DE2942318C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Verzweigungsglieds nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In den letzten Jahren ist die Bedeutung der optischen Nachrichtenübertragung ständig gewachsen. Optische Leitungen für den Telefonverkehr wurden an verschiedenen Orten installiert, erste Datenbussysteme in Flugzeugen sind in Erprobung. Sowohl für Weiterverkehrssysteme als auch im besonderen für Datenverteilungssysteme, wie z. B. Datenbussysteme, sind optische Verzweigungsglieder von großer Bedeutung.

Die dafür in Frage kommenden Lichtleitfasern sind vorzugsweise Fasern mit stufenförmigem Brechungsindexprofil oder Gradientenprofilfasern aus Quarzglas oder Glas.

Es gibt einige bekannte Möglichkeiten, optische Lichtverzweiger herzustellen. Eine Möglichkeit ist in der DE-OS 28 12 346 beschrieben. Dabei werden eine Anzahl optischer Fasern längs einer Berührungslinie miteinander verschmolzen und anschließend verjüngt (getapert). Der dort verwendete Aufbau ist in Fig. 1 für zwei Fasern (1, 2) skizziert. Strahlt man Licht in den Kern des Kanals 1 von Faser 1 ein, so tritt im Bereich der Verjüngungszone Licht aus dem Faserkern in den Fasermantel über und wird im Fasermantel weitergeführt. Im daran anschließenden Bereich der Parallelzone sind die Fasermäntel von Faser 1 und Faser 2 miteinander verschmolzen; auf diese Weise kann Licht in den Mantel der Faser 2 überwechseln. Bei genügender Länge der Parallelzone verteilt sich dieses Licht gleichmäßig auf die Fasermäntel. In der daran anschließenden Aufweitungszone wird das Licht zu einem Teil wieder in die Kerne der Fasern 1 und 2 (Kanal 3 und 4) zurückgekoppelt. Damit ist das in Kanal 1 eingestrahlte Licht auf die Kanäle 3 und 4 aufgeteilt. In der oben bereits genannten DE-OS 28 12 346 wurden Mußwerte für einen Koppler mit acht Fasern angegeben. Die Lichtleistungen in den einzelnen Kanälen sind im Mittel 12 dB unter der Eingangsleistung, woraus sich ein Gesamtverlust von etwa 3 dB ergibt. Dieser Verlust ist hoch. Ein weiterer Nachteil dieses Verteilertyps ist die Tatsache, daß bei einem Aufteilungsverhältnis abweichend von 50 : 50 das Aufteilungsverhältnis nicht unabhängig von der Modenanregung in der Eingangsfaser ist. Die Moden niedrigerer Ordnung bleiben bei der Taperung im wesentlichen im Faserkern und können nicht übergekoppelt werden. Besonders ungünstig wirkt sich dieses Verhalten bei Hintereinanderschalten mehrerer Aufteiler in kurzen Abständen aus, wie dies in Datenbussystemen häufig der Fall sein kann, da sich dann das Teilungsverhältnis selbst bei Verwendung identischer Koppler von Koppler zu Koppler ändert.

Eine weitere vorbekannte Lösung ist der in Fig. 2 gezeigte Typ eines Verteilers. Zwei Fasern (Faser 2 und 3) sind dicht parallel nebeneinander gelegt mit planen, bündig abschließenden Stirnflächen. Die Stirnfläche von Faser 1 stößt an die Stirnflächen von Faser 2 und 3. Die im Kern von Faser 1 ankommenden Lichtsignale werden an der Trennstelle in die Kerne von Faser 2 und Faser 3 übergekoppelt. Für Fasern mit stufenförmigen Brechungsindexprofil ist diese Aufteilung unabhängig von der Modenverteilung in der ankommenden Faser 1. Störend ist bei dieser Ausführung der hohe Füllverlust, was anhand der Fig. 2 gezeigt wird. Im gesamten, in Fig. 2 senkrecht schraffierten Kern der Faser 1 kommt Licht an; nur in den zusätzlich waagrecht schraffierten Bereichen wird Licht in die Kerne von Faser 2 und 3 eingekoppelt. Bei einer Faser mit einem Kerndurchmesser von 100 µm und einem Gesamtdurchmesser von 110 µm z. B. beträgt bei einer Aufteilung von 50 : 50 bereits der theoretische Füllverlust 3,7 dB.

