DE2938649A1

DE2938649A1 - Vorrichtung und verfahren zur signaluebertragung in lichtleitern

Info

Publication number: DE2938649A1
Application number: DE19792938649
Authority: DE
Inventors: Percy Victor Harvey Sabine
Original assignee: Australian Telecommunications Corp
Current assignee: Australian Telecommunications Corp
Priority date: 1978-09-28
Filing date: 1979-09-25
Publication date: 1980-04-10
Also published as: JPS5548718A; US4381882A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Lichtleiter und insbesondere die Endfläche eines Lichtleiters.

Aus mindestens zwei Gründen soll an einer einzigen Lichtleiter-Endfläche eine wirksame Eingangs- und Ausgangskopplung von Licht erreicht werden. Diese sind einerseits die Originalbereichs-Reflexionsmessung zur Bestimmung
der Abschwächung in einer Lichtleiterverbindung, und
andererseits die Zweiwegübertragung von Daten in einer
einzigen Lichtleiterfaser. Beide Anwendungsbereiche werden zur Zeit erforscht und erscheinen von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Die bei der Kopplung auftretenden
Schwierigkeiten werden nachfolgend beschrieben.

Zur Zeit ist sich die Fachwelt darüber einig, daß mit
Hilfe der Originalbereichs-Reflexionsmessung die Abschwächung oder Dämpfung in einer Lichtleiterverbindung sowohl in Versuchsbedingungen als auch in praktischen Anwendungsfällen das zweckmäßigste Meßverfahren ist. Diese Messung
umfaßt die Analyse von rückgestreuter optischer Leistung, der sogenannten Rayleighstrahlung, von entlang der Lichtleiterfaser verteilten Streuzentren in Abhängigkeit von
einem hochenergetischen, kurzen optischen Impuls. Für
eine derartige Messung verwendet man zweckmäßigerweise

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einen Halbleiterlaser mit einer typischen impulsbreite von 5 Nanosekunden und einer Wiederholfrequenz von 5 Kpps. Während sich jeder Einzelimpuls entlang des Lichtleiters bewegt, wird eine Rückstreuungswelle erzeugt, die mit Hilfe eines rauscharmen optischen Empfängers sowie unter Anwendung von Signalmittelwertbildung feststellbar und beispielsweise mit einem X-Y-Schreiber aufzeichenbar ist. Die vertikale und die horizontale Achse der derart erhaltenen Kurve gibt die rückgestreute optische Leistung sowie die zugehörige Zeit an. Üblicherweise erfolgt die Aufzeichnung in logarithmischem Maßstab in dB. Die Zeitachse ist vorzugsweise mit einem Maßstab versehen und stellt damit eine Zuordnung einzelner Lichtleiterpunkte dar, indem die Geschwindigkeit der Impulsausbreitung im Lichtleitermaterial berücksichtigt wird. Der optische Lichtleiterverlust in dB/km ist dann der Steigung der aus dem eingegebenen Impuls aufgenommenen rückgestreuten Intensitätskurve proportional.

Ein übliches Verfahren zur Erzielung einer Eingangskopplung des Laserdiodenimpulses und einer Ausgangskopplung der rückgestreuten optischen Welle an einer einzigen Faserendfläche erfordert einen 3 dB-Strahlenteiler zwischen der Laserdiode und der Faserendfläche, wobei ein Detektor derart angeordnet ist, daß er Licht vom Strahlenteiler aufzunehmen vermag. Dieses Verfahren hat jedoch zwei wesentliche Nachteile. Zum einen beträgt der gesamte

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Eingangs-Ausgangsverlust im Strahlenteiler 6 dB, und zwar 3 dB für den Eingangsimpuls und 3 dB für die rückgestreute Welle. Aufgrund der quadratischen Beziehung des optischen Detektors entspricht dieser optische Verlust von 6 dB einem elektrischen Signalverlust von 12 dB. Zum anderen wird eine unerwünschte Reflexion von der Stirnseite der Faser aufgrund der verhältnismäßig hohen Intensität zum Detektor zurückgekoppelt. Nach einem zweimaligen Durchlaufen des Strahlenteilers besitzt der den optischen Detektor erreichende reflektierte Impuls 1 % der von der Laserdiode ausgesandten Gesamtintensität. 4 % der auf die Faserfläche auffallenden Energie wird typischerweise reflektiert. Jedes Durchlaufen des 3 dB-Strahlenteilers reduziert die Strahlintensität um 50 %. Dieses Signal sättigt die Detektorschaltung, die an sich die rückgestreute Intensität bei einem gegenüber der Vorderseitenreflexion um 40 dB kleineren Wert messen soll.

Es sind bereits zahlreiche andere Verfahren zur Vermeidung der zuvor erwähnten Nachteile vorgeschlagen worden, keines dieser Verfahren sowie keine der dabei verwendeten Vorrichtungen arbeiteten jedoch vollkommen zufriedenstellend. So hat man beispielsweise einen Eingangskoppler mit sich verjüngendem Faserabschnitt verwendet; dieses Verfahren hat sich jedoch als schwierig und unzweckmäßig erwiesen. In einem anderen Verfahren wurde in einer total reflektierenden Platte ein Stecknadelloch gemacht und diese

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Vorrichtung als Eingangskoppler verwendet; dieses Verfahren erfordert jedoch eine äußerst sorgfältige Lichtquellenausrichtung und Fokussierung. Eine Lösung für die zuvor erwähnte zweite Schwierigkeit besteht darin, die Faserendfläche und den Strahlenteiler in einer sorgfältig aufgebauten Zelle unterzubringen, die eine Flüssigkeit mit gleichem Brechungsindex aufweist. Auch dieses Verfahren ist jedoch äußerst schwierig. Nach einem anderen Verfahren wird der Detektor durch Vorspannung seines Fotomultipliers in einen Sperrzustand für die Länge der reflektierten Welle gegatet. Schließlich ist es nach einem anderen Verfahren bekannt, vor den Detektor einen Polarisator zur Ausschaltung unerwünschte Reflexionen zu setzen; dies bringt jedoch eine weitere 3 dB-Abschwächung der rückgestreuten Intensität.

Gemäß einem anderen Verfahren wird ein einziger Übergangszonen-Sendeempfänger verwendet, der zum Senden als vorwärts gespannte Quelle und zum Empfangen als rückwärts gespannter Detektor verwendbar ist. Praxisnahe Versuche von optischen Sendeempfängern befinden sich jedoch noch in einem Anfangsstadium und derzeit sind sie noch nicht mit einzelnen, getrennt optimierten Quellen und Detektoren vergleichbar.

Ein anderes, die Kopplungsfragen berührendes Gebiet ist die Zweiwegübertragung von Signalen in einem einzigen

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optischen Lichtleiter. Dabei werden heutzutage zumeist eine erste Quelle an ein Ende der Faser und der zugehörige Detektor an das andere Ende der Faser angeschlossen; eine zweite Quelle wird an das andere Ende der Faser angeschlossen und der zugehörige Detektor wird an das die erste Quelle aufweisende Ende der Faser gelegt. An jedem Ende der Faser sitzt ein 3 dB-Strahlenteiler, der Licht zu den Quellen und Detektoren sowie den Enden der Faser leiten bzw. von diesen aufzunehmen vermag.

