DE2706331C3 - Optischer Entzerrer für die Signalübertragung über optische Mehrmoden-Wellenleiter - Google Patents

Optischer Entzerrer für die Signalübertragung über optische Mehrmoden-Wellenleiter

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Entzerrer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der also von den Wellenleitern übertragene Signale entzerrt, und betrifft dabei das allgemeine Feld der Signalübertragung über optische Mehrmoden-Lichtwellenleiter, zum Beispiel optische Fasern, Bänder oder dünne Filme, mit einem gestuften Brechungsindexpro FiI.
Die folgende Erläuterung nimmt auf optische Fasern Bezug, es wird jedoch darauf hingewiesen, daß das Dargestellte auch auf andere Arten optischer Wellenleiter extrapoliert werden kann, die ein Sprungprofil des Brechungsindex haben.
Bekanntlich tritt das in eine optische Faser eintretende Lichtsignal als eine Mehrzahl von Strahlen auf, die mit der Faserachse verschiedene Winkel einschließen und mit unterschiedlichem Winkel an der Wand des Kerns der Faser selbst auftreffen, an der die Brechungszahl sich sprunghaft ändert Gemäß den physikalischen Reflexionsgesetzen werden an dieser Wand die Strahlen totalreflektiert. Es erweist sich, daß die verschiedenen, durch die Faser laufenden Strahlen optische Wege von unterschiedlicher Länge nehmen: Der Axialstrahl läuft entlang einem minimalen Weg, der Strahl, der mit der Faserachse den Grenzwinkel, der als maximaler Leitungswinkel bezeichnet wird, einschließt, nimmt den Weg der maximalen Länge. Ein solcher Wegunterschied führt zu einer Verbreiterung ties Signals.
Tatsächlich ergibt es sich in einem Querschnitt der Faser in einem gewissen Abstand vom optischen Generator, daß ein als theoretisch zeitpunktmäßi,E;er Impuls (Dirac-Impuls) erzeugtes Signal eine endliche Breite aufweist, die um so größer ist, je größer der Abstand des untersuchten Querschnitts vom Impuls-Generator ist Bei großen Entfernungen stellt diese Signalverbreiterung die Hauptursache dafür dar, daß bei dieser Art von Faser das übertragbare Frequenzband erheblich eingeschränkt ist. Es muß nämlich die Wiederholungsfrequenz der erzeugten optischen Signale auf die Signalbreite bei der Ankunft der Signale im Empfänger abgestimmt werden, um Interferenzen zwischen aufeinanderfolgenden Signalen zu vermeiden. Im Bemühen, diesen Nachteil zu vermeiden, sind bereits verschiedene als Entzerrer bezeichnete Vorrichtungen bekanntgeworden.
Eine erste Art eines bekannten Entzerrers (Gloge D., Fibre Delay Equalization by Carrier Drift in the Detector« in: Optoelectronics, 1973, Bd. 5, S. 345—3!5O) arbeitet elektronisch und wirkt beim Empfang des Signals. Bei diesem elektronischen Entzerrer werden die mit unterschiedlichem Winkel hinsichtlich der Faserachse empfangenen Lichtsignale in getrennten Zonen elektronisch festgestellt und die Signale laifen durch Verzögerungsstrecken, die entsprechend dem Winkel und in Abstimmung hierauf unterschiedliche Verzögerungen bewirken. Die Schwierigkeit der Darstellung eines Entzerrers dieser Art, die Schwäche seiner Betriebsweise aufgrund der darin enthaltenen aktiven Komponenten und die Tatsache, daß die Verwendung eines bestimmten Empfängers erforderlich ist, haben die Technik nach anderen Arten von Entzerrern suchen lassen, die mit einfachen optischen Bestandteilen arbeiten.
