DE2422381A1 - Optische uebertragungsvorrichtung - Google Patents

Description

BLUM BACH ■ WESER · ΒΕΡβΕΝ & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN 242238

D1PL.-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS. DR. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE A3 ■ TEL (06121) 5629«, 5619 98 MÖNCHEN

Western Electric Company " Marcatili - 44

Incorporated

New York, N. Y., USA

Optische Übertragungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Übertragungsvorrichtung mit einer Vielzahl von optischen Wellenleitergebieten in optischem Übertragungsmaterial, von denen jedes eine einzige Schwingungsform zu übertragen vermag.

Es ist bekannt, daß optische Wellenleiter in Form optischer Fasern verwendet worden sind, um optische Wellenenergie in einem einzelnen oder Moden zu übertragen. Ein grundlegendes Problem entsteht bei diesen optischen Fasern dadurch, daß gleichmäßig längs der gesamten Faserlänge Stützglieder befestigt werden müssen, die zum mechanischen Tragen benötigt werden. Speziell an der Stoßstelle des Stütz- bzw.

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Trägergliedes mit der optischen Faser werden die durch die Faser übertragenen Wellenenergiemoden optisch gestört (optical di sturbance or perturbation). Diese Störung ist die Ursache für zahlreiche Probleme bei der Übertragung von elektromagnetischer Signalwellenenergie, so etwa in Bezug auf die nicht gewährleistete Signalenergieumwandlung von einem Mode in einen anderen, woraus sich Verzerrungsprobleme ergeben. Ein anderes Problem entsteht dadurch, daß der zentrale Kern (central core) optischer Fasern ummantelt bzw. umhüllt werden muß, um fremde Materialien (wie etwa Staub) daran zu hindern, mit dem Kern in Berührung zu kommen, wodurch weitere unerwüschte Störungen der durch den Kern übertragenen optischen entstünden. Ein derartiger Mantel muß in der Regel aus einem Material hergestellt werden, dessen optischer Brechungsindex kleiner als der des Kernes ist. Es ist schwer, für geeignete Kernmaterialien wie etwa Quarzglas eine eine entsprechend geeignete Ummantelung zu finden, deren Brechungsindex kleiner als der des Kernes ist und die gleichzeitig einen ausreichend geringen optischen Absorptionsverlust aufweist, um die Faser kommerziell atraktiv zu machen. Darüber hinaus hindert dieses Mantelmaterial

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gewöhnlich daran, den Kern der optischen Faser mit verschiedenen optischen Materialien zu beschichten, die sinnvoll mit der durch, die optische Faser übertragenen Signalwellenenergie zusammenwirken könnten.

Wie in einem Aufsatz von Kaiser, Marcatili und Miller in 52(2), "Bell System Technical Journal (BSTJ), Seiten 265-269, Februar 1973, und ferner in der DP-Patentanmeldung 22 57 490. 5 erörtert wird, besitzen optische Fasern aus einem einzigen Material bestimmte Vorteile. Diese Fasern bestehen je Faser aus einem einzigen optischen Material, das an den zentralen Teil angeschmolzen ist. Kurz gesagt, sind die Vorteile dieser Fasern aus einem einzigen Material die, daß keine Verluste an optischer Energie entstehen, wie sie in der Regel durch den Mantel verursacht werden, und daß außerdem kein Mantel am Zugang (von außen her) zu der in der Faser übertragenen Strahlung hindert. Ein solcher äußerer Zugang ist für ein Zusammenwirken mit dem Signal längs des Faserübertra£rungsweges günstig. Ferner würden viele optische Fasern aus einem einzigen Material wünschenswert sein, die ziemlich einfach dicht zusammengepackt werden können, damit in einem einzigen Kabel viele unabhängige optische Wellen-

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leiter zur Verfügung stehen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, Nachteile der beschriebenen Art zu beheben.

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von einer optischen Übertragungsvorrichtung der eingangs genannten Art aus und ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gebiet einen Teil von zwei sich gegenseitig berührenden hohlen Röhren des Materials umfaßt. In einem optisch absorbierenden Kabelmantel werden viele optische Fasern in Form hohler Röhren, die aus einem einzigen Material bestehen, angeordnet. Jede dieser Röhren berührt (tangiert) wenigstens eine andere physisch. Die optisch glatten äußeren Oberflächen sich berührender Röhrenpaare führen speziell im Berührungsbereich bzw. Bereich, in dem die Tangenten ineinander übergehen, zu einer engen optischen Kopplung der in den beiden hohlen Röhren jedes Röhrenpaares übertragenen optischen Strahlung. Dadurch ergibt sich, daß für zwei einzelne Röhren, die sich gegenseitig berühren, ein Gebiet in unmittelbarer Nähe der Berührpunkte Wellenleitergebiet ist. Der Querschnitt des zentralen Teiles jedes derartigen Gebietes ist zweimal so groß wie (vier) peripheren

