DE2653815A1 - Koppler zur verbindung eines beliebigen lichtleiters mit allen anderen lichtleitern eines buendels - Google Patents

Description

DIETRICH LEWINSKY

HEINZ-3OACHlM HUBER

REINER PQIETSCH -.

Wi 0 N C H E N 2 1 3 ₂6. November 1976

GOTTHARDSTR. 81 9199-IV/Hg

Thomson-CSF, Bd. Haussmann 173, F-75OO8 Paris (Prankreich)

Koppler zur Verbindung eines beliebigen Lichtleiters mit allen anderen Lichtleitern eines

Bündels

Priorität: Prankreich, 28. November 1975, 75/36605

Die Erfindung betrifft einen optischen Koppler zur Verbindung von Lichtleitern zur übertragung einer Information in Form einer Lichtwelle auf mehrere andere Lichtleiter.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen reziproken optischen Koppler, der es gestattet, einen Lichtleiter aus einer beliebigen Anzahl von Lichtleitern mit anderen Lichtleitern zu verbinden, wobei der so verbundene Lichtleiter einem Sendekanal und die anderen Lichtleiter Empfangskanälen innerhalb eines optischen Übertragungssystems entsprechen.

Bei einem optischen übertragungssystem, das Lichtleiter zur Verbindung verschiedener Punkte untereinander verwendet, sind diese Punkte mit Lichtsendern und/oder Lichtempfängern ausgestattet, wobei es häufig nützlich und notwendig ist, einen Sendepunkt mit einer Anzahl Empfangspunkte zu verbinden.

Ein solches übertragungssystem entspricht insbesondere einem aus einer Anzahl Teilnehmer gebildeten Netz, bei dem es notwendig ist, diese Teilnehmer untereinander verbinden zu können, ohne hierzu

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über eine Zentraleinheit zu verfügen. Mit dem Ausdruck "Teilnehmer" sind dabei die verschiedenen, zu verbindenden Punkte gemeint, wobei vorausgesetzt ist, daß einige dieser Punkte entweder einen Empfänger oder einen Sender oder beides besitzen.

Um die verschiedenen, zwischen jedem Sender und den einzelnen Empfängern vorgesehenen Verbindungen herstellen zu können, muß entweder eine sehr hohe Anzahl von Lichtleitern verwendet werden oder, wenn man Punkt-zu-Punkt-Verbindungen herstellt, es müssen Vorrichtungen zur Verbindung von Lichtleitern, also optische Koppler, verwendet werden. Die erstgenannte Lösung führt zu einem hohen Aufwand und läßt sich auch nicht verwirklichen, wenn die Sender und Empfänger aus optoelektrischen Halbleiterwandlern bestehen, die eine Strahlungsfläche mit kleinen Abmessungen aufweisen. Die zweite Lösung bedingt ebenfalls einen beträchtlichen Aufwand, r'imlich eine gfs. große Anzahl von Lichtleitern und optischen Kopplern, wenn man Y-Koppler verwendet, die nur eine einfache Aufteilung der über den Eingangsanschluß empfangenen Lichtenergie auf zwei oder mehr Ausgänge zulassen und die keinen reziproken Betrieb ermöglichen.

Die Lichtleiter bestehen meist aus einer optischen Paser aus einem transparenten Werkstoff, mit einer Seele, die mit einem Mantel von gegenüber demjenigen der Seele geringeren Brechungsindex umhüllt ist.

Es ist bekannt, einen optischen Koppler aus einem lichtdurchlässigen, länglichen Stab wie etwa einem zylindrischen Block aus Glasfaser herzustellen, auf dessen Endflächen die Pasern oder . Faserbündel der verschiedenen zu verbindenden Lichtleiter gekoppelt sind. Eine solche Vorrichtung bildet einen optischen Mischer, da sie es gestattet, einen beliebigen Lichtleiter der einen Fläche mit den auf der anderen Fläche endenden Lichtleitern zu verbinden. Der Mischer arbeitet reziprok.

Nach einer anderen bekannten Ausführungsform besitzt der Mischer

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einen reflektierenden Belag auf einer seiner End- oder Stirnflächen, die somit einen Planspiegel bildet. Die Lichtleiter sind optisch mit der anderen Fläche des Mischers parallel zur Fortpflanzungsachse verbunden. Durch Reflexion der von einem Lichtleiter stammenden Energie an dem Spiegel wird diese Energie auf alle Lichtleiter etwa gleichmäßig verteilt, sofern bestimmte Bedingungen für die Abmessungen des Mischers und die Öffnungszahl der Lichtleiter eingehalten sind.