Die zuvor erwähnte Anordnung besitzt zumindest zwei wesentliche Nachteile, nämlich einerseits den optischen Kopplungsverlust von 6 dB auf dem Wege von der Quelle zum zugehörigen Detektor. Dies entspricht einem elektrischen Signalverlust von 12 dB. Zum anderen wird eine unerwünschte Faserstirnseitenreflexion der von der ersten Quelle ausgesandten Strahlung in den am gleichen Faserende vorgesehenen zweiten Detektor geleitet, und zwar mit einer Intensität, die etwa 1 % der Gesamtemissionsintensität der ersten Quelle beträgt. Nimmt man einen optischen Lichtleiter von guter Qualität mit einem Verlust von 2 dB je Kilometer an, und haben beide Quellen gleiche Intensität, dann ist die unerwünschte Reflexion in der gleichen Größenordnung wie das von der zweiten Quelle erwünschte Signal, sofern die Faserlänge lediglich 7 Kilometer beträgt (bei 6 dB-Verlust von der zweiten Quelle zu ihrem Detektor). Die gleiche unerwünschte Kopplung erfolgt natürlich

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auch zwischen der zweiten Quelle und dem am gleichen Ende der Faser liegenden Detektor.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wurden beispielsweise bereits Y-Anschlußkoppler verwendet, diese sind jedoch für mehrfaserige Lichtleiter schwer herstellbar und besitzen häufig hohe Einspeisungsverluste. Es sind auch bereits Richtungskoppler mit vier Eingängen zur Erzielung eines geringen Einspeisverlustes sowie zur hohen Richtwirkung herstellt worden. Die Herstellung ist jedoch äußerst schwierig und es ist eine Handausrichtung des Kopplers für optimale Wirkung erforderlich. Da es keine theoretische Abhandlung über die Wirkung einer derartigen Vorrichtung gibt, läßt sich ein vorgegebenes Kopplungsverhältnis lediglich empirisch ermitteln. Es sind auch schon integrierte optische Richtungskoppler vorgeschlagen worden, da diese jedoch nur im Einzelmode arbeiten, sind sie nur an Einzelmode-Fasern anschließbar. Schließlich sind auch nicht-reziproke Vorrichtungen für eine richtungsabhängige Übertragung von zwei identischen, jedoch in entgegengesetzter Richtung verlaufenden Lichtstrahlen bekannt. Diese erfordern jedoch eine ebene Polarisierung der optischen Signale, so daß sie nur in Einzelmode-Lichtleitern verwendbar sind. An Multimode-Lichtleiter sind sie nicht anschließbar.

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Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, einen neuartigen Faseroptikanschluß zu schaffen, der insbesondere für die Originalbereichs-Reflexionsmessung sowie für die Zweiwegübertragung von Lichtsignalen in einer einzelnen optischen Faser verwendbar ist. Dieser neue Anschluß soll die beim Stand der Technik auftretenden Nachteile nicht aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Anschluß für Lichtleiterfasern, der eine Lichtleiterfaser mit einem Kernbrechungsindex n' aufweist und wobei der Kern mit einer Umhüllung eines Brechungsindexes η umschlossen ist. Der Anschluß besitzt eine Licht in den Kern der Faser unter einem Winkel 0 einspeisende Stirnfläche, wobei 0 bezüglich der Flächennormalen dieser Fläche gemessen wird. Die Stirnfläche liegt so, daß die Längsachse des Kerns mit ihr einen Winkel oC einschließt, wobei

90° - 0 ' - θ · £ CX- ^ 90° - 0' +θ '

0 ' = arc sin ( / ')

θ ■ = arc sin (2 Δη )^1//2

0' = arc sin /sin 0

/sin 0 "N
^n¹/

= (n¹ - η W n' und

arc sin Γη¹ sin (φ^ - 20_Q ·)] <■ 0 ^= 90°.

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Der Anschluß ist als Einzelteil von beliebiger zweckmäßiger Baulänge aus einer Lichtleiterfaser herstellbar, die auf bekannte Weise mit langen Lichtleiterfasern verbindbar ist.

Der Anschluß läßt sich in einer langen Führung herstellen, indem diese unter einem Winkel OC zu ihrer Längsachse geschnitten wird. Hierzu wird beispielsweise die Faser mit einem Ende in einen Glas- oder Kunststoffkörper eingeformt und dann unter einem derartigen Winkel geschnitten, daß die Schnittfläche die Faser durchtrennt und den gewünschten Winkel zur Faserlängsachse aufweist. Die Schnittfläche wird daraufhin poliert.

Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung läßt sich der Anschluß in einem Glas- oder Kunststoffkörper einformen oder anbringen, wobei dieser Körper eine gegenüber der Faserlängsachse unter einem Winkel Oi geneigte, ebene Fläche aufweist. Der Körper soll dazu etwa den gleichen Brechungsindex wie der Faserkern haben, um innere Reflexionen am Übergang vom Kern zum Körper möglichst klein zu halten. Der Abstand vom Faserende zur Körperfläche sollte kleiner als etwa 5 mm sein, dieser Abstand ist jedoch nicht kritisch.

Die Erfindung umfaßt ferner eine Kommunikationsanlage mit einem zuvor erwähnten Anschluß sowie mit einer Einrich-

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tung zur Erzeugung eines Eingangsstrahls, der unter einem Winkel 0 auf die Eintrittsfläche auftrifft, und mit einem in der Nähe des Anschlusses liegenden Lichtdetektor, der durch die Faser laufendes und von der Eintrittsfläche reflektiertes Licht aufzunehmen vermag.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 ein Diagramm zur Darstellung des Akzeptanzwinkels einer Lichtleiterfaser;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer idealen Wellenausbreitung in einer Lichtleiterfaser;

Figur 3 die innere Totalreflexion eines Axialstrahls bei einem erfindungsgemäßen Anschluß;

Figur A eine schematische Darstellung der inneren Reflexion an einem Glas-Luft Übergang;

Figur 5 eine Abhängigkeitskurve der Reflexion in Abhängigkeit vom Einfallswinkel;

Figur 6 eine Schemadarstellung der äußeren Reflexion an einem Glas-Luft Übergang;

Figur 7 die Abhängigkeit der Reflexion gegenüber dem Einfallswinkel;

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Figur 8 die Reflexion von in einer Faser verlaufenden Strahlen;

Figur 9 eine Strahlenintensitätsverteilung in einer idealen Faser mit konstantem Kernbrechungsindex;

Figur 10 eine in der Praxis vorkommende Intensitätsverteilung;

Figur 11 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Anschluß unter Darstellung des Ausgangsstrahlenweges für eine unangeschlossene Faser;

Figur 12 einen Schnitt unter Darstellung des Ausgangsstrahlenweges für einen angeschlossenen Faseranschluß;

Figur 13 einen Schnitt durch einen Anschluß unter Darstellung von Bereichen mit teilweiser Ausgangskopplung;

Figur 14 eine erfindungsgemäß erwünschte Eingangskopplung an einem Anschluß;

Figur 15 eine Darstellung gemäß Figur 14, wobei der gebrochene Strahl einen kleinen Winkel zur Faserachse einschließt;

Figur 16 eine schematische Darstellung der Brechung eines divergierenden Strahles an einer Luft-Glas-Grenzfläche ;

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Figur 17 eine Kurve zur Darstellung des Eingangskopplungswirkungsgrades als Funktion des Faserendflächenwinkels ;

Figur 18 die Ausgangskopplung von in einer Faser mit Stirnflächenwinkel fortschreitenden Wellen;

Figur 19 vereinfachte Reflexionsfaktoren für die innere Reflexion an einer dielektrischen Grenzfläche;

Figur 20 eine Kurve des Ausgangskopplungswirkungsgrades in Abhängigkeit vom Faserendflächenwinkel ;

Figur 21 Eingangs- und Ausgangskopplungswirkungsgrade als Funktion des Faserendflächenwinkels ;

Figur 22 die Abhängigkeit des Einfallswinkels 0 vom und 23 Faserendflächenwinkel ;

Figur 24 die innere Totalreflexion eines Axialstrahls der Faser;

Figur 25 eine Anordnung zur Originalbereichs-Reflexionsmessung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Anschlusses;

Figur 26 eine schematische Darstellung einer Zweiwegübertragung entlang einer erfindungsgemäßen, einzelnen Lichtleiterfaser;

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Figur 27 ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Anschlusses; und

Figur 28 eine zweckmäßige Detektoraufstellung.

Figur 1 zeigt eine optische Faser oder einen Lichtleiter mit einem Kern 3 und einer Umhüllung 5 der nachfolgenden Spezifikation:

Faserart: konstanter Brechungsindex, Multimode Material: Quarzglas Numerische Apertur (N.A.) = 0,20 Kern-Brechungsindex (n¹) = 1,46 Kerndurchmesser 50 bis 100 ,um

Der Faserkerndurchmesser hat lediglich einen indirekten Einfluß auf die Erfindung und die oben angegebenen Werte stellen daher keine Grenzen für die Erfindung dar. Sie bezeichnen lediglich Fasern, die heutzutage in Telekommunikationsanlagen eingesetzt werden.

Gemäß Figur 1 läßt sich die numerische Apertur einer Einzelfaser folgendermaßen bestimmen

= sin 9_c = I_n [(n·)² - (n_c)²]¹⁷² (1)

Hierin bedeutet n* der (maximale) Kernbrechungsindex, η der Umhüllungs-Brechungsindex und η der Brechungsindex

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des umgebenden Mediums (normalerweise Luft und damit η = 1). θ ist der in Luft gemessene Maximalwinkel, unter dem ein in den Faserkern über ein ebenes (normales) Faserende einfallender, nicht-axialer Strahl an der Kernumhüllung der Totalreflexion unterliegt und somit in der Faser entlanggeführt wird, θ wird somit als "Akzeptanzwinkel" bezeichnet. Der entsprechende Winkel für den Faserkern läßt sich nach dem Snellius'sehen Gesetz folgendermaßen berechnen

/ sin

θ_' = arc sin

(2)

= arc sin (NA/n')

welches also zu dem in Gleichung (1) angegebenen Resultat führt.

