DE2509112C3 - Optischer Koppler - Google Patents
Optischer KopplerInfo
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- G02B6/24—Coupling light guides
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Description
mit
Y = κ4ρχί! —λ λ).
P = -D—
2 tan β '
25
30
Zweckmäßiger ist es, die einzelnen Stationen über einen gemeinsamen Koppler anzuschließen. Dieser
empfängt ein optisches Signal von jeder Station bzw. Übertragungsleitung und überträgt einen Signalteil auf
alle übrigen Übertragungsleitungen und Stationen.
Die DE-OS 22 05 996 beschreibt eine faseroptische Reflexionsschranke mit zwei oder mehreren zur
Erzielung eines gemeinsamen Gesichtsfeldes einenends zusammengeführten lichtleitenden Fasern, an die sich
eine der Durchmischung der angeschlossenen Fasern dienende Einzelfaser anschließt, die ihrerseits mit ihrem
freien Ende auf eine reflektierende Fläche aufgesetzt ist.
Ein auch durch diese Vorrichtung noch nicht zufriedenstellend gelöstes Problem besteht in der
mangelnden Gleichmäßigkeit der Kopplung der Signale m jeder einzelnen der verschiedenen Leitungen mit
allen der jeweils übrigen Leitungen sowie starken Signalverlusten.
Aufgabe der Erfindung ist ein optischer Koppler zur Kopplung eines in einer beliebigen einer Vielzahl von
optischen Übertragungsleitungen sich fortpflanzenden Signals in jede der übrigen übertragungsieitungen,
welcher eine sehr gleichmäßige und verlustarme Signalverteilung und -übertragung ermöglicht
Diese Aufgabe wird durch den optischen Koppler der Erfindung dadurch gelöst, daß der Reflektor rotationssymmetrisch zur Achse des Bündels ist und seine
Erzeugende in einem karthesischen Koordinantensystem, dessen Koordinatenursprung im Durchstoßpunkt
der Achse durch den Reflektor liegt und zur Bündelendfläche einen Abstand ρ hat, und dessen
positive x-Achse mit deir Achse des Bündels zusammenfällt und auf die Endfläche hinweist, folgende Gleichung
erfüllt:
die numerische Apertur ist.
2. Optischer Koppler nach Anspruch I, dadurch
gekennzeichnet, daß k= —.
3. Optischer Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß k=0.
y = )Apx{\ -kx).
2p
P =
2 tan θ '
wo
Die Erfindung betrifft einen optischen Koppler zur Kopplung eines in einer Vielzahl optischer Übertragungsleitungen sich fortpflanzenden Signals in jede der
übrigen Übertragungsleitungen.
Für die Nachrichten- und Datenübertragung sind wegen der zunehmenden und bereits absehbaren
Überlastung der üblichen Bereiche und auch der Frequenzbänder von 109—1012 Hertz optische Wellenleiter im Frequenzbereich von 10" Hertz von Interesse.
Die elektrischen Wellenleiter (109-1012 Hertz) sind
hierfür ungeeignet. Die Übertragung kann aber durch Bündel optischer Fasern mit einem Kern und einem
durchsichtigen Mantel, dessen Brechungsindex kleiner als der des Kerns ist, erfolgen.
In einem aus derartigen optischen Wellenleitern aufgebauten Nachrichtensystem können die Außenstationen an die Zentralstation durch einzelne Übertragungsleitungen angeschlossen werden, was aber sehr «>■>
aufwendig ist. Rationeller ist die Verbindung mit einer Sammelschleife, jedoch entstehen für die zahlreichen
erforderlichen Koppler große Verluste.
/I0 sin H = mf — n\
die numerische Apertur ist.
