DE3003059C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gerichtete Signalabzweigvorrichtung für Licht­ leitfasern nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Lichtabzweigvorrichtung ist durch den Aufsatz "An Adjustable Branching Coupler/Attenuator for Multimode Single Fibre Systems" aus Conference Proceedings Nr. 219, London, England, May 16 to 20, 1977 bekannt. Dabei werden zwei vollzylindrische Lichtleiter von entgegengesetz­ ten Seiten in die Abzweigvorrichtung eingesetzt und die Lichtleitfaser im Innern der Vorrichtung freigelegt. Diese Lichtleitfaser wird zwischen gewellte Kopplerplatten geklemmt, um die Lichtleitfaser zu krümmen und die aus dem gekrümmten Bereich ausgetretene Lichtenergie über ein optisches Kopplungsglied einem Photodetektor zuzuführen. Dieses Kopplugsglied besteht aus einer einfachen dünnen Platte. Durch mehr oder weniger starkes Zusammendrücken der Kopplerplatten kann die auszukoppelnde Energiemenge eingestellt werden.

Eine entsprechende Abzweigvorrichtung ist auch durch die DE-OS 25 50 523 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Signalabzweigvorrichtung zu schaffen, die verhältnismäßig einfach im mechanischen Aufbau ist und möglichst geringe Veränderungen an der Lichtleitfaser benötigt, jedoch soll andererseits die Möglichkeit geboten sein, den Kupplungsgrad über einen verhältnismäßig großen Bereich verstellen zu können, wobei dies mit möglichst geringen Verlusten in der Lichtleitfaser durchführbar sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Anspruches 1 gelöst.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung für eine zweiseitig gerichtete Signalabzweigung sieht vor, daß auf der Lichtleitfaser mit transparentem Mantel ein weiterer vollzylindrischer, der Abzweigung dienender Lichtleiter angeordnet ist und daß die Lichtleitfaser für sich entgegengesetzt auf der Lichtleitfaser ausbreitende Signale zwischen den beiden vollzylindrischen Lichtleitern zwei einander entgegengesetzte Krümmungen in einem freien Abschnitt zwischen den mit Halterungen fixierten Lichtleitern hat.

In einer praktischen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Halterung des einen Lichtleiters mit Verstelleinrichtungen versehen ist, welche zur Einstellung der ausgekoppelten Lichtmenge eine radiale Versetzung dieses einen Lichtleiters relativ zum anderen Lichtleiter zulassen.

Diese Verstellung erfolgt in vorteilhafter Weise dadurch, daß die Verstell­ einrichtung eine nachgiebige Unterlage für die Lichtleiter sowie eine auf dem Lichtleiter aufliegende Ausgleichsplatte umfaßt, welche zur Einstellung der Krümmung der Lichtleitfaser im freien Abschnitt mit Hilfe einer in der Halterung geführten Stellschraube gegen die Vorspannung der Unterlage verstellbar ist.

Die Erfindung wird besonders vorteilhaft bei einer Signalabzweigvorrichtung verwirklicht, welche eine gepufferte, mit geringen Verlusten behaftete sowie aus Siliciumdioxyd hergestellte Multimodefaser verwendet, welche zur Zeit in großem Umfang produziert wird. Dabei kann es sich um eine Lichtleitfaser vom Sprungindextyp oder vom Gradientenindextyp handeln. An der Lichtleitfaser sind keine permanenten Lichtveränderungen erforderlich, außer dem Abziehen der schützenden Puffermantelschicht, was verhältnismäßig einfach möglich ist. Das Abzweigen eines Signals wird durch das Verbiegen der Lichtleitfaser erreicht, wodurch ein bezüg­ lich des abgegebenen Signals gerichteter Leckbereich entsteht. Das aus­ tretende Signal wird in einem vollzylindrischen Lichtleiter eingefangen, der über einen gekrümmten Abschnitt zu einem Signal­ detektor führt. Das erwünschte Lecksignal wird durch das Ein­ stellen einer Biegespannung erhalten, aufgrund welcher sich die Faser um einen bestimmten Grad an einer bestimmten Stelle ver­ biegt. Die Größe des Lecksignals hängt proportional von der Biegespannung ab. Diese Biegespannung wird auf einem solchen Niveau gehalten, daß ein mögliches Brechen vermieden wird. Da in der An­ wendung sich häufig die Situation ergibt, daß nur für eine bestimmte Zeitdauer eine Abzweigung erforderlich ist, sieht die Erfindung vor, daß die das Lecksignal erzeugende Krümmung nicht nur einstellbar sondern auch wieder zurücknehmbar ist. Durch diese Maßnahmen werden unnötige Verluste und auch jede Tendenz vermieden, daß sich die Lichtleitfaser im gekrümmten Bereich kaltverformt, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer führen kann. Für eine kon­ tinuierliche Signalabzweigung kann es im Interesse der Erhaltung der Lebensdauer wünschenswert sein, daß nur eine verringerte Auskopplung stattfindet.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbin­ dung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine Signalabzweigvorrichtung für einseitig gerichtete Lichtleitersignale in perspektivi­ scher Ansicht,