Der maximale relative Brechungsindex für die Umhüllung ist

An_m = (n· - n_c)/n' (3)

was für übliche Fasern verhältnismäßig klein ist ( 2 %). Unter Verwendung der Gleichungen (1) und (3) läßt sich zeigen, daß

NA = n¹ (2£n_m)^l/2 (4)

Die Gleichung (2) ergibt dann

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θ ' = arc sin (2Δη ) (5)

Für eine Faser mit einer numerischen Apertur NA = 0,20 werden die in der Faser laufenden Lichtstrahlen in einem Kegel eingeschlossen, dessen Halbwinkel

θ ' = arc sin [NA/n¹] (6)

Q ' - 7 9°

beträgt.

Aus Gleichung (1) folgt, daß die Lichtstrahlen unter einem hinreichend kleinen Winkel bezüglich der Umhüllung verlaufen müssen, damit eine Totalreflexion im Inneren der Faser erfolgt. Im folgenden wird ein ■ immer dann verwendet, wenn ein Parameter den Faserkern betrifft. Figur 2 zeigt den Kegel der durch Faserleiter verlaufenden Lichtstrahlen.

Figur 3 zeigt einen Axialstrahl 7 und dessen Totalreflexion an der Luft-Glas-Trennfläche. Der Axialstrahl 7 berührt demnach nicht die Umhüllung. Zur Totalreflexion dieses Strahles ist es erforderlich, daß der Axialstrahl 7 unter einem Winkel 0¹ auf die Faserstirnfläche auftritt, der gleich groß wie der kritische Winkel 0 ' für einen Quarz-Luft Übergang entspricht. Daraus folgt, daß

P' = 0 · = arc sin (n/n¹) (7)

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Das Einsetzen von numerischen Werten in obiges Beispiel fuhrt zu einem Winkel 0 ' = 43,2°. Aus den in Figur 3 erkennbaren geometrischen Verhältnissen folgt, daß die Faserendfläche unter einem Winkel

OC= 90° - 0_c· (8)

geschnitten sein muß, also beispielsweise mit OC - 46,8°. Man erkennt ferner, daß der Axialstrahl unter einem Winkel

ß = 2 0_c' (9)

gegenüber der Umhüllung reflektiert wird, wobei im Ausführungsbeispiel ß = 86,4°.

Figur 4 zeigt ein einfaches Diagramm für die innere Reflexion an einer Luft-Glas-Trennfläche, während Figur 5 die relative reflektierte Intensität in Abhängigkeit vom Einfallswinkel angibt.

Die Figuren 6 und 7 sind entsprechende Figuren der externen Reflexion. In diesen Diagrammen ist der Reflexionsfaktor der Komponente, deren Polarisationsebene parallel zu der vom einfallenden Strahl und der Oberflächennormalen aufgespannten Einfallsebene liegt, ist mit r bezeichnet. Der Reflexionsfaktor für die Komponente, deren Polarisationsebene senkrecht zur Einfallsebene liegt, ist mit r be-

zeichnet.

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Aus diesen Kurven geht deutlich hervor, daß alle die Faser durchsetzenden Strahlen, die einen Einfallswinkel von 0' 0 ' zur Quarzglas-Luft-Trennfläche haben, im Inneren totalreflektiert werden und von einem Detektor D aufzeichenbar sind. Figur 8 zeigt, daß diese total reflektierten Strahlen im oberen Halbwinkel des die Faser durchsetzenden Strahlenkegels liegen. Die im unteren Halbwinkel liegenden Strahlen werden teilweise reflektiert, wobei das Reflexionsvermögen für jeden Strahl von den in Figur 5 dargestellten Fresnelkurven abhängt.

Für jeden Anwendungsfall läßt sich der reflektierte Gesamtbetrag der einfallenden optischen Energie durch Integration der Fresnel-Reflexionsfaktorkurven in bezug auf die modale Intensitätsverteilung berechnen. Aus der vorhergehenden Diskussion folgt, daß die bei D gemessene, reflektierte Intensität an der Faser, und zwar nahe der vom Schnittwinkel oC gebildeten Stelle praktisch in allen Fällen um 3 dB kleiner als die in die Faser einfallende Gesamtintensität sein muß. Für den einfachsten Fall eines Kerns mit konstantem Brechungsindex, der einen unpolarisierten Strahl von gleichmäßiger Intensitätsverteilung gemäß Figur 9 leitet, wurde die reflektierte Gesamtenergie auf einen Wert geschätzt, der 2,1 dB unter der in die Faser einfallenden Gesamtenergie liegt. Diese Abschätzung wurde durch Annäherung des unter den Fresnelkurven liegenden Bereichs vorgenommen.

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Bei den meisten Messungen hat das einfallende Licht bereits eine beträchtliche Distanz von einer entfernten Quelle zurückgelegt. Die größere Abschwächung der unter größerem Winkel einfallenden Strahlen bewirkt einen Bündelungsefekt für die Intensitätsverteilung der durchlaufenden Strahlen. Die Intensitätsverteilung läßt sich somit durch eine Veränderung einer Funktion ähnlich der Kurve gemäß Figur darstellen. Eine Betrachtung der Figuren 5 und 10 zeigt, daß der Nettoefekt dieser veränderten Intensitätsverteilung in der Praxis den Ausgangskopplungsverlust kleiner als 2,1 dB macht, und zwar weil die Strahlen keiner inneren Totalreflexion unterliegen.

Strahlen, die nicht im Inneren totalreflektiert werden, werden teilweise gemäß Figur 8 aus der Faser herausgebeugt. Diese herausgebeugten Strahlen liegen innerhalb eines Kegels, dessen Extremwerte zwischen

= arc sin (n'sin 0 ')
0-

max

0 . = arc sin [n'sin (0 ■ - θ ')Ί liegen.

Ill-L Xl L t-· ^-*

Im vorliegenden Beispiel ist 0 . = 57,5°. Es wird darauf hingewiesen, daß 0 und 0 . durch Anwendung des Snellius¹sehen Brechungsgesetzes auf die extremen Strahlen im teilweise reflektierten Halbwinkel gemäß Figur 8

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berechnet worden sind. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß das unreflektierte Licht über einen großen Winkelbereich von 32,5 abgelenkt wird.

Gemäß Erfindung ist somit Licht aus einer Faser in Querrichtung und mit einem Kopplungsverlust von weniger als 2,1 dB auskoppelbar, wenn die Faserendfläche unter einem vorgegebenen Winkel geschnitten worden ist.

Aus Gleichung (9) und Figur 3 erkennt man, daß die aus der Faser ausgekoppelten Strahlen unter einem Winkel ß verlaufen, der annähernd 90° zur Faserachse verläuft. Der Faserquerschnitt in der Fortbewegungsebene dieser Strahlen ist daher etwas elliptisch. Zum leichteren Verständnis ist jedoch die Annahme eines kreisförmigen Faserquerschnittes in dieser Ebene zulässig. Das interessierende Hauptmerkmal ist die Winkelverteilung der ausgesendeten Strahlen. Die beiden Extremstrahlen sind in Figur 11 mit RR¹ und SS' bezeichnet. Ist die Faser unabgeschlossen, dann bewirkt die gebogenen Umhüllung-Luft-Grenzfläche eine Fokussierung der ausgesandten Lichtstrahlen. Figur und die orthogonale Ansicht gemäß Figur 3 zeigen, daß die gesamte ausgegebene Kopplungsintensität mittels eines kleinen Detektors meßbar ist. Wird der Detektor nahe genug an die Faser gesetzt, dann braucht der Durchmesser des aktiven Bereiches nur wenig größer als der Faserkerndurchmesser, also wenig größer als 50 bis 100,um sein.

