DE2828989A1

DE2828989A1 - Ein- oder mehrteilige kupplung fuer lichtleiter

Info

Publication number: DE2828989A1
Application number: DE19782828989
Authority: DE
Inventors: Martin Chown
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1977-07-05
Filing date: 1978-07-01
Publication date: 1979-01-18
Also published as: GB1599885A; FR2396982A1; JPS5649331B2; JPS5445148A; AU3761578A; NL7806775A; FR2396982B1; CH639496A5; AU522394B2

Description

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Ein- oder mehrteilige Kupplung für Lichtleiter.

Die Erfindung betrifft eine ein- oder mehrteilige Kupplung für das Anschließen eines oder das Verbinden zweier Lichtleiter für die optische Nachrichtenübertragung.

Bei dem Anschließen oder Verbinden von Lichtleitern für die optische Nachrichtenübertragung ist wegen des sehr geringen Durchmessers des Lichtleiters eine hohe Präzision erforderlichj weil bei einer mechanischer Pehlanpassung an der Stoßstelle hohe Übertragungsverluste auftreten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung zu schaffen, bei der entweder die mechanische Anpassung einfacher zu verwirklichen ist oder bei gleicher mechanischer Pehlanpassung geringere Übertragungsverluste auftreten.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kupplung aus einem oder mehreren Zylindern mit Gradientenprofil und größerem Durchmesser als dem des Lichtleiters besteht, in welchem oder welchen eine oder mehrere, auf der durch den Mittelpunkt gehenden Längsachse gelegene Sackbohrungen angeordnet, das oder die Lichtleiterende'(n) in diese eingesetzt und befestigt sind.

Die Erfindung macht von den physikalischen Eigenschaften einer zylindrischen Körpers Gebrauch, dessen Brechungsindex mit zunehmendem Radius parabolisch abnimmt. Lichtstrahlen, die von einem auf der durch den Mittelpunkt verlaufenden Symmetrieachse gelegenen Punkt ausgehen, besitzen einen sinusförmigen Verlauf und schneiden die Symmetrieachse in regelmäßigen Abständen. Ein solcher Körper wirkt daher als

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Linse. Wenn seine Länge ein ungerades Vielfaches des Viertels der charakteristischen Wellenlänge beträgt, dann entsteht die Wirkung einer Sammellinse.

Von dieser Eigenschaft wird bei der Herstellung eines Lichtleiterabschlusses mit sich erweiterndem Strahlenbündel in der Weise Gebrauch gemacht, daß eine als Linse wirkende Kupplung mit Gradientenprofil entsprechender Länge an das Ende des Lichtleiters angesetzt wird, wodurch das aus dem lichtleiterende austretende, sich aufweitende Strahlenbündel in ein gleichgerichtetes Strahlenbündel umgeformt wird.

Wenn zwei Lichtleiter aneinandergekuppelt werden sollen, dann wird das gleichgerichtete Strahlenbündel einer Linse in eine andere Linse eingeleitet, die das gleichgerichtete Strahlenbündel wieder auf der Stirnfläche des anderen Lichtleiterendes sammelt. Auf diese Weise entsteht eine optische Kupplung von zwei Lichtleitern, die weniger empfindlich gegen geringe seitliche Fehlanpassung der mit Linsen versehenen Lichtleiterenden ist, als wenn die Lichtleiterenden unmittelbar stumpf aneinander stoßend miteinander gekuppelt wären. Es ist jedoch notwendig, Linsen unfl T,ichtleiterenden genau fluchtend zueinander auszurichten.

Das der Kupplung zugrundeliegende Lösungsprinzip kann dazu verwendet werden, das Strahlenbündel aufzuteilen oder anzukuppeln.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 enthalten, welche nachstehend anhand der Figuren bis 6 näher erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 zwei mit den erfindungsgemäßen

Kupplungen versehene Lichtleiterenden,

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Pig. 2 und Fig. 3 zwei aufeinanderfolgende

Stufen bei der Herstellung einer Ausführungsform der Kupplung,

und Pig. 4, 5 und 6 drei verschiedene Ausführungsformen einer Kupplung.