An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert Die
F i g. 1 zeigt im Längsschnitt eine günstige Ausbildung des erfindungsgemäßen optischen Kopplers; die
Fig.2 zeigt eine weitere Ausbildung als Detail im
Schnitt; die
F i g. 3 zeigt ein für die Berechnung der Abmessungen des erfindungsgemäßen optischen Kopplers geeignetes
Diagramm; die
F ig. 4 zeigt als Schaubild vier beispielsweise geeignete Reflektorkrümmungen des optischen Kopplers der Erfindung als Funktion einer beliebigen
Längeneinheit,
Ein Träger 18 des optischen Kopplers hält die Übertragungsleitungen, z.B. 11 — 17 als ein parallel
ausgerichtetes Bündel 19, dessen Endfläche 20 im wesentlichen senkrecht zu den Achsen der Endstücke
der Übertragungsleitungen verläuft. Der Träger 18 kann aus einer Zwinge mit einer zylindrischen öffnung
bestehen. Die öffnung kann zur Erleichterung der
Einführung der Leitungen verjüngt auslaufen und hat
einen geeigneten, z. B. kreisförmigen, hexagonalen oder
ähnlichen Querschnitt Nach Einführung der Leitungen in die Zwinge werden sie mit einem geeigneten
Klebemittel wie Epoxyharz oder mit Klammern, Kröpfmitteln od. dgL festgelegt Die Leitungen können
dabei zunächst über die öffnung 21 und die Zwingenendfläche 22 hinausragen und werden dann beschnitten
und zusammen mit der Endfläche abgeschliffen. Die Zwinge 18 gesteht daher vorzugsweise aus einem
Material mif ähnlichen Schleifeigenschaften wie die Leitungen, z. B. Glas, Messing u. dgL Die Endfläche
verläuft dann vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Öffnimg 21.
Eine konkave lichtreflektierende Räche 24 ist symmetrisch um die Längsachse des Leiterbündels 19 im
Abstand zur Endfläche 20 angeordnet Die Fläche besteht z. B. aus einer Schicht 26 aus reflektierendem
Material auf einer gekrümmte Substratfläche 27, die ihrerseits mit einem Tragbügel 28 im Abstand zur
Endfläche gelagert ist Nach der Ausbildung der F i g. 2 besteht die iichtreflefctierende Fläche aus einer Schicht
aus reflektierendem Material 31 auf der gekrümmten Fläche eines Körpers 32 aus zwischen der Schicht 31
und der Endfläche 20 befindlichen durchsichtigem Material. Zwischen dem durchsichtigen Material 32 und
der Endfläche 20 kann eine Flüssigkeit mit entsprechendem Brechungsindex vorgesehen sein.
Durch den Koppler soll ein Teil der in allen der verschiedenen optischen Wellenleiter fortgepflanzten
Signale mit jedem der jeweils übrigen Wellenleiter gekoppelt werden. Mit Hilfe des Diagramms der F i g. 3
kann hierbei die Kupplungsabmessung errechnet werden. Der Abstand D ist der größte Querschnittsdurchmesser des Leiterbündels 19; er ist gleich dem
Durchmesser eines kreisförmigen Leiterbündels oder dem Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden
Scheiteln eines hexagonalen Bündels. Die Punkte a und c sind gegenüberliegende Peripheriepunkte auf der
Endfläche 20, und der Punkt b ist der Mittelpunkt der Strecke ac Die gestrichelte Linie 50 bezeichnet die
Achse der reflektierenden Fläche 24 und des Leiterbünde!!! 19. Mit θ ist die numerische Apertur der optischen
