DE1946693A1

DE1946693A1 - Schalteinrichtung zur wahlweisen Verbindung von optischen Einrichtungen

Info

Publication number: DE1946693A1
Application number: DE19691946693
Authority: DE
Inventors: Motoaki Furukawa; Hiroyoshi Matsumura; Teiji Uchida
Original assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Current assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Priority date: 1968-09-16
Filing date: 1969-09-15
Publication date: 1970-08-27
Also published as: FR2018193A1; GB1266523A; NL6914012A

Description

I)H.-ING. HERBERT PATZOLI) I J46693

PATENTANWALT

8 MÜNCHEN 71

HINDELANOSTH. 8 TELEFON 0811/757725 . . - -Γ- '^r \

-j,. '^KiJiIIjJi"'¹ \

TELKfJRAMM ADRKSSE: ΡΑΤΙΤΙΛ MÜNCHEN" '' -■ )-.+ i

Nippon SelfOO Company, Limited 7-15» Shiba Gochome, Minato-ku, Tokio, Japan

Schalteinrichtung xur wahlweisen Verbindung Ton optischen Einrichtungen

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zur wahlweisen Verbindung mindestens zweier optischer Einrichtungen untereinander, wobei eine erste optische Einrichtung mit mehreren faserartigen Lichtleitern und eine zweite optische Einrichtung mit mindestens einem faserartigen Lichtleiter rerbunden ist.

Ss ist bekannt, zur Übertragung von Lichtwellen eine Kombination von Linsen, Spiegeln, Prismen und dergleichen oder eine optische faser zu verwenden. Im ersteren Falle ergaben sich aufgrund ungenügender Ausrichtung eines derartigen optischen Systems Schwierigkeiten durch die Ablenkung des Lichtstrahles und durch die Verzerrung des übertragenen Bildes. Im zweiten Falle ist es in einem derartigen optischen System unmöglich, ein Informatlonssignal fön großer Bandbreite zu übertragen, da

0 0 9 8 3 5/1231 -2-

D K ir TSCH B UANMC AU KONTO-NH. 58/22331 POSTSCH IiCK MÜNCHEN 113918

8AD QRKaINAl

durch das Medium, durch da· dl· Lichtstrahlen hindurchtreten, eins Phasengeschwindigkeitsdiffereni erfolgt. Um derartig· Schwierigkeiten bei den herkömmlichen

.ÜbertragungssysAemeiL au umgehen, _wurdejyon D. W.

Berreman in einem Auf·atm, Teröffentlicht in der Zeitschrift "The Bell System Teohnioal Journal", Vol. 43, Nr. 4, Teil 1 (Juli 1964), Seiten 1469 bis 1479. ein· sogenannt« Gaslinse Teröffentlicht, dl· sich jedoch bisher in der Praxis nicht Tarwanden ließ, da et sieh herausstellte, dafl es aufgrund der Schwerkraft sehr schwierig ist, «ine Gaslinse mit der gewünschten Br·- cnungsindeiTerteilung su erhalten·

Kürzlich ist ein nicht Teröff entlieht es Verfahren sur Herstellung eines besonderen faserartigen Lichtleiters Torgesohlagen worden, der nicht nur die gewünschte BreohungsindezTerteilung, sondern außerdem im Gegensatz sur Gaslinse eine gute Flexibilität aufweist. Der betreffende faserartige Lichtleiter wird weiterhin als faserartiger KonTergens.il chtl ei t er bezeichnet. Der Brechungsindex η des Lichtleiters beim Abstand χ τοη der Achse der optischen faser ergibt sich aus der Gleichung

& · n_a (1 - 4~ a₂x²) ·

wobei n_a der Brechungsindex in dar Achse und «2 *ⁱⁿ· positive Konstante üisd7~

Nach einer Untersuchung τοη S. S. Miller, Teröff entlieht in der Zeitschrift "The Bell System Technical Journal", Vol. 44, Nr. 9 (November 1965), Saiten 2017 bis 2064, wird ein Laserlichtstrahl von einer Grundschwingung,