In der DE-OS 27 31 377 sind diese beiden Lösungen miteinander kombiniert. Zwei Fasern sind parallel nebeneinanderliegend verschmolzen mit zu ihren Endflächen hin abnehmenden Querschnitt, eine dritte Faser ist davor angeordnet. Bei der Aufteilung aus einer Faser in zwei Fasern werden durch die Taperung die Moden höherer Ordnung in solche niederer Ordnung transformiert, während in umgekehrter Richtung Moden höherer Ordnung als Strahlungsmoden verloren gehen (Verlust 3 dB). Die Verjüngung führt auch hier zu einer Änderung der Modenverteilung und kann damit bei Hintereinanderschalten mehrerer Verzweiger zu einer Änderung des Teilungsverhältnisses der nachfolgenden Verzweiger führen (verglichen mit dem Teilungsverhältnis bei Anregung mit allen Moden). Die beim Gegenstand der DE-OS 27 31 377 verwendete Faser besitzt einen Kern aus dotiertem Quarzglas und einen Mantel aus undotiertem Quarzglas. Die Schmelztemperatur von dotiertem Quarzglas ist niedriger als die von undotiertem Quarzglas, so daß beim Schmelzvorgang der Mantel eine höhere Zähigkeit aufweist, als der Kern und damit eine relativ dicke Mantelschicht beim Verschmelzen zwischen den Faserkernen bleibt.

Aus der DE 26 32 689 A1 sind Lichtleitfasern bekannt, deren physikalische Eigenschaften, z. B. Brechungsindex sowie Schmelzpunkt, des Mantel- und/oder Kernmaterials durch geeignete Wahl der Art sowie der Konzentration eines Dotierstoffes für Siliziumdioxid einstellbar sind.

Aus der FR 22 99 656 ist ein optisches Koppelglied bekannt, bei dem Licht aus einer (Eingangs-)Lichtleitfaser auf mehrere (Ausgangs-)Lichtleitfasern, die unterschiedliche Kerndurchmesser besitzen können, aufteilbar ist.

Aus der US 39 20 314 ist weiterhin ein optisches Verzweigungsglied bekannt, das insbesondere zur Modenumwandlung sowie zur Modentrennung verwendbar ist. Dabei werden Lichtwellenleiter verwendet, die einen rechteckigen Querschnitt besitzen und die auf einem Substrat angeordnet sind. An dem Verzweigungspunkt ist eine gemeinsame Querschnittsfläche vorhanden, deren Größe der Summe der Querschnittsflächen der Einzellichtwellenleiter entspricht.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das in einfacher Weise die Herstellung eines opitschen Verzweigungsgliedes mit einem hohen Koppelwirkungsgrad ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die erfindungsgemäße Lösung soll anhand der Fig. 3 bis 6 näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 3 eine Querschnittsfläche für zwei verschmolzene, gleiche Fasern bei einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 und 5 perspektivische Darstellungen von Ausführungsbeispielen,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel.

In Beispiel 1 handelt es sich um einen Lichtverzweiger mit einer Eingangsfaser und zwei Ausgangsfasern mit stufenförmigem Brechungsindexprofil. Die Ausgangsfasern bilden hier das Faserpaar. Bei der Herstellung des Verzweigers werden zwei Fasern parallel dicht nebeneinandergelegt und miteinander so verschmolzen, daß beim Schmelzen langsam ein Übergang von zwei Fasern auf eine Faser mit zwei Kernen und einem Querschnitt, der über eine längere Strecke konstant kreis- oder ellipsenförmig ist, entsteht. Dabei bleibt die Querschnittsfläche (senkrecht zu den Faserachsen) an allen Punkten längs der Fasern im verschmolzenen Bereich immer gleich der Summe der Querschnittsflächen der einzelnen Fasern. In diesem Bereich mit konstantem ovalen oder kreisförmigen Querschnitt wird eine plane Stirnfläche hergestellt, zum Beispiel durch Ritzen und Brechen der Faser.

Fig. 3 zeigt eine solche Schnittfläche für zwei verschmolzene Fasern mit 120 µm Kerndurchmesser und 135 µm Gesamtdurchmesser. Die beiden Faserkerne (hell) haben eine halbkreisförmige Gestalt und sind durch einen Steg von etwa 4 µm Breite voneinander getrennt. Um einen Lichtverzweiger zu erhalten, kann man eine Einzelfaser mittig (für ein Teilungsverhältnis von 1 : 1) oder außerhalb der Mitte (andere Teilungsverhältnisse) von den verschmolzenen Faserpaar fixieren (Fig. 4). Das in Faser 1 ankommende Licht wird ohne große Verluste auf Faser 2 und 3 aufgeteilt. Als Verluste wurden im Experiment Werte zwischen 0,7 und 1 dB gemessen.

