DE2654085A1 - Abzweigvorrichtung fuer multimode- glasfasern - Google Patents

Description

• ABZWE 1 GVORR ICHTUNG FÜR MULTIMODE -GLASFASERN
• Die Erfindung betrifft eine Abzweigvorrichtung für Multimode-Glasfasern.
• Eine Glasfaser besteht aus einem Kern mit einem Brechungsindex N und einem Mantel mit einem Brechungsindex n <N.
• Bei der Verwendung derartiger Fasern zur Nachrichtenübermittlung ist eine Abzweigvorrichtung nützlich, mit der ohne Unterbrechung der Glasfaser ein Bruchteil des übermittelten Lichts -abzunehmen ist, um beispielsweise in der Nähe des Abzweigpunktes über die von der Faser weiter-transportierte Information zu verfügen. Bisher wurden keine derartigen Vorrichtungen für Multimode-Glasfasern vorgeschlagen. Bei diesen Glasfasern breitet sich das Licht gemäß mehreren verschiedenen Ubertragungsarten aus. Sie sind die einzigen, deren industrielle Verwendung praktisch wegen ihres relativ großen Durchmessers d (beispielsd weise 0,15 mm) ins Auge gefaßt ist. Dieser DurchmesserXervibt sich aus der Beziehung wobei f die Frequenz des verwendeten Lichts und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.
• Bei Monomodefasern dagegen, deren sehr kleiner Durchmesser (beispielsweise 5 Mikron) die praktische Anwendung allerdings erschwert, wurde im Experiment ein Verfahren zum Herausziehen des Lichts aus dem Faserkern durch seinen Mantel und zur Einspeisung in einen Flachleiter erprobt (E.A. Ash et al :'§Integrated Optics for Fibre Communications Systems", Optical Fibre Communications Conference, 16-18 September 1975, London).
• Eine Monomodefaser kann Licht in ihrem Kern lediglich nach einer einzigen Ausbreitungsweise weiterleiten. Das genannte Experiment bestand daher darin, die Ausbreitungskonstante des Lichts so zu verändern, daß es sich nicht mehr im Kern weiter ausbreiten kann. Das Licht geht also in den Mantel über, von wo aus es seitlich mit Hilfe eines durchsichtigen Bauteils, dessen Brechungsindex mindestens gleich dem des Mantels ist und das in optischem Kontakt mit dem Mantel steht, herausgezogen werden kann.
• Die Anderung der Ausbreitungskonstante wird dadurch erreicht, daß in der Faser durch Einklemmen in einem durchmit sichtigen Blockreingraviertem parallelen Netz alternierende Krümmungen hervorgerufen werden. Es ist bekannt (D. Marcuse Coupled Mode Theory for Round Optical Fibres, Bell Syst. Tech.
• J. 52, Seite 817, 1973), daß, wenn die Lage der Faserachse, ihre Krümmung, ihre Brechzahl oder der Kerndurchmesser entlang der Ausbreitungsachse Änderungen erfahren, es zu einem Energieaustausch zwischen verschiedenen, den verschiedenen Werten der Ausbreitungskonstante K entsprechenden Ausbreitungsmoden kommt.
• Wenn der so eingeführte Fehler sinusförmig mit einer Raumfrequenz P in Radianten pro Längeneinheit ist, erfolgt der Energieaustausch zwischen zwei Ausbreitungsmoden mit einer Ausbreitungskonstanten K1 bzw. K2 derart, daß K1 - K2 = wobei dieser Energieaustausch in beiden Richtungen erfolgen kann. Ein derartiges Lichtabzweigverfahren hat sich für das Abzweigen von Licht aus Multimodefasern als nicht anwendbar erwiesen (W.J. Stuart :"Mode Conversion due to periodic distorsions of the fibre axis11, Optical Fibre Communications Conference, 16-18 September 1975).
• Zunächst sieht es nämlich so aus, als gewänne man nichts durch eine Wellentypumwandlung, bei der ausgehend von einem sich im Kern ausbreitenden Wellentyp ein anderer Wellentyp erzeugt würde, der sich ebenfalls im Kern ausbreiten kann.
