DE2731957A1

DE2731957A1 - Optischer entzerrer fuer die uebertragung von signalen ueber optische mehrmoden-wellenleiter

Info

Publication number: DE2731957A1
Application number: DE19772731957
Authority: DE
Inventors: Pietro Di Vita
Original assignee: CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni SpA
Current assignee: Telecom Italia SpA
Priority date: 1976-07-16
Filing date: 1977-07-14
Publication date: 1978-01-19
Also published as: FR2358671A1; NL7707788A; DE2731957B2; DE2731957C3; FR2358671B1; GB1582532A; CA1072790A; IT1071131B

Description

CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni S.p.A.

Turin, Italien

Optischer Entzerrer für die übertragung von Signalen über optische

Mehrmoden-Wellenleiter

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Entzerrer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der die über diesen Wellenleiter übertragenen Signale vollständig entzerrt.

Bekanntlich tritt das in einen optischen Wellenleiter eintretende Lichtsignal als eine Mehrzahl von Strahlen auf, die unterschiedliche Winkel mit der Achse des Wellenleiters bilden und unter unterschiedlichen Winkeln auf die Wand des Kerns des Wellenleiters auftreffen, an der sich der Brechungsindex sprunghaft ändert. An dieser Wand werden die Strahlen nach den bekannten physikalischen Gesetzen reflektiert.

Es erweist sich, daß die verschiedenen entlang der Faser fortschreitenden Strahlen unterschiedliche Wege mit verschiedenen Längen nehmen: Der Axialstrahl schreitet entlang dem kürzesten Weg fort, während der den sogenannten kritischen Winkel, d.h. den maximalen Winkel gegen die Faserachse, bei dem noch Totalreflexion eintritt, mit der Faserachse einnehmende Strahl entlang dem längsten optischen Weg fortschreitet. Zwischen diesen beiden Extremzuständen verlaufen dazwischenliegende Strahlen mit Zwischenwinkeln zur Wellenleiterachse. Diese Strahlen nehmen Wege mit einer Zwischen-Länge, die zwischen der Weglänge des Axialstrahls und der des Strahls mit dem kritischen Winkel liegt.

Diese unterschiedliche Weglänge führt zu einer Verbreiterung des für eine digitale übertragung gebrauchten Impulssignals. Tatsächlich zeigt es sich in einem Querschnitt der Faser des Wellenleiters in einem gewissen Abstand vom Generator, daß das theore-

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tisch als Zeitpunkt-Impuls (Dirac-Impuls) erzeugte Signal eine endliche Breite aufweist, die sich mit dem Abstand des untersuchten Querschnitts vom Generator erhöht.

Bei großen Entfernungen stellt diese Signalverbreiterung die Hauptursache dar, daß bei dieser Art von Wellenleitern das übertragbare Frequenzband erheblich beschränkt ist, da die Impuls-Wiederholungsfrequenz auf die Breite der am Empfänger eintreffenden Signale abgestimmt werden muß, um zu verhindern, daß Interferenzen zwischen aufeinanderfolgenden Signalen auftreten.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit sind verschiedene Arten sogenannter Entzerrer bekannt geworden. Bei einem auf den Signalempfang hin arbeitenden elektronischen Entzerrer werden die Strahlen mit den verschiedenen Winkeln gegen die Wellenleiterachse elektronisch in getrennten Zonen erfaßt und die Signale durch geeignete, sich entsprechend den Winkeln ändernde Verzögerungsstrecken geleitet, womit die Signalweite theoretisch um 90% verkleinert werden kann. Wegen der Schwierigkeit der Ausführung wird dieser Entzerrer jedoch nicht mehr verwendet. Als jüngere Entwicklung sind optische Entzerrer bekannt.

Diese optischen Entzerrer bestehen allgemein aus Sammellinsen unterschiedlicher Form, die gemäß den bekannten Brechungsgesetzen die durchtretenden Lichtstrahlen in verschiedenen Winkeln brechen. Das gemeinsame Prinzip dieser Entzerrer besteht darin, daß solche Strahlen, die den Winkel Null mit der Achse des optischen Wellenleiters einnehmen, also die Axialstrahlen, in Strahlen umgewandelt werden, die mit der Achse des Wellenleiters den kritischen Winkel einnehmen, und daß umgekehrt Strahlen mit dem kritischen Winkel in Axialstrahlen umgewandelt werden, so daß aufgrund dieses Austausche der Unterschied der optischen Wege ausgeglichen wird.

