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Ein-Auskoppler für Multimode-Lichtleitfasern.
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Die Erfindung betrifft einen Ein-Auskoppler in Planartechnik für Multimode-Lichtleitfasern,
bei dem'die Verbindung zwischen zwei ausgangsseitigen Mantelfasern und mindestens
einer eingangsseitigen Mantelfaser durch ein Verbindungselement erfolgt, das an
den Eoppelstellen stumpf an die Mantelfasern anstößt.
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Derartige Koppler sind bereits aus der DE-OS 26 25 855 bekannt. Als
Verbindungselement dient dabei ein dielektrischer Wellenleiter quadratischen Querschnitts
mit einer Kantenlänge, die gleich der Summe aus dem Durchmesser des Faserkerns und
der Manteldicke der Mantelfaser ist. Der Wellenleiter besteht aus einem geradlinigen
Stück zwischen einer ankommenden und einer weiterführenden Mantelfaser und einem
gekrümmten Stück, das mit Versatz an das geradlinige Stück anschließt und zu einem
Abzweig führt.
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Aus dieser Offenlegungsschrift ist ebenfalls bekannt, die ankommende
und die weiterführende Mantelfaser direkt mit Versatz stumpf aufeinanderstoßen zu
lassen und die Auskopplung zu dem Ab zweig über einen gekrünirnten Wellenleiter
vorzunehmen.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen, die ein- und ausgangsseitigen Mantelfasern
direkt mit Versatz stumpf aufeinanderstoßen zu lassen. Bei all diesen bekannten
Kopplern werden die geometrischen Einfügeverluste an den Koppelstellen durch die
Fasermäntel erhöht. So können sich beispielsweise bei einem Koppler, bei dem die
Mantelfasern direkt aufeinanderstoßen, die Kerne der beiden ausgangsseitigen Mantelfasern
nur bis auf einen Abstand nähern, der gleich der doppelten Manteldicke ist.
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Das durch die eingangsseitige Faser ankommende Licht, das in diese
Mantelbereiche Ubergekoppelt wird, ist praktisch verloren. Ähnlich liegen die Verhältnisse
bei den aus der DE-OS 26 25 855 bekannten Kopplern, wie insbesondere die Fig. 2
und 3 sowie 5 und 6 zeigen. Diese Einfügeverluste machen sich mit zunehmender Manteldicke
immer stärker bemerkbar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Ein-Auskopplern
der eingangs genannten Art die geometrisch bedingten Einfügeverluste auf einfache
Art zu verringern und damit den Einsatzbereich dieser Koppler zu erweitern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verbindungselement
aus mindestens zwei Verbindungsfasern ohne oder nur sehr dünnem Mantel besteht,
daß der Durchmesser dieser Fasern annähernd gleich dem Kerndurchmesser der Mantelfasern
gewählt ist, und daß die Achsen aller Fasern in einer Ebene liegen und an Eoppel-
stellen,
an denen nur eine Verbindungsfaser ankommt, fluchten. Bei derartigen Kopplern sind
die EinfUgeverluste unabhängig von der Dicke der Fasermäntel der ein-und ausgangsseitigen
Fasern. Diese können daher beliebig dicke Mäntel haben. Das ermöglicht es beispielsweise
beim Einsatz derartiger Koppler in Datensystemen, für die ein- und ausgangsseitigen
Mantelfasern des Eopplers die gleichen Fasern zu verwenden wie im Datensystem, beispielsweise
also Mantelfasern mit einem Kerndurchmesser von 80/um und einem Gesamtdurchmesser
von 125/um. Dadurch vereinfacht sich der Steckeraufbau an der Verbindungsstelle
zwischen den Systemfasern und dem Koppler. Wichtig ist in Jedem Fall, daß der Gesamtdurchmesser
(Kerndurchmesser + 2 mal Mantelstärke) der Verbindungsfasern gleich dem Kerndurchmesser
der Mantelfasern ist. StoBen eingangsseitig zwei Verbindungsfasern auf eine Mantelfaser,
so wird ein Teil des ankommenden Lichtes in die Mäntel der Verbindungsfasern eingekoppelt.