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Teile, die vom Berührungspunkt ausgehen, dick sind. Folglich kann dieses Gebiet nach derselben Theorie wie in dem zuvor erwähnten Aufsatz in der Zeitschrift BSTJ als optischer Wellenleiter dienen, der die übertragenen Einzelmoden führt. Gleichzeitig wird durch dichtes Zusammenpacken von vielen Solcher Röhren im Mantel eines optischen Resonators (cable) eine einfache Einrichtung zur Verfügung gestellt, die ein Kabel mit vielen optischen Einzelmodenwellenleitern ergibt. Darüber hinaus kann der Zwischenraum zwischen den äußeren Oberflächen der Röhren teilweise oder ganz mit elektrooptischen Materialien gefüllt werden, damit eine Wechselwirkung mit den in diesen Wellenleitern übertragenen optischen-Moden zustande kommt.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung umgibt eine verlustbehafteter Mantel aus getöntem Quarzglas viele dünnwandige, zylindrische Röhren in hexagonal dichtester Packung, die im wesentlich aus reinem Quarzglas sind. Sämtliche Röhren sind im wesentlichen identisch und kontaktieren je sechs Nachbarröhren (mit Ausnahme der Röhren, die den verlustbehafteten Mantel berühren). Dadurch bilden die Gebiete aus einem einzigen Material jeweils ein-

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schließlich aller Kontaktpunkte mit den verschiedenen Röhren optische Wellenleitergebiete, die dafür geeignet sind, optische Strahlung in einem einzigen Mode zu übertragen.

Imfolgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein optisches Übertragungssystem

mit einem optischen Wellenleiterkabel,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines optischen Kabels

entsprechend einem eindimensionalen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, Fig. 3 eine Schnittansicht eines optischen Kabels

entsprechend einem zweidimensionalen erfindungs gemäß en Au sf uhr ungsb ei spiel und

Fig. 4 zum besseren Verständnis der erfindungsge

mäßen Vorteile eine Schnittansicht von vielen optischen Wellenleitern aus einem einzigen Material.

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Wie die Fig. 1 zeigt, liefert eine optische Strahlungsquelle 11 optische Strahlung 12 als Eingangssignal an eine optische Übertragungskabelvorrichtung 20. Die von dem Kabel 20 abgegebene (exiting) Aus gangs strahlung wird von einer Einrichtung 13 erfaßt bzw. festgestellt und ausgewertet. Die Fig. 2 zeigt das Kabel 20 im Querschnitt. Nach der Fig. 2 sind viele hohle Faserröhren 22 zylindrischer Form innerhalb eines Bandkabels 21, das sie umhüllt, angeordnet. Sämtliche Faserröhren sind im wesentlichen identisch. Jede Röhre besitzt zwei Berührungspunkte, in denen sie die am nächsten benachbarten Röhren auf beiden Seiten kontaktiert (davon sind die Röhren am weitesten links und rechts ausgenommen). Die Achsen dieser Röhren verlaufen alle parallel zueinander. Jede Röhre hat optisch glatte Innen- und Außenwände, damit keine optische Streuung auftritt. Die Einzelmodenübertragung kann dann in einem Wellenleitergebiet inner halb des Fasermaterials jedes Paars von Röhren 22 erfolgen, die sich gegenseitig berühren. In jedem dieser Gebiete ist Fasermaterial einschließlich des Punktes 22. 5 gegenseitigen Kontaktes benachbart. Z. B. zeichnen die unterbrochen dargestellten Linien 23 für

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die beiden in der Fig. 2 am weitestens links dargestellten Fasern ein derartiges Wellenleitergebiet nach, dessen Mittelpunkt beim Punkt 22. 5, wo die gegenseitige Berührung stattfindet, liegt. Es gibt also für eine Anzahl von η-Röhren in der Vorrichtung 20 n-1 voneinander unabhängige Wellenleitergebiete, deren Zentrum von je einem anderen Punkt 22. 5 gebildet wird. Deshalb versieht man die optische Auswertungseinrichtung 13 mit n-1 optischen Detektoren, die jeweils so angeordnet sind, daß sie die optische Ausgangs-Strahlung, die von je einem anderen der n-1 unabhängigen Wellenleiter ausgeht, aufnehmen und erfassen bzw. feststellen.

