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Optische VerzweigungsEdsponenten mit 2¢Lultimode-
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Fasern.
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Die Erfindung betrifft optische Verzweigungs-tomponenten mit Multimode-Fasern.
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In optischen Kommunikations-Systemen spielen optische Verzweigungs-Komponenten,
die Informationen aus einen Kanal abzweigen oder in diesen einspeisen oder auf mehrere
Kanäle aufteilen, eine entscheidende Rolle. Diese Bauelemente mit definierter Verteilung
von Lichtlestung und definiertem Ein- bzw. Auskopplungsgrad sollen möglichst einfach
zu realIsieren sein, möglichst geringe Einfügeverluste haben und für alle gebräuchlichen
Multimode-Fasertypen, also sowohl für Stufenindexprofil- als auch für GradientenindexDrofil-9asern
gleichermaßen einsetzbar sein.
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In den Patentanmeldungen P 25 00 039.9-52, P 26 25 185.9 und P 28
42 276.6 sind Strukturen vorgeschlagen worden, die diese Anforderungen teilweise
nur mangelhaft erfüllen. Zum einen müssen die in den Komponenten verwendeten Fasern
möglichst geringe Mantelstärken haben (etwa 5/um), um Einfügeverluste zwischen 1,5
dB und 2,5 dB zu gewährleisten. Zum anderen sind die Verluste, insbesondere beim
optischen Abzweig, dessen Funktionsweise auf dem gezielten Versatz der Faserachsen
beruht, bei der Verwendung von Gradienten-Fasern höher als bei Stufenprofil-Fasern.
Das Verdünnen des relativ dicken Mantels (z.B. haben gebräuchliche Stufenindex-
bzw.
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Gradientenindex-Fasern von der Fa. Corning Manteldiolcen von etwa
20/um bzw. etwa 30 µm) auf etwa 5/um
erfordert einen gewissen technologisehen
Aufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte optische Verzweigungs-Eomponenten
mit Nultimode-Fe sern anzugeben, die möglichst einfach zu realisieren sind, möglichst
geringe Einfügeverluste haben und deren Einfügeverluste unabhängig vom verwendeten
Multimode-Fasertyp sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Multimode-Fasern
derartig einseitig getapert sind, daß bei der Kopplung angeregte Mantelmoden in
für das System verwertbare Kernmoden verwandelt werden. Bei diesen Elementen kann
man auf das Verdünnen des relativ dicken Mantels gebräuchlicher Multimode-Fasern
verzichten.
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Das bedeutet nicht nur eine technologische Vereinfachung, sondern
auch eine wesentliche Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Transmissionswerte,
weil das Ergebnis von Homogenität und Zusammensetzung der Fasern abhängt.
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Bei erfindungsgemäßen Verzweigungs-Komponenten mit Multimode-Fasern
erhält man auch bei Verwendung von Gradientenindex-Fasern praktisch keine höheren
Einfügeverluste als bei Verwendung von Stufenindez-Fasern. Insbesondere werden bei
erfindungsgemäßen Strukturen gegenüber den früheren bekannten Strukturen für beide
Multimode-Fasertypen die Einfügeverluste geringer.
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Die wesentliche Verbesserung wird dadurch erreicht, daß sich die Fasern
taperförmig verjüngen bzw. erweitern.
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Dadurch werden bei der Kopplung zweier Fasern auftretende Mantelmoden
in verwertbare Kerninoden verwandelt.
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Bei Stufenprofil-Fasern treten Mantelmoden nur dadurch auf, daß in
die abgehenden Fasern teilweise auch über die Stirnfläche des Mantels eingekoppelt
wird.
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Bei Gradientenindex-Fasern werden im Falle versetzter Fasern Mantelmoden
daruber hinaus noch dadurch angeregt, daß die ortsabhängigen numerischen Aperturen
gegenüberliegender Punkte der Faserstirnflächen nicht mehr übereinstimmen. Verbesserte
Strukturen nach der Erfindung können für Verteiler und Ein-Auskoppel-Abzweige verwendet
werden.
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Bei optischen Verzweigungs-Komponenten nach der Erflndung reduzieren
sich die Einfügeverluste an der Eoppelstelle auf Werte, die man in Strukturen mit
ungetaperten Fasern nur erreichen könnte, wenn theoretisch die Manteldicke der Fasern
Null ware.
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Ein Verteiler und ein Ein-Aukppe1-Abaig naeh dar Erfindung sind in
der Zeiclnnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
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Fig.1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Verteilerstruktur nach
der Erfindung.
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Fig.2 zeigt schematisch die getaperten Fasern einer Ein-Ausko'ppel-Versatz-Struktur
nach der Erfindung.
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Fig.3 erläutert die Wirkung einer Anordnung nach Fig.2.
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Fig.1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Verteilerstruktur von 1
n Fasern nach der Erfindung. Der wesentliche Unterschied zu den Strukturen, wie
sie in der Patentanmeldung P 25 00 039.9-52 beschrieben sind, ist1 daß sich auf
dem ersten Abschnitt die abgehenden Fasern II, die in Faser-Führungsnuten 12 geführt
werden, taperförmig verdicken. Taperwinkel und Taperlänge sind so zu dimensionieren,
daß in die gesamte Stirnfläche (Kern und Mantelbereich) der. abgehenden Fasern 11
ein-
gekoppelte Kern- und Mantelmoden längs der Taperstrecke in
Kernmoden verwandelt-werden. Wie eine überschlägige Rechnung im Rahmen der I¢eridioralstrahlen-Approximation
zeigt, ergeben sich für lineare Taper mit einet Taperwinkel von 0,5° für Fasern
mit einem Gesamtdurchmesser von 12.0um und einem Kerndurchmesser von 80/um Taperlängen
zwischen 0,5 cm und 1 cm, wenn es sich um Glasfasern (n(Kern)=nk=1,62; n(Mantel)=nm=1,52)
und Quarzglasfasern (n(Kern)=nk=1,46; n(Mantel)=nm=1,45) handelt, wobei der Brechungsindex
des die Fasern einbettenden Mediums zwischen 1 (für Luft) und 1,41 (transparenter
Kleber) liegt. Es läßt sich auch bereits die ankommende Faser 13, die in einer Halterung
14 geführt wird, tapern, so daß das Winkelspektrum der aus der ankommenden Faser
13 austretenden Strahlen entsprechend vergrößert ist. Dadurch werden bei im übrigen
gleicher.