Fig. 1 zeigt ein innerhalb einer Kupplung 11 endendes Lichtleiterende 1Of bei der die Kupplung als Linse mit Gradientenprofil ausgebildet ist und ihre Länge ein Viertel der charakteristischen Wellenlänge beträgt. Die Linse formt daher aus dem am Lichtleiterende austretenden, zerstreuenden Strahlenbündel ein parallel verlaufendes Strahlenbündel. Dieses Strahlenbündel wird von einer anderen, in gleicher Weise aufgebauten Kupplung 12 übernommen, deren Linse das Strahlenbündel auf die Stirnfläche des zweiten Lichtleiterendes 13 bündelt.

Der parabolische Verlauf des Gradientenprofils der Linse wird durch folgen* Formel beschrieben:

η = n_o (1 - J f r²),

wobei 2 Tf/& die charakteristische sinusförmige Wellenlänge der Linse ist. Wird der Radius des Strahlenbündels, das in einem Punkt auf der Längsachse unter einem Winkel ^ eu dieser Achse entspringt, als Gleichung aufgeschrieben, so ergibt sich:

r = h sin β ζ

(ζ ist eine Strecke auf der Längsachse und h der maximale Radius des -Strahlenbündel). Wird diese Gleichung differenziert, dann erkennt man, daß h und oi> in folgender Beziehung zueinander stehen:

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Bei einem üblichen Lichtleiter mit einer numerischen Apertur von 0,18 ^L- 0,12) soll der Durchmesser des aufgeweiteten Strahlenbündels etwa 400u (2h=4OOu) betragen. Dann ist ß ü- 0,6 mm und ein Viertel der charakteristischen Wellenlänge (L) ist etwa 2,6 mm. Zuläßige Toleranzen bei einer solchen Anordnung wären beispielsweise 10-20U für die Länge der Linse, % für die seitliche Versetzung des Lichtleiters zur Linsenachse, 0,1° WinkelverSetzung und 25P seitliche Versetzung zwischen den Achsen zweier Kupplungen'.

Fig. 2 und 3 zeigen zwei Stufen bei der Herstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung, indem eine Hülse geschrumpft wird. Dabei wird eine Hülse 20 verwendet, die aus einem rohrförmigen Träger 20a besteht, der mit einem inneren Überzug 20b mit einem Gradientenbrechungsindexprofil versehen ist. Diese Hülse kann beispielsweise in der Weise wie die Vorformen für Lichtleiter hergestellt werden. Dabei werden aufeinanderfolgend Schichten mit sich fortlaufend ändernder Zusammensetzung mittels einer wasserstofffreien chemischen Abscheidung aus der Dampfphase auf der Innenwand eines Trägerrohres abgeschieden. Besonders bei der Herstellung von Kupplungen für auf diese Weise hergestellte Gradientenfasern ist es zweckmäßig Lichtleiter und Hülse aus der gleichen Charge herzustellen, damit ihre numerische Apertur zueinander paßt. Die Hülse für die Kupplung besitzt nicht den gleichen großen Durchmesser wie die Vorform; sie kann jedoch aus der Vorform durch Erhitzen derselben hergestellt werden, wobei diese unter dem Einfluß der Oberflächenspannung schrumpft, während sie um ihre Längsachse rotiert, damit die Symmetrie erhalten bleibt.

Bei einem Ausführungsbeispiel besaß die als Linse mit Gradientprofil ausgebildete Kupplung einen Durchmesser von etwa 40Qi

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für eine Gradientenfaser mit einem Außendurchmesser von llOu und einen Kern mit Gradientprofil von 3Ou. Dabei besaß die Hülse einen Innendurchmesser von 12φ, damit sie gut auf die Faser paßt, und die Innenbeschichtung der Hülse war 15Ou dick. Wenn die Hülse aus der gleichen Vorform wie die Faser hergestellt ist, beträgt der Außendurchmesser der Hülse etwa 1,^7 mm.

Üblicherweise wird für das Herstellen der Hülse 20 auch ein Ziehen der Vorform notwendig sein, weil nur mit dem Schrumpfen der Vorform die erforderlichen Maße nicht erreicht werden können.

Das Lichtleiterende 21 wird bis zum richtigen Abstand zum Hülsen-ende in die Hülse 20 eingeschoben (Fig. 2), worauf die Anordnung erhitzt wird, damit die Hülse im Bereich des Lichtleiterendes auf den Lichtleiter schrumpft und im übrigen Bereich in sich selbst zusammenfällt (Fig. 3)· Die genaue Lage des Lichtleiters in der Hülse kann durch die Hülsenwand hindurch unter einem Mikroskop beobachtet werden. Der genaue Abstand des Lichtleiterendes von einer Bezugsfläche kann mit Hilfe einer Art Schieblehre eingestellt werden, welche entfernt wird, bevor das Hülsenende a'ufgeschoben und an die Bezugsfläche angelegt wird.