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Figur 12 zeigt eine in einen Block 40 eingebettete Faser, wobei der Block den gleichen Brechungsindex hat. Dies wird anhand der Figuren 27 und 28 später näher erläutert. Da an der Kern-Umhüllungs-Grenze keine Beugung auftritt, divergieren die Strahlen RR¹ und SS¹ weiterhin. Der aktive Bereich des Detektors braucht jedoch ebenfalls nur wenig größer als der Faserkerndurchmesser zu sein. Es wird darauf hingewiesen, daß selbst die kleinsten kommerziell erhältlichen Detektoren hierfür verwendbar sind: Dies sind beispielsweise

United Detector Technology

UDT 020-A Silizium PIN Photodiode

Durchmesser des aktiven Bereichs: 500 ,um

Texas Instruments

TIXL 55 Silizium-Lawinenphotodiode

Durchmesser des aktiven Bereichs: 260 ,um

Es läßt sich eine weitere Feststellung bezüglich der Ausgangskopplung machen: es gibt zwei sehr kleine Bereiche des Faserquerschnitts, die Bereiche von lediglich teilweiser Ausgangskopplung bestimmen. In diesem Zusammenhang ist der Ausdruck "teilweise" für Strahlen verwendet, die in einer Richtung im Inneren totalreflektiert werden, die aber in Querrichtung nicht unbedingt derartig reflektiert werden müssen. In Figur 13 sind diese Bereiche 9 kreuzschraffiert. Ein Teil der im Inneren totalreflek-

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tierten Strahlen trifft bei der Durchquerung dieser kreuzschraffierten Bereiche unter sehr flachen Winkeln auf die Umhüllung und wird daher wiederum im Inneren totalreflektiert. Sie können den Faserkern somit nicht verlassen.

Die Ausdehnung dieser Bereiche 9 läßt sich folgendermaßen bestimmen: Die durch die Faser laufenden Lichtstrahlen liegen wie bereits erwähnt in einem Kegel mit einem halben Kegelwinkel von +_ θ ■ , der konzentrisch zur Faserachse liegt. Nach innerer Totalreflexion an der Faserstirnfläche liegen die Strahlen in einem Kegel mit einem Halbkegelwinkel von + θ ', der konzentrisch zur Fortbewegungsrichtung des reflektierten Axialstrahls, also in Richtung OD in Figur 13 liegt. Damit ein Strahl aus dem Faserkern austreten kann, muß er unter einem Winkel 0' <(90° - θ ')

zur Tangente auf die Kern-Umhüllungsgrenzflache am Einfallpunkt einfallen. Wenn diese Tangente einen Winkel von weniger als 2 θ ■ bezüglich OD einschließt, dann liegt eine geringere als 100 % Ausgangskopplung der im Inneren total reflektierten Strahlen vom Kern in die Umhüllung vor.

Aufgrund der Symmetrie der Strahlenverteilung um OD muß die Ausgangskopplung für die Bereiche 9 durchsetzende Strahlen noch größer als 3 dB sein. Die Bereiche 9 nehmen offensichtlich nur einen sehr kleinen Teil der gesamten Faserkernfläche ein. Diese beiden Faktoren stellen sicher,

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daß der den Faserkern nicht verlassende, im Inneren totalreflektierte Intensitätsanteil vernachlässigbar ist. Dies gilt insbesondere für Fasern mit konstantem Kernbrechungsindex, die eine annähernd gleichmäßige Intensitätsverteilung über den gesamten Faserkern aufweisen. Dies gilt um so mehr für Fasern mit sich radial nach außen verkleinerndem Kernbrechungsindex bei denen die Lichtintensitätsverteilung über dem Faserquerschnitt dem Brechungsindexprofil stark angenähert ist und daher nur äußerst wenig Licht in der Nähe der Kern-Umhüllungs-Grenzfläche geleitet wird.

Figur 14 betrifft eine wirksame Eingangskopplung von Licht in die Stirnfläche einer unter dem Winkel OC geschnittenen Faser, wobei ein Lichtstrahl 12 unter dem Winkel 0 aus der Luft auf eine Quarzglas-Luft-Grenzfläche auffällt. Dieser Einfallswinkel sollte im Idealfall derart gewählt sein, daß der gebrochene Strahl entlang der Faserachse verläuft. Aus dem Snellius'sehen Gesetz gilt hierzu

0 = arc sin (n¹ sin 0 ')
= 90°

Figur 7 zeigt das Reflexionsvermögen in Abhängigkeit vom Einfallswinkel bei externer Reflexion an einer Quarzglas-Luft-Grenzfläche. Diese Kurven zeigen, daß bei einem Einfallswinkel 0 = 90°, der einfallende Strahl totalreflektiert wird. Dies ist auch hier anwendbar, denn Figur 11

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betrifft einen Fall, bei dem man in einen gebrochenen Strahl mit 0' = 0 ' zu koppeln versucht, wobei letzteres die Bedingung für eine innere Totalreflexion der in entgegengesetzter Richtung entlang der Faserachse verlaufenden Strahlen darstellt.

Die vorstehende Betrachtung zeigt, daß es unmöglich ist, einen einfallenden Lichtstrahl in die Faserachse zu koppeln, praktische Annäherungen an diesen Idealzustand werden jedoch nachfolgend diskutiert.

Der Einfallswinkel 0 muß natürlich so nahe wie möglich an 90° liegen. Aus Figur 7 mit 0 = 75 ergeben sich Reflexionsvermögen für die beiden Polarisierungen des einfallenden Strahls mit

r = 10,9 %
und r = 38,1 %.

Ein unter einem Winkel 0 = 75° einfallender p-polarisierter Strahl bewirkt demnach einen Reflexionsverlust von 0,5 dB, während ein s-polarisierter Strahl einen Reflexionsverlust von 2,1 dB besitzt. Für einen unpolarisierten Strahl beträgt das Reflexionsvermögen [(10,9 + 38 ,1) : 2J oder gleich 24,5 %, was einem Verlust von 1,2 dB entspricht.

Ist der Einfallswinkel mit 0 = 75° gewählt, djinn läßt sich eine Fehlausrichtung von reflektiertem Strahl und

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Faserachse in Verbindung mit Figur 15 berechnen.

Aus dem Snellius'sehen Gesetz folgt wiederum für den gebrochenen Strahl ein Winkel von

0¹ = arc sin — sin 01 (10)

Ln¹ J

Der Winkel 0¹ ist mit der Oberflächennormalen eingeschlossen. Unter Einsetzung von n' = 1,46 und 0 = 75 folgt 0' =41,4 . Gemäß Figur 15 ist der Fehlausrichtungswinkel

6 = V - 0'

was für B= 1,8° ergibt. Das Licht wird somit etwas unaxial in die Faser eingekoppelt, jedoch noch immer innerhalb des Akzeptanzwinkels 0 ' = _+ 7,9 zu jeder Seite der Achse. Der Vorgang der Mode-Vermischung bewirkt schnell die übliche (d.h. bei in Axialerrichtung erfolgender Anregung) verlustfreie Strahlintensitätsverteilung nach kurzer Fortbewegung in der Faser.

Man erwartet, insbesondere im Falle einer gut kollimierten Quelle, daß die Verschlechterung des Eingangskopplungswirkungsgrades aufgrund dieser geringen Fehlausrichtung (vgl. mit einer normal zur Faserachse stehender Faserstirnfläche sowie mit in Axialerrichtung erfolgender Anregung erzielbarer Kopplungswirkungsgrad) verhältnismäßig gering ist. Zur Bestätigung dieser Annahme sind im Laboratorium grobe Messungen vorgenommen worden. Eine Faser der

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erwähnten Art mit konstantem Kernbrechungsindex wurde mit einem fokussierten Helium-Neonlaserstrahl angeregt. Das Fokussierelernent war ein 5X-Mikroskop-0bjektiv, das einen Eingangsstrahl mit einer Divergenz von _+ 1 lieferte und damit eine axiale Einspeisung annäherte. Die Quelle und die Faser wurden sorgfältig ausgerichtet, um eine maximale Leistungsaufnahme in der Faser sowie eine entsprechende Leistungsausgabe zu erzielen. Die Faser wurde daraufhin bis zu 3 fehlausgerichtet. Eine Fehlausrichtung von 3 in Luft entspricht einer 2° außeraxialen Anregung in der Faser. Innerhalb der üblichen Versuchsfehlergrenzen entsprach die Faserausgangsintensität etwa der axialen Anregung.

Die Wirkung der Einfallswinkelvergrößerung läßt sich aus Gleichung (9) und den Kurven gemäß Figur 7 ermessen. Bei einer Vergrößerung des Winkels 0 von 75 verringert sich der Fehlausrichtungswinkel S und wird bei 0 = 90 zu 0°. Es gibt jedoch dabei eine deutliche Erhöhung der Reflexionsvermögen r und insbesondere von r . Im vorliegenden Beispiel stellt der Winkel 0 = 75 einen vernüftigen Kompromiß zwischen Fehlausrichtungswinkel und Reflexionsverlust dar.