Ein derartiger optischer Koppler ist insbesondere in der Zeitschrift "Electronics" vom 21.3.1974, Seiten 34 bis 36 in dem Aufsatz "Low-loss coupler feeds 20 terminals" beschrieben. Seine Herstellung erfordert eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit des Planspiegels, um diesen genau rechtwinklig zu der Achse des zylindrischen Blockes zu erhalten, damit eine Dispersion der reflektierten Lichtenergie mit dem Verlust eines Teils derselben in Folge des Diaphragma-Effektes bzw. der Brechung zusätzlich zu den Diffusionsverlusten vermieden wird-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Koppler zu schaffen, bei dem der Reflexionsspiegel ersetzt ist durch mehrere Spiegel, deren Anordnung keine so strengen Herstellungstoleranzen erfordert.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen angegeben.

In der Zeichnung ist ein Koppler nach der Erfindung anhand beispielsweise gewählter Ausführungsformen schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines optischen Kopplers,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform des optischen

Kopplers,

Fig. 3 und 4 Schnittdarstellungen des Kopplers nach Fig.

zur Veranschaulichung der Arbeitsweise,

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Fig. 5 ein Schema eines optischen Übertragungssystems mit einem Koppler nach Fig. 1 oder Fig. 2,

Fig. 6 eine die Arbeitsweise des Kopplers nach Fig.2

erläuternde Darstellung und

Fig. 7 ein Ausführungsbexspiel des Kopplers.

Gemäß Fig. 1 umfaßt der Koppler einen optischen Mischer 1 in Form eines Faserelementes, das aus einer Seele 2 mit dem Brechungsindex Nl und einem Mantel 3 mit dem Brechungsindex N2 kleiner als Nl gebildet ist. Der stabförmige Mischer 1 ist zylindrisch und besitzt eine Längsachse Z entsprechend der optischen Fortpflanzungsrichtung .

Die zu verbindenden Lichtleiter 10-1 bis 10-n bilden ein Bündel 10, das optisch mit dem einen Ende des Mischers gekoppelt ist. Dieses Ende besteht aus einer planen, zu der Achse Z orthogonalen Fläche 4. Mechanische oder andere, mit 5 symbolisch bezeichnete Mittel stellen die optische Kopplung zwischen den verschiedenen Lichtleitern 10-j und der Fläche 4 in der Weise her, daß die Enden der Lichtleiter parallel zur optischen Portpflanzungsachse Z ausgerichtet sind, wobei die Endflächen in ein und dergleichen Ebene 6 parallel zu der Ebene der Endfläche 4 des Mischers liegen. Diese Ebene 6 fällt außerdem mit derjenigen der Endfläche 4 im Falle eines direkten mechanischen Kontaktes zusammen; bei anderen Ausführungsformen befindet sich zwischen der Ebene 6 und der Ebene der Endfläche 4 ein transparenter Zwischenraum 7, der mit Luft oder einer Flüssigkeit geeigneten Brechungsindex'im Falle einer Verbindung mit freien Enden oder auch mit einem festen Verbindungswerkstoff wie etwa Glas oder Kunststoff gefüllt sein kann.

Das zweite Ende des Mischers besteht aus wenigstens zwei planen, zueinander orthogonalen Flächen, die einen gemeinsamen Punkt S auf der Fortpflanzungsachse Z oder nahe dieser Achse haben.

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._ψ.

Pig. 1 zeigt den Fall, in welchem die zwei Flächen 8 und 9 ein gerades Dieder mit der Kante 11 bilden, die durch diese Achse hindurchverläuft und Fig. 2 gibt eine bevorzugte Ausführungsform mit drei Flächen 15, 16 und 17 wieder, die ein Trieder mit drei rechten Winkeln in der auf der Achse liegenden Spitze S bilden.

