DE2822022C2 - Ankopplungsvorrichtung mit zwei Multimodelichtleitfasern - Google Patents

Ankopplungsvorrichtung mit zwei Multimodelichtleitfasern

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Description

Die Erfindung betrifft eine Ankopplungsvorrichtung mit zwei Multimodelichtleitfasern, welche entlang eines m> Kopplungsbereichs vörbestimmter Länge miteinander verbunden sind.
Die beiden Haupt-Netzwerktopologiesysteme zur Verteilung optischer Kommunikationssignale mittels einsträngiger Multimodelichtleitfasern sind das baumartig ausgelegte Verzweigungssystem und das Sternsystem. Bei Netzwerken mit vielen Anschlußstellen hat das baumartig ausgelegte Verzweigungssystem Vorteile, da es bezuglich der Anzahl und Lokalisierung der Verteilungswege flexibler als das Sternsystem ist und gegenüber diesem eine geringere Anzahl von Multimodelichtleitfasern erfordert. Jedoch kann ein baumartig ausgelegtes Netzwerk den Nachteil besitzen, daß die in die Hauptverbindungsleitung eingegebene optische Gesamtleistung schlecht ausgenutzt wird, wenn längs der Hauptverbindungsleiiung hintereinander viele verlustbehaftete Zugriffsanschlüsse vorliegen. Da'·- baumartig ausgelegte Verzweigungssystem kann nur dann wirkungsvoll eingesetzt werden, wenn der über den Verzweigungsverlust hinausgehende zusätzliche Verlust an jedem Zugriffsanschluß in ausreichendem Maße herabgesetzt wird.
Zur Herstellung einer verlustarmen Ankopplungsvorrichtung mit zwei Multimodelichtleitfasern hat man bereits doppelkonisch verjüngte Abschnitte in den Multimodelichtleitfasern vorgesehen und diese mit einem optischen Epoxikunststoff verbunden (Applied Physics Letters, Band 28, Nr. 9,1. Mai 1976, Seite 528 bis 529), was jedoch herstellungsmäßig aufwendig ist und die Verlsuie noch nicht ausreichend herabsetzt
Weiter ist es bekannt (Applied Optics, Band 15, Nr. 11, November 1976, S. 2629 bis 2630), zwei Abschnitte von Multimodelichtleitfasern seitlich miteinander zu verschmelzen. Auch in diesem Fall liegt noch ein merklicher zusätzlicher Verlag«, vor.
Weiter ist es bekannt (DE-OS 26 40 422), zwei Multimodelichtleitfasern mit ihren Endflächen zusammenzuschmelzen, indem die Lichtleitfasern in einer eigens hierfür konstruierten Vorrichtung so angeordnet werden, daß sie sich mit ihren möglichst geradflächig beschnittenen, stumpf miteinander zu verbindenden Enden mit einem Abstand gegenüberliegen, der so gewählt ist, daß die Endflächen bei der nachfolgenden zum Verschmelzen erforderlichen Wärmebehandlung mittels eines CO2-Lasers aufgrund der hierbei auftretenden Wärmeausdehnung der Lichtleitfasern gerade miteinander in Berührung kommen. Hierbei wird jedoch nur eine durchgehende Lichtleitfaser erzielt. Zur Herstellung einer Ankopplungsvorrichtung müssen vier Lichtleitfasern an einem Punkt mit ihren Endflächen verbunden werden, was den praktischen Einsatz im technischen Maßstab erschwert, wenn nicht unmöglich macht und darüber hinaus zu weitgehend Undefinierten Kopplungsverhältnissen führt.
