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Die Erfindung betrifft einen optischen Multiplexer für die Datenübertragung mittels Polymerfasern.
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Optische Polymerfasern – nachfolgend auch POF genannt – sind für die Datenübertragung bekannt und verbreitet. Sie bieten viele Vorteile gegenüber Übertragungsmedien wie der Glasfaser, Kupferverbindungen oder kabellosen Systemen. Die Polymerfaser weist einen kleinen Biegeradius auf, ist mechanisch stabil und kostengünstig. Weiterhin besitzt sie ein geringes Gewicht, erlaubt eine einfache Anwendung und eine schnelle Fehlersuche. Sie ist darüber hinaus unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern. Wegen ihrer vielen Vorteile werden POF verbreitet in In-House-Netzwerken, im Automobilbau sowie der Luftfahrt angewendet.
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Zur Datenübertragung verwendete Polymerfasern weisen üblicherweise einen Kern aus Polymethylmethacrylat (PMMA) auf, der von einem Mantel mit fluoridiertem PMMA umgeben ist.
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Gegenwärtige wird in Systemen für die Datenübertragung mittels Polymerfasern nur ein Kanal innerhalb einer Polymerfaser zur Datenübertragung genutzt. Auf diese Weise können solche Systeme Datenraten von bis zu 250 Mbit/s über Entfernungen von 50–100 m realisieren. Multi-Gigabit-Übertragungen sind unter Laborbedingungen möglich.
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Um die Datenraten weiter zu erhöhen, ist es möglich, mehrere optische Träger parallel auf einer Polymerfaser zu verwenden. Diese Technologie wird Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM) genannt. In der optischen Nachrichtentechnik, die auf Glasfaser als Übertragungsmedium setzt, führte diese Technologie vor ungefähr 20 Jahren zu einem erheblichen Anstieg der Datenrate. Sie ist im infraroten Bereich die Schlüsseltechnologie für die Langstreckenkommunikation.
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Um das Wellenlängenmultiplexverfahren auch im sichtbaren Bereich des Lichts einsetzen zu können, müssen auf dem jeweiligen Übertragungsweg mindestens ein Multiplexer und ein Demultiplexer vorhanden sein.
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Zur Erstellung eines komplexen optischen Datenübertragungssystems unter Nutzung des Wellenlängenmultiplexverfahren gehört unter anderem die Zusammenführung von mehreren Einzelsignalen zu einem multiplexten Gesamtsignal.
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Hierzu sind eine Vielzahl von technischen Lösungsvorschlägen bekannt.
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In der Druckschrift
DE 10 2009 028 559 B4 wird für die Polymerfaserübertragung ein optischer Multiplexer/Demultiplexer nach dem Prinzip der wellenlängenselektiven Totalreflexion vorgeschlagen. Dieser Multiplexer/Demultiplexer umfasst einen Polymergrundkörper, mindestens ein Mittel zum Anschluss einer Einkoppelpolymerfaser, mindestens ein Mittel zum Anschluss eines Auskoppelelementes für die Auskopplung eines Bestandteils des Lichtstrahls aus dem Multiplexer/Demultiplexer sowie mindestens ein im Strahlengang des Lichts im Polymergrundkörper integriert ausgebildetes Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion. Das mindestens eine Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion weist eine zur optischen Achse des einfallenden Lichtstrahls geneigte Grenzfläche auf. Die Ebene dieser Grenzfläche ist derart geneigt, dass beim Übergang des Lichts aus dem Polymergrundkörper in das Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion ein Wellenlängenbestandteil des einfallenden Lichtstrahls unter Totalreflexion in ein entsprechendes Mittel zum Anschluss eines Auskoppelelementes reflektiert wird.
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Ein weiterer Lösungsvorschlag nach der Druckschrift
DE 10 2005 010 557 A1 beschreibt einen optischen Multiplexer/Demultiplexer mit einem Anschluss für das Einkoppeln und/oder Auskoppeln eines optischen Signals, das Signalkomponenten verschiedener Wellenlängen aufweist, mindestens einem wellenlängensensitiven Element sowie mindestens zwei fokussierenden Elementen. Dabei sind das wellenlängensensitive Element und die fokussierenden Elemente derart angeordnet, dass zumindest ein Teil eines über den Anschluss eingekoppelten optischen Signals zunächst auf das wellenlängensensitive Element und dann auf ein fokussierendes Element und ein weiterer Teil zunächst auf das wellenlängensensitive Element und dann auf ein anderes fokussierendes Element trifft. Außerdem ist der Brennpunkt von zumindest einem fokussierenden Element außerhalb der durch die Signalwege von wellenlängensensitivem Element zu den zumindest zwei fokussierenden Elementen aufgespannten Ebene liegt.