• Man müßte daher eine Wellentypumwandlung finden, bei der man ausgehend von dem sich im Kern ausbreitenden Wellentyp zu einem Wellentyp gelangen würde, der sich nicht mehr im Kern fortpflanzen kann. Es ist bekannt, daß die obere Grenze KM und die untere Grenze Km der Ausbreitungskonstante K derjenigen Wellentypen, die im Kern weitergeleitet werden können, durch die Beziehungen c.KM = 6,283.f.N und c.Km = 6,283.f.n gegeben sind, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und f die Frequenz des verwendeten Lichts ist. Die Abzweigung eines wesentlichen Bruchteils der transportierten Energie erfordert nicht nur, daß die in die Faser eingeführte Verformungsamplitude ausreichend groß ist, sondern auch, daß ihre Raumfrequenz P nicht zu sehr unter der Differenz KM - Km liegt.
• Diese Differenz jedoch ist bei einer Multimodefaser groß, da der Brechungszahlunterschied N - n selbst groß ist.
• Die maximale Verformungsamplitude, die mit einer derart hohen Raumfrequenz eingeführt werden kann, ist wegen des großen Radius der Multimodefaser sehr gering, der wegen der Bruchgefahr eine allzu große Krümmung der Faser nicht zuläßt. Der Bruchteil der abgezweigten Lichtenergie wäre somit viel zu klein. Deshalb wurde bislang trotz des offensichtlichen Bedarfs keine Abzweigvorrichtung für Multimodefasern bekannt.
• Aufgabe der Erfindung gemäß Hauptanspruch ist es daher, eine Abzweivorrichtung vorzuschlagen, die für eine Multimode-Glas faser verwendbar ist.
• Anhand der beiliegenden schematischen drei Figuren werden nachfolgend mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
• Fig. 1 zeigt ein mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung versehenes Glasfaser-Fernmeldesystem.
• Fig. 2 zeigt einen Lichtadapter, wie er in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendbar ist.
• Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Abzweigwegen.
• Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt eine Lichtquelle 2, die monochromatisches Licht einer Wellenlänge von 0,633 Mikron liefert, das durch ein von einem Sender 4 kommendes informationstragendes Signal amplitudenmoduliert ist. Dieses Licht wird von einer Glasfaser 6 empfangen, die aus einem Kern 7 mit einem Durchmesser von 0,085 mm und einem Brechungsindex N = 1,458 und einem diesen umgebenden Mantel 9 mit dem Durchmesser 0,125 mm und dem Brechungsindex 1,450 besteht.
• Das Licht wird über die gesamte Länge der Faser 6 geleitet und verläßt diese am Ausgangsende, um von einem Licht detektor 8 empfangen zu werden, der für einen Empfänger 10 das vom Sender 4 gelieferte Signal wiederherstellt.
• Mit der erfindungsgemäßen Abzweigvorrichtung kann dasselbe Signal an einem zwischen dem Anfangs- und Endpunkt der Faser 6 liegenden Punkt zurückgewonnen werden. Die Vorrichtung enthält zunächst ein mechanisches System, mit dessen Hilfe die Faser 6 praktisch sinusförmig mit einer Wellenlänge von 2 mm, die einer Raumfrequenz von P = 3,14 Radianten/mm entspricht, und mit einer einstellbaren Amplitude verformt werden kann. Dieses mechanische System umfaßt zwei Messingblöcke 12 und 14, die zwei sich gegenüberliegende parallele Flachseiten aufweisen, in die zwei parallel verlaufende Muster eingraviert sind, wobei die vorspringenden Bereiche eines Musters genau den komplementären Vertiefungen des anderen Musters gegenüberliegen. Jedes Muster enthält zehn Vorsprünge und zehn Vertiefungen. Der obere Block 14 wird mit einer einstellbaren Kraft von etwa 0,5 kg mit Hilfe eines mit dem unteren Block 12 fest verbundenen Bügels 13 und einer sich in diesem Bügel drehenden Schraube 15 auf den unteren Block 12 gepreßt.
