DE2922938A1 - Lichtleiter-richtkoppler - Google Patents

Lichtleiter-richtkoppler

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Klaus Ing Grad Peters
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Description

  • Lichtleiter-Richtkoppler
  • Die Erfindung bezieht sich auf Lichtleiter-Richtkoppler mit sich in den KopDlungsbereich bildenden gekrümmten Abschnitten berührenden einfaserigen Lichtleitern, die im Faserkern einen höheren Brechungsindex als in dem den Faserkern umgebenden Fasermantel aufweisen.
  • Optische Wellenleiter aus Glas für die Obertragung optischer elektromagnetischer Strahlung im Bereich der infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Wellenlängen weisen einen Glaskern und einen den Kern konzentrisch umgebenden Kunststoff- oder Glasmantel auf. Der Kern besitzt dabei einen Brechungsindex, dessen Maximum z.B. 1% größer ist als im Mantel und entweder mit einem Stufen- oder gleichförmigen Profil in den Mantel übergeht. Die wellenleitende Wirkung für ein optisches Signal, das dem Kern zugeführt wird, beruht auf der internen Reflexion der optischen Strahlung an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel bzw. der Brechungim Grenzbereich bei Gradientenprofi 1.
  • In optischen Nachrichtennetzen werden für die Signal verteilung und auch für Meßzwecke, z.B. zur Sendepegelkontrolle, zur Ortung von Reflexionsstellen im Netz und dergleichen, passive Komponenten benötigt, mit denen die in Lichtleitern, insbesondere in Glasfasern geführte Lichtleistung im optischen Bereich teilweise ausgekoppelt und in einem anderen Lichtleiter weitergeführt werden kann. Einen wesentlichen Anteil der in einem Gesamtsystem auftretenden Dämpfung bilden die Verluste an Verbindungsstellen mit unterschiedlichen lichtführenden Querschnitten der miteinander zu verbindenden Komponenten. Da für lange Obertragungswege Glasfasern mit Kreisquerschnitt eingesetzt werden, ist es vorteilhaft, auch passive Komponenten zur Leistungsteilung, also Richtkoppler aus solchen handelsüblichen Glasfasern aufzubauen.
  • Aus der DE - OS 27 29 008 ist eine optische Wellenleiter-Anordnung bekannt, bei der eine partielle Obertraging optischer Energie, die, wenn auch in geringem Umfang, in den Mantelbereichen geführt wird, von einer gekrümmten Faser zu einer anderen stattfindet. Der Kopplungsbereich wird dadurch hergestellt, daß das Mantelmaterial der benachbart angeordneten Fasern durch eine kurze Anwendung von Laserenergie verschmolzen wird. Das Ausmaß der Kopplung zwischen den beiden Fasern hängt vom Winkel zwischen den Fasern und im wesentlichen vom Abstand zwischen den Kernen und von der Strecke ab, auf der dieser Abstand zwischen den Kernen eingehalten wird. Derartige einseitige oder zweiseitige Krümmungskoppler mit einer Präzisionsschweißnaht längs der Mantelberthrungslinie der miteinander verschmolzenen Fasermäntel ermöglichen nur sehr geringe Koppelverhältnisse. Die Justierung des Lasers und der Fasern zueinander ist zudem kompliziert.
  • Zur Verteilung, d.h. zur sternförmigen Weiterleitung optischer Signale von einer optischen Faser auf mehrere andere ist aus der DE -OS 28 12 346 ein Lichtverteiler bekannt, bei dem eine Anzahl optischer Fasern mit verjüngtem Querschnitt dort thermisch verschweißt und von einem gemeinsamen überzug umschlossen wird. Dadurch ergibt sich ein Lichtverteiler vom sogenannten "transparenten" bzw. "einseitig wirkenden" Typ. Ein "reflektierender" Lichtverteiler entsteht, indem an der Einschnürung senkrecht zur Faserachse ein Schnitt gelegt und dort eine Reflexionsschicht angebracht wird.