Das einhüllende Kabel 21 wird am besten aus optisch absorbierenden (verlustbehaftetem) Material hergestellt, um unerwünschte optische Wechselwirkungen, die sonst zwischen den Wellenleitergebieten in benachbarten Röhren auftreten können, zu reduzieren.

In einem, erläuterten Beispiel weist jede der Röhren 22 einen Durchmesser von etwa 40 bis 80 Mikrometer und eine Wanddicke von etwa 5-10 Mikrometer auf, um optische Strahlung

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mit einer Wellenlänge von etwa 1 Mikrometer zu übertragen. Im allgemeinen sollten diese Röhren 22 ausreichend dick sein, damit man die Kabel 21, die diese Röhren enthalten, leicht paarweise zusammenschweißen kann. Doch sollten diese Röhren 22 nicht zu ;*ick sein, damit keine übermäßig großen Strahlungsvf rluste auftreten, die durch die Krümmung dieser Röhren 22 längs ihrer Achse bewirkt werden. Deshalb ist je-ie dieser Röhren 22 (gemessen ναι der inneren zur faßeren Oberfläche) etwa so dick wie 5 bis 10 Wellenlängen der in ihnen geführten optischen Strahlung.

Die Röhren 22 sind alle ?ms Glas mit einer geringen optischen Dämpfung wie ei.va Quarzglas hergestellt. Die hohlen Zwischenraum-e zwischen den benachbarten Röhren sowie der zentral*· Innenraum innerhalb jeder Röhre werden mit Trockenluft oder einer anderen reaktionsträgen Atmosphäre (d. h. Keine chemischen Reaktionen mit den Röhren 22 oder ά-,τ Quelle 11) gefüllt. Der Bandkabelmantel 21 wird '-us (getöntem) Quarzglas hergestellt, das mit solchen Elementen wie Kohlenstoff, Kupfer, Eisen, Molybdän oder anderen Metallübergangselementen dotiert, damit der optische Verlust ausreicht, das "Übersprechen" zu reduzieren. Um

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das Bandmaterial haltbar zu machen und überall räumliche Kompaktheit zu erreichen, wird das Bandkabel 21 ziemlich dünn, aber mit genügender mechanischer Widerstands- und Tragefähigkeit, mit einer Wandstärke von etwa 10 Mikrometern ausgeführt.

In einem typischen Ausführungsbeispiel sind ungefähr 10 Faserröhren 22 innerhalb des Mantels 21 eines einzigen Bandkabels angeordnet. Also beträgt der Gesamtquerschnitt des Mantels 21 ungefähr 50 bis 100 zu 500 bis 1000 Mikrometer. Es sollte festgestellt werden, daß entweder ein Stecker oder ein Steckergegenstück zwischen den äußersten rechten (und/oder linken) Röhren 22 und der äußersten Rechten (und/oder linken) Innenwand des Mantels 21 eingesetzt und passend ausgerichtet werden kann, damit ähnliche optische Bandkabel (mit gleichvielen ähnlichen Faserröhren) miteinander verspleisst bzw. verbunden werden können.

Die Fig. 3 zeigt einen zweidimensionales Feld von optischen Faserröhren 32 in einem optischen Mantel 31, daß eine optische Übertragungskabelvorrichtung 30 bildet. Sämtliche in der Fig. 3 dargestellten Elemente, die denen in der Fig.

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abgebildeten ähnlich sind, wurden mit entsprechenden Bezugsziffern versehen, die gleich denen in der Fig. 2 wiedergegebenen Bezugsziffern zuzüglich 10 sind. Die optischen Faserröhren 32 sind in einer hexagonaldichtesten Packung angeordnet und berühren sich in den Punkten 32. 5 gegenseitig. Es sollte wiederum festgehalten werden, daß jedem Punkt 32. 5 ein Wellenleiter gebiet, das ihn umschließt, in den beiden optischen Faserröhren 32 zugeordnet ist, die sich bei bzw. in diesem Punkt gegenseitig berühren. Deshalb weist die Auswertungseinrichtung 13 feldförmig angeordnete optische Detektoren auf, die jeweils auf einen anderen optischen Punkt 32. 5 ausgerichtet sind, d. h. jeweils Strahlung aufnehmen, die von jedem der unabhängigen Wellenleiter mit einem anderen Mittelpunkt 32. 5 ausgeht.

