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Die Erfindung bezieht sich auf Kupplungen zum Vereinigen von mehreren
Lichtwegen in optischen Systemen und bezieht sich insbesondere auf die Vorrichtungen
zum Herstellen der optischen Verbindung.
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Die Erfindung befaßt sich in erster Linie mit dem Aufteilen und/oder
dem Kombinieren von Licht auf einer Anzahl diskreter Wege oder damit, Licht von
mehreren Wegen in eine geringere Anzahl von Wegen oder einen einzigen Weg zu vereinigen;
derartige Anwendungsfälle kommen beispielsweise bei Lichtübertragungsanordnungen
zwischen logischen Elementen in der Rechentechnik oder ähnlichen Sparten vor.
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Nach der Erfindung soll eine derartige Kupplung von Lichtwegen in
Lichtübertragungssystemen einen hohen Wirkungsgrad haben, jedoch dabei einfach und
ökonomisch sein. Dabei soll in Vielfachkupplungen eine hohe Transparenz erhalten
werden.
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Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Kupplung von mehreren
optischen Leitungswegen an einen einzigen Anschlußweg oder umgekehrt.
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Zum Lösen dieser Aufgabe ist - zusammen mit weiteren Vorteilen - nach
der Erfindung eine optische Kupplungsvorrichtung mit drei lichtleitenden Kanälen
vorgesehen, bei denen jeweils das eine Ende mit den korrespondierenden entsprechenden
Enden der anderen Kanäle verbunden ist und alle sich von dieser Verbindung aus radial
vorzugsweise in Gestalt eines Y erstrecken. Die Kanäle sind jeweils aus lichtleitendem
Material, beispielsweise Glas, geformt, das einen relativ hohen Brechungsindex hat,
und sie sind von Glas oder äquivalentem Material mit niedrigerem Brechungsindex
umgeben. So ergeben die Prinzipien der inneren Totalreflexion, daß Licht, das zum
Eintritt an einem äußeren Ende eines solchen Kanals, der im folgenden als die Basis
bezeichnet wird, gebracht wird, in der Basis zur Verbindungsstelle weitergeleitet
wird, wo es dann in zwei Komponenten aufgeteilt wird, von denen jeweils eine von
den beiden übrigen Kanälen oder »Armen« empfangen und zu deren zugehörigen äußeren
Enden geleitet wird. Umgekehrt wird solches Licht, das gleichzeitig in die beiden
Arme der Vorrichtung eintritt, an der Verbindungsstelle kombiniert und durch die
Basis zu deren äußerem Ende geleitet.
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Aus der folgenden, mehr detaillierten Beschreibung erkennt man leicht,
daß es zum Aufbau einer solchen Kupplung erforderlich ist, die Bedingungen innerer
Totalreflexion vor und hinter der Verbindungsstelle der Kanäle der Kupplungsvorrichtung
aufrechtzuerhalten. Um dies zu gewährleisten, müssen verschiedene Parametei beachtet
werden, unter anderem eine sorgfältige Auswahl der Brechungsindizes der Materialen,
aus denen die Komponenten der optischen Verbindungsvorrichtung hergestellt werden,
eine Kontrolle der Breite und der Winkelbeziehung der Kanäle und eine Beachtung
von Konstruktionsdetails der Kanalverbindung selbst.
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Dementsprechend ergibt sich ein näheres Verständnis der Erfindung
aus einer mehr ins einzelne gehenden Beschreibung, die im folgenden an Hand schematischer
Zeichnungen an verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung erfolgt. Es zeigt
F i g. I eine Art einer zur optischen Verbindung dienenden Kupplungsvorrichtung
und zugehörige optische Schaltungssysteme, wie sie zum Verständnis der vorliegenden
Erfindung nützlich sind, F i g. 2 bis 6 teilweise Zeichnungsdarstellungen verschiedener
Ausführungsformen der Erfindung, F i g. 7 eine Darstellung von Ergänzungsdetails
der Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 6. Eine fundamentale Anforderung
bei optischer logischer Technologie besteht darin, daß die optischen Systeme leicht
und wirksam gekoppelt werden können. Zwar sind optische Fasern an sich natürliche
Kandidaten für Verbindungen von einem Lichtweg mit einem anderen; die Trennung oder
Kombinierung von Licht in Lichtübertragungssystemen erfordert jedoch eine optische
Mehrfachkupplung. Dementsprechend ist in F i g. 1 eine Kupplung 10 dargestellt,
die eine solche Mehrfachkupplung darstellt.
