DE2926977C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Auskoppeln von Licht aus dem Kern in den Mantel einer Lichtleitfaser nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Anordnung ist bekannt aus der DE 25 50 523 A1. Die beschriebene Anordnung betrifft die Energieentnahme aus einer Lichtleitfaser mit Hilfe einer Krümmung, die in einem Teilbereich der Lichtleitfaser vorhanden ist. Das im Kern der Lichtleitfaser geführte Licht wird im Bereich der Krümmung in zwei wellen­ längenunabhängige Anteile aufgespalten, wovon der eine im Kern­ bereich und der andere im Mantelbereich weitergeführt werden. Die Krümmung wird mit einem Kopplungsglied, das z. B. aus einem op­ tisch transparentem Kitt besteht, dessen Brechungsindex größer gleich demjenigen des Mantelbereichs ist, in Berührung gebracht, so daß der in den Mantelbereich eingekoppelte Lichtanteil über das Kopplungsglied einem Photodetektor zugeleitet werden kann.

In der DE 28 49 501 ist weiterhin eine optische Koppelanordnung vorgeschlagen worden 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; diese vorgeschla­ gene Anordnung zeichnet sich durch die Kombination folgen­ der Merkmale aus:
Die erste Lichtleitfaser weist vor einem Koppelbereich eine Verformung auf, derart, daß Lichtenergie vom Kern in den Mantel übergekoppelt wird,
der Mantel der ersten Lichtleitfaser ist mit dem Kern der zweiten Lichtleitfaser längs des Koppelbereiches mechanisch verbunden,
der Brechungsindex des Mantels der ersten Lichtleitfaser ist zumindest annähernd gleich dem Brechungsindex des Kerns oder kleiner als der Brechungsindex des Kerns der zweiten Licht­ leitfaser.

Die Verformung der Lichtleitfaser kann dabei ins­ besondere dadurch verwirklicht sein, daß die erste Licht­ leitfaser vor dem Koppelbereich gekrümmt ist, wobei der Krümmungsradius einstellbar sein kann.

Diese vorgeschlagene Anordnung dient zur Auskopplung von Lichtenergie aus einer Lichtleitfaser, in der Licht von nur einer Wellenlänge geführt wird. Eine solche Auskopplung von Energieanteilen kann bei sogenannten Datenbussystemen er­ forderlich sein.

Die große Bandbreite, die Lichtleitfasern aufweisen, wecken jedoch das Interesse daran, über eine Lichtleitfaser mög­ lichst viel Informationen zu übertragen. Eine Möglichkeit be­ steht darin, die Faser durch Betrieb mit mehreren Sendeele­ menten verschiedener Emissionswellenlängen mehrfach auszu­ nutzen. Bei derartigen Wellenlängen-Multiplex-Systemen be­ nötigt man dann Einrichtungen, die es ermöglichen, trotz des Vorhandenseins verschiedener Emissionswellenlängen nur eine einzige zu einem bestimmten Empfänger gelangen zu lassen. Bisher wurden hierfür Spiegel und Filter benutzt, wobei als Filter lichtdurchlässige Körper eingesetzt worden sind, die bestimmte Wellenlängen bevorzugt hindurchlassen. Solche Filter weisen aber auch im Nutzbereich eine nicht unerheb­ liche Dämpfung auf und sie sind nicht abstimmbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Anordnung anzugeben, die in einstellbarer Weise eine wellenlängenab­ hängige Auskopplung von Licht ermöglicht, die eine möglichst geringe optische Dämpfung besitzt und die für eine Lichtleitfaser-Übertra­ gungsstrecke geeignet ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Grad der Über­ kopplung von Lichtenergie vom Kern in den Mantel einer verformten, insbesondere gekrümmten Lichtleitfaser nicht nur vom Grad der Ver­ formung, insbesondere Krümmungsradius abhängig ist, sondern auch von der Wellenlänge des in der Lichtleitfaser geführten Lichtes. Wenn Licht mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen in einer Lichtleitfaser geführt wird, hat sich gezeigt, daß unterhalb eines bestimmten Be­ trages des Krümmungsradius der Lichtleitfaser mehr langwelliges als kurzwelliges Licht vom Kern in den Mantel der Lichtleitfaser überge­ koppelt wird. Verwendet man das in den Mantel übergekoppelte Licht als Ausgangsgröße der als optisches Filter wirkenden Anordnung, indem man dieses Licht aus dem Mantel auskoppelt und zum Filterausgang leitet, so erhält man einen Tiefpaß. Die Auskopplung des Lichtes aus dem Mantel kann mit Hilfe der oben beschriebenen Koppelanordnung (Patentanmeldung P 28 49 501) vorgenommen werden, indem mit dem Mantel der Lichtleitfaser der Kern einer weiteren Lichtleitfaser längs eines Koppelbereiches verbunden, insbesondere verschmolzen wird.