Welcher mit der Fleckgröfle

1 _ 1

-3-

009835/1231

auf den Lichtleiter auffällt, übertragen, ohne daß sich di« Fleckgröß« Wq ändert« Hierbei bezeichnet λ _Q die Hellenlänge dee Lichtstrahles im freien Raum. Bei einem f äserärtigen TCönvergenslichtläTter mit einem Burchareseer Ton 200 Mikron und einer positiven Konstante a₂ im wesentlichen gleich 1 ana""², iat dia PlackgröBa W₀ im wesentlichen gleich 12 Mikron. Ss ist verständlich, daß ein derartig schmaler übertragungsweg unmöglich durch die Kombination von Linsen und dergleichen für einen herkömmlichen Übertragungsweg erhalten werden kann. Wie gesagt, iat der faserartige Konvergenslichtleiter insoweit der GasIiuse sehr ähnlich, als er eine Brtchungsindexvertsilung aufweist, die entlang seiner Achse am größten ist und zur Oberfläche his proportional sub Quadrat des Abstandes von der Achse abnimmt. Im Vergleich zu der Gaslinse beaitst der faserartige Son· vergenslichtleiter technische Vorteile durch die stabile Brechungsindexverteilung, durch geringe Bildverserrung und die sehr gute Flexibilität.

Bei schaltbaren Kupplungen »wischen Lichtleiteinrichtungen ist es auoh aohoη bekannt, ein oder mehrere Spiegel oder Prismen su verwenden, die Vorrichtungen sua Drehen dieser Elemente in Beziehung su einem Lichtleiter aufweisen. Auch wird ein transparenter Körper mit großer elektro-optischer Leistung mit Vorrichtungen zum Anisgen eines durch den Körper hindurchtretenden elektrischen Feldes versehen. In ähnlicher Weise wird ein Doppelbrechungsprisma in Kombination mit einer Vorrichtung sur Drehung der Polarisationsebene um 90° angeordnet. Die Schwierigkeiten bei den herkömmlichen KupplungEeinrichtungen liegen in ihren Empfindlichkeiten gegenüber mechanischen Stößen und dem geringen zur Verfügung stehenden Raum.

-4-

009835/1231

COPY ORIGINAL INSPECTED

Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitgehend einfach ausgebildete Schalteinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die geeignet ist, «wischen mehreren Lichtleitern einerseits und mindestens einem Lichtleiter andererseits eine vorbestimmte Kupplung zwischen mindestens zwei ausgewählten Lichtleitern herzustellen, wobei die aufgezeigten Schwierigkeiten bekannter Kupplungsvorrichtungen vergleichbarer Art rermieden werden·

Die Erfindung löst die Aufgabe In der Weise, daß die faserartigen Lichtleiter eine Brechungsindexverteilung aufweisen, die entlang ihren Achsen am größten 1st und im wesentlichen mit dem Quadrat des Abstandes Ton der Achse zur Oberfläche hin abnimmt,und zwischen den beiderseitigen Lichtleitern eine Schalteinrichtung angeordnet ist, mittels der ein vorbestimmter Lichtleiter der ersten optischen Einrichtung optisch an einen oder mehrere Lichtleiter der zweiten optischen Einrichtung kuppelbar ist*

Die Erfindung wird anhand τοη Aueführungsbeispielen, die in schematisohen Zeichnungen dargestellt sind, mehr im einzelnen beschrieben und erläutert.'In den Zeichnungen zeigt!

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schalteinrichtung nach der Erfindung}

Flg. 2 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Schalteinrichtung nach der Erfindung;

Flg. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Schalteinrichtung nach der

009835/1231 "⁵~

BAD ORIGINAL

Erfindung und.

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer

vierten Schalteinrichtung ähnlich der nach Fig. 3 .

In Fig. 1 sind faeerartige Konvergenzlichtleiter mit 11, 12 und 13 bezeichnet. Die Endabschnitte der Konvergenzlichtleiter Bind in einem Gehäuse 18 befestigt, wobei ihre Endflächen in einer Ebene liegen. Die anderen Endflächen der Konvergenzlichtleiter 11, 12 und 13 sind entsprechend mit (nicht gezeigten) optischen Systemen gekuppelt. Mit 14 ist ein weiterer faeerartiger Konvergenzlichtleiter bezeichnet, dessen eine Endfläche am Gehäuse 18 befestigt ist, so daß sie mit einem außerhalb befindlichen optischen System 15 verbindbar ist. Die andere Endfläche des Konvergenzlichtleiters 14 befindet sich in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche eines optischen Elementes 16 in einem Rahmen 17 . Der bewegbare Rahmen 17 ist schrittweise verschiebbar in Beziehung zu den Endflächen der Konvergenzlichtleiter 11, 12 und 13 · Dadurch ist der Lichtleiter 14 wahlweise mit einer Endfläche eines beliebigen Konvergenzlichtleiters 11, 12 und 13 über die Linse 16 kuppelbar.

