DE2849501C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Koppelanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Verwendung in optischen Nachrichtenübertragungssystemen gewinnen zunehmend sogenannte "Datenbussysteme" an Bedeutung (Fig. 1). Bei einem solchen Datenbussystem besteht u. a. das Problem, die in einer Hauptfaser oder ersten Lichtleitfaser 1, in welcher die ankommenden Lichtwellen geführt werden, enthaltene Information an verschiedenen Stellen (Koppelbereiche K _{1, 2 . . .}, K _{1, 4}) dieser Faser auszukoppeln und zu detektieren. Um auch am Ende der Hauptfaser noch genügend Lichtenergie zur Verfügung zu haben, soll zudem die Energieentnahme in der Weise erfolgen, daß unterschiedliche Energieanteile an den einzelnen Koppelbereichen längs der Faser ausgekoppelt werden können, z. B. an einem in unmittelbarer Nähe des Senders liegenden Koppelbereich ein geringer prozentualer Anteil der dort vorhandenen Lichtenergie und in größerer Entfernung vom Sender ein entsprechend höherer Anteil der dort noch vorhandenen Energie.

Eine Detektion der Lichtwellen kann etwa durch transparente Photodioden erfolgen, welche in die Hauptfaser eingefügt sind. Solche Photodioden müssen aber speziell angefertigt werden und haben eine vorgegebene Absorption, die nicht einstellbar ist.

Häufig ist es auch wünschenswert, elektrische und optische Komponenten stärker voneinaner zu trennen und durch rein optische Mittel eine Überkopplung eines Teils der Energie aus einer ersten Lichtleitfaser, z. B. der Hauptfaser, in eine zweite Lichtleitfaser herbeizuführen. Wie aus der Druckschrift "Fujita et al., Appl. Opt. 15 (1976) Seite 2031 oder T. Oseki, B. S. Kawasaki, Appl. Phys. Lett. 28 (1976) Seite 528" bekannt ist, kann eine solche Kopplung in der Weise realisiert werden, daß die Fasern miteinander verschmolzen werden. Dieses Verfahren läßt sich jedoch sehr schlecht bei einwelligen Fasern anwenden und ist hauptsächlich für die mechanische Verbindung vielwelliger Fasern geeignet. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß eine Änderung des Koppelgrads nach der Verbindung nicht mehr möglich ist.

Eine derartige Koppelanordnung ist auch aus der DE-OS 27 29 008 bekannt. Dabei werden an eine vielwellige Hauptfaser (Multimode-Lichtwellenleiter) mehrere abzweigende Lichtleitfasern angekoppelt, die ebenfalls als vielwellige Fasern ausgebildet sind. Die Verkopplung erfolgt durch Verschmelzen der Hauptfaser mit den abzweigenden Lichtleitfasern. Dabei werden auf einer bestimmten (Koppel)Länge jeweils der Mantel der Hauptfaser mit dem Mantel der abzweigenden Lichtleitfaser derart verschmolzen, daß die zugehörigen Kerne der Fasern in einem bestimmten Abstand voneinander gehalten werden, so daß eine Überkopplung von Licht erfolgen kann. Diese Koppelanordnung hat ebenfalls den Nachteil, daß eine Änderung des Koppelgrades nach der Verbindung nicht mehr möglich ist.

Aus der DE-AS 24 18 534 ist weiterhin ein faseroptischer Modenmischer für vielwellige Lichtwellenleiter (Multimode-Lichtwellenleiter) bekannt. Dabei wird ein Teil des Multimode-Lichtwellenleiters derart kreisförmig gekrümmt, daß ein Modenmischen des zu übertragenden Lichts erfolgt. Dadurch kann bei einer optischen Nachrichtenübertragung eine größere Bandbreite erreicht werden. Außerdem ist es möglich, Kernmoden gezielt in Mantelmoden überzuführen.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine optische Koppelanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, durch die ein vorgegebener Energieanteil aus mindestens einer ersten Lichtleitfaser ausgekoppelt und in mindestens eine zweite Lichtleitfaser eingekoppelt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Kombination der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die in der erfindungsgemäßen Koppelanordnung verwendete erste Lichtleitfaser 1 kann als einwellige oder auch vielwellige Faser ausgebildet sein. Die zweite Lichtleitfaser 2, 3, 4 (Fig. 1) muß in jedem Fall eine vielwellige Faser sein. Der ausgekoppelte Energieanteil hängt dabei vom Grad der Verformung der ersten Lichtleitfaser ab. Im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 läßt sich der Grad der Verformung durch Änderung des Krümmungsradius R in besonders einfacher Weise variieren. Diese Koppelanordnung soll im folgenden näher beschrieben werden, wobei die erste Lichtleitfaser zunächst als einwellig angenommen wird.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der gekrümmten Faser, wobei mit 1 _K der Faserkern 1 _M der Fasermantel und 1 _U die Umhüllung der Faser bezeichnet ist. Wie z. B. aus der Druckschrift "L. Lewin, IEEE Trans. MTT-22 (1974), Seiten 718-727" bekannt ist, verläßt ein Anteil der Lichtenergie je nach Krümmung der Lichtleitfaser den Faserkern 1 _K und gelangt in den Fasermantel 1 _M . Dieser Energieanteil verbleibt auch dort, sofern der Brechungsindex der Umhüllung 1 _U kleiner als der Brechungsindex des Mantels 1 _M gewählt wird. Aus dem Fasermantel 1 _M kann die Energie dann leicht in den Kern 2 _K der zweiten Lichtleitfaser 2 übergekoppelt werden. Der für eine ausreichende Auskopplung notwendige Krümmungsradius R hängt stark von den Faserparametern der ersten Lichtleitfaser 1 ab. Zur Auskopplung von Lichtwellen der Wellenlänge 1,06 µm aus einer Faser mit einem Kerndurchmesser von 10 µm und einem relativen Brechzahlunterschied Δ = 0,15% benötigt man üblicherweise einen Krümmungsradius R in der Größenordnung von R ≈ 10 mm. Bei einem Außendurchmesser der Faser von 150 µm führt dies zu einer maximalen örtlichen Dehnung einer Faser von weniger als 0,7%, was weit unterhalb der Bruchspannung liegt. Bei vielwelligen Fasern mit einem Kerndurchmesser von 45 µm und einer Numerischen Apertur zwischen 0,15 und 0,2 ergeben sich ähnliche Werte für den erforderlichen Krümmungsradius.