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Auch in der Druckschrift
DE 102 40 057 A1 wird ein optischer Multiplexer und Demultiplexer mit zumindest einem Eingangskanal für den Anschluss einer Eingangsfaser, mehreren Ausgangskanälen für den Anschluss von Ausgangsfasern und einer Strahlaufteilungseinheit zur wellenlängenabhängigen Aufteilung eines auf dem Eingangskanal eintreffenden optischen Strahls auf die Ausgangskanäle vorgeschlagen. Am Eingangskanal ist eine Eingangsoptik zur Erzeugung eines parallelen Strahlbündels eines aus der Eingangsfaser austretenden Strahls und an den Ausgangskanälen eine Ausgangsoptik zur Fokussierung des aus der Strahlaufteilungseinheit austretenden parallelen Strahlbündels auf die Ausgangsfasern angeordnet. Die Eingangs- und/oder zumindest eine der Ausgangsoptiken sind aus einer Linsenkombination aus zumindest einer positiven Linse und einem Achromaten gebildet, die zur Korrektur von Aberrationen des durchtretenden Strahls, insbesondere der chromatischen Aberration, ausgebildet sind. Mit dem beschriebenen optischen Multiplexer/Demultiplexer lassen sich optische Fasern mit hoher numerischer Apertur bei geringer Dämpfung und hoher Kanalübersprechdämpfung einsetzen.
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Die Nachteile der genannten Lösungen des Standes der Technik aus den angeführten Druckschriften bestehen in dem Vorhandensein von mindestens der Zahl der zum Multiplexer hinführenden und vom Multiplexer abführenden datensignalführenden Polymerfasern entsprechenden Anzahl von Einzelelementen, die der Ein- oder Auskopplung der Signale, der Fokussierung und/oder der Wellenlängendetektion sowie der Justierung dienen.
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Die Herstellung und präzise Anordnung der genannten Einzelelemente innerhalb ebenfalls präziser Gehäuse- oder Haltekonstruktionen ist aufwändig und daher kostenintensiv, so dass solche Multiplexer für Low-Cost-Anwendungen nicht geeignet sind.
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Als zusätzlicher Nachteil der Lösungen des Standes der Technik erweist sich der optische Intensitätsverlust des Lichts innerhalb der datenführenden Lichtleitfasern, der durch die mehrfachen Übergänge zwischen den Einzelelementen der Multiplexer hervorgerufen wird und zu Einbußen an Übertragungs- und Signalverarbeitungsqualität führt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen kostengünstig herzustellenden optischen Multiplexer für die Datenübertragung mittels Polymerfasern zu entwickeln, der ohne oder bei nur geringen Einbußen an Übertragungs- und Signalverarbeitungsqualität eine einfache und kostenminimierte Gestaltung komplexer optischer Übertragungssysteme gestattet.
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Diese Aufgabe wird durch einen optischen Multiplexer mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Unteransprüche enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Das Wesen der Erfindung besteht in der überraschend einfachen und vorteilhaften Gestaltung des optischen Multiplexers für die Datenübertragung mittels Polymerfasern als gegenläufig angeordnete Polymerfasern, deren endständige Querschnittsflächen sich in einer gemeinsamen Ebene gegenüberstehen und ganz oder teilweise überdecken.
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Durch diese Anordnung der Polymerfasern zueinander können die ein Einzelsignal tragenden Lichtstrahlen, die sich mit jeweils signifikanter Wellenlänge in jeweils einzelnen eingangsseitigen Polymerfasern des optischen Multiplexers fortbewegen, beim Übergang in die ausgangsseitige Polymerfaser des optischen Multiplexers einen Lichtstrahl mit multiplextem Signal bilden. Kein weiteres Element zur Bildung des Multiplexsignals ist erforderlich.