Fig. 2 einen Teilschnitt mit eingezeichneten Re­ flexionswegen für die Signalabzweigvor­ richtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines kon­ struktiven Details einer Signalabzweig­ vorrichtung,

Fig. 4 eine Signalabzweigvorrichtung für zwei­ seitig gerichtete Lichtleitersignale,

Fig. 5 einen Teilschnitt durch die Signalabzweig­ vorrichtung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Dar­ stellung gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine Signalabzweigvorrichtung für zwei­ seitig gerichtete Lichtleitersignale für einen Lichtleitfaser-Entfernungssimulator.

In Fig. 1 ist eine Signalabzweigvorrichtung für einseitig gerichtete Lichtleitersignale mit einer Lichtleitfaser 1 gezeigt, die als ge­ pufferte Lichtleitfaser mit einer Kunststoffummantelung aufgebaut sein kann und in einem Leckbereich 2 übermäßig stark gebogen ist, um eine Signalprobe des in Richtung des Pfeiles 3 sich ausbreiten­ den Lichtleitersignals durch die Mantelfläche der Lichtleitfaser 1 auszukoppeln. Von dem geradlinigen Abschnitt 4 der Lichtleitfaser, welche an den Leckbereich 2 anschließt, ist die Pufferschicht abgezogen und dieser Abschnitt von einem vollzylindrischen Lichtleiter 5 ummantelt. Dieser Lichtleiter 5 geht in einen gekrümmten Abschnitt 6 über, der an den geradlinigen Abschnitt 4 anschließt und führt von der Lichtleitfaser 1 weg in einen optischen Koppler, der einen optischen Signaldetektor 7 umfaßt.

Die durch den Leckbereich 2 ausgelösten und aus der Lichtleit­ faser 1 austretenden Lecksignale dringen in den Licht­ leiter 5 ein, der diese Lecksignale zum optischen Detektor 7 wei­ terleitet. Die im Leckbereich 2 vorgesehene Krümmung der Licht­ leitfaser wird derart ausgewählt, daß das Lecksignal über der Empfindlichkeitsschwelle des optischen Signaldetektors liegt, wo­ bei jedoch das sich über die Lichtleitfaser 1 ausbreitende Haupt­ signal nicht unzulässig stark gedämpft werden darf.

Im Interesse einer verwertbaren Signalprobe sollte der Brechungs­ index N₀ des Lichtleiters 5 einen Wert gleich oder geringfügig größer als der Brechungsindex N₂ der Mantelschicht der Lichtleitfaser 1 haben. Die Weiterleitung der Signalprobe im Licht­ leiter 5 ist in Fig. 2 dargestellt, wobei sich dieser Vorgang in dem geradlinigen Abschnitt 4 abspielt, der unmittelbar an den Leckbe­ reich 2 anschließt. Man kann erkennen, daß die den Lichtstrahlen eigene Ausbreitungsrichtung auch für das in den rohrförmigen Licht­ leiter 5 eingekoppelte Lecksignal erhalten bleibt. Der Einfachheit halber werden meridionale Strahlen dargestellt, jedoch verhalten sich auch schräge Strahlen in derselben Weise. Die gestrichelten Linien kennzeichnen Partialreflexionen der Lichtstrahlen an den Grenzschichten, an welchen keine exakte Anpassung der Brechungs­ indices gegeben ist. Diese Partialreflexionen treten schließlich aus der Lichtleitfaser 1 aus und werden in den rohrförmigen Licht­ leiter 5 eingefangen und gehalten.

