DE2550523A1

DE2550523A1 - Energieentnahme aus optischen fasern

Info

Publication number: DE2550523A1
Application number: DE19752550523
Authority: DE
Inventors: James Emanuel Goell; Tingye Li; Stewart Edward Miller; Willis Martin Muska
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1974-11-11
Filing date: 1975-11-11
Publication date: 1976-05-13
Also published as: GB1525985A; FR2290680A1; JPS5171148A; NL7513127A; FR2290680B1; JPS5852180B2

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWJRNER . HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 RadedcestraSe 43 Telefon {089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadrasse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237

Western Electric Company, Incorporated Goell 12-10-67-2/3 New York, N. Y.

Energieentnahme aus optischen Fasern

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entnahme optischer Energie aus einer Mittelzone eines optischen Faserwellenleiters durch Störung der Wellenausbreitung längs des Kernteils der Faser, auf welchen die Wellenenergie im wesentlichen begrenzt ist.

In den letzten Jahren ist ein rascher Fortschritt bei der Konstruktion und Herstellung optischer Faserwellenleiterstrukturen gemacht worden. Es sind nun mehrere verschiedene Faserstruktur,en verfügbar, die große Informationsmengen über modulierte optische Wellen oder Impulse zu übertragen vermögen, und zwar mit

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München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Or. Bergen · Zwirner

Übertragungsverlusten von höchstens zwei Dezibel pro km. Man kann erwarten, daß solche Fasern eines Tages wenigstens teilweise die Drahtpaare, Koaxialkabel und metallischen Wellenleiter ersetzen, die derzeit in herkömmlichen Nachrichtenanlagen verwendet werden. Zu den Vorteilen derFaseranordnungen gegenüber herkömmlichen Anordnungen gehören die geringen körperlichen Abmessungen und das geringe Gewicht der Faserwellenleiter, die Möglichkeiten großer Bandbreiten, die eine Flexibilität bei der Auswahl der zu verwendenden Bandbreite in irgendeiner gegebenen Anlage gewähren, die nichtleitenden, nichtinduktiven Eigenschaften der Faserwellenleiter und die potentiell niedrigen Kosten der Fasermaterialien und der Faserherstellung. Die Aussichten auf zukünftige Anwendungen der Faseranlagen sind recht weitläufig und dehnen sich ständig aus.

Eine frühe Ausführungsform einer Faseranordnung dient wohl der Vielfachanschlußinformationsübertragung über kurzwegige optische Faserverbindungen, wobei Licht emittierende Dioden als Signalquellen verwendet werden, die nun bis zu dem Punkt entwickelt worden sind, an welchem sie eine ausreichend lange Betriebslebensdauer aufweisen. Aufgrund des leichten Gewichtes von Faseranordnungen und deren Umempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Störung sind für die Übertragung von -Steuer- und Gegensprechsignalen in Flugzeugen und auf Schiffen

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Faserverbindungen als Sammelleitungen für optische Daten vorgeschlagen worden. Ändere mögliche Anwendungen umfassen Zwischenamtssammelleitungen, wie jene zur Verbindung von Fernsprechzentralen innerhalb einer Stadt, "anweseneigene" Verteilerverbindungsleitungen innerhalb eines Gebäudes oder zwischen benachbarten Gebäuden, und Datenverbindungssammelleitungen in Computern oder industriellen Steueranlagen.

In weiterer Zukunft werden Faseranlagen wahrscheinlich dazu verwendet, digitale Information mit großer Übertragungskapazität über langwegige Faserverbindungen zu übertragen, und zwar mit Lasern als Signalquellen. Telekommunikationsverbindungen zwischen Städten können deshalb eines Tages unter Verwendung optischer Fasern hergestellt werden. Es erscheint als wahrscheinlich, daß Streckenverstärker Abstände von einigen Kilometern oder mehr und Informationsübertragungsgeschwindigkeiten bis hinauf zum Gigabit-Bereich mit solchen Anlagen technisch möglich werden.

