DE2428595A1

DE2428595A1 - Kupplung fuer optische fasern

Info

Publication number: DE2428595A1
Application number: DE2428595A
Authority: DE
Inventors: Roy Edward Love; Rex Lee Smith
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1973-07-05
Filing date: 1974-06-14
Publication date: 1975-01-30
Also published as: JPS5039559A; ATA552174A; NL7409065A; JPS5712965B2; DE2428595C2; FR2236198A1; GB1472636A; US3846010A; IT1015642B; FR2236198B1; CA1014779A; AT350810B

Description

Anmelderin: Corning Glass Works

- Corning, N. Y, ,. U. S. A.

Kupplung für optische Fasern

Die Erfindung betrifft eine Kupplung zur Verbindung optischer Fasern, insbesondere für optische Wellenleiter.

Die ständige Vermehrung des Nachrichtenverkehrs hat zu einer zu-

9 12

nehmenden Besetzung des Frequenzbereichs von 10 - 10 Hertz geführt; die Sättigung dieses Frequenzbereichs steht bevor, so daß die Erschließung des Frequenzbereichs von 10 Hertz geboten erscheint. Dies ist das Lichtspektrum. Es kommen also optische Datenüberträgungssysteme in Frage. Elektrische Übertragungsmittel, Wellenleiter und dgl. sind in diesem Frequenzbereich also ungeeignet. Die Übertragung erfolgt mit optischen Mitteln, z. B. einem optischen

Wellenleiter oder einem ganzen Bündel solcher Wellenleiter. Diese Wellenleiter bestellen meist aus einer optischen Faser mit einem

40988 5/0868

durchsichtigen Kern und einer durchsichtigen Mantelschicht mit geringerem Brechungsindex als dem des Kerns. Obwohl optische Wellenleiter im Prinzip seit längerem bekannt sind, stand ihrer Verwendung in optischen Nachrichtensystemen bis in jüngste Zeit die übermäßige Dämpfung des übertragenen Lichtes entgegen.

Geringere Verluste zeigen die Fasern der US-PS 3 659 915. Sie bestehen aus einem Mantel aus Schmelzkieselsäure und einem Kern mit höherem Brechungsindex als der Mantel und ebenfalls aus Schmelzkieselsäure, die aber zur Einstellung des Brechungsindex dotiert wird.

Der Vorteil niedrigerer Verluste kann beim. Koppeln gebündelter Fasern zu einer fortlaufenden Licht- oder Wellenleiterleitung wieder verloren gehen, wenn die zu verbindenden Einseifasern exzentrisch zueinander liegen, falsch ausgerichtet sind oder Winkel miteinander bilden, voneinander getrennt werden oder bleiben usw.. Weitere Verluste können durch rauhe Endflächen oder Fresnel-Reflexionen entstehen.

Im Falle der Wellenleiterfasern nach der US-PS 3 659 915 mit einem Durchmesser von 5 mil und einem 1 mil dicken Mantel entsteht bei Verschiebung der Fasernmittelpunkte um einen Abstand von 0, 5 mil beispielsweise ein Verlust von etwa 1 dB. Die Verbindung soll also diese mittigen Abstände möglichst kleiner halten. Infolge der niedrigen numerischen Öffnung von Wellenleitern müssen die Fasern auch axial genau ausgerichtet sein, und zwar für Verluste kleiner als 1 dB innerhalb von 3 . Die durch rauhe Endflächen bedingten Streuverluste können durch Naßschleifen mit SiC herabgedrückt werden. Weitere Verluste entstehen aber auch noch durch Längsabstände zwischen den Fasern, weil Licht an der Trennstelle austritt und an den Grenzflächen Fresnel-

409835/0868

Reflexionen hinzukommen, die allein einen Verlust von etwa 0, 15 dB pro Grenzfläche ausmachen. Sie lassen sich durch Zwischenschichten aus Material mit angepaßtem Brechungsindex, z.B. Öl oder anderen Flüssigkeiten mit einem Brechungsindex von z.B. 1, 5, verringern. Besonders kritisch sind Verluste infolge falscher bzw. unzureichender mittiger Ausrichtung der Fasern und exzentrischer Lage der einzelnen Fasern. Diese sogenannten "Packverluste" können so hoch werden, daß nur 15% des Lichts von einem Faserbündel in das angeschlossene Faserbündel übertragen werden. Im obigen Beispielfall bedeutet dies einen Verlust von 8 dB. Solche Verluste sind untragbar, denn die Dämpfung der jüngst entwickelten Wellenleiter beträgt nur 4 dB. Die willkürliche Verbindung oder Kupplung von Faserbündeln führt daher zu untragbaren Ergebnissen. Andererseits ist die Verknüpfung oder sonstige Verbindung jeder einzelnen Faser eines Bündels mit der entsprechenden Faser des anderen Bündels praktisch kaum durchführbar oder jedenfalls zu aufwendig.