Aus Figur 15 erkennt man schließlich, daß der reflektierte Strahl 13 sowohl von der Quelle als auch von der Stelle des Detektors D (gemäß Figur 8) weggelenkt wird.

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Das Problem der Einleitung von Licht in eine Faser wurde unter Annahme einer ideal-kollimierten Quelle diskutiert. Die angegebene Lösung ist für gut kollimierte Eingangsstrahlen, wie sie beispielsweise von Gaslasern oder Festkörper-Kristalllasern ausgesandt werden, hinreichend. Es erhebt sich jedoch die Frage, ob die angegebene Lösung des Einleitungsproblems auch für etwas divergierende Quellen hinreichend ist. Figur 16 zeigt diese Situation.

Hier sind Δ0 und Δ0¹ die Halbwinkel der Einfalls- bzw. Ausfallsstrahlen. Aus dem Snellius'sehen Gesetz folgt

η sin 0 = n¹ sin 0' (11)

η sin (0 +Δ0) = n¹ sin (0· +Δ0¹) (12) Für kleine Δ0 läßt sich

sin (0 + Δ0) = sin 0 +Δ0 cos 0

auf beide Seiten der Gleichung (12) anwenden. Gleichung (11) läßt sich auch folgendermaßen schreiben

Δ0, Mal] · [cos 0'1 (13)

al] · [
η Ί L

Ä0¹ *■ η Ί Leos 0
Term I · Term 2

In dieser Gleichung sind sowohl der Term 1 als auch der Term 2 größer als 1, und zwar im vorliegenden Beispiel bei einem Übergang von einem geringer brechenden Medium zu einem stärker brechenden Medium. Beide Terme tragen somit dazu bei, daß der gebrochene Strahl stärker kollimiert ist

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als der einfallende Strahl. Term 1 beschreibt die KoIlimation lediglich aufgrund der Diskontinuität des Brechungsindex und stellt den Grad der Kollimierung dar, der für einen normalen Einfallsstrahl auftritt. Term 2 ist eine monoton steigende Funktion von 0 und beschreibt den Kollimationsefekt lediglich in bezug auf den Einfallswinkel.

Wird in einem Beispiel

η = 1

η¹ = 1,46

0 = 75°

und 0' = 41,4°
gesetzt, dann ergibt sich für

Δ0

Δ0'

= 4,2

Die Divergenz des einfallenden Strahls ist um einen Faktor 4,2 reduziert, wenn die Einleitung in die Faser gemäß dem Verfahren nach Figur 15 erfolgt. Dies gibt eine Verbesserung um einen Faktor 3 gegenüber der mit normalen Einleitungseinrichtungen erzielbaren Kollimierung.

Betrachtet man nun die gesamten Kopplungseigenschaften eines Faserendes, das genau unter dem Winkel oC geschnitten ist, dann erkennt man aus dem Vorstehenden, daß Licht in Querrichtung aus der Faser durch innere Totalreflexion mit einem Verlust von weniger als 2,1 dB auslenkbar ist. Man erkennt ferner, daß für eine linear polarisierte

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Quelle bei einem Einfallswinkel von 75 der Ausgangskopplungsverlust an der gleichen Faserstirnfläche 0,5 dB beträgt.

Vier allgemeine Bemerkungen lassen sich in bezug auf den Faserabschluß machen:

1. Die in dem beschriebenen Beispiel verwendete Faser hatte einen Kern mit konstantem Brechungsindex. Das Verfahren ist jedoch auch auf Fasern mit nach außen abnehmendem Kernbrechungsindex anwendbar und führt zu vergleichbaren Eingangs- und Ausgangskopplungswirkungsgraden.

2. In dem beschriebenen Beispiel wurde ein Kern mit einem Brechungsindex von 1,46 (reiner Quarz) angenommen

und ein Winkel O^ = 46,8° für die geschnittene Faserendfläche berechnet. Zahlreiche in der Praxis für den Kern verwendbare Gläser und Kunststoffe haben einen Brechungsindex zwischen 1,46 und 1,50. Je höher der Brechungsindex des Kernmaterials ist, desto größer ist der für oi erforderliche Wert. Zu Vergleichszwecken sind die wesentlichen Parameter für zwei Fasern mit gleicher numerischer Apertur, jedoch Brechungsindizes von 1,46 und 1,50 nachstehend angegeben.

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43,	2°	41,	8°
46,	8°	48,	2°
75	ο	75	ο

Brechungsindex η¹ des Kerns 1,46 1,50 Numerische Apertur NA 0,20 0,20

Faserakzeptanzwinkel θ ' 7,9° 7,7°

(für Kern) ^c

Kritischer Winkel für innere
Totalreflexion 0 '

Schnittwinkel der Faserstirnfläche,

Gewählter Einfallswinkel 0

Reflexionsfaktor r 10,9 % 10,7 °/

Fehlausrichtungswinkel des

Einfallstrahls, 1,8° 1,7°

Nimmt der Brechungsindex des Kernes zu, dann vergrößert sich auch der Winkel OC , unter dem die Faserendfläche geschnitten werden muß. Es wird darauf hingewiesen, daß nicht alle Fasern unter dem gleichen mittleren Winkel, beispielsweise 45 , geschnitten werden können und dennoch die erwähnten Kopplungseigenschaften zu erzielen vermögen. Wird beispielsweise die Stirnfläche einer Faser mit einem Kernbrechungsindex n' von 1,50 unter einem Winkel OC = 45 , anstelle des berechneten Wertes von 48,2 geschnitten, dann unterliegen zunächst mehr Strahlen in der Faser einer internen Totalreflexion und der Ausgangskopplungsverlust wird dadurch verringert. Der zweite Effekt ist der, daß der Fehlausrichtungswinkel für einen Einfallswinkel 0 = 75° vom "Optimum" von 1,7° auf 4,9° vergrößert wird. Diese Fehlausrichtung läßt sich nicht wesentlich durch Vergrößerung des

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Einfallswinkels über 75° hinaus reduzieren. Die Fehlausrichtung ist zu groß, um eine Wiederverteilung der Strahlintensitätsverteilung aufgrund von Mode-Mischung zu erreichen, ohne daß dabei zusätzliche Kopplungsverluste auftreten. Dies gilt sogar für Fasern mit der hier gewählten, verhältnismäßig großen numerischen Apertur NA = 0,20, insbesondere jedoch für Fasern mit NA = 0,15 und n¹ = 1,5, bei denen der Akzeptanzwinkel beispielsweise auf θ ' = 5,7° reduziert ist.

3. Die Aussage unter Punkt 2. deutet an, daß Eingangskopplungswirkungsgrad und Ausgangskopplungswirkungsgrad durch Veränderung des Faserschnittwinkels austauschbar seien. Hierbei entstehen zwei Situationen: i) Für Fälle, in denen eine Ausgangskopplung von 4.3 dB erforderlich ist, wird die Faser unter einem größeren Winkel O6 geschnitten, als dieser aus den Gleichungen (7) und (8) berechnet wird. Dies verringert den Ausgangskopplungswirkungsgrad und verbessert in gewissem Sinne den Wirkungsgrad der Eingangskopplung durch Verringerung des Fehlausrichtungswinkels für einen feststehenden Einfallswinkel. Ein quantitatives Entwurfsverfahren läßt sich zur Beschreibung der verschiedenen erzielbaren Kopplungsverhältnisse formulieren.

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ii) Wird eine Ausgangskopplung von mehr als 3 dB benötigt dann wird die Faser unter einem Winkel oC geschnitten, der kleiner als der aus den Gleichungen (7) und (8) berechnete Wert ist. Der Wirkungsgrad der Ausgangskopplung wird dadurch verbessert. Für einen gegebenen Einfallswinkel vergrößert sich damit der Fehlausrichtungswinkel. Die Aufrechterhaltung einer wirksamen Eingangskopplung hängt dann von der wirksamen Mode- Mischung in der Faser ab. Die Schwierigkeiten in der Quantifizierung des Mode-Mischungseffekts für typische Situationen macht eine quantitative Konstruktionsanalyse schwieriger.