Um welche Anwendung es sich auch, handelt: es ist klar, daß Vorrichtungen erforderlich sein werden, mit denen sich Signalwellenenergie von den optischen Faserwellenleitern abnehmen läßt. Um beispielsweise die übertragung über eine Faserverbindung zu überwachen und zu steuern, wird es notwendig sein, die

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Signalfortpflanzung durch die einzelnen Faserwellenleiter an ausgewählten Stellen längs der Verbindung abzutasten. Sammelverbindungsleitungen für optische Daten werden es gleichermaßen erforderlich machen, daß Signale zur Verwendung an zahlreichen ausgewählten Punkten längs der Verbindung abgenommen werden. In den meisten Fällen dürfte es erwünscht sein, daß der von der Faser abgenommene Teil des Signals abgezapft wird, ohne daß die Faser zerbrochen oder mit einem Endanschluß versehen wird. Dies deshalb, weil jeder Faserendanschluß unerwünschte optische Verluste für die Anlage mit sich bringt und das Erfordernis für hochpräzises Faserspleißen und Verbindungsvorrichtungen ungünstig erhöhen würde.

In der Leuchtfcextilprodukte betreffenden US-PS 3 508 589 sind verschiedene Anordnungen zur Erzeugung heller Flecken in gewobenem Stoff beschrieben, der als integrierten Teil eine ummantelte optische Faser enthält. Die hellen Flecken werden dadurch erzeugt, daß zuerst die Faserummantelung entfernt wird und dann auf irgendeine Weise die Übertragungseigenschaften des freigelegten Kerns gestört werden. Da dabei das Ziel lediglich in der Erzeugung eines visuellen Effektes liegt, findet natürlich keine weitere Verwendung für das emittierte Licht statt.

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Wenn die im genannten Patent beschriebenen Methoden auch für diegewünschten Zwecke geeignet sein mögen, stellen sie keine bevorzugten Mittel zur Erzeugung von Energieanzapfungen in einer optischen Nachrichtenanlage dar. Der erheblichste Nachteil liegt darin, daß nach dieser Patentschrift die Entfernung der Faserummantelung erforderlich ist. In einer Nachrichtenanlage könnte dies ein zeitraubender und daher kostspieliger Arbeitsvorgang sein, da das Entfernen der Faserummantelung sehr vorsichtig ausgeführt werden müßte, um eine Beschädigung des Kerns zu vermeiden. Bekanntlich würde jegliche Beschädigung des Kerns die Übertragungsgüte der Faser beträchtlich verschlechtern. Außerdem würde eine Kernbeschädigung dazu führen, daß ein zu großer Teil des optischen Signals entzogen wird.

Diese Beschränkungen und Nachteile bekannter Vorrichtungen werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß ein Teil der Wellenenergie aus dem Kernbereich der Faser, auf welchen sie im wesentlichen begrenzt ist, in die Ummantelung ausgekoppelt und dann die Wellenenergie aus der Ummantelung ausgekoppelt wird, und zwar mit Hilfe eines dielektrischen Gliedes, das einen Brechungsindex aufweist, der gleich oder größer als etwa das 0,8-fache des Brechungsindexes der Ummantelung ist. An das dielektrische Glied angrenzend ist ein Photodetektor angeordnet, um die durch das dielektrische Glied der Ummantelung entzogene optische Wellenenergie aufzunehmen.

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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird der Faserwellenleiter so gebogen, daß der Krümmungsradius ausreicht, um zu bewirken, daß ein Teil der Signalenergie aus dem inneren Kernbereich heraus und in die äußere Ummantelung hineinstrahlt. Das dielektrische Kopplungsglied ist so angeordnet, daß es im Bereich der Biegung mit der Ummantelung in Berührung ist. Der Photodetektor wiederum steht mit dem Kopplungsglied in Berührung.

Bei Multimodenanordnungen, bei welchen sich die Wellenenergie in einer Anzahl unterschiedlicher Moden fortpflanzt, besteht die Neigung, daß die zuvor beschriebene Anzapfanordnung lediglich von den Moden höherer Ordnung stammende Energie entzieht. Wenn in diesen Moden höherer Ordnung von Anfang an ungenügend Energie vorhanden ist, oder wenn mehrere in dichtem Abstand voneinander angeordnete Anzapfungen erwünscht sind, werden vorteilhafterweise Einrichtungen zur Verbesserung des Energiegehalts dieser Moden höherer Ordnung verwendet. Deshalb sind entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung längs des Wellenleiters Einrichtungen zur Kopplung zwischen Moden niedrigerer und höherer Ordnung vorgesehen. Wenn diese Kopplung genügend stark ist, kann tatsächlich direkt Energie aus der Faserummantelung ausgekoppelt werden, ohne daß die Faser

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an der Stelle des Kopplungsgliedes gebogen oder in anderer Weise weiter gestört werden müßte.