In beiden Ausführungsformen sind die planen Flächen mit einer reflektierenden Schicht 12 (Fig. 1) wie etwa einem metallischen Niederschlag aus beispielsweise Aluminium oder Silber überzogen, um in bekannter Weise Spiegel zu bilden, die für die von dem Mischer bis zu diesem Ende übertragenen Lichtwellen total reflektierend sind»

Die optischen Eigenschaften einer Anordnung mit zwei zueinander orthogonalen Spiegeln sind bestens bekannt; ein einfallender, auf eine dieser Flächen 8 oder 9 auftreffender Strahl wird von dieser Fläche reflektiert und ergibt nach Reflexion an der anderen Fläche einen reflektierten Strahl, der in einer Richtung austritt, die in Bezug auf die Kante 11 des Dieders symmetrisch zu der Richtung des einfallenden Strahles ist. Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen diese optischen Strahlengänge und zeigen einen durch zwei Komponenten definierten, einfallenden Strahl, wobei die Komponente Rl in der Ebene der Fig. 3 und die Komponente R2 ii der in Fig. 4 dargestellten, hierzu orthogonalen Ebene entsprechend dem Schnitt MM liegen; der reflektierte Strahl hat die Komponenten R3 parallel zu Rl und R4, die eine Neigung in Bezug auf die Kante 11 symmetrisch zu derjenigen von R2 besitzt. Aus Vereinfachungsgründen ist in diesen Figuren der Kern nicht schraffiert. Die von einem Punkt A der anderen Endfläche 4 ausgehende Strahlung _a die von einem Lichtleiter 10-j stammt, liegt in einem Kegel, dessen halber Spitzenwinkel u eine Funktion der numerischen öffnung oder Öffnungszahl des Mischers 1 ist. Diese Strahlung wird am Ende des Mischers durch den reflektierenden Dieder reflektiert zu der Eintritts/Austritts-Fläche 4.

Damit die reflektierte Strahlung tatsächlich auf die Fläche 4 auf-

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trifft, muß die Neigung der reflektierten Strahlen in Bezug auf die Achse Z kleiner als der genannte Wert u bleiben; wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, kann die Strahlung durch Brechung in dem Mantel 3 nach außen verloren gehen. Der Wert u wird durch die Gleichung N3 ' sin u =Vn * -N₂* bestimmt, die die numerische öffnung des Mischers 1 angibt, wobei N3 der Brechungsindex des anderen Mediums der Zwischenfl äche, im Beispiel der Fig. 3 die Seele der Faser 10-j, ist. Es kann gezeigt werden, daß dieser Bedingung genügt ist, wenn die Kante 11 rechtwinklig zur Richtung der optischen Achse Z verläuft und mit dieser koplanar oder annähernd koplanar ist, wobei der Punkt S (Fig. 1) den Schnittpunkt bezeichnet.

Eine weitere Bedingung ist der Minimalwert Lm = D/2tg u, den die Länge L des Mischers 1 zwischen der Eintritts/Austritts-Fläche 4 und dem Punkt S haben muß, damit die von einem Punkt A in einen Kegel mit dem halben Spitzenwinkel u abgegebene Strahlung nach Reflexion gleichmäßig über die Fläche 4 verteilt ist, worin D der Durchmesser der Seele 2 des Mischers ist.

Bei Einhaltung dieser Bedingungen findet sich also das von einem beliebigen Lichtleiter 10-j ausgehende Licht gleichmäßig verteilt auf alle Lichtleiter des Bündels 10 wieder.

Damit wird klar, daß jeder Lichtleiter in gleicher Weise mit den anderen Lichtleitern des Bündels gekoppelt ist und daß somit jeder Sender eines Netzes mit allen Empfängern des Netzes verbunden werden kann. Figur 5 zeigt an einem Beispiel ein entsprechendes optisches übertragungssystem, bei dem von den Kopfstationen oder Teilnehmern Sl bis S4 einige wie etwa Sl, S2, S4 sowohl einen Sender als auch einen Empfänger umfassen, während andere Stationen wie beispielsweise S3 auch nur einen Empfänger umfassen können. Die Verbindungen der Sende/Empfangs-Stationen mit dem Koppler können statt über zwei auch über einen Lichtleiter geführt sein, wenn ein Zwischenkoppler C4 mit drei Anschlüssen benutzt wird. Die Lichtleiter sind mit den Sendern und Empfängern über

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geeignete Stecker C3 verbunden. Der in dieser Figur dargestellte Koppler 1 kann wahlweise ein Diedertyp nach Fig. 1 oder ein Triedertyp nach Fig. 2 sein.