Wird hingegen das im Kern der verformten, insbesondere gekrümmten Lichtleitfaser verbleibende, kurzwellige Licht dem Filterausgang zugeführt, so erhält man einen Hochpaß, wobei dafür gesorgt sein muß, daß das im Mantel verbleibende, über­ wiegend langwellige Licht durch Lichtdämpfungsmittel absor­ biert wird. Dazu kann eine absorbierende Umhüllung des Man­ tels vorgesehen sein, deren optischer Brechungsindex unge­ fähr gleich oder größer ist als der Brechungsindex des Mantels.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnungen werden die Erfindung und Ausgestal­ tungsmöglichkeiten näher erläutert. Es sind dargestellt durch

Fig. 1 ein einfaches Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein erläuterndes Diagramm,

Fig. 3 ein schematischer Längsschnitt durch eine ge­ krümmte Lichtleitfaser,

Fig. 4 ein Querschnitt durch eine gegenüber Fig. 3 modifizierte Lichtleitfaser.

In Fig. 1 ist eine einwellige Lichtleitfaser 1, die in Pfeil­ richtung Lichtsignale der beiden Wellenlängen λ 1 < λ 2 führt, mit einem Krümmungsradius R gekrümmt. Der Krümmungs­ radius ist so empirisch bemessen, daß bevorzugt das längerwellige Licht der Wellenlänge λ 2 vom Kern in den Mantel der Lichtleitfaser 1 gelangt. Im Kern verbleibt überwiegend Licht der kürzeren Wellenlänge λ 1 und gelangt zum Ausgang a des dargestellten Filters. Das in den Mantel gelangte längerwellige Licht wird durch einen absorbierenden und die Lichtleitfaser 1 hinter dem Verformungsbereich (mit dem Krümmungsradius R) umgebenden Lack 2 absorbiert. Zusätzlich oder statt dessen kann der Mantel der Lichtleitfaser in Lichtausbreitungsrichtung hinter dem Anfang 3 des Verformungsbereiches von einer absorbierenden Umhüllung 4 umgeben sein, deren optischer Brechungsindex ungefähr gleich oder größer ist als der Brechungsindex des Mantels.

Wird bei dieser Anordnung, die als optisches Filter wirkt, in den Eingang e Licht mit mehr als 2 Wellenlängen einge­ speist, so können unerwünschte Interferenzerscheinungen innerhalb des gekrümmten Bereiches der Lichtleitfaser 1 den Verlauf der Filtercharakteristik beeinträchtigen.

Um einen besseren Eindruck von der Wirkungsweise dieser Anordnung (Filter) zu vermitteln, ist der sogenannte Auskopplungsgrad K in Abhängigkeit vom Krümmungsradius R in Fig. 2 für drei Wellenlängen λ 3 < λ 2 < λ 1 schematisch dargestellt. Der Koppelgrad K gibt dabei den Anteil der Leistung an, der aufgrund der Krümmung mit dem Krümmungs­ radius R in den Mantel der Lichtleitfaser 1 gekoppelt wird und damit am Ausgang a dieser Anordnung (Fig. 1) nicht mehr zur Verfügung steht.