Wellenleiter in dem zwischen der konkaven reflektierenden Räche 24 und der Endfläche 20 liegenden
Medium. Die Abmessung und die Krümmung der reflektierenden Fläche 24 und der Abstand zwischen
dieser und der Endfläche 20 muß derart sein, daß das von jedem beliebigen Wellenleiter ausgehende Licht
alle übrigen Wellenleiter bestrahlt Diese Bedingung ist dann erfüllt, wenn das von einem am Punkt a endenden
Wellenleiter ausgestrahlte Licht von der Räche 24 zurück zu den an den Punkten a und c liegenden
Wellenleitern reflektiert wird und das von einem am Punkt b liegenden Wellenleiter ausgestrahlte Licht von
der Räche 24 zurück zu den Wellenleitern an den Punkten a und c reflektiert wird. Die für die
erfindungsgemäSen optischen Koppler geeigneten Reflektorflächen liegen mit ihren Querschnitten in einer
durch die Reflektorachse gehenden, durch die Gleiehung definierten Ebene;
Y = (4ρχ)ψ (I -kx)i/2
worin k gegeben ist durch
Schnittpunkt der Achse 50 mit der Reflektorfläche 24 ist Dieser Abstand wird durch die Gleichung bestimmt
p=D/{2 «an Θ). Der Abstand zwischen der Bündelerdfläche und dem Reflektor kann ohne Schaden auch
etwas vom Wert ρ abweichen. Die numerische Apertur /Jo sin θ wird bekanntlich durch die Gleichung definiert
n0 sin (-) =
worin πι und /^ der Brechungsindex von Kern und
Mantel und na der Brechungsindex des umgebenden Mediums 53 ist
Die Gleichung (1) definiert eine Gruppe konischer Querschnitte wie sie z. T. für lichtreflektierende Flächen
üblich sind. Einige der gebräuchlicheren Querschnitte können durch Einsetzen des entsprechenden Wertes k
in der Gleichung bestimmt werden. Ist k z. B. Null, so lautet die vereinfachte Gleichung (1)
das ist eine paraboloide Räche mi, -oem Brennpunkt p.
ist k= 1/4 p. so iautet die gleichung
y=(4px-x2Yn-,
das ist ein sphärischer Reflektor mit dem Mittelpunkt 2p. Für den positiven Grenzfall k= -^7- wird die
Gleichung (1) definiert:
(x-2p)2
Y2
(2 p)2 + (2/2p)2
- ~ < k < ν
2p
2p
und ο der Abstand zwiichen den Punkten b und e. dem
65
Das ist der Querschnitt eines ellipsoidförmigen
Reflektors.
Für den negativen Grenzfall Jt= — -γ- wird die
Gleichung (1)
2(x + 2p)2 -r = 8p2,
das ist ein hyperboloidförmiger Reflektor.
Die obigen vier Reflektorquerschnittsformen sind in den Schaubild der Fig.4 abgetragen. Hier ist die
Strecke ρ mit 1 und der Winkel θ 12°, ζ. Zt die maximale numerische Apertur für optische Wellenleiter
mit geringen Verlusten. Selbst der Strahl des peripher liegenden Wellenleiters 66 schneidet die Kurven 67 - 70.
die verschiedenen Werten von k entsprechen, an relativ nahe der Reflektorachse liegenden Punkten. An diesem
Punkt hat χ den Wert von etwa 0,05. Die Neigungsdifferenz der beiden äußersten Kurven 67 und 70 beträgt bei
diesem Wert χ nur 8%. Für Werte θ < 12° haben daher alle durch die Gleichung (1) definierten Kurven im
wesentlichen die gleichen lichtreflektierenden Eigenschaften, denn sie sind in diesem Bereich alle einander
nahezu überlagert.
Zwei Beispiele für sphärische und paraboloide Reflektoren seien an Hand der F i g. 3 näher erläutert.
