DE2500367A1

DE2500367A1 - Anordnung zur uebertragung optischer wellenenergie

Info

Publication number: DE2500367A1
Application number: DE19752500367
Authority: DE
Inventors: Thomas Allen Cook; Marshall Clyde Hudson
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1974-02-06
Filing date: 1975-01-07
Publication date: 1975-08-07
Also published as: GB1485695A; IT1031163B; FR2260120B1; JPS50110703A; NL7501366A; JPS583392B2; US3950075A; FR2260120A1; ATA66575A; AT351836B; CA1020922A

Description

Anmelderin: Coming Glass Works
Corning, N. Y., USA

Anordnung zur Übertragung optischer Wellenenergie

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung optischer Wellenenergie mit einer Lichtquelle und einem Bündel von optischen Wellenleitern.

Optische Wellenleiter bestehen aus einer optischen laser mit einem Kern und einem Hantel mit niedrigerem Brechungsindex als der des Kerns. Meist werden sie zu einem Bündel zusammengefasst. Nicht nur ist die Lichtübertragungskapazität des Bündels grosser als die der Einzelfaser, sondern es besteht auch die Möglichkeit der doppelten oder mehrfachen Übertragung als Sicherung im Falle des Bruchs einer einzelnen Faser.

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Zur Einspeisung von Licht in eine Wellenleiterfaser von einer Quelle mit dem Brechungsindex η muss das Licht auf die Faserendfläche' innerhalb eines Eingangskegels mit dem Halbwinkel O gerichtet werden. Der Halbwinkel wird von der Faserachse an gemessen. Es gilt

1 'n² °^{N 1/2}
O_c = sin Vl

ⁿo

Ein Mass für die licht sammelnde Kapazität der Faser ist die numerische Öffnungsweite (NA),

f ? 2 U.A. - n₀ sin O_c - (n£ - n* J

Während in gewöhnlichen optischen Fasern der Unterschied des Brechungsindex von Kern und Mantel, und damit die öffnungsweite gross ist, die Faser also sehr viel Licht sammelt, sind die entsprechenden Werte in Wellenleiterfasern klein, weil das bisher bekannte Material bei grossem Brechungsunterschied verlustreich ist und Verzerrungen des Signalmantels erzeugt. Die Öffnungsweite ist daher nur etwa 0,1 - 0,15, entsprechend einem Eingangshalbwinkel von 5 - 10°, während in gewöhnlichen Fasern die öffnungsweite 0,6 beträgt.

Infolgedessen muss die an Wellenleiter gekoppelte Lichtquelle stark kohärent und gerichtet sein, wie z. B. Laser, die aber teuer, aufwendig sind. Günstiger wären daher an sich

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inkoliärente Lichtquellen, lichtemittierende Dioden, Lampen usf., die zudem auch leichter an Festkörperschaltungen anzuschliessen sind. Leider ist der Leistungsgrad sehr gering. Bei einer Lambertion¹sehen Lichtverteilung beispielsweise, wie sie für lichtemittierende Dioden kennzeichnend ist, fallen weniger als 2% der Gesamtstrahlung in den Eingangswinkel optischer Wellenleiter. Die Kopplungsverluste sind also sehr gross.

Obwohl das Licht von Dioden mit einer durchsichtigen Bedekkung der lichtaussendenden Fläche stärker gerichtet ist, sind auch hier die Kopplungsverluste noch so gross, dass eine "brauchbare "Verwendung ohne zusätzliche Kailimatoren ausgeschlossen ist. So wurde der Kopplungsverlust einer Monsanto Diode Typ MVIOA mit einer durchsichtigen Schale am Ende des Faserbündels mit 26 dB gemessen. Solche "Verluste sind untragbar und stehen in keinem Verhältnis zu den jetzt schon auf 4 dB herabgedrückten Dämpfungsverlusten.