So sind optische Entzerrer bekannt (US-PS 37 59 390 und 38 12 030), die Glaskonussysteme und/oder Linsensysteme verwenden, die Lichtstrahlen unterschiedlichen Winkels mit unterschiedlichem Winkel brechen und damit die unterschiedlichen Weglängen ausgleichen, wodurch der gewünschte Entzerrungseffekt bewirkt wird. Derartige Entzerrer müssen an Zwischenpunkien des Signalwegs angeordnet werden, um die fortschreitende Verbreiterung des Impulses zu verhindern.
Solche optischen Entzerrer mit Konen und/oder Linsen führen zu einem unvermeidlichen Energieverlust
aufgrund der Tatsache, daß darin wiederholte Brechungen auftreten, die unvermeidlich mit Teilreflexionen •'erbunden sind. Außerdem und vor allem haben sie den Nachteil, einen starren Entzerrungsfaktor in dem Sinn zu haben, daß jeder optische Aufbau ein chirakteristisches Verhältnis der Breite des entzerrten Signals zur Breite des nicht entzerrten Signals ergibt Dieses Verhältnis kann nicht geändert werden und liegt bei etwa V4.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgahe zugrunde, einen optischen Entzerrer der eingangs genannten Art zu schaffen, der sowohl Energieverluste aufgrund von Teilreflexionen vermeidet als auch eine Anpassung der Entzernjngscharakteristik an die Eigenschaften der übertragenen Signale und der Wellenleiter ermöglicht Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst Da dieser Entzerrer reflektierende Elemente verwendet, werden die Teiheflexionsverluste vermieden, und durch eine Änderung der Zahl und/oder der Lage der Spiegti kann das Verhältnis der Breite des entzerrten Signals zur Breite des nicht entzerrten Signals innerhalb sehr weiter Grenzen bis zu einem Grenzwert von V» verändert werden. Darüber hinaus bietet der erfindungsgemäße Entzerrer den Vorteil eines sehr einfachen Aufbaus von minimalen Raumbedarf.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt
F i g. 1 ein die theoretischen Prinzipien der Geometrie des der Erfindung zugrundeliegenden Systems veranschaulichendes Schema:
F i g. 2 ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses der Breite des entzerrten Signals zur Breite des nicht J5 entzerrten Signals als Funktion des von den beiden optischen Wellenleiter-Abschnitten gebildeten Winkels;
F i g. 3 eine schematische Darstellung zweier Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Entzerrers;
F i g. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels;
F i g. 5 eine schematische Darstellung zweier weiterer Ausführungsbeispiele.
Im folgenden wird die die Grundlage der Erfindung darstellende geometrische Theorie kurz unter Bezug- 4 j nähme auf F i g. 1 beschrieben. Zwei Abschnitte optischer Fasern /"und /"'mit Achsen a bzw. a'schließen am Eingang bzw. am Ausgang eines Entzerrers für die zu entzerrenden Signale an. In den Fasern / und /' entlanglaufende Lichtstrahlen haben Richtungen b, c ">< > bzw. b', c', die mit den Achsen a bzw. a'einen Winkel Θ, nämlich den maximalen Leitungswinkel der Faser, einschließen, für den die optische Verzögerung ihren iv. 'ximalwert hat. Die Achsen a und a' der Fasern schließen den Winkel Φ ein. Die Abschnittenden der Fasern /und /'haben zentrale Punkte Fbzw. F'.
Es ist zu beachten, daß die Winkel bFcund b'F'c'nur in der Zeichnung ebene Winkel sind, während sie in Wirklichkeit Raumwinkel sind. Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt für die folgende Erklärung.
