DE3102494A1 - Optische koppeleinrichtung - Google Patents

Optische koppeleinrichtung

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Description

G.W.Bickel-5
Optische Koppeleinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Koppeleinrichtung mit einer ersten Lichtleitader mit einer Endfläche unter einem bestimmten Winkel, einer zweiten Lichtleitader mit einer Endfläche unter dem gleichen Winkel, wobei die Endflächen aneinander anliegend eine Stoßstelle bilden und dadurch Licht aus der ersten Lichtleitader in die zweite Lichtleitader übertreten kann, und optischen Mitteln relativ quer zur Stoßstelle. Ein derart aufgebauter Strahlteiler ist aus dem Bericht "Verzweigungseinrichtungen für Lichtwellenleiter", Siemens Forsch.- u. Entw.-Ber. 5(1976) Seite 47-53, von P. Auracher etal bekannt.
Optische Strahlteiler teilen einen einfallenden Lichtstrahl in zwei Strahlen, die in zwei folgenden Schaltungen verarbeitet werden können. Ein Strahlteiler ist eine Form einer Koppeleinrichtung, die das Verarbeiten der geteilten Strahlen in verschiedene Signalwege gestattet. Koppeleinrichtungen oder Strahlteiler können als Schaltungseinrichtung in verschiedenen optischen Systemen eingesetzt werden und die Flexibilität der Systeme heben.
Beim Entwurf von optischen Systemen mit Lichtleitadern wird das Multiplexen mit Licht verschiedener Wellenlängen zunehmend interessant. Es sind Strahlungsquellen mit 0,8 bis 0,9 /um Wellenlänge und solche mit größer als 1,0 /um
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Wellenlänge und die zugehörigen Lichtleiter und Detektoren bekannt. Durch die Koppler können diese Quellen multiplex in einem gegebenen System eingesetzt werden. Dadurch kann die Übertragungskapazität erhöht, Schutz zwisehen verschiedenen Ubertragungskanälen erreicht oder andere Vorteile wie bidirektionale Übertragung über eine einzige Lichtleitader erlangt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Koppeleinrichtung anzugeben, die diese Verfahrensarten ermöglicht und als Strahlteiler oder Multiplexelement zur bidirektionalen Übertragung eingesetzt werden kann und dabei stabil,klein und zuverlässig ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Ausgestaltungen und Weiterbildungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine als Strahlteiler
wirkende erfindungsgemäße Koppeleinrichtung mit einer Schicht aus dichroitischem Material;
Fig. 2 einen Schnitt entlang 2-2 in Fig. 1; Fig. 3 eine Seitenansicht eines beschichteten Faserendes mit einer Vielzahl von Schichten aus dichroitischem Material und FIg. 4 eine schematische Darstellung eines feste».
Ausrichtteiles zum Herstellen der Koppeleinrichtung.
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Zuerst soll zum besseren Verständnis der optischen Koppeleinrichtung die Arbeitsweise eines einfachen dichroitischen Spiegels oder einer dichroitischen Oberfläche beim Senden und Empfangen von Licht mit verschiedenen Wellenlängen über einen typischen Luftweg erläutert werden.
Die optischen Eigenschaften des dichroitischen Spiegels beruhen auf der Verstärkung (sichtbare helle Streifen) und der Auslöschung der Reflektion und Transmission einer Strahlung an den aufeinanderfolgenden Schichten aus hoch und niedrig brechendem Material.
In allen Fällen sind optisch absorbierende Medien gekennzeichnet durch einen komplexen Index der Refraktion. Absorbierende kristallische Medien zeigen eine Abhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten in Richtung der Fortpflanzung des Lichtes durch den Kristall und vom Zustand der Polarisation des in einer besonderen Richtung laufenden Lichtes.
Der Ausdruck Pleochroismus bezieht sich auf die Veränderung der Effekte, die aus der Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten von der Richtung und Polarisation herrühren. Der
Ausdruck Dichroismus wird oft für das gleiche physikali- <
sehe Phenomen benutzt; dieser Name betont die beiden verschiedenen Absorptionskoeffizienten, die mit den beiden normalen Moden der Fortpflanzung in einer besonderen Richtung zusammenhängen.
Das klassische Beispiel eines dichroitischen Materials ist das natürliche Mineral Turmalin. Diese Kristalle enthalten
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Aluminiumborsilikat in variablen Zusammensetzungen, gewöhnlich B2O3 (ungefähr 10%), Al3O3 (20-40%) und SiO2 (35-40%) mit kleinen Mengen Pe und Cr anstelle von Al.
