DE102008041053B4

DE102008041053B4 - Faseroptischer Koppler

Info

Publication number: DE102008041053B4
Application number: DE102008041053.5A
Authority: DE
Inventors: Hans Poisel; Erich Antonio Pai-Soler; Olaf Ziemann; Martin Bloos
Original assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2007-08-11
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2028-08-07
Also published as: DE102008041053A1

Abstract

Optischer Koppler zur Verkopplung von mindestens zwei Lichtleitern (1) umfassend einen Mischer (2) aus optisch transparentem Material mit einer Einkoppelfläche (5) und einer Endfläche (6), wobei die Lichtleiter (1) auf einem Kreis angeordnet und mit der Einkoppelfläche (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelfläche (5) durch zwei konzentrische Kreise begrenzt ist, wobei ein äußerer Kreis dem äußeren Durchmesser und ein innerer Kreis dem inneren Durchmesser der Einkoppelfläche (5) entspricht und weiterhin eine kegelförmige Aussparung (4) in dem Mischer (2) vorhanden ist, deren Grundfläche dem inneren Kreis entspricht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen optischen Koppler zur Verbindung mehrerer Lichtwellenleiter. Solche Koppler werden auch Sternkoppler genannt.
Stand der Technik
Zur optischen Kopplung mehrerer Lichtwellenleiter untereinander sind verschiedene Arten von Sternkopplern bekannt.
In der DE 196 43 894 A1 ist ein Sternkoppler offenbart, bei dem die miteinander zu verkoppelnden Lichtwellenleiter an einer Stirnfläche einer zylinderförmigen Mischeinheit angeordnet sind. Die Aufgabe der Mischeinheit ist es, das Licht zwischen den einzelnen Lichtwellenleitern möglichst gleichmäßig zu verteilen. Hierzu sind entsprechende Brechungsindexprofile im Inneren der Mischeinheit vorgesehen.
In der DE 34 35 805 A1 ist ein weiterer optischer Sternkoppler offenbart, bei dem die Mischeinheit aus einer transparenten Spritzmasse formgespritzt ist.
In der DE 27 53 222 A1 ist ein weiterer Sternkoppler mit einer kegelförmigen bzw. doppelkegelförmigen Mischeinheit offenbart. Im Falle einer kegelförmigen Mischeinheit kann die Kegelspitze besonders günstig gestaltet sein, um eine gute Durchmischung zu erreichen.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Sternkopplern ist, dass die Koppeldämpfungen zwischen den einzelnen Lichtwellenleitern stark unterschiedlich sein können. So ist beispielsweise die Koppeldämpfung zwischen einem zentral an der Mischeinheit angeordneten Lichtwellenleiter und einem außenliegend angeordneten Lichtwellenleiter geringer als die Koppeldämpfung zwischen zwei außen angeordneten Lichtwellenleitern.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sternkoppler bereitzustellen, der kostengünstig herstellbar ist und gleiche Koppeldämpfungen zwischen allen Lichtwellenleitern aufweist.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Sternkoppler umfasst einen Mischer 2, an den mehrere Lichtleiter 1 angekoppelt sind.
Weiterhin umfasst der Mischer eine Fläche 3, die spiegelnde Eigenschaften aufweist bzw. mit einer spiegelnden Beschichtung versehen ist. Diese Fläche ist auf einer der Einkoppelfläche 5 gegenüberliegenden Seite des Mischers 2 angeordnet. Die Lichtleiter sind hier vorzugsweise als lichtleitende Fasern, besonders bevorzugt als lichtleitende Kunststofffasern (POF) ausgeführt. Die Anzahl der Lichtleiter kann von 2 bis zu über 20 gehen. Besonders bevorzugt ist eine Anzahl von 6 bis 8 Lichtleitern. Weiterhin sind erfindungsgemäß die Lichtleiter 1 gleichmäßig auf einem Kreis angeordnet. Dieser Kreis hat bevorzugt einen Umfang entsprechend der Summe der Durchmesser der einzelnen Lichtleiter. Somit liegen die einzelnen Lichtleiter bevorzugt lückenlos aneinander an. Bevorzugt sind die einzelnen Lichtleiter an einer ebenen Fläche des Mischers angebracht, die durch einen äußeren und einen dazu konzentrisch angeordneten inneren Kreis begrenzt wird. Der Mischer weist vorzugsweise eine zylindrische Form auf, die durch den äußeren dieser Kreise begrenzt ist. Weiterhin hat der Mischer eine kegelförmige Aussparung. Die Grundfläche des Kegels entspricht dem inneren Kreis und liegt bevorzugt in der Ebene der Einkoppelfläche 5. Die Spitze des Kegels dringt in den Mischer ein. Vorzugsweise ist die Rotationsachse des Kegels mit der Rotationsachse des zylinderförmigen Mischers identisch.
