DE2313289A1 - Anordnung zur optischen datenuebertragung - Google Patents

Anordnung zur optischen datenuebertragung

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DE2313289A1
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Felix Paul Kapron
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Corning Glass Works
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Description

ALEXANDER R. HERZFELD 6 Frankfurt λ. μ. ν ta
RECHTSANWALT SOPh1ENSTRASSE52 BEI DEM LANDGERICHT FRAN KFU RT AM MAI N
Anmelderin: Corning Glass Works
Corning, N. Y., USA
Anordnung zur optischen Datenübertragung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Datenübertragung mit einem Wellenleiter, einer Lichtkupplung und einem elektro-optischen Energiewandler, oder mehreren dieser Elemente.
Die Datenübertragung, z. B. auf dem Gebiet der Fernmeldetechnik, kämpft seit längerem mit der zunehmenden starken Besetzung und Überlastung der verfügbaren Frequenzbänder. Der seit kurzem erschlossene Frequenzbereich von 10 - io" Hertz ist schon wieder überlastet, so dass an der AufSchliessung des Bands von 107 - 10 Hertz gearbeitet wird. Ein Bedürfnis nach weiteren Frequenzbereichen bis zum sichtbaren Lichtspektrum bei etwa 10 ^ Hertz ist bereits abzusehen. Für das zukünftige optische Nachrichtensystem werden zuverlässige Lichtleiter benötigt.
- 2 309841/0820
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Hierfür sind optische Fasern mit einem Kern und einem diesen umgebenden Mantel mit jeweils verschiedenem Brechungsindex grundsätzlich geeignet, vgl. hierzu sowie hinsichtlich der Einzelheiten des Aufbaus und der Wirkungsweise optischer Wellenleiter das USA Patent 3,157*726 sowie E. Snitzer in Journal of the Optical Society of America, Bd. 51, S. 4-91 - 4-98 und if. S. Kapany, Fiber Optics, (1967).
Die Herstellung optischer Fasern erfolgt bisher in der Weise, dass ein Glasstab aus einem für den Faserkern geeigneten Glas in ein Glasrohr aus einem für den Fasermantel bestimmten Glas gesteckt und erhitzt wird, bis die Viskosität das Ziehen des Rohres mit dem eingesteckten Stabkern gestattet. Beim Aus- , ziehen fällt das Rohr nach Innen zusammen und verschmilzt mit dem Stabkern. Es kann dann noch weiter gezogen werden, bis der erforderliche kleinere Durchmesser erreicht ist. Für ein bestimmtes Durchmesserverhältnis werden Rohr und Stabkern meist mit verschiedener Geschwindigkeit gezogen. Das Verhältnis des Gesamtdurchmessers zum Kerndurchmesser beträgt in der Regel 10:1 bis 300:1 für Wellenleiter mit nur einer Wellenform (mode).
Dagegen liegt bei Wellenleitern mit mehreren Weilenformen (modes) das Verhältnis des Gesamtdurchmessers zum Kerndurchmesser zwischen 1001:1000 und 10:1 und der Kerndurchmesser beträgt bis zu 1000 /u, neuerdings aber auch weniger als 25 /u,
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weil die Bandbreite des Wellenleiters mit der Kerngrösse lind der Zahl der fortgepflanzten Wellenformen (modes) abnimmt. Bevorzugt werden Wellenleiter, die nur in einigen statt mehreren Tausend modes (Wellenformen) fortpflanzen, da sie mehr Daten übertragen können. Oft werden mehrere Fasern gebündelt. Das von einer Lichtquelle ausgesandte Licht wird meist auf eine Endfläche der Faser oder des Fasernbündels gerichtet. Dabei ist der Einfallskegel auf den Halbwinkel mit der Faserachse ^ begrenzt, weobei
- sin-1!/ Mi-Kl
worin N den Brechungsindex des umgebenden Materials an der Eingangsflache bezeichnet. Die numerische öffnung NA einer solchen Faser ist ein Mass ihrer licht sammelnden Fähigkeit und ergibt sich aus der Gleichung
NA = N0 sin/^ = \&\ - »| . (2)
Da in Wellenleitern die Differenz des Brechungsindex von Kern und Mantel im Vergleich zu anderen optischen Fasern gering ist, wird gemäss Gleichung (2) auch die numerische öffnung kleiner als gewöhnlich, nämlich etwa 0,1 anstatt 0,6. Für die Kupplung mit der Lichtquelle ist eine stark kohärente, gerich tete Lichtstrahlung erforderlich, wie das z. B. bei Lasern
_ 4. _. 309841 /0820
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der lall ist. Benötigt werden auch gute Fokussiermittel, s. USA Patent 3,595,331.