Diese Entzerrer haben die gemeinsame Charakteristik, daß sie nur die den längsten und den kürzesten Weg einnehmenden Strahlen,

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also die Axialstrahlen und die Strahlen mit dem kritischen Winkel, entzerren, wahrend die dazwischenliegenden Strahlen nicht ausreichend berücksichtigt werden und infolgedessen nicht entzerrt werden. Aus dieser Teil-Entzerrung ergibt sich als wichtigste Folge, daß die Breite des empfangenen Impulses nur um 75% der Breite, die der Impuls ohne Entzerrung hat, vermindert wird. Eine solche Reduktion kann genügen, wenn die übertragung nicht über lange Strecken verläuft oder wenn das Band der übertragbaren Frequenzen nicht ursprünglich sehr breit ist. Andernfalls stellt die Breite des empfangenen Signals immer noch ein wichtiges Problem dar.

Demgegenüber hat der in den Ansprüchen gekennzeichnete Voll-Entzerrer die Hauptcharakteristik, daß er eine vollständige Entzerrung durchführt, also sämtliche Strahlen unabhängig von ihrem Winkel, den sie beim Austritt aus dem Wellenleiterabschnitt einnehmen, entzerrt, wobei dieser Winkel ersichtlich zwischen dem Winkel Mull des Axialstrahls und dem kritischen Winkel liegt. Die Erfindung erlaubt es weiterhin, daß, ausgehend von einem einzigen theoretischen Prinzip, unterschiedliche Ausführungen entsprechend den Charakteristiken der Obertragungleitung und der zur Verfügung stehenden Thechnologie möglich sind. Schließlich ist sie mit maximal zwei Brechungskörpern darstellbar, so daß der Reflexions-Energie verlust, wie er stets bei Brechungsvorgängen auftritt, minimalisiert ist. Die Brechungskörper sind die beiden identischen Brechungslinsen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur allgemeinen Beschreibung des Verhaltens der optischen Strahlenwege durch den erfindungsgemäßen Voll-Entzerrer;

Fig. 2 Schnittlinien von den Gesamtentzerrer bildenden Linsen;

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Fig. 3 ein Diagramm des Verhaltens der Lichtstrahlen im Fall einer Linse mit einer Schnittlinie nach einer Kurve A in Fig. 2;

Fig. 4 ein Diagramm des Verhalters der Lichtstrahlen im Fall einer Linse mit einer Schnittlinie nach einer Kurve B in Fig. 2;

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch das Linsensystem eines Entzerrers, der Linsen mit dem Querschnitt nach der Kurve A in Fig. 2 verwendet;

Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch das Linsensystem eines Entzerrers, der Linsen mit dem Querschnitt nach der Kurve B in Fig. 2 verwendet;

Fig. 7 einen schematischen* Querschnitt durch das Linsensystem eines Entzerrers entsprechend einer ersten Abwandlung der Ausführungsform, in der die Linsen nach Fig. 5 verwendet werden;

Fig. 8 einen schematischen Querschnitt durch das Linsensystem eines Entzerrers entsprechend einer ersten Abwandlung der Ausführungsform, in der die Linsen nach Fig. 6 verwendet werden;

Fig. 9 einen schematischen Querschnitt durch den Entzerrer im Fall einer Ausführungsform, die einen Körper mit stetigem Indexprofil verwendet.

Der Aufbau und die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Entzerrers werden aus der Theorie anschaulich, die der Erfindung zugrunde liegt und es ermöglicht, die Schnittlinien nach Fig. 2 zu erhalten. Diese Theorie wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. für die verschiedenen hier betrachteten Elemente kurz erläutert. In Fig. 1 sind zwei Hellenleiterabschnitte g,g* und zwei Linsen L,L' angedeutet, deren Achsen auf einer gemeinsamen Geraden liegen.