In der Zeichnung zeigen (nicht unbedingt maßstabsgerecht):

Fig. 1 - in Blockdarstellung eine optische Nachrichtenübertragungsanlage mit einer längs des Faserwellenleiters angeordneten Anzapfeinrichtung zur Anzapfung optischer Fasern;

Fig. 2 und 3 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Anzapfung eines optischen Faserwellenleite.rs;

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer Anzapfung einer optischen Faser;

Fig. 5 eine auseinandergezogene Darstellung, welche die Anzapfung der Fig. 4 detaillierter zeigt;

Fig. 6 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei welcher eine Modenkopplungseinrichtung mit einerAnzapfung für optische Fasern kombiniert ist;

Fig. 7 die typische Modenverteilung in einer Multimodenfaser als Funktion der Phasenkonstante; und

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Fig. 8 und 9 detaillierter den Modenkoppler der Fig. 6.

Fig. 1 zeigt in Blockdarstellung eine typische optische Nachrichtenübertragungsanlage mit einer optischen Sxgnalquelle 10, wie einem Laser oder einer Licht emittierenden Diode, einem optischen Empfänger 11 und eine optische Fasern aufweisende Übertragungsverbindung 12, die beispielsweise einen Wellenleiter aus einer einzigen optischen Faser enthält, um die Quelle mit dem Empfänger zu koppeln. Die Faser 12 kann irgendeine Länge im Bereich von einigen Metern bis zu mehreren Kilometern haben, was von der speziellen Anwendung der Anordnung abhängt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die in Fig. 1 als Element 13 dargestellte Anzapfeinrichtung zur Anzapfung der durch die optische Faser gelangenden Energie. Jede der beispielsweisen Ausführungsformen der Faseranzapfung 13, die nachfolgend ausführlich beschrieben sind, ist so aufgebaut, daß sie, wie gezeigt, an irgendeiner Zwischenposition längs der Faser 12 der als Beispiel gezeigten Anordnung zum Zweck der Abtastung oder Überwachung des durch die Faser laufenden Signals befestigt werden kann. Jede Ausführungsform ist so aufgebaut, daß ein Teil des sich ausbreitenden Signals von der Faser abgezapft werden kann, ohne daß die Faser mit einem Endanschluß versehen, gebrochen oder von der Ummantelung befreit werden müßte.

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Es ist zwar in Fig. 1 nur ein Faserwellenleiter mit einer Faseranzapfung gezeigt, aber die Übertragungsverbindung kann natürlich eine Vielzahl von Faserwellenleitern umfassen. Gleichermaßen können nach Belieben eine oder mehrere Faseranzapfungen wie die Faseranzapfung 13 an allen Fasern in der Verbindung oder an ausgewählten Fasern befestigt sein.

Fig. 2 zeigt eine erste, relativ einfache Ausführungsform einer Anzapfung 13. Wie jede der hier beschriebenen Ausführungsformen stellt die Faseranzapfung strukturmäßig eine integrierte Einheit dar, die zwei Grundelemente umfaßt: ein dielektrisches Kopplungsglied, das mit der Faserummantelung in Berührung ist; und einen Photodetektor, der so aufgebaut und bezüglich des Kopplungsgliedes angeordnet ist, daß er die durch das Kopplungsglied aus der Faserummantelung ausgekoppelte optische Energie empfängt.

Bei der speziellen Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Faser 22 beispielsweise ein Zwischenstück eines Faserwellenleiters der Art, die in der optischen Nachrichtenübertragungsanlage der Fig. 1 verwendet werden kann. Bekanntlich umfaßt ein typischer Faserwellenleiter einen optisch verlustarmen Kern, der von einer Ummantelung umgeben ist, deren Brechungsindex nie-

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driger als derjenige des Kerns ist. Der Brechungsindex des inneren Kerns kann gleichförmig sein oder radial abnehmend, wobei der maximale Brechungsindex längs der Mittelachse des Kerns verläuft. Jedenfalls ist die optische Energie generell auf den Innenkern der Faser begrenzt und in der äußeren Ummantelung breitet sich nur relativ wenig Energie aus. Um bei dieser Ausführungsform die gewünschte Anzapfung zu schaffen, ist die Faser 22 gebogen, um einen gekrümmten Teil 23 mit einem Krümmungsradius R zu bilden. Der gekrümmte Teil wird mit einem Kopplungsglied 24 in Berührung gebracht, bei welchem es sich um einen optisch transparenten Kitt, wie ein Epoxy-Harz handeln kann. Wenn diese ausgehärtet ist, dient es gleichzeitig als Kopplungsglied und als Halterungsvorrichtung, welche einen Photodetektor 25 relativ zur Faser in einer Position hält, in welcher dieser die von der Faser 22 entnommene optische Energie aufnehmen kann.