Oft sind aber inkohärente Lichtquellen günstiger, z. B. Lichtdioden, Lampen und dergleichen, weil sie kompakter und weniger anfällig und unaufwendiger als Laser sind und leichter an !Festkörperschaltungen angeschlossen werden können.
Aufgabe der Erfindung ist eine Anordnung zur optischen Datenübertragung mit einem optischen Wellenleiter, die eine verbesserte, vereinfachte und zugleich im Wirkungsgrad verbesserte Lichtkupplung enthält.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss in der Weise gelöst, dass eine Lichtkupplung "mit einem durchsichtigen Kern und einem diesen umgebenden durchsichtigen Mantel mit kleinerem Brechungsindex als dem des Kerns kegelstumpfförmig zuläuft, mit dem Ende grösseren Durchmessers an einem Lichtleiter mit diesem ausgerichtet anliegt und mit dem Ende kleineren Durchmessers an einem elektro-optischen Energiewandler liegt.
Anhand der Zeichnungen sei die Erfindung im einzelnen erläutert. Es zeigen:
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die !figur 1 im Längsschnitt eine "bekannte Lichtkupplung mit einem optischen Wellenleiter;
die Figur 2 im Längsschnitt den Übertragungsteil eines optischen Kommunikations syst ems mit einer erf indungsgemässen Lichtkupplung;
die Figur 3 ein die Arbeitsweise des Eingangsendes der erf indungsgemässen Lichtkupplung erläuterndes Schaubildj
die Figur 4 ein weiteres, die Arbeitsweise der Erfindung erläuterndes Schaubild;
die Figur 5 den Längsschnitt einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit einem aus mehreren Abschnitten bestehenden verjüngten Kern des Wellenleiters;
die Figur 6 schematisch den Anschluss der Lichtkupplung an ein optisches Datenubertragungssystem.
Die Figur 1 zeigt als lichtübertragender Teil der Anordnung eine Inkohärenz-Lichtquelle 6, z. B. eine lichtsendende Diode, die mit dem Eingangsende eines optischen Wellenleiters 19 gekoppelt ist. Der Letztere besteht aus dem Kern 12 aus durchsichtigem Material mit dem Brechungsindex M1 , umgeben von
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einer Mantelschicht 14 aus durchsichtigem Material mit dem niedrigeren Brechungsindex Np. In bekannten Anordnungen fällt. ein grosser Teil des von dem Teil 18 der Diode 6 ausgestrahlten Lichts nicht in den Einfangswinkel /p' des Wellenleiters 10, entsprechend der Gleichtung (1), und wird daher nicht fortgepflanzt. Die Anordnung gemäss Bell Lab. Record, Bd. 4-9, No. 11, Dez. 1971» mit einer GaAs Diode mit einer lichtabstrahlenden lläche von 50 /U und einer Mehrfaser mit 50 /U grossem Kern überträgt daher nur etwa 1 Milliwatt von den von der Diode gesendeten mehreren Milliwatt.
Durch die erfindungsgemässe Anordnung wird demgegenüber die gekoppelte Lichtmenge erheblich gesteigert. Die Lichtkupplung 26 der Figur 2 besteht aus einem kegelstumpfförmigen Kern 30 aus durchsichtigem Material mit einem Brechungsindex n-p der von einer durchsichtigen Mantelschicht mit dem niedrigeren Brechungsindex np umgeben ist. 34 bezeichnet die Grenzfläche zwischen Kern und Mantel. Als Beispiel besteht der Kern aus Flintglas mit einem Brechungsindex von 1,75 und der Mantel aus Glaskrone mit dem Brechungsindex 1,52. Geeignet sind auch andere Gläser, Kunststoffe usw.; z. B. besteht der Kern aus dotiertem, der Mantel aus reinem Kieselsäureglas, dann wird aber der Brechungsindex entlang der Kernlänge nach weiterer Ausgestaltung mit unterschiedlichen Werten ausgebildet, weil bei dieser Materialwahl die numerische öffnung der Eingabe
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verhältnismässig niedrig ist. Der Kern kann aus dem gleichen Material "bestehen, wie der Kern oder die Kerne der Wellenleiter. Die Endflächen mit kleinerem Durchmesser 36 und grösserem Durchmesser 38 sind vorzugsweise optisch poliert. Die Endfläche 36 kann so gross ausgebildet werden, dass sie die gesamte licht abstrahlende Fläche 40 der Diode 42 deckt; auch die Endfläche 38 kann etwa dem Durchmesser der wirksamen Fläche des an die Lichtkupplung angeschlossenen Lichtleiters entsprechen; bei einem Lichtleiter in Form eines einzelnen optischen Wellenleiters besteht die wirksame, lichtübertragende Fläche aus dem Kern und einem Teil des den Kern umgebenden Mantels mit nennenswerter abgestrahlter Energie. Besteht der Lichtleiter aus einem Faserbündel 46, so ist dessen gesamter Querschnitt die wirksame Fläche.