• Es können auch andere Raumfrequenzen verwendet werden. Insbesondere kann man bis mindestens zum Doppelten des oben angegebenen Wertes gehen.
• Die verwendete Faser ist derart, daß KM - Km = 80 mm'l für das verwendete Licht ist. Die notwendige Anzahl von Wellentypübergängen beträgt so 13, damit der größte Teil des sich im Kern 7 gemäß der Grundwelle, die in etwa K = KM entspricht, ausbreitenden Lichts zu einem Wellentyp übergeht, der K < Km entspricht und sich dann im Mantel 9 fortpflanzt. Jedoch muß berücksichtigt werden, daß ein Teil des Lichts sich normal im Kern gemäß Zwischenwellentypen ausbreitet, die eine geringere Anzahl von Übergängen benötigen, um einen Wellentyp zu erreichen, der sich nur noch im Mantel ausbreiten kann. Auch muß beachtet werden, daß die Wellentypübergänge reversibel sind, d.h. daß ein Teil des Lichts, das sich nach Wellentypübergängen im Kern 7 gemäß einem Wellentyp ausbreitet, der bei einem Wert von K in der Nähe des Mindestwerts Km liegt, .weitere Übergänge erfahren wird, die den Wert von K erhöhen und diesen wieder in die Nähe des Maximums KM bringen. Es ist daher schwierig, -rnau vorauszuberechnen, welcher Lichtanteil in den Mantel übergeht.
• Im Experiment wurde für das beschriebene Beispiel herausgefunden, daß dieser Lichtanteil größer als 1/3 ist.
• Er ist durch Verändern des auf den Block 14 ausgeübten Drucks einstellbar.
• Das sich im Mantel 9 ausbreitende Licht wird anschließend teilweise mit Hilfe eines oder mehrerer Brechzahladapter wie beispielsweise 16 zurückgewonnen, die jeweils aus einem Glasblock bestehen, dessen Brechzahl vorzugsweise mindestens gleich der des Mantels ist und der mit einem Bruchteil der Oberfläche des Mantels in der Nähe und hinter dem aus den Blöcken 12 und 14 gebildeten mechanischen System in optischem Kontakt steht. Das sich im Mantel ausbreitende Licht durchquert diesen Adapter, dessen Form so gewählt wird, daß anschließend dieses Licht in die Außenatmosphäre austreten kann, wo es von einem Lichtdetektor 18 empfangen wird. Letzterer liefert einem Empfänger 20 das vom Sender 4 abgegebene Signal. Dieses Signal wird also an einem Abzweigpunkt zwischen den Endpunkten der Faser aufgefangen und dann verwendet, während es außerdem gleichzeitig am Ausgangsende der Faser in einem Empfänger 10 zurückgewonnen werden kann. Ist der Empfang dieses Signals am Abzweigpu'flkt nicht erwünscht und ist dagegen eine maximale Amplitude des am Ausgangsende der Faser empfangenen Signals wichtig, dann hebt man den auf den Messingblock 14 ausgeübten Druck auf.
• Die Elastizität der Faser 6 verleiht ihr daraufhin wieder ihre geradlinige Form.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch verwendet werden, wenn das abgezweigte Licht am Abzweigungspunkt nicht genutzt wird. Sie dient dann dazu, die zum Ausgangsende der Faser übertragene Lichtmenge zu verringern oder zeitweilig diese Übertragung zu unterbrechen. Der Brechzahladapter 16 ist dann evtl. nicht mehr notwendig, da das sich im Mantel ausbreitende Licht ziemlich rasch durch Austreten über Oberflächenfehler an der Mantelaußenseite verloren geht.
• Im übrigen können die alternierenden Krümmungen bei der Herstellung der Faser als bleibende Struktur in einem Glasfaserabschnitt vorgesehen werden, der in die Faser eingefügt wird, deren Licht abgezweigt werden soll. In diesem Fall ist das mechanische System 12, 14 nicht mehr erforderlich.
