DE19526442A1 - Faseroptischer Vielfachschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen Vielfach­ schalter zur optischen Prüfung von Lichtwellenadern vieladriger optischer Kabel, mit einem Lichtwellenleiter, der nacheinander mit den einzelnen zu prüfenden Lichtwellenadern optisch ver­ bindbar ist.

Mit dem zunehmenden Einsatz der optischen Nachrichtentechnik und der steigenden Anzahl der Einzeladern in optischen Netzen werden auch an die Prüfverfahren und Meßsysteme höhere Anfor­ derungen gestellt. War es noch vor kurzem ausreichend, einzelne Lichtwellenleiter über optische Steckverbindungen an Prüfgeräte, wie z. B. Rückstreureflektometer (englisch: OTDR, d. h. Optical Time Domain Reflectometer) anzuschließen, so sind solche Ver­ fahren bei optischen Kabeln mit 100, 200, ja bis zu 4000 Einzel­ adern unwirtschaftlich. Sie müssen durch automatisch schalt­ bare Verbindungen ersetzt werden.

Bei Meßgeräteherstellern und bei Netzbetreibern besteht dem­ gemäß ein großer Bedarf an einem faseroptischen Vielfachschalter, mit dem eine schnelle und dämpfungsarme Verbindung von einem Lichtwellenleiter auf eine große Anzahl zu prüfender Adern hergestellt werden kann.

Wesentliche Anforderungen an einen derartigen Vielfachschalter sind eine Durchgangsdämpfung unter 1 dB, eine Rückflußdämpfung (englisch: return loss) von mindestens 30 dB, möglichst aber über 40 dB, und eine Schaltzeit von maximal 3 Sekunden, wobei weniger als 1 Sekunde anzustreben ist. Darüber hinaus sollte das Schaltsystem ein Umschalten von einer Faser (dem Licht­ wellenleiter) auf 100 bis 200 zu prüfende Adern ermöglichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen faseroptischen Vielfachschalter zu schaffen, der die vorstehenden technischen Anforderungen und Voraussetzungen erfüllt, zugleich aber mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand herstellbar ist.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem faseroptischen Vielfachschalter der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß auf einem ring- oder zylinderförmigen Stator Verbindungs­ adern radial ausgerichtet sind, die an ihren (radial) äußeren Enden mit den zu prüfenden Lichtwellenadern optisch koppelbar sind, daß sich im Zentrum des Stators ein Rotor, hierbei in den Innenraum des Stators hineinragend, befindet, daß der Lichtwellenleiter koaxial zum Rotor angeordnet ist, und daß am Rotor Mittel zur Umlenkung des in den Lichtwellenleiter ein­ geleiteten Meßlichts von der axialen in die radiale Richtung vorgesehen sind, derart, daß das Meßlicht auf die (radial) inneren Enden der Verbindungsadern stirnseitig auftrifft.

Das erfindungsgemäße Schaltsystem ist nach einem Rotor-Stator- Prinzip aufgebaut und zeichnet sich deshalb durch einen ein­ fachen Aufbau aus, der aber gleichwohl eine rasche und exakte Kopplung des Lichtwellenleiters mit den zu prüfenden Einzel­ adern ermöglicht, nämlich über eine präzise steuerbare Ro­ tationsbewegung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Grund­ gedankens der Erfindung können den Ansprüchen 2 bis 20 ent­ nommen werden.

Des weiteren ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen in der Zeichnung veranschaulicht, die im folgenden detailliert beschrieben wird. Es zeigt (jeweils in schematischer Darstellung):

Fig. 1 eine Ausführungsform eines faseroptischen Viel­ fachschalters im Vertikalschnitt,

Fig. 2 den Gegenstand von Fig. 1 in (teilweiser) Draufsicht (Schritt II-II in Fig. 1, Rotor weggelassen),

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 etwas abgewandelte Variante eines faseroptischen Vielfachschalters, in Darstellung entsprechend Fig. 1 (teilweise),

Fig. 5 die Einzelheit "A" bzw. "B" aus Fig. 4, vergrößert gezeichnet,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines faseroptischen Vielfachschalters, in (teilweiser) Schnittdarstellung entsprechend Fig. 1, und

Fig. 7 eine Ausführungsform eines Faserlinsenkollimators, in Schnittdarstellung entsprechend Fig. 5.

In Fig. 1 (bzw. Fig. 2) bezeichnet 10 insgesamt ein den faser­ optischen Vielfachschalter umschließendes Gehäuse mit einer zylindrischen Wandung 11, einer oberen Stirnwand 12 und einem Boden 13. Auf dem Gehäuseboden 13 sind ein ringförmig/zylindrischer Stator 14 und - konzentrisch zu diesen - ein Rotor 15 angeordnet. Während der Stator 14 gehäusefest fixiert ist, läßt sich der Rotor 15 um seine Mittelachse 26 (in Pfeilrichtung 16) drehen. Am freien (oberen) Ende des Rotors 15 ist ein Ellipsoidspiegel 17 befestigt.