Die Achse a der Faser / schneidet den Strahl der Richtung c', also mit dem maximalen Leitungswinkel der Faser /' in einem Punkt A und den Strahl der Richtung b' des maximalen Leitungswinkels an einem Punkt B. Entsprechend schneidet die Achse a'der Faser /'den Strahl der Richtung c des maximalen Leitungswinkels der Faser / an einem Punkt A' und den Strahl der Richtung b an einem Punkt B'. Aus theoretischen Betrachtungen ergibt sich, daß jedes Punktpaar A, A' und B, B\ die so festgestellt worden sind, also als Schnittpunkte der Achsen a und a'mit den Strahlen des Winkels Θ, zu einer ellipsoiden Umdrehungsfläche gehört, deren Brennpunkte die Punkte Fund F'sind. Es kann beobachtet werden, daß der auf der Achse a der Faser /eintreffende Strahl im Punkt A reflektiert wird und somit zum Strahl der Richtung c' des maximalen Leitungswinkels der Faser /' wird. Der Strahl der Richtung c der Faser / wird in A' reflektiert und wird somit zum Strahl in Richtung der Achse a'der Faser /'. Der Strahl in Richtung der Achse a der Faser /wird in B reflektiert und wird damit der Strahl der Richtung ö'des maximalen Leitungswinkels der Faser /'. Und der Strahl in Richtung b der Faser / wird im Punkt B' reflektiert und wird somit der Strahl in Richtung der Achse a'der Faser /'.
Dieser Austausch zwischen den axialen Strahlen und den Strahlen mit dem maximalen Leitungswinkel erzeugt einen entzerrenden Effekt, da derjenige Strahl, der im Faserabschnitt vor der Reflexion an den Flächen AA', BB'entlang dem kürzesten Weg fortgeschritten ist und somit nahezu keine Verzögerung aufweist, nach der Reflexion entlang dem längsten Weg fortschreitet und somit der maximalen Verzögerung unterworfen ist und umgekehrt Theoretische Betrachtungen zeigen, daß für diese Strahlen der entzerrende Ausgleich exakt ist. Für Zwischenwinkel ist die Entzerrung nicht vollständig, sie liegt jedoch innerhalb annehmbarer Grenzen. Die Werte des Entzerrungsfaktors, der später beschrieben wird, resultieren aus der an der Gesamtheit von Strahlen durchgeführten Entzerrung.
Was unter Bezugnahme auf optische Fasern dargestellt wurde, kann auch in Verbindung mit dünnen Filmen und dünnen Bändern gelten. Bei dünnen Filmen stellen / und /' Querschnitte der dünnen Filme in der Zeichenebene dar. Werden dünne Bänder dargestellt, so geben / und /' die mit ihrer maximalen Breite auf die Zeichenebene gelegten Bänder an. Jedes Punktepaar A, A' und B, B' gehört dann zu einem Zylinder, dessen Erzeugende senkrecht zur Zeichenebene liegen. Die normalen Querschnitte dieses Zylinders sind Ellipsen, deren Brennpunkte die Punkte Fund F'sind.
In F i g. 2 sind auf der Abszisse die Werte des Winkels Φ aufgetragen, der durch die Achsen der Fasern /und /' eingeschlossen wird. Auf der Ordinate sind die Werte des Verhältnisses K der Signalbreite des erfindungsgemäß entzerrten Signals zur Signalbreite des nicht entzerrten Signals dargestellt. Der Wert E= MK wird im folgenden als »Entzerrungsfaktor« bezeichnet
Im einzelnen zeigen Kurven λ und β den Verlauf von K, wenn nur der untere Spiegel AA '(F i g. 1) vorhanden ist. Die Kurve λ wird erhalten für eine Faser /1 von hoher Leitung, nämlich einer Faser, die einen maximalen Leitungswinkel θ = 0,3 rad aufweist. Die Kurve β wird erhalten bei einer Faser h von niedriger Leitung, nämlich von einer Faser, die einen maximalen Leitungswinkel von θ = 0,1 rad aufweist. Werden Fasern mit dazwischenliegender Leitung betrachtet, so liegen die Kurven zwischen den Werten von « und ß.
Die Kurven «' und ß' zeigen den Verlauf von K, wenn nur der obere Spiegel ö (Fig. 1) vorhanden ist. Die Kurve <x' wird mit der Faser /1 und die Kurve ß' mit der Faser/2 erhalten.
