3, 4 identisch und ferner dieselben als gleichseitiges Dreieck angeordnet sind, werden durch die somit gewählte streng symmetrische Strahlführung minimale Verluste gewährleistet. Selbstverständlich können für unterschiedliche Lichtwellenleiter und/ oder Ankopplungsgrade geänderte Ellipsenparameter von Vorteil sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist auch das Teilerverhältnis für alle drei Lichtwellenleiteranschlüsse gleich; es beträgt 0,5. Es ist jedoch möglich, durch Verschieben eines oder mehrer der Koppleranschlüsse 7.3, 8.3, 9.3 der Lichtwellenleiter 7, 8, 9 parallel (in Pfeilrichtung 11) zu den beiden jeweils an den Lichtwellenleiter angrenzenden Kopplerflächen 2.1 - 4.2, 2.2 - 3.2, 3.1 - 4.1 der Kopplungsglieder 2, 3, 4 das Teilerverhältnis zu variieren.

Wie aus Figur 3 desweitern ersichtlich ist, ist an dem Koppleranschluss 8.3 des Lichtwellenleiters 8 ein sich von den beiden Kopplerflächen 2.2 - 3.2 in Richtung des Lichtwellenleiters 8 erstreckendes Anschlussstück aus Glas bzw. Kunstglas angeordnet, welches von dem Koppleranschluss 8.3 gegenüber dem Lichtwellenleiter 8 auch zentriert wird. Die Aussenabmessungen des Anschlussstückes 10 sind so gewählt, dass sie mindestens dem Kerndurchmesser, maximal jedoch dem Manteldurchmesser des Lichtwellenleiters 8 entsprechen. In vorteilhafter Weise ist das Anschlussstück 10 mit den Kopplerflächen 2.2-3.2 der Kopplungsglieder 2, 3 stoffschlüssig verbunden, so dass die aus den Elementen 2, 3, 4 und 10 bestehende Einheit als ein Teil im Spritzgussverfahren hergestellt werden kann. Dieses Anschlussstück 10 hat die Aufgabe, bei einer Kaskadierung des Dreiweg-

Sternteilers mit einem weiteren Dreiweg-Sternteiler für eine Mischung der von den Lichtwellenleitern 7 und 9 kommenden Teillichtbündel zu sorgen. Durch Kaskadieren von solchen erfindungsgemäss ausgebildeten Dreiweg-Sternteilern können Sternteiler mit beliebig vielen Abzweigungen mit allen nur denkbaren Auskoppelgraden realisiert werden.

In Figur 3 sind ferner noch Schraffurbereiche 12 und 13 eingezeichnet, welche Randzonen darstellen und aufgrund der begrenzten Strahlungskegel der Lichtbündel in den Kopplungsgliedern für die optische Funktion ohne Bedeutung sind. Diese Bereiche können in vorteilhafter Weise für das Fixieren der Kopplungsglieder durch Befestigungselemente genutzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform dient zur Fixierung der Kopplungsglieder 2, 3, 4 ein Befestigungselement 14, welches im Schraffurbereich 13 jeweils mit den Kopplungsgliedern verbunden ist und zwar derart, dass es mit diesen stoffschlüssig und somit einstückig im Spritzgussverfahren hergestellt ist.

Wie bereits ausgeführt, ist es möglich, die Koppleranschlüsse der Lichtwellenleiter und damit die Lichtwellenleiter selbst parallel — in Pfeilrichtung 11 — zu den angrenzenden Kopplerflächen zu verschieben, um so das Teilerverhältnis zu variieren. Figur 4 zeigt nunmehr einen Dreiweg-Sternteiler, bei welchem die Lichtwellenleiter 7 und 9 in Pfeilrichtung 11 zum Lichtwellenleiter 8 hin verschoben sind. Ist beispielsweise der Lichtwellenleiter 7 als Sender, der Lichtwellenleiter 9 als Empfänger und der Lichtwellenleiter 8 als Sender/Empfänger realisiert, so ergibt sich ein Y-Koppler, wobei der vom Lichtwellenleiter 7 zum Lichtwellenleiter 9 über das Kopplungsglied 4 übertragene «Übersprechanteil» 15 (ausgekoppelter Informationsteil) beliebig variiert werden kann und beispielsweise eine einfache Funktionsüberwachung des Senders (LWL 7) erlaubt.

Würde man die Lichtwellenleiter 7 und 9 in die entgegengesetzte Richtung 11' verschieben, so würde man ein Einkoppelelement erhalten, bei welchem nur ein geringer Teil der vom LWL 7 zum LWL 9 laufenden Signalenergie zum LWL 8 umgeleitet wird.