In die mit 18 bezifferte Oberfläche des Stators 14 sind - in strahlenförmiger Anordnung - Nuten 19 eingearbeitet (siehe Fig. 3), die V-förmigen Querschnitt besitzen. In den V-Nuten 19 sind Verbindungsadern 20 entsprechend radial angeordnet und fixiert. Da die Verbindungsadern 20 auf der Statoroberfläche 18 sehr genau positioniert werden müssen, sind entsprechend enge Toleranzen bei der Einarbeitung der V-Nuten 19 unabdingbar. Diese Voraus­ setzung läßt sich in wirtschaftlicher Weise durch Herstellung der V-Nuten 19 im Abdruckverfahren aus Kunststoff erfüllen.

Die Verbindungsadern 20 dienen dazu, eine optische Verbindung vom erfindungsgemäßen Vielfachschalter zu den zu prüfenden Lichtwellenadern (vorgesehen für vieladrige optische Kabel) zu schaffen. Zu diesem Zweck sind in die zylindrische Wandung 11 des Gehäuses 10 - koaxial zu den Verbindungsadern 20 und ent­ sprechend radial angeordnet - Bohrungen 21 eingearbeitet, in die - von innen her - die Verbindungsadern 20 und - von außer­ halb des Gehäuses 10 - die in Fig. 1 mit 22 bezeichneten zu prüfenden Lichtwellenadern (Prüffasern) hineinragen und - bei 23 - aneinanderstoßen. Es handelt sich hierbei um optische Steckverbindungen.

Zur Einleitung des Meßlichts in die Verbindungsadern 20 (von wo es über die optischen Steckverbindungen 21, 23 in die Prüf­ fasern 22 gelangt) ist ein Lichtwellenleiter 24 vorgesehen, der durch eine Bohrung 25 in der oberen Stirnwand 12 des Ge­ häuser 10 in das Gehäuseinnere hineinragt. Der Lichtwellenleiter 24 ist hierbei koaxial zur Drehachse 26 des Rotors 15, jedoch im Gegensatz zu diesem gehäusefest und undrehbar angeordnet.

Das durch den Lichtwellenleiter 24 von außen in das Gehäuse­ innere eingeleitete Meßlicht tritt an der Austrittsfläche 27 des Lichtwellenleiters 24 aus, trifft - als Lichtkegel 28 - auf den Ellipsoidspiegel 17, wird von diesem - als Lichtkegel 29 - reflektiert und gelangt über die Eintrittsfläche 30 in die betreffende Verbindungsader 20. Die Bewirkung der im vorstehenden beschriebenen Lichtumlenkung setzt voraus, daß die Austritts­ fläche 27 des Lichtwellenleiters 24 in dem einen Brennpunkt und die Eintrittsfläche 30 der (jeweiligen) Verbindungsader 20 in dem anderen Brennpunkt des Ellipsoidspiegels 17 liegt. Der Ellipsoidspiegel 17 fokussiert also ein von einem Brennpunkt (27) ausgehenden Strahlenbündel (28) mit einer 1 : 1 Abbildung (29) in einen zweiten Brennpunkt (30). Verwendet man für den Licht­ wellenleiter 24 einerseits und für die Verbindungsadern 20 andererseits jeweils Standard-Einmodenfasern, so wird die Strahlung von einem Faserkern mit etwa 10 µm Durchmesser in einen rotationssymmetrischen Kegel (28) mit einem halben Öffnungswinkel von ca. 6,5° emittiert. Der Ellipsoidspiegel 17 koppelt im Idealfall das Strahlungsbündel 28 nahezu verlustfrei in die Verbindungsader 20 im Stator 14 ein, wenn die Eintritts­ fläche 30 exakt im zweiten Brennpunkt liegt.

Die Herstellung eines Ellipsoidspiegels (17) mit ausreichend hoher Genauigkeit ist zwar teuer und würde die Kosten für den erfindungsgemäßen Schalter unakzeptabel erhöhen. Bei einer Serienproduktion ließen sich jedoch von einem präzise herge­ stellten Negativ eine große Anzahl von Ellipsoidspiegeln nach dem Spritzgußverfahren aus speziellen Kunststoffen herstellen, die Genauigkeitstoleranzen im µm-Bereich einhalten und kosten­ günstig sind. Die Verspiegelung derartiger Kunststoff-Gußkörper kann beispielsweise in Aufdampftechnik mit Silber und dielektrischer Schutzschichten erfolgen. Mit diesem Verfahren können in einem breiten Spektralbereich (0,8 µm bis 2 µm) Reflexionswerte über 99% bei guter Langzeitstabilität der Spiegelschichten erreicht werden. Alternativ ist es denkbar, auch andere Spiegel­ schichten, wie z. B. Gold oder rein dielektrische Vielfach­ schichten, einzusetzen. In allen Fällen läßt sich eine Reflexion von fast 100% realisieren, so daß durch die Spiegel­ reflexion praktisch kein Verlust entsteht. Geht man davon aus, daß in der Statorebene 18 insgesamt 200 Einmodenfasern (Ver­ bindungsadern 20) in den V-Nuten 19 so montiert werden, daß sie sich an der Einkoppelfläche (im Bereich der Ringöffnung 31 des Stators 14) berühren (siehe Fig. 2), so ergibt sich, daß bei einem Außendurchmesser der Standard-Einmodenfasern von 125 µm und einem Zuschlag für Durchmesserschwankungen von 1 µm ein innerer Kreisdurchmesser des Stators 14 von ca. 8 mm er­ forderlich ist, entsprechend einem Umfang von etwa 25 mm.