Eine weitere bekannte Ankopplungsvorrichtung mit zwei Lichtleitfasern, insbesondere Monomodelichtleitfasern (US-PS 35 79 316) wird so hergestellt, daß zwei Monomodelichtleitfasern, die optisch miteinander gekoppelt werden sollen, gemeinsam durch eine Kapillarrohre hindurchgeführt werden, die einen geringeren Brechungsindex aufweist als der Mantelbereich der Monomodelichtleitfasern. Alsdann werden die Kapillare und die Lichtleitfasern bis an ihren Schmelzpunkt erwärmt und anschließend in Längsrichtung auseinandergezogen, wobei sich der Außendurchmesser der Kapillarröhre etwa um den Faktor 100 verringert. Dadurch werden die Kerndurchmesser der Lichtleitfasern über den ausgezogenen Teil verschwindend klein, so daß sie in diesem Bereich ihre lichtleitendenden Eigenschaften verlieren. Die Lichtleitung wird jetzt von einem neuen lichtleitenden Gebilde übernommen, dessen Kernbereich im wesentlichen aus dem ursprünglichen Mantelmaterial der zu verbindenden Lichtleitfasern besteht und dessen Mantel aus dem Material der Kapillarröhre gebildet ist, dessen Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex des ursprünglichen
Lichtleitfasermantels. Somit erhält die Kapillare im Einschnürungsbereich eine wesentliche optische Funktion und dient nicht nur der einfacheren Handhabung und der größeren Stabilität der Ankoplungsanordnung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ankopplungsvorrichtung der eingangs genannten Gattung mit guten Richteigenschaften zu schaffen, die mit geringem technischen Aufwand einfach, schnell und kostengünstig herstellbar ist und bei der der Obertritt der Lichtsignale von einer Lichtleitfaser in die andere mit einem Minimum an Verlusten und guter Modenmischung und -kipplung vonstatten geht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jede Lichtleitfaser im Kopplungsbereich eine Einschnürung aufweist, welche in dem .sich verjüngenden Abschnitt der Einschnürung Moden höherer Ordnung aus dem Kern in den Mantel gelangen und in dem sich erweiterenden Abschnitt der Einschnürung wieder in den Kern zurückkehren läßt, daß im Kopplungsbereich die Mäntel der beiden Lichtleitfasern zur Bildung einer lichtdurchlässigen Grenzschicht verschmolzen sind und daß die beiden Lichtleitfasern entlang der Einschnürung miteinander verdrillt sind. Hiermit erhält r-ian eine Ankopplungsvorrichtung, bei der der grundsätzliche Charakter der beiden Multimodelichtleitfasern auch im Einschnürungsbereich erhalten bleibt, da dort der Kerndurchmesser noch ein Vielfaches der Wellenlänge beträgt. Jede Lichtleitfaser besitzt also auch im Einschnürungsbereich noch einen Kern und einen Mantel, welche das Licht prinzipiell genauso leiten wie in dem unverzogenen Bereich. Die Moden höherer Ordnung verlassen in dem sich verjüngenden Abschnitt den Kern und gelangen in den gemeinsamen Mantel der beiden verbundenen Lichtleitfasern, um dann in dem sich erweiternden Abschnitt der Einschnürung wieder in die Kerne zurückzukehren, wodurch die optische Ankopplung der Lichtleitfasern erreicht ist. Die Verdrillung der Lichtleitfasern führt nicht nur zu einer Grobfixierung der Lichtleitfasern vor dem Verschmelzen, sondern begünstigt auch die Modenmischung und -kopplung.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und ein besonderes Verfahren zur Herstellung einer Ankopplungsvorrichtung sind durch die Patentansprüche 2 bis 8 gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt
Fig. 1 eine Ankopplungsvorrichtung mit zwei Multimodelichtleitfasern.
