DE2418534C3 - Mode mixer for mode mixing in a dielectric optical waveguide - Google Patents

Mode mixer for mode mixing in a dielectric optical waveguide

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DE2418534C3 DE19742418534 DE2418534A DE2418534C3 DE 2418534 C3 DE2418534 C3 DE 2418534C3 DE 19742418534 DE19742418534 DE 19742418534 DE 2418534 A DE2418534 A DE 2418534A DE 2418534 C3 DE2418534 C3 DE 2418534C3
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uud kleiner ist alsuud is less than

mitWith

trischer Lichtwellenleiter heißt dielektrischer Multimode-Lichtwellenleiter. tric optical waveguide is called dielectric multimode optical waveguide.

Sich in einem dielektrischen Multimode-Lichtwellenleiter ursprünglich in einem Mode ausbreitendesInside a multimode dielectric fiber optic cable originally in a fashion sprawling

Licht breitet sich in diesem Mode so lange aus, bis eine Störung in der Geometrie oder Struktur des dielektrischen Lichtwellenleiters auftritt. Durch eine solche Störung können sich die elektromagnetischen Felder des Lichts ändern und bewirken, daß das gesamte Licht seinen Ausbreitungsmode in einen oder mehrere neue Moden ändert. Diese Änderung des Ausbreitungsmodes heißt Modenmischen, und eine Anordnung, die dieses Modenmischen bewirkt, heißt Modenmischer. Ein Modenmischer ist nicht auf einen diskreten Punkt in einem dielektrischen Lichtwellenleiter beschränkt, vielmehr kann er einen Längenabschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiters umfasren, in dem eine Störung der Struktur entweder periodisch oder allmählich kontinuierlich über eineIn this mode, light propagates until there is a disturbance in the geometry or structure of the dielectric optical waveguide occurs. Such a disturbance can affect the electromagnetic Change fields of light and cause all light to move into one or more of its mode of propagation several new fashions changes. This change in the mode of propagation is called mode mixing, and one The arrangement which effects this mode mixing is called a mode mixer. A fashion mixer is not at one limited discrete point in a dielectric optical waveguide, rather it can be a length section of the dielectric optical waveguide, in which a disturbance of the structure either periodically or gradually continuously over a

a = Radius des Kerns, a = radius of the core,

M1 = Brechungsindex des Kerns,M 1 = refractive index of the core,

n2 = Brechungsindex des Mantels,n 2 = refractive index of the cladding,

Z0 = Freiraum-Wellenlänge des Lichts.Z 0 = free space wavelength of the light.

2. Modenmischer nach Anspruch 1, dadurch 30 beträchtliche Länge hinweg auftritt gekennzeichnet, daß der Krümmungsabschnitt (2) Eines der Hauptprobleme beim Einsatz eines dieinen zu einer Achterschleife gebogenen Abschnitt elektrischen Multimode-Lichtwellenleiters Tür die des dielektrischen Lichtwellenleiters (4,5) enthält Nachrichtenübertragung ist die Begrenzung der Band-(Fig. 4c). breite durch die Gruppenlaufzeit-Dispersion, verur-2. Mode mixer according to claim 1, characterized in that 30 considerable length occurs characterized in that the curved portion (2) One of the main problems when using a dieinen to a figure eight curved section of electrical multimode fiber optic door the of the dielectric optical waveguide (4,5) contains message transmission is the limitation of the band (Fig. 4c). width caused by the group delay dispersion,

3. Modenmischer nach Anspruch 1, dadurch 35 sacht durch eine Änderung der Gruppengeschwingekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (2) digkeit für verschiedene Ausbreitungsmoden. Dadurch einen mäanderförmig gewundenen Abschnitt des kann sich eine in einem Mode ausbreitende logische dielektrischen Licht wellen teiters (4, 5) enthält »Eins« mit einer vorausgehenden, sich in einem ande-(Fig. 4a). ren Mode ausbreitenden logischen »Null« über-3. mode mixer according to claim 1, characterized 35 gently by a change in the group vibrations, that the radius of curvature (2) speed for different modes of propagation. As a result, a meandering section of the can be a logical spreading in a fashion dielectric light wave conductor (4, 5) contains "one" with a preceding one, which is in another (Fig. 4a). logical »zero« spreading through the fashion

4. Modenmischer nach Anspruch 1, dadurch 40 schneiden. Dieser Effekt kann durch gezieltes Modengekennzeichnet, daß der Krümmungsabschnitt (2) mischen beherrscht werden. Bei kontinuierlichem 4. mode mixer according to claim 1, characterized in 40 cut. This effect can be characterized by specific modes that the curved section (2) mixing can be mastered. With continuous

Modenmischen bzw. bei Modenmischen in gleich-Mode mixing or with mode mixing in equal

einen als Wendel mit variabler Steigung gebogenen Abschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiteis(4,5) enthält (Fig. 4b).a section of the dielectric optical waveguide (4,5) bent as a helix with a variable pitch contains (Fig. 4b).

Die Erfindung betrifft einen Modenmischer zum Ausbreitungsmoden-Mischen von sich in einem dielektrischen Multimode-Lichtwellenleiter aus Kern und Mantel ausbreitendem Licht mittels Führung durch einen Krümmungsabschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiters.The invention relates to a mode mixer for propagation mode mixing of itself in a dielectric Multimode fiber optic cable from core and cladding propagating light by means of a guide through a curved portion of the dielectric optical waveguide.