Ein in den geradlinigen Abschnitt 4 der Lichtleitfaser 1 von links eintre­ tendes optisches Signal wird schwach durch eine Aufwärts-Moden­ wandlung in den Lichtleiter 5 eingekoppelt. Diese Energie kann jedoch durch eine optisch schwarze Endfläche 10 neben dem Leckbereich 2 der Lichtleitfaser 1 absor­ biert werden. Die Lecksignalanteile durch die Aufwärts-Moden- Wandlung tendieren dazu die Lichtleitfaser 1 im Leckbereich 2 zu verlassen, jedoch werden sie von der in diesem Bereich auf der Lichtleitfaser angebrachten Pufferschicht absorbiert. Die Richt­ wirkung der Signalabzweigvorrichtung wird in einem solchen Umfang verstärkt, daß Streueffekte auf ein Minimum verringert werden und von links eindringende Energie im wesentlichen frei von Mantel­ moden ist. Die letztere Betrachtung wird wichtiger mit zu­ nehmender Signalstärke, so daß es wünschenswert sein kann, ein nicht dargestelltes Modenfilter unmittelbar vor der Eintrittsstelle der Lichtleitfaser 1 in den Lichtleiter 5 auf der linken Seite des geradlinien Abschnittes 4 vorzusehen, wenn die Signalstärke verhältnismäßig groß ist.

In Fig. 4 ist eine zweiseitig gerichtete Signalabzweigvorrichtung für Lichtleitersignale dargestellt, bei der zwei einseitige Signalabzweig­ vorrichtungen gegeneinander geschaltet sind. Diese zweiseitige Signalabzweigvorrichtung hat zwei optische Signaldetektoren 7, die entsprechend zwei vollzylindrischen Signalleitern 5 zugeordnet sind. Zwischen den beiden geradlinigen Abschnitten 4 der Signalabzweig­ vorrichtungen ist ein Leckbereich vorgesehen, in welchem die Licht­ leitfaser 1 gegenläufig gekrümmt ist. Dadurch entstehen zwei Krümmungsbogen, von denen in einem Krümmungsbogen Lecksigna­ le von dem Lichtsignal in der einen Ausbreitungsrichtung und im anderen Krümmungsbogen Lecksignale von Lichtsignalen in der entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung austreten. Diese S-förmige Verbiegung der Lichtleitfaser zwischen den Stirnseiten von zwei Leitern 5 kann man durch eine auf die Achsen bezogene radiale Versetzung der beiden Licht­ leiter 5 erreichen, wobei die Lichtleitfaser 1 in den Achsen der beiden Lichtleiter verläuft. Sowohl bei der Aus­ führungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 als auch bei der Aus­ führungsform gemäß Fig. 4 kann die Verbiegung der Lichtleitfaser 1 in dem Leckbereich 2 rückgängig gemacht werden, so daß die Signal­ ausbreitung auf der Lichtleitfaser zu den sonst normalen Wirkungs­ gradniveaus erfolgt.

In Fig. 3 ist eine konstruktive Lösung für den signalabzweigenden Teil dargestellt, bei welchem im rohrförmigen Lichtleiter 5 ein längsverlaufender Schlitz eingebracht ist, der sich von der äußeren Umfangsfläche bis zum Zentrum des Lichtleiters und über dessen gesamte Länge des geradlinigen Abschnittes 4 erstreckt. Nachdem die optische Lichtleitfaser 1 mit abgezogener Pufferschicht in den Schlitz eingelegt ist, wird dieser mit einem Material ausge­ füllt, dessen Brechungsindex zwischen dem der äußeren Mantel­ schicht der Lichtleitfaser 1 und der des Lichtleiters 5 liegt. Eine typische Mantelschicht aus Siliciumdioxid hat einen Brechungsindex von etwa 1,46, wogegen der Brechungsindex eines Borsilikatglases (BK7) für den Lichtleiter 5 einen Brechdungsindex von 1,5 haben würde. Die Verwendung eines nach­ giebigen Koppelmediums 12 mit einem Brechungsindex von 1,48 würde unter diesen Umständen als geeignet erscheinen. Ein solches nachgiebiges Koppelmedium kann ein Aethylen/Vinylacetat-Kunst­ harz vom Typ Dupont Alvac X150 sein, was in wäßriger Lösung aufgebracht werden kann. Dieses Material hat eine Adhäsionswir­ kung und hält die Lichtleitfaser 1 im Schlitz des rohrförmigen Licht­ leiters 5 in der vorgesehenen Position fest. Durch die Nachgiebig­ keit (Härtezahl 65) ergibt sich eine federnde Abstützung für den Leckbereich 2 der Lichtleitfaser 1. Das nachgiebige Koppelmedium 12 hat somit den Vorteil, daß es eine extreme Spannungsbeanspru­ chung im Krümmungsbereich der Lichtleitfaser vermeidet. Dies ist in Fig. 6 zeichnerisch dargestellt, indem in einem Ausschnitt der S-förmige Krümmungsbereich der Lichtleitfaser zwischen den beiden Stirnseiten der Lichtleiter 5 gezeigt ist. Die Lichtleiter sind so eingelegt, daß sich der mit dem nachgiebigen Koppelmedium 12 gefüllte Schlitz jeweils in entgegen­ gesetzten Richtungen erstreckt, wobei sich das Koppelmedium auf derjenigen Seite der Lichtleitfaser befindet, welche bei der Krüm­ mung eine Verkürzung erfährt. Die Krümmung wird durch eine radiale Versetzung der beiden Lichtleiter bewirkt, wobei es auch wünschenswert sein kann, daß eine geringfügige axiale Versetzung zwischen den beiden Lichtleitern vorgesehen wird, um die in der Lichtleitfaser während einer sol­ chen radialen Versetzung auftretende Spannung zu begrenzen.