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Einfach zu realisierende Mittel zur Lagefixierung der Polymerfasern können zu einer stabilen Zuordnung der endständige Querschnittsflächen der gegenläufig zueinander angeordneten eingangsseitigen und ausgangsseitigen Polymerfasern des optischen Multiplexers führen und eine dauerhafte Funktion des Multiplexers gewährleisten.
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Solche lagefixierenden Mittel sind in Form selbstjustierender Polymerfaseraufnahmen bekannt und können durch ihre Anordnung an den jeweiligen Ein- und Ausgangsfasern den erfindungsgemäßen optischen Multiplexer als Gesamtbauelement darstellen.
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Damit weist die Erfindung gegenüber Lösungen des Standes der Technik die entscheidenden Vorteile einfacher, unaufwändiger und daher kostengünstiger Realisierbarkeit auf. Die Herstellung eines erfindungsgemäßen optischen Multiplexers bedarf keiner Fabrikationsschritte mit präziser Montage vielfältiger, ebenfalls exakt zu fertigender Einzelteile, sondern kann in besonders vorteilhafter Weise bereits auf der Grundlage von Standardbauteilen der optischen Verbindungs- oder Datenübertragungstechnik erfolgen.
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Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, in denen die erfindungsgemäßen Anordnungsmerkmale des optischen Multiplexers für Datenübertragung mittels Polymerfasern in verschiedenen Ausgestaltungen verdeutlicht werden.
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Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
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1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Multiplexers mit zwei eingangsseitigen Polymerfasern und einer ausgangsseitigen Polymerfaser, in
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2: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Multiplexers mit zwölf eingangsseitigen Polymerfasern und einer ausgangsseitigen Polymerfaser, in
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3: eine schematische Darstellung verschiedener Anordnungen von eingangsseitigen Polymerfasern im Eingangsbereich eines erfindungsgemäßen optischen Multiplexers, in
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4: Überdeckungsverhältnisse von endständigen Querschnittsflächen der Polymerfasern eines erfindungsgemäßen optischen Multiplexers und in
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5: eine Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Multiplexers aus Steckverbindern.
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Wie 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, wird der optische Multiplexer für die Datenübertragung mittels Polymerfasern durch die gegenläufige Anordnung zweier zylindrischer Polymerfasern 1 mit gleichem Durchmesser und einer zylindrischen Polymerfaser 2 mit dem zweifachen Durchmesser der Polymerfasern 1 gebildet, deren zur jeweiligen Faserlängsachse orthogonale endständige Querschnittsflächen Q1 und Q2 sich überdeckend und berührend gegenüberstehen.
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Um eine möglichst exakte und spaltfreie überdeckende Anordnung der Querschnittsflächen Q1 und Q2 zueinander zu erhalten, sind die Enden der Polymerfasern 1 und 2 in eine Hülse H3 eingefügt. Die Hülse H3 weist hierzu einen zylindrischen Hohlraum H4 auf, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser der Polymerfaser 2 entspricht.
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Gleichzeitig entspricht der genannte Innendurchmesser des Hohlraumes H4 dem zweifachen Durchmesser einer der Polymerfasern 1. Die zwei Polymerfasern 1 sowie die Polymerfaser 2 sind jeweils von entgegengesetzten Enden der Hülse H3 derart in den Hohlraum H4 eingeschoben, dass sich die orthogonalen endständigen Querschnittsflächen Q1 und Q2 etwa in der Mitte der Länge des Hohlraumes H4 berühren.
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Die Durchmesserverhältnisse der Polymerfasern 1 und 2 sowie des Hohlraumes H4 gewährleisten, dass die beiden Querschnittsflächen Q1 der Polymerfasern 1 vollständig von der Querschnittsfläche Q2 der Polymerfaser überdeckt werden.
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Daher werden die jeweils ein Einzelsignal tragenden Lichtstrahlen in den Polymerfasern 1 vollständig in die Polymerfaser 2 eingeleitet und bilden dort einen Lichtstrahl mit multiplextem Signal aus den Einzelsignalen der Polymerfasern 1. Die beschriebene äußerst einfache Anordnung bildet so einen mit geringem Aufwand zu realisierenden Multiplexer, dessen Übertragungsverluste aufgrund der geometrischen vollständigen Überdeckung der endständigen Querschnittsflächen Q1 der eingangsseitigen Polymerfasern 1 des optischen Multiplexers durch die Querschnittsfläche Q2 der ausgangsseitigen Polymerfaser 2 sehr gering sind.
