DE2408300A1

DE2408300A1 - Stossverbundenes optisches faserpaar

Info

Publication number: DE2408300A1
Application number: DE19742408300
Authority: DE
Inventors: John Stone Cook; Enrique Alfredo Jose Marcatili
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1973-02-26
Filing date: 1974-02-21
Publication date: 1974-08-29
Also published as: FR2219426B1; US3825319A; BE811435A; JPS502555A; FR2219426A1

Description

BLUMBACH · WESBH · BERGEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WliiSbwOEN UND MÜNCHEN DlPl.-lNG. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS. Dr. W. WESER . DlPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

62 WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE A3 - TEL. (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN

Western Electric Company Cook, J.S. 25-43

Incorporated
New York N. Y.

Stoßverbundenes optisches Faserpaar

Die Erfindung bezieht sich auf ein stoßverbundenes optisches Faserpaar, insbesondere zur Verwendung in optischen Nachrichtenübertragungssystemen.

Bei einem in der Praxis geeigneten optischen Nachrichtenübertragungssystem ist es notwendig, optische Fasern zur Übertragung optischer Strahlung zwischen räumlich getrennten Stellen vorzusehen. Derartige optische Fasern weisen in typischer Ausführung einen zentralen Kern bzw. Stab auf, der von einem Mantel bzw. Rohr umgeben ist. Die abstandhabenden Stellen sind typischer Weise so weit voneinander entfernt, daß die Herstellung der optischen Fasern zunächst in Abschnitten und deren nachfolgende Verbindung notwendig ist. Wegen der Unmöglichkeit einer perfekten mechanischen Ausrichtung an den Verbindungsstellen ergibt sich ein unerwünscht hoher Wert elektromagnetischer Strahlungsdämpfung bzw. -Verluste aus der übertragenen optischen Energie. Dies gilt vor allem für Einzelmodenfasern, deren Kern oder feldübertragende Teil einen Durch-

409835/0804

messer von nur sehr wenigen Mikrometern haben kann. Derartige· Verluste können bei in der Praxis auftretenden Nachrichtenübertragungssystemen mit Distanzen in der Größenordnung von Kilometern oder mehr von sehr ernster Natur sein. Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren zum Verbinden dieser Einzelmoden übertragenden optischen Fasern, bei dbn die sich bei bekannten Verfahren einstellenden hohen Verluste eliminiert sind.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß optische Strahlungsausbreitung bzw. -übertragung in einer optischen Faser einen größeren effektiven Querschnittsdurchmesser an den Stellen längs der Faser besitzt, an denen der Durchmesser der Faser reduziert ist. Dieser größere effektive Durchmesser des elektromagnetischen Strahlungsfeldes führt seinerseits zu geringerer Empfindlichkeit der elektromagnetischen Felder gegenüber gewissen Fehlern und Diskontinuitäten in der optischen Faserstruktur an dieser Stelle; demzufolge stellen sich dort geringere Strahlungsverluste bzw. Dämpfungen ein.

Erfindungsgemäß werden an den Verbindungsstellen in der optischen Faser die Durchmesser der optischen Faser (insbesondere deren Kerne) im Vergleich zum massiven Teil der anderen Faserabschnitte längs des Übertragungsweges der optischen Strahlung durchmesserreduziert. Auf diese Weise besitzt die optische Faserstruktur in typischer Ausführung einen einheitlichen Durchmesser in der Übertragungsrichtung, mit Ausnahme der Verbindungsstellen, an denen der Faserdurchmesser erfindungsgemäß reduziert ist. Demgemäß ist der Durchmesser

. .409835/0804

des effektiven Querschnitts des elektromagnetischen Feldes an diesen Verbindungsstellen vergrößert, und die Strahlungsverluste sind dort reduziert. Daher zeichnen sich die erfindungsgemäßen optischen Fasern dadurch aus, daß die Querschnittsdurchmesser" des Kerns einer optischen Faser an einer Verbindungsstelle geringer sind als in den übrigen Abschnitten der Faser (d.h. mit Ausnahme anderer Verbindungsstellen) zwischen den UbertragungsStationen. Die überwiegende Strecke zwischen den Übertragungsstationen zählt zu den durchgehenden Abschnitten, längs denen die optische Übertragung erfolgt. Die elektromagnetischen Strahlungsverluste, die sich aufgrund von Ausrichtungsfehlem an den Faser-Verbindungsstellen ergeben, werden dadurch reduziert, so daß der optische Übertragungswirkungsgrad verbessert wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsb^eispiels näher erläutert. Inder Zeichnung· ist schematisch eine optische Faser gemäß der Erfindung dargestellt.