Auch durch Schleifen und Polieren des Gehäuses dicht an der lichtemittierenden Fläche und Einsetzen eines Linsensystems zwischen die Diode und die Bündelendflache konnten die Kopplungsverluste nicht genügend herabgesetzt werden. Der kleinste erzielbare Verlust betrug beim Einsetzen eines der besten Mikroskopobjektivs immer noch 12,5 dB·

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Die Erfindung hat eine vergleichsweise weniger aufwendige und verlustreiche und hinsichtlich der einzelnen Elemente leicht ausrichtbare Anordnung zur Übertragung optischer Wellenenergie zur Aufgabe.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemässe, eine Lichtquelle und ein Bündel von Seite an Seite liegenden optischen Wellenleiterfasern aufweisende Anordnung dadurch gelöst, dass eine durchsichtige Perle aus einem Material mit gleichmässigem Brechungsindex der Endfläche der in einer Ebene liegenden Wellenleiterenden benachbart vorgesehen ist.

Anhand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigen,

die Fig. 1 die erfindungsgemässe Anordnung im Längsschnitt;

die Fig. 2 in Teilansicht und im Längsschnitt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung;

die Fig. 3 als Schaubild das Verhältnis von Durchmesser der Kopplungsperle und Menge der an das Wellenleiterbündel gekoppelten Lichtenergie.

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Die in der Fig. 1 gezeigte "Vorrichtung zur optischen Datenübertragung enthält eine optische Wellenenergie aussendende Diode 12, an die ein optisches Wellenleiterbündel 14 gekoppelt werden kann. Eine Perle aus einem durchsichtigen, kugelförmigen Material mit gleichmässigem Brechungsindex ist mit dem Wellenleiterbündel 14 und dem Mittelpunkt der lichtaussendenden Diodenfläche 18 fluchtend in der öffnung 20 des Einsatzes 22 in dem Gehäuse 24 befestigt. Der Durchmesser der Perle 16 kann bei Fertigung des Einsatzes 22 aus einem etwas "verformbaren Material, Kunststoff oder dergleichen, etwas grosser als die Öffnung sein; durch die reibschlüssige Verbindung wird die Perle dann gleich ausgerichtet. Die Diode 12 ist in einem Gehäuse 26 angebracht, das bei der Befestigung am Gehäuse 25 die Ausrichtung der lichtaussendenden Fläche 18 mit der Perle 16 bewirkt. Die Diode ist mit den durch das Gehäuse 26 geführten Anschlüssen 28 versehen und auf der lichtaussendenden Fläche mit einer dünnen Schutzschicht 50 überzogen.

Der grösste Leistungsgrad der Kopplung entsteht, wenn die Mittelpunkte der lichtaussendenden Fläche 18 und der Perle 16 auf der Längsachse des Bündels 14 zu liegen kommen. Hierzu wird das Bündelende in eine Endzwinge 54 gelegt, deren verjüngt zulaufende Öffnung 56 die Einführung der Faserenden

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erleichtert. Das Bündel wird in der Zwinge 34- mit einem Bindemittel wie Epoxyharz befestigt und die Enden der lasern und der Zwinge geschliffen und poliert, bis eine im wesentlichen senkrecht zur Bündellängsachse verlaufende Endfläche 38 optischer Qualität entsteht. Die Zwinge 34-wird in die mit der öffnung 20 gleichachsige Öffnung 42 des Einsatzes 22 eingesetzt und die Manschette 40 am Gehäuse festgeschraubt. Dabei wird die Endfläche 38 gegen die Perle 16 gedrückt und diese zwischen der Diode und der Faserendfläche festgelegt. Die Zwinge hält die Fasern 14 parallel ausgerichtet und zusammen mit dem Einsatz 22 das Bündel 14, die Perle 16 und die Diode 12 in fluchtender Lage zu einander.

Der Leistungsgrad der Kupplung dieser Anordnung ist um etwa das Zehnfache besser, als wenn die Diode unmittelbar an der Bündelendfläche anliegt. Der grösste Leistungsgrad entsteht aber, wenn die Perle in einem gewissen Abstand von der Diode angeordnet ist. Die Fig. 2 zeigt diese weitere günstige Ausgestaltung der Erfindung. In der etwas verlängerten öffnung 20' ist zwischen der Perle 16' und der Diode 12' ein Fenster 50 aus Glas, Plastik oder dergleichen angebracht. Auch zwischen die Perle 16' und die Bundelendfläche kann ein Fenster 52 gelegt werden.