4. Für eine beste Wirkung der erfindungsgemäßen Faserenden soll die Quelle gut kollimiert und linear polarisiert sein. Diese Anforderungen werden von den meisten konventionellen Lasern erfüllt, beispielsweise von Gas- und Festkörper-Kristallasern. Die Eingangskopplung erscheint auch mit Halbleiter-Laserdioden durchführbar. Derzeit erhältliche Laserdioden für Lichtleiterübertragungen, beispielsweise eine LCW-IO der Laser Dioden Laboratories, ist im allgemeinen eine Einzelquermodeeinrichtung, zumindest bis zu mäßigen Strömen, und der Ausgangsstrahl ist linear polarisierbar. Die nächste Generation der kommerziell erhältlichen Laserdioden

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sind echte Einzelquermodeeinrichtungen. Die Fernfeld-Strahlungsverteilung einer solchen Laserdiode weitet sich _+ 2° in der Parallelebene zum Übergang und _+■ 27° in der Normalebene zum Übergang auf. Es ist klar, daß die letztere Divergenz die Kopplungsprobleme mit sich bringt. Veröffentlichungen haben bereits gezeigt, daß eine sorgfältig ausgewählte Faser als Zylinderlinse wirken und die Divergenz etwa sechsfach auf +■ 4 reduzieren kann. In Kombination mit der nach dem erfindungsgemäßen Ankopplungsverfahren erzielbaren vierfachen Kollimation wird die Divergenz auf etwa _+ 1° reduziert. Auf diese Weise ist eine wirksame Einkopplung einer Laserdiodenquelle sichergestellt.

Betrachtet man nun die Eingangs/Ausgangskopplungswirkungsgrade als Funktion der Faserstirnfläche o£, so erkennt man, daß Bereiche für den Stirnflächenwinkel 06 nicht ohne Bezugnahme auf den Strahleinfallswinkel 0 angebbar sind. Die weiter unten angegebenen inneren Eigenschaften stellen jedoch wichtige Parameter dar.

Die vorstehende Beschreibung enthielt eine kurze qualitative Beschreibung des Einflusses von Einfalls- und Ausfallskopplungswirkungsgrad bei Veränderung des Stirnflächenwinkels C* gegenüber dem so genannten Optimalwert, nämlich

*opt = ⁹⁰° - ⁰C^{1 (14)}

worin φ ' gemäß Gleichung (9) definiert ist. Im folgenden

werden die Grenzwerte für Oi- angegeben, innerhalb derer

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Eingangs- und Ausgangskopplung erzielbar ist.

In bezug auf die Eingangskopplung entnimmt man aus Figur 15, daß auf die abgeschrägte Faserstirnfläche unter dem Winkel 0 einfallender Strahl gegenüber der Faserachse um einen kleinen Winkel ζ fehlausgerichtet ist. Es sei angenommen, daß die Quelle kollimiert ist und der Einfallswinkel 0 feststeht, so daß der Fehlausrichtungswinkel

S= (90° - OC) - 0' (15)

ist, worin aufgrund des Snelluis'sehen Brechungsgesetzes

0' = arc sinfsin 0 \ (16)

Ist 16t>le ¹I, dann trifft der Strahl auf die Kern-Umhüllungsc

Grenzschicht unter einem zu großen Winkel, um innere Totalreflexion zu bewirken. Dies bedeutet, daß keine Lichtleitung stattfinden kann und der Eingangskopplungswirkungsgrad der Faser wird Null. Die Bedingungen für einen von Null verschiedenen Eingangskopplungswirkungsgrad sind

- ö_c- £ S £ Q_c' (17)

Mit Hilfe von Gleichung 15 läßt sich diese Ungleichung in die Form umschreiben

90° - 0¹ - θ · ^ OC ^ 90° - 0¹ + θ · (18)

Dieser Ausdruck sagt, daß ein endlicher (nicht Null) Eingangskopplungswirkungsgrad über einen Bereich von

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oC erzielbar ist, der sich Über 2 θ ■ erstreckt. Ein derartiges Resultat ist bei Betrachtung der Figur 7 zu erwarten, worin nämlich 0 ' der (halbe) Akzeptanzwinkel für in den Kern eintretendes Licht ist. Aus Gleichungen (5), (16) und (18) folgt, daß der Grenzbereich für OC , in dem eine Eingangskopplung erzielbar ist, vom Brechungsindex des Kernmaterials sowie von der relativen Brechungsindexdifferenz von Kern-Umhüllung abhängt. Gleichung (15) besagt, daß

Od= 90° - 0' (19)

die Bedingung für optimale Eingangskopplung ist, also

Für das zuvor beschriebene Beispiel sind die durch die Ungleichung (18) bestimmten Grenzswerte für 40,7° ^ OC ^ 56,5°

und 6=0 erfordert, daß (X.= 48,6° ist. Figur 17 veranschaulicht die Veränderungen des Eingangskopplungswirkungsgrades in Verbindung mit dem Stirnflächenwinkel oC. Die einzigen genau bekannten Punkte dieser Kurve sind das Maximum und die beiden Null-Kopplungsbedingungen. Der Kurvenverlauf ist daher im wesentlichen durch empirische Annahme ermittelt. Eine genaue Aufzeichung des Fehlausrichtungswinkels £als Funktion des Faserstirnwinkels OC ist ebenfalls in Figur 17 enthalten.

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In Verbindung mit Figur 18 werden nun die Verhältnisse bei der Ausgangskopplung im einzelnen näher untersucht, wobei Figur 18 ähnlich Figur 3 ist, die eine Ausgangskopplung für eine Faser mit einem allgemeinen Stirnwinkel OC darstellt. Aus Figur 18 die Einfallswinkel 0' für verschiedene Strahlen ableitbar.

0' = (90° - OC) für den Axialstrahl, 0' = (90° -CX- θ ■) für den Randstrahl A, und 0' = (90° - CX + Q ■) für den Randstrahl B.

Für einen im Inneren totalreflektierten Strahl gilt 0¹ > 0_C'

worin 0 ' gemäß Gleichung (9) definiert ist.

Es gibt zwei besonders interessierende Fälle. Beim ersten erfüllt der Randstrahl A die Bedingungen für innere Totalreflexion. In dem Fall gilt

90° - OL- Q_c- = 0_c-

also OC= 9.0° - (0 ' + θ ' ) (20)

und alle anderen in der Faser geleiteten Strahlen werden im Inneren totalreflektiert. Der Ausgangswirkungsgrad ist daher 100 %. In diesem Fall ist der Winkel OC= 38,9°. Der zweite interessierende Fall ist dann gegeben, wenn der Randstrahl B gerade nicht mehr im Inneren totalreflektiert wird. Dies erfolgt bei

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90° - OC + Q_c' = 0_c'

OC= 90° - (0 ' - θ ■) (21)

so daß keiner der in der Faser geleiteten Strahlen im Inneren totalreflektiert wird. Der Ausgangswirkungsgrad ist dabei Null. Für diesen Fall beträgt der Winkel oC= 54,7

Zweckmäßigerweise wird zunächst eine vereinfachte Form der Fresnel-Koeffizienten für die gemäß Figur 5 aufgezeichnete innere Reflexion angenommen. Dabei ist angenommen, daß die Reflexionsfaktoren r und r für beide Polarisationen des einfallenden Lichtes 100 % für Strahlen

mit 0' > 0 ' und Null für Strahlen mit 0' < 0 · ist. c c

Dies ist in Figur 19 dargestellt und führt zum Schluß, daß eine 3 dB (50 %) Ausgangskopplung der vom Strahl in der Faser mitgeführten Gesamtintensität dann erhalten wird, wenn

= 90° - 0 ·.

Für das gewählte Beispiel ergibt dies OC = 46,8°.

Die Veränderung des Ausgangskopplungswirkungsgrades in Abhängigkeit vom Faserstirnwinkel OC ist in Figur 20 dargestellt. Die ausgezogene Linie stellt ein berechnetes

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-ΊΟ -

Ergebnis unter Verwendung der vereinfachten Fresnel-Reflexionsfaktoren gemäß Figur 19 dar. Die gestrichelte Linie gibt das Resultat an, das unter Verwendung der exakten Fresnel-Reflexionsvermögen gemäß Figur 5 erzielbar wäre. Aus den Gleichungen (20) und (21) sowie aus Figur folgt, daß verwendbare Abweichungen des Ausgangskopplungswirkungsgrades über einen Bereich von oC erzielbar sind, der sich über 2 θ ■ erstreckt.