Die Erfindung hat eine Kupplung zum Verbinden optischer Fasern mit geringeren Lichtübertragungsverlusten zur Aufgabe.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Anschlußstücke je eine zueinander spiegelbildliche Öffnung für die Aufnahme je eines Faserbündels mit ihren Enden in einer zu ihrer Längsachse senkrechten Ebene aufweisen, wobei Form und Größe der Öffnungen der Zahl und dem Querschnitt der Fasern im Hinblick auf die dichte Packung unter Einnahme der kleinstmöglichen Qaerschnittsfläche angepaßt sind und die Mittender Enden beliebiger, jeweils drei aneinanderliegender Fasern an den Scheiteln eines gleichseitigen Dreiecks zu liegen kommen, und gegebenenfalls Mittel zur fluchtenden, wandglatten Ausrichtung der Öffnungen bzw. der diese aufweisenden Anschlußstücke vorgesehen sind.

409886/0868

In den zur Erläuterung der Erfindung herangezogenen Zeichnungen zeigen:

die Figur 1 ein Faserbündel in dicht gepackter Anordnung von einem Bündelende aus gesehen;

die Figur 2 in auseinandergezogener Ansicht eine erfindungsgemäße Faserkupplung j

die Figur 3 eine Kupplung mit Befestigungsmitteln im Längsschnitt J

die Figur 4 die Kupplung im Querschnitt entlang der Schnittlinie 4-4 der Figur 3;

die Figuren 5, 6 und 7 schematisch als Beispiel verschiedene geometrische Formen der Fas er öffnungen der erfindungs gemäßen Kupplung.

Die Erfindung beruht auf der festgestellten Neigung eines Faserbündels mit zylindrischem Querschnitt und im wesentlichen gleichen Radien, bei Ausübung von Radialdruck auf das Bündel eine dicht gepackte Anordnung zu bilden. Die Fasern richten sich unter Radialdruck so aus, daß die Mitten beliebiger, jeweils drei aneinanderlie gender Fasern'an den Scheiteln eines gleichseitigen Dreiecks liegen. Das ist in der Figur 1 am Beispiel von drei aneinanderliegenden Fasern 11, 12, 13 eines Faserbündels 10 gezeigt. Wird genügend Radialdruck ausgeübt, daß die Fasern dicht gepackt zu liegen kommen, so liegen z. B. die Easern 11, 12, 13 am Scheitel eines gleichseitigen Dreiecks. Auseinanderliegende Fasern werden hierbei parallel zueinander ausgerichtet; ihre Mitten liegen in Ebenen, die durch r YT~ getrennt werden, wobei r den Faserradius bezeichnet. In der Figur 1 liegen z.B. zwei solcher Faserreihen in den Ebenen 15 und 16, weitere Faserreihen liegen in parallelen Ebenen, die mit den Ebenen 15, 16 und gegebenenfalls auch zueinander, wie z.B. die Ebenen 17, 18, Winkel von je 60 bilden. Die erfindungs gemäße Kupplung macht sich diese Ausrichtung der Fasern bei Ausübung von Radialdruck

409885/0868

zu Nutze. Zwei An Schluß stücke enthalten eine Öffnung in Form einander spiegelbildlicher VieÜfltke, deren anliegende Seiten Winkel von ρ · 60 bilden, wobei ρ * 1 oder 2 ist. Diese Querschnitte müssen der kleinsten Fläche entsprechen, in der die Fasern zwei dicht gepackte Anordnungen bilden können. Die Fasern werden in die kanalartigen Öffnungen der Anschlußstücke gezwängt und ihre Enden poliert, so daß sich die Enden aller Fasern eines Bündels in einer senkrecht zu ihren Achsen liegenden Ebene befinden. Hierauf werden die beiden Anschluß stücke aneinandergefügt, so daß ein fortlaufender Kanal mit glatt aneinander liegenden Wänden entsteht. Durch diese Kupplung wird jede einzelne Faser mit einer entsprechenden Faser des zweiten Bündels ausgerichtet und ohne Packverluste verbunden.