Nach Fig. 1 besteht eine Ankopplungsvorrichtung 1 aus einer ersten Multimirdelichtleitfaser 2 mit Endflächen Pt und Ρΐ und aus einer zweiten Multimodelichtleitfaser 3 mit Endflächen Pi und /V Jede Lichtleitfaser 2,3 hat einen optischen Kern 4 und einen Mantel 5 und weist einen graduell oder abgestuft verlaufenden Brechungsindex auf. Weiterhin besitzt jede Lichtleitfaser 2,3 eine Einschnürung 6, innerhalb der sich der Durchmesser der Lichtleitfaser 2, 3 verschmälert und dann wieder zum ursprünglichen Durchmesser verbreitert. Innerhalb der Einschnürung 6 sind die Lichtleitfasern 2, 3 längs einer vorbestimmten Strecke /miteinander verschmolzen, die — im Gegensatz zur zeichnerischen Darstellung — auch länger als die Länge der Einschnürung 6 sein kann. Zusätzlich sind innerhalb dieser verschmolzenen Strekke /die Lichtleitfasern 2,3 miteinander verdrillt.
Während die Lichtleitfasern 2, 3 im allgemeinen gleiche Durchmesser besitzen, können in einer Ankopplungsvorrichmng 1, in der die optische Energie bevorzugt in einer der beiden Lichtleitfasern 2 oder 3 weitergeleitet wird auch Lichtleitfasern 2, 3 mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet werden. Die optische Energie wird dann bevorzugt in der Lichtleitfaser 2 oder 3 weitergeleitet, die den größeren Durchmesser hat. Somit kann optische Energie über die Lichtleitfaser 2 wirkungsvoll in eine Fernleitung
ίο eingekoppelt werden, wenn die Lichtleitfaser 3 der Ankopplungsvorrichtung 1 einen größeren Durchmesser als die Lichtleitfaser 2 besitzt und einen Teil dsr Fernleitung darstellt
Ein erstes Verfahren zur Herstellung einer Ankopplungsvorrichtung 1 besteht darin, an zwei über eine bestimmte Strecke verschmolzene Lichtleitfasern 2, 3 eine Zugkraft anzulegen und die verschmolzene Strecke der Lichtleitfasern 2, 3 soweit zu erhitzen, bis die Lichtleitfasern 2, 3 weich werden und zur Ausbildung von Einschnürungen 6 ausgezogen werden können.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung von Ankopplungsvorrichtungen 1 besteht darin, ciai* zwei Lichtleitfasern 2, 3 gegeneinander verdrillt werden, und daß an die Lichtleitfasern 2,3 lB. dadurch eine Zugkraft angelegt wird, daß die Lichtleitfasern 2, 3 unter Federspannung in eine Spannvorrichtung eingesetzt werden, ein Bereich der verdrillten Lichtleitfasern 2, 3 wird dann soweit erhitzt, daß die Lichtleitfasern 2, 3 verschmelzen und durch die Federspannung zur
so Ausbildung von Einschnürungen 6 gezogen werden können. Die Verdrillung der Lichtleitfasern 2,3 bewirkt, daß die Lichtleitfasern 2, 3 während des Ziehvorgangs zusammenbleiben und verschmelzen. Die Lichtleitfasern 2,3 werden in dem gewünschten Bereich durch die Flamme eines Butansauerstoff-Mikrobrenners erhitzt. Wenn beide Lichtleitfasern 2, 3 bereits Einschnürungen 6 aufweisen, läßt sich die Ankopplungsvorrichtung 1 dadurch herstellen, daß die Lichtleitfasern 2, 3 längs ihrer Einschnürungen 6 miteinander verdrillt werden
4(i und ein Bereich der vorbestimmten Länge / der verdrillten Einschnürungen 6 so erhitzt wird, daß die LichHeitfasern 2,3 verschmelzen.
Diese Verfahren können in einer Fabrik oder im praktischen Einsatz direkt an einer Multimodelichtleitj faser-Sammelschiene angewendet werden, um Ankopplungsvorrichtungen 1 herzustellen.