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Theoretische untersuchen haben gezeigt, daß eine vollständige Vergleichmäßigung der optischen Strahlenwege erzielt werden kann, wenn die Bedingung erfüllt ist:

see θ + sec θ* =1+ sec θ „ (1)

wobei:

θ = der von einem allgemeinen, vom ersten Abschnitt g eines Wellenleiters (Fig. 1) ausgehenden Strahl a mit der Achse des Systems, also mit der den beiden Abschnitten g und g* des Wellenleiters sowie den Linsen L und L' gemeinsamen Achse, gebildete Winkel;

Θ* = Winkel zwischen der Achse und einem Strahl a", der von der zweiten Linse L¹ ausgeht und dem Strahl a entspricht;

©_M = kritischer Winkel des Wellenleiters.

Es wird festgelegt:

w = Radius desjenigen Teils der Linse, der durch einen den

kritischen Winkel einnehmenden Strahl b Übergriffen wird; s = Abstand eines Endpunkts P des Wellenleiterabschnitts g von der Linse L;

dann gilt:

w=s tan e„ (2)

Um viel Information zu übertragen, werden im Fernnachrichtenwesen allgemein Fasern von niedriger Leitung (low guiding fibres) verwendet, d.h. mit einem sehr niedrigem kritischen Winkel Θ... Es kann also stets vorausgesetzt werden:

Θ_Μ <^· 1 rad (3)

Die Gleichung (3) ermöglicht die Verwendung der bekannten Beziehung 2

see θ τα 1 + —j

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wodurch die Gleichung (1) folgendermaßen umgewandelt wird:

+ θ'² - θ² (4)

und die Gleichung (2) umgewandelt wird zu:

w s* s0_M

woraus erhalten wird: w <g"s.

Es wird weiterhin festgelegt:

r = Radius desjenigen Teils der Linse L, der vom allgemeinen Strahl a übergriffen wird;

r¹ ■ Radius desjenigen Teils der Linse L', der von dem entsprechenden Strahl a" übergriffen wird; Es wird angenommen, daß der zweite Wellenleiterabschnitt g' ebenfalls den Abstand s von der zweiten Linse L¹ hat.

f(r) = die variable Brennweite der Linsen in Abhängigkeit vom Radius r;

d = Abstand der Linsen voneinander.

Es gilt:

r = s tan θ, also r « so ; r¹ = s tan θ¹, also r¹ «s so¹.

Zur Darstellung der Gleichung (4) durch ein System von zwei Brechungslinsen, die koaxial zu den zwei Wellenleiterabschnitten unter dem gegenseitigen Abstand d liegen, muß die in Abhängigkeit von der Größe r variable Brennweite die Beziehung erfüllen

(5)

f(r) s d

wobei der Veränderungsbereich von r ersichtlich 0 'S r £ w ist.

Die Gleichung (5) mit dem Vorzeichen + vor dem Wurzelzeichen wird

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durch Linsen mit variabler Brennweite erfüllt, bei denen der Lichtstrahlenweg gemSß Fig. 3 verlauft. Diese Figur zeigt, daß die auf die erste Linse auftreffenden und beispielsweise hinsichtlich der gemeinsamen Achse zur oberen Halbebene des Systems gehörenden Strahlen so gebrochen werden, daß Strahlen zwischen den beiden Linsen entstehen, die sich paarweise überschneiden.

Werden Linsen veränderlicher Brennweite verwendet, die die Gleichung (5) mit dem Vorzeichen - vor dem Wurzelzeichen erfüllen, so verlaufen die Lichtstrahlen gemäß Fig. 4, woraus ersichtlich ist, daß die auf die erste Linse auftreffenden und beispielsweise hinsichtlich der gemeinsamen Achse zur oberen Halbebene des Systems gehörenden Strahlen so gebrochen werden, daß Strahlen zwischen den beiden Linsen entstehen, die sich niemals schneiden.

Die Gleichung (5) ergibt die Kontur oder Schnittlinie der den Entzerrer bildenden Linsen, nachdem einmal der für die Verwendung beabsichtigte Linsentyp festgelegt ist, nämlich plankonvex,symmetrisch bikonvex oder asymmetrisch bikonvex.

Aus technologischen Gründen der Herstellung der Linsen erscheint die Verwendung von plankonvexen Linsen als am zweckmäßigsten. Die Schnittlinie ζ(r) des konvexen Linsenteils kann aus der Gleichung (5) erhalten werden.