In bezug auf eine wirksame Eingangs- und Ausgangskopplung stellt die Bidirektionalität des Faserendes eine Schlüsselfunktion dar, worunter die Fähigkeit zur gleichzeitigen wirksamen Eingabe- und Ausgabekopplung von Licht an einer einzigen Faserendfläche verstanden wird. Dies verlangt einen Kompromiß in bezug auf die Betriebsbedingenen; nämlich einen Kompromiß, der gleichzeitig beste Eingabe- und Ausgabekopplung gestattet, wobei allerdings bei Einzelbetrachtung sowohl die Eingangskopplung als auch die Ausgabekopplung nicht ganz optimal sind. Figur 21 veranschaulicht dies, wobei hier die Figuren 17 mit der Eingangskopplung und die Figuren 20 mit der Ausgangskopplung unterlegt sind.

Wie bereits erwähnt, erstreckt sich der Bereich, in dem Eingangskopplung erzielbar ist, über 2 θ '. Der Bereich über den Ausgangskopplung erzielbar ist, erstreckt sich ebenfalls über 2 0*. Obgleich sich diese beiden Bereiche

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- /11 -

für die Eingangs- und Ausgangskopplung in großem Maße überlappen, fallen sie jedoch nicht zusammen. Dies folgt aus Figur 21. Wird OC in diesen Bereichen variiert, dann erhält man eine verbesserte Ausgangskopplung unter Verringerung der Eingangskopplung und umgekehrt.

Die ungefähren zweckmäßigen Grenzen für OC lassen sich folgendermaßen angeben:

90° - (0 ' + θ ') ^. Od 4z 90° - 0' + θ '

OO O

(22)

100 % Ausgangskopplungswirkungsgrad

Nu11-Eingangskopplungswirkungsgrad

im wesentlichen Null-Ausgangskopplungswirkungsgrad ,

Null-Eingangskopplungswirkungsgrad

Maximaler (100 %) Eingangskopplungswirkungsgrad etwa im Mittelbereich bei OC= 90° - 0' .

In obiger Ungleichung sind die einzelnen Winkel durch die Gleichungen (9), (5) und (16) folgendermaßen definiert

0 ' = arc sin (n/n')

(n = 1 für Luft allgemein)

θ ' = arc sin (2Δη

,1/2

und

0' = arc sin /sin 0

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- Λ2 -

Aus den drei Gleichungen sowie aus der Ungleichung (22) folgt, daß die Grenzwerte für den Faserstirnflächenwinkel , in dem eine Eingangs- und/oder Ausgangskopplung erzielbar ist, durch folgendes festgelegt sind:

i) den Brechungsindex des Kernes, n¹, ii) die relative Brechungsindexdifferenz von Kern-Umhüllung, η , und
iii) dem gewählten Einfallswinkel 0.

Schließlich wird darauf hingewiesen, daß der sogenannte "Optimal"-Wert für o£, nämlich

= ⁹⁰° - ⁰C¹

ebenfalls in Figur 21 angegeben ist. Dieser Wert für oCwurde als "Optimum" insofern ausgewählt, als er einen Ausgangskopplungswirkungsgrad von 62 % (<2,1 dB Verlust) und einen Eingangskopplungswirkungsgrad von annähernd 100 % lieferte.

Bezüglich der Festsetzung von zweckmäßigen Grenzwerten für den Einfallswinkel 0 wird erinnert, daß zur Bestimmung der zweckmäßigen Grenzen für den Faserstirnflächenwinkel des Einfallsstrahls festzulegen ist. Die nachfolgende Diskussion betrifft die Ermittlung-von zweckmäßigen Grenzen für 0. Zunächst wird die Obergrenze betrachtet.

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Es wird ferner die Untergrenze für 0 untersucht und zur Kleinhaltung von ζ muß 0 bei großem CC klein gehalten werden. Dies ist in den Figuren 22 und 23 graphisch ausgeführt, wobei ein großer und ein kleiner Winkelocangegeben sind.

Aus Figur 21 erkennt man, daß der Maximalwert für (X , der noch eine Ausgangskopplung zuläßt, sich aus

⁰Wx = ⁹⁰° - <V - ⁹C¹)

bestimmt und daß aus Gleichung (15) der Fehlausrichtungswinkel

£= (90° - CX) - 0'

folgt. Der Minimalwert für 0', bei dem S noch klein gehalten wird, tritt dann auf, wenn OL=OL ; aus den obigen

ΓΠ3.Χ

Ausdrücken folgt somit

0' . = 0 < - Q ' - C ^ min *c c °

Zur Eingangskopplung muß I S\ 6= θ ' sein, so daß 0'min = ⁰c^! - ^{2 9}C¹

Aus dem Snellius'sehen Brechungsgesetz (Gleichung (16)) ist der entsprechende Mindesteinfallswinkel in Luft

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- ΛΛ -

0 . = arc sin (n'sin 0 . ') "min min

0 . = arc sin Γη¹ sin (0 ' - 2 θ ■ )Ί min L c cJ

Unter Einsatz der numerischen V/erte des gewählten Beispiels ergibt sich 0 . = 44°.

Aus den obigen Betrachtungen ergibt sich ein allgemein zweckmäßiger Bereich für den Einfallswinkel 0 von

arc sin f n'sin (0 ■ - 2 θ ' )] £ 0 £ 90° L c c J

Es wird daran erinnert, daß 0 ' und θ ' durch die Brechungsindizes.des Faserkerns und der Umhüllung bestimmt werden.

Die vorstehende Untersuchung hat Schranken für den zweckmäßigen Bereich des Faserstirnflächenwinkels 06 und des Lichteinfallswinkels 0 angegeben. Eine wesentliche Schwierigkeit ergibt sich nun daraus, daß diese beiden Parameter nicht unabhängig sind. Mathematisch ableitbare Grenzen für die zweckmäßigen Bereiche von oC und 0 sind daher schlecht angebbar. Wird jedoch ein zweckmäßiger Einfallswinkel 0 ausgewählt, dann gilt das Nachfolgende. Die Grundidee der bidirektionalen Kopplungseinrichtung liegt darin, daß Licht durch innere Totalreflexion ausgekoppelt wird. Insbesondere wenn die Faserstirnfläche unter dem sogenannten "optimalen" Winkel hergestellt ist, nämlich unter

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<*opt = ⁹⁰° - ⁰C¹

wird der Axialstrahl AB gemäß Figur 24 im Inneren nach C totalreflektiert.

Um Licht vom externen Medium, nämlich Luft, durch die Faserstirnfläche einzuleiten und entlang der Faserachse BA zurückzuführen, mußte die Umkehrbarkeit verletzt werden. Aus den Reflexions- und Brechungsgesetzen läßt sich ableiten, daß diese Eingangskopplungserfordernisse im wesentlichen bei 0 = 90° erfüllt werden, dann ist jedoch das Reflexionsvermögen 100 % und es tritt kein Licht in den Faserkern gemäß Figur 7 ein.

Eine praktische Lösung besteht hingegen darin, einen Einfallswinkel 0 auszuwählen, der so groß wie möglich ist, welcher jedoch nur eine geringe Reflexion bewirkt (annähernd 90°). Für die erwähnte Ausführungsform, bei OC= OC . , ist die folgende Tabelle ermittelt worden.

Einfalls winkel 0°	Fehlausrichtungs- winkel 6°	Reflexionsfaktor (p Polarisation) r_p<*)
89	0,01	86,9
85	0,20	49,5
80	0,81	23,9
75	1,8	10,9
70	3,2	4,4
65	4,9	1,4
60	6,9	0,2
55	9,1	0
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Für kleine Werte von 0 ist die Reflexion gering aber die Fehlausrichtung groß, so daß keine oder nur eine geringe Eingangskopplung erfolgt. Umgekehrt ist für große Einfallswinkel 0 der Fehlausrichtungswinkel klein, die Reflexions stärke jedoch erhöht. Im Ausführungsbeispiel war der Einfallswinkel 0 = 75° als Kompromißwert gewählt, der einen verhältnismäßig geringen Eingangskopplungsverlust aufgrund einer Reflexion von r = 11 % und eine zulässige Fehlausrichtung von S= 1,8 verursachte, die deutlich innerhalb des Faserakzeptanzwinkels θ ' =7,9 liegt.

Im folgenden wird die Anwendung der erfindungsgemäßen Faserendgestaltung in bezug auf verschiedene Anwendungsfälle beschrieben. Anhand von Figur 25 wird zunächst die Anwendung in Verbindung mit Originalbereichs-Reflexionsmessungen beschrieben.