Wenn die Anlage in^ Betrieb ist, bewirkt die Krümmung in der Faser, daß ein Teil der sich im inneren Kern ausbreitenden Energie in die Faseraußenummantelung strahlt und von dieser mit Hilfe des Kopplungsgliedes 24 entnommen wird. Die Menge der entnommenen Energie hängt vom Krümmungsradius R und den Brechungsindices von Kopplungsglied und Faserummantelung ab.

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Je kleiner der Krümmungsradius ist, umso größer ist die Menge der in die Ummantelung abgestrahlten Energie. Die von der Ummantelung abgenommene Energiemenge wiederum hängt von den relativen Werten der Brechungsindices von Ummantelung und Kopplungsglied ab. Je größer der Brechungsindex des Kopplungsgliedes im Verhältnis zu demjenigen der Ummantelung ist, umso größer ist die Menge der ausgekoppelten Energie. Der Brechungsindex des Kopplungsgliedes 24 ist typischerweise gleich oder größer als das etwa 0,8-fache des Faserummantelungs-Brechungsindexes.

Fig. '3 zeigt eine Seitenansicht dieser erfindungsgemäßen AusfOhrungsform zur Darstellung der Positionen der verschiedenen Komponenten relativ zueinander. ·

Fig. 4 zeigt eine einstellbare Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine anzuzapfende Faser 30 einer durch einen Pfeil 31 angedeuteten veränderlichen Kraft ausgesetzt wird, die zur Veränderung des Krümmungsradius der Faser entlang der Kopplungs,zone dient. Bei dieser Ausführungsform ist das Kopplungsglied 32 aus einem relativ biegsamen dielektrischen Material hergestellt (beispielsweise Polyvinylchlorid). Mittels einer oberen Scheibe 33, die aus relativ hartem Material (z. B. Teflon, FEP) hergestellt ist und deren Brechungsindex kleiner als derjenige des Kopplungsgliedes 32 ist, wird Druck auf die

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Faser ausgeübt. Um die gewünschte Krümmung zu erzielen, ist die Berührungsfläche der Scheibe 33 gekrümmt, wie es dargestellt ist. Wenn die Scheibe 33 in Richtung des Pfeils 31 gegen die Faser 30 gedrückt wird, biegt sich die Faser, um sich der gekrümmten Oberfläche der Scheibe 33 anzupassen. Wie zuvor erwähnt, bewirkt dies, daß ein Teil der sich ausbreitenden optischen Wellenenergie aus dem Faserkern in die Faserummantelung und von dort in das Kopplungsglied 32 ausgekoppelt wird. Diese entnommene Energie wird dann im Photodetektor 34 festgestellt. Eine Einstellung der entnommenen oder abgezapften Energie wird entweder durch Veränderung der auf die Scheibe 33 ausgeübten Kraft vorgenommen oder dadurch, daß die Scheibe 33 durch eine andere Scheibe ersetzt wird, die eine Berührungsfläche mit einem unterschiedlichen Krümmungsradius aufweist.

Fig. 5 ist eine auseinandergezogene Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 4 und zeigt in detaillierterer Form die Einrichtung zum Verändern der auf die Scheibe 33 ausgeübten Kraft. Diese spezielle Ausführucigsform umfaßt einen Halter 50 mit einem ringförmigen Grundteil 51, in welchem ein (nicht dargestellter) Photodetektor angeordnet ist, und einem oberen Querstück 52. Oben auf dem Halter 50 ist ein Klemmsteg 53 angeordnet, der dort mittels Schrauben 54 und 55 befestigt ist,