Es seien:

ζ(r) = Schnittlinie der Linse (Kontur); η = Brechungsindex der Linse.

Dann gilt für plankonvexe Linsen:

r² ₊ 1 [_r \/< se ,*-,*♦

+ (se_M)² arcsin(-g| )|| + const. (6)

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Die Gleichung (6) läßt zwei Profile zu, von denen das eine dem Vorzeichen + und das zweite dem Vorzeichen - zwischen dem zweiten und dem dritten Ausdruck innerhalb der eckigen Klammer entspricht. Diese Vorzeichen entsprechen genau und gleichsinnig zugeordnet den Vorzeichen + und - der Gleichung (5) und in Abhängigkeit von dem gewählten Vorzeichen erzeugen die Linsen Lichtstrahlen, die sich entlang den in Fig. 3 (Vorzeichen +) bzw. Fig. 4 (Vorzeichen -) gezeigten Wegen fortpflanzen.

Fig. 2 zeigt die Gleichung (6) graphisch. Hierin stellt eine Kurve A das Linsenprofil dar, wenn die Formel (6) mit dem Vorzeichen + gewählt wird, und eine Kurve B das Linsenprofil, wenn die Formel (6) mit dem Vorzeichen - gewählt wird. Die Kurven A und B nach Fig. 2 beziehen sich auf eine der Halbebenen, in die die Achse des Systems (Fig. 1) die Axialebene teilt.

Aus der beschriebenen allgemeinen Theorie ergeben sich verschiedene praktische Ausführungsformen.

Eine erste Ausführungsform wird mit zwei plankonvexen Linsen R und R¹ erhalten, die in zwei parallelen und zur Systemachse senkrechten Ebenen angeordnet sind und einen Querschnitt gemäß Fig. 5 haben. Sie haben eine plane Fläche VPlV und eine konvexe Fläche VOV, deren Profil VO identisch dem Profil OV ist und genau der Kurve A nach Fig. 2 entspricht. Der gesamte Entzerrer entspricht dem Schema nach Fig. 3, wobei die dort eingezeichneten Linien L und L* durch die Linsen R und R* mit dem Querschnitt nach Fig. 5 ersetzt sind. Die Lichtstrahlen verlaufen entlang den in Fig. 3 dargestellten Wegen.

Ist der optische Wellenleiter eine im Querschnitt kreisförmige Faser, so sind die beiden Linsen R und R¹ (Fig. 5) räumlich symmetrisch in Bezug zur Achse OPl, die die gemeinsame Achse des Systems ist, so daß sie also eine semi-pseudo-t_oroidale Form haben. Die plane Fläche der Linsen ist dann ein Kreis.

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Ist der optische Wellenleiter ein dünnes Band, bei dem die Streuung der Lichtstrahlen nur in der Richtung der größeren Bandausdehnung stattfindet, so sind die beiden Linsen R und R¹ räumlich symmetrisch in Bezug zu einer Ebene, die durch die Achse OPl läuft und senkrecht auf der Zeichenebene steht. Es ergibt sich dann für Linsen mit einer plan-pseudo-bizylindrischen Form, daß das Band mit seiner größeren Ausdehnung, also in der Richtung der Strahlenstreuung, orthogonal auf der Symmetrieebene, also auf den Erzeugenden der Pseudo-Zylinder, steht. Die plane Fläche der Linsen ist hierbei rechteckig.

Bei einer zweiten Ausführungsform werden zwei plankonvexe Linsen H und H* verwendet, die wiederum in zwei parallelen und zur Systemachse senkrechten Ebenen angeordnet sind und deren Querschnitt in Fig. 6 dargestellt ist. Die beiden Linsen H,H¹ haben eine ebene Fläche CEC und eine konvexe Fläche CDC¹, wobei das Profil CD dem Profil DC¹ vollkommen gleicht und genau der Kurve B nach Fig. 2 entspricht. Hinsichtlich der Wirkungsweise entspricht dieser Entzerrer dem Schema nach Fig. 4, bei dem die Linien L und L* durch die Linsen H und H' ersetzt sind und die Lichtstrahlen

in/
entlang den Fig. 4 eingezeichneten Strahlenwegen fortschreiten.