Der Übersichtlichkeit halber ist die Darstellung vergrößert und nicht maßstabsgetreu vorgenommen.

Wie in der Figur gezeigt ist, ist eine optische Faser 10 durch eine Verbindungsstelle 20 gekennzeichnet. An dieser Verbindungsstelle stoßen zwei optische Fasern"11 und 21 mit jeweils Kernbereichen 12 bzw. 22 zusammen. Die Faser 10 überträgt optische

409835/0804

Strahlung von einer optischen Quelle 31 zu einem optischen Detektor 41. Bekanntlich haben die Kerne 12 und 22 der Faser 10 gewöhnlich einen höheren optischen Brechungsindex zur Übertragung optischer Strahlung als die äußeren Teile der Faser. Die Fasern 11 und .21 haben in typischer Ausführung kreisförmige zylindrische Querschnitte; bei den beschriebenen Fasern sind die Durchmesser jedes ihrer Querschnitte an der Verbindungsstelle 20, kleiner als an Stellen in jeder Faser, die von dieser Verbindungsstelle entfernt liegen. Dadurch ist der Durchmesser des effektiven Querschnitts für die Ausbreitung optischer Strahlung an der Verbindungsstelle 20 größer als in von dieser Verbindungsstelle in beiden Fasern 21 und 22 entfernt gelegenen Zonen. Dadurch werden die Strahlungsverluste an der Verbindungsstelle 20 minimalisiert.

In typischer Ausführung beträgt der Durchmesser der Kerne an der Verbindungsstelle 20 etwa 2 bis 3 Mikrometer bei einer Übertragungswellenlänge von etwa einem Mikrometer, wobei ein Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel von etvja 1/2 % besteht. In den von der Verbindungsstelle 20 entfernt gelegenen Zone wächst der Kerndurchmesser in typischer Ausführung auf etwa 4 bis 6 Mikrometer.

Zur Herstellung der Faser 20 werden zwei optische Fasern, typisch in der Form von Kreiszylindern aus Glas oder Hartfeuerporzellan, zur Herstellung <fer Verbindung zusammengestellt. Vorzugsweise sind die beiden Fasern so gewählt, daß sie im

409835/0804

wesentlichen das gleiche Brechungsindexprofil zumindest über ihre zu verbindenden Abschnitte besitzen. Um darüber hinaus unerwünschte optische Reflexionen zu verhindern, sollte sich zumindest in der unmittelbaren Nähe der vorgesehenen Verbindungsstelle der Kernquerschnittsdurchmesaar nicht um mehr als eine Wellenlänge über wenigstens 10 Wellenlängen in Längsrichtung des Kerns ändern. Beide Fasern haben vorzugsweise im wesentlichen identische Kern-Querschnittsdurchmesser an der Verbindungsstelle selbst, vorzugsweise bis auf weniger als etwa 1/10 der Wellenlänge. Jede der Fasern wird an einer Stelle nahe ihres Stoßendes auf eine Temperatur erwärmt, die zur plastischen Verformung der Fasern ausreicht. Die erwärmten Fasern werden sodann unter Spannung gezogen, um ihre Durchmesser im Bereich ihrer Stoßenden zu verringern. Als nächstes werden die Fasern abgekühlt, und jede der Fasern wird beispielsweise mit Hilfe einer Rasierklinge oder einem Diamantsägeblatt an den Stellen reduzierten Durchmessers eingekerbt (oder geritzt). Danach werden die Fasern an der Kerbstelle z.B. durch Auseinanderreißen auseinandergebrochen, wodurch freie Schnittenden (von reduzierten Durchmessern) an beiden Fasern erscheinen. Schließlich wird eine Stoßverbindung der beiden Fasern, z.B. durch Stumpfschweißung ihrer freien Enden bei einer erhöhten Temperatur hergestellt, die ausreicht, um die Materialien zum Fließen zu- bringen, oder die beiden Fasern werden Stoß an Stoß zusammengesetzt und verkittet oder in anderer Weise miteinander mechanisch verbunden.

409835/0804

Als alternative Methode zur Verbindung der optischen Fasern können statt der Querschnittsverminderung im ersten Behandlungs-'schritt mit nachfolgender Verbindung zwei Fasern von vorzugsweise dem gleichen Durchmesser an ihren freiliegenden Enden zunächst durch Verschweißen verbunden werden, worauf sie unter Erhaltung einer erhöhten Temperatur an der sich ergebenden Schweißverbindung auseinandergezogen werden. Dadurch wird der Durchmesser der Verbindung im Vergleich zum Durchmesser der beiden Fasern in den von der Verbindungsstelle entfernten Abschnitten reduziert.