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Wie 2 in einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, wird der optische Multiplexer für die Datenübertragung mittels Polymerfasern durch die gegenläufige Anordnung von zwölf eingangsseitigen zylindrischen Polymerfasern 1 bis 12 zu einer ausgangsseitigen zylindrischen Polymerfaser 14 gebildet, deren zur jeweiligen Faserlängsachse orthogonale endständige Querschnittsflächen Q1 bis Q12 und Q14 sich überdeckend und berührend gegenüberstehen. Die eingangsseitigen zylindrischen Polymerfasern 1 bis 12 sind einander berührend auf dem Umfang einer Stützfaser 13 mit einer endständige Querschnittsfläche Q13 angeordnet. Die Stützfaser 13 ist im vorliegenden Beispiel nicht signalführend. Es ist jedoch auch möglich, die Stützfaser 13 signalführend auszubilden.
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Um eine möglichst exakte und spaltfreie überdeckende Anordnung der Querschnittsflächen Q1 bis Q12 und Q14 zueinander zu erhalten, sind die Enden der eingangsseitigen Polymerfasern 1 bis 12 sowie der ausgangsseitigen Polymerfaser 14 in eine Hülse H3 eingefügt. Hülse H3 weist hierzu einen zylindrischen Hohlraum H4 auf, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser der Polymerfaser 14 entspricht.
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Gleichzeitig entspricht der genannte Innendurchmesser des Hohlraumes H4 dem zweifachen Durchmesser einer der Polymerfasern 1 bis 12 zuzüglich des Durchmessers der Stützfaser 13. Die zwölf Polymerfasern 1 bis 12 mit der Stützfaser 13 sowie die Polymerfaser 14 sind jeweils von entgegengesetzten Enden der Hülse H3 derart in den Hohlraum H4 eingeschoben, dass sich die orthogonalen endständigen Querschnittsflächen Q1 bis Q12 der signalführenden Polymerfasern 1 bis 12 mit der Querschnittsfläche Q14 der ausgangsseitigen Polymerfaser 14 etwa in der Mitte der Länge des Hohlraumes H4 berühren. Auch die Querschnittsfläche Q13 der Stützfaser 13 ist an die Querschnittsfläche Q14 der ausgangsseitigen Polymerfaser 14 herangeführt.
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Die Durchmesserverhältnisse der Polymerfasern 1 bis 12, der Stützfaser 13 und der ausgangsseitigen Polymerfaser 14 sowie des Hohlraumes H4 gewährleisten, dass die Querschnittsflächen Q1 bis Q12 der eingangsseitigen Polymerfasern 1 bis 12 vollständig von der Querschnittsfläche Q14 der ausgangsseitigen Polymerfaser 14 überdeckt werden.
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Daher werden die jeweils ein Einzelsignal tragenden Lichtstrahlen in den Polymerfasern 1 bis 12 vollständig in die Polymerfaser 14 eingeleitet und bilden dort einen Lichtstrahl mit multiplextem Signal aus den Einzelsignalen der Polymerfasern 1 bis 12.
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Die beschriebene, auch in diesem Ausführungsbeispiel äußerst einfache Anordnung bildet einen mit geringem Aufwand zu realisierenden Multiplexer für optische Polymerfasern, dessen Übertragungsverluste aufgrund der geometrischen vollständigen Überdeckung der endständigen Querschnittsflächen Q1 bis Q12 der eingangsseitigen Polymerfasern 1 bis 12 des optischen Multiplexers durch die Querschnittsfläche Q14 der ausgangsseitigen Polymerfaser 14 sehr gering sind.
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Wie 3 in den Teilfiguren 3A bis 3L zeigt, können sehr verschiedene Anordnungen von eingangsseitigen Polymerfasern im Eingangsbereich eines erfindungsgemäßen optischen Multiplexers vorgenommen werden. Die Spannweite der Polymerfaseranzahlen reicht im gezeigten Beispiel von zwei Polymerfasern gleichen Durchmessers bis zu neunzehn Polymerfasern gleichen Durchmessers, umfasst aber ebenso Polymerfaserzusammenstellungen, bei denen eine Anzahl Polymerfasern mit gleichem Durchmesser um einzelne Polymerfasern abweichenden Durchmessers gruppiert sind. Es ist möglich, dass eine Faser, bevorzugt eine zentral angeordnete Faser, um die mehrere Polymerfasern gruppiert sind, als Stützfaser ausgebildet ist und kein Signal führt. Es ist jedoch ebenso möglich, dass alle Fasern als signalführende Polymerfasern ausgebildet sind. Mit den in 3 gezeigten Varianten der Polymerfaseranordnung im Eingangsbereich des optischen Multiplexers für die Datenübertragung mittels Polymerfasern ist die Variationsbreite solcher Polymerfaseranordnungen nicht abschließend erfasst. Es ist eine Vielzahl weiterer Zusammenstellungen denkbar, die sich aus den jeweiligen Anforderungen des zu realisierenden optischen Datenübertragungssystems ergeben.