Aus der analogen Form der Kurven α und ß', «' und ß' kann geschlossen werden, daß für Fasern mit unterschiedlichem maximalem Leitungswinkel θ der untere Spiegel AA' (Fig. 1) die Signalentzerrung verbessert,
wenn sich der von den Fasern /und /'eingeschlossene Winkel Φ verkleinert. Das Verhältnis K beträgt 1 :4 (F i g. 2), wenn der Winkel Φ = π/2 rad, und er erniedrigt sich bis zum Wert 1Ao, wenn der Winkel Φ = 0,36 rad.
Im Gegensatz hierzu verschlechtert der obere Spiegel BB'(F i g. 1) die Signalentzerrung, wenn der von den Fasern / und /' eingeschlossene Winkel θ kleiner wird. Das Verhältnis K = V4 (F i g. 2), wenn der Winkel Φ = π/2, und es erhöht sich, wenn π < Φ/2.
Bei der Entscheidung, welcher Winkel Φ einer optimalen Entzerrung entspricht, müssen zwei verschiedene Fälle entsprechend zwei verschiedenen Entzerrungsbedürfnissen getrennt untersucht werden.
Der erste Fall bezieht sich auf die Fernübertragung von Signalen. In diesem Fall ist es besonders wichtig, die Leistung des Signals aufrechtzuerhalten, also die Übertragung des größten Teils der Lichtstrahlen, die im maximalen Leitungswinkel θ der Faser enthalten sind, sicherzustellen. Hierdurch ergibt sich die Notwendigkeit beider Spiegel AA' und 2?ß'(Fig. 1), von denen jeder die Hälfte der von den Fasern übertragenen Strahlen reflektiert Es muß nun ein Winkel Φ zwischen den Achsen der Faserabschnitte bestimmt werden, für den die insgesamt durch beide Spiegel bewirkte Entzerrung so hoch als möglich ist, für den also das Verhältnis K ein Minimum ist und infolgedessen der Entzerrungsfaktor ein Maximum ist. Aus dem Diagramm nach F i g. 2 ergibt sich, daß dies erreicht wird, wenn θ = π/2. K hat dann den Wert V4 für beide Spiegel, der Entzerrungsfaktor ist also E = 4.
Der zweite Fall bezieht sich auf die Kurzstrecken-Signalübertragung, bei der es vor allem wichtig ist, empfängerseitig ein dem von der Quelle abgegebenen Signal so ähnliches Signal als möglich zu erhalten, so daß also ein hoher Entzerrungsfaktor benötigt wird. In diesem Fall ist es weniger wichtig, die Leistung des Signals zu erhalten, und es ist zulässig, nur einen innerhalb des Winkels θ enthaltenen Teil der Lichtstrahlen zu übertragen, wenn dies die Entzerrung verbessert. In diesem Fall wird nur die Hälfte der von der Faser transportierten Lichtstrahlen weitergegeben und nur der Spiegel AA' verwendet, während der Spiegel BB'entfällt. Die Abschnitte der Fasern /und /' werden dann so angeordnet, daß der Winkel Φ einen Wert entsprechend der maximalen Entzerrung durch den Spiegel A'A' hat Dies bedeutet, daß bei Verwendung einer Faser von hoher Leitung (Kurve λ) der Winkel Φ = 0,36 rad, entsprechend einem Verhältnis K = V50. Für eine Faser niedrigerer Leitung (Kurve ß) beträgt der Winkel Φ = 0,12 rad, was einem K = V50 entspricht, mit einem Entzerrungsfaktor E = 50.