Die Kupplung 26 kann durch Kittperlen 44, 48 mit der Diode 42 und dem Faserbündel 46 verbunden werden.
In bevorzugter Ausgestaltung befindet sich die Diode 42 im unmittelbaren Kontakt mit der Endfläche 36. Den hierbei entstehenden Strahlengang erläutert die Figur 3· Der Brechungsindex von Kern, Mantel und Diode ist mit η,, a« ^11^- n bezeichnet. Da der Brechungsindex einer Diode meist sehr hoch ist, wird nQ grosser als n-^ und n^ sein; daher wird ein unter einem Winkel 0 grosser als der kritische Winkel QQ auf die
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Endfläche 36 fallender Strahl reflektiert werden und nicht in die Endfläche eintreten, wobei
0o S sin"1 ^l .-" (3)
no
Ist der Einfallwinkel 0 aber kleiner als der kritische,Winkel θ , so tritt der Lichtstrahl 56 in den Kern 30 ein und wird relativ zur normalen als Strahl 58 "unter einem Winkel Q-, > 0 reflektiert.
Ein !eil der in den Kern 30 tretenden Lichtstrahlen fällt nicht auf die Grenzfläche 34- und geht durch den Koppler 26 ohne Änderung ihrer Winkelorientierung. Trifft der Strahl auf die Endfläche unter einem Winkel auf, der kleiner als Q aber gross genug ist, dass der Strahl 58 wenigstens einmal von der Grenzfläche reflektiert wird, so gilt die Gleichung
nQ sinO = n^ cos (0 -ß), {4-)
worin 0 = der Winkel des Lichtstrahls 58 mit der Senkrechten zur Grenzfläche 34- und β = der Yeroüngungshalbwinkel des Kerns 30 ist. Nimmt der Winkel 0 zu, so wird der Winkel 0 kleiner, bis der kritische Wert 0n erreicht ist, über den hinaus der Strahl 58 durch die Grenzfläche 34- fällt, wobei
0C = sin"1 ^g , (5)
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wenn 0_ gleich, oder grosser ist als der Verjüngungshalbwinkel ß, was "bei normalen, typischen Werten n·, und n« der lall ist. Die eingangsnumerische öffnungsweite NA. des Kopplers ist
NAin Ξ nosin0c β nl cos
wobei 0. derjenige Wert θ ist, bei dem der reflektierte Strahl 58 auf die Grenzfläche 34- unter dem kritischen Winkel O fällt
Durch Kombination der Gleichungen (5) und (6) erhält man
1I
31I cosß + n2 sinß
Ist die ttingangsnumerische öffnung kritisch, d. h. muss der Koppler 26 alles auf die Eingangsfläche 36 unter einem ■bestimmten Winkel θ einfallende Licht aufnehmen, so kann mit Hilfe der Gleichung (7) ein Lichtkoppler ausgelegt werden, von dem einige geometrische Parameter "bekannt sind. Ist das Material für den Kern 30 und den Mantel 32 bekannt, so sind auch n-^ und np "bekannt. Eine bestimmte Lichtquelle 42 hat auch einen bestimmten Brechungsindex. Durch Einsetzen des erforderlichen HA^1 und der bekannten Werte für n-, und n« kann der 'Verjüngungshalbwinkel (3 errechnet werden. Eine bestimmte Lichtquelle bestimmt den Radius E der Endfläche 36 und die Grosse der lichtübertragenden Mittel 46 bestimmt den Radius A der Endfläche 38. Die Länge L des Kopplers kann dann durch die Gleichung errechnet werden:
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L = (A-E) cot β (8)
für jede Innenreflexion nimmt der Winkel des Lichtstrahls mit der Längsachse des Kerns 30 um 2ß ab. Daher ist der Winkel 60 der Figur 3 mit der Längsachse des Kerns 30 um 2 ft kleiner als der des Lichtstrahls 58. Wie die Figur 4 zeigt, entsteht für einen an der Kante der Endfläche 36. unter einem Winkel von 0 einfallenden Lichtstrahl ein mit maximaler Häufigkeit reflektierter Lichtstrahl 66. Der zuletzt reflektierte Strahl 66 bildet mit der Längsachse des Kerns 30 einen Winkel, der lim 2Mß kleiner als der von Strahl 64 gebildete Winkel ist, wobei M die Gesamtzahl der Reflexionen bezeichnet. Der Ausgangswinkel % steht mit dem Eingangwinkel θ durch die Brechungsindices der Lichtquelle, des Kerns und des optischen Wellenleiters, sowie der Gesamtzahl der Reflexionen in Beziehung.