Einige Beispiele von verdrillten Ankopplungsvorrichtungen 1, die mit dem als zweiten beschriebenen Verfahren hergestellt wurden, sind in Tabelle 1
■)ip wiedergegeben. Die Ankopplungsvorrichtungen 1 wurden aus einer Corning-Quarz-Lichtleitfaser mit gestuftem Brechungsindex hergestellt, die einen Kerndurchmesser von 85 μΐη, eine Manteldicke von 20 μπι und eine numerische Apertur von 0,175 hat. Die Einschnürung 6
5) war ungefähr 1 cm lang. Die Ankopplungsvorrichtungen 1 wurden durch Beleuchten der Endfläche P\ mit einem HeNe-Lasersirahl ausgemessen, der mit einem x50-Mikroskopobjektiv in die Endfläche P\ der Lichtleitfaser 2 eingekoppelt wurde. An den Endflächen P\, F2
bo und Pi, wurden Olbad-Hüllmoden-Abstreifer angebracht, und die gekoppelte Leistung in den Endflächen ?7 und Pa würde gemessen. Die Eingangsleistung, die durch die Endfläche P\ zur Ankopplungsvorrichtung 1 gelangt, wurde durch Brechen der Lichtleitfaser 2 an einer Stelle zwischen dem Modenabstreifer und der Einschnürung 6 gemersen.
5 P1 28 22 022 Kupplungs- b
(mW) verhältnis
Tabelle 1 Λ Pi'l'x Zusätzlicher
Ankopp- (mW) 6,53 Pi 0,038 Kopplungsverlust
lungs- 6,00 (mW) 0,084 111 iniT I * ' I f rllf 1
vorrichtung 7,05 5,41 0,12
6,92 6,12 0,27 0,12 -0,16
a 6,30 4,40 0,58 0,24 -0,22
b 7,20 0,74 -0,11
C 6,92 0,87 -0,13
d 1,65 -0,58
e
Tabelle 1 gibt die gemessene Leistung und die berechneten zusätzlichen Kopplungsverluste für mehrere Ankopplungsvorrichtungen 1 mit verschiedenen Kopplungsverhältnissen wieder.
In der zweiten, dritten und vierten Spalte sind die optischen Leistungen in den Endflächen Pi, Pi bzw. Pt wiedergegeben. Die fünfte Spalte enthält das Kopplungsverhältnis der optischen Leistungen in den Endflächen Pt und Pr, die sechste Spalte gibt den über die normale Leistungsverteilung auf zwei Zweige hinausgehenden zusätzlichen Kopplungsverlust an.
Das Kopplungsverhältnis nimmt zu, wenn das Verhältnis des Lichtleitfaser-Durchmessers zum Durchmesser des engsten Teils der Einschnürung 6 zunimmt. Das Kopplungsverhältnis kann von einem Wert nahe Null bei fehlender Einschnürung 6 bis zu 50% bei sehr hohen Werten des Durchmesserverhältnisse" d.h. > 10 : 1, variieren. Im allgemeinen führen zunehmende Werte für die Kopplungsverhältnisse zu vergrößerten Kopplungsverlusten. Die Werte der zusätzlichen Kopplungsverluste sind bei den besseren Ankopplungsvorrichtungen mit Werten zwischen 0,1 und 0,2 dB sehr niedrig, was durch die Funktionsweise der Änkopplungsvorrichtung 1 bewirkt wird. Wenn das Licht von der Endfläche P\ in die sich verengende Einschnürung 6 eintritt, werden die Moden höherer Ordnung zum Herauslaufen aus dem Kern 4 gezwungen, so daß sie als Hüllmoden im Mantel 5 geleitet werden. Das Licht kann durch die verschmolzene Grenzschicht zwischen den Einschnürungen 6 der Lichtleitfasern 2,3 hindurchtreten und wird deshalb in beiden Lichtleitfasern 2, 3 geleitet. Wenn das Licht in dem Bereich der sich erweiternden Einschnürungen 6 gelangt, der den Endflächen P2 und Pt zugeordnet ist, pflanzen sich die Hüllmoden unter allmählich abnehmenden Winkel zur Lichtleitfaserachse fort und werden wieder vom Kern 4 eingefangen, so daß sie außerhalb der Einschnürungen 6 der Lichtleitfasern
-'" 2, 3 wieder Kernmoden sind. Wichtig ist, daß das Licht im Bereich der Einschnürungen 6 an der Grenzfläche zwischen dem Mantel 5 und dem umgebenden Medium total reflektiert wild. Deshalb sollten die Einschnürungen 6 lang und flach sein und keine scharfen Ecken
.'". aufweisen.