Aus diesen Darlegungen wird klar, daß auf der Basis des Prinzips nach F i g. 1 viele verschiedene Entzerrer, von denen jeder besondere Anforderungen erfüllt, gebaut werden können. Für diesen Zweck genügt es, den von den Achsen a und a'der beiden Faserabschnitte gebildeten Winkel und entsprechend die Lage der Spiegel oder deren Ausdehnung so festzulegen, daß die gewünschte Entzerrung erhalten wird, was innerhalb der durch die Darstellung nach Fig.2 angegebenen Grenzen möglich ist Zur Erzielung der beschriebenen Forderung für eine sehr hohe Entzerrung auf kurzen Signalwegen kann man eine Anzahl von Entzerrern bauen, die nur mit einem einzigen Spiegel ausgestattet sind und einen Entzerrungsfaktor £über 4 bis zu einem Maximalwert von 50 haben.
Fig.3 zeigt schematisch und beispielhaft erstens einen Entzerrer für optische Fasern, der aus zwei Spiegeln mit der Form wie eine Schale eines Umdrehungsellipsoids gebildet ist, mit einem Winkel zwischen den Fasern Φ = π/2 und einem Entzerrungsfaktor E = 4 für Fasern von hoher Leitung (Θ = 0,3 rad). Der Entzerrer ist für Fälle anwendbar, in denen ein Maximum der übertragenen Leistung aufrechtzuerhalten ist.
AA' und BB' sind die Schnitte entlang der Zeichenebene durch die Spiegel, die, wie gesagt, Teile zweier Umdrehungsellipsoide mit gemeinsamen Brennpunkten F und F' sind. Ein Block P besteht aus beliebigem transparentem Material mit einem Brechungsindex gleich dem Index des Kerns der Fasern I und/'.
Die Vorrichtung bereitet keine besonderen konstruktiven Schwierigkeiten, sofern die Spiegel und Fasern in transparentes Material eingebettet sind. Es muß nur eine gewisse Aufmerksamkeit auf die korrekte Stellung der Fasern und Spiegel aufgewandt werden, wenn das den Block P bildende transparente Material gegossen wird.
Bei der gleichen Art der Übertragung ist die Aufrechterhaltung der maximalen Energie auch mit Hilfe dünner Filme oder Bänder erzielbar. Hierfür kann gemäß dem Schema nach F i g. 3 zweitens ein Entzerrer erhalten werden, bei dem AA'una BB''die Querschnitte von zwei Spiegeln sind, die die Form von Zylindersektoren mit elliptischem Querschnitt haben, die parallel zueinander und senkrecht zur Zeichenebene angeordnet sind.
F i g. 4 zeigt ein Beispiel eines Entzerrers für optische Fasern, der sich für eine Übertragung unter Aufrechterhaltung der maximalen Energie eignet, gemäß dem jeder im Beispiel nach F i g. 3 vorhandene Spiegel durch zwei Spiegel ersetzt ist, von denen jeder einen Teil eines Zylinders mit elliptischem Querschnitt darstellt und F und F' die Brennpunkte der Ellipsen sind. Im einzelnen entsprechen zwei Zylinderspiegel Sund S'dem Spiegel A, A'in Fig.3 und zwei Zylinderspiegel Tund T'dem Spiegel BB' in Fig.3. Der Spiegel 5' ist im rechten Winkel zum Spiegel 5 angeordnet und der Spiegel T'im rechten Winkel zum Spiegel T. Durch diese Anordnung wirkt jedes Paar von Zylinderspiegeln wie ein einziges Umdrehungsellipsoid, wie sich leicht aus elementaren geometrischen Betrachtungen ergibt. Ersichtlich sind wiederum die Punkte F und F' die Brennpunkte der gesamten Mehrzahl von Spiegeln. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Spiegel und die Enden der Fasern / und /' in einem Block P aus transparentem Material eingebettet, dessen Brechungsindex gleich dem Index des Faserkerns ist
F i g. 5 zeigt ein Beispiel eines Entzerrers für optische Fasern in der schematisch in Fig.3 dargestellten Art, jedoch mit nur einem einzigen Spiegel CQ der gemäß einer ersten Ausführung die Form einer Schale eines Umdrehungsellipsoids hat, mit einem von den Fasern eingeschlossenen Winkel Φ = 036 rad und somit einem Verzerrungsfaktor E = 50, wenn hoch leitende Fasern verwendet werden, deren Leitungswinkel θ = 03 rad. Er kann also im Fall angewandt werden, daß eine Übertragung mit hohem Entzerrungsfaktor gefordert wird.