  • Bei derartigen Taperkopplern werden die im sich verjüngenden Kern nicht mehr ausbreitungsfähigen Eigenwellen durch den den gemeinsamen Oberzug bildenden optischen Kitt geführt, bis sie in die abgehenden Fasern eintreten. Bei unsauberer Grenzschicht Kitt-Luft sind die Abstrahlungsverluste hoch. Das erzielbare Koppelverhältnis ist mehr oder weniger dem Zufall überlassen, so daß ein angelegtes optisches Signal im Lichtmischbereich zwar auf alle anderen Faserbündel, jedoch nicht gleichmäßig übertragen wird.
  • Auf dem gleichen Prinzip beruht die Wirkungsweise des aus der DE -OS 28 22 022 bekannten verdrillten Faserkopplers, bei dem zwei Multimodefasern jeweils einen doppelkonischen Verjüngungsabschnitt aufweisen, in dem die beiden Fasern zusammengedreht und längs einer vorbestimmten Strecke zusammengeschmolzen sind. Unterschiedliche Kopplungsgrade ergeben sich mit Fasern unterschiedlicher Abmessungen, wobei die optische Energie von der Faser mit dem kleineren Durchmesser in die Faser mit dem größeren Durchmesser eingekoppelt werden kann. Das Verschmelzen und Verdrillen der Fasern kann gleichzeitig oder auch nacheinander in dieser oder umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, so daß die Kopplungseigenschaften wesentlich von den während des Herstellungsprozesses herrschenden Umständen abhängen.
  • Verzweigungen oder Koppler, bei denen an ein Faserende zwei oder mehrere andere Faserenden stumpf, und mit oder ohne sich verjüngenden Querschnitten angesetzt werden, sind z.B. aus der DE - OS 27 31 377 und der DE - OS 27 38 050 bekannt. Um solche Faserverbindungen verlustarm zu machen, müssen die Faserendflächen möglichst sauber und eben sein. Unterschiedliche Kopplungsgrade lassen sich durch ungleichmäßige Aufteilung der Querschnittfläche an der Kopplungsstelle auf die dort zusammengeführten Faserenden herbeiführen. Mit der Herstellung von Faserstoßstellen und sich verjüngenden Faserenden sind Ungleichmäßigkeiten der Oberflächen verbunden, die zu unvermeidlichen Streuverlusten, selbst in einer bevorzugten Durchgangsrichtung führen.
  • Die Erfindung zielt darauf ab, bei einem Richtkoppler für Glasfaser-Lichtleiter durch Vorgabe geometrischer Parameter jederzeit reproduzierbare Koppel faktoren in weiten Bereichen festlegen zu können.
  • Selbstverständlich sollen dabei aus dem Stand der Technik bekannte Nachteile möglichst vermieden werden und Vorzüge weitgehend erhalten bleiben. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die in dem den Kopplungsbereich bildenden Abschnitt kreisbogenförmig gekrümmten und dort fest miteinander verbundenen Lichtleiter an den Krümmungsaußenflächen mit sich weitgehend überdeckenden, Fensteröffnungen in den Faserkernen bildenden Schliffflächen versehen werden. Dabei wird der Kopplungsgrad im wesentlichen von der Größe der sich überdeckenden Fensteröffnungen zweier Fasern bestimmt.
  • Die Größe einer solchen Fensteröffnung ist ihrerseits durch geometrische Parameter bestimmt, nämlich den Krümmungsradius einer Faser und die Anschlifftiefe. Die Krümmungsradien und die Anschlifftiefen sind dabei so zu wählen, daß die beiden entsprechenden Schliffflächen möglichst gut in Länge und Breite übereinstimmen. Identische Fensteröffnungsflächen ergeben sich ohne weiteres dann, wenn gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung die Schliffflächen eben sind und außerdem zwei Fasern gleicher Abmessungen, insbesondere mit gleichen Kerndurchmessern, sowie mit gleichen Krümmungsradien, senkrecht zu den Krümmungsebenen liegenden Schliffflächen und gleichen Anschlifftiefen zu einem Richtkoppler zusammengesetzt werden. Dabei wird der Kopplungsgrad umso höher, je größer die Schlifftiefen und damit die Fensteröffnungsflächen gewählt werden.
  • Lichtleiter-Richtkoppler gemäß der Erfindung brauchen jedoch keineswegs immer aus identischen Glasfasern aufgebaut zu werden. Die Fasern können sowohl unterschiedliche Materialwerte als auch unterschiedliche Querschnittsabmessungen, insbesondere Kerndurchmesser aufweisen. Dann ist durch die Wahl der Krümmungsradien und der Schlifftiefen dafür zu sorgen, daß die entsprechenden Fensteröffnungen in den Kernen möglichst gut übereinstimmen und sich weitgehend Uberdecken.
  • Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Schliffflächen nicht senkrecht, sondern in einem Winkel dc900 zu den Krümmungsebenen der Lichtleiter stehen, können z.B. dann eingesetzt werden, wenn Fasern zu verkoppeln sind, die unterschiedliche Brechzahlprofile (Stufen-/ Gradientenprofil) aufweisen. Dabei braucht nur eine der Fasern eine Schlifffläche aufzuweisen, die nicht senkrecht zu ihrer Krümmungsebene steht. Daraus ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung für Lichtleiter-Richtkoppler gemäß der Erfindung: eine Faser, die nicht senkrecht, sondern in einem Winkel o<C 900 zur Krümmungsebene angeschliffen wird, läßt sich mit mehr als einer solchen Schlifffläche versehen, ermöglicht also den Aufbau von Richtkopplern mit mehr als zwei im Kopplungsbereich miteinander fest verbundenen einfaserigen Lichtleitern.
  • Die feste Verbindung der Lichtleiter in dem den Kopplungsbereich bildenden Abschnitt kann mittels eines Immersionsklebers hergestellt werden. Ebenfalls möglich ist ein Verschweißen, wenn die optischen Eigenschaften dadurch nicht beeinträchtigt werden.
  • Zwischen den sich überdeckenden Fensteröffnungen bräuchte an sich keine besondere Materialschicht vorhanden zu sein. Aus fertigungstechnischen Gründen ist jedoch ein Spalt nicht zu verhindern und deshalb ein geeignetes Medium zwischen den sich überdeckenden Fensteröffnungsflächen vorzusehen. Um Schwierig- keiten in dieser Richtung von vornherein zu vermeiden, und zur Verbesserung der mechanischen Stabilität der Verbindung ist aus praktischen Erwägungen eine Klebeverbindung vorzuziehen.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1: einen Lichtleiter-*Richtkoppler mit zwei Fasern gleicher Abmessungen, Fig. 2: einen Querschnitt einer Faser gemäß Fig. 1, Fig. 3: einen Lichtleiter-Richtkoppler mit zwei Fasern unterschiedlicher Abmessungen, Fig. 4: einen Querschnitt gemäß Fig. 3, Fig. 5: einen Querschnitt eines Lichtleiter-Richtkopplers, bei dem beide Fasern mit Schliffflächen versehen sind, die in einem Winkel cC(90O zu den Krümmungsebenen verlaufen, Fig. 6: einen Querschnitt eines Lichtleiter-Richtkopplers, bei dem nur bei einer der beiden Fasern die Schlifffläche in einem Winkel i ' 90° zur Krümmungsebene verläuft, Fig. 7: einen Querschnitt eines Lichtleiter-Richtkopplers, bei dem von drei miteinander verbundenen Fasern die Schliffflächen einer Faser in Winkeln α#90° zur Krümmungsebene verläuft, Fig. 8: einen Querschnitt eines Lichtleiter-Richtkopplers, bei dem bei drei miteinander verbundenen Fasern alle Schliffflächen nicht senkrecht zu den Krümmungsebenen verlaufen, und Fig. 9: ein Schaubild für den Verlauf des Kopplungsgrades zwischen zwei Fasern eines Lichtleiter-Richtkopplers in Abhängigkeit von der Schlifftiefe.