Turmalin absorbiert die ordinäre Strahlung in allen Farben des sichtbaren Spektrums. Eine einige Millimeter dicke Platte aus Turmalin, die parallel zur Hauptachse geschnitten ist und als Filter in einem Strahl nicht polarisierten Lichtes benutzt wird, gibt einen austretenden Strahl ab, der gänzlich der extraordinäre Strahl ist.
Das polarisierende Material namens Polaroid besteht aus einem orientierten Blatt aus kleinen organischen Kristallen, die stark dichroitisch sind. Es gibt viele andere Materialien, die sich dichroitisch und pleochroitisch zeigen und die im Erfindungsgegenstand benutzt werden können.
Es hat sich gezeigt, daß dichroitische übertragung und Reflektion (gleich den Übertragungscharakteristiken einer einzigen Schicht dichroitischen Materials) mittels der dielektrischen Vielschicht-Übertragungstechnologie erreicht werden kann. Durch die Anwendung von geeigneten dielektrischen Überzügen oder Schichten kann man dichroitische Reflektoren mit übertragungs- und Reflektionseigenschaften erreichen, die im hohen Maße von der Wellenlänge und der Polarisation abhängig sind. Daher werden VieIschichtüberzüge, die übertragungs- und Reflektion' · eigenschaften in Abhängigkeit von der Wellenlänge aufweisen, dichroitisch genannt. Der Term Dichroismus wird
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daher hier für die relative Absorption und übertragung von Licht als eine Funktion der Wellenlänge benutzt, ohne Rücksicht auf die Ebene der Schwingung.
Diese Technologie wird benutzt, um optische Filter mit ausgezeichneten Durchgangs- und Rückweisungseigenschaften zu produzieren. Ein dichroitischer Spiegel mit einer Reflektion bei 1,06 /um und einem Durchgang bei 0,84 /um weist eine Reflektion von mehr als 99% und einen Durchgang von etwa 82% bei diesen Wellenlängen auf, bei etwa 16 bis 17 Schichten aus dichroitischem Material. Die Effektivität der Kopplung in der übertragung liegt in der Größe von -0,86 dB und die der Reflektion bei -0,04 dB.
In Fig. 1 ist schematisch im Schnitt ein dichroitischer Strahlteiler 10 mit LichtIeitadern dargestellt. Mit 14 und 15 sind erste und zweite nackte optische Fasern bezeichnet, die in einem geeigneten Gemisch 16 eingebettet sind. Das Gemisch 16 kann eine Einbettungsmasse oder ein Epoxydharz sein. Von den Fasern 14 und 15 wird zuerst die Aderhülle entfernt und sie dann unter einem Winkel von 45° in Hälften geteilt, um eine Stoßstelle 30 zu bilden. Die geteilten Fasern 14 und 15 werden dann wieder zusammengebracht, nachdem auf die Oberfläche des Endes einer Faser durch eine Verdampfungstechnik ein vielschichter dichroitischer Reflektor aufgebracht wurde, um die Stoßstelle zu bilden. Der Winkel von 45 ist nur beispielsweise angegeben und Winkel zwischen 20° und 45° oder mehr sind auch geeignet.
Der Strahlteiler 10 enthält drei optische Fasern 14, 15
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und 17, die alle durch das Gemisch 16 gesichert werden und durch den dichroitischen Spiegel auf der Endfläche der Faser 14 oder 15 oder auf beiden optisch miteinander gekoppelt sind. Die in das Gemisch 16 eingebrachten Fasern 14 und 15 sind nackte Fasern, wie es in Fig. 2 im Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 dargestellt ist. Die nackten Fasern bestehen aus einem inneren Kern 20, der von einem konzentrischen Überzug 21 umgeben ist, der wiederum von einer konzentrischen Substratschicht 22 umgeben ist. Die Fasern 14 und 15 sind jeweils mit einem als Eingang oder Ausgang wirkenden Tor verbunden. Das Tor 1 ist mit der Faser 14 und das Tor 2 ist mit der Faser verbunden. Der mit der Aderhülle versehene Abschnitt der Faser 14 ist von einem Rohr 23 aus Metall oder einem anderen Material umgeben, um leichter den Querzug des Gemisches 16 auf die Faser überzuleiten. In gleicher Weise ist die Faser 15 von einem Rohr 24 umgeben. Von der anderen Faser 17, die auch auf eine vorbestimmte Länge nackt ist, ist die Oberfläche ihres Endes in Kontakt mit oder in unmittelbarer Nähe der Stoßstelle 30 zwischen den Fasern 14 und 15. Die Faser 17 ist von einem Rohr 25 aus Metall oder einem anderen Material umgeben und ist mit einem Tor 3 verbunden. Die Faser 17 ist relativ senkrecht zu den Fasern 14 und 15 dargestellt und mit ihrer Spitze oder ihrem Ende leicht von der Stoßstelle 30 entfernt angeordnet, um ein Maximum an reflektiertem Licht zu empfangen .