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Die Kupplung 10 weisst in erster Linie drei lange und dünne
lichtleitende Kanalteile 12, 14 und 16
auf, die in dreiaxialer Anordnung
in Y-Gestalt angeordnet sind, wobei ihre jeweils korrespondierenden Enden an der
einen Seite zur Bildung einer Verbindungsstelle 18 vereinigt sind. Die Kanalteile
12, 14
und 16 sind jeweils aus Glas mit einem relativ hohen Brechungsindex
hergestellt und sind von Glasstücken 20, 22 und 24 sowie Glasabdeckplatten 26 und
28 umgeben, die alle einen niedrigeren Brechungsindex als die Kanalteile haben.
Die Kanalteile, die Stücke 20, 22 und 24 sowie die Platten 26 und 28 sind alle miteinander
zu einer Einheit verschmolzen.
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Die äußeren Enden 30, 32 und 34 der Kanalteile 12, 14 und
16 sind zusammen mit den benachbarten Abschnitten des Umgebungsglases geschliffen
und optisch poliert, so daß sie flache Stirnflächen 36, 38 und 40 bilden,
die jeweils rechtwinklig zu den Achsen der zugehörigen Kanalteile 12, 14
und 16 angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Kupplung 10 eine
Mehrzahl von Lichtleitern in einer optischen Schaltung miteinander verbinden, indem
die Licht aussendenden oder Licht empfangenden Enden dieser Leiter an den Stirnflächen
36,38 und 40 angeschlossen werden. Beispielhaft sind Lichtleiter in Gestalt
langer und dünner Lichtrohre 42, 44 und 46 in F i g. 1 dargestellt,
deren Enden 48, 50 und 52 zur Verdeutlichung der Darstellung in der Zeichnung mit
Abstand von den Stirnflächen 36, 38 und 40 gezeichnet sind. Die Enden 48, 50 und
52 der Lichtrohre bzw. Lichtleiter sind im Normalbetrieb direkt an die Stirnflächen
36, 38 und 40 angeschlossen, so daß durch die Kupplung eine optische Verbindung
hergestellt wird. Es kann zweckmäßig sein, eine dünne Schicht aus Linsenzement oder
01 mit einem ungefähr dem Brechungsindex der Kerne der Lichtleiter entsprechenden
Brechungsindex zwischenzuschalten, um eine noch größere Wirksamkeit der Kupplung
an die Kanäle der Kupplung 10 zu erreichen. Ferner sind lediglich für Illustrationszwecke
die Lichtleitungen 42, 44 und 46 in einer Gestalt dargestellt, bei
der jede die Form einer umkleideten optischen Faser mit einem einzigen Kern
54 aus lichtleitendem Material relativ hohen Brechungsindex hat, die von
einem Material 56 mit niedrigerem Brechungsindex als der Kern umgeben ist.
Die Lichtleiter 42, 44 und 46
können alternativ eine Mehrzahl sehr
dünner einzelner ummantelter Fasern aufweisen, die alle Seite an Seite aneinander
befestigt sind; die Lichtleitungen können auch ein Streifen oder Band aus lichtleitendem
Material sein, das mit einem lichtisolierenden Mittel bedeckt ist. Alle derartigen
Lichtleiter und ihre Arbeitsprinzipien beim Leiten von Licht unter innerer Totalreflexion
sind dem Fachmann allgemein bekannt
und brauchen daher im folgenden
nicht mehr ini einzelnen näher erläutert zu werden.
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Die Kupplung 10 kann mit jeder Umrißgestalt. Ab:nassungen und
Form ausgebildet sein, die mit der speziellen Abmessung und/oder Form des Lichtübertragungssystems
(d. h. der zur Schaltung dienenden Lichtleitungen 42, 44, 46) verträglich sind.
Außerdem ist zwar lediglich eine Verbindungsvorrichtung (Kupplung 10) in F i g.
1 dargestellt; es versteht sich jedoch, daß auch ein optisches Netzwerk n iit Vielfachverbindungen
hergestellt werden kann, indem zusätzliche ähnliche Kupplungen in die Schaltung
einbezogen werden, indem man beispielsweise eine andere Kupplung gegen das Ende
58 der Lichtleitung 44 so setzt, daß ein Kanalteil wie das Kanale
`i : 1114 oder 16 der zusätzlichen Kupplung koaxial mit dem Kern 54 ausgerichtet
ist.