Der Mischer selbst umfasst optisch transparentes Material, vorzugsweise das gleiche Material wie die Lichtleiter. Die Lichtleiter selbst sind bevorzugt an den Mischer angeklebt. Alternativ sind auch andere bekannte Verbindungsverfahren möglich. Besonders bevorzugt ist es, wenn sich der Mischer in Luft befindet, so dass Licht im Inneren durch Totalreflexion an der Grenzfläche zur Luft wieder in das Innere des Mischers reflektiert wird. Weiterhin ist es besonders bevorzugt, wenn die kegelförmige Aussparung ebenfalls mit Luft gefüllt ist. Alternative Ausführungsformen können beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein anderes Gas in der Umgebung des Mischers betreffen. Der Mischer kann aus einem Kunststoffmaterial oder auch aus Glas bestehen.
Licht, welches durch einen Lichtleiter in den Mischer eingekoppelt wird, breitet sich innerhalb des Mischers in einem relativ flachen Winkel aus, da der mögliche Pfad des Lichts einerseits durch die Außenwand des zylindrischen Mischers und andererseits durch die kegelförmige Aussparung im Inneren des Mischers begrenzt wird. Das Licht breitet sich im Inneren des Mischers weiter aus, bis es den ganzen Querschnitt ausfüllt. Das Licht wird dann bei reflektiven Kopplern an der den Faserenden gegenüberliegenden Fläche des zylindrischen Mischers zurück in Richtung der Fasern reflektiert. Alternativ zu diesen reflektiven Kopplern sind auch transmissive Koppler realisierbar, bei denen anstelle einer verspiegelten Fläche ein zweiter, vorzugsweise baugleicher Koppler angeordnet ist. Somit tritt das Licht von einem Koppler in den anderen über und wird dort in die Lichtleiter eingekoppelt. Versuche haben gezeigt, dass ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge des Mischers von 1:3 bis 1:30 besonders günstig ist. Ein besonders vorteilhafter Wert liegt bei einem Verhältnis von l:10.
Durch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung lassen sich die Verluste des Mischers weiter reduzieren. Durch weitere Ausnehmungen wird die Einkoppelfläche 5 des Mischers 2 auf einzelne Teilflächen, die den Durchmessern der einzelnen Fasern entsprechen, eingeschränkt.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mischer weisen diese eine Einkoppelfläche auf, welche durch jeweils eine äußere und eine innere geschlossene Kurve begrenzt ist. Die Lichtleiter können hier beliebig auf der Einkoppelfläche angeordnet sein. Die geschlossenen Kurven können wahlweise quadratisch und/oder elliptisch und/oder kreisförmig sein.
Weiterhin kann der Abstand zwischen dem äußeren Kreis und dem inneren Kreis dem Durchmesser des dicksten Lichtleiters entsprechen.
Alternativ können auch alle Lichtleiter denselben Durchmesser aufweisen, wobei der Abstand zwischen dem äußeren Kreis und dem inneren Kreis dem Durchmesser der Lichtleiter entspricht.
Weiterhin kann der Mischer abweichend von einer Zylinderform (Rotationszylinder) auch einen polygonalen Querschnitt aufweisen.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Mischer die Form mehrerer, sich gegenseitig durchdringender, schräger Kegelstümpfe aufweist. Die einzelnen Kegelstümpfe haben eine gemeinsame Grundfläche 9. Die Deckfläche eines Kegelstumpfes entspricht dem Durchmesser eines Lichtleiters und ist mit diesem verbunden. Der Mischer kann ausgehend von der gemeinsamen Grundfläche der Kegelstümpfe noch einen anschließenden zylindrischen Bereich 8 aufweisen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Mischer ein Spritzgussteil, welches durch Spritzgussverfahren hergestellt wurde. Es können hier auch besonders vorteilhaft Befestigungskomponenten für die Lichtleiter mit angespritzt bzw. eingespritzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann jeder der hier offenbarten Mischer eine verspiegelte Endfläche 6 aufweisen. Weiterhin können auch zwei der hier offenbarten Mischer an ihren Endflächen 6 miteinander verbunden werden. Somit lassen sich n:m Koppler realisieren, wobei n und m jeweils ganze Zahlen sind.
Grundsätzlich lassen sich die hier offenbarten Merkmale mit allen beschriebenen Kopplervarianten kombinieren.
Durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Mischers lassen sich sehr gleichmäßige Werte der Koppeldämpfungen zwischen den einzelnen Lichtleitern erreichen. Weiterhin sind die Zusatzverluste der Anordnung wesentlich geringer als beim Stand der Technik.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.