Anhand Fig. 3 ist zu erkennen, daß infolge des Glasflusses am Lichtleiterende ein Bereich entstanden ist, in dem das Gradientprofil des Brechungsindex nicht exakt definierbar ist. Dies führt dazu, daß die effektiv richtige Eintauchtiefe des Lichtleiters sich etwas von der rechnerisch ermittelten unterscheidet, bei der von der Annahme ausgegangen wurde, daß sich das Gradientenprofil homogen von der Stirnfläche der linsenartigen Kupplung bis zum Stirnende des Lichtleiters erstreckt. Der notwendige Korrekturfaktor kann

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experimentell ermittelt werden und wird üblicherweise für ähnliche Kupplungen im wesentlichen konstant sein, vorausgesetzt die äußeren Bedingungen bein Schrumpfen ändern sich nicht wesentlich.

Eine Peinanpassung kann durch anschließendes Polieren der Kupplungsstirnfläche herbeigeführt werden. Bei dem Lichtleiter in der Kupplung kann es sich auch nur um ein Stück handeln, das mit einem längeren Lichtleiter verspleißt wird.

In einer Abwandlung kann der Lichtleiter, auf den die Hülse aufgeschrumpft ist, wie in Fig. 4 gezeigt, auch nur ein so kurzes Lichtleiterstück 41 sein, daß keines seiner Enden übersteht. In diesem Fall ist die Hülse nur an einem Ende des Lichtleiterstücks in sich selbst zusammengeschrumpft, so daß die Sackbohrung 43 bleibt, in der ein (nicht gezeigtes) Lichtleiterende befestigt werden kann, und zwar entweder mit einem Kleber, wie einem durch ultravioletten Strahlung aushärtenden, an den Brechungsindex angepaßten Kleber, oder durch Aufschrumpfen der Hülse auf der Lichtleiter.

Um einen Liehtleiterspleiß herzustellen, können entweder zwei Kupplungen, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, die mit ihren Stirnflächen zueinander ausgerichtet sind, verwendet werden, oder es kann auch eine Kupplung verwendet werden, bei der die beiden Teile vereinigt sind. Der Abstand zwischen den Lichtleiterenden beträgt dann allerdings ein gerades ganzzahliges Vielfaches der Viertelwellenlänge.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist das Lichtleiterstück weggelassen und stattdessen ist die Hülse auf einen (nicht gezeigten) Dorn, beispielsweise aus Metall, aufgeschrumpft worden, der anschließend entfernt wurde, wobei die Sackbohrung

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zurückgeblieben ist. Diese Sackbohrung hat die gleiche Aufgabe wie die Sackbohrung H3 der vorher beschriebenen Ausführungsform.

Obwohl schon erwähnt wurde, daß Quarzglas für die Hülse verwendet wird, sei angemerkt, daß die Hülse auch aus üblichem Mehrkomponentenglas bestehen kann. Da die Länge der Kupplung im Vergleich zur Länge des Lichtleiters wesentlich geringer ist, ist es nicht notwendig, daß die optische Dämpfung ihres Werkstoffes ebenso niedrig ist, wie die des Lichtleiters. Für das Spleißen von Quarzglas-Lichtleitern ist die Verwendung von Kupplungen aus Quarzglas jedoch vorteilhaft wegen der thermischen Anpassung, der Stabilität und der hohen Erweichungstemperatur, welcher das Aufbringen der Innenbeschichtung 20b mittels chemischem Dampfniederschlag erleichtert.

Die hohe Erweichungstemperatur erschwert jedoch das Schrumpfen der Hülse, insbesondere dann, wenn die bei der Kabelverlegung auf der Strecke ausgeführt wird.

Bei jeder der bisher beschriebenen Ausführungsformen wurde die Linse mit Gradientenprofil der Kupplung aus einem Teil der Hülse gebildet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Linse ursprünglich ein getrenntes Teil, das in die Hülseeingesetzt und dann durch Schrumpfen der Hülse auf die Linse befestigt wird. Das ergibt eine Anordnung gemäß Fig. 6, bei der die Linse 60 mit Gradientenprofil an einem Ende in der Glashülse 61 verankert ist. Der Linsendurchmesser kann geringfügig kleiner oder größer als der Lichtleiterdurchmesser sein, muß jedoch wesentlich schärfer angepaßt sein, als dies bei den anderen Ausführungsbeispielen der Falle ist.