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Es wurde bereits erwähnt, daß zur Herstellung wi;-ksamer Y-Kupplungen
das Erfordernis besteht, die Bedingungen innerer Totalreflexion durch alle Kanalteile
12, 14 und 16 und die Verbindungsstelle 18 hindurch aufrechtzuerhalten. Dabei spielen
die in F i g. 2 angegebenen Parameter eine Rolle; F i g. 2 zeigt eine vereinfachte
Form einer Verbirdungsstelle 18. Dort sind alle Kanalteile 12, 14, 16 aus Gi;is
ausgebildet, das denselben Brechungsindex 111 hal, und von Glas umgeben, das einen
niedrigeren Brechungsindex 11Z hat.
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Die Bedingung, die zum Zustandekommen innerer Totalreflexion eines
Lichtstrahls R erforderlich ist, der parallel zur Achse der Basis von Y (Kanalteil
12)
in Richtung zur Verbindungsstelle 18 wandert, läßt sich folgenderniaßerr@
berechnen: Der Einfallswinkel des Strahls R am Punkt .4 an der Grenz- bzw. Sprungflache
eines Arms des Y (Kanalteil 16) ist 90'' - (h, wobei fh der halbe
Winkel zwischen den Armen 16 und 14 ist.
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Daher gilt 1i, sin (90" - (15) > 112
uü--r
Indem demnach beispielsweise die Kanalteile 12., 14 und 16 der Kupplung
10 jeweils aus Ftintglas mit einem Brechungsindex 11, von 1.762 gebildet
sind, wülirend das Umgebungsmaterial Kronglas mit einem Brechungsindex 112 von 1,510
ist, ist die Bedingung zum Erhalt innerer Totalreflexion in den Kanalteilen
12, 14 und 16 folgende: (p<31 (Die Symbole >_ und < haben die
Bedeutung von »größer gleich« oder »mindestens« im ersteren Fall oder »kleiner gleich«
oder »höchstens« im -zweiten Fall.) In F i g. 3 ist ein anderer Weg beschrieben,
nach dxyni man die Y-Verbindung der Kupplung 10 herstellen kann; bei diesem
Weg kann man eine größere Spreizung (d. h. einen größeren Winkel 0) zwischen den
Kanalteilen 14.1 und 16.1 an der Verbindungsstelle 18.1 erreichen.
Hier können die Basis (Kanaltcil 12.1) und die Arme (Kanalteile
14.1 und 16.1)
der Verbindungsstelle 18.1 verschiedene Brechungsindizes
haben, die jeweils mit n. und 11, bezeichnet sind; ferner können auch verschiedene
Breiten vorgesehen sein, die mit wo und w, bezeichnet sind. Beide derartige Parameter
üben einen Einfluß auf die Größe der Deviation aus, die ein Lichtstrahl R, erleidet,
wenn er durch die Sprunggrenzfläche beispielsweise zwischen Basis und Arm am Punkt
B in F i g. 3 hindurchgeht. Der Brechungsindex des die Verbindungsstelle
18.1 umgebenden Glases und der Kanalteile 12.1, 14.1, 16.1 ist in F i g.
3 mit n2 angegeben.
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Der maximal zulässige Winkel 0 «h ","x) bei der Ausführungsform der
Erfindung gemäß F i g. 3 wird als Funktion von no, n1,112, wo und ivi folgendermaßen
abgeleitet, wobei verschiedene angegebene Winkel, Punkte und Entfernungen, auf die
Bezug genommen wird, in F i g. 3 durch ähnliche Symbole identifiziert sind. Dementsprechend
gilt
Der Winkel 13 ergibt sich aus dein Dreieck ABC
in Ausdrücken von 0
und « folgendermaßen: " 90 + l1 = ;+ (90 - ö) oder Ei = y-@.