Fluchten die Achsen dieser Verbindungsfasern ausgangsseitig mit Je einer Mantelfaser,
so wird das im Mantel der Verbindungsfaser geführte Licht wieder in den Kern der
Mantelfaser eingekoppelt. Es geht somit nicht verloren, wenn man von den geringfügigen
Verlusten im Mantel absieht.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Mantel der
Verbindungsfasern kleiner als 5,' des verwendeten Kerndurchmessers ist. Eine bevorzugte
Mantelstärke liegt bei den üblichen Kerndurchmessern bei 2 bis 3/um. Die geometrisch
bedingten Einfügeverluste werden bei dieser Mantelstärke am geringsten. Bei Verbindungsfasern
ohne Mantel können zusätzliche Verluste an der Grenzfläche der Faser zur Umgebung
auftreten.
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Wegen der kurzen Längen dieser Verbindungsfasern (in der Größenordnung
von 1 cm) fallen diese Verluste praktisch
nicht ins Gewicht. Dieser
erfindungsgemäße Koppler läßt sich besonders vorteilhaft in Abzweigen einsetzen,
bei denen nur ein geringer Teil des ankommenden Lichtes ausgekoppelt werden soll.
Die erreichbaren Einfügeverliste sind bei einigen 96 Auskopplung kleiner als 0,5
dB.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Mantelfasern um ihre Manteldicke relativ zu den Verbindungsfasern abgesenkt
sind. Verwendet man beispielsweise als Trägersubstrat Silizium, so lassen sich die
entsprechenden Nuten zur Aufnahme der einzelnen Fasern besonders einfach durch Vorzugaätzen
herstellen. Mit dieser Technik lassen sich Gräben unterschiedlicher Breite und Tiefe
sehr genau erzeugen.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zum Höhenausgleich besteht im
Unterlegen einer geeigneten Folie in der Dicke des Mantels der Mantelfasern unter
die Verbindungsfasern. Ebenso kann eine Folie zur Fixierung der einzelnen Fasern
verwendet werden. Fasergräben können dann z.B. in bekannten fotolithografischen
Prozessen erzeugt werden. Da diese Folien eine gewisse Elastizität besitzen, kann
man die Gräben zunächst etwas schmaler herstellen als der entsprechende. Faserdurchmesser
ist. Mit etwas Druck lassen sich die Fasern dann in diese Gräben einpressen.
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Der erfindungsgemäße Koppler ist nicht auf einen Abzweig beschränkt,
bei dem das Licht von einer ankommenden Faser zu einer weiterführenden Faser und
zusätzlich zu einem Abzweig gekoppelt wird, sondern er eignet sich ebenso für eine
erweiterte Ein-Auskoppel-Struktur, bei der neben der ankommenden Faser eine zusätzliche
Einkoppelfaser vorgesehen ist, deren Licht ebenfalls über
eine weitere
Verbindungsfaser beispielsweise in die weiterführende Faser eingekoppelt werden
soll.
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Im Hinblick auf die Anwendung z.B. in Datenbussen in T-Netzstruktur
eignen sich die erfindungsgemäßen Eoppler besonders, da der Ein- und Auskoppelfaktor
unabhängig voneinander vorgegeben werden kann. Dies ist in Datenbus strecken mit
vielen in T-Struktur angeordneten Teilnehmern wichtig, um den anderenfalls erforderlichen
großen dynamischen Bereich der Detektoren von mehreren Dekaden ganz drastisch zu
reduzieren.
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Im folgenden werden anhand von fünf Figuren zwei AusfUhrungsbeispiele
der Erfindung näher beschrieben und erläutert.
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Dabei zeigt Fig.1 einen Koppler mit einer ankommenden, einer weiterführenden
und einer Auskoppelfaser.
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Fig.2 zeigt einen nicht maßstabsgetreuen Längsschnitt durch Fig.1
entlang der Linie A-B.