Die Figur 2 zeigt als Beispiel zwei hexagonale Anschlußstücke 21, 22 mit hexagonaler Öffnung 23. Im Querschnitt sollen sie einander spiegelbildlich sein, so daß beim Aneinanderfügen ein fortlaufender Längskanal mit glatt fortlaufenden Wänden entsteht. Dies kann zweckmäßig z.B. -durch Zerteilen eines einheitlichen Werkstückes in zwei genau aneinander passende Teile oder Abschnitte erreicht werden.

Nach Abstreifen der Isolierung oder des Mantels von den Enden zweier Faserbündel, z.B. Wellenleiterbündel 24, 25, werden diese in die hexagonalen Öffnungen eingeführt und bilden eine hexagonale, dichte Packung. Die Fasern können z.B. mit einem Epoxykleber oder durch Abkröpfen, mit Klammern usw. an den Anschlußstücken der Kupplung befestigt werden. Da die Faserenden sich beim Verbinden der Anschlußstücke praktisch berühren sollen, können sie zunächst aus der Öffnung über die Endfläche 26 etwas hervorragen und werden dann mit der Diamantsäge beschnitten und mit den Endflächen der Anschlußstücke gemeinsam abgeschliffen. Die Faserenden liegen in einer im wesentlichen senkrecht zur Faserachse verlaufenden Ebene. Zur Vereinfachung sind nur 7 Fasern gezeigt, tatsächlich können sehr viel mehr Fasern gekoppelt werden.

409885/0868

Die Anschluß stücke können sodann zur Ausrichtung der beiden Öffnungen bzw. Kanäle in die hexagonale Öffnung 28 einer Manschette 27 eingeschoben werden. Hierdurch wird jede einzelne Faser mit einer entsprechenden Faser des anderen Bündels ausgerichtet und die bisher starken Packverluste ausgeschaltet. Zur Vermeidung von Verlusten infolge von Fresnel-Reflexionen kann zwischen die Faserenden der beiden Bündel eine (nicht gezeigte)/einer sich dem Brechungsindex anpassenden Flüssigkeit gelegt werden.

Die Kupplungsausbildung der Figuren 3 und 4 enthält zusätzlich noch Befestigungsmittel. Die Faserenden der Bündel 33, 34 werden durch Abstreifen der Mantelschicht 31, 32 freigelegt und in die hexagonalen Öffnungen 33, 34 der Abschlußstücke 36, 37 eingelegt. Die Einführung wird durch die verjüngten Abschnitte 41, 42 erleichtert. Die Faserenden können wie zuvor mit Epoxyharz 43 festgeklebt und abgeschliffen werden. Nach Einschieben der Anschlußstücke 36, 37 in die Ausrichtmanschette 44 werden die Gewindestücke 45, 46 in eine Muffe 47 eingeschraubt und drücken mit den Flanschen 48, 49 die Enden der Anschlußstücke 36, 37 und damit die Fasern in ausgerichteter Weise aneinander.

Die Offnungsabmessung muß genau der Zahl der Fasern angepaßt sein, damit die erwünschte Wirkung, nämlich die dichte Packung der gegebenen Zahl von Fasern und ihre Ausrichtung zueinander, eintritt. Außer hexagonalen Öffnungen kommen auch andere Formen in Frage, wie gleichseitige Dreiecke, Parallelogramme mit Seitenwinkeln von 60 oder derartige nebeneinander liegende geometrische Figuren, solange das Erfordernis erfüllt ist, daß die Enden beliebiger drei aneinanderliegender Fasern an den Scheiteln gleichseitiger Dreiecke zentriert sind. Die Abmessungen dieser Öffnungen können nach F as er durchmess er und Faser zahl berechnet werden. Dies sei am Beispiel der in den Figuren 5, 6 und 7 gezeigten Öffnungen in Querschnittsform eines Hexagons, eines Dreiecks und eines Parallelogramms erläutert.

In der Figur 5 passen N Fasern mit dem Durchmesser d gerade in die hexagonale Öffnung, wobei die Länge a jeder Seite sich aus

409885/0868

a * (n-l/2)d
errechnet und N bestimmt wird aus

N s 3n² - 3n-f 1,

worin η eine ganze Zahl größer als 1 ist. Ist d z.B. 5 mm und η * 3, dann ist a * 12, 5 mm und N * 19 Fasern. Die Zahl der in eine hexagonale Öffnung gerade hineinpassenden Fasern ist also beispielsweise 7, 19, 37, 61, 91, 127 «te.