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die sich durch den Klemmsteg 53 hindurch erstrecken und in die Gewindelöcher 56 und 57 im Halter 50 eingreifen. Der Klemmsteg 53 umfaßt außerdem ein in der Mitte angeordnetes Gewindeloch, in welches eine Einstellschraube 58 eingesetzt ist. Zwischen dem Ende der Schraube 58 und der Scheibe 33 ist ein Abstandsstück 59 angeordnet, um eine Beschädigung der Scheibe 33 während des Festziehens der Schraube zu vermeiden. Durch das Festziehen der Schraube wird auf die Scheibe 33 ein nach unten gerichteter Einstelldruck ausgeübt. Wenn der nach unten gerichtete Druck erhöht wird (beispielsweise wenn die Schraube 58 fester angezogen wird), wird die aus der Faser entnommene Energie erhöht, und zwar mindestens bis zu einem Punkt, an welchem die Faser 30 sich vollständig und dauerhaft an die untere abgerundete Oberfläche der Scheibe 33 angepaßt hat. Nach Überschreitung dieses Punktes ändert sich die entnommene Energie generell wenig mit zunehmendem Abwärtsdruck. Wie zuvor erwähnt worden ist, kann eine weitere Einstellung jedoch dadurch erzielt werden, daß die Scheibe 33 durch eine Scheibe mit einem anderen (beispielsweise kleineren) Krümmungsradius ersetzt wird.

Wie zuvor erwähnt worden ist, besteht die Tendenz, daß das Biegen der Faser zu einer Entnahme lediglich der Energie von Moden höherer Ordnung führt. Dies liegt daran, daß mehr Energie

der Moden höherer Ordnung dichter an der Außenfläche des Faserkerns konzentriert ist als Energie von Moden niedrigerer Ordnung, und daß außerdem die in der Grenzschicht abfallenden Felder der Moden höherer Ordnung sich um größere Distanzen über die Außenfläche des Faserkerns erstrecken als die in der Grenzschicht abfallenden Felder der Moden niedrigerer Ordnung. Die Energie von Moden höherer Ordnung ist deshalb für das Kopplungsglied leichter zugänglich und wird dadurch leichter ausgekoppelt. Diese Tatsache kann unter bestimmten Bedingungen problematisch werden. Wenn beispielsweise relativ wenig Energie auf die Moden höherer Ordnung der anzuzapfenden Faser verteilt ist, ist relativ wenig Energie in der Faser zum Auskoppeln in den Kopplungskörper vorhanden. Das entnommene Signal könnte somit wesentlich schwächer als gewünscht sein. Wenn zudem längs eines einzigen Faserwellenleiters viele Anzapfeinrichtungen in dichtem Abstand angeordnet sind, wie in einer Sammelverbindungsleitung für optische Daten mit einem Vielfachanschlußausgang, verringert sich die pro Anzapf einrichtung entnommene Energiemenge typischerweise mit der Entfernung längs der Faser. Um gleiche Anzapfungen längs der Verbindungsleitung zu schaffen, sind gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, die nun im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben wird, Methoden zur Kompensation der Abnahme der Energie von Moden höherer Ordnung längs der Faser vorgesehen. Bei dieser

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Ausführungsform ist eine optische Anzapfung 70, typischerweise von der zuvor beschriebenen Art, an einem Punkt entlang einer Faser 71 angeschlossen. Nimmt man an, daß die Wellenenergie längs der Faser von links nach rechts transportiert wird, ist außerdem an einem links von der Anzapfung 70 liegenden Punkt ein Modenkoppler 72 vorgesehen. Dieser umfaßt ein Paar gerippte Platten 80 und 81, die gegen die Faser 71 gepreßt werden, um eine der Faseranzapfung 70 vorausgehende Zone der Faser periodisch zu deformieren. Die räumliche Periodizität der Rippen in diesen Platten und der Druck, den die Platten auf die Faser 70 ausüben (der Druck wird beispielsweise in Richtung eines Pfeils 82 auf die Platte 80 ausgeübt), sind so gewählt, daß in den Querschnittsabmessungen des inneren Kerns der Faser 71 oder in der axialen Orientierung des inneren Kerns der Faser oder in beiden eine periodische Deformation entsteht. Wenn die räumliche Periodizität der Rippen in den Platten 80 und 81 und damit die Deformation in der Faser 70 geeignet gewählt ist, tritt maximale Kopplung von Moden höherer Ordnung auf.