Die hier verwendeten Begriffe »Licht« und »optisch« beziehen sich auf jene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, die üblicherweise als Infrarot-, sichtbarer und Ultraviolett-Bereich bezeichnet werden.The terms "light" and "optical" used here refer to those areas of the electromagnetic Spectrum, commonly referred to as the infrared, visible, and ultraviolet regions.

Wenn sich Licht längs eines dielektrischen Lichimäßigen Abständen bleibt ein gegebenes Energiepaket beim Ausbreiten gleich lang in jedem Mod^ Dadurch wird sichergestellt, daß jedes Energiepaket beim Durchlaufen des gesamten dielektrischen Lichtwellenleiters dieselbe Zeit beansprucht, wodurch der Einfluß der Gruppenlaufzeit-Dispersion minimisiert wird.When light travels along a dielectric light A given energy packet remains the same length in every mod ^ when it is spreading This ensures that each energy packet when passing through the entire dielectric optical waveguide takes the same time, thereby minimizing the influence of group delay dispersion will.

Die Lichtausbreitung in gekrümmten dielektrischen Wellenleitern mit Rechteckquerschnitt und insbesondere die dabei auftretenden Strahlungsverluste wurden bereits untersucht (vgl. Bell System Techn. J., Bd. 48 [Sept. 1969], S. 2103 2132). Dabei wurde lediglich beiläufig festgestellt, daß gekrümmte dielektrische Lichtwellenleiter großer Querschnittsfläche, die viele Moden übertragen können, eher einei Modenwand-Iung als Strahlungsverlusten unterliegen, d. h., daß das Krümmen eines Muitimoden-Lichiweiienieiters zuThe propagation of light in curved dielectric waveguides with rectangular cross-sections and in particular the radiation losses that occur have already been investigated (cf. Bell System Techn. J., Vol. 48 [Sept. 1969], p. 2103 2132). It was only incidentally found that curved dielectric Optical waveguides with a large cross-sectional area that can transmit many modes, more like a mode wall are subject to radiation losses, d. that is, the curvature of a multimode light conductor to

Wellenleiters ausbreitet, kann es im dic'ektrischen 60 einer Modenmischung führen kann. Wie ein solchesWaveguide spreads, it can lead in the dielectric 60 of a mode mixing. Like one

Lichtwellenleiter im allgemeinen mehrere verschiedene Modenmischen gezielt erfolgen könnte, wird nichtOptical waveguides in general, several different mode mixing could be done in a targeted manner, will not

elektromagnetische Feldverteilungen haben. Das phy- angegeben.have electromagnetic field distributions. That phy- stated.

sikalische Verhalten des Lichts im dielektrischen Weiter ist bekannt, daß ein Modenmischen durch Lichtwellenleiter hängt von der speziellen elektro- periodisches Ändern der Achsrichtung des Licht wellenmagnetischen Feldverteilung, d.h. vom Ausbreitungs- 65 Ieiters herbeigeführt werden kann (vgl. US-PS 36 87 514 mode,ab. So hängt z. B. die Gruppengeschwindigkeit und US-PS 36 66 348). Im wesentlichen wird eine des sich längs eines dielektrischen Lichtwellenleiters Streuung im Multimode-Lichtwellenleiter dadurch ausbreitenden Lichts vom Ausbreitungsmode ab. verringert, daß das Modenumsetzen im WellenleiterPhysical behavior of light in the dielectric It is also known that mode mixing is caused by Optical fiber depends on the special electro-periodic change in the axial direction of the light wave magnetic Field distribution, i.e. can be brought about by the propagation conductor (see US Pat. No. 3,687,514 fashion, off. So e.g. B. the group speed and US-PS 36 66 348). Essentially, a of the scattering along a dielectric optical waveguide in the multimode optical waveguide propagating light depends on the propagation mode. reduces mode conversion in the waveguide

jrhöht wird. Dazu wird vor allem der Radius bzw. Durchmesser des Wellenleiters durch Ändern der Zieh-Geschwindigkeii bei dessen Herstellung moduliert. Darüber hinaus ist zusätzlich auch eine Verschiebung der Achsrichtung des Lichtwellenleiters möglich, wodurch eine Wendel konstanter Steigung und konstanten Krümmungsradius des Wellenleiters entsteht. Die Periode der Krümmung des Wellenleiters entspricht der Differenz der Ausbreitungskonstanten der beiden zu koppelnden Moden (vgl Gleichung (2) der US-PS 36 87 514). Wenn die Amplitude der Verschiebung der Lichtwellenleiter-Achse ausreichen soll, um ein Modenmischen hervorzurufen, erzeugt jedoch eine derartige Steigung der Wendel eine Krümmung des Lichtwellenleiters, deren Krümmungsradius nachteilig zu einer erheblichen Dämpfung des den Lichtwellenleiter durchlaufenden Lichts führt. Eine derart durchgeführt.: Modenmischung ruft also Energieverluste durch Strahlung aus dem Wellenleiter hervor.j is increased. For this purpose, especially the radius or diameter of the waveguide is changed by changing the Pulling speed modulated during its production. In addition, there is also a shift the axial direction of the optical waveguide possible, creating a helix of constant pitch and constant radius of curvature of the waveguide arises. The period of curvature of the waveguide corresponds to the difference in the propagation constants of the two modes to be coupled (cf. Equation (2) of U.S. Patent 3,687,514). When the amplitude of the displacement of the optical fiber axis should be sufficient to cause mode mixing, but creates such a pitch of the helix a curvature of the optical waveguide, the radius of curvature of which is disadvantageous to a considerable Attenuation of the light passing through the optical waveguide leads. One carried out in this way: Mixture of modes thus causes energy losses through radiation from the waveguide.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen paktisch anwendbaren Modenmischcr anzugeben, bei dem einen Kreisquerschnitt - Licht wellenleiter durchlaufendes Licht praktisch ungedämpft übertragbar ist.It is the object of the invention to provide a practically applicable mode mixer in which one Circular cross-section - light waveguide passing light can be transmitted practically without attenuation.