Die Zeichnungen sind nur schematisch, z. B. braucht die Verjüngung des Kerns nicht linear zu verlaufen. Kerne mit linearer Verjüngung sind im übrigen aber in bekannter Weise durch Ausziehen einer Faser mit grösserem Durchmesser herstellbar. Durch Regelung der Temperatur und Ziehkraft entsteht der gewünschte Verjüngungswinkel. Die Dicke der Mantelschicht braucht nicht konstant zu sein, soll aber gross genug sein, dass keine grössere Evaneszenzenergie an die Aussenfläche gelangt. Die Mindestdicke des Mantels richtet sich nach dem
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Brechungsindex von Kern und Mantel und "beträgt in der Hegel nicht weniger als etwa das Zehnfache der Wellenlänge der Lichtfortpflanzung durch die Anordnung.
In der oben beschriebenen Ausbildung besteht der Lichtkopplerkern aus einem homogenen Element, dessen Brechungsindex über seine gesamte Länge konstant ist. Dagegen sind die Erfordernisse hinsichtlich des Brechungsindex an den beiden Enden des Kerns 30 der Figur 2 verschieden. Der Brechungsindex in der Hähe der Endfläche 36 soll so hoch wie möglich sein, damit die in die Endfläche 36 eintretenden und auf die Grenzfläche unter kleinem Winkel zur Senkrechten einfallenden Lichtstrahlen von der Grenzfläche reflektiert werden. Andererseits soll der Brechungsindex nahe der Endfläche 38 ähnlich dem des Kerns in dem lichtübertragenden Mittel sein, damit an der Grenzfläche die Kopplungswirkung möglichst gross ist. Zur Erläuterung sei als Beispiel angenommen, dass das lichtübertragende Mittel aus dotiertem Kieselsaureglas mit einem Brechungsindex von weniger als 1,5 besteht. Hätte der Kern zwecks Erzielung einer guten Kopplungswirkung von Koppler 26 und Lichtübertragungsmittel 46 einen Brechungsindex von ebenfalls ca. 1,5? so wäre die numerische öffnung des Kopplers an der Endfläche 36 vergleichsweise klein und ein grosser Teil des nahe der Endfläche 36 auf die Grenzfläche 34 fallenden Lichts würde aus dem Koppler entweichen. Durch einen Kopplerkern mit sich
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allmählich oder abgestuft änderndem Brechungsindex wird diese Schwierigkeit behoben.
In der Ausbildung der Figur 5 besteht der Kern aus den Abschnitten ?05 72 und 74- mit jeweils zunehmendem Brechungsindex. Die Mantel schicht 76 bildet mit diesen Abschnitten eine Grenzfläche 78 bzw. 80 bzw. 82. Die dünnen, durchsichtigen Schichten 86 und 88, z. B. aus Epoxy oder anderem durchsichtigem Material mit einem den benachbarten Teilen ähnlichen Brechungsindex verbinden den Koppler 26' mit der Lichtquelle 42' und dem optischen Wellenleiter 90, vorzugweise als unmittelbare Kontaktverbindung.entsprechend der Figur 2. Besteht z. B. wegen der Bindeschicht 86 zwischen der Lichtqeulle und der Endfläche 36' ein Abstand, so soll der Brechungsindex des Bindemittels so hoch wie möglich sein, damit eine möglichst grosse Lichtmenge von der Quelle zum Koppler übertragen wird.