Um optisches "Übersprechen" zwischen benachbarten Wellenleitergebieten zu verhindern, wird jede der Röhren 32 mit sechs optisch absorbierenden Gebieten 32.1 aus dotiertem, getönten Quarglas versehen. Jedes Gebiet 32.1 ist auf die Mittelsenkrechte des Verbindungsweges zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kontaktpunkten jeder dieser Röhren zentriert.

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Die Fig. 4 zeigt, wie die in den zuvor erwähnten Artikel der Zeitschrift "BSTJ" erläuterten optischen Fasern in einer einzigen Bandkabelanordnung 40 integriert werden können. Es sollte naheliegen, daß die in der Fig. 2 dargestellte Vorrichtung 20 gegenüber der in Fig. 4 abgebildeten relativ leicht und einfach herzustellen ist, weil der Mantel 21 nicht aufgeschlitzt werden muß, damit die zylindrischen 22 mit ihm in Eingriff kommen. Hingegen muß der Mantel 41 aufgeschlitzt werden, um die Fasern 42 aufzunehmen bzw. anzupassen. Doch können die in der Bandstruktur 40 der Fig. 4 wiedergegebenen Einzelfasern dichter gepackt sein, als es bei der Struktur der Fall ist, die in der Fig. 2 dargestellt ist. Darüberhinaus kann die in der Fig. 4 abgebildete Struktur entsprechend den in dem zuvor erwähnten BSDJ-Aufsatz angeführten Kriterien entweder einen Einzelmode oder viele Moden übertragen, während die in der Fig. 4 gezeigte Struktur nur einen Einzelmode übertragen kann.

Es sollte festgehalten werden, daß die schließlichen bzw. endgültigen optischen Kabelvor richtungen hergestellt werden, indem man zuerst die aus einem einzigen Material bestehenden Röhren in den Kabelmanteleinbringt und dann die

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Anordnung (von Röhren und Mantel) erhitzt und auf eine größere Länge mit einem, schließlich kleineren Querschnitt streckt. In solchem Fällen können die benachbarten Röhren (22 oder 32) ir. der Umgebung ihrer Berührungspunkte (22. 5 eier 32. 5) miteinander verschmolzen werden.

Obwohl ein spezielles Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, sind verschiedene Modifikationen möglich. Z. B. können andere optische Fasermaterialien wie etwa Natronkalksilikatgläser, Borsilikatgläser oder andere optische Gläser für die optischen Faserröhren 22 und 32 verwendet werden. Auch können andere optisch absorbierende Materialien für die Mäntel 21 und 31 gebraucht werden, so etwa verlustbehaftete Plastikmaterialien. Darüber hinaus kann der Außenraum um die Röhren 22 oder die Fasern 42 herum teilweise oder vollständig mit elektrooptischen! Festkörpermaterial oder Flüssigkeiten verfüllt werden, um mit den von den Röhren oder Fasern geführten elektromagnetischen Feldern des Mode oder der Moden in Wechselwirkung zu treten.

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Claims (9)

DlPL-ING. R. KRAMER MÖNCHEN PATENTANSPRÜCHE

1./ Optische Übertragungsvorrichtung mit einer

Vielzahl von optischen Wellenleitergebieten in optischem Übertragungsmaterial, von denen jedes optische Strahlung einer einzigen Schwingungsform zu übertragen vermag, dadurch gekennzeichnet,

daß jedes Gebiet einen Teil von zwei sich gegenseitig berührenden hohlen Röhren des Materials umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren zylindrische, nicht beschichtete optische Fasern aus einem einzigen Material sind, wobei jede Röhre wenigstens eine andere physisch berührt und die Röhren einen solchen Querschnitt haben, daß optische Strahlung eines Mode, die parallel zu den Achsen eines Paares sich gegenseitig berührender Röhren übertragen wird, in einem dem Berührungsbereich der beiden Faserröhren einschließenden Gebiet geführt werden kann.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisch absorbierender Mantel die Röhren umgibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen den Röhren von einem trockenen, inerten Gas erfüllt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Röhren einen Querschnitt von etwa 5 bis 10 Wellenlängen der optischen Strahlung aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sich ■gegenseitig berührenden Röhren im Berührungsbereich zusammengeschmolzen sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren in hexagonal dichtester Packung angeordnet sind.

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8. Vorrichtung nach einem der vorhergenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum jeder hohlen Röhre mit einem trockenen, inerten Gas gefüllt wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Raumes benachbart zur Außenfläche des Röhrenpaares von einem elektrooptischen Material
eingenommen wird, um mit dem in dem. Gebiet übertragenen Mode in Wechselwirkung zu treten.

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