  • Der in Fig. 1 dargestellte Lichtleiter-Richtkoppler ist aus zwei Lichtleitfasern mit Kreisquerschnitt aufgebaut. Beide Fasern weisen denselben Kerndurchmesser r auf und sind in einem Abschnitt, in dem sich der Kopplungsbereich befindet, mit demselben Krümmungsradius R kreisbogenförmig gekrümmt. Durch einen ebenen Anschliff der Krümmungsaußenflächen senkrecht zur Krümmungsebene wurde von beiden Fasern nicht nur der Mantel entfernt, sondern auch der Kern so freigelegt, daß sich Fensteröffnungen mit einer größten Breite b (s.a. Fig. 2) und einer größten Länge 1 ergeben. Die Breite b ergibt sich dabei aus der Schlifftiefe t, um die der Durchmesser 2r des Kernes an der am tiefsten abgeschliffenen Stelle der Faser verringert wird. Die Länge 1 der Fensteröffnung hängt sowohl von der Schlifftiefe t als auch vom Krümmungsradius R ab. Die beiden Fasern sind mit entgegengesetzter Krümmung an ihren Schliffflächen so aneinander gelegt, daß sich die Fensteröffnungen überdecken. Bei der dargestellten Ausführungsform besitzen die beiden den Koppler bildenden Fasern im Kern die Brechzahl unrund im Mantel die Brechzahl wobei n1wenigstens 0,1 % größer ist als Die Fig. 2 zeigt, der besseren Obersichtlichkeit wegen nur von der oberen Faser des Kopplers gemäß Fig. 1, im Querschnitt die am tiefsten abgeschliffene Stelle. Der schraffierte Teil der Querschnittsfläche der Faser stellt den abgeschliffenen Bereich des Mantels und des Kernes dar. Die Schlifftiefe t läßt sich bei bekanntem Krümmungsradius R aus der Länge 1 der Fensteröffnung bestimmen, die beim Durchleuchten der Faser von beiden Seiten her sichtbar wird.
  • Diese Bestimmungsmethode ist unabhängig von der Manteldicke und Toleranz. Die Dicke des Mantels einer Faser ist damit für den Aufbau des Richtkopplers von untergeordneter bzw. ohne Bedeutung.
  • Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsform eines Lichtleiter-Richtkopplers ist aus zwei Fasern mit unterschiedlichen Kerndurchmessern r und r2lrS größer als r , aufgebaut. (In diesem - und den folgenden - Figuren ist nur der Kern der Fasern dargestellt). Um sich weitgehend Uberdeckende Fensteröffnungsflächen zu erhalten, sind die Schlifftiefen t1 und tX , sowie die Krümmungsradien RV und RL entsprechend den Kerndurchmessern r1 und ra zu wählen. Zwischen den Schliffflächen ist eine Materialschicht mit der Dicke d vorzusehen, wobei sich die Brechzahl dieses Materials von den Kernbrechzahlen der beiden Fasern nur geringfügig zu unterscheiden braucht.
  • Die Fig. 5 und 6 zeigen im Querschnitt an der Stelle des tiefsten Anschliffs Ausführungsformen für Lichtleiter-Richtkoppler, bei denen Schliffflächen beider Fasern (Fig. 5) bzw. einer der beiden Fasern (Fig. 6) nicht senkrecht zu den Krümmungsebenen verlaufen.
  • Um sich möglichst weitgehend überdeckende Fensteröffnungsflächen bei Fasern mit gleichem Kerndurchmesser zu erhalten, sind bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 5 die Winkel 06? und αz gleich groß zu wählen. Bei immer kleiner werdenden Winkeln 7 und xz wandern die Schliffflächen immer weiter an die Seite, und die Fensteröffnungen werden bananenförmig. Bei Ausführungsformen gemäß Fig. 6, bei denen nur eine der Fasern eine nicht senkrecht zur Krümmungsebene verlaufende Schlifffläche aufweist, lassen sich entlang einer bananenförmigen Schlifffläche bei kleinem Winkel α mehrere andere Fasern mit senkrecht zur Krümmungsebene liegenden Schliffflächen anbringen.
  • Wird gemäß Fig. 7 eine der Fasern mit zwei nicht senkrecht zur Krümmungsebene verlaufenden Schliffflächen versehen, deren Winkel oder und 7 gleich oder unterschiedlich groß sein können, lassen sich auf jeden Fall zwei weitere Fasern, bei kleinen Winkeln 0Cfi und αz - wie oben im Zusammenhang mit Fig. 6 erläutert - auf jeder Seite auch mehrere Fasern ankoppeln.
  • Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform liegen die Krümmungsebenen der Fasern parallel zueinander. Die Winkel der Schliffflächen sind entsprechend und 180°-g1 bzw. M und 180°-α2ifl .
  • Auch hier können α1 und s 2 gleich oder unterschiedlich groß sein.