Eine andere auffallende Eigenschaft der beschriebenen Ankopplungsvorrichtung 1 liegt darin, daß in beachtlichem Maße eine Mischung der Moden erfolgt. Obwohl die Moden niedrigerer Ordnung in höherem
JO Maße in der Endfläche P2 als in der Endfläche P4 auftreten, wird in der Endfläche Pt eine ziemlich gleichmäßige Verteilung der Moden beobachtet. Die durch die Verdrillung bewirkte Asymmetrie in der Ankopplungsvorrichtung 1 verstärkt das Mischen der Moden. Dieses Ergebnis ist besonders dann vorteilhaft, wenn diese Ankopplungsvorrichtungen hintereinander als Teile eines baumartig aufgebauten Verzweigungsnetzwerks verwendet werden.
Es sei weiter hervorgehoben, daß in der beschriebenen Ankopplungsvorrichtung 1 ein hoher Rieht- oder Trenngrad beobachtet wird. Wenn beispielsweise die Endfläche P\ beleuchtet wird, breitet sich das Licht in einer Richtung aus und erscheint an den Endflächen P2 und Pt mit einem zusätzlichen Kopplungsverlust von 0,1
■»5 bis 0,2 dB, während in der Endfläche Pi tatsächlich kein Licht auftritt. Trennwerte in der Größenordnung von -6OdB (10 In /VPi) wurden für die Ankopplungsvorrichtung 1 gemessen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1. Ankopplungsvorrichtung mit zwei Multimodelichtleitfasern, welche entlang eines Kopplungsbereichs vorbestimmter Länge miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lichtleitfaser (2, 3) im Kopplungsbereich eine Einschnürung (6) aufweist, welche in dem sich verjüngenden Abschnitt der Einschnürung (6) Moden höherer Ordnung aus dem Kern (4) in den Mantel (5) gelangen und in dem sich erweiternden Abschnitt der Einschnürung (6) wieder in den Kern (4) zurückkehren läßt, daß im Kopplungsbereich die Mantel (5) der beiden Lichtleitfasern (2, 3) zur Bildung einer lichtdurchlässigen Grenzschicht verschmolzen sind und daß die beiden Lichtleitfasern (2,
    3) entlang der Einschnürung (6) miteinander verdrillt sind.
    2. Ankopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite optische Lichtleitfaser (2, 3) Lichtleitfasern mit gestuftem Brechungsindex darstellen.
    3. Ankopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite optische Lichtleitfaser (2, 3) Lichtleitfasern mit graduell verlaufendem Brechungsindex sind.
    4. Ankopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der ersten Lichtleitfaser (2) gleich dem Durchmesser der zweiten Lichtleitfaser (3) ist.
    5. Ankopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dt-" der Durchmesser der ersten Lichtleitfaser (2) kleiner als der Durchmesser der zweiten Lichtleitfaser (3) i:- -, so daß die optische a Kopplung vorzugsweise von der ersten Lichtleitfaser (2) zur zweiten Lichtleitfaser (3) erfolgt.
    6. Verfahren zur Herstellung einer Ankopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Lichtleitfaser (2, 3) längs einer vorbestimmten Strecke verdrillt und dann verschmolzen werden, daß an die verschmolzene Lichtleitfaserstrecke (I) eine Zugkraft angelegt wird, und daß die verschmolzene Lichtleitfaserstrecke (I) zur Ausbildung von Einschnürungen (6) in den verschmolzenen Lichtleitfasern (2,3) erhitzt wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung mit der Flamme eines Butansauerstoff-Mikrobrenners erfolgt.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugkraft durch Einspannen der Lichtleitfasern (2, 3) in eine federgespannte Spannvorrichtung angelegt wird.
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