Die Auswahl der optimalen räumlichen Periodizität für die Modenkopplungseinrichtung wird in Übereinstimmung mit der Theorie getroffen, die in den Artikeln von D. Marcuse bzw. D. Marcuse und R. M. Derosier angegeben ist. Diese Artikel sind in Band 48 des Bell System Technical Journal, Seiten 3187 bis 3232 (Dezember 1969), erschienen. Beispielsweise zeigt

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Fig. 7 eine typische Modenverteilung in einem Multimodenfaser wellenleiter als Funktion der Phasenkonstante. Generell existiert eine Verteilung von diskreten geleiteten Moden M^, Mp ... M^ mit Phasenkonstanten ß*, ßp ··· bzw. ß . Außerdem gibt es beginnend bei der Phasenkonstante ß_p, die kleiner als die Phasenkonstanten der geleiteten Moden sind, ein Kontinuum an Strahlungsmoden, das durch den von der Kurve 89 eingegrenzten Bereich dargestellt ist. Um von einem Moden niedrigerer Ordnung, wie M^ zu einem Moden höherer Ordnung, wie NL zu koppeln, wird die räumliche Periodizität A der Deformation in der Faser so gewählt, daß sie etwa gleich der Schwebungswellenlänge λ^ der beiden Moden ist, wie folgt:

dabei sind ß^ und ß_n die Phasenkonstanten des M^-Moden bzw. des M_-Moden. Im allgemeinen reicht es aus, wenn das Spektrum der räumlichen Periodizität A der Deformation Komponenten bei der Schwebungswellenlänge λ·^ der beiden zu koppelnden Moden umfaßt, und sie kann viele andere Komponenten einschließen. Eine Kopplung zwischen allen in der Faser geleiteten Moden (d. h.M^ bis M_n) kann dadurch erreicht werden, daß die räumlicher Periodizität A der Deformation so gewählt wird, daß sie sich einer beliebigen Überlagerung der jeweiligen Schwebungs-

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Wellenlängen zwischen allen in der Faser geleiteten Moden nähert.

Wenn auch die jeweiligen Phasenkonstanten für die einzelnen Moden in einer Multimodenfaser von den speziellen Faserabmessungen, den relativen Kern-Ummantelungs-Brechungsindices und der Wellenlänge des transportierten optischen Signals abhängen, liegt die räumliche Periodizität Λ, die zur Induzierung einer Kopplung von Moden höherer Ordnung in einer Faser geeignet sind, typischerweise im Bereich von 0,01 bis 10 mm. Für ein spezielles numerisches Beispiel für die Auswahl einer geeigneten räumlichen Periodizität für die Modenkopplungseinrichtung wird eine Faser mit einem Innenkemdurchmesser von etwa 50 um, einem Kernindex 1,5 und einer Kern-Ummantelungs-Indexdifferenz von 1 % betrachtet. Dann ist bei einer Wellenlänge von 1 um die Kopplungsperiode zur Kopplung zwischen benachbarten Moden niedrigster Ordnung 10 mm und für benachbarte Moden in der Nähe der Grenzfrequenz 0,7 mm; die Periode zur Kopplung zwischen Kernmoden und Ummantelungsmoden liegt im Bereich von 0,06 mm bis 1,0 mm.

Bei der Herstellung von Modenkopplungsplatten 80 und 81 können verschiedene Materialien und Methoden angewendet werden. Natürlich sollten Aufbau und Materialien der Platten derart sein, daß sie die gewünschte periodische Deformation des Faser-

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kerns ohne eine anderweitige Beschädigung der Faser (beispielsweise Brechen oder Ritzen) erzeugen. Aus diesem Grunde werden Rippen in den Platten 80 und 81 mit glatten oder abgerundeten Rücken der in Fig. 6 gezeigten Art Rippen mit scharfen Punkten vorgezogen. Geeignete Modenkopplungsplatten können beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß mehrere Metallkugeln (beispielsweise solche für Kugellager) mit geeignetem Durchmesser mit einer Schicht aus Epoxyharz auf eine Kunststoffoder Metallplatte geklebt werden. Modenkopplungsplatten können auch dadurch hergestellt werden, daß in Kunst stoff platt en mit Hilfe einer Gesenkform mit der geeigneten räumlichen Periodizität Rippen geprägt werden, wie es vielfach bei der Herstellung von Schallplatten geschieht. Es sind zwar in Fig. 6 zwei gerippte Platten dargestellt, es sei jedoch erwähnt, daß lediglich eine gerippte Platte erforderlich ist, um die gewünschte periodische Deformation in der Faser zu erzeugen. Beispielsweise könnte eine der Platten 80 und 81 eine eine ebene Oberfläche aufweisende Platte aus einem relativ biegsamen Material, wie weichem Kunststoff, sein,während die andere Platte gemäß obiger Beschreibung gerippt ist.