Die vorgeschlagene Versetzung der Lichtleiter bei einer zwei­ seitig gerichteten Signalabzweigvorrichtung gemäß den Fig. 4 und 6 erfolgt vorzugsweise in einer Vorrichtung, in welcher der eine Lichtleiter starr festgehalten ist und der andere Lichtleiter dazu eine relative Verschiebung er­ möglicht. Dies kann mit Hilfe einer Anordnung gemäß Fig. 5 er­ folgen, bei der der linksseitige Lichtleiter 5 inner­ halb einer zentralen Bohrung 13 eines starren zylindrischen Teiles 14 fixiert ist, wogegen der andere Lichtleiter 5 so­ wohl in radialer als auch in axialer Richtung innerhalb eines Hohl­ raumes 15 in dem zylindrischen Teil 14 verschieden positioniert werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Stellschraube 16 vorge­ sehen, welche auf eine Ausgleichsplatte 17 wirkt und über diese den Lichtleiter gegen eine federnd nachgiebige Unterlage drückt. Diese Unterlage 18 kann nach einem Zusammendrücken die ur­ sprüngliche Form wieder annehmen und bringt daher den rechts­ seitigen Lichtleiter 5 wieder in seine Ausgangslage, nämlich in eine auf den anderen Lichtleiter ausgerichtete Position zurück, wenn die Stellschraube 16 nicht mehr auf die Ausgleichs­ platte 17 einwirkt. In dieser ausgerichteten Position liegt der rechtsseitige Lichtleiter 5 an einer Verlängerung 19 der Bohrung 13 an. Mit Hilfe von Kontermuttern 20 kann die Stell­ schraube 16 fixiert werden. Durch eine entsprechende Wahl der Länge der Stellschraube 16 ist es möglich, die maximale radiale Versetzung des rechtsseitigen Lichtleiters 5 und da­ mit die Krümmung der Lichtleitfaser 1 zu begrenzen, indem näm­ lich die Stellschraube mit ihrem Kopf an den Kontermuttern 20 zur Anlage kommt. Der optimale anfängliche Abstand der Stirnseiten der Lichtleiter wird hauptsächlich durch mechanische Einflüsse be­ stimmt. Ein möglichst kleiner Abstand ist wünschenswert, um die optischen Leckverluste aufgrund der kürzeren Faserlänge zwischen den Stirnseiten zu minimalisieren. Es wird vorgeschlagen, die Lichtleiter mit einem Durchmesser von etwa 2,5 mm aus einem BK7-Glas herzustellen, das auf der Außenseite im Inter­ esse einer Totalreflexion für alle Reflexionswinkel metallisiert ist. Bei diesem Durchmesser des Lichtleiters können Detektoren unter Verwendung von PIN-Dioden bequem angebracht werden, da die empfindlichen Bereiche dieser Diode etwa vergleich­ bare Durchmesser haben. Der Schlitz, in welchem die Lichtleiter­ faser 1 verläuft und der mit dem nachgiebigen Koppelmedium 12 ausgefüllt ist, kann mit Hilfe einer Diamantsäge bei verhältnis­ mäßig geringer Geschwindigkeit eingeschnitten werden, wobei eine Schlitzbreite in der Größenordnung von etwa 0,3 mm bis etwa 0,35 mm Verwendung finden können, um herkömmlich verfügbare Lichtleiterfasern bequem aufzunehmen, die üblicherweise einen Faserdurchmesser in der Größenordnung von etwa 0,12 mm haben.

Es ist auch möglich, für die Herstellung einer Signalabzweigung eine Lichtleitfaser mit einer transparenten Pufferschicht zu ver­ wenden, womit die Notwendigkeit entfällt, die Pufferschicht von dem Teil der Lichtleitfaser zu entfernen, der in dem Lichtleiter verläuft. Ein Schlitz der oben angegebenen Breite ist in der Lage, auch diese Fasern aufzunehmen, wobei derartige Lichtleitfasern den Vorteil haben, daß sie über die ganze Länge einen ungestörten Schutz der Faseroberfläche besitzen.