Die Aufgabe wird bei einem Moden mischer der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Teil des Krümmungsabschnitts einen sich kontinuierlich ändernden Krümmungsradius hat, der überall größer ist alsThe object is achieved according to the invention in a mode mixer of the type mentioned at the beginning solved that at least a part of the curved section has a continuously changing radius of curvature that is greater than anywhere

R) —R) -

4a2«,4a 2 «,

l/T"l / T "

und kleiner ist alsand is less than

6,4α3 π?6.4α 3 π?

K1 = J K 1 = J

a — Radius des Kerns,
H1 = Brechungsindex des Kerns,
n2 = Brechungsindex des Mantels,
Z0 = Freiraum-Wellenlänge des Lichts.
a - radius of the core,
H 1 = refractive index of the core,
n 2 = refractive index of the cladding,
Z 0 = free space wavelength of the light.

Das Modenmischen wird also erfindungsgemäß mit Hilfe eines Krümmungsabschnittes des dielektrischen Lichtwellenleiters durchgeführt, der mindestens zum Teil sich kontinuierlich ändernden Krümmungsradius aufweist. Der Krümmungsabschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiters weist einen Wegunterschied zwischen der durch die Wellenfront auf der Innenseite und auf der Außenseite der Krümmung zurückgelegten Entfernung auf. Dieser Wegunterschied entspricht einem Unterschied der Phasengeschwindigkeit, was einen übergang des Lichts zwischen Moden bewirkt.The mode mixing is carried out according to the invention with the aid of a curved section of the dielectric Optical waveguide carried out, the at least partially continuously changing radius of curvature having. The curved portion of the dielectric optical waveguide has a path difference between that traveled by the wavefront on the inside and outside of the curvature Distance on. This path difference corresponds to a difference in the phase velocity, which causes a transition of light between modes.

Wenn der Krümmungsradius größer ist als der Wert R1, erfolgt kein Modenmischen. da der durch die Biegung erzeugte Unterschied in der Phasengeschwindigkeit nicht ausreicht, um den Phasengcschwindigkeits-Unterschied zwischen Moden auszugleichen. Wenn andererseits der Krümmungsradius kleiner als der Wert R2 ist, werden Ausbreitungsmoden, d. h. Moden, bei denen das Licht an den dielektrischen Licht wellen leiter gebunden ist, in Abstrahlungsmoden eingekoppelt, d.h. in Moden, bei densn das Licht nicht an den dielektrischen Lichtwellenleiter gebunden ist Dadurch ergibt sich eine starke Dämpfung des den dielektrischen Lichtwellenleiter durchlaufenden Lichts, was fur eine Nachrichtenverbindung nicht zulässig ist.If the radius of curvature is larger than the value R 1 , no mode mixing takes place. since the difference in phase velocity created by the bending is insufficient to compensate for the phase velocity difference between modes. On the other hand, if the radius of curvature is smaller than the value R 2 , propagation modes, ie modes in which the light is bound to the dielectric light waveguide, are coupled into radiation modes, ie in modes in which the light is not bound to the dielectric light waveguide This results in a strong attenuation of the light passing through the dielectric optical waveguide, which is not permissible for a communication link.

Wenn der Krümmungsradius erfindungsgemäß größer als R2 ist, muß zwar mit einer gewissen Dämpfung gerechnet werden, die aber vernachlässigbar gering ist.If, according to the invention, the radius of curvature is greater than R 2 , a certain damping must be expected, but this is negligibly small.

Der erfindungsgemäße Moden mischer enthält alsoThe mode mixer according to the invention thus contains

ίο einen Krümmungsabschnitt eines dielektrischen Lichtwellenleiters, und zwar zum kontinuierlichen Modenmischen mit einem sich kontinuierlich ändernden Krümmungsradius. Dies kann auf verschiedene vorteilhafte Arten erfolgen, z. B. durch eine Biegung mit langsam anwachsender Krümmung, gefolgt von einem Bereich mit konstanter Krümmung und einem Bereich mit langsam abnehmender Krümmung, wie eine Achterschleife, oder durch einen mäanderförmig gewundenen Abschnitt des dielektrischen Lichtwellen-Meilers oder durch einen als Wendel mit variabler Steigung gebogenen Abschitt des dielektrischen Lichtwellenleiters. ίο a curved section of a dielectric optical waveguide, namely for continuous mode mixing with a continuously changing one Radius of curvature. This can be done in several advantageous ways, e.g. B. by a bend with slowly increasing curvature, followed by an area of constant curvature and an area with a slowly decreasing curvature, like a figure-of-eight loop, or through a meandering one Section of the dielectric light wave pile or by one as a helix with a variable Slope bent section of the dielectric optical waveguide.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing.