In Fig. 2 steigt der Koppelgrad K monoton mit geringer werdendem Krümmungsradius R an. Tatsächlich führen aber Interferenzerscheinungen, hervorgerufen durch die Umhüllung der Lichtleitfaser 1, gelegentlich auch zu einem oszillie­ renden Verhalten des Koppelgrades in Abhängigkeit vom Krümmungsradius R. Für Krümmungsverluste wurde ein solches Verhalten beobachtet von Y. Murakami und H. Tsuchiya, IEEE J. Quant El. QE-14 (1978), (S. 495 bis 501). Zur Erklärung dieses Verhaltens dient Fig. 3.

Fig. 3 zeigt eine gekrümmte, einwellige Lichtleitfaser schematisch im Längsschnitt mit einem Kern 5, einem Mantel 6 und einer Umhüllung 7. Verursacht durch die Krümmung mit dem Krümmungsradius R um den Krümmungsmittelpunkt M in einer Krümmungsebene, die gleich der Zeichnungsebene ist, gelangt Energie vom Kern 5 in den äußeren Bereich des Mantels 6 und zwar ausgehend von einem inneren Bereich, der zwischen dem Kern und der unterbrochen gezeichneten und senkrecht zum Krümmungsradius R stehenden Zylinderman­ telfläche 8 liegt. Dieser Mechanismus der Energieabstrah­ lung ist z. B. von L. Lewin in IEEE Trans. MTT-22 (1974), (S. 718 bis 727) beschrieben worden. Jenseits der Fläche 8 bildet sich dann wieder eine ausbreitungsfähige Welle aus. So bildet sich z. B. am Punkt A eine Welle, die sich ent­ lang einer Linie A, B, C ausbreitet. Da sich an jedem Punkt der Fläche 9 eine Welle bildet, entsteht auch eine Welle am Punkt C, die mit der ersteren sich längs des Weges A, B, C ausbreitenden Welle interferiert. Die Art der Interferenz (konstruktiv oder destruktiv) hängt nun sowohl vom Krümmungsradius R als auch von der Wellenlänge λ ab. Es ergibt sich schließlich ein oszillierendes Ver­ halten für die Abhängigkeit des Koppelgrades K sowohl vom Krümmungsradius R als auch von der Wellenlänge λ. Zwar läßt sich trotz einer Oszillation ein Filter nach Fig. 1 realisieren, aber die frequenzabhängige Charakteristik (Dämpfungsverlauf) kann von der gewünschten Form abweichen. Man kann die Unterdrückung der länge­ ren Wellenlängen dadurch verbessern, daß man den gekrümmten Längen­ bereich der Lichtleitfaser 1 verlängert, indem man also beispiels­ weise anstelle der in Fig. 1 gezeigten einen Windung mehr als eine Windung verwendet. Das führt aber auch zu einer unerwünschten Dämp­ fung der kürzeren Wellenlängen, die von einem Hochpaß-Filter hindurch gelassen werden sollen.

Im allgemeinen ist man deshalb an einer Vermeidung der geschilderten Oszillation interessiert, versucht also wieder ein monotones Ver­ halten wie in Fig. 2 zu erhalten. In Fig. 4 ist eine Möglichkeit zur Vermeidung von Oszillationen dargestellt. Dort ist schematisch ein vergrößerter Querschnitt durch eine modifizierte Lichtleitfaser gezeigt, wobei die Schnittfläche derjenigen entspricht, die in Fig. 3 mit D-D′ bezeichnet ist. Die ursprünglich im Querschnitt runde Licht­ leitfaser (mit den gleichen Detailbezeichnungen wie in Fig. 3) oder die Vorform einer solchen Lichtleitfaser wird entlang der Fläche E-F abgeschliffen, so daß die im Punkt A entstehende Welle zwar entlang der Linie A-B zum Punkt B gelangt, dort jedoch nicht in eine senk­ recht zur Zeichenebene durch A-B verlaufende Ebene reflektiert wird, sondern in eine andere Richtung. Die Welle gelangt also weder zum Kern 5 zurück noch bleibt sie in der durch die Punkte A und B ver­ laufenden Krümmungsebene oder -fläche oder einer parallel hierzu verlaufenden Ebene der Fläche. Auf diese Weise werden Interferenzen im wesentlichen Maße vermieden.