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist durch die einstückige Ausführung mechanisch stabil. Der Rückhalt der
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Fasern in dem Gemisch der Anordnung wird durch die Kombination der nackten Faserlängen mit einer Prozesstechnik zur festen Haftung des Gemisches 16 erreicht, was bis zu 1000 ρ Zugkraft an den Anschlußenden zuläßt. Der ganze Strahlteiler ist ungefähr 50,8 mm lang und 38,1 mm breit, ohne die Faserenden zu berücksichtigen.
Herstellung des Strahlteilers 10
Die Herstellschritte bei der Produktion des dichroitischen Strahlteilers 10 aus Fasern sind folgende:
1) Entfernen der Aderhülle und Reinigung;
2) Fasersubstrat ätzen;
3) Einbetten;
4) Polieren;
5) Aufbringen der dichroitischen Schicht;
6) Zusammenbauen.
Der I.Schritt umfaßt das mechanische Abstreifen der Aderhülle von der Lichtleitader. Eine optische Faser ist zu ihrem Schutz mit einem geeigneten Elastomer umgeben. Das Abstreifen kann mit einem scharfen Blatt erfolgen. Danach erfolgt eine Ultraschallreinigung zur Entfernung der Aderreste.
Der zweite Schritt ist ein selektives Ätzen der Substratschicht 22. Es kann eine hierfür geeignete Säure verwendet werden. Das Ätzen des Substrates wird angewendet, um die Kopplungseffektivität zu erhöhen und eine engere Kopplung zwischen den Fasern 14, 15 und 17 zu erreichen.
Das Einbetten hält die Fasern fest, die geschnitten wer-
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den sollen, und erfolgt in einer Form mit einem Einbettungsgemisch, um die Faser an ihrem Platz zu halten, damit die Fasern 14 und 15 aus einer einzigen Faser hergestellt werden können. Die Röhren 23 und 24 aus Metall oder einem anderen Material werden in der Form positioniert und nehmen in sich die Fasern auf, damit Zugspannungen übergeleitet werden können. Dann wird das Einbettungsgemisch in die Form gegeben und bei verschiedenen Temperaturen ausgehärtet.
Die festgelegte Faser wird dann in der Form geschnitten und die entstandenen Endflächen poliert. Die in Fig. 3 gezeigten abgeschnittenen Enden der Fasern 14 oder 15 werden durch herkömmliche optische Techniken poliert. Eine vorbestimmte Menge von Material 31 wird durch Schleifen entfernt, um das Potential für die Trennung der Faserenden oder der Trennung der Stoßstelle zu reduzieren, weil die Endflächen der Fasern 14 und 15 während des Zusammenbauens nicht winklig ausgerichtet sind.
Nach dem Polieren und Schleifen der Oberfläche werden selektive Mehrfachschichten 35 und 36 auf die Endflächen der Fasern (Fig. 3) aufgebracht. Die Endfläche zum Beispiel der Faser 14 wird gereinigt und dann mit einem dielektrischen Material durch eine herkömmliche Aufdampftechnik zur Bildung eines dichroitischen Spiegels beschichtet.
Beim Zusammenbau wird zuerst die Faser 15 auf einen beweglichen Abschnitt 40 einer in drei Achsen beweglichen Positioniereinrichtung montiert. Die Faser 14 wird auf einen festen Abschnitt 41 befestigt. Unter Einspeisung von Licht in die Fasern und Detektion
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dieses Lichtes am Ende der Fasern werden diese bewegt, bis eine optimale Kopplung erreicht ist. Dann wird vor der Ausrichtung Epoxydharz zur Stoßstelle 30 dazugegeben und dieses nach der endgültigen Ausrichtung durch Hitzeeinwirkung ausgehärtet.