1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung im Schnitt.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung in der Draufsicht auf die Einkoppelfläche.
4 zeigt eine weitere vereinfachte Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung im Schnitt.
5 zeigt eine vereinfachte Anordnung in der Draufsicht auf die Einkoppelfläche.
6 zeigt einen Sternkoppler entsprechend dem Stand der Technik.

1 zeigt in allgemeiner Form schematisch die erfindungsgemäße Anordnung. Der Mischer 2 aus einem optisch transparenten Material ist umgeben von Luft. Der Mischer weist eine Einkoppelfläche auf, welche in diesem Beispiel mehrfach unterteilt ist, so dass an jede einzelne Teilfläche ein Lichtleiter 1 ankoppelbar ist. Der Mischer in diesem Ausführungsbeispiel setzt sich zusammen aus mehreren, sich gegenseitig durchdringenden Kegelstümpfen, von denen ein Kegelstumpf 7 im Schnitt dargestellt ist. Im Anschluß an die Grundfläche 9 des Kegelstumpfs folgt ein zylindrischer Bereich 8 des Mischers, welcher an dem von den Kegelstümpfen entfernten Ende eine Endfläche 6 aufweist, die mit einer spiegelnden Beschichtung 3 versehen ist. Zwischen den Kegelstümpfen ergibt sich ein näherungsweise kegelförmiger Innenraum 4. Licht von einem Lichtleiter 1 tritt in den Kegelstumpf über die Deckfläche des Kegelstumpfs ein, welche den gleichen Durchmesser wie der Lichtleiter hat, und breitet sich gleichmäßig im Inneren des Kegelstumpfs aus, so dass es dann den gesamten Querschnitt des zylindrischen Bereichs 8 ausfüllt. Das Licht wird durch die Verspiegelung 3 an der Endfläche 6 wieder zurück reflektiert und gleichmäßig in alle Lichtleiter eingekoppelt. Eine Berechnung einer solchen Anordnung mit einer Gesamtlänge des Mischers von 40 mm sowie einem näherungsweise kegelförmigen Innenraum 4 mit einer Länge von ca. 12 mm bei einem Durchmesser der Basisfläche von ca. 1,6 mm ergab einen Zusatzverlust des Mischers kleiner 1 dB sowie Unterschiede in den Koppelfaktoren zwischen den einzelnen Lichtleitern kleiner 0,5 dB. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist auch, dass die Deckflächen der einzelnen Kegelstümpfe an die Lichtleiter anpassbar sind. So können beispielsweise für Lichtleiter unterschiedlicher Durchmesser auch unterschiedliche Deckflächen der Kegelstümpfe dimensioniert werden. Typischerweise sind die Deckflächen der Kegelstümpfe rund entsprechend der Form der Lichtleiter. Alternativ hierzu können diese auch an jede beliebige andere Form, beispielsweise eine quadratische oder rechteckige Form angepasst werden.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung entsprechend der 1 im Schnitt.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung in der Draufsicht auf die Einkoppelfläche 5. Es sind hier die Lichtleiter 1 im Schnitt zu erkennen. Weiterhin ist der durch die Kegelstümpfe definierte Innenraum 4 dargestellt.
4 zeigt eine weitere vereinfachte Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung im Schnitt. Hierin sind nicht einzelne, sich durchdringenden Kegelstümpfe zur Ankopplung der Lichtleiter vorgesehen. Vielmehr wird die Einkoppelfläche 5 durch einen äußeren Kreis entsprechend dem Durchmesser des zylinderförmigen Mischers und einen inneren Kreis entsprechend der Grundfläche des Hohlkegels, der den Innenraum 4 definiert, bestimmt.
In 5 ist eine vereinfachte Anordnung entsprechend 4 in der Draufsicht auf die Einkoppelfläche dargestellt.
In 6 ist noch ein Mischer entsprechend dem Stand der Technik dargestellt, bei dem hier beispielhaft sieben Lichtleiter mit dem Mischer 2 verbunden sind.
Bezugszeichenliste