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Je flacher die Aufweitung des Strahlenbündels sein soll, desto steller müssen das Gradientenprofil und damit umso kürzer die charakteristische Wellenlänge sein, damit die gleich numerische Apertur erhalten bleibt. Um die gleiche numerische Apertur bei einer Linse mit Gradientenprofil von nur 120μ Durchmesser zu bekommen, ist es erforderlich, die Linse derart zu verstärken, daß die Viertelwellenlänge von 2,6 mm auf etwa 0,8 mm erniedrigt wird. Dies mag jedoch ziemlich kurz sein, um eine richtige winkelmäßige Ausrichtung der Linse in der geschrumpften Hülse sicherzustellen. Deshalb wird die Verwendung einer Linse bevorzugt, deren Länge ein kleines ungerades Vielfaches der Viertelwel.lenlänge ist, wodurch das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Linse vergrößert wird.

Damit ergibt sich für ein praktisches Ausführungsbeispiel einer Kupplung für einen Lichtleiter mit 10Qi Außendurehmesser und einem Kern mit Gradientenprofil von 3Qi, dessen numerische Apertur 0,18 beträgt, eine Hülse von etwa 15 mm Länge und eine Linse mit 3/4 oder 5/4 der charakteristischen Wellenlänge des ßradientenbrechungsindexproflies. Diese Abmessungen müssen jedoch genau eingehalten werden, damit die Qualität der Abbildung erhalten bleibt.

Reflektionsverluste an der Endfläche der Kupplung können durch Aufbringen eines Antireflexbelages verringert werden. Dies erübrigt sich jedoch, wenn die Kupplungen mit ihren Endflächen eng aneinander gebracht werden. Wenn jedoch ein Zwischenraum zwischen den Endflächen bestehen bleibt, dann sollte diese mit einem den Brechungsindex anpassenden Mittel ausgefüllt sein.

Jede Art von Spleiß für ein oder mehrere Lichtleiterpaare kann durch mit solchen Kupplungen versehene Lichtleiter

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verwirklicht werden. Das Aufweiten des Strahlungsbündels bewirkt, daß eine seitliche Verschiebung weniger nachteilig ist. Dies geschieht auf Kosten einer wesentlich schärferen Anforderung an die winklige Ausrichtung. Vorausgesetzt, die Endflächen der Kupplungen stehen genau senkrecht zu ihren Längsachsen, kann die richtige winklige Ausrichtung einfach durch Aneinanderstoßen der Endflächen mit einer guten Passung erzielt werden.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sollte die numerische Apertur der Kupplung an diejenige des Lichtleiters angepaßt sein. Für bestimmte Anwendungen kann es jedoch zweckmäßig sein, für die Linse eine kleinere numerische Apertur zu wählen, damit sie als Filter wirkt, d.h. bestimmte Moden höherer Ordnung daran hindert in den nächsten Lichtleiter zu gelangen.

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Claims

Patentanwalt
Dipl.-Phys. Leo Thul

Stuttgart

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INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Ansprüche

1) Ein- oder mehrteilige Kupplung für das Anschließen eines oder das Verbinden zweier Lichtleiter für die optische Nachrichtenübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung aus einem oder mehreren Zylindern mit Gradientenprofil und größerem Durchmesser als dem des Lichtleiters besteht, in welchem oder welchen eine oder mehrere, auf der durch den Mittelpunkt gehenden Längsachse gelegene Sackbohrungen angeordnet, das oder die Lichtleiterende(n) in diese eingesetzt und befestigt sind.

2) Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung aus einer Hülse (2Ob) mit Gradientenprofil besteht, welche auf das oder die Lichtleiterende(n) aufgeschrumpft ist.

3) Kupplung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Hülse (2Ob) mit Gradientenprofil innerhalb eines Trägerrohres (20a) angeordnet und gemeinsam mit diesem auf das oder die Lichtleiterende(n) aufgeschrumpft ist.

4) Kupplung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 und 3j dadurch gekennzeichnet, daß in die Kupplung ein Lichtleiterstück (^l\l,60) eingesetzt ist.

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27.6.78

Bö/3am

ORIGINAL INSPECTED