Obwohl die Erfindung vorstehend an Hand eines speziellen Ausführungsbeispiels im einzelnen beschrieben worden ist, lassen sich verschiedene Abwandlungenfehne Abweichung vom Erfindungsgedanken durchführen. So können beispielsweise optische Fasern mit sich kontinuierlich ändernden Brechungsindexprofilen verwendet werden, die aus verschiedenen Materialien, z.B. Gläsern unterschiedlicher Zusammensetzungen mit bekannten Brechungsindexeigenschaften hergestellt sein können. So ist beispielsweise der parabolische Brechungsindex für viele optische Systeme zweckmäßig, wie er in der GB-PS 1 277 496 (Nippon Selfoc) beschrieben ist; auch ein diskontinuierliches Brechungsindexprofil, wie es in der US-PS 3 434 774 (S. E. Miller) beschrieben ist, ist in einem solchen System verwendbar. Wenn auch gemäß Figurendarstellung und obiger Erläuterung vorzugsweise der Querschnitt der optischen Faser an der Verbindungsstelle minimal ist, können die Vorteile der Erfindung selbst dann realisiert werden, wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist,

409835/0804

und zwar so lange, wie der Querschnitt an der Verbindungsstelle kleiner als der Querschnitt des Hauptteils der. Faser (selbstverständlich entfernt von anderen Verbindungen) ist, längs dem der überwiegende Teil (wenn nicht im wesentlichen der Gesamtteil) der Distanz der optischen Übertragung erfolgt.

Selbstverständlich verbessert jede Durchmesserverringerung der verbundenen Fasern an der Verbindungsstelle das Problem der durch Fehlausrichtung hervorgerufenen Strahlungsverluste. Um eine wesentliche Verbesserung zu erreichen, sollte das verhältnis der Faserkerndurchmesser im Hauptteil der Faser zum Kerndurchmesser an der Verbindungsstelle wenigstens 1,5 zu bis etwa 3 zu 1 sein. Höhere Verhältnisse als 3 zu 1 führen zu einer Streuung des elektromagnetischen Feldes so weit über den Kern hinaus, daß bei dem gegenwärtigen Stande der Technik unerwünschte Nachteile bezüglich der Handhabung entstehen. Der Übergangsbereich längs der Faser (vom Hauptabschnitt zum Verb indung s ab schnitt) hat eine Länge von typischer V/eise wenigstens der Größenordnung von dem 100-fachen Außendurchmesser des Mantels, und zwar als Folge der gegenwärtigen Ziehprozesse zur Reduktion optischer Faserdurchmesser; es sollte jedoch beachtet werden, daß die Länge dieser Übergangszone in der Theorie nur so groß zu sein braucht, daß ein glatter optischer Übergang ohne die zuvor diskutierten Reflexionen gewährleistet ist.

409835/0804

Claims

BLUMBACH · WESER . BERG£N & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESR\DEN MND MÜNCHEN

„■PL-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL.-PHYS. Dr. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

61 WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 . TEL (00121) 542943, 5Ä1998 MÖNCHEN

Ansprüche

( lJVerbundenes optisches Faserpaar, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche jeder der beiden Fasern (11,

21) an der Verbindungsstelle (20) kleiner als die Querschnittsfläche beider Fasern in von der Verbindungsstelle entfernt gelegenen Abschnitten ist.
2. Faserpaar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verbundenen Fasern (11, 21) an der Verbindungsstelle (20) identische Querschnitte haben.
3· Faserpaar nach Anspruch 2,-dadurch gekennzeichnet, daß die lin.eaTei Abmessungen der Querschnitte der Faserkerne (12,

22) an der Verbindungsstelle (20) der beiden Fasern (11, 21) mit einem Toleranzbereich von weniger als 1/10 einer Wellenlänge der optischen Strahlung übereinstimmen.
4. Verfahren zum Stumpfverschweißen von zwei optischen Fasern zur Erzeugung des Faserpaars gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch

(a) Verringern der Querschnitte von zwei Fasern an den

409835/0804

Faserstellen, an denen die beiden Fasern verbunden werden sollen; und

(b) Stumpfverschwexßen des Faserpaars an den Faserstellen mit verringerten.Durchmessern derart, daß der Querschnitt, des verbundenen Faserpaars am Verbindungspunkt kleiner als an von dem Verbindungspunkt entfernten Abschnitten in beiden Fasern ist.

AO9835/0804

Leerseite