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Dimensionierung der Verteiler-Struktur wie im Fall einer getapert
ankommenden Faser 13 mehr abgehende Fasern 11 angeregt.
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Fig.2 zeigt schematisch ohne den einseitigen Anschlag zur Faserführung
die getapeorten Fasern 21, 22, 23, 24 der Ein-Auskoppe7-Versatz-Struktur Bei dieser
Struktur müssen aus Gründen der Geometrie an der Koppelstelle in jedem Falle alle
Fasern 21, 2-2, 23, 24 getepert werden. Der einfacheren Beschreibung wegen wird
im folgenden die Faser 24, die zur Einkopplung von Licht in die Faser 22 dient,
weggelassen. Sind an der Versatzstelle alle Faserdurchmesser gleich groß, so verliert
man durch die fehlangepaßte Geometrie der Anordnung (wegen des Versatzes) zunächst
einmal nur die Leistung, wie sie im ungetaperten Fall dreier stumpf aufeinanderstoßender
Fasern mit Mantelstärke Null auftritt, was z.B. im Falle einer 100/um dicken Faser
bei etwa.
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10% Auskopplung einem Verlust von 15% entspricht.
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Zweckmäßigerweise (physikalisch und technologisch) sind die Taper
der ankommenden Faser 21 und der weiterführenden Fasern 22, 23 gleich. Alle Strahlen,
die an der Koppelstelle in den Kernbereich der Stirnflächen der abgehenden Fasern
22, 23 eingekoppelt werden,werden am Ende der Taperstrecke wieder Kernmoden sein.
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Von den Strahlen, die an der Koppelstelle in den Mantelbereich der
Stirnfläche der abgehenden Fasern 22, 23 eingespeist werden, werden allerdings einige
(im wesentlichen bestimmt durch die Brechungsindizes von Kern- und Mantelmaterial)
nicht in Kernmoden surückgeführt. Die folgende Abschätzung gibt den Winkelbereich
derjenigen in den Mantel der Stirnfläche der abgehenden Fasern, 22, 23 eingespeisten
Strahlen an, die auf der vorgegebenen Taperlänge nicht mehr in Kernmoden zurückrgeführt
werden.
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Gemäß Fig.3 sollen die Winkel des steilsten Strahles, mit dem der
Mantel- bzw. Kernbereich der Faserstirnfläche der abgehenden Fasern 22, 2,3 angeregt
wird, αmax bzw. man sein, wobei Vmax = Nmax sei.Mit 31 ist die Faserachse
der getaperten Faser bezeichnet. Es gilt, wenn die Winkel in Grad verstanden werden
und die Taperneigung 0,5° beträgt: ß = 90° - αmax + 0,5° # # # 90° -αmax;
daαmax » 1 nm sin # - nk sin # ; # #90° - #;
Es ist leicht zu erkennen, daß#>αmax = α'max ist. Da die Taper der
ankommenden und weiterführenden bzw. SD-zweigenden Faser gleich sein sollen, werden
von den Mantelmoden nur diejenigen Strahlen zu Kernmoden zu
rückverwandelt,
deren Winkel »(bis auf die obengenannten C,5°) nicnt größer als der Winkel des steilsten
Strahles max ist, mit dem der Kernbereich im Taperbereich der Faser angeregt wird.
Das bedeutet, daß diejenigen Strahlen des Mantelbereiches der Stirnfläene, die nach
einer Reflexion und Brechung einen Winkel ymit der Achse 31 des Faserkerns einschließen,
der als größer ist α'max, nach Durchlaufen der Taperlänge Nal telmoden bleiben.
Für z.B. nm = 1,52, nk = 1,62 und αmax = 40° ergibt sich, daß alle unter einem
Winkel α # 36° in Mantelbereich der Stirnfläche der abgehenden.
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Faser angeregtenStrahlen nicht in Kernmoden zurückver wandelt werden.
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Die Herstellung der Fasertaper kann' z.3. so durchgeführt werden,
daß entlang eines kleinen Faserbereiches der Faser möglichst axialsymmetrisch die
zum Schmelzen ausreichende Wärme zugeführt und daß dann die Faserenden gleichmäßig
auseinandergezogen werden. Huber das Profil der zugeführten Wärme und die Verlängerung
der Faser lassen sich Taperwinkel und Querschnitt an der engsten Taperstelle festlegen.
Einen einseitigen Taper erhält man dann aus dem Doppeltaper, indem man diesen in
der Mitte auftrennt.
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Im übrigen werden die Verteiler und Ein-Auskoppel-Abzweige entsprechend
den in den angegebenen Patentanmeldungen beschriebenen Verfahren hergestellt.
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Weiter wird darauf hingewiesen, daß auch ein 3-Tor-Ein-/Auskoppelelement
mit drei stumpf mit Faserachsenversatz aneinanderstoßenden Multimode-Fasern nach
der Erfindung ausgebildet werden kann. Ebenso ist die Erfindung nicht auf dicke
Fasermäntel beschränkt.
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3 Figuren 6 Patentansprüche