Für den Antrieb des Rotors 15 (und damit des Spiegels 17) kommt ein Gleichstrom- oder ein Schrittmotor oder auch ein Piezo­ antrieb in Betracht. In jedem Fall muß der Rotor 15 als hoch­ genauer Drehversteller (Drehtisch) konzipiert sein. Es ist hierbei möglich und erforderlich, die Verstellwinkel, z. B. über Winkeldecoder (Encoder), zu kontrollieren, die über optische Meßverfahren und präzise Winkelmaßstäbe den Antrieb des Drehtisches (Rotors 15) steuern und so, unabhängig von dessen mechanisch bedingten Abweichungen, eine Reproduzierbarkeit der Winkelstellung von etwa 10 Bogensekunden ermöglichen. Be­ zogen auf den inneren Umfang dem Stators 14 bei 200 Fasern (Verbindungsadern 20) mit je 25 mm Durchmesser bedeutet das einen einstellbaren Punktabstand von 0,2 µm.

Da für Einmodenfasern mit einem Kerndurchmesser von 10 µm eine Einstellgenauigkeit von 1 µm als ausreichend angesehen werden kann, ließe sich die Zahl der Verbindungsadern 20 im Stator 14 auf etwa 1000 erhöhen.

Die Verstellgeschwindigkeit des Drehtisches (Rotors 15) hängt von der elektronischen Ansteuerung der Antriebsmotoren ab. Nach dem derzeitigen Stand der Technik kann ein Wert von bis zu 100° pro Sekunde als realistisch angesehen werden. Da der Rotor 15 sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeiger­ sinn bewegt werden kann, ist mit einer 180°-Drehung des Ellipsoidspiegels 17 jeder Punkt auf dem inneren Statorumfang (Ringöffnung 31) ansteuerbar, d. h. für die optische Ankopplung an eine beliebige Faser (Verbindungsader 20) sind im ungünstigsten Fall weniger als 2 Sekunden erforderlich. Für die übliche Test­ routine, bei der eine Faser nach der anderen gemessen wird, liegt die Einstellzeit unter 0,1 Sekunden.

Die Einstellgeschwindigkeit läßt sich weiterhin durch die Ver­ wendung eines zweistufigen Rotors 15 erhöhen. Dabei vermag die erste Stufe schnelle Drehbewegungen in großen Schritten auszu­ führen, wohingegen die Feineinstellung mit hoher Auflösung der zweiten Stufe obliegt.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 stehen die Faserenden (Austrittsfläche 27 des Lichtwellenleiters 24 und Eintrittsflächen 30 der Verbindungsadern 20) senkrecht zur jeweiligen Faserachse. In diesem Fall ergibt sich aufgrund der Fresnelreflexion an der Grenzfläche Quarzglas-Luft eine Rück­ flußdämpfung von etwa 15 dB. Dieser Wert läßt sich indessen unschwer auf 30 dB oder sogar auf wünschenswerte 40 dB erhöhen, und zwar durch geringfügige Neigung der Faserendflächen gegen die senkrechte Lage, eine Maßnahme, die z. B. bei optischen Steckverbindungen oder in der integrierten Optik seit langem angewandt wird. Wenn die Faserendfläche um 8° gegen die Senkrechte geneigt ist, erhöht sich die Rückflußdämpfung auf etwa 40 dB, bei 12° werden über 70 dB erreicht. Wenn die Faserendflächen etwas verkippt gegen die senkrechte Lage angebracht werden, stimmt allerdings die optische Achse des austretenden bzw. des einzukoppelnden Lichtbündels (28 bzw. 29) nicht mehr mit der Faserachse bzw. der optischen Achse der Spiegelabbildung überein. Durch entsprechende Winkeländerung der Faserachsen gegen die optische Achse läßt sich dieser Effekt jedoch korrigieren.

Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vielfachschalters weist der Stator 14 nur eine einzige mit Verbindungsadern 20 bestückte Fläche 18 auf. Als Weiterbildung hiervon läßt sich indessen eine Statorvariante denken, die mehrere mit Verbindungsadern belegte Statorebenen besitzt. Hierdurch ließe sich die Anzahl der schaltbaren Fasern (Verbindungsadern 20) vervielfachen. Bei einer derartigen Variante wäre der Rotor (15) mit dem Spiegel (17) nach oben oder unten (in Achsrichtung 26) zu verfahren, um eine optische Ankopplung des Meßlichts in den diversen parallelen Stator­ ebenen zu ermöglichen.

Denkbar ist ferner eine Variante, bei der der Verstellmotor des Rotors (15) nicht in der Höhe verstellt, vielmehr nur der Umlenkspiegel (17) auf der Motorachse (26) hin- und herbewegt wird, je nachdem, welche Statorebene anvisiert werden soll. Auf diese Weise können z. B. in einer ersten Statorebene Ver­ bindungsadern 1 bis 300, in einer zweiten Statorebene Ver­ bindungsader 301 bis 600, in einer dritten Statorebene Ver­ bindungsadern 601 bis 900 usw. an das vom Lichtwellenleiter 24 ausgesandte Strahlenbündel 28 optisch angekoppelt werden.

Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht schließlich darin, die Verbindungsadern (20) im Stator (15) auf einer schrauben­ förmigen Fläche anzuordnen und beim Umlenkspiegel (17) gleich­ zeitig mit einer Winkeländerung (um die Achse 26) über ein Fein­ gewinde die Höhenposition (in Achsrichtung 26) zu verändern.

Die Ausführungsform eines faseroptischen Vielfachschalters nach Fig. 4 und 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 im wesentlichen dadurch, daß als Umlenk­ spiegel am Rotor 15a ein Planspiegel eingesetzt wird., der in Fig. 4 mit 32 bezeichnet ist. Die Verwendung des Planspiegels 32 setzt jedoch am Lichtwellenleiter 24a einerseits und an den Verbindungsadern 20a andererseits optische Maßnahmen voraus, die insbesondere aus Fig. 5 erkennbar sind. Es handelt sich jeweils um einen sogenannten faseroptischen Kollimator, der es ermöglicht, mit Parallelstrahlbündeln des Meßlichts zu ar­ beiten. Der faseroptische Kollimator ist wie nachstehend be­ schrieben angeordnet und aufgebaut.

Als fokussierendes Element dient eine stabförmige Plankonvex­ linse 33 aus Quarzglas oder aus Kunststoff mit der gleichen Brechzahl wie Quarzglas. Die Länge kann etwa 5 mm betragen, der Durchmesser vorzugsweise 1,25 mm oder auch 2,5 mm. An die Plan­ konvexlinse 33 schließt sich in rückwärtiger Richtung ein mit 34 bezifferter Steckerstift gleichen Durchmessers an. Mit den genannten Durchmesserwerten (1,25 mm oder 2,5 mm) lassen sich Steckerstifte 34 aus Keramik oder aus Metallegierungen für optische Steckverbinder in großen Stückzahlen kostengünstig produzieren.

Wie weiterhin insbesondere aus Fig. 5 hervorgeht, weist der Steckerstift 34 eine zentrische Bohrung 35 auf, die zur Aufnahme des Lichtwellenleiters 24a bzw. der jeweiligen Verbindungsader 20a dient. Die Steckerstifte 34 zeichnen sich durch eine außer­ ordentlich hohe Präzision in bezug auf den Außendurchmesser, den Durchmesser der inneren Bohrung 35 und die Zentrizität der Achse 36 auf. Die Innenbohrung 35 ist auf den Außendurch­ messer (125 µm) von Standard-Einmodenfasern abgestimmt. Plan­ konvexlinse 33 und Steckerstift 34 sind in einer Bohrung 37 eines hülsenförmigen Gehäuses 38 angeordnet.

Der in Fig 5 gezeigte und im vorstehenden beschriebene faser­ optische Kollimator wird beispielsweise so montiert, daß in die 15 mm lange Bohrung 37 von 1,25 mm Durchmesser des Hülsenteils 38 von hinten der Steckerstift 34 mit der zentrierten Einmodenfaser 24a bzw. 20a eingeführt und von vorne die (ca. 5 mm lange) Plankonvexlinse 33 gleichen Durchmessers dagegengeschoben wird. Die Austrittsfläche 39 der Einmodenfaser 24a bzw. 20a wird im Zentrum der Planfläche 40 der Linse 33 mit UV-härtendem Kleber der gleichen Brechzahl wie die der Faser (24a, 20a) und der Linse 33 angekittet und die Faser (24a, 20a) sowie Stecker­ stift 34 und Linse 33 mit etwas Kleber fixiert. Ein solcher faseroptischer Kollimator hat folgende Eigenschaften: Bei einer Linsenlänge von 5 mm weitet sich der Lichtstrahl 41 von 10 µm am Eingang (40) auf ca. 800 µm an der Austrittsfläche 42 auf. Diesem Aufweitungsverhältnis (1 : 80) entsprechend erhöhen sich die Einkoppeltoleranzen in der xy-Ebene. Dadurch, daß jetzt die Kopplung zwischen Meßlichtfaser (Lichtwellenleiter 24a) und Verbindungsadern 20a über parallele Lichtbündel 42, 43 (Fig. 4) erfolgt, ist für die Umlenkung und Steuerung ein einfacher Planspiegel (32) ausreichend. Für die Verspiegelung gilt im übrigen das gleiche, was schon für den Ellipsoidspiegel (17, Fig. 1) ausführlich geschildert wurde (siehe oben.).

Die stabförmige Plankonvexlinse 33 sollte aus Kostengründen zweckmäßigerweise in Kunststoff-Spritzgußtechnik hergestellt werden. Dabei läßt sich statt der konvexen Kugelkalotte 42 ohne wesentlichen Zusatzaufwand auch eine asphärische Grenzfläche herstellen, welche die Abbildungsfehler der einfachen Kugel­ fläche vermeidet. Mit solchen Linsen lassen sich beugungs­ begrenzte Parallellichtbündel erzeugen.

Die Rückreflexion des hier beschriebenen faseroptischen Kollimators 33 bis 42 übertrifft die für den erfindungsgemäßen faseroptischen Vielfachschalter aufgestellten Forderungen (siehe Ausführungen eingangs der Beschreibung) bei weitem: Bei ge­ eigneter Auswahl des Klebers sollte am Übergang 39 zwischen Einmodenfaser 20a bzw. 24a und Planfläche 40 der Linse 33 mehr als 50 dB erreichbar sein.