Sofern der optische Wellenleiter eine im Querschnitt kreisförmige Faser ist, sind die beiden Linsen H und H' nach Fig. 6 raumsymmetrisch in Bezug zur Achse DE, die die gemeinsame Achse des Systems ist, die Linsen haben also eine plan-kuspidale (planschnabelförmige) Gestalt. Ist jedoch der optische Wellenleiter ein dünnes Band, so sind die Linsen H und H¹ raumsymmetrisch in Bezug zu einer Ebene, die durch die Achse DE verläuft und senkrecht auf der Zeichenebene steht. Es ergibt sich, daß für die Linsen, die dann eine plan-pseudo-zylindrische Form mit der in Fig. 6 dargestellten Querschnittsfläche haben, das Band so angeordnet ist, daß seine größere Ausdehnung, also die Richtung der Lichtstrahlenstreuung, rechtwinklig in Bezug zu den Erzeugenden des Pseudozylinders liegen.

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Eine weitere die Prinzipien der Erfindung verwendende Ausführungsform ergibt sich durch Verwendung von Fresnel-Linsen, deren Profil Z¹(r) durch eine Mehrzahl M von Rillen unterbrochen ist. In diesem Fall ermöglicht es die Gleichung (6), daß die Form des Profils Z'(r) durch die m-t Rille erzielt wird. Wird für die Fresnel-Linse die sich mit der Genauigkeit der geforderten Entzerrung erhöhende Zahl M von Nuten festgelegt, so gilt die folgende Beziehung:

Z' (r) = z(r) - ζ (^ w) (7)

wobei für das Veränderungsfeld des Radius r für jede Rille gilt:

m - 1 _ _w

Die Funktion ζ in Gleichung (7) ist die Funktion ζ nach Gleichung (6). Sie enthalt das doppelte Vorzeichen + und -, die auch zur Bestimmung der Form der Fresnel-Linsen dienen. Wird in Gleichung (6) und so in Gleichung (7) das Vorzeichen + verwendet, so hat die Fresnel-Linse ein gezahntes Profil nach Kurve A (Fig. 2). Wird in Gleichung (6) und somit in Gleichung (7) das Vorzeichen - verwendet, so hat die Fresnel-Linse ein gezahntes Profil nach Kurve B (Fig. 2).

Wird berücksichtigt, was oben über die Wahl eines Systems mit zwei parallelen, plankonvexen Sammellinsen, deren Achse mit der Achse der optischen Wellenleiter zusammenfällt, gesagt wurde, können leicht die Linsensysteme mit den schematisch in Fig. 7 und 8 dargestellten Querschnitten erhalten werden. Fig. 7 zeigt Linsen K und K¹ mit einem der Kurve A nach Fig. 2 entsprechenden Profil und Fig. 8 zeigt Linsen X und X¹ mit einem der Kurve B nach Fig. entsprechenden Profil. Für das Linsenpaar K, K¹ nach Fig. 7 entsprechen die Lichtstrahlenwege dem Schema nach Fig. 3 und für das Linsenpaar X,X* nach Fig. 8 dem Schema nach Fig. 4.

Sofern der optische Wellenleiter eine im Querschnitt kreisförmige

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Faser ist, sind die beiden Linsen K und K' (Fig. 7), X und X' (Fig. 8) raumsymmetrisch in Bezug zur Achse FG bzw. NQ, wodurch sie eine der Form des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 für die Linsen nach Fig. 7 bzw. des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6 für den Fall der Linsen nach Fig. 8 analoge Form haben. Die Oberfläche wird indessen durch konzentrische Ringe gebildet und jeder Ring hat ein durch die Gleichung (7) gegebenes profil.

Ist der optische Wellenleiter ein dünnes Band, so sind die beiden Linsen K und K', X und X* raumsymmetrisch in Bezug zu einer Ebene, die durch die Achse FG bzw. NQ verläuft und senkrecht zur Zeichenebene liegt. Es ergibt sich dann, daß die Linsen eine Form entsprechend dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 5 bzw. nach Fig. 6 haben und das Band wiederum mit seiner größeren Ausdehnung senkrecht zu den Erzeugenden der Pseudo-Zylinder anzuordnen ist. Die Linsenoberflächen haben dann rechteckige geradlinige Rinnen, von denen jede ein Profil nach Gleichung (7) hat.