In Fig. 7 ist ein Anwendungsbeispiel für die zweiseitig gerichtete Signalabzweigvorrichtung gemäß Fig. 4 für einen eine Lichtleit­ faser verwendenden Entfernungssimulator beschrieben. Ein optisches Signal wird am eingangsseitigen Ende 25 in die Lichtleit­ faser eingekoppelt und verläuft durch diese Lichtleitfaser über den Verzögerungsabschnitt 26 bis zum Spiegel 27 und nach einer Reflexion an diesem Spiegel 27 wieder zurück zum eingangsseitigen Ende 25 der Lichtleitfaser. Dadurch werden optische Echoinforma­ tionen für Prüfzwecke erzeugt. Mit Hilfe der zweiseitig gerichteten Signalabzweigvorrichtung gemäß Fig. 4 sowie der Lichtleitfaser können sowohl eingegebene als auch reflektierte optische Impulse mit Hilfe der entsprechenden optischen Lichtdetektoren 7 abge­ tastet werden. Derartige Informationen werden verwendet, um Testeinrichtungen zu eichen. Das gemessene Zeitintervall zwi­ schen dem Auftreten der Ausgangssignale an den Detektoren 7 sowie die Kenntnis der Länge des Leckbereiches zwischen den Stirnseiten der beiden rohrförmigen Lichtleiter ermöglicht eine einfache Eichung der aus der Lichtleitfaser bestehenden Verzö­ gerungsleitung 26. Die Möglichkeit, die optische Charakteristik der Verzögerungsleitung abzutasten, kann auch für die Überwa­ chung und die Beurteilung der Charakteristiken der Lichtleitfaser, z. B. der Impulsdispersion, verwendet werden. Grundsätzlich die­ selbe Anordnung für die zweiseitig gerichtete Signalabzweigvor­ richtung kann auch für die Lokalisierung von Übertragungsfehlern durch das Impulsreflexionsverfahren bei Lichtleitfasern Verwendung finden. Für die beiden erwähnten Anwendungsfälle würde die Signal­ abzweigvorrichtung üblicherweise an demjenigen Ende der Licht­ leitfaser angebracht werden, an welchem die Abfragimpulse ver­ hältnismäßig groß sind. Es können daher unerwünschte Mantel­ moden bei der Signalausbreitung existieren, jedoch sollten diese durch Modenfilter beseitigt werden.

Claims (4)

1. Gerichtete Signalabzweigvorrichtung für Lichtleitfaser mit zumindest einem einen Lichtleitfaserabschnitt mit einem transparenten Mantel aufnehmenden vollzylindrischen Lichtleiter, wobei die Lichtleitfaser vor dem Eintritt in den Lichtleiter mit zumindest einer ein Lecksignal erzeugenden Krümmung versehen ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Brechungsindex des vollzylindrischen Lichtleiters (5) gleich oder geringfügig größer als derjenige des Mantels der Licht­ leitfaser (1) ist,
• - und daß der vollzylindrische, der Abzweigung dienende Lichtleiter in Ausbreitungsrichtung des zu übertragenden Signals unmittelbar an die Krümmung (2) anschließt.

2. Signalabzweigvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß auf der Lichtleitfaser (1) mit transparentem Mantel ein weiterer vollzylindrischer, der Abzweigung dienender Lichtleiter angeordnet ist,
• - und daß die Lichtleitfaser (1) für sich entgegengesetzt auf der Lichtleitfaser ausbreitende Signale zwischen den beiden vollzylin­ drischen Lichtleitern zwei einander entgegengesetzte Krümmungen (2) in einem freien Abschnitt zwischen dem mit Halterungen fixier­ ten Lichtleitern (5) hat.

3. Signalabzweigvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Halterung des einen Lichtleiters (1) mit Verstelleinrichtun­ gen (16, 17, 18) versehen ist, welche eine zur Einstellung der auszukoppelnden Lichtmenge radiale Versetzung dieses Licht­ leiters (5) relativ zum weiteren Lichtleiter zuläßt.

4. Signalabzweigvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Verstelleinrichtung eine nachgiebige Unterlage (18) für den Lichtleiter (5) sowie eine auf dem Lichtleiter (5) aufliegende Ausgleichsplatte (17) umfaßt, welche zur Einstellung der Krümmung der Lichtleitfaser (1) im freien Abschnitt mit Hilfe einer in der Halterung (14) geführte Stellschraube (16) gegen die Vorspannung der Unterlage (18) verstellbar ist.