Der Anteil der von der vorderen Grenzfläche 42 der Linse 33 in den Kern zurückreflektierten Lichtleistung liegt noch unter 60 dB, und zwar ohne Entspiegelung dieser Grenzfläche. Das wird hauptsächlich dadurch verursacht, daß der Krümmungsmittel­ punkt der vorderen Grenzfläche 42 weit vor dem Einkoppelpunkt 39 der Einmodenfaser (20a bzw. 24a) liegt und dadurch das re­ flektierte Lichtbündel in der hinteren Planfläche 40 der Linse 33 schon so aufgeweitet ist, daß kaum noch Licht in den Faserkern zurückgekoppelt wird.

Beim Vielfachschalter mit Planspiegel 32 werden also nach Fig. 4 und 5 die Meßlichtfaser (Lichtwellenleiter 24a) und die Ver­ bindungsadern 20a mit faseroptischen Kollimatoren (33 bis 42) abgeschlossen. Da für deren Aufnahme bei 1,25 mm Außendurchmesser ein Abstand der Bohrungen von etwa 2 mm erforderlich ist, ergibt sich daraus für den inneren Umfang (Ringfläche 31, Fig. 2) des Stators (14, Fig. 1 und 2) bei 200 Fasern ein Wert von 400 mm, was einem Durchmesser von ca. 127 mm entspricht. Damit weist das Schaltsystem nach Fig. 4 und 5 mit Planspiegel 32 wesentlich größere Abmessungen auf als dasjenige (nach Fig. 1 und 2) mit Ellipsoidspiegel (17). Der Innendurchmesser des Stators (14) ist um den Faktor 16 größer. Dafür wird anstelle des Ellipsoid­ spiegeln (17) nur ein Planspiegel 32 benötigt, und es sind wesentlich geringere Justiergenauigkeiten erforderlich. Weil die Ankopplung über Parallelstrahlbündel 42, 43 erfolgt, ist die Position der Endflächen (39) in Richtung der optischen Achse (36) völlig unkritisch, während Abweichungen der Strahl­ achse in xy-Richtung durch die Linse 33 auf 80 : 1 untersetzt werden. So bleibt trotz des 16fachen Umfanges doch noch ein 5facher Gewinn bei den Einkoppeltoleranzen in die Einmodenfaser (Verbindungsader 20a) erhalten.

Wie bereits oben im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschrieben, kann auch bei der durch einen Planspiegel gekennzeichneten Ausführungsform nach Fig. 4 und 5 bei Verwendung mehrerer Statorebenen in eine große Anzahl von Fasern (Verbindungsadern 20a) eingekoppelt werden.

Bei der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Vielfachschalters nach Fig. 6 und 7 handelt es sich um ein Schaltsystem mit Faser-Faser-Kopplung. Dargestellt ist eine Faser-Faser-Kopplung in Luft. Hierbei wird ein mit 24b be­ zifferter Meßlichtleiter (Prüflichtfaser) zunächst axial in eine entsprechende Bohrung 44 des Rotors 15b eingeführt und dann über einen Kreisbogen von 90° radial nach außen (in Richtung der Eintrittsfläche 30b der jeweiligen Verbindungs­ ader 20b) umgeleitet. Der Radius r des Kreisbogens sollte mindestens 15 mm betragen, um Krümmungsverluste auszuschließen und um eine ausreichende Langzeitstabilität der Faser (Licht­ wellenleiter 24b) im Krümmungsbereich sicherzustellen. Daraus folgt, daß der innere Durchmesser D_i des Stators 14b mindestens etwa 32 mm und der Umfang 100 mm betragen sollte. Auf diesem Umfang lassen sich etwa 800 Einmodenfasern (Verbindungsadern 20b) montieren, wenn diese sich im Bereich der Stirnflächen 30b (radial innen) fast berühren. Die Endfläche 27b der Meßlicht­ faser (Lichtwellenleiter 24b) wird so dicht an die betreffende Verbindungsader 20b herangeführt, daß sich die beiden Grenz­ flächen 30b, 27b beinahe berühren (siehe Fig. 6). Die Ankopplung an eine bestimmte Verbindungsader 20b erfolgt über die Winkel­ stellung des Rotors 15b mit einer Genauigkeit von 1 µm. Die Toleranzen bei der Faser-Faser-Kopplung in Luft sind allerdings recht eng. Man kann davon ausgehen, daß die Modenfelddurch­ messer maximal um 1 µm voneinander abweichen. Das ergibt einen Verlust von 0,05 dB. Der Winkelfehler zwischen den beiden End­ flächen 30b, 27b führt bei 1° zu einem Zusatzverlust von 0,15 dB, ein seitlicher Versatz der Faserachsen von 1 µm bedeutet zu­ sätzlich noch 0,05 dB. Der Verlust durch den Abstand der beiden Faserenden (27b, 30b) beträgt bei 50 µm etwa 0,7 dB. Wenn also Verluste unter 1 dB bei der optischen Kopplung einge­ halten werden sollen, dürfen die hier angegebenen Abweichungen nicht überschritten werden, und der Abstand von der bewegten Grenzfläche 27b der Meßlichtfaser (Lichtwellenleiter 24b) zu den statischen Eintrittsflächen 30b der Verbindungsadern 20b darf 50 µm nicht überschreiten.

