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Lichtleiter-Richtkoppler
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 .
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Auch hier können α1 und s 2 gleich oder unterschiedlich groß
sein.
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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.