Wird diese Art der Übertragung mit hohem Entzerrungsfaktor mit Hilfe dünner Filme oder Bänder ausgeführt, so kann eine zweite Ausführung des Entzerrers ebenfalls entsprechend dem Schema nach F i g. 5 gebaut sein, wobei dann die Kurve CC der
Querschnitt eines Spiegels in der Zeichenebene ist, der als Teil eines Zylinders mit elliptischem Querschnitt geformt ist
Ein weiterer Entzerrer für optische Fasern von hoher Leitung der Art nach F i g. 4 zur Durchführung einer
Übertragung mit sehr hohem Entzerrungsfaktor kann durch Verwendung von nur einem Spiegelpaar, beispielsweise der Spiegel 5 und S', erhalten werden, die gemeinsam als der Spiegel CC'nach F i g. 5 wirken.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Optischer Entzerrer zur Signalübertragung über optische Mehrmoden-Wellenleiter für Nachrichtenverbindungen mit einem sprunghaften Brechungsindexprofil, einer Längsachse und einem kritischen maximalen Leitungswinkel der Lichtstrahlen, zum Einsetzen in den Verlauf des Wellenleiters und zum Verbinden zweier Wellenleiterabschnitte, wobei er die aus dem ersten Wellenleiterabschnitt austreten- ίο den und von ihm aufgefangenen Lichtstrahlen so ablenkt, daß jeder entlang der Achse aus dem ersten Wellenleiterabschnitt austretende Strahl in die Richtung des maximalen Leitungswinkels des zweiten Wellenleiterabschnitts gebracht wird und in diesen eintritt und jeder in der Richtung des maximalen Leitungswinkels des ersten Wellenleiterabschnitts aus diesem austretende Strahl in die Richtung der Achse des zweiten Wellenleiterabschnitts gebracht wird und in diesen eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Ablenkung als Reflexion durch wenigstens einen von einem der Wellenleiterabschnitte (f, P) ausgehende Lichtstrahlen (b, c) reflektierenden Spiegel (A,A\ BB' in F i g. 1; CC in F i g. 5; S,S', T, T in F i g. 4) bewirkt wird, der bzw. welche den Querschnitt eines Ellipsensegments hat bzw. haben, dessen Brennpunkte die geometrischen Mittelpunkte (F, F') der Enden der Wellenleiterabschnitte sind.
2. Optischer Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Spiegel (AA', BB', CC) die Form einer Schale aus einer Umdrehungsellipsoidfläche hat.
3. Optischer Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Spiegel (S, S'. T, V) die Form eines Teils einer Zylinderfläche mit elliptischem Querschnitt hat.
4. Optischer Entzerrer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Spiegel (CC) vorhanden ist, der die Hälfte der aus dem ersten Wellenleiterabschnitt (f) austretenden Lichtstrahlen reflektiert.
5. Optischer Entzerrer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spiegel (AA'. BB') vorhanden sind, von denen jeder die Hälfte der aus dem ersten Wellenleiterabschnitt (f) austretenden Lichtstrahlen reflektiert.
6. Optischer Entzerrer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von Spiegeln (S, S'; T, T) vorhanden sind, von denen jedes der Paare einen Spiegel aus einer Umdrehungsellipsoidfläche nachbildet.
7. Optischer Entzerrer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Enden der Wellenleiterabschnitte (f, P) als auch die Spiegel (CC; AA; BB';S, S', T, T')m einem Block (F) aus transparentem Material mit einem Brechungsindex gleich dem Index des Kerns der Wellenleiterabschnitte eingebettet sind
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