In Fig* 2 sind die einen Endflächen von faserartigen Konvergenzlichtleitern 21, 22 23 und 24 an einer Scheibe 26 befestigt, die um die Achse 25 drehbar gelagert ist. Die andere Endfläche eines jadan Konvergenzlichtleiters ist mit einem anderen, nicht dargestellten optischen System verbunden. Diese Konvergenzlichtleiter sind in der Weise angeordnet, daß sie sich zusammenbündeln und gleichseitig leicht durch die Drehbewegung dar Scheibe 26 drehen lassen. Die Ziffer 2? bezeichnet

-6-

009835/1231

BAD

ein optisches Element 2? entsprechend dem Element 16 in Fig, 1, das in einem festen Rahmen 28 gehalten ißt. Hit der Ziffer 29 ist ein Konvergenalichtielter bezeichnet, dessen eine Endfläche an einem Rahmen 30 befestigt ist und dessen andere Endfläche mit einem äußeren optischen System verbunden let, das hier nicht dargestellt 1st. Die Scheibe 26 läßt sich schrittweise derart drehen, daß jeder der Konvergenzlichtleiter 21, 22, 23 und 24 nach Wahl mit dein Konvergenslichtleiter 29 über daa als optisches Anpassungselement ausgebildete Element 2? optisch gekuppelt werden kann. Dadurch wird die Verbindung zwischen dem Konvergenzlichtleiter 29 und den Konvergenzlichtleitern 21, 22, 23 und 24 selektiv festgelegt in Abhängigkeit von der Drehlage der Scheibe 26 ,

In Fig. 3 bezeichnen die Ziffern 31» 32, 33 und 34 Konvergenzllchtleiter, deren eine Endflächen in bestimmten räumlichen Abständen voneinander an einem Gehäuse 33 befestigt sind. Und zwar sind die Konvergenzlichtleiter jeweils Im Abstand d voneinander angeordnet, wobei die Leiter von einem zum anderen außerdem in Achsrichtung um den gleichen Abstand d versetzt sind. Die anderen Endflächen der Konvergenzlichtleiter 31« 32, 33 und 34 sind jeweils mit einem äußeren optischen System verbunden, das hier nicht gezeichnet ist. In dem Gehäuse 38 ist ein ebener Spiegel 35 angeordnet, der parallel zu den parallelen Ebenen der im Gehäuse 38 endenden einen Endflächen der Konvergenzlichtleiter 31« 32, 33 und 34 verschiebbar ist· Der Spiegel weist einen Winkel von 45° zu den Achten der im Gehäuse 38 festgehaltenen Endabschnitte der Konvergensliehtlelter auf. Der Spiegel 35 kann, derart verschiebbar ausgebildet saiii, daß er nur Stellungen einnehmen kann, in denen ein Konvergenelichtleiter 36 mit einem der

009835/1231 BADORlGfNAL

KonYergenzllchtleiter 31, 32, 33 und 34 gekuppelt ist. Sin· Sammellinse 37 befindet eich zwischen dem Spiegel 35 und den Konvergentlichtleiter 36 . Dabei fällt der Lichtstrahl über die Linse 37 je nach der Stellung des Spiegels 35 in gleicher Weise und mit in wesentlichen gleicher FleckgröSe auf die zueinander parallelen Endflächen der Konvergensliohtlelter 311 32, 33 und 34 . Das gehäuseferne Ende des Konvergenzllchtlelters 5 let auch Bit einem nicht gezeigten optischen System verbunden. Dadurch erfolgt eine optische Kupplung zwischen einem der Konvergensliohtleiter 31, 32, 33 und 34 und dem Konvergenzlichtleiter 36 Je nach Wahl der Verschiebestellung des ebenen Spiegels 35 ·

In Fig. 4 bezeichnen die Ziffern 41, 42, 43 und 44 KonYergenslichtleiter, deren eine Endflächen an einem Gehäuse 49 befestigt Bind. Hiereu ist jeweils ein Endabschnitt eines Konvergenzlichtleiters in einem AcL, · ter 410, 420, 430 und 440 gehalten, die durch Steckanschlüsse 45, 46, 47 und 48 am Gehäuse 49 festgehalten sind« Die äußere Endfläche eines jeden dieser Konvergenslichtleiter ist mit einem nicht gezeigten optischen System verbunden. Die einen Endflächen von Kon-Yergenslichtleitern 450, 460, 470 und 480 sind einander entsprechend entlang der gegenüberliegenden anderen Seitenwand des Gehäuses angeordnet, wobei die optische Achse jeweils eines Konvergenzlichtleiters 450, 460, 470 und 480 gegenüber der optischen Achse eines KonYergensllohtleiters 410, 420, 430 und 440 ausgerichtet ist. Zwei Konvergeazlichtlelter 41 und 450, bzw. 42 und 460, bzw. 43 und 470, bzw. 44 und 480 sind optisch über eine Linse 451« bzw. 461, bzw. 471, bzw. 481 gekuppelt. Die gehäusefernen Endflächen der Konvergenslichtleiter 450, 460, 470 und 480 sind