Figur 25 zeigt in schematischer Darstellung ein unter einem Winkel oC zur Faserachse geschnittenes Faserende. Eine polarisierte Quelle 10 liefert einen Ausgangsstrahl 12, der unter einem Einfallswinkel 0 = 75° auf den Kern gerichtet ist. Ein Eingangsdetektor 14 ist derart angeordnet, daß er den von der Faserstirnfläche reflektierten Strahl aufnimmt. Ein Detektor 16 ist in Figur 25 gegenüber dem Eingangsdetektor 14 vorgesehen, um zurückgestreute Strahlung aufzunehmen, die quer bzw. radial durch das Ende der Faser geleitet wird. Die unerwünschten Faserstirnflächen-

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reflexionen, die bei bekannten Reflexionsmessungen auftreten, sind vollständig bezüglich des Detektors 16 ausgekoppelt; dieser mißt lediglich die rückgestreute Leistung. Man erkennt ferner aus Figur 25, daß der von der Quelle 10 stammende reflektierte Strahl vom Detektor 14 aufgezeichnet wird und damit das Eingangssignal, insbesondere für solche Fälle äußerst zweckmäßig aufzeichnet, in denen dieses ein einzelner optischer Impuls ist, der bezüglich seiner Impulsbreite, Form und Leistung eine Optimierung erfordert. Die Aufzeichnung ist vor allen Dingen dann notwendig, wenn die Eingabe eine optische Impulsfolge ist und ein Selbstkorrelationsverfahren zum Herausziehen der gewünschten Schwächungsinformation aus dem rückgestreuten Signal benötigt wird. Ein weiterer Vorteil der Anlage liegt darin, daß in Verbindung mit einer polarisierten Quelle der Kopplungsverlust lediglich 0,5 dB beträgt. Der Ausgangskopplungsverlust beträgt etwa 2,1 dB, ist jedoch in den meisten praktischen Anwendungsfällen geringer. Der maximale gesamte Eingangs/Ausgangskopplungsverlust beträgt somit 2,6 dB otpische Intensität oder 5,2 dB elektrische Signalleistung. Dies stellt einen wesentlichen Fortschritt gegenüber dem mit bekannten Anlagen erzielbaren optischen Verlust von 6 dB oder 12 dB

elektrischer Leistung dar, wobei diese Anlagen die zuvor beschriebenen 3dB-Strahlenteiler aufweisen. Beträgt der Lichtleiterverlust für die Faser 2 dB/km, dann läßt sich gemäß Erfindung die Länge einer zu untersuchenden Faser für

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- 18 -

jede Einzelmessung um 0,85 km vergrößern, während das gleiche Signal/Rauschverhältnis wie bei einer Anlage mit 3dB-Strahlenteiler aufrecht erhalten wird.

Ein weiterer Vorteil liegt in der zuvor anhand von Figur erwähnten Quellenkollimierung, die als zweckmäßiges Nebenprodukt eine wirksame Eingangskopplung bei geringfügig divergierenden Quellen sicherstellt.

Die Erfindung erfordert allerdings eine polarisierte Quelle; derartige Quellen sind jedoch die meisten Laser und Laserdioden. Ein unpolarisierte Quelle liefert hingegen einen zusätzlichen Eingangskopplungsverlust von 0,7 dB. Eine axiale Eingangskopplung ist erfindungsgemäß nicht erzielbar, aber die Verringerung der Kopplungswirkung ist praktisch vernachlässigbar. Aus Figur 4 folgt, daß die nicht totalreflektierte, rückgestreute Energie gebeugt wird. Von dieser totalgebeugten Energie, die 4,2 dB niedriger als die totalrückgestreute Leistung ist, kann ein kleiner Anteil auf die Quelle fallen. Die starke Divergenz der gebeugten Strahlen (0 = 57,5 - 90° für ein Ausführungsbeispiel) bedeutet, daß die auf die Quelle auftreffende rückgestreute Energie sehr klein ist und die Quellenemission nicht verändert. Beim Stand der Technik mit einem Strahlenteiler, dessen Signal 3 dB unter der totalen Rückstrahlungsintensität liegt und das über einen

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Bereich von + θ = arc sin (η¹sin θ ■) divergiert (mit θ = 11,5°), fällt diese Strahlung auf die Quelle.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der aktive Bereich des in der Nähe der Umhüllung angeordneten Detektors nur geringfügig größer als der Faserkerndurchmesser zu sein braucht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zweiwegübertragung entlang einer optischen Einzelfaser beschrieben. Figur 26 zeigt eine typische Übertragungsstrecke mit einer ersten Quelle 20 für die Erzeugung eines ersten linear polarisierten Strahls 12, der auf den Kern 3 einer Lichtleiterfaser mit erfindungsgemäß unter dem Winkel oC abgeschnittener Stirnfläche auftrifft. Ein Teil des Strahls wird in den Kern der Faser geleitet und ein anderer Teil geht als unerwünschter reflektierter Strahl 26 verloren. Am anderen Ende der Faser sitzt ein erster Detektor 28, der quer bzw. radial durch das Faserende ausgesandtes Licht aufnimmt. Die Anordnung umfaßt eine zweite Quelle 30, die ebenfalls einen linear polarisierten Strahl 32 erzeugt und diesen auf den Faserkern richtet, um einen Teil des zweiten Strahls in die Faser zu leiten. Wiederum ein Teil des Strahls 32 geht als unerwünschter Teilstrahl 34 verloren. Der zweite Strahl 32 wird in dem Lichtleiter 1 geleitet und von einem zweiten Detektor 36 empfangen, der quer bzw. radial durch das erste Ende der Faser ausgesandtes Licht aufnimmt. 030015/0810

Claims

ANSPRUCHE

Vorrichtung zur optischen Signalübertratung in Lichtleitern mit einer Faser sowie mit mindestens an einem Ende der Faser vorgesehener Signalquelle und mit am anderen Faserende vorgesehenem Signaldetektor, wobei die Faser einen Kern mit einem Brechungsindex η¹ und eine Umhüllung mit einem Brechungsindex η aufweist und wobei Licht über eine Faserstirnfläche in den Kern der Faser unter einem Einfallswinkel 0 bezüglich der Stirnflächennormalen einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstirnfläche zur Längsachse des Kerns unter einem Winkel oC geneigt ist, wobei

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ORIGINAL INSPECTED

90° - 0 ' - θ ¹^ 06 ^ 90° - 0' + θ '

CC C

mit

0 ■ = arc sin(ⁿ/ ·)

O ΓΙ

θ ' = arc sin (2 Δη W² c ^κ m'

0' = arc sin /sin 0 \ \ pfi—V

Δη = (η' - η ") / η' und wobei m ^v c/

arc sin [n · sin (0 · - 2Θ ')] < 0 ^ 90° ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 40,7° L OC ^56,5° ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (16) unter einem Faserende des Lichtleiters (1) liegt und zur Aufnahme des quer durch die Faser (1) ruckgestreuten Lichts geeignet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstirnfläche einstückig an die Faser (1) angeformt ist.

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5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis A, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden der Faser (1) Quellen (20; 30) sowie zugehörige Detektoren (28;

36) vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (28; 36) derart an den Faserenden angeordnet sind, daß sie lediglich das durch die Faser rückgestreute Licht aufnehmen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen linear polarisiert sind.
8. Verfahren zur optischen Originalbereichs-Reflexionsmessung an einer länglichen Faseroptik, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Faserstirnfläche gemäß Anspruch 1 oder 2 herstellt, daß man einen Lichtstrahl auf die Faserstirnfläche leitet, und daß man das an der Stirnfläche durch den Kern und die Umhüllung rückgestreute Licht aufnimmt.
9. Verfahren zur optischen Signalübertragung in einem länglichen Lichtleiter, dadurch gekennzeichnet, daß man erste und zweite Faserstirnflächen gemäß Anspruch 1 oder 2 am ersten und zweiten Ende des länglichen Lichtleiters herstellt, daß man einen

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-A-

ersten Lichtstrahl auf die Stirnfläche des ersten Faserendes leitet, und daß man Komponenten des ersten Lichtstrahls, die an der zweiten Stirnfläche durch den Kern und die Umhüllung reflektiert werden, aufnimmt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man einen zweiten Lichtstrahl in die Stirnfläche des zweiten Faserendes einleitet, und daß man Komponenten des zweiten Lichtstrahls aufzeichnet, die an der Stirnfläche des ersten Faserendes durch den Kern und die Umhüllung hindurch reflektiert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß man linear polarisierte Lichtstrahlen verwendet.

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