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Wichtig für eine möglichst vorteilhafte verlustarme Funktion des erfindungsgemäßen optischen Multiplexers für die Datenübertragung mittels Polymerfasern ist dabei aber, dass sämtliche endständigen Querschnittsflächen der eingangsseitigen Polymerfasern vollständig von der ihnen gegenüber angeordneten endständigen Querschnittsfläche der ausgangsseitigen Polymerfaser überdeckt werden.
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Für praktische Fälle ist bei tolerierbaren Übertragungsverlusten auch eine Anordnung denkbar, bei der die Gesamtheit oder ein Teil der endständigen Querschnittsflächen der eingangsseitigen Polymerfasern nur teilweise im Überdeckungsbereich der ihnen gegenüber angeordneten endständigen Querschnittsfläche der ausgangsseitigen Polymerfaser liegen.
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4 zeigt in den Teilfiguren 4A und 4D derartige Überdeckungsverhältnisse von endständigen Querschnittsflächen. Während die Teilfiguren 4B und 4E Varianten mit vollständiger Querschnittsüberdeckung zeigen, werden in den Teilfiguren 4C und 4F die Varianten mit einer Querschnittsüberdeckung gezeigt, bei der die endständige Querschnittsfläche der ausgangsseitigen Polymerfaser eine größere Fläche als die Gesamtheit der Querschnittsflächen der eingangsseitigen Polymerfasern überdeckt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt 5 die Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Multiplexers, der aus bekannten Optokopplern für Polymerfasern realisiert wurde.
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Als Polymerfaser wurde im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine optische Polymerfaser mit 0,98 mm Kerndurchmesser gewählt, die aus Polymethylmethacrylat (PMMA) besteht und von einem Mantel mit fluoridiertem PMMA umgeben ist. In der Anordnung der 5 sind als eingangsseitige Polymerfasern 1 vier Stufenindex-Polymerfasern mit 400 μm Manteldurchmesser verwendet worden. Diese vier 400 μm-Polymerfasern 1 sind in einen 970-μm-FC-Stecker F6 eingeführt und verklebt worden und bilden so den Eingangsteil des optischen Multiplexers. Als Ausgangsteil des optischen Multiplexers wurde ein Standard-FC-Stecker F7 mit 1050 μm Durchmesser verwendet, in den als ausgangsseitige Polymerfaser 2 eine Stufenindex-Polymerfaser mit 1000 μm Manteldurchmesser eingeklebt wurde.
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Mittels einer FC-Doppelbuchse F8 wurden beide FC-Stecker F6 und F7 verbunden und selbsttätig ausgerichtet.
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Die derart miteinander verbundenen FC-Stecker F6 und F7 bilden einen äußerst einfachen und nur aus Standard-Bauelementen bestehenden optischen Multiplexer, der mit sehr geringen Kosten bei guter Funktionalität herstellbar ist.
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Um Übertragungsverluste aufgrund von Fresnel-Reflexion zu verringern, kann ein eventuell vorhandener Luftspalt mit einem Index-Matching-Gel gefüllt werden. Der Brechungsindex des Index-Matching-Gel sollte dabei dem Brechungsindex der Faserkerne entsprechen.
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Bezugszeichenliste
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- 1–12
- Polymerfaser
- 13
- Stützfaser
- 14
- Polymerfaser
- Q1–Q14
- Querschnittsfläche
- H3
- Hülse
- H4
- Hohlraum
- F6
- 970-μm-FC-Stecker
- F7
- Standard-FC-Stecker
- F8
- FC-Doppelbuchse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009028559 B4 [0009]
- DE 102005010557 A1 [0010]
- DE 10240057 A1 [0011]