Die Prinzipien der Erfindung können auch mit Hilfe der neueren Holographietechnik dargestellt werden.

Im einzelnen können die in den Fig. 3 und 4 durch Linien L und L¹ dargestellten Körper, anstatt wie bei den beschriebenen Beispielen Linsen zu sein, zwei Hologramme sein, auf denen die Linsenprofile nach Fig. 5 bzw. 6 aufgenommen sind.

Bekanntlich kann ein als Linse wirkendes Hologramm mit Hilfe einer Linse aufgezeichnet werden. Die Ausführungsschwierigkeiten für Linsen der beschriebenen Art können deshalb dadurch überwunden werden, daß die Konstruktion von "Hologramm-Aufzeichnungen" ausgewertet sind. So aufgezeichnete Hologramme haben auf die einfallenden Lichtstrahlen die gleiche Wirkung wie die Linsen 5 und 6, so daß auch für solche AusfUhrungsformen die angestellten Betrachtungen gelten, die sich auf den Fall von kreiszylindrischen Fasern und von dünnen Bändern beziehen. Eine geeignete Aufzeichnung der Hologramme genügt.

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Es ist jedoch zu bedenken, daß solche Hologramme gewisse Verluste erzeugen. Die in den erstgenannten Ausführungsbeispielen vorhandenen Linsen werden deshalb zweckmäßigerweise nur dann durch Hologramme ersetzt, wenn die in der Faser zur Verfügung stehende Energie ausreichend ist, um diese Verluste zuzulassen.

Schließlich können die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien auch unter Verwendung eines transparenten Körpers mit stetigem Brechungsindex angewandt werden. Neuere Techniken der Herstellung von optischen Fasern ermöglichen es, transparente zylindrische Körper in Form von kleinen Stangen oder Drähten herzustellen, die einen sich graduell in- Richtung des Zylinderradius ändernden Brechungsindex aufweisen. Im einzelnen ermöglicht die sogenannte CVD-Technik (Chemical Vapour Deposition, chemische Dampfniederschlagung), zylindrische Körper zu erhalten, bei denen die Änderung des Brechungsindex eine kontinuierliche Funktion des Radius dieses Körpers ist. Mit Hilfe dieser Technik kann ein Zylinder mit einem entlang dem Radius gemäß einem gegebenen Gesetz variablen Brechungsindex hergestellt werden.

Außerdem können nach dieser Technik dünne Bänder hergestellt werden, in denen der sich fortschreitend ändernde Brechungsindex entlang einer der kartesischen Achsen des Querschnitts, beispielsweise in Richtung der Achse der größeren Ausdehnung, ändert, während er entlang der zweiten Achse konstant bleibt.

Im folgenden wird ein Abschnitt eines derartigen Erzeugnisses, das zylindrisch oder bandförmig sein kann, als "Körper mit graduellem Index" bezeichnet. Seine Länge wird durch die Bedingung bestimmt, daß sämtliche vom ersten WellenleLterabschnitt g (Fig. 1} ausgehenden Lichtstrahlen ausgangsseitig vom Körper mit dem graduellen Index zur Endfläche des zweiten Wellenleiterabschnitts g' gelangen müssen. Es wurde theoretisch ermittelt und experimentell nachgeprüft, daß es mit einem Linsensystem entsprechend gegebenen optischen Charakteristiken stets möglich ist, einen einzelnen Körper mit graduellem Index zu schaffen, der die einfallenden Lichtstrahlen

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im Sinne des betrachteten Linsensystems beeinflussen kann.

Beispielsweise das in Fig. 5 schematisch dargestellte Linsensystem wird durch die Gleichung (6) in ihrem konvexen Linsenprofil ζ(r) als Funktion des gegenseitigen Abstands d der Linsen, des Abstandes s der Linsen von den Endflächen der optischen Wellenleiterabschnitte und vom kritischen Winkel 6_U des Wellenleiters bestimmt. Es ist möglich, durch mathematisches Verarbeiten eine Funktion n(r) zu erhalten, die die Änderung des Brechungsindex η innerhalb des Körpers so steuert, daß sie dem beschriebenen Linsensystem gleichwertig wird. Bei dieser Ausführungsform hat der Entzerrer die gleiche Außengeometrie in den beiden Fällen, daß der aus der Gleichung (6) erhaltene¹ Brechungsindex n(r) unter Verwendung des Vorzeichens + zwischen dem zweiten und dem dritten Ausdruck in der eckigen Klammer oder unter Verwendung des Vorzeichens - erhalten wird.