1: Lichtleiter
2: Mischer
3: Spiegel
4: Innenraum
5: Einkoppelfäche
6: Endfläche
7: Kegelstumpf
8: Zylindrischer Bereich
9: Grundfläche des Kegelstumpfes

Claims

Optischer Koppler zur Verkopplung von mindestens zwei Lichtleitern (1) umfassend einen Mischer (2) aus optisch transparentem Material mit einer Einkoppelfläche (5) und einer Endfläche (6), wobei die Lichtleiter (1) auf einem Kreis angeordnet und mit der Einkoppelfläche (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelfläche (5) durch zwei konzentrische Kreise begrenzt ist, wobei ein äußerer Kreis dem äußeren Durchmesser und ein innerer Kreis dem inneren Durchmesser der Einkoppelfläche (5) entspricht und weiterhin eine kegelförmige Aussparung (4) in dem Mischer (2) vorhanden ist, deren Grundfläche dem inneren Kreis entspricht.
Optischer Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (2) zylinderförmig ist und mit seiner Symmetrieachse auf der Symmetrieachse der kegelförmigen Aussparung (4) liegt.
Optischer Koppler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem äußeren Kreis und dem inneren Kreis dem Durchmesser des dicksten Lichtleiters (1) entspricht.
Optischer Koppler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Lichtleiter (1) den gleichen Durchmesser aufweisen und der Abstand zwischen dem äußeren Kreis und dem inneren Kreis dem Durchmesser der Lichtleiter (1) entspricht.
Optischer Koppler zur Verkopplung von mindestens zwei Lichtleitern (1) umfassend einen Mischer (2) aus optisch transparentem Material mit einer Einkoppelfläche (5) und einer Endfläche (6), wobei die Lichtleiter (1) auf einer Kurve angeordnet und mit der Einkoppelfläche (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelfläche (5) durch eine äußere und eine innere jeweils geschlossene Kurve begrenzt ist, und in dem Mischer (2) eine Aussparung (4) vorgesehen ist, deren Grundfläche der inneren Kurve entspricht.
Optischer Koppler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der geschlossenen Kurven quadratisch, elliptisch oder kreisförmig ist.
Optischer Koppler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (2) eine Rotationszylinderform oder einen polygonalen Querschnitt hat.
Optischer Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (4) ein Verhältnis Länge zu maximalem Durchmesser von 1:3 bis 1:30, bevorzugt l:10 aufweist.
Optischer Koppler zur Verkopplung von mindestens zwei Lichtleitern (1) umfassend einen Mischer (2) aus optisch transparentem Material mit einer Einkoppelfläche (5) und einer Endfläche (6), wobei die Lichtleiter (1) kreisförmig angeordnet und mit der Einkoppelfläche (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelfläche (5) in Teilflächen unterteilt ist, wobei jede Teilfläche mit einem Lichtleiter (1) verbunden ist und dem Querschnitt des jeweiligen Lichtleiters (1) entspricht, und die Form des Mischers (2) durch sich durchdringende schräge Kegelstümpfe (7) definiert ist, wobei die Deckfläche eines jeden Kegelstumpfs (7) einer Teilfläche entspricht und jeweils mit einem Lichtleiter (1) verbunden ist, und die Kegelstümpfe (7) eine gemeinsame Grundfläche (9) aufweisen.
Optischer Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Grundfläche (9) ein zylindrischer Bereich (8) anschließt.
Optischer Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endfläche (6) des Mischers (2) verspiegelt ist.
Optischer Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endfläche (6) des Mischers (2) eine weitere Einkoppelfläche für wenigstens einen weiteren Lichtleiter (1) umfasst.
Optischer Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Mischer (2) mit ihren Endflächen (6) miteinander verbunden sind.
Optischer Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (2) ein Kunststoff-Formteil ist.
Optischer Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (2) einen graduellen Übergang von einem kleinen Lichleiterquerschnitt zu einem größeren Mischerquerschnitt aufweist.
Optischer Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (2) Befestigungen für Lichtleiter (1) aufweist.