Es zeigtIt shows

F i g. 1 schematisch eine optische oder Licht-Nachrichtenübertragungsverbindung mit einem Modenmischer, F i g. 1 schematically shows an optical or light communications link with a mode mixer,

Fig. 2 einen Krümmungsabschnitt eines dielektrischen Lichtwellenleiters,Fig. 2 shows a curved portion of a dielectric Optical fiber,

F i g. 3 einen Lichtslrahlweg eines sich durch den Kern eines Krümmungsabschnitts eines dielektrischen Lichtwellenleiters ausbreitenden Lichts,
F i g. 4a bis 4c verschiedene Krümmungsarten eines dielektrischen Lichtwellenleiters zum Modenmischen und
F i g. 3 shows a light beam path of light propagating through the core of a curved portion of a dielectric optical waveguide;
F i g. 4a to 4c different types of curvature of a dielectric optical waveguide for mode mixing and

F i g. 5 und 6 Signalantworten aus einer optischen Nachrichtenübertragungsverbindung mit einem Modenmischer.F i g. 5 and 6 signal responses from an optical communications link with a Fashion mixer.

Gemäß Fig. 1 wird Licht aus einer Quelle 1 in einen Abschnitt eines dielektrischen Multimode-Lichtwellenleiters 4 eingespeist. Das Licht läuft dann über einen Modenmischer 2 und einen weiteren dielektrischen Multimode-Lichtwellenleiter 5 zu einem Detektor 3. Der Modenmischer 2 enthält einen Krümmungsabschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiters. In der Praxis kann die gesamte Verbindung zwischen der Lichtquelle 1 und dem Detektor 3 im wesentlichen so aus Krümmungsabschnitten des dielektrischen Lichtwellenleiters bestehen, daß der Modenmischer 2 die gesamte Verbindung darstellt. Die Arbeitsweise des Modenmischers ergibt sich aus der folgenden Theorie. Eine Welle in einem geraden dielektrischen Lichtwellenleiter besitzt eine einzige Phasengeschwindigkeit Referring to Figure 1, light from a source 1 is passed into a section of a multimode dielectric optical fiber 4 fed in. The light then passes through a mode mixer 2 and another dielectric Multimode optical waveguide 5 to a detector 3. The mode mixer 2 contains a curved section of the dielectric optical waveguide. In practice, the entire connection between the light source 1 and the detector 3 essentially consist of curved portions of the dielectric Optical waveguide exist that the mode mixer 2 represents the entire connection. How the Mode mixer results from the following theory. A wave in a straight dielectric fiber optic has a single phase velocity

mit:With:

= 2.t/ = Kreisfrequen/.= 2.t / = circular frequencies /.

2.2.

= Wellenausbrcitunaskonstante.= Wave expansion constant.

Leiter-Wellenlänge.Ladder wavelength.

Wenn der Licht wellenleiter nach r- 1«. 1 ^u einem Radius gebogen wird, entsteht ein l'nterschied inWhen the fiber optic cable moves to r-1 «. 1 ^ u a Radius is bent, there is a difference in

den Wegen der Phasenfront auf dem äußeren und dem inneren Krümmungsradius des Wellenleiters. Die Länge auf dem äußeren Weg der Wellenfront ist (r + α) α und auf dem inneren Weg (/- — a) n. Der Wegunterschied beträgt also .Ir- «= 2aa, mit einem mittleren Weg r η und einem normierten Wegunlerthe paths of the phase front on the outer and inner radius of curvature of the waveguide. The length on the outer path of the wave front is (r + α) α and on the inner path (/ - - a) n. The path difference is .Ir- «= 2aa, with a mean path r η and a normalized path unler

schied — = — . Dieser normierte Wegunlerschieddiffered - = -. This standardized path difference

1 V ist einem normierten Unterschied -^1- der Phascn-1 V is a standardized difference - ^ 1 - the phase-

geschwindigkeit äquivalent.speed equivalent.

Bei einer festen Frequenz <·< entspricht jeder Phasengeschwindigkeit ein Wert der Ausbreitungskonstanten /(. wegen:With a fixed frequency <· < , each phase velocity corresponds to a value of the propagation constant / (. Because of:

d Vp _ <n_ _^ _1d V p _ <n_ _ ^ _1

" ~ψ ~* ~v„ ate " ~ ψ ~ * ~ v" 77th

ist. mit ί· = Lichtgeschwindigkeit im freien Raum oder Vakuum.is. with ί = speed of light in free space or vacuum.