Entspricht der Öffnungs quer schnitt einem gleichseitigen Dreieck, Figur 6, so ist die Anzahl der in diese Öffnung gerade hineinpassenden Fasern

N =

2
und die Länge a einer Seite

a * (n-f- 0, 732)d,

worin η eine ganze Zahl größer als 1 und die Zahl der Fasern an einer Seite ist. Die Gesamtzahl der Fasern kann also N χ 3, 6, 10, 15, 21, 28, 36, 45 etc. sein.

Im Fall eines Öffnungs querschnitts in Parallelogrammform, Figur 7, ist die Länge a eines Seitenpaares

a * (n-l-0, 1547)d,

worin η die Zahl der Fasern entlang jeder dieser Seiten ist. Die Länge b des anderen Seitenpaares ist

b * ( m + 0, 1547)d,

worin m die Zahl der Fasern entlang jeder dieser Seiten ist. Die Gesamtzahl der in diese Öffnung gerade hineinpassenden Fasern ist daher

N * nm.

409885/0868 _ ₈ _

Die Außenform der Verbindungsstücke der Kupplung ist an sich beliebig, jedoch begünstigt das Erfordernis ihrer Ausrichtung bzw. Fluchtung die Ausbildung in Form von Dreiecken, Rechtecken oder regelmäßigen Vielecken. Die Außenfläche kann zwar auch zylindrisch sein, jedoch sind dann andere oder zusätzliche Aus richtung s mittel als die gezeigte einfache Muffe oder Manschette erforderlich, z.B. in Form von Bajonettverschlußartigen Schlitzen, die mit einem eingreifenden Dorn oder dgl. ausgerichtet oder gefluchtet werden können.

409885/0868

- Patentansprüche -

Claims

Patentans pr üche

UyKupplung zum Verbinden optischer Fasern in Form von je einem Bündel aus Fasern gleicher Anzahl und gleichen Querschnitts, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anschlußstücke (21, 22) je eine zueinander spiegelbildliche Öffnung (23) für die Aufnahme je eines Faserbündels mit ihren Enden in einer zu ihrer Längsachse senkrechten Ebene aufweisen, wobei Form und Größe der Öffnungen der Zahl und dem Querschnitt der Fasern im Hinblick auf die dichte Packung unter Einnahme der kleinstmöglichen Querschnittsfläche angepaßt sind und die Mittaider Enden beliebiger, jeweils drei aneinanderliegender Fasern an den Scheiteln eines gleichseitigen Dreiecks zu liegen kommen, und gegebenenfalls Mittel zur fluchtenden, wandglatten Ausrichtung der Öffnungen bzw. der diese aufweisenden Anschluß stücke vorgesehen sind.
2. Kupplung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungswände einander in Winkeln von ρ · 60 °, worin ρ * 1 oder 2, schneidende ebene Flächen sind.
3. Kupplung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chn e t, daß die Öffnungen hexagonale Form haben, worin sich die Anzahl der Fasern in jedem Bündel nach der Gleichung N * 3n - 3n-f- 1 und die Länge a jeder Seite des Hexagons nach der Gleichung a * (η - l/2) d bestimmt, worin d den Faserdurchmesser bezeichnet und η eine ganze Zahl größer als 1 ist.
4. Kupplung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet, daß die Öffnungen die Form eines gleichseitigen Dreiecks haben, mit der Seitenlänge a * (n«f- 0, 732) d und die Anzahl der Fasern jedes Bündels N * l/2 η (η+ 1) ist, worin d den Faserdurchmesser bezeichnet und η eine ganze Zahl größer als 1 ist.

409885/0868 -io-
5. Kupplung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen die Form eines Winkel von je 60 ° einschließenden Parallelogramms, entlang dessen zwei Seiten der Länge a eine Anzahl von η Fasern und entlang dessen zwei Seiten b die Anzahl von m Fasern angeordnet ist, wobei die Länge a * (nfO, I547)d, die Länge b * (m+ 0, 1547)d ist, d den Faserdurchmesser bezeichnet und die Gesamtzahl der Fasern in jedem. Bündel mn ist.
6. Kupplung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserenden des ersten Bündels gegen die Faserenden des zweiten Bündels gedrückt werden.
7. Kupplung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der beiden Anschlußstücke einander spiegelbildlich sind und mit einer ihrer Außenfläche innen entsprechend geformten Manschette (44) oder dgl. ausgerichtet werden.
8. Kupplung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstücke und damit die Faserenden durch auf der Manschette sitzende Qe winde stücke (45, 46) und eine auf diese geschraubte Muffe (47) aneinandergedrückt werden.
9. Kupplung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen mit die Einführung der Faserbündel erleichternden, sich verjüngenden Abschnitten (41, 42) versehen sind.

40 9885/0868