Diese Art von Entzerrer ist schematisch in Fig. 9 dargestellt, mit einem im Querschnitt dargestellten Körper S mit graduellem Index. Der Unterschied zwischen den beiden Fällen besteht ersichtlich im Veränderungsgesetz des Brechungsindex des Körpers S, nämlich ob das Äquivalent des Systems nach Fig. 5 oder des Systems nach Fig. 6 dargestellt werden soll.

Ist der optische Wellenleiter eine im Querschnitt kreisförmige Faser, so ist der Körper S ein gerader Zylinder mit einem Mindestradius w (Fig. 1) und einer Länge 1, die sich aus den beschriebenen Bedingungen ergibt. Ist jedoch der otpische Wellenleiter ein dünnes Band, so ist der Körper S ein gerades Parallelepipedon mit rechteckigem Querschnitt und mit einem Brechungsindex, der sich in der Richtung der längeren Querschnittsseite (der Seite y in Fig. 9) in der Schnittebene ändert und entlang der zu dieser ersten Richtung senkrechten Richtung konstant bleibt. Für die übrigen geometrischen Abmessungen gelten nach wie vor die oben dargelegten Betrachtungen über den zylindrischen Körper S.

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Die praktische Verwirklichung des erfindungsgemäßen optischen Entzerrers erfordert unabhängig von der Ausführung unter den beschriebenen Ausführungsformen einige gemeinsame Maßnahmen.

Das optische System und die Endflächen des optischen Wellenleiters können in einen - in der Zeichnung nicht dargestellten - Block aus transparentem Material eingebettet sein, dessen Brechungsindex gleich dem des Kerns des optischen Wellenleiters ist. Ist der Entzerrer für Wellenleiter aus dünnem Band gebaut und somit die Entzerrung nur in einer einzigen Richtung erforderlich, so sind zwei reflektierende Deckplatten zweckmäßig, die parallel zur Streuebene liegen. Diese Deckplatten sind unter gegenseitigem Abstand gleich der kleineren Ausdehnung des Bands und in einer solchen Stellung angeordnet, daß sie in gewisser Weise einen Oberzug des Bands selbst fortsetzen. Ihr achsparalleler Längsschnitt ist in Fig. 9 mit T bezeichnet.

Die beschriebenen Ausführungsformen können in mehrfacher Weise abgewandelt werden. Beispielsweise können die das System bildenden Linsen einen Brechungsindex haben, der niedriger liegt als der des Mediums, in das sie eingebettet sind. In diesem Fall haben sie eine plankonkave Form, deren kurvige Profile wiederum einer der zwei durch die Gleichung (6) gegebenen Beziehungen entsprechen. Werden andere Linsenarten, die von der Gleichung (5) abgeleitet sind, benützt, so genügt es, aus dieser Formel geeignete Profile sowohl für symmetrische als auch für asymmetrische bi-konkave Linsen abzuleiten.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Optischer Entzerrer zum Verbinden zweier Wellenleiterabschnitte eines optischen Fernmelde-Wellenleiters des Mehrmodentyps mit stufigem Brechungsindexprofil, mit einem eine Symmetrieachse aufweisenden optischen System aus oder äquivalent zu zwei identischen Linsen, die zueinander und zu den Wellenleiterabschnitten koaxial sind und an zwei parallelen, zur Systemachse senkrecht stehenden Ebenen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Linsen (L,L¹) eine sich in Abhängigkeit vom Abstand (r) von der Systemachse (PP¹) ändernde Brennweite (f(r)) haben, die eine Funktion sowohl des Abstands (s) jeder der beiden Linsen vom nächsten Wellenleiterabschnitt (g,g·) als auch des Abstands (d) zwischen den Linsen und weiterhin des kritischen Winkels (Θ_Μ) der beiden Wellenleiterabschnitte ist, und daß diese Funktion für Wellenleiterfasern von niedriger Leitung durch die folgende mathematische Beziehung definiert ist:

1 1

+ —3"

s d

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2. Optischer Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein optisches System aus zwei plankonvexen Sammellinsen (RfR¹JH,!!¹) besteht, deren jeweiliger Querschnitt aus zwei zur Linsenachse (OPl,DE) symmetrischen Formen besteht, von denen jede in ihrem konvexen Teil durch ein Profil begrenzt ist, das als graphische Darstellung einer mathematischen Funktion (z(r)) erhalten wird, die sich aus der die Veränderung der Brennweite (f (r)) in Abhängigkeit vom Abstand (r) von der Systemachse definierenden Funktion ergibt.
3. Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein optisches System aus zwei plankonvexen Fresnel-Sammellinsen (Κ,Κ',Χ,Χ¹) mit einer gegebenen Zahl (M) von Rillen besteht, deren jeweiliger Querschnitt aus zwei zur Linsenachse (FG,NQ) symmetrischen Formen besteht, von denen jede eine durch die Rillen begrenzte Fläche aufweist, deren Profile als graphische Darstellungen einer Funktion (Z' (r)) erhalten werden, die sich aus der die Veränderung der Brennweite (f(r)) in Abhängigkeit vom Abstand (r) von der Systemachse definierten Funktion ergeben.
4. Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem aus zwei identischen bikonvexen und zueinander und zu den Vfellenleiterabschnitten koaxialen Brechungslinsen besteht.
5. Optischer Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem aus zwei identischen bikonkaven Brechungslinsen besteht, deren Brechungsindex niedriger ist als der des umgebenden Werkstoffs.
6. Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein den beiden Linsen äquivalentes optisches System aus zwei identischen Hologrammen besteht, die so aufgezeichnet sind, daß sie als die Linsen wirken.

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7. Entzerrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein den beiden Linsen äquivalentes optisches System aus einem transparenten Körper (S) besteht, dessen Brechungsindex (n(r)) sich graduell mit dem Abstand von der Körperachse ändert und dessen Abmessungen durch die Bedingung bestimmt sind, daß alle aus dem ersten Wellenleiterabschnitt (g) austretenden Strahlen ausgangsseitig vom Körper (S) an der Endfläche des zweiten Wellenleiterabschnitts (g¹) eintreffen, wobei der Wert des Brechungsindex dieses Körpers für jeden Abstand (r) von der Körperachse über eine mathematische Funktion (n(r)) erhalten wird, die sich aus der die Veränderung der Brennweite (f(r)) definierenden Funktion unter Berücksichtigung der das Verhalten der Lichtstrahlen beeinflussenden Bedingungen ergibt.
8. Entzerrer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der optische Wellenleiter (g,g⁽) eine im Querschnitt kreisförmige Faser ist, die Linsen (R,R';H,H⁽; K,K';X,X') raumsymmetrisch in Bezug zur Achse (OPl,DE,FG,NQ) sind und jeweils eine kreisförmige plane Fläche aufweisen.
9. Entzerrer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der optische Wellenleiter (g,g') ein dünnes Band ist, die Linsen (R,R¹;H,H';K,K';X,X') raumsymmetrisch in Bezug zu einer Ebene sind, die durch ihre Achse (OPl,DE,FG,NQ) verläuft und auf der Richtung der größeren Ausdehnung des Bandquerschnitts senkrecht steht, wobei die plane Fläche der Linsen Rechteckform aufweist.
10. Entzerrer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der optische Wellenleiter eine im Querschnitt kreisförmige Faser ist, der transparente Körper (S) mit dem graduellen Brechungsindex (n(r)) ein Zylinder mit entlang seinem Radius sich änderndem Brechungsindex ist.
11. Optischer Entzerrer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der optische Wellenleiter ein dünnes Band ist, der

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transparente Körper (S) mit dem graduellen Brechungsindex ein gerades Parallelepipedon mit rechteckigem Querschnitt ist, dessen größere Ausdehnung des Querschnitts die gleiche Richtung aufweist wie die größere Ausdehnung des Querschnitts des Bands, und daß sich der Brechungsindex entlang der Richtung dieser größeren Ausdehnung ändert.

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