Für die geringen Verluste ist in erster Linie der Aufbau der Fasern aus einem Kern und einem Mantel verantwortlich, wobei das Mantelmaterial einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Kernmaterial. Zum Beispiel ist es zweckmäßig als Mantelmaterial dotiertes Quarzglas und als Kernmaterial reines Quarzglas zu verwenden. Wird beim Schmelzvorgang die Temperatur allmählich erhöht, so ist der Faserkern zunächst noch relativ zäh, während der Fasermantel bereits derart erweicht ist, daß die beiden Fasermäntel miteinander verschmelzen. Die Fasern werden durch die Oberflächenspannung zusammengezogen, wobei das erweichte Mantelglas durch das zähe Kernglas aus dem Zwischenraum herausgerückt wird.

Um die Dicke des Mantelglases zwischen den halbkreisförmigen Faserkernen im vollständig verschmolzenen Bereich möglichst klein zu machen, ist es weiterhin vorteilhaft Lichtleitfasern zu verwenden, deren Fasermantel eine geringe Dicke, beispielsweise 5 µm, aufweist. Hierdurch kann erreicht werden, daß die Dicke des Mantelglases zwischen den Faserkernen wesentlich kleiner als die doppelte Dicke des Mantels der ursprünglichen Faser, d. h. der bei Schmelzbeginn vorhandenen Dicke. Nach Fig. 3 beispielsweise ist die Manteldicke 8 µm, die doppelte Manteldicke also 16 µm; die tatsächliche Dicke der Manteldicke ist jedoch nur 4 µm. Diese geringe Dicke der Zwischenschicht ist zur Erreichung niedriger Koppelverluste wesentlich. Weiterhin ist in diesem Zusammenhang zu beachten, daß der Übergang vom runden Kernquerschnitt der Einzelfaser zum halbkreisförmigen Kernquerschnitt im verschmolzenen Bereich allmählich vor sich geht.

Anstelle von zwei Fasern mit gleichem Kerndurchmesser, wie in Fig. 3, können auch zwei Fasern mit verschiedenem Kerndurchmesser verschmolzen werden. In einem Beispiel 2 werden Kerndurchmesser von 50 µm und 200 µm gewählt. Als Übertragungsfaser zwischen den Teilnehmern wird dabei die Faser 1 mit 200 µm eingesetzt. Die Faser 2 mit 50 µm Kerndurchmesser dient zur Einspeisung von Signalen in die Übertragungsfaser. Mit diesen Fasern kann ein Verzweigungsglied realisiert werden, das eine verlustarme Einkopplung in eine Faserleitung ermöglicht.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau des Verzweigungsglieds: Faser 1 und Faser 2 sind parallel miteinander verschmolzen und geschnitten. In der Schnittebene A sind die Kerne K₁ und K₂ der beiden Fasern zu sehen (waagrecht und senkrecht schraffiert). Justiert man nun den Kern einer Faser 3, die den gleichen Kerndurchmesser und die gleiche numerische Apertur wie Faser 1 hat, mit ihrer Endfläche vor die Schnittebene A so, daß Licht aus dem Kern K₁ vollständig in den Kern K₃ eingekoppelt wird, und Licht aus dem Kern K₂ so gut wie noch möglich in den Kern K₃ eingekoppelt wird (siehe Fig. 5), so wird Licht aus der Faser 2 prizipiell nahezu ohne Verlust in die Faser 3 eingekoppelt, während der prinzipielle Verlust für Licht aus der Faser 1 in die Faser 3 sich näherungsweise als das Verhältnis