Die optischen Eigenschaften von reflektierenden, rechtwinkligen Triedern sind genau bekannt; ein einfallender Strahl wird nacheinander an den die Flächen des Trieders bildenden, total reflektierenden Spiegeln reflektiert und der reflektierte, austretende Strahl besitzt eine Richtung parallel zu derjenigen des einfallenden Strahles und verläuft zu letzterem symmetrisch in Bezug auf den Spitzenpunkt S des Trieders. Die Arbeitsweise des Triederkopplers gemäß Fig. 2 ist damit ohne weiteres anhand des Schemas der Fig. 6 verständlich, die zeigt, daß die von einem Punkt A der Eintritts/Austritts-Fläche 4 abgegebene Strahlung von dem Trieder zu dieser Fläche 4 so zurückgesandt wird, wie eine von einem fiktiven, in Bezug auf S symmetrisch zu A in einem zylindrischen Stab der doppelten Länge 2L liegenden Punkt Ao stammende Strahlung. Die Zeichnung zeigt, daß der Minimalwert des Parameters L der Beziehung Lm=D/2tg u genügen muß.

Jeder Lichtleiter 10-j kann aus einer Anzahl optischer Fasern gebildet sein, die ihrerseits eine Faser oder mehrere Fasern, das heißt ein Faserbündel, umfaßt. Jede optische Faser besitzt eine transparente Seele, die mit einem transparenten Mantel umhüllt ist. Jeder Lichtleiter besitzt zusätzlich eine lichtundurchlässige Schutzummantelung aus einem Kunststoff, der die Faser oder die Faserbündel umhüllt. Es versteht sich von selbst, daß diese Schutzummantelung an den Enden der mit dem Mischer gekoppelten Lichtleiter entfernt ist.

Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades ist ein möglichst guter Füllfaktor der Eintritts/Austritts-Fläche 4 durch die Endflächen der optischen Fasern 10 erforderlich. Es erscheint daher vorteilhaft, optische Fasern kleinen Durchmessers zu verwenden, so daß das Bündel 10 eine große Anzahl optischer Fasern umfaßt. Die Wahl eines kleinen Durchmessers ist jedoch abzuwägen unter Be-

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rücksichtigung des Wirkungsgrades der Pasern selbst, der durchmesserabhängig sein kann. Tatsächlich ist die aktive Fläche jeder Endfläche einer Paser diejenige entsprechend der Seele, so daß in Höhe der Zwischenfläche die von dem Mantel eingenommene, nicht aktive Fläche jeder Faser soweit als möglich verringert werden muß, was dazu führt, vorzugsweise Fasern zu verwenden, bei denen die Dicke des transparenten Mantels klein im Verhältnis zum Durchmesser der Seele ist; statt dessen kann auch die Dicke dieses Mantels an den Enden der Fasern durch irgendein geeignetes Verfahren verringert sein.

Um einen hohen Füllkoeffizienten zu erzielen, kann der Koppler insbesondere wie in Fig. 7 im Längsschnitt dargestellt ausgeführt sein. Der Mischer 1 oder die Mischfaser ist in einem Gehäuse 20 eingeschlossen und wird dort durch ein Halterungsteil 21 gehalten. Jeder der Lichtleiter 10-j ist durch einen optischen Stecker 22j mit einer Faser oder einem Faserbündel 23j gekoppelt. Die Stekker 22j sind auf einem Deckel 24 verteilt angeordnet. Ein mechanisches Teil 25 gestattet die Zusammenfassung der Fasern 23j zu einem einzigen, zylindrischen Bündel 23, das mit der Eintritts/ Austritts-Fläche des Mischers gekoppelt ist. Befestigungsmittel wie etwa Schrauben sind bei 27, 28, 29 zur Lagefixierung der Elemente vorgesehen.

Ein Faserbündel 10 (Fig. 1, 2) oder 23 (Fig. 7) mit einer sehr gut planen Verbindungsfläche ist leicht realisierbar durch Polieren der zu einem einzigen zylindrischen Bündel zusammengefaßten Fasern. Die Verexnigungsflache 6 wird dann optisch mit der planen Fläche 4 unter Einfügung einer transparenten Zwischenfläche (Fig. 1) oder durch direkten Kontakt je nach vorgesehener Ausführungsform gekoppelt.

Die Seitenwand des Mischers wird vorteilhaft mit einem reflektierenden metallischen Niederschlag wie etwa 13 in dem Teilschnitt der Fig. 2 überzogen, wobei dieser Niederschlag denjenigen auf den reflektierenden Endflächen 15₉ 16 und 17 fortsetzen kann.

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Auf diese Weise werden in das Medium des Mantels 3 gebrochene Strahlen für die übertragung wiedergewonnen.