• Der Adapter 16 kann in verschiedenen Formen vorliegen, je nach dem Empfänger, der das aus der Faser 6 abgezweigte Licht empfangen soll.
• Will man das Licht z.B. gemäß Fig. 2 auf einem Licht detektor 34 empfangen, dessen lichtempfindliche Oberfläche 36 praktisch punktförmig ist, so kann eine Halbkugel 30 mit 35 mm Durchmesser und mit einem Brechungsindex von beispielsweise 1,5 gewählt werden (größer oder gleich dem Brechungsindex des Mantels).
• Die Faser 6 wird zwischen der ebenen Fläche dieser Halbkugel und einer Flachzunge 32 eingeklemmt, die einen Spiegel bildet und aus metallisiertem Glas besteht.
• Falls ein Teil des Lichts auf einem zweiten Lichtdetektor empfangen werden soll, läßt man die Zunge 32 fort und ordnet eine zweite Halbkugel und den zweiten Lichtdetektor so an, daß zur durch die Fasernachse 6 und parallel zur ebenen Seite der Halbkugel 30 verlaufenden Ebene Symmetrie hergestellt wird, wobei die beiden Halbkugeln sowie die beiden Lichtdetektoren zueinander symmetrisch liegen.
• Soll das abgezweigte Licht gemäß Fig. 3 in einer oder mehreren der Faser 6 gleichartigen Fasern, beispielsweise in zwei Fasern 38 und 40, aufgefangen werden, so werden diese mit der Faser 6 über eine Länge von beispielsweise 1 cm in seitlichen Kontakt gebracht, wobei die Achsen der drei Fasern parallel verlaufen, wie es in Fig. 3 dargestellt wird. Anschließend entfernen sich die Fasern 38 und 40 in Lichtausbreitungsrichtung von der Faser 6, die durch einen Pfeil 42 angedeutet ist.
• Soll das abgezweigte Licht in einem aus einer Glaszunge bestehenden Flachleiter aufgefangen werden, so wird eine Seite dieses Flachleiters mit der Faser 6 in Kontakt gebracht.
• Patentansprüche

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE 1 - Abzweigvorrichtung für eine Multimode-Glasfaser mit einem Kern und einem ihn umgebenden Mantel, dessen Brechungsindex niedriger als der des Kerns gewählt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Glasfaser (6) einen Abschnitt besitzt, der solche alternierenden Kürmmungen aufweist, daß das Licht im Kern einer Aufeinanderfolge von Wellentypumsetzungen unterliegt und ein so niedriger Endwert für die Ausbreitungskonstante erhalten wird, daß dadurch Licht sich im Mantel ausbreitet.
2. 2 - Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie darüber hinaus einen Brechungsindexadapter (16) umfaßt, der hinter dem Abschnitt in optischem Kontakt mit der Außenfläche des Mantels angeordnet ist, so daß das sich im Mantel ausbreitende Licht in diesen Adapter übergeht.
3. 3 - Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Form des Brechungsindexadapters (16) so gewählt wird, daß das Licht, das in ihn eingedrungen ist, zu einem Bauteil (18, 20) geleitet wird, in dem dieses Licht verwendet werden soll.
4. 4 - Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Brechungsindexadapter die Form einer Halbkugel (30) aufweist und hinter dem Abschnitt mit der Flachseite auf der Außenfläche des Mantels (9) aufliegt.
5. 5 - Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie mindestens einen Lichtleiter (38) aufweist, der hinter dem Abschnitt mit der Außenfläche des Mantels (9) in optischem Kontakt steht, so daß das sich im Mantel ausbreitende Licht in diesen Lichtleiter übergeht.
6. 6 - Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die alternierenden Krümmungen durch elastische Verformung mittels eines mechanischen Systems erzeugt werden, das aus zwei Blöcken (12, 14) besteht, zwischen denen die Faser eingeklemmt wird, wobei Vertiefungen des einen Blocks Erhebungen des anderen Blocks gegenüberliegen.
7. 7 - Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie Mittel (13, 15) aufweist, mit denen der auf die Faser durch das mechanische System (12, 14) ausgeübte Anpreßdruck einstellbar ist.