Für kontinuierliches Modcnmischcn muß der Lichtwellenletter abwechselnd gebogen und nicht gebogen sein, um einen mäanderförmigen Weg /u ergeben. Der Krümmungsradius der Biegungen muß klein genug sein, um alle Moden /u mischen, jedoch nicht so klein, daß der Mode höchster Ordnung in das Strahlungsfeld eingekoppclt wird. Der kritische Krümmungsradius entspricht einem kritischen l/i.For continuous mode mixing, the light wave letter must alternately be bent and not bent be to result in a meandering path / u. The radius of curvature of the bends must be small be enough to mix all the fashions / u, but not so small that the fashions of the highest order are in that Radiation field is coupled. The critical radius of curvature corresponds to a critical l / i.

fi kann geschrieben werden als fi can be written as

ν = - ν = - ββ

1 /i 1^ = — — , wobei1 / i 1 ^ = - -, where

so daß am Ende des Lichtwellenleiters bei gegebenem Krümmungsradius zwei Werte für β bei jedem Mode entstehen:so that at the end of the optical fiber with a given radius of curvature there are two values for β for each mode:

\ß _ 2a\ ß _ 2a

Die durch dieses Aufspalten von /i erzeugten Nebenmoden sind eng miteinander verkoppelt und entartet. Dies ist gleichbedeutend mit dem Berechnen des gebogenen Lichtwellenleiters in Tennen oder Ausdrücken des geraden Lichtwellenleiters, vorausgesetzt, daß der Krümmungsradius der Biegung immer wesentlich größer als der Radius der Faser ist; diese Bedingung wird ausschließlich durch Matcrialgrößen bestimmt. Die Energie schwingt kontinuierlich von einem Nebenmode in den anderen, wenn die Welle um die Biegung herum fortschreitet. Durch allmähliches Einfügen einer Biegung in die Faser werden alle Moden, die um weniger als t/i auseinanderlicgen, cingekoppelt, d. h.. durch Hineinlaufen in eine Biegung oder durch Herauslaufen aus dieser wird ein Modcnmischen bis zur Größe des Grenz-Krümmungsradius der Biegung bewirkt. Wenn jedoch der Lichlwellcnleiter mil konstantem Krümmungsradius gebogen ist. tritt kein weiteres Moden mischen auf. In diesem Sinn bewirkt das Biegen eines Lichtwellenleitcrs zu einem Radius denselben Effekt wie das Einführen einer Raumfrequenz in die Faserabmessungen, wodurch alle Moden cingckoppcll werden, deren Frequenzen sich um die Raumfrequenz unterscheiden. Wenn die Raumwcllcnlänge oder die Steigung der ein Einkoppeln bewirkenden Änderung /.r ist. gilt:The secondary modes generated by this splitting of / i are closely coupled and degenerate. This is equivalent to calculating the curved optical waveguide in terms or expressions of the straight optical waveguide, provided that the radius of curvature of the bend is always substantially greater than the radius of the fiber; this condition is determined exclusively by material quantities. The energy swings continuously from one side mode to the other as the wave advances around the bend. By gradually inserting a bend in the fiber, all modes that are less than t / i apart are c-coupled, ie. By running into a bend or by running out of it, a mode mixing is effected up to the size of the limit radius of curvature of the bend. However, if the light wave conductor is bent with a constant radius of curvature. no further mode mixing occurs. In this sense, bending an optical waveguide to a radius has the same effect as introducing a spatial frequency into the fiber dimensions, whereby all modes are synchronized whose frequencies differ by the spatial frequency. If the length of the space or the slope of the change causing coupling /. r is. is applicable:

1/'1/'

t>t>

2a2a

= ν= ν

Ύα lacΎα lac

j j

A =A =

Λ _ "2 VΛ _ " 2 V

/ tu \2 . - —J ist./ tu \ 2 . - —J is.

mit:With:

u = Argument von ./„(u). der die Felder innerhalb des Kerns darstellenden Besselfunktion. u = argument of ./ “(u). the Bessel function representing the fields within the core.

Für die Moden höchster Ordnung gilt u * V und Tür den Unterschied zwischen aufeinanderfolgenden Nullstellen von J„(u) gilt Iu ^ .-7 Daraus folgt, daFor the modes of the highest order u * V and Tür the difference between successive zeros of J “(u) we have Iu ^.-7 It follows that

ALAL

duyou

V Ύαΰ)Ϋπ V Ύαΰ) Ϋ π

2ηΛ2ηΛ

M ΛM Λ

3535 .-τ Λ.-τ Λ

für kleine Λ,for small Λ,

mit R2 = kritische Krümmungsradius. Wenn r < R ist, erfolgt eine Einkopplung in das Strahlungsfclc Mit r> R1 erfolgt unvollständiges Modenmisehcr Durch Einsetzen von V ergibt sichwith R 2 = critical radius of curvature. If r <R, then a coupling into the Strahlungsfclc with r> R 1 takes incomplete Modenmisehcr Substituting V results

wodurch eine Raumfrequenz /,= -"C dargestellt 55 Für die Moden niedrigster Ordnung folgt:whereby a spatial frequency /, = - " C is represented 55 For the modes of the lowest order it follows:

.03 Π.03 Π

!-M ! -M

wobei U1 und W2 die Werte von u für den Mode der niedrigsten und der /weitniedrigsten Ordnung sind. Bei hohen V-Wcrtcn können M1 und H2 dargestellt werden durch:where U 1 and W 2 are the values of u for the lowest and far lowest order modes. At high V-values, M 1 and H 2 can be represented by:

M1M 1 -

mitWith

— M- M

— M- M

M0, =M 0 , = Mn2 =M n2 =

0202

,M2- Mj, M 2 - Mj

j2 j 2

erste Nullstelle von JnM = 2,4048.
zweite Nullstelle von J0 (μ) = 5,5201.
first zero of J n M = 2.4048.
second zero of J 0 (μ) = 5.5201.