An der Koppelstelle K _{1, 2} (entsprechend K _{1, 3}, K _{1, 4} in Fig. 1) wird die im Fasermantel 1 _M der Faser 1 befindliche Leistung in den Kern 2 _K von Faser 2 eingekoppelt. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt der Anordnung längs der Schnittlinie C, C′ (Fig. 2) mit dem Faserkern 1 _K und Fasermantel 1 _M von Faser 1 und dem Faserkern 2 _K von Faser 2. Für Faser 2 wird zweckmäßig eine kunststoffummantelte Faser verwendet, bei der im Koppelbereich die Kunststoffumhüllung zum Zwecke der Verschmelzung von Mantel 1 _M und Kern 2 _K entfernt worden ist. Um eine effektive Verkopplung zu erreichen, soll der Brechungsindex des Kerns 2 _K von Faser 2 dem Brechungsindex des Mantels 1 _M von Faser 1 möglichst ähnlich sein. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird nicht die gesamte in Mantel 1 _M von Faser 1 vorhandene Leistung in die Faser 2 übergekoppelt, sondern nur der durch die Beziehung

definierte Anteil. Bei einem Durchmesser d₁ = 100 µm und d₂ = 200 µm werden 80% der Mantelwellen von Faser 1 in die Faser 2 übergekoppelt, was völlig ausreichend ist.

In Fig. 5 ist schließlich dargestellt wie eine Verformung der Lichtleitfaser 1 in einfacher Weise herbeigeführt werden kann. Die Lichtleitfaser 1 wird zunächst in einer Grundplatte geführt und kurz vor dem Koppelbereich schlaufenförmig gekrümmt. Im oberen Teil der Schlaufe ist eine Schraube vorgesehen, welche in Pfeilrichtung bewegt wird, wodurch sich der Krümmungsradius ändert.

Die erfindungsgemäße Anordnung wurde der besseren Übersichtlichkeit wegen nur am Beispiel eines einzigen Koppelbereichs K _{1, 2} veranschaulicht. Durch die Möglichkeit, einen gewünschten Energieanteil aus der Hauptfaser 1 - oder auch einer weiterführenden Faser 2, 3, 4 - gezielt auszukoppeln, ist die Anordnung jedoch insbesondere zur Kopplung mehrerer Lichtleitfasern untereinander geeignet. Weiterhin ist es vorteilhaft, solche Anordnungen als selbständige Koppelelemente herzustellen, die z. B. über optische Stecker mit den übrigen Komponenten, wie etwa den Lichtleitfasern des Datenbussystems, verbunden werden.

Claims (6)

1. Optische Koppelanordnung zur Kopplung von Lichtenergie aus wenigstens einer ersten Lichtleitfaser, in der die ankommenden Lichtwellen geführt werden, in wenigstens eine zweite Lichtleitfaser, in der ein Teil der Lichtwellen weitergeführt wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
die erste Lichtleitfaser (1) weist vor dem Koppelbereich (K _{1, 2} ) eine Verformung auf, derart, daß Lichtenergie vom Kern (1 _K ) in den Mantel (1 _M ) übergekoppelt wird,
der Mantel (1 _M ) der ersten Lichtleitfaser (1) ist mit dem Kern (2 _K ) der zweiten Lichtleitfaser (2) längs des Koppelbereichs (K _{1, 2} ) mechanisch verbunden,
der Brechungsindex des Mantels (1 _M ) der ersten Lichtleitfaser (1) ist zumindest annähernd gleich dem Brechungsindex des Kerns (2 _K ) oder kleiner als der Brechungsindex des Kerns (2 _K ) der zweiten Lichtleitfaser (2).

2. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lichtleitfaser (1) vor dem Koppelbereich (K _{1, 2}) gekrümmt ist.

3. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (R) der ersten Lichtleitfaser einstellbar ist.

4. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lichtleitfaser (1) zumindest im gekrümmten Bereich mit einer Umhüllung (1 _U ) versehen ist, deren Brechungsindex kleiner ist als der des Mantels (1 _M ) der ersten Lichtleitfaser (1).

5. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die zweite Lichtleitfaser (2) eine vielwellige Faser ist.

6. Optische Koppelanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2 _M ) der zweiten Lichtleitfaser (2) aus Kunststoff besteht.