ergibt. Für Fläche K₁ = Fläche K₃=100² π µm² und Fläche K₂=25² π µm² gilt: V=0,94. Das bedeutet einen Verlust von 0,26 dB. Für identische Fasern 1, 2, 3 wie in Fig. 4 ergibt sich für eine Einspeisung aus Faser 2 und Faser 3 in Faser 1 : V=0,5, was 3 dB Verlust entspricht. Für die Einspeisung eines Lichtsignals in eine Faserleitung ist also ein Verzweigungsglied nach Fig. 5 wesentlich verlustärmer als ein Verzweigungsglied nach Fig. 4. Verwendet man in einem Datenbussystem einen Laser als Lichtquelle eines Teilnehmers, so kann das Lichtsignal mit einem Koppelwirkungsgrad von 50-70% in eine Faser mit 50 µm Kerndurchmesser eingekoppelt werden; bei einer Laserleistung von 5 mW sind das 2-3 mW Lichtleistung in der Faser. Verwendet man eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 200 µm als Leitungsfaser zwischen den Teilnehmern des Bussystems, so kann jeder Teilnehmer eine Signalleistung von 2-3 mW in die Leitungsfaser einspeisen, ohne daß die Leistung in der Leitungsfaser erheblich geschwächt wird. Ein derartiges Bauteil ist für viele Bussysteme von erheblicher Bedeutung. Wie beim ersten Beispiel muß auch hier beachtet werden, daß der Übergang vom runden Kernquerschnitt der Einzelfaser zum verformten Kernquerschnitt im verschmolzenen Bereich allmählich vor sich gehen muß, und die Dicke des Mantelglases zwischen den Faserkernen im verschmolzenen Bereich möglichst klein ist. Erreicht kann dies werden durch geringe Dicke des Mantelglases und vor allem dadurch, daß als Mantelglas ein Glas verwendet wird, welches einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Kernglas aufweist. Verwendet man Fasern aus Quarzglas, so kann der Mantel mit B₂O₃ oder F dotiert werden, während der Kern aus reinem Quarzglas oder weniger dotiertem Quarzglas besteht. Verwendet man Fasern aus optischem Glas, so muß ebenfalls für den Mantel ein Glas mit einem gegenüber dem Kernglas niedrigeren Schmelzpunkt gewählt werden. Vorteilhafterweise verwendet man als Glas für den Kern K₁ der Faser 2 ein Glas, das einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Glas für den Kern K₂ der Faser 1. Dann wird der Kern der Faser 2 beim Schmelzen weniger stark deformiert.

Neben den in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigten Verzweigungsgliedern können noch eine Reihe anderer Glieder mit dem erfindungsgemäßen Aufbau hergestellt werden. Ein weiteres ist in Fig. 6 schematisch aufgezeichnet. Faser 1 und Faser 2 sind verschmolzen wie in Fig. 5; Faser 3 und Faser 4 sind genauso verschmolzen. Die beiden Faserpaare sind dann miteinander verkoppelt. Die Querschnittsfläche von Faser 1 und Faser 2 und von Faser 3 und Faser 4 an der Trennstelle sind gleich. Somit erfüllt dieses Bauteil dieselbe Funktion zum Einspeisen von Signalen aus Faser 2 in die Hauptleitung Faser 1-Faser 3; zusätzlich wird jedoch das im Verzweiger der Fig. 5 verlorengehende Licht (nur senkrecht schraffierter Bereich von K₂) in die Faser 4 eingespeist. Der Teilnehmer kann damit nicht nur Licht in eine Faserleitung ohne große Verluste einspeisen, sondern auch dieses wenige verlorene Licht als empfangenes Nutzsignal verwenden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Verzweigungsgliedes, bestehend aus wenigstens einem Lichtleitfaserpaar (2, 3), das in einem Verzweigungsbereich mit wenigestens einer weiteren Lichtleitfaser (1) derart gekoppelt ist, daß die Stirnflächen der Lichtleitfasern (1, 2, 3) eine gemeinsame Schnittebene bilden und daß zumindest das aus der Stirnfläche der weiteren Lichtleitfaser (1) austretende Licht in mindestens eine der Stirnflächen des Lichtleitfaserpaares (2, 3) einkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zumindest bei dem Lichtleitfaserpaar (2, 3) ein Mantelmaterial, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als derjenige des Kernmaterials, verwendet wird,
• - daß die Einzelfasern des Lichtleitfaserpaares (2, 3) im Verzweigungsbereich miteinander in Berührung gebracht und auf eine solche Temperatur erhitzt werden, daß das Mantelmaterial schmilzt und das Kernmaterial noch fest bleibt,
• - daß das Verschmelzen des Lichtleitfaserpaares (2, 3) derart erfolgt, daß im Bereich zwischen den Einzelfasern eine Manteldicke entsteht, die wesentlich geringer ist als die Summe der Manteldicken der Einzelfasern und wobei im Verzweigungsbereich die gemeinsame Querschnittsfläche gleich der Summe der Querschnittsflächen der beiden Einzelfasern ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelfasern derart erhitzt werden, daß sich unter der Einwirkung der Oberflächenspannung ein Lichtleitfaserpaar mit einer kreis- oder ellipsenförmigen Querschnittsfläche im Verzweigungsbereich ausbildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtleitfasern (1, 2, 3) mit unterschiedlichen Kerndurchmessern verwendet werden.