-8-

009835/1231

£ «welle alt «la·* nieht geielgten optischen Syst« ▼erbttndea* 9« dl· Kon f «rg«n«l I cht leiter 41* #2« 4J und 44 «la· gut· flexlbllltät aufveisen, ktfaaa* el· »I« den Adapt·!* Jewell« la einen der Steekaneeklu«·« elogesetit werden* «*· iMh dea welcher KenTergenslichtleiter 41 tit 44 la welche· StcckaneahlaJI #10 »if 440 «iag«««Mkt li«< lHßt iUa $·*· gevOaeeh«· T·*- »latuag Bwiiehtm 4«a XomTurcensileliUeittra 41 »1· 44 •iMreeits «ad i«a KoaT«rgenelich%l*it#rn 430 »1· 480 amd«r«r««lte ei

DI« Lin··» 451 ·1· 481# di· al· optleeh· ■•ate Tervertet w«riea₍ tlai al eat «aereetiUoA, Aa el· amr ***u dle&eo, die übertreguagegat· tfee Lieht-β tr ahle· au erhöhea.

Derartig« V«rb«eterunaen la der Ubertraguag βlad a«eh «tut ander« W«l«·, «le dureh dl· Uns teilung d·« IwI-e«iu»i2jreuae· swleehea j «der ladflieh· de« Lichtleiter« uod dec ämB«r«a op ti ««h« a Sys ten, errelekbar. Die Krfladung let auch nicht auf dl· la den Pig. 1 bie 4 eelepleliwei·· g«e«lgt«a

tuagea eeeohränkt. Si· kOanes alt Toy teil dwreh Vorriehtitagea baw. slariehtitagen «r««tst werden, dl· auf ein«· •l«ktro-opti«eh«n £ff«kt_t des Taraday-Kffekt oder dergleiehea Effekte eeruhea·

Die Aaiahl der la den AueführungebeiBpielea ge»eigten SoaTergenillohtlelter, t.B. die Lichtleiter 11, 12 und 13 la rig« 1« die Lichtleiter 21, 22, 23 uad 24 la 71g. 2, die Lichtleiter 311 32, 33 und 34 in Flg. 3 uad die Lichtleiter 41, 42, *3 und 44 in Flg. 4 sind nach der Erfindung in.keiner Weise beschränkt aufzufassen« Eben-•o können die Konrergensliohtlelter 29 in Fig. 2 ,

009835/1231

original

36 in Jig. 3, 4-50, 460, 470 und 480 in Fig, 4 durch jedes andere äquivalente optische System ersetzt werden, ohn« hierdurch von der Erfindung abzuweichen*

In PIg. 2 kann der feste Rahmen 30 und der Konvergenzlichtleiter 29 durch jedes Element ersetzt werden, das der Scheibe 26 und d«n zugehörigen Konvergenzlichtleitern ähnlich ist. Jeder der Konvergenzlichkielter 21, 22, 23 und 24 kann selektiv mit irgend einsm Konvergenzlichtleiter in der vorstehenden Weise durch räumliche Verschiebungen gekuppelt werden, Auch lassen sich Elemente ähnlich den Konvergenzlichtleitern y\, 32, 33 und 34 und der Reflexionsebene 35 im wesentlichen symmetrisch zu den Konvergenzlichtleitern 31 bis 34 und in Beziehung zu dem optischen Element 37 anordnen, so daß beliebige Kupplungen zwischen den Konvergenalichtleitern y\_% 32, 33 und 34 und zusätzlichen Elementen möglich sind.