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Am Punkt B ergibt sich aus dem Snellsehen Gesetz: 111 sni h
= n, sin a, und aus den Winkeln am Punkt C ergibt sich (h + ;+ (90
- a) = 180` oder y, - 90" +
Indem man die vorhergehenden Gleichungen
kombiniert, erhält man den Ausdruck für den Winkel in <h und « folgendermaßen:
Der Maximalwinkel n, der die interne Totälreflexion am Punkt A angibt, ist demnach
gegeben durch n, sin [3 = n2 . (3)
Demzufolge ist der Maximalwinkel 0","x
gegeben durch Kombination der beiden vorhergehenden Gleichungen
Die Gleichungen (1) und (4) sind transzendente simultane Gleichungen zur Bestimmung
des Maximalwinkels (p";"X und des Winkels « als Funktionen von 1i,,, 11,, n2, 1v"
und 1v,, Demnach kann man jeweils
zwei der Parameter als Unbekannte
in den anderen Parametern ausdrücken.
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Aus den Gleichungen (1) und (4) ergibt sich, daß sich in den Kanalteilen
14.1 oder
16.1 eine interne Totalreflexion von einem Lichtstrahl,
wie dem Lichtstrahl R1, der in Richtung zur Verbindungsstelle
18.1
parallel
zu der Achse des Kanalteils 12.1 wandert, im Falle der im folgenden beispielsweise
aufgeführten Bedingungen ergibt: Beispiel I WI = wo rlo = 2,14 n1 = 2,14 n2 = 1,510
0 max
= 45 0 a = 39,60 Beispiel
11
H'1 = wo n" = 1,46
n1 = 1,755 n2 = 1,510 0,».x = 45` a = 39,60 Beispiel III w1 = 2 wo n. = 1,60 n1
= 1,755 n2 = 1,520
0 max = 45 a = 58,90 Aus dem Vorhergehenden folgt, daß
bei den Ausführungsformen der Erfindung gemäß F i g. 2 und 3 solche Lichtstrahlen,
die parallel zu den Achsen der Basen (der Kanalteile
12 oder
12.1)
wandern, in die Arme (Kanalteile 14, 16 oder 14.1, 16.1) so gerichtet werden, daß
sie in diesen Armen die »kritisk#hen« Strahlen werden. Mit anderen Worten werden
sie die Strahlen. die die Grenzfläche zwischen den Armen und ihren Umgebungsgläsern
unter dem kritischen Reflexionswinkel treffen. Demzufolge wird ' annähernd die Hälfte
des Lichtes, das in die Basis (Kanalteil
12 oder
12.1) unter deren
Auffangwinkel eintritt, an der Verbindungsstelle 18 oder 18.1 verloren, und zwar
als Streulicht, das nicht mittels innerer Reflexion über die Verbindungsstelle hinaus
weitergeleitet wird. Der Aufnahmewinkel der Basis (des Kanalteils
12 oder
12.1) kann aus der bekannten
bestimmt werden, wo
NA die numerische Apertur der Basis, »l der Brechungsindex
von deren Kern-oder Kanalglas und n2 der Brechungsindex des Ummantelungs- oder Umgebungsglases
ist. Der Lichtaufnahmewinkel (wohl »Uffnungswinkel«) der Basis (des Kanalteils
12 oder
12.1) ist 2 sin-1
NA. -
Die bisher besprochenen Ausführungsformen der Erfindung gemäß den
F i g. 2 und 3 sind insbesondere in solchen Anwendungen nützlich, bei denen die
Einfachheit der Konstruktion der gegenüber dem vorerwähnten Lichtverlust überwiegende
Gesichtspunkt ist. Die Erfindung betrifft jedoch auch die Schaffung von lichtleitenden
Y -Verbindungen, bei denen der vorerwähnte Richtungswechsel der Lichtstrahlen in
der optischen Verbindung vermieden wird und Lichtverluste minimal gehalten werden.
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Dies ist in den F i g. 4, 5 und 6 dargestellt, die alternative Ausführungsformen
der Erfindung zeigen. Bei allen diesen Ausführungsformen werden solche Lichtstrahlen,
die in der Basis von Y achsparallel zu deren Verbindungsstelle hin verlaufen, an
der Verbindungsstelle so gewendet, daß sie parallel zu den Achsen der Arme von Y
verlaufen. Auf diese Weise werden axiale und paraxiale Lichtstrahlen, die eine Kupplung
10 der in den F i g. 4, 5 oder 6 beschriebenen Art betreten, beim Ubergang
von einem Kanalteil zum anderen so umgeleitet, daß sie im anderen Kanalteil in ähnlicher
Weise angeordnet sind und von der Kupplung im wesentlichen mit derselben Ausrichtung
emittiert werden, wie sie von der Kupplung empfangen wurden.