Infolge des vergleichsweise hohen Brechungsindex des Abschnitts 74 hat das der Eingangsfläche $6' benachbarte Ende des Lichtkopplers 26' eine vergleichsweise grosse numerische öffnung und empfängt einen relativ grossen Anteil des von der Lichtquelle 42* ausgesendeten Lichts. Daher werden selbst die in die Endfläche 36' und auf die Grenzfläche 82 unter relativ kleinem Winkel zur Senkrechten einfallenden Lichtstrahlen voll innenreflektiert und zur Endfläche 38' hin fortgepflanzt. Da
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für jede Reflexion der Winkel mit der Längsachse des Kerns um 2ß abnimmt, kann ein mehrmals reflektierter Strahl in den Teil 72 gelangen und trotz dem unterschiedlichen Brechungsindex von Teil 72 und Mantel 76 von der Grenzfläche 80 reflektiert werden. Entsprechend fällt auch der im Teil 72 mehrmals reflektierte Strahl unter noch kleinerem Winkel zur Kopplerlängsachse in den Abschnitt 70 ein. Der Abschnitt 70 besteht z. B. aus dotiertem Kieselsäureglas, mit einem dem des Kerns des Wellenleiters 50' ähnlichen Brechungsindex, so dass zwischen Koppler 26' und dem optischen Wellenleiter 90 ein guter Wirkungsgrad der Kopplung erzielt wird.
Die !figur 6 zeigt den Empfängerteil einer Anordnung zur optischen Datenübertragung mit einem Lichtübertragunsmittel 92 und einem angeschlossenen Lichtkoppler 94» an dessen Ende kleineren Durchmessers ein Lichtdetektor 96 angeordnet ist.
Da der Querschnitt optischer Wellenleiter und Fasern meist kreisrund ist, wird das grössere Ende des Lichtkopplers ebenfalls kreisrund sein, es kann aber auch von anderer Form sein, entsprechend dem jeweiligen Querschnitt des Wellenleiters. Das gilt entsprechend für das Kopplerende kleineren Durchmessers. Dies kann z. B. elliptisch sein, je nach der Form der lichtaussendenden Fläche der Lichtquelle.
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Claims (12)

  1. Patentansprüche
    lJ Anordnung zur optischen Datenübertragung mit wenigstens einem optischen Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtkupplung (26) mit einem durchsichtigen Kern (30) und einem diesen umgebenden durchsichtigen Mantel (32) mit.kleinerem Brechungsindex als dem des Kerns kegelstumpfförmig zuläuft, mit dem Ende grösseren Durchmessers (33) an einem Lichtleiter mit diesem ausgerichtet anliegt und mit dem Ende kleineren Durchmessers (36) an einem elektro-optischen Energiewandler liegt.
  2. 2. Anordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtkupplung am Eingangsende des Lichtleiters liegt und der elektro-optische Energiewandler eine das Ende kleineren Durchmessers des Kerns bestrahlende Lichtquelle enthält4
  3. 3. Anordnung gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter ein Bündel Seite an Seite liegender optischer Wellenleiter enthält.
  4. 4-, Anordnung gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter einen einzelnen Wellenleiter enthält, dessen Kern mit dem Ende grösseren Durchmessers ausgerichtet ist.
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  5. 5. .Anordnung gemäss Ansprüchen 1-4-, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergüngungshalbwinkel β der Kegel stumpf form des Kerns durch die Gleichung gegeben ist
    . = y n^ - up cosp
    + n2
    worin NA. die numerische öffnung bezeichnet, und die achsiale Länge L der Kupplung L - (A-E) cot ß ist, worin A den Radius der lichtaussendenden Fläche der Lichtquelle und E die wirksame lichtübertragende Fläche des Lichtleiters bezeichnet.
  6. 6. Anordnung gemäss irgend einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, dass sich der Brechungsindex des Kerns über seine ganze Länge ändert und am Ende grösseren Durchmessers kleiner als am Ende kleineren Durchmessers ist.
  7. 7. Anordnung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Brechungsindex allmählich ändert.
  8. 8. Anordnung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern verschiedene Zonen mit jeweils verschiedenem Brechungsindex enthält.
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    309841/0820
  9. 9· Anordnung gemäss Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung am Ausgangsende des Wellenleiters liegt und der elektro-optische Energiewandler einen Lichtdetektor für das von der Kupplung abgestrahlte Licht enthält.
  10. 10. Anordnung gemäss Ansprüchen 1 - 9i dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Mantelschicht der Kupplung wenigstens das Zehnfache der Wellenlänge der Lichtquelle "beträgt.
  11. 11. Anordnung gemäss Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Endflächen des Kerns optisch poliert sind und mit dem anliegenden Lichtleiter "bzw. der Lichtquelle optische Grenzflächen bilden.
  12. 12. Anordnung gemäss Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die grössere Endfläche des Kerns gleiche der lichtübertragenden Fläche des Lichtleiters ist.
    30 98 4 1 /.08 2 0
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