Die Erfindung dient zur optischen Schaltung auf oder aur optischen Übertragung entlang ausgewählten Wegen. Die Erfindung ist nicht nur im 2uoammenhang mit Lichtübertragungewegen von optischen llachrlchtensystarnen, sondern auch für Bildübertragungswege von Bedeutung.

a t on t ans ρ r ü cha

-JO-

0 Π 9 8 .J -, / ! <ί J 1

. βΑΟ ORIGINAL

Claims

1948693

- 10 - ;"·Γμ. --3X

..·-.-.?! !licht jii-'Jii-i't V,; Γ J&n

Patentansprüche

1. Schalteinrichtung zur wahl weisen Verbindung »Indes tens zweier optischer Einrichtungen untereinander, wobei eine erste optische Einrichtung ait mehreren faserartigen Lichtleitern und eine zweit» optische Einrichtung mit mindestens einem fasera?tigen Lichtleiter verbunden ist, dadurch ge lc * anzeichnet, daß die faeerartigan Lichtleiter eine Brochungsindexvertellung aufweisen₃ dia entlang ihren Achsen am größten ist und Im wesentlichen mit dem Quadrat des Abstandes von der Achse zwe Oberfläche hin abnimmt« und zwischen den beiderseitigen Lichtleitern eine Schalteinrichtung angeordnet ist, mittels der ein vorbestimmter Lichtleiter dar ersten optischen Einrichtung optisch an einen oder mehrere Lichtleiter der zweiten optischen Einrichtung lcuppelbar ist,

2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennsei ehnet, daß erste fasarartige Lichtleiter beliebiger Anzahl mit ihren einen Endflächen in einer bestimmten Lage und in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet SiM₉ daS mindestens ein zweiter faserartiger Lichtleiter mit seiner einen Endfläche den Endflächen der ersten Lichtleiter gegenüber angeordnet 1st und daß Mittel vorgesehen sind, die wahlweise einan der treten Lichtleiter mit dem zweiten Lichtleiter optisch kuppeln.

009835/1231

BAD OHIGiNAU

- 11 -

3· Sehalteinriehtmne nach Anspruch 2, dadurch likiBiiiiiABi t » A&B erst· faserartig· Lichtleiter (11, 12, 13) alt glelohca Abstand su-•lnamAttr alt Ihrem Endflächen In einer Eben· ang·- ordmet sind und AsJ ein swelter fa·erartiscr Lichtleiter (14) alt ·einem einen Ende gegenüber den ersten Lichtleitern derart verstellbar 1st, AaJ «aal«·!·· ein erster Lichtleiter optisch alt dea sweiten Lichtleiter gekuppelt 1st.

4· Ssttelt·!ayiaaiaag nach Anspruch 2, dadurch likiiiul «hne t, AaB Mehrere erst· faserartige Lichtleiter (21, 22, 23, 24) alt ihren •lm#m aadfliehen am eimern Drehkörper (26) gehalten sind u&A AaA koaxial su dea Drehkörper (26) ein swelter Drehkörper (30) angeordnet 1st, der alt dea einen Knde «ln@a «weiten Lichtleiters (29) verbunden Ist, webei durch relativ·· Verdrehen der Drehkörper (26, 30) sueimander um la?« geaeinssaen Achsen wahlweise ein erster Lichtleiter alt dea sweiten Lichtleiter optisch kuppelbar 1st«

5« Schalteinriehtung nach Anspruch 2, dadurch gekennseiehnet , AaJ erste Lichtleiter C 51« 52t 33t 34) In einea beetle»ten Ibetand sneinandcr maA alt ihren parallelen lind flächen in bestissiter Weise vereetet sueinander angeordnet sind

j? und Aal swisehen elaea sweiten Lichtleiter (36) und

Α·η ernten Lichtleitern eine Reflexionsebene

(Spiegel 35) derart verschiebbar 1st, AsJ wahlweise •in erster Lichtleiter alt den sweiten Lichtleiter optisch kuppelbar let.

-12-

009835/123 1

ßAD

6. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß en te faserartige Lichtleiter (41, 42, 43, 44) an Endabschnitten mit Adaptern (410, 420, 430, 440) versehen sind, die wahlweise in Steckanschlussθ (45, 46, 47, 48) einet eckbar sind, und daß zweite faeerartige Lichtleiter (450, 460, 4?0, 460) mit ihren einen Enden den Steckanschlussen derart gegenüber angeordnet sind, daß beim Einstecken eines mit einem ersten Lichtleiter verbundenen Adapters in einen bestimmten Steckanechluß ein bestimmter zweiter Lichtleiter mit dem ersten Lichtleiter optisch gekuppelt ist.

7* Sehalteinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, d a -d u r ο. h gekennzeichnet, daß in den Strahlengang zwischen zwei miteinander optisch gekuppelten Lichtleitern mindestens ein optisches Element (16, 27, 37, 451 bis 481) geschaltet ist.

009835/ 1 231