Vorzugsweise sind die reflektierenden Flächen derart bearbeitet, daß sie alle etwa dieselbe Neigung in Bezug auf die optische Achse Z haben, also 45 Grad im Fall des Dieders und rund 35 Grad im Falle des Trieders, derart, daß die Vorrichtung in der Herstellung symmetrisch ist; es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß unterschiedliche Neigungen der reflektierenden Flächen die Arbeitsweise nicht ändern. Hingegen muß die Bearbeitung oder Herstellung derart durchgeführt werden, daß die bereits genannten Bedingungen sehr genau eingehalten werden, die Kante 11 also rechtwinklig zu der Achse Z und koplanar mit dieser ist bzw. bei der anderen Ausführungsform (Fig. 2) der Spitzenpunkt S auf der Achse Z liegt. Abweichungen von der Rechtwinkligkeit und/oder Ablagen von der Achse wirken sich in Verlusten an Lichtenergie in dem Koppler aus.

Der Mischer kann im übrigen auch in anderer Form als derjenigen eines Zylinders aus einem Faserelement großen Durchmessers aufgebaut sein. Eine äquivalente Ausführung besteht beispielsweise in einem Glasstab, dessen Seitenwand mit einem reflektierenden überzug versehen ist oder, als weiteres Beispiel, in einem Hohlzylinder, der innen poliert ist und dessen innere Seitenwand reflektierend gemacht ist. Die Endflächen 8, 9 oder 15 bis 17 werden durch geeignete Bearbeitung oder durch Anbringung getrennter Teile je nach vorgesehenem Aufbau des Stabes erhalten.

Der beschriebene Koppler ist mit Vorteil anwendbar für die Verbindung von Lichtleitern in Form von Faserbündeln zur Gewähdßistung einer optischen übertragung im MuItimoden-Betrieb.

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Claims (7)

DIETRICH LEWINSKY HElNZOOACKiM HUSER REINER PRIETSCH MÜNCHEN 21 GOTTHARDSTR. 81 Thomson-CSF26· November 1976 9199-IV/Hg Patentansprüche:

1. Koppler zur Verbindung eines beliebigen Lichtleiters eines Lichtleiterbündels mit allen anderen Lichtleitern des Bündels, mit einem optischen Mischer aus einem Stab aus transparentem Werkstoff mit einer Seitenfläche, deren Erzeugende parallel zur Stablängsachse verläuft, wobei die Lichtleiter mit einer ihrer beiden Endflächen parallel zu der Achse ausgerichtet und mit ihrer anderen Endfläche mit einer der das erste Ende des Stabes bildenden, zu der Achse rechtwinkligen, planen Fläche optisch gekoppelt sind und das zweite Ende des Stabes optische Reflexionsmittel zur Reflexion der von einem beliebigen Punkt des ersten Endes durch den Stab kommenden Lichtwellen auf das erste Ende zurückfenthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsmittel wenigstens zwei plane, zueinander orthogonale Flächen, die die Achse (Z) etwa im gleichen, gemeinsamen Punkt (S) schneiden und reflektierende Planspiegel bilden, umfassen.

2. Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende drei parallele Flächen (15, 16, 17) aufweist, die ein reflektierendes, rechtwinkliges Trieder bilden, dessen Spitze dem gemeinsamen Punkt entspricht.

3. Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende zwei Flächen (8, 9) aufweist, die ein reflektierendes, rechtwinkliges Dieder bilden, dessen Kante (11) gthogonal zu der Achse (Z) verläuft und diese in dem gemeinsamen Punkt schneidet.

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4. Koppler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab aus einem Paseroptikelement (2, 3) mit einer axialen Länge von mindestens ^" tg u ist, wobei D der Kerndurchmesser der Paser und u der maximale Ablenkwinkel in dem Stab sind, und daß die reflektierenden Flächen etwa denselben Neigungswert in Bezug auf die Achse haben.

5. Koppler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stecker (22) zur Verbindung jeweils jedes Lichtleiters (10-j) des Bündels (10) mit einem Faseroptxkbündel (23-j), ein erstes mechanisches Teil (25) zur Ausrichtung dieser Bündel nach den Steckern zu einem Strang (23)> der zu der planen Endfläche (4) führt, und ein zweites mechanisches Teil zur mechanischen Halterung des Stabes vorgesehen sind.

6. Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 5₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenfläche des Stabes mit einer reflektierenden Schicht (13) überzogen ist.

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