Daraus folgtIt follows

5.7835,783

Für große V giltFor large V we have

(30.47 - 5,(30.47 - 5,

= 12.34 c"2" · -1^ .
und da
= 12.34 c " 2 " · - 1 ^.
and since

.783)1.783) 1

30.4730.47

Mit OB = r + α und OA = r - u folgt:With OB = r + α and OA = r - u it follows:

/■ + α / ■ + α r - ar - a

ίο cos H cos (H + ii)ίο cos H cos (H + ii)

coscos

cos <-) cos <-)

cos H ■ cos f< - sin Π ■ sin <i
cos <->
cos H ■ cos f <- sin Π ■ sin <i
cos <->

lh =■lh = ■

2.89 -e--■'''λ2.89 -e-- ■ '' 'λ

α (Λ) α (Λ)

''■ = 12.34 -e-2/1 · ','' ■ = 12.34 -e- 2/1 · ',

Für bei Multimode-Fasern übliche große I und kleine Λ ergibt sichFor the usual capital I and for multimode fibers small Λ results

Durch Gleichsetzen von sin « = <i für kleine Winke folgt:By equating sin «= <i for small angles follows:

= 1 - (cos .i - α ■ lan H) = 1 - (cos .i - α ■ lan H)

2 + ti · tan Π . 2 + ti tan Π.

ti2 + « ■ tan <-) - ----- = 0 . ti 2 + «■ tan <-) - ----- = 0.

= - tan H -i i tan- <■) -f= - tan H -ii tan- <■) -f

-^ = 12.34 ■ c - ^ = 12.34 ■ c

WecenWecen

Aa λ1 2 Aa λ 1 2

r Jr J

- tan w- tan w

Ϊ,45 " ■==- · "IM "Γ «■'· Wenn « = 0 beträet. ist ) (-> - 1 Ϊ, 45 "■ == - ·" IM "Γ« ■ '· If «= 0 is concerned) (-> - 1

wobei I (-. where I (-.

4040

oder, durch Einsetzen von 1 und Λor, by substituting 1 and Λ

mil: R1minimaler Krümmungsradius, bevor ein 4s Mcidcnmischcn unter den Moden niedrigster Ordnung beginnt.mil: R 1 - minimum radius of curvature before a 4s mismatching of the lowest order modes begins.

Es sei nun der geometrische Weg eines Lichtstrahls im Kern eines dielektrischen Lichtwcllcnleitcrs bctrachtet (vgl. Fig. 3>. Ein Strahl in einer Lichtfaser 50 cos.. wird unter einem Winkel <-) von der Innenfläche des Kerns reflektiert. Wenn die Faser gebogen ist. wird der Reflexionswinkel geändert. Wenn der Strahl einmal in einem Wellenleiter läuft, der mit konstantem Krümmungsradius gebogen ist, erfolgt keine weitere Gesamtänderung von (-) (keine weitere Modenänderung). Die Reflexionswinkel auf der Innen- und der Außenfläche 5>nd jeJoch verschieden, und ein Strahl wird abwechselnd von jeder Fläche unter verschiedenen Winkeln reflektiert. Dies entspricht den entarteten Moden mit den beiden Werten für ß. Let us now observe the geometric path of a light beam in the core of a dielectric light wave guide (see FIG. 3>. A beam in a light fiber 50 cos .. is reflected at an angle <-) from the inner surface of the core. When the fiber is bent. the angle of reflection is changed. Once the beam travels in a waveguide that is curved with a constant radius of curvature, there is no further overall change of (-) (no further mode change). The angles of reflection on the inner and outer surfaces 5> nd different for each yoke, and a ray is alternately reflected from each surface at different angles. This corresponds to the degenerate modes with the two values for ß.

Im Dreieck OAB (vgl. Fig. 3) ist ,1 - \<-> der Winkel, um den W geändert wird, und es gilt:In the triangle OAB (see Fig. 3) , 1 - \ <-> is the angle by which W is changed, and the following applies:

der Winkel ist. mit dem ein axialer Strahl durch die Biegung gedreht wird. Der Winkel eines axialen Strahls kann nur erhöht werden (da er stets von dci Außenseite der Biegung reflektiert wird), d. h.dcr Mode niedrigster Ordnung kann nur in Moden höhere! Ordnung umgewandelt werden.the angle is. with which an axial beam passes through the Bend is rotated. The angle of an axial ray can only be increased (since it is always from dci Outside of the bend), d. h.dcr fashion lowest order can only be in fashions higher! Order to be converted.