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Das folgende Beispiel zeigt die überraschende Steigerung des Kupplungsleistungsgrads durch die e^iindungsgemässe An-Ordnung.

Als Lichtquelle diente eine Diode (Monsanto MVIOB) mit einem Durchmesser der lichtaussendenden Fläche von 0,381 mm, deren Epoxy-Endkappe entfernt wurde. Das Faserbündel hatte einen Durchmesser von 2,36 mm und enthält 65 optische Wellenleiterfasern, .jeweils mit einem Durchmesser von 0,228 mm und einer numerischen öffnung von 0,1. Das Bündelende wurde in eine Endzwinge aus Messing mit Epoxyharz fest einzementiert, Die Endfläche wurde flach geschliffen und poliert. Eine Borsilikatglasperle mit einem Durchmesser von 2,79 mm und einem Brechungsindex von 1,47 wurde fest zwischen die Diode und die Bundelendfläche gelegt und entsprechend Fig. 1 ausgerichtet. Das Ausgangsende des 30 cm langen Bündels wurde zur Messung der Lichtenergie an einen sphärischen Integrator angeschlossen. Wegen der geringen Bündellänge konnten Verluste unberücksichtigt bleiben. Die am Bündelausgang gemessene Lichtenergie betrug 4% des von der Diode ausgesendeten Lichts. Der gleiche Versuch mit einem entsprechenden Bündel ohne Glasperle ergab demgegenüber nur einen Wert von 0,4%.

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Der grösste Kopplungswirkungsgrad wurde "bei einem etwas grösseren Durchmesser der durchsichtigen Perle als dem des Wellenleiterbündels erzielt. Dies wurde durch Verwendung von Perlen mit Durchmessern von 50 - 230 mils und Kopplung von Licht einer Diode mit einer lichtaussendenden Fläche mit dem Durchmesser 0,015 Inch an ein optisches Wellenleiterbündel mit einem Durchmesser von 0,093 Inch festgestellt. Die Fig. 3 zeigt die Messwerte in Form der vom Ausgangsende eines Faserbündels abgestrahlten Lichtintensität als Funktion des Perlendurchmessers. Wie die Kurve 62 zeigt, wurden die besten Ergebnisse bei Anordnung der Perle in einem gewissen Abstand (etwa 10 - 20% des Perlendurchmessers) von der lichtaussendenden Diode erzielt. Ein etwas kleinerer Wirkungsgrad wurde bei Kontaktanordnung der Diodenfläche und Perle gemessen, s. die Kurve 64-. Die einem Perlendurchmesser von 0,105 Inch zugeordnete Kurvenspitze entspricht einem Kopplungsverlust von 14 dB. Das ist der geringste Wert dieser Anordnung.

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Claims

Patent anspruche

1. Anordnung zur Übertragung optischer Wellenenergie mit
einer Lichtquelle und einem Bündel von Seite an Seite liegenden optischen Wellenleitern, dadurch gekennzeichnet, dass eine durchsichtige Perle aus einem Material mit gleichmässigem Brechungsindex (16) der Endfläche (38) der in einer
Ebene liegenden We11enleiterenden benachbart vorgesehen ist.

2. Anordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Perle wenigstens so gross wie der des
Bündels ist.

3. Anordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Festkörperlichtquelle, Diode (12) oder
dergleichen ist.

4-, Anordnung gemäss Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Perle in Kontakt mit der Endlfäche (38)
und der Lichtquelle (12) befindet.-

5. Anordnung gemäss Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Perle in einem Abstand von der Lichtquelle angeordnet ist.

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6. Anordnung gemäss Anspruch 5, dadurch, gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Lichtquelle und der Perle 10 - 20%
des Perlendurchmessers beträgt.

7· Anordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte der lichtaussendenden Fläche (18) der Diode (12) und der Perle (16) mit der Längsachse des Wellenleiterbündels (14) fluchten.

8. Anordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Perle (16) etwas grosser als der des
Wellenleiterbündels (14) ist.

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