  • In dem in Fig. 9 dargestellten Schaubild ist die Abhängigkeit des Verzweigungsgrades zwischen zwei Fasern in Abhängigkeit vom Kernanschliff zu erkennen. Wird die in der einen Faser vor der Koppelstelle geführte Lichtleistung mit P1 bezeichnet, die in dieser Faser hinter der Koppelstelle weitergeführte Lichtleistung mit P2, die in Ausbreitungsrichtung von der ersten in die zweite Faser übergekoppelte Lichtleistung mit P3 und die in der zweiten Faser entgegen dieser Ausbreitungsrichtung übergekoppelte Lichtleistung mit P4, kann definiert werden: Transmission sdämpfung: T = 10 lg (P2/P1) Koppeldämpfung: y = 10 lg (P3/P1) Verzweigungsdämpfung: V = 10 lg (P3/P2) Rückwärtsdämpfüng: S = 10 lg (P4/P1) RichtdemDfung: D = 10 lg (P4/P3) Die für die Werte dieser Verhältnisse maßgeblichen Parameter sind bei gegebenen Materialwerten geometrischer Art und lassen sich für R = const. (R = Krümmungsradius) auf das Verhältnis Anschlifftiefe t zu Kernradius r zurückführen. Die gemessenen und im Schaubild für die Verzweigungsdämpfung V dargestellten Werte stimmen dabei recht gut mit einem für die Brechzahl n = 1,48 berechneten Verlauf überein (r-= = 850 nm). Die bei tiefergehenden Kernanschliffen (t/r etwa 0,7 bis 0,9) gemessene Abnahme des Wertes für die Verzweigungsdämpfung V könnte darauf zurückzuführen sein, daß das Profil für die Verteilung der im Kern geführten Lichtleistung in unmittelbarer Nähe der Faserachse einen Einbruch aufweist. Wird das Maximum überschritten, findet eine weitere Zunahme erst dann wieder statt, wenn aufgrund der absoluten Größe der Fensteröffnungsflächen deren Einfluß wieder überwiegt. Für einen Kernanschliff t/r = 0,24 wurden gemessen: T = - 2,4 dB Y = - 12,3 dB V = - 9,8 dB S = - 42,0 dB D = - 30,0 dB (Gradientenfaser 140/53, numerische Apertur NA = 0,155) Es zeigt sich, daß durch die Wahl geometrischer Parameter vorherbestimmbare Koppelverhältnisse mit geringen Toleranzen realisiert werden können. Insbesondere sind für die Koppel dämpfung Y und die Verzweigungsdämpfung V Werte in weiten Bereichen, z.B. auch für eine praktisch verlustlose Vorzugs- bzw. Durchgangsrichtung möglich. Ausführungsformen, bei denen mehr als zwei Fasern zu einem Richtkoppler zusammengesetzt sind, eignen sich beispielsweise für Obertragungssysteme, bei denen mehrere Empfänger an einen oder an mehrere Sender anzuschließen sind (Sternkoppler). Derartige Sternkoppler lassen sich ohne weiteres als Multiplexer, z.B. für Zeitmultiplexsysteme verwenden.

Claims (7)

  1. Patent -/SOst-Ans prüche
    9 Lichtleiter-Richtkoppler mit sich in den Kopplungsbereich bildenden gekrümmten Abschnitten berührenden einfaserigen Lichtleitern, die im Faserkern einen höheren Brechungsindex als in dem den Faserkern umgebenden Fasermantel aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem den Kopplungsbereich bildenden Abschnitt kreisbogenförmig gekrümmten und dort fest miteinander verbundenen Lichtleiter an den Krümmungsaußenflächen mit sich weitgehend überdeckenden, Fensteröffnungen in den Faserkernen bildenden Schliffflächen versehen sind.
  2. 2. Richtkoppler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ebene Schliffflächen an Krümmungsaußenflächen der kreisbogenförmig gekrümmten Lichtleiter.
  3. 3. Richtkoppler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Lichtleiter mit unterschiedlichen Faserkerndurchmessern.
  4. 4. Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schliffflächen in einem Winkel ic90° zu den Krümmungsebenen der Lichtleiter stehen.
  5. 5. Richtkoppler nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mehr als zwei im Kopplungsbereich miteinander fest verbundene einfaserige Lichtleiter.
  6. 6. Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter mittels Immersionskleber fest miteinander verbunden sind.
  7. 7. Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter miteinander verschweißt sind.
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