Damit ein Strahl reflektiert wird, muß die Fasci um einen minimalen Bogen gebogen sein. Für einen axialen Strahl (vgl. Fig. 3) gilt:In order for a ray to be reflected, the fasci be bent around a minimal arc. For an axial beam (see Fig. 3) the following applies:

r + αr + α

[la ir +[la ir + == aa rr 2(i2 (i . sin. sin r + r + + a+ a

sin .1sin .1

sin (90 + H) sin (90 + H)

OA
sin 5 ABO
OA
sin 5 SUBSCRIPTION

6565

ABOSUBSCRIPTION

Bei kontinuierlichem Modenmischen muß deshalb die Faser durch eine Reihe von Bögen gekrümm werden, deren jeder wenigstens einen Winkel u auf weist. Die besten Ergebnisse werden für einen Krüm mungsradius erzielt, der exakt gleich R2 ist. Wegen die ses Mäanderns wird die Faser etwas verlängert. Di< Verlängerung berechnet sich aus Länge des Bogcns Länge der Faser = <«/sin «. With continuous mode mixing, the fiber must therefore be curved through a series of arcs, each of which has at least one angle u . The best results are obtained for a radius of curvature that is exactly equal to R 2 . Because of this meandering, the fiber is lengthened somewhat. The elongation is calculated from the length of the arc. Length of the fiber = </ sin «.

BH einer Biegung ist der Zwischenmodc-Kopplungsabstand, d.h. der Abstand, über den die Energie au? einem der beiden Moden in den anderen übergeht gleich dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgen den Reflexionen von der Innen- zur Außenseite dci Krümmung (oder umgekehrt), da der Winkel (bzw Mode) bei jeder Reflexion von einem Wert /um an deren geändert wird. Dieser Abstand /.„ ist gleich >BH of a bend is the intermodc coupling distance, i.e. the distance over which the energy exudes one of the two modes merges into the other equal to the distance between two successive reflections from the inside to the outside dci Curvature (or vice versa), since the angle (or mode) starts from a value / um for each reflection whose is changed. This distance /. “Is equal to>

in der Fig. 3. Unter Vernachlässigung der Einflüsse auf L1n des Krümmungsradius der Biegung gilt:in Fig. 3. Neglecting the influences on L 1n of the radius of curvature of the bend, the following applies:

-2 f- = lan <-) * sin W * ·-- (<>)"2. - 2 f - = lan <-) * sin W * · - (<>) " 2 .

MnMn

Beispielexample

Für eine Faser mit folgenden Kenndaten:
Kerndurchmesser = 50 μΐη = la: n2 = 1.5100:
For a fiber with the following characteristics:
Core diameter = 50 μΐη = la: n 2 = 1.5100:

/I1 = 1,5563, Freiraum-Wellenlänge = 0.85 μΐη = /Λ) / I 1 = 1.5563, free space wavelength = 0.85 μΐη = / Λ)

Λ = i-fJ^.V= 0,58; Λ = i-fJ ^ .V = 0.58;

V = -~;T-£- /ι, (Λ)1'2 = 69,26, V = - ~; T - £ - / ι, (Λ) 1 ' 2 = 69.26,

R2 = -4^i1Z2 = 1.90 cm: Ln, = 0.207 mm
(für Moden höchster Ordnung, u =s= V),
R, = 0,162 · --'- · e2/r = 34,47:
R 2 = - 4 ^ i 1 Z 2 = 1.90 cm: L n , = 0.207 mm
(for modes of the highest order, u = s = V),
R, = 0.162 · --'- · e 2 / r = 34.47:

Ln, = 5,98 mm L n , = 5.98 mm

(für Moden niedrigster Ordnung, u = 2,405),(for modes of the lowest order, u = 2.405),

Für die Längenzunahme für eine Faser, die mit einem Radius R2 mäanderförmig über eine Reihe von Bögen mit dem Winkel α gewunden ist. gilt:For the increase in length for a fiber that meanders with a radius R 2 over a series of arcs with the angle α . is applicable:

- 1 = 4,38 · 10"4 = 0.0438%.- 1 = 4.38 x 10 " 4 = 0.0438%.

sin a sin a

Ein dielektrischer Lichtwellenleiter kann in eine geeignete Mäanderkurve nach Fig. 4a gebracht werden, indem er in ein Plastikträgermaterial eingebettet wird. Dadurch wird ein kontinuierliches Modenmischen längs der gesamten Länge des dielektrischen Lichtwellenleiters sichergestellt. Andernfalls, wenn ein Kabel aus einem Bündel von dielektrischen Lichtwellenleitern gebildet wird, kann eine kontinuierliche Änderung im Krümmungsradius jedes dielektrischen Lichtwellenleiters durch Ändern des Dralls des dielektrischen Lichtwcllenleiters im Kabel erzeugt werden, so daß jeder dielektrische LichtwellenleiterA dielectric optical waveguide can be brought into a suitable meandering curve according to FIG. 4a, by embedding it in a plastic substrate. This creates continuous mode mixing ensured along the entire length of the dielectric optical waveguide. Otherwise if a cable formed from a bundle of dielectric optical waveguides can be a continuous Change in the radius of curvature of each dielectric optical waveguide by changing the twist of the dielectric optical waveguide in the cable, so that each dielectric optical waveguide

ίο des Kabels die Form einer Wendel mit veränderlicher Steigung nach Fig. 4b hat. Wenn an einem diskreten Punkt im Kabel ein Modenmischen erfolgen soll, kann dies dadurch erreicht werden, daß der dielektrische Lichtwellenleiter in eine geeignete geometrische An-Ordnung gebracht wird. z.B. durch Bilden einer Achterschleife auf einem geeigneten Träger nach F i g. 4c.ίο the cable has the shape of a helix with changeable Has slope according to Fig. 4b. If at a discreet If mode mixing is to take place in the cable, this can be achieved by adding the dielectric Optical waveguide is brought into a suitable geometric arrangement. e.g. by forming a Figure eight on a suitable support according to FIG. 4c.