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Die Auslegungen der Verbindungsstellen 18.2 und 18.3 in den F i g.
4 bzw. 5 verwirklichen dieses Umlenken der achsparallelen Lichtstrahlen hauptsächlich
auf Grund der Prinzipien der internen Reflexion, während bei der Auslegung der Verbindungsstelle
18.4 in F i g. 6 dasselbe durch einen aus Brechung und innerer Reflexion kombinierten
Effekt erreicht wird.
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Bei der Ausführungsform dsr Erfindung gemäß F i g. 4 weist die Struktur
der Verbindungsstelle 18.2 zusätzlich zu den Kanalteilen 12.2, 14.2 und
16.2
einen Glasteil 60 auf. Die Kanalteile 12.2, 14.2 und
16.2 sind aus Glas hergestellt, das einen Brechungsindex »l besitzt und von
solchem Glas umgeben ist, welches einen Brechungsindex n2 hat, der kleiner als tll
ist. Der Keil 60 ist mit einem Brechungsindex n3 repräsentiert. Bei dieser Ausführungsform
ist der Winkel 0, der den halben Winkel des von den Kanalteilen 14.2 und
16.2 eingeschlossenen Winkels repräsentiert, entsprechend gleich dem Winkel,
mit dem ein Lichtstrahl wie R2 an der Verbindungsstelle 18.2 umgelenkt wird.
Der Lichtstrahl R2 kann natürlich als Beispiel für ein Strahlenbündel dienen, das
in der Basis von Y (Kanalteil 12.2) parallel zu dessen Achse in Richtung
zur Verbindungsstelle 18.2 wandert. Ebenso repräsentiert in F i g. 4 das
Symbol f den halben Scheitelwinkel des Keils 60.
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Wenn dementsprechend ein Lichtstrahl R2, der parallel zur Achse der
Basis der Y-Verbindung 18.2
ist, so reflektiert werden soll, daß er ein achsparalleler
Strahl in einem Arm der Verbindung wird (z. B. im Kanalteil 16.2), hat seine
neue Richtung einen Winkel 0 gegenüber der ursprünglichen Richtung, und es gilt
0 = 2 C-). Dann ist n3 < tll cos n . Wenn beispielsweise 0 = 450 und n1
= 1,70 ist, dann gilt n3 < 1,5'. Wenn indessen 0 = 300 ist, kann n3 sogar
so hoch wie 1,642 liegen.
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Aus dem Vorhergehenden erkennt man, daß bei der Ausführungsform der
Erfindung gemäß F i g. 4 solche Bedingungen vorliegen, die die durch die Verbindung
18.2 in die Kanalteile 14.2 und/oder 16.2 hindurchtretenden
Lichtstrahlen so umleiten, daß diese im wesentlichen dieselben Richtungen relativ
zu ihrer zugehörigen Kanalteiiachse einnehmen, wie sie sie in der Basis (im Kanalteil
12.2) hatten. Auf diese Weise wird es möglich, eine Mehrzahl derartiger Y-Verbindungsvorrichtungen
in Serie in
einer optischen Schaltanordnung aneinander anzuschließen,
ohne daß ein Lichtverlust infolge Richtungswechsel ihrer Axialstrahlen erfolgt.
Entsprechend werden Lichtstrahlen R", die in . Richtung zur Verhindungsstelle 18.2
in einem der beiden Kanalteile 14.2 und 16.2 oder in beiden verlaufen, in ähnlicher
Weise in das Kanalteil 12.2 gerichtet. Aus der Beziehung
- diese Beziehung bestimmt den Brechungsindex 113, der bei dem Keil 60 erforderlich
ist, um einen Lichtstrahl wie den Strahl R3 unter dem kritischen Reflexionswinkel
in der Basis (Kanalteil 12.2) zu reflektieren --- ergibt sich indessen die Forderung,
daß n3 einen kleineren Wert als den hat, der zur Befriedigung der vorgenannten Bedingungen
zum Umlenken achsparalleler Strahlen angegeben wurde. Wenn man beispielsweise dieselben
beispielhaften Werte für iii und (h wie oben benutzt (d. h. fit = l,70 und q) =
45''), findet man, daß zur Reflexion eines kritischen Strahls R3 am Keil 60 der
Brechungsindex des Keils 60 annähernd 1,13 sein muß. Entsprechend werden bei der
Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 4 solche Lichtstrahlen, die in der Basis
(Kanalteil 12.2) in Richtung zur Verbindungsstelle 18.2 längs solchen Wegen wandern,
die sich auf oder nahe bei dein kritischen Reflexionswinkel erstrecken, nicht in
die Arme reflektiert (Kanalteile 14.2 und 16.2).