Damit sich die Lichtleitfaser weiterhin problemlos in der vorgesehe­ nen Krümmungsebene biegen läßt, ist es zweckmäßig, noch einen weiteren Schliff längs der Fläche G-H vorzusehen, die ebenso wie die Fläche E-F einen spitzen und von Null Grad abweichenden Winkel bildet mit der Krümmungsachse, welche parallel zur Fläche 8 verläuft.

Interferenzen lassen sich auch vermindern, wenn der Kern 5 im Querschnitt gesehen nicht zentrisch im kreisringförmigen Mantel 6 liegt, wenn also der Kern mit dem Mantel keine koaxiale Anordnung bildet. Auch andere Schliffe, also von der Kreisform abweichende Teile der äußeren Begrenzung des Mantelquerschnittes in Fig. 4 oberhalb der beim Krümmen neutralen Fasern N (die parallel zur Achse des Kerns 5 verlaufen) sind denk­ bar; wichtig ist nur, daß die bei A entstehende Welle nicht in Richtung zum Kern 5 reflektiert wird.

Claims (8)

1. Anordnung zum Auskoppeln von Licht aus dem Kern in den Mantel einer Lichtleitfaser mit Hilfe einer Krümmung, die in einem Teilbereich der Lichtleitfaser vorhanden ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale

• - in Abhängigkeit von den Wellenlängen (λ 1, λ 2) eines Wellen­ längengemisches des im Kern (5) der Lichtleitfaser (1) am Eingang (e) der Krümmung führbaren Lichts ist der Radius (R) der Krümmung derart ausgebildet, daß im Bereich der Krümmung lediglich längerwelliges Licht (λ 2) in den Mantel (6) kop­ pelbar ist, während kurzwelliges Licht (λ 1) in dem Kern (5) verbleibt,
• - der Mantel (6) ist von einer absorbierenden Umhüllung (2, 4) umgeben derart, daß darin das in den Mantel (6) einge­ koppelte längerwellige Licht (λ 2) absorbiert wird, und
• - der bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Lichts nach der Krümmung befindliche Bereich der Lichtleitfaser (1) bildet den Ausgang (a) für das im Kern (5) führbare kurzwellige Licht (λ 1).

2. Anordnung zum Auskoppeln von Licht nach Anspruch 1, daß die Krümmung durch wenigstens eine Windung der Lichtleitfaser (1) gebildet ist.

3. Anordnung zum Auskoppeln von Licht nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (2, 4) in Lichtausbreitungsrichtung hinter dem Anfang (3) des Verformungs­ bereiches angeordnet ist, wobei die Umhüllung (2, 4) in eine erste lichtdämpfende Schicht nach dem Anfang der Krümmung sowie eine zweite lichtdämpfende Schicht hinter der Krümmung aufteilbar ist.

4. Anordnung zum Auskoppeln von Licht nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierende Umhüllung (2, 4) einen optischen Brechungsindex besitzt, der ungefähr gleich oder größer ist als der Brechungsindex des Man­ tels (6).

5. Anordnung zum Auskoppeln von Licht nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestaltung des Kernes (5) und des Mantels (6) im Lichtleitfaserquerschnitt (Fig. 4) im Bereich der Krümmung so von der kreisförmigen Koaxial­ form abweicht, daß diejenigen Lichtstrahlen (A-B), die an der äußeren Grenzfläche des Mantels (6) reflektiert werden und in einer Krümmungsebene oder -fläche verlaufen, nicht in dieser Ebene oder Fläche bleibend reflektiert werden.

6. Anordnung zum Auskoppeln von Licht nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (5) nicht koaxial im Mantel (6) liegt.

7. Anordnung zum Auskoppeln von Licht nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei ansonsten kreisförmiger äußerer Begrenzung des Mantelquerschnittes diese Begrenzung in dem Bereich, wo die Lichtleitfaser durch Krümmung gedehnt erscheint (oberhalb N), längs einer Kreissehne (E-F) verläuft, die mit der Krümmungsachse einen von Null abweichenden, spitzen Winkel bildet.

8. Anordnung zum Auskoppeln von Licht nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, unter Verwendung einer Lichtleitfaser (1), die im Bereich der Krümmung einwellig ist.