Der erfindungsgemässe bidirektionale Dreiweg-Sternteiler stellt also ein universelles Element dar, mit welchem

— ein Verzweigungspunkt mit drei gleichberechtigten Anschlüssen,

— ein Y-Koppler,

— ein Abzweigelement

— und durch Kombination verschiedener Sternteiler jede bidirektionale Verzweigung realisiert werden kann.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler für Lichtwellenleiter mit Koppleranschlüssen für die Lichtwellenleiter und Aus- bzw. Einkopplungsgliedern zwischen den einzelnen Koppleranschlüssen, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kopplungsglieder (2, 3, 4) jeweils aus einem bezogen auf ihre Grund- und Deckfläche planparallelen Glas- bzw. Kunstglaselement mit homogener Zusammensetzung bestehen, dessen Innenlängsfläche (5) als planer Reflektor und dessen Aussenlängsfläche (6) als elliptischer Reflektor ausgebildet ist, wobei die beiden Längsflächen (5, 6) beidseitig durch zur Innenlängsfläche (5) einen spitzen Winkel (g) einschliessende plane Kopplerflächen (2.1, 2.2; 3.1, 3.2; 4.1, 4.2) verbunden sind, welche parallel zu den Stirnflächen (7.1, 8.1, 9.1) der jeweils angrenzenden Lichtwellenleiter (7, 8, 9) verlaufen, wobei die Schnittlinien (2.1.1, 4.2.1; 2.2.1, 3.2.1; 3.1.1, 4.1.1) zwischen den Kopplerflächen und der Innenlängsfläche jeweils auf der senkrecht hierzu verlaufenden optischen Achse (7.2, 8.2, 9.2) der Lichtwellenleiter liegen.

2. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlängsflächen (5) der drei Kopplungsglieder in Draufsicht (2, 3, 4) ein gleichseitiges Dreieck bilden.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elliptische Reflektor (6) eines jeden Kopplungsgliedes (2, 3, 4) durch folgende Parameter bestimmt ist,

a) der Öffnungswinkel (a) des Strahlungskegels des einfallenden Lichtbündels ist ungefähr gleich, vorzugsweise gleich dem Öffnungswinkel (b) des Strahlungskegels des reflektierten Lichtbündels,

b) die mittlere Gegenstandsweite

Exj m

ist ungefähr gleich der mittleren Bildweite

Eyi m

wobei m die Anzahl der Lichtstrahlen ist c) die Reflexion erfolgt als Totalreflexion,

d) die numerische Apertur des Lichtwellenleiters (7, 8, 9) und den Brechungsindex n des Materials des Kopplungsgliedes (2, 3, 4),

e) die Innenlängsfläche (5) (planer Reflektor) liegt zwischen der Verbindung der Brennpunkte Fi und F2 des elliptischen Reflektors und demselben (6),

f) die an der optischen Achse (7.2, 8.2, 9.2) gespiegelten Brennpunkte Fi' und F2' des elliptischen Reflektors (6) liegen auf den Kopplerflächen (2.1, 2.2; 3.1, 3.2; 4.1, 4.2).

4. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion an der Innenlängs-, Grund- und Deckfläche des Kopplungsgliedes (2, 3, 4) ebenfalls als Totalreflexion erfolgt.

5. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Kopplungsgliedes (2, 3, 4) ungefähr gleich, vorzugsweise gleich dem Kerndurchmesser des Lichtwellenleiters (7, 8, 9) ist.

6. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Innenlängsfläche (5) des Kopplungsgliedes (2, 3, 4) ein Vielfaches des Kerndurchmessers des Lichtwellenleiters (7, 8, 9) ist.

7. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Innenlängsfläche (5) des Kopplungsgliedes (2, 3, 4) das 8 bis 15fache, vorzugsweise das lOfache des Kerndurchmessers des Lichtwellenleiters (7, 8, 9) beträgt.

8. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei angekoppelten Lichtwellenleiter (7, 8, 9) gleich ausgebildet sind.

9. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Koppleranschluss der Koppleranschlüsse (7.3, 8.3, 9.3) für die Lichtwellenleiter (7, 8, 9) parallel zu den beiden an ihn angrenzenden Kopplerflächen (2.1, 4.2; 2.2, 3.2; 3.1, 4.1) der beiden Kopplungsglieder (2,4; 2,3; 3, 4) zur Variation des Teilerverhältnisses verschiebbar (Pfeilrichtung 11) ist.

10. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kopplungsglieder (2, 3, 4) als einstückiges Formteil stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

11. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kopplungsglieder (2, 3, 4) jeweils an den Schnittlinien (2.1.1, 4.2.1; 2.2.1, 3.2.1; 3.1.1, 4.1.1) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

12. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens bei einem Koppleranschluss (8.3) ein sich von den beiden Kopplerflächen (2.2, 3.2) in Richtung des Lichtwellenleiters (8) erstreckendes Anschlussstück (10) aus Glas- bzw. Kunstglas angeordnet ist,

13. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 12, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück (10) stoffschlüssig mit den beiden Kopplerflächen (2.2, 3.2) der Kopplungsglieder (2, 3) verbunden ist.

14. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenabmessungen des Anschlussstückes (10) mindestens dem Kerndurchmesser und maximal dem Manteldurchmesser des Lichtwellenleiters (8) entsprechen.

15. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück (10) gegenüber dem Lichtwellenleiter (8) vom Koppleranschluss (8.3) für den Lichtwellenleiter (8) zentrierbar ist.

16. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück (10) mit einem Koppleranschluss eines weiteren Dreiweg-Sternteilers zwecks Kaskadierung verbindbar ist.

17. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsglieder (2, 3, 4) mittels ausserhalb (bei 12, 13) der Strahlungskegel der Lichtbündel liegender Elemente (14) fixiert werden, welche vorzugsweise stoffschlüssig mit den Kopplungsgliedern (2, 3, 4) verbunden sind.