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Fig.3 zeigt die Erweiterung des Kopplers gemäß der Fig.1 zu einer
Ein-Auskoppel-Struktur.
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Die Fig.4 zeigt einen Querschnitt durch den Koppler gemäß der Fig.1
an der Koppelstelle S.
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Die Fig.5 schließlich zeigt die Transmissions-Koeffizienten zwischen
den einzelnen Fasern und die geometrisch bedingten Einfügeverluste an der in der
Fig.4 dargestellten Koppelstelle als Funktion des Versatzes a.
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Die Fig.1 zeigt eine Draufsicht eines ersten Ausfüh-
rungsbeispiels
eines Ein-Auskopplers. Eine erste Lichtleitfaser 1 stößt an einer Koppelstelle S
gegen zwei Verbindungsfasern 2 und 3, über die eine weiterführende Faser 4 und eine
Auskoppelfaser 5 angekoppelt sind. Die Lichtleitfasern 1, 4 und 5 sind dabei Mantelfasern
mit relativ dickem Mantel 1', 4', 5'. Die Verbindungsfasern 2 und 3 hingegen bestehen
nur aus dem Kern.
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Der dargestellte Koppler ist auf einem Substrat (nicht dargestellt)
angeordnet. Zur Lagefixierung der einzelnen Fasern auf dem Substrat dienen Anschläge
7 bzw. 8.
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Anstelle dieser Anschläge können auch Führungsgräben in das Substrat
geätzt werden. Die Achsen der Verbindungsfasern 2 und 3 liegen mit der Achse der
ankommendeS Mantelfaser 1 in einer Ebene. Die Achsen der Verbindungsfaser 2 und
der weiterführenden Faser 4 fluchten ebenso wie die Achsen der Verbindungsfasern
3 und der Auskoppelfaser 5. Der Durchmesser der Verbindungsfasern (2, 3) ist gleich
dem gerndurchmesser der Mantelfasern (1, 4, 5) gewählt. Die Verbindungsfasern können
auch einen dünnen Mantel besitzen. Dann muß der Gesamtdurchmesser dieser Fasern
gleich dem Kerndurchmesser der Mantelfasern sein.
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Fig.2 zeigt einen Längsschnitt durch den Koppler entlang der Linie
A-B. Zusätzlich ist das Substrat 12 angedeutet, das beispielsweise aus Glas, Silizium
oder aus Kunststoff bestehen kann. Auf diesem Substrat liegt die ankommende Mantelfaser
1 und die Auskoppelfaser 5. Zwischen beiden befindet sich die Verbindungsfaser 3.
Damit die geometrischen Einfügeverluste möglichst klein sind, ist die VerbindungsSaser
3 um die Manteldicke der Mantelfasern 1 bzw. 5 angehoben worden. Dies geschieht
durch Unterlegen einer Folie 9 mit der Dicke der Fasermäntel.
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Die Fig.3 zeigt eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels gemäß der
Fig.1 zu einer Ein-Auskoppel-Struktur.
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Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In diesem erweiterten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Einkoppelfaser
10 vorgesehen - ebenfalls eine Mantelfaser mit einem Mantel 10' -, die durch eine
weitere Verbindungsfaser 11 ohne Mantel mit der weiterführenden Faser 4 in Verbindung
steht. Der Durchmesser der einzelnen Fasern und ihre Höhe sind ebenso wie bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß der Fig.1 so gewählt, daß die geometrischen Einfügeverluste
möglichst klein werden. Mit 7 und 8 sind wiederum Anschläge für die Lagefixierung
der Fasern angedeutet.
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Das Licht kann sich in den Kopplern gemäß dieser beiden Ausführungsbeispiele
entsprechend den Pfeilen an den Lichtleitfasern 1, 4, 5 und 10 fortpflanzen. Der
Eoppler gemäß der Fig.1 dient dann als Auskoppler. Ebenso ist es Jedoch möglich,
die Ausbreitungsrichtung des Lichtes umzukehren. Wie besonders deutlich am AusfUhrungsbeispiel
gemäß der Fig.3 zu ersehen ist, können der Ein- bzw. der Auskoppelfaktor unabhängig
voneinander vorgegeben werden.