Um die ober erläuterten Bedingungen zu erfüllen,
muß ein äußers'.er Lichtstrahl 55 von einem am Punkt a liegenden Wellenleiter zum Punkt a zurückkehren. Der
Koppler wird daher so ausgelegt, daß die Linie 55 auf einem Radius des in diesem Beispielfall sphärischen
Reflektors 24 liegt. Ein weiterer äußerster Lichtstrahl 56 von dem am Punkt a liegenden Wellenleiter muß von
der Fläche 24 zurück zum Punkt c reflektiert werden, entsprechend dem Strahlengang 57. Das ist der Fall, weil
der Reflektor symmetrisch zur Achse 50 liegt und die Reflektorfläche am Punkt e senkrecht zur Achse 50
verläuft. Durch Anwendung geometrischer Regeln läßt sich bestimmen, daß der Abstand ρ zwischen den
Punkten b und e gleich D\2 tan Θ) ist. Bei einem
sphärischen Reflektor ist das Dreieck ade ein
gleichseitiges und der Abstand db gleich dem Abstand -,
b e oder p. Da der Punkt d der Mittelpunkt der sphärischen Reflektorfläche ist, ist der Radius R der
Fläche gleich 2p oder D4an Θ. Da die äußersten
Lichtstrahlen auf diametral gegenüberliegende, periphere Wellenleiter zurückreflektiert werden, wird ein in
Teil des vom Wellenleiier am Punkt a ausgestrahlten Lichts vom Reflektor 24 auf die entlang der Endfläche
20 zwischen den Punkten a und c liegenden Wellenleiter reflektiert. Ein von einem am Punkt b auf der Achse 50
liegenden Wellenleiter ausgesendeter äußerster Licht- ι-, strahl muß zum Punkt c entlang den Strahlengängen 58
und 59 zurückreflektiert werden. Beträgt der Abstand D beispielsweise 1,27 mm und die numerische Apertur θ
der Wellenleiter des Bündels 8°, so trifft der von der Fläche 24 reflektierte Strahl auf die Endfläche 20 an
einem von c etwa 0,005 mm entfernt liegenden Punkt. Ein von dem am Punkt b endenden Wellenleiter
ausgesendeter äußerster Lichtstrahl beleuchtet daher einen am Punkt cendenden Wellenleiter.
Ist die lichtreflektierende Fläche parabolförmig, so ;">
soll die Endfläche 20 am Brennpunkt zentriert sein, und der Abstand ρ zwischen den Punkten b und e soll
D\2 tan Θ) betragen. Für einen symmetrisch zur Achse 50 liegenden Parabolreflektor wird der Strahl 56 zum
Punkt c reflektiert. Der von dem an Punkt a liegenden Wellenleiter ausgesendete Axialstrahl 61 verläuft
parallel zur Achse des Reflektors und wird daher zum Punkt b, dem Brennpunkt entlang Strahlengang 62
reflektiert. Da jedoch die Fläche 24 im Beispielfall parabolförmig ist, kehrt der Strahl 55 nicht genau zu
seinem Ausgangspunkt zurück. Für ein Wellenleiterbündel mit einem Durchmesser von z. B. 1,27 mm und einer
numerischen Apertur der einzelnen Wellenleiter von 8"
kehrt der von der Fläche 24 reflektierte Strahl 55 in einer Entfernung von etwa 0,0127 mm zum Punkt <i
zurück.
Vom Gesichtspunkt der gleichförmigen Beleuchtung und der Herstellung sind sphärische Reflektoren
offenbar etwas günstiger als parabolförmige Kellektorflächen. Grundsätzlich sind für die in den Ansprüchen
beschriebenen optischen Koppler aber alle lichtreflektierenden Flächen mit solchen Krümmungen anwendbar,
daß das Licht von jedem beliebigen Wellenleiter des Bündels 19 reflektiert wird und die jeweils übrigen
Wellenleiter beleuchtet.
Hierzu 2 Blatt Zeichnung η
Claims (1)
1. Optischer Koppler zur Kopplung eines, in einer beliebigen einer Vielzahl von optischen Qbertragungsleitungen sich fortpflanzenden Signals in jede
der übrigen Übertragungsleitungen, bei dem die optischen Übertragungsleitungen zu einem Bündel
der größten Querschnittsabmessung D gebündelt sind und eine ebene gemeinsame Endfläche aufweisen, der im Abstand ein Reflektor gegenübersteht,
dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor rotationssymmetrisch zur Achse des Bündels ist
und seine Erzeugende in einem karthesischen Koordinatensystem, dessen Koordinatenursprung
im Durchstoßpunkt der Achse durch den Reflektor liegt und zur Bündelendfläche einen Abstand ρ hat
und dessen positive x-Achse mit der Achse des Bündels zusammenfällt und auf die Endfläche
hinweist, folgende Gleichung erfüllt:
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