Wie in den genannten Artikeln von Marcuse und von Marcuse und Derosier gezeigt ist, steht derjenige Energiebruchteil, welcher

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Ton irgendeinem Moden niedrigerer Ordnung in irgendeinen Moden höherer Ordnung gekoppelt wird, und zwar aufgrund einer periodischen Faserkerndeformierung mit einer räumlichen Periodizität Λ , die sich der Schwebungswellenlänge λ^ zwischen diesen Moden annähert, in Beziehung zur Amplitude a der Deformierung und zur Länge L der Deformationszone in der Faser. Diese Beziehung lautet allgemein:

a²L² (2)

dabei ist P die im Moden niedrigerer Ordnung einfallende Energie und Δρ die vom Moden niedrigerer Ordnung in den Moden höherer Ordnung gekoppelte Energie. Nimmt man an, daß die Kopplungslänge L als konstant gewählt ist, ist der Modenkopplungsgrad höherer Ordnung in der Faser primär durch die Amplitude a der Modenkopplungsdeformierung, die in der Faser induziert wird, bestimmt. Wie weiter vorstehend erwähnt worden ist, kann die durch die Faseranzapfung aus der Faser entnommene Energiemenge dadurch gesteuert werden, daß die Menge derjenigen Energie gesteuert wird, welche auf die Moden höherer Ordnung der Faser verteilt ist. Es ist demzufolge möglich, eine einstellbare Faseranzapfung dadurch vorzusehen, daß dieser eine Modenkopplungseinrichtung zugeordnet wird, die in der Faser eine Deformation mit einstellbarer Amplitude erzeugt.

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Die Fig. 8 und 9 zeigen eine beispielsweise Version einer erfindungsgemäßen einstellbaren Faseranzapfung. Die Faseranzapfung 90 in Fig. 8, die in zusammengesetzter Form an der Multimodenfaser 91 befestigt dargestellt ist, ist beispielsweise identisch mit der in Fig. 5 gezeigten Faseranzapfung. Gerippte^Moden koppelnde Platten 94 und 95, die den Platten 80 und 81 der Fig. 6 gleich sind, werden gegen die Faser 91 gepreßt, um in einer der Faseranzapfung 90 vorausgehenden Faserzone eine periodische Deformierung geeigneter räumlicher Periodizität Λ für eine Modenkopplung zu erzeugen. Die Amplitude a der in der Faser 91 erzeugten Deformierung wird durch eine Einstellvorrichtung 98 gesteuert. Wie deutlicher in Fig.9 zu sehen ist, weist die Einstellvorrichtung 98 beispielsweise zwei L-förmige Befestigungsarme 96 und 97 auf, die beispielsweise aus einem Metall, wie Messing, gebildet und auf einem Träger 93 befestigt sind. Zwischen den Befestigungsarmen 96 und 97 der Einstellvorrichtung sind die gerippten Platten 94 und 95 angeordnet, und zwischen diesen befindet sich die Faser 91. Ein Klemmbügel 100, der beispielsweise ebenfalls aus Metall gebildet ist, ist dann über den Befestigungsarmen 96 und 97 festgelegt, wie es in den Figuren zu sehen ist. Der Klemmbügel 100 umfaßt ein in der Mitte angeordnetes Gewindeloch, in welches eine Einstellschraube 101 eingesetzt ist und festgezogen werden kann. Beim Festziehen der Einstellschraube 101

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wird der auf die Platte 94 ausgeübte, nach unten wirkende Druck erhöht, so daß die Amplitude a der in der Faser 91 erzeugten Deformierung vergrößert wird. Die Energiemenge, die in der Umgebung der Faseranzapfung 90 auf die Moden höherer Ordnung der Faser 91 verteilt ist, wird dadurch erhöht. Dies wiederum erhöht die mit Hilfe der Faseranzapfung 90 der Faser 91 entnommene Energiemenge. Durch geeignete Einstellung der Einstellschraube 101 kann der Faser der gewünschte Bruchteil der Signalenergie entnommen werden.