Zur Verringerung der Rückreflexion werden die Faserendflächen 30b und 27b, wie bereits oben im Zusammenhang mit der Aus­ führungsform nach Fig. 1 und 2 beschrieben, um etwa 8° ab­ weichend von der Senkrechten gegen die Faserachse geneigt. Dadurch wird die Rückflußdämpfung auf über 40 dB erhöht. Das bedingt einen kleinen Versatz der Faserachsen gegeneinander, der bei der Positionierung der Endflächen 30b, 27b berücksichtigt werden muß. Bei der Drehbewegung 16 des Rotors 15b wird die Meßlichtfaser 24b verdrillt. Das ist unkritisch, solange sich die Verdrillung auf einen ausreichend langen Faserabschnitt verteilen kann und sich der Positionswinkel innerhalb von ± 180° bewegt. Ein ständiges Weiterdrehen in einer Richtung, welches bei Schaltsystemen mit Spiegeloptik (siehe hierzu Fig. 1 bis 5) problemlos durchgeführt werden kann, ist also bei dem System nach Fig. 6 nicht möglich.

Die Ausführungsform nach Fig. 6 läßt sich dadurch variieren, daß anstelle Faser-Faser-Kopplung in Luft eine Faser-Faser- Kopplung in Flüssigkeit gewählt wird. Hierbei wird, im Unter­ schied zu dem oben beschriebenen System (nach Fig. 6), der Raum zwischen den Grenzflächen 27b, 30b der Meßlichtfaser (Lichtwellenleiter 24b) und der Verbindungsader 20b mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Brechzahl möglichst genau mit der Brechzahl des Fasermaterials übereinstimmt. In diesem Fall ist kein schräges Anpolieren der Faserendflächen 27b, 30b erforderlich. Es genügen Faserendflächen mit einer Abweichung gegen die Senkrechte von unter 1°, wie sie mit hochwertigen Schneidgeräten problemlos hergestellt werden können. Als Immersionsflüssigkeiten können z. B. dünnflüssiges Vaselinöl mit n = 1,47 oder andere gleichwertige Öle, deren Brechzahl dem Fasermaterial sehr genau angepaßt werden kann, eingesetzt werden. Die damit erreichbare Rückflußdämpfung beträgt etwa 50 dB.

Die Justiertoleranzen sind ähnlich wie beim Schaltsystem mit Faser-Faser-Kopplung in Luft (Fig. 6), der zulässige Abstand zwischen den Faserendflächen 27b, 30b ist jedoch etwas größer. Er kann bis zu 70 µm betragen.

Insgesamt ist das Schaltsystem mit Faser-Faser-Kopplung in Flüssigkeit etwas einfacher herzustellen als das Schaltsystem mit Faser-Faser-Kopplung in Luft, und zwar insbesondere des­ halb, weil die Faserendflächen 27b, 30b nicht durch Politur, sondern durch einfaches Schneiden hergestellt werden können. Ein gewisser Zusatzaufwand, den die Ölimmersion bedingt, dürfte hierdurch mehr als kompensiert werden können.

Das in Fig. 6 dargestellte Schaltsystem mit Faser-Faser- Kopplung in Luft läßt sich hinsichtlich einer erheblichen Vergrößerung der Positioniertoleranzen der Faser-Faser-Kopplung verbessern, wenn man das aus der Meßlichtfaser (Lichtwellen­ leiter 24b) austretende bzw. das in die jeweilige Verbindungs­ ader 20b eintretende Licht kollimiert. Dabei muß nicht der komplexe Aufbau des faseroptischen Kollimators nach Fig. 6 (siehe hierzu auch obige Ausführungen) eingesetzt werden. Vielmehr genügt eine einfachere Version eines Kollimators (siehe Fig. 7), die hier als Faserlinsenkollimator bezeichnet werden soll. Der aus Fig. 7 ersichtliche Faserlinsenkollimator besteht aus einem in einem Kollimatorgehäuse 52 mit Axial­ bohrung 45 angeordneten kurzen Faserabschnitt 46 mit 125 µm Durchmesser, der rückseitig mit einer senkrechten Planfläche 47 und vorderseitig mit einer kugelkalottenförmigen oder asphärisch gewölbten Fläche 48 abgeschlossen ist. Der Faserabschnitt 46 hat etwa die gleiche Brechzahl wie der mit 49 bezifferte Kern einer Einmodenfaser, bei der es sich um das freie Ende der Meßlichtfaser (Lichtwellenleiter 24b) bzw. der Verbindungs­ ader 20b handelt. Der Faserabschnitt 46 wird an der Planfläche 47 mit der Einmodenfaser 24b bzw. 20b verklebt oder verschmolzen. Besonders wirtschaftlich läßt sich der Faserabschnitt 46 aus Kunststoff gießen, wobei dann ohne großen Zusatzaufwand auch die asphärische Wölbung (Fläche 48) realisiert werden kann, die eine verbesserte Parallelität des austretenden Lichtbündels 50 gewährleistet. Das Ankleben dieser Kunststofflinse 46 an die Endfläche 51 der Einmodenfaser 24b bzw. 20b kann ohne Justier­ aufwand in den Halterungen (V-Nut 19b des Stators 14b bzw. Bohrung 45 des Kollimatorgehäuses 52, Fig. 7) erfolgen, da beide den gleichen Außendurchmesser aufweisen.