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Fig.4 zeigt im Querschnitt den Koppler gemäß der Fig.1 an der Koppelstelle
So Wiederum sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Kern der
ankommenden Faser 1 d die 7erbindungsfasern 2 und 3 besitzen den gleichen Radius
rK. Die ankommende Faser 1 besitzt einen Mantel 1' der Dicke d. Wie man dieser Figur
entnehmen kann, können sich die lichtführenden Verbindungsfasern berühren, so daß
eine maximale Überkopplung des ankommenden Lichtes möglich ist.
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Die geometrischen Transmissions-Koeffizienten von der
ankommenden
Faser 1 zur weiterführenden Faser 4,#12, sowie von der ankommenden Faser 1 zur abzweigenden
Faser 5 #13, ergeben sich aus einfachen geometrischen ttberlegungen als Verhältnis
der sich überlappenden Flächen F2 bzw. F3 zur gesamten Kernfläche. Zur besseren
Eenntlichmachung sind die Flächen F2 und F3 mit einer durchgehenden Schraffur versehen.
Die Berechnung kann gleichermaßen wie bereits bei den Kopplern der DE-OS 26 25 855
vorgenommen werden. Die Transmissions-Koeffizienten ebenso wie der geometrisch bedingte
Gesamtverlust ergeben sich als Funktion des Versatzes a. Der Gesamtverlust vg bestimmt
sich zu vg = 1-(#12+#13).
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Wie dieser Fig.4 deutlich zu entnehmen ist, würden die für die Größe
der Überkopplung verantwortlichen Flächen F2 und F3 sehr viel kleiner, we die Fasern
2 und 3 ebenso wie die ankommende Faser 1 mit einem dicken Mantel umgeben wären.
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In der abschließenden Fig.5 sind die Transmissions-Koeffizienten #12,
#13 und der geometrisch bedingte Gesamtverlust vg für einen Koppler gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Fig.1 mit Kerndurchmessern von 100 µm als Funk tion des Versatzes a dargestellt.
Auf der Abszisse ist der Versatz a in µm aufgetragen, auf der Ordinate in % die
Transmissions-Koeffizienten oder der Gesamtverlust.
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Wie man im Zusammenhang mit der Fig.4 leicht ersehen kann, fallen
bei einem Versatz a = 0 die Kernfläche der ankommenden Faser 1 und die Fläche der
Verbindungsfaser 2 zusammen, d.h. das ankommende Licht wird vollständig in die weiterführende
Faser 4 übergekoppelt.
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Der Transmissions-Koeffizient #12 ist 1 oder 100%. In
die
Auskoppelfaser wird in diesem Fall selbstverständlich nichts übergekoppelt; der
Transmissions-Koeffizient 113 ist somit 0. Geometrisch bedingte Einfügeverluste
können nicht auftreten, der geometrische Gesamtverlust vg ist ebenfalls 0. Mit zunehmendem
Versatz a nimmt der Transmissions-Koeffizient #12 ab und der Transmissions-Koeffizient
#13 zu. Gleichzeitig nehmen die Gesamtverluste zu. Entspricht der Versatz a dem
halben Kerndurchmesser, so sind die beiden Flächen F2 und F3 gleich groß. Bei weiter
steigendem Versatz kehren sich die Verhältnisse um.
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Wie man der Fig.5 entnehmen kann, eignet sich dieser Ein-Auskoppler
gemäß der Fig.1 besonders für Abzweige mit geringer Auskopplung.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wurden stets Verbindungsfasern
ohne Mantel verwendet. Ähnlich günstige Verhältnisse sind ebenfalls mit Verbindungsfasern
mit Mantel zu erzielen, solange die Dicke dieser Fasermäntel sehr klein im Vergleich
zum Faserkerndurchmesser ist.
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3 Patentansprüche 5 Figuren