Zusätzlich zur Energiekopplung zwischen in der Faser geleiteten Moden ist es möglich, Energie von geleiteten Moden in Strahlungsmoden zu koppeln, vorausgesetzt, die räumliche Periodizität der Modenkopplungseinrichtung ist richtig gewählt. Genau ausgedrückt: Wenn man die räumliche Periodizität zu

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wählt, wobei ß die Phasenkonstante für den η-ten geleiteten Moden und ß_r die Grenzphasenkonstante für Strahlungsmoden ist, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, wird optische Energie von einem geleiteten Moden in Strahlungsmoden gekoppelt. Diese Tatsache kann von besonderer Bedeutung sein beim Anzapfen von Mantelfaserwellenleitern. Der Effekt bei einem Mantelfaserwellen-

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leiter besteht darin, mehr optische Energie aus dem Faser~ kern in dessen äußere Ummantelung zu koppeln. Wenn einmal in die äußere Ummantelung der Faser optische Energie in Form gestrahlter Moden gebracht ist, kann sie von dort direkt durch den Kopplungskörper der Faseranzapfung entnommen werden, wie zuvor erläutert worden ist. Mantelfaserwellenleiter, und zwar sowohl aus der Vielfalt der MuItimoden- als auch aus der Vielfalt der Einzelmodentypen, können somit direkt unter Verwendung einer Kopplungseinrichtung der hier beschriebenen Art angezapft "werden, ohne daß es erforderlich wäre, im Bereich der Faseranzapfung die äußere Ummantelung von der Faser zu entfernen. Im Fall einer Einzelmodenfaser ist ß in Gleichung (3) die Phasenkonstante des einzigen in der Faser geleiteten Moden, während ß die Grenzphasenkonstante für die Strahlungsmoden ist. Macht man dieGesamtkopplung genügend stark, kann Energie direkt von einer ummantelten Faser entnommen werden, ohne daß es erforderlich ist, die Faser zu biegen oder die Faser im Bereich der Anzapfung auf andere Weise weiter zu stören.

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Claims

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PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Poetadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radedcestra8e 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

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Patentansprüche

1J Vorrichtung zur Entnahme optischer Energie aus einem Mittelteil eines optischen Faserwellenleiters mit einem Kernbereich, auf welchen die optische Energie im wesentlichen begrenzt ist, gekennzeichnet durch ein erstes dielektrisches Glied (32) mit einer ersten Hauptfläche, die zur Auskopplung optischer Energie aus der leitenden Zone der Faser (30) mit einem Faserlängsmittelteil gekoppelt ist, wobei das -erste Glied (32) einen Brechungsindex aufweist, der vom Brechungsindex des die leitende Zone der Faser umgebenden Mediums abhängt; eine Preßeinrichtung (33, 59, 53, 58), mit der die Faser (30) zur Erzeugung einer Berührungsfläche zwischen der ersten Hauptfläche des ersten Gliedes und dem Faserlängsmittelteil gegen das erste Glied (32) preßbar ist, und welche ein

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zweites dielektrisches Glied (33) aufweist, mit einem Brechungsindex, der kleiner als derjenige des ersten Gliedes (32) ist; und

einen Photodetektor, der einen auf die Wellenlänge des durch die Faser geleiteten optischen Signals ansprechenden aktiven Bereich umfaßt, an eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche des ersten Gliedes (32) angrenzt und derart orientiert ist, daß er die aus der leitenden Zone der Faser mit Hilfe des ersten Gliedes ausgekoppelte optische Energie aufnimmt.

2« Optische Übertragungsanordnung mit wenigstens einer Anzapfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbereich der Faser entlang des mit dem ersten dielektrischen Glied gekoppelten Längsmittelstück von einer festen dielektrischen Ummantelung umgeben ist, und daß das erste Glied einen Brechungsindex aufweist, der gleich oder größer als das 0,8-fache des Ummantelungsbrechungs indexes i st.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß entlang des Faserlängsmittelteils eine Störung dadurch hergestellt ist, daß die Faser gebogen ist, und daß eine Vorrichtung zur Veränderung des Biegungskrümmungsradius vorgesehen ist.

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4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Faser benachbart zum dielektrischen Glied ein Modenkoppler (72) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Modenkoppler (72) ein Paar Platten (80,
82), von denen wenigstens eine gerippt ist, umfaßt, die gegen die Faser gepreßt sind, um deren Kernbereich zu deformieren.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des ersten Gliedes wesentlich
biegsamer als das Material der Faser ist.

Hi/ku

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