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In solchen Anwendungsfällen, wo eine Kontrolle über die Ausrichtung
der Lichtstrahlen in der Basis und den Armen vorherrschend ist und ein Verlust von
unter den kritischen Reflexionswinkeln oder nahe diesen Winkeln verlaufenden Lichtstrahlen
von geringerer oder gar keiner Bedeutung ist, kann die Ausführungsform gemäß F i
g. 4 an Stelle jeder der vorherbeschriebenen Ausführungsformen von Kupplungen 10
in einer optischen Schaltung treten.
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In F i g. 5 ist eine Modifikation der Ausführungsform gemäß F i g.
4 beschrieben; bei dieser Modifikation hat die Basis (Kanalteil 12.3) einen von
dem Brechungsindex der Arme (Kanalteile 14.3 und 16.3)
verschiedenen
Brechungsindex n4. Bei einer solchen Konstruktion werden größere Lichtmengen solcher
Strahlen, die in Richtung zur Verbindungsstelle 18.3 längs nahe dem kritischen Reflexionswinkel
entweder in der $asis oder den Armen verlaufenden Wegen wandern, durch den Keil
60.1 in die Arme bzw. in die Basis reflektiert. Der Grund hierfür besteht
darin, daß eine Brechung der Lichtstrahlen auftritt, die von der Basis (Kanalteil
12.3) in einen Arm " (Kanalteil 14.3 oder 16.3) oder umgekehrt
übergehen. Bei einer derartigen Brechung wird beispielsweise ein Lichtstrahl R4
dazu gebracht, daß er den Keil 60.1 unter einem größeren als sonst üblichen
Einfallswinkel ß trifft, so daß er gemäß F i g. 5 von der Kante 60.1 in einen
Arm der Verbindungsstelle 18.3 reflektiert wird.
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Um die eben erwähnte Brechung an der Grenzfläche zwischen der Basis
(Kanalteil 12.3) und den Armen (Kanalteile 14.3 und 16.3) zu erhalten,
muß der Brechungsindex n4 der Basis einen niedrigeren Wert als der der Arme haben.
Dementsprechend muß die numerische Apertur NA der Basis entsprechend reduziert
werden, was bei bestimmten Anwendungen in optischen Schaltungssystemen nicht von
erheblicher Bedeutung bzw. von wenig Interesse ist.
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In der Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 6 ist indessen die
Y-Verbindungsstelle l8.4 so ausgelegt, daß sowohl die axialen als auch die
kritischen Lichtstrahlen beim Übergang von Basis zu Arm und umgekehrt ihre Rolle
beibehalten. Das bedeutet, daß im wesentlichen alle Lichtstrahlen, die entweder
in die Basis (Kanalteil 12A) oder den Arm (Kanalteil 14.4 oder 16.4) der
Verbindungsstelle 18.4 innerhalb des Lichtaufnahme- oder Aperturwinkels der bestimmten
Basis oder des bestimmten Armes eintreten, vom einen Teil zum anderen im wesentlichen
ohne Verlust übertragen werden. Weiterhin werden axiale Lichtstrahlen und solche
Lichtstrahlen, die parallel zu einer Achse der Basis oder eines bestimmten Armes
sind, von dem einen Teil zum anderen in einer solchen Weise übertragen, daß sie
dieselbe Ausrichtung nach Durchlaufen der Verbindungsstelle 18.4 haben.
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Die Verbindungsstelle 18.4 weist zusätzlich zur Basis und den
Armen (Kanalteile l2.4 und 14.4,
16.4) einen Keil 60.2 und Zwischenarme
62 auf.
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Folgende wesentlichen Parameter sind bei der Auslegung der Verbindungsstelle
18.4 beteiligt: iil = Brechungsindex von Basis und Armen (Kanalteile
12.4, l4.4 und 16.4),
iiz = Brechungsindex des die Verbindungsstelle
18.4 umgebenden Materials, 113 = Brechungsindex des Keils 60.2,
n4
= Brechungsindex der Zwischenarme 62, y = halber Scheitelwinkel der Basis (Kanalteil
l2.4), halber Scheitelwinkel des Keils 60.2,
Winkel zwischen der Grenzfläche
des Keils 6(f.2 und dem Zwischenarm 62 und der Grenzfläche zwischen dein Zwischenarm
62
und dem Kanal 14.4, L = Länge jedes Zwischenarmes 62.