Bei einer Länge des Faserabschnittes von 0,7 mm weitet sich der Lichtfleckdurchmesser vom Kern 49 der Einmodenfaser 24b bzw. 20b mit etwa 10 µm auf ca. 100 µm an der Austrittsfläche (bei 48) auf. Damit sind die Justiertoleranzen bei der Kopplung auch um den Faktor 10 größer, so daß der Abstand zwischen der Austrittsfläche (vgl. 27b in Fig. 6) der Meß­ lichtfaser (Lichtwellenleiter 24b) und der Eintrittsfläche (vgl. 30b in Fig. 6) der Verbindungsader 20b mindestens 0,5 mm betragen kann.

Die konvexe Grenzfläche 48 der Faserlinse 46 reflektiert einen kleinen Intensitätsanteil in den Faserkern 49 zurück. Aus gleichen Berechnungen wie für den faseroptischen Kollimator nach Fig. 5 (siehe zugehörige obige Beschreibung) folgt für die Rückflußdämpfung) ein Wert von über 45 dB, wobei die fokus­ sierende Grenzfläche 48 keine Entspiegelung benötigt.

Das Schaltsystem nach Fig. 6 mit Faserlinsenkollimator nach Fig. 7 erscheint als das einfachste aller im Rahmen der vor­ liegenden Anmeldung vorgeschlagenen insgesamt 5 Konzepte. Ein erfindungsgemäßer faseroptischer Vielfachschalter, der von den betreffenden Maßnahmen Gebrauch macht, ist damit sehr wirtschaftlich zu realisieren.

Claims (20)

1. Faseroptischer Vielfachschalter zur optischen Prüfung von Lichtwellenadern (22) vieladriger optischer Kabel, mit einem Lichtwellenleiter (24, 24a, 24b), der nacheinander mit den einzelnen zu prüfenden Lichtwellenadern (22) optisch verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem ring- oder zylinder­ förmigen Stator (14, 14b) Verbindungsadern (20, 20a, 20b) radial ausgerichtet sind, die an ihren (radial) äußeren Enden (23) mit den zu prüfenden Lichtwellenadern (22) optisch koppelbar sind, daß sich im Zentrum des Stators (14, 14a, 14b) ein Rotor (15, 15a, 15b), hierbei in den Innenraum (31) des Stators (14, 14a, 14b) hineinragend, befindet, daß der Lichtwellenleiter (24, 24a, 24b) koaxial zum Rotor (15, 15a, 15b) angeordnet ist, und daß am Rotor (15, 15a, 15b) Mittel (17, 32, 44) zur Umlenkung des in den Lichtwellenleiter (24, 24a, 24b) eingeleiteten Meß­ lichts von der axialen in die radiale Richtung vorgesehen sind, derart, daß das Meßlicht auf die (radial) inneren Enden (30, 30b) der Verbindungsadern (20, 20a, 20b) stirn­ seitig auftrifft.

2. Faseroptischer Vielfachschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (24, 24a) undrehbar (gehäusefest) angeordnet ist und sein rotorsei­ tiges Ende (27, 33) einen axialen Abstand zum Rotor (15, 15a) aufweist, und daß am Rotor (15, 15a) ein Spiegel (17, 32) zur optischen Kopplung des Lichtwellenleiters (24, 24a) mit den statorseitigen Verbindungsadern (20, 20a) (Meß­ lichtumlenkung) angeordnet ist (Fig. 1 und 4).

3. Faseroptischer Vielfachschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur optischen Kopplung von Lichtwellenleiter (24) und Verbindungsadern (20) dienende Spiegel ein Ellipsoidspiegel (17) ist und daß die Austritts­ fläche (27) des Lichtwellenleiters (24) in dem einen Brenn­ punkt und die Eintrittsfläche (radial innen liegendes Ende 30) der Verbindungsadern (20) in dem anderen Brenn­ punkt des rotierenden Ellipsoidspiegels (17) positioniert ist (Fig. 1).

4. Faseroptischer Vielfachschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur optischen Kopplung von Lichtwellenleiter (24a) und Verbindungsadern (20a) dienende Spiegel ein Planspiegel (32) ist und daß an den dem Rotor (15a) zugewandten (radial innen liegenden) Enden (Grenz­ flächen 39) der Verbindungsadern (20a) wie auch an der Grenzfläche des Lichtwellenleiters (24a) jeweils ein fokus­ sierendes Element (33 bis 42) angeordnet ist (Fig. 4 und 5).

5. Faseroptischer Vielfachschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als fokussierendes Element (33 bis 42) ein faseroptischer Kollimator dient, der eine stabförmige Plankonvexlinse (33) und - hieran rückseitig angrenzend und mit ihr verbunden - einen Steckerstift (34) mit zentrischer Bohrung (35) zur Aufnahme der jeweils zuge­ ordneten Einmodenfaser (Lichtwellenleiter 24a bzw. Ver­ bindungsader 20a) enthält (Fig. 4 und 5).