Wenn ein Modenmischen über alle nichtstrahlendon Moden hinweg erfolgt, besitzt ein in ein Ende eines dielektrischen Lichtwcllenleiters eingespeister schmaler Impuls die in F i g. 5 gezeigte Impulsform. Wenn ein Modenmischen in einer Modengruppe aus weniger Moden erfolgt, deren Anzahl kleiner als die Anzahl der nichtstrahlenden Moden ist, wie z. B. in einer kontinuierlichen Mäanderfaser mit einem maximalen Mäander-Krümmungsradius, der wesentlich größer ist. als es zum vollständigen Modenmischen erforderlich ist. besitzt der Ausgangsimpuls einen Doppelhöcker, wie in F i g. 6 dargestellt ist. Dieser Doppelhocker wird durch einen Modenmisch-lmpuls 6 bewirkt, der auf eine kürzere als die mittlere Ankunftszeit zentriert ist, gefolgt von dem später ankommenden Block aus ungemischten Moden 7. Da es in der Praxis schwierig ist. alle Moden zu mischen und eine maximale Bandbreite ohne Energievcrlust aus dem dielektrischen Lichtwellenlciter zu erhalten. i..uß damil gerechnet werden, daß der Ausgangsimpuls eine Doppclhöckcr-Charaktcristik hat. da die Krümmungsradien wesentlich größer sind als der kritische Radius Insbesondere jedoch bei digitalen Signalen, wie ζ. Β bei der Pulscodemodulation (PCM), hat der zweite Hocker nur einen geringen Einfluß. Es ist also möglich, die tatsächliche Bandbreite einer Multimode· faser ohne übermäßig starke Verluste oder Beschrän kung der wirksamen Faserapertur zu verbessern.When mode shuffling occurs across all non-radiant modes, one in one end has one dielectric lightwave conductor fed narrow impulse which in F i g. 5 pulse shape shown. When mode mixing takes place in a mode group of fewer modes, the number of which is smaller than the number of the non-radiative modes, such as e.g. B. in a continuous meander fiber with a maximum Meander radius of curvature, which is much larger. than is required for complete mode mixing is. the output pulse has a double hump, as in FIG. 6 is shown. This double stool is caused by a mode mixing pulse 6 which is shorter than the mean arrival time is centered, followed by the later arriving block of unmixed modes 7. As it is in practice is difficult. mix all modes and get a maximum bandwidth without loss of energy from the dielectric To obtain light wave lciter. i..uss damil It can be calculated that the output pulse has a double hump characteristic. because the radii of curvature are significantly larger than the critical radius, but especially with digital signals such as ζ. Β with pulse code modulation (PCM), the second stool has only a minor influence. So it is possible the actual bandwidth of a multimode fiber without undue loss or restriction of the effective fiber aperture.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims (1)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Modenmischer zum Ausbreitungsmoden-Mischen von sich in einem dielektrischen Multimode-Lichtwellenleiter aus Kern und Mantel ausbreitendem Licht mittels Führung durch einen Krümmungsabschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiters, dadurch gekennzeichnet, daß Wenn die Abmessungen des dielektrischen Lichtwellenleiters ausreichend klein sind, ist das Licht beim Durchlaufen des dielektrischen Lichtwellenleiters auf nur einen einzigen Ausbreitungsmode beschränkt; ein derartiger dielektrischer Lichtwellenleiter heißt dielektrischer Monomode-Lichtwellenleiter. Bei größeren dielektrischen Lichtwellenleitern kann sich jedoch das Licht in mehreren Moden ausbreiten, auf die das Licht beim Durchlaufen des dielektrischen Licht-1. Mode mixer for propagation mode mixing of itself in a dielectric multimode optical fiber Light propagating from core and cladding by means of guidance through a curved section of the dielectric optical waveguide, characterized in that when the dimensions of the dielectric optical waveguide are sufficiently small, the light is on when passing through the dielectric optical waveguide limited to only one single propagation mode; Such a dielectric optical waveguide is called dielectric Single mode fiber optic cable. In the case of larger dielectric optical waveguides, however, propagate the light in several modes, to which the light when passing through the dielectric light- nimdestensemTeildeiKrummungsabschnittesT^ ίο Wellenleiters beschränkt ist: ein derartiger dielekeinen sich kontinuierlich ändernden Krümmungsradius hat, der überall größer ist alsis limited in the least part of the curvature section of the T ^ ίο waveguide: such a dielectric continuously changing radius of curvature that is greater than anywhere
DE19742418534 1973-04-18 1974-04-17 Mode mixer for mode mixing in a dielectric optical waveguide Expired DE2418534C3 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1874773 1973-04-18
GB1874773A GB1420458A (en) 1973-04-18 1973-04-18 Dielectric waveguides

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE2418534A1 DE2418534A1 (en) 1974-10-31
DE2418534B2 DE2418534B2 (en) 1976-08-19
DE2418534C3 true DE2418534C3 (en) 1977-03-31

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