Die Einfallswinkel,Brechungswinkel
undRefiexionswinkel sind durch die Symbole a, b bzw. ß bezeichnet. Die Indizes »a«
und »r« werden bei diesen Symbolen benutzt, um auf die beim Beispiel auftretenden
Lichtstrahlen RS und &, hinzuweisen. RS repräsentiert einen Lichtstrahl, der
zur Verbindungsstelle 18.4
parallel zur Achse des Kanalteils 12.4 wandert,
und R6 repräsentiert einen Lichtstrahl, der von der Grenzfläche zwischen dem Kanalteil
12.4 und seinem Umgebungsglas unter dem kritischen Winkel reflektiert wird.
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Bei der Auslegung der Verbindungsstelle 18.4 für die gegebenen
Werte von n1, n2 und n4 und bei einem gegebenen Winkel y werden folgende Werte von
H, Q und n3 aus den folgenden Gleichungen abgeleitet, bei denen folgende Beziehungen
gelten: !@l = 90 -!- a. - Öl - ß, , n3 < n;sin@h. Die Symbole a, und «a
repräsentieren die Einfallswinkel der Strahlen & bzw. Rs an der Grenzfläche
zwischen dem Zwischenarm 62 und dem Kanalteil 14.4.
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Wenn man dieselben Zahlenwerte verwendet, wie sie beispielsweise bei
der vorher beschriebenen Konstruktion von Ausführungsformen der Erfindung
verwendet
wurden, nämlich n1 = 1,57, n2 = 1,53, n4 = 1,70 und (P = 45', so ergibt sich, daß
mit y gleich 45° folgende Werte gelten müssen: l-l = 23,5", 97,45' und r13
:5 1,47.
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Wenn indessen y als 30° gewählt wird, ergeben sich folgende Beziehungen:
l-l = 25,7 , o = 97,6" und 113 < 1,50.
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Die Länge L des Zwischenarmes 62, ,welche der übrigbleibende Parameter
ist, wird folgendermaßen bestimmt; hierbei wird Bezug auf F i g. 7 genommen.
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In F i g. 7 ist die Verbindungsstelle 18.4 so dargestellt,
daß sie einen Winkel y von 30` am Scheitel ihrer Basis (Kanalteil 12.4) hat, und
das Symbol »a« ist gleich dem halben Wert der Breite der Basis (Kanalteil
12.4).
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Der Einfallswinkel eines kritischen Strahls R,, der auf die Grenzfläche
zwischen Basis und Zwischenarm 62 fällt, ist gegeben durch !l" - (@1@.
- !tu) oder 2 lla - !l,. Der Winkel (i ist gegeben durch
so daß der Winkel 180 - (180 - ;. oder ' T =;@-l-I-rl.
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Demzufolge ist die Länge L der Grenzfläche zwischen dem Material mit
hohem Brechungsindex n4 des Zwischenarmes 62 und dem Material mit niedrigerem Brechungsindex
113 des Keils 60.2 gegeben durch
Entsprechend findet man für das oben angegebene Beispiel von 30 die Werte q = 47,5
und L = 10,34a.
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In F i g. 5 repräsentieren RH und 9) axiale bzw. kritische Strahlen,
die sich vom Arm 16.4 zur Basis 12.4 ausbreiten. Ähnliche Strahlen,
die man in den Arm 14.4 eintreten läßt, werden auch in die Basis 12.4 gerichtet.
Daraus ergibt sich, daß sich Lichtstrahlen, die in Richtung zur Verbindungsstelle
18.4 durch die Arme 14A und 16.4 gerichtet werden, an der Verbindungsstelle
vereinigen, während, wie bereits erwähnt, solche Lichtstrahlen, die in Richtung
zur Verbindungsstelle 18.4 durch die Basis 12.4 gerichtet werden,
sich an der Verbindungsstelle aufteilen.
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Es v: rsteht sich, daß die oben angegebenen speziel len Zahlenwerte
lediglich beispielhaft zu verstehen sind.