6. Faseroptischer Vielfachschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plankonvexlinse (33) des Kollimators eine asphärische Grenzfläche (42) aufweist.

7. Faseroptischer Vielfachschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (24b) innerhalb des Rotors (15b) in einer Axialbohrung (44) und koaxial zu dessen Drehachse undrehbar angeordnet ist, wobei jedoch sein freies Ende (27b) im Bereich des Rotor­ endes radial nach außen in Richtung auf die angrenzenden Enden (30b) der statorseitigen Verbindungsadern (20b) ab­ gebogen und zusammen mit dem Rotor (15b) drehbar ist (Fig. 6).

8. Faseroptischer Vielfachschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der (mit dem Rotor 15b umlaufenden) Grenzfläche (27b) des Lichtwellen­ leiters (24b) zu den angrenzenden Grenzflächen (30b) der Verbindungsadern (20b) jeweils höchstens 50 µm beträgt.

9. Faseroptischer Vielfachschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der Grenz­ fläche (27b) des Lichtwellenleiters (24b) und den angren­ zenden Grenzflächen (30b) der Verbindungsadern (20b) mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, deren Brechzahl zumindest annähernd mit der Brechzahl des Fasermaterials (Lichtwellen­ leiter 24b einerseits, Verbindungsadern 20b andererseits) übereinstimmt.

10. Faseroptischer Vielfachschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den radial innen liegenden Enden (Grenzflächen 30b) der Verbindungsadern (20b) oder am freien (in die Horizontale abgebogenen) Ende (Grenz­ fläche 27b) des Lichtwellenleiters (24b) (jeweils) ein Kollimator (46, 52) angeordnet ist (Fig. 7).

11. Faseroptischer Vielfachschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (46, 52) als Faserlinsenkollimator ausgebildet ist, bestehend aus einem Faserabschnitt (46) von 125 µm Durchmesser, der rückseitig mit einer Planfläche (47) und am vorderseitigen Ende mit einer konvex gewölbten (kugelförmigen oder asphärischen) Fläche (48) abgeschlossen ist (Fig. 7).

12. Faseroptischer Vielfachschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsadern (20, 20a, 20b) in V-förmigen - vorzugsweise im Abdruckverfahren aus Kunststoff hergestellten - Nuten (19) auf dem Stator (14, 14b) angeordnet sind (Fig. 3).

13. Faseroptischer Vielfachschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator mehrere parallele Ebenen aufweist, auf denen jeweils radial gerichtete Ver­ bindungsadern (20, 20a, 20b) angeordnet sind, und daß der Rotor (15, 15a, 15b) - entsprechend dem Abstand dieser parallelen Statorebenen - in Achsrichtung (26) verstellbar ist.

14. Faseroptischer Vielfachschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator mehrere parallele Ebenen aufweist, auf denen jeweils radial gerichtete Ver­ bindungsadern (20, 20a, 20b) angeordnet sind, und daß der Spiegel (17, 32) in Achsrichtung (26) des Rotors gegenüber dem Rotor (15, 15a) verstellbar ist.

15. Faseroptischer Vielfachschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsadern (20, 20a, 20b) auf einer am Stator ausgebildeten Schraubenfläche an­ geordnet sind und daß der Rotor (15, 15a, 15b) insgesamt bzw. nur der Spiegel (17, 32) während der Drehbewegung des Rotors - über ein Feingewinde - entsprechend der Steigung der Schraubenfläche axial verstellbar ist.

16. Faseroptischer Vielfachschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15, 15a, 15b) als hochgenauer Drehversteller (Drehtisch), angetrieben durch einen Gleichstrom- oder Schrittmotor oder einen Piezoan­ trieb, ausgebildet ist und daß die Verstellwinkel über Winkeldecoder (Encoder) kontrollierbar sind, die über optische Meßverfahren und präzise Winkelmaßstäbe zur Steuerung des Rotorantriebs dienen.

17. Faseroptischer Vielfachschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15, 15a, 15b) einen Zweistufenantrieb aufweist derart, daß eine erste An­ triebsstufe schnelle Drehbewegungen in großen Schritten ausführt, und die zweite Antriebsstufe zur Feineinstellung der jeweiligen Winkelstellung mit hoher Auflösung dient.

18. Faseroptischer Vielfachschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserenden (30, 30b bzw. 27, 27b) der Verbindungsadern (20, 20b) einerseits und des Lichtwellenleiters (24, 24b) andererseits jeweils um etwa 8° gegen die Senkrechte geneigt sind (Fig. 1 und 6).

19. Faseroptischer Vielfachschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (14, 14a, 14b) (und damit auch der Rotor 15, 15a, 15b) von einem Gehäuse (10) umschlossen ist, dessen zylindrische Wandung (11) zur Herstellung einer optischen Steckverbindung (21 bis 23) zwischen den Verbindungsadern (20, 20a, 20b) des Stators (14, 14a, 14b) und den jeweils zugeordneten zu prüfenden Lichtwellenadern (22) dient (Fig. 1).

20. Faseroptischer Vielfachschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (24) in einer stirnseitigen Bohrung (25) des Gehäuses (10), diese dabei von außen nach innen durchsetzend, fixiert ist (Fig. 1).