Der endgültige Zusammenbau enthält das Bohren eines Loches für die Faser 17. Beim Bohren wird ein Mikroskop benutzt, um eine minimale Abweichung von den Fasern zu erhalten. Die Beobachtung wird vollendet durch Einstellen durch die polierte Seite der Anordnung. Die Faser 17, mit dem Rohr 25 versehen, wird dann eingesetzt und eingebettet in der Anordnung. Die vorstehend beschriebene Herstellung eines Strahlteilers ist eine Möglichkeit und es gibt noch andere Möglichkeiten.
•J5 Die Auswahl der Funktionen der Tore an den Fasern wird von der Geometrie des Strahlteilers 10 bestimmt. Zum Beispiel bestimmt die Geometrie, daß das Tor 2 an der Faser 15 das Durchgangstor ist, da es das einzige Tor ist, das eine direkte optische Kopplung zu den beiden anderen Toren 1 und 3 hat. Die Kopplung zwischen dem Tor 2 und den anderen beiden Toren ist verschieden. Die übertragung vom Tor 2 zum Tor 3 geht durch eine Region ohne Strahlführung, die eine Strahlspreizung einschließt, während dieses zwischen den Toren 2 und 1 und umgekehrt nicht gegeben ist.
Dieser letzte Effekt beeinflußt die Wahl der Tore als Eingang und Ausgang, wobei die anderen Aspekte der optischen Verbindung auch bedacht werden müssen. Es sei ange-
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merkt, daß die Fasern 17 und 15 nicht vom gleichen Typ und vom gleichen Kerndurchmesser sein müssen, sie können verschiedener Art und Durchmesser sein.
Die im Strahlteiler 10 auf die dichroitlsche Schicht treffende Strahlung ist nicht kollimiert, aber enthält Strahlung unter einem Winkel in Bezug auf die Faserachse bis zur Grenze, die durch den Brechungsindex der Faser bestimmt ist. In einer Faser mit der numerischen Apertur von 0,22 und einem Brechungsindex von 1,47 ist der maxi-
male Halbwinkel für eine geführte Strahlung in der Faser gleich 8,6° (12,7° außerhalb der Faser). Für die Wahl ' einer optimalen Brechungsauslöschung bei einem Einfallswinkel von 45° relativ zur Faserachse (nd cos 45 - Ar/2), ist die Degradierung der Phase in Bezug auf die optimalen Bedingungen bei den Extremwinkeln 0,4. Nur eine leichte Degradierung in den Reflektions- und Übertragungseigenschaften des dichroitischen Spiegels relativ zum kollimierten Strahl ist die Folge. Für Stufenindex- und Gradientenindexfasern mit der gleichen Differenz des Brechungsindexes zwischen dem Mantel und dem Kern ist die Strahlungsausbreitung im Kern bei der Gradientenfaser mehr entlang der Faserachse konzentriert, so daß die effektive Degradierung in der Gradientenfaser unter der in der Stulenindexfaser liegt.
Die vorteilhaften Eigenschaften des Strahlteiles 10, wie Durchgangsverluste, Reflektionsverluste und externe übersprechdämpfung, hängen von der Güte der dichroitischen
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Überzüge oder Schichten 35 und 36 ab. Solche dichroitischen Überzüge können Wellenlängen von 0,8 bis 0,9 /um durchlassen und Wellenlängen größer als 1,0 /tun reflektieren und werden Kurzwellenpaß oder SWP-überzug genannt. Der komplementäre überzug reflektiert Wellenlängen von 0,8 bis 0,9 /um und läßt Wellenlängen größer als 1,0 /um durch und wird Langwellenpaß oder LWP-überzug genannt. Mit den vorliegenden Materialien erreichen die SWP-überzüge 80% Durchgang und ungefähr 75% Reflektion, wobei für beide Werte 90% möglich sind.
Bei einem Kern mit 55 /um Durchmesser zeigt der Strahlteiler einen Durchgangsverlust von 2 dB, bei 0,26 numerische Apertur und Gradientenfasern für die Fasern 14 und 15 und 90 /um Kerndurchmesser einer Stufenindexfaser für die Faser 17. übersprechen aufgrund von internen Zerstreuungen oder anderen Unvollkommenheiten wurden mit -40 dB unter dem Eingangspegel gemessen.
In Einrichtungen mit Wellenlängenduplex und zweiseitig gerichteter übertragung kann die vorstehend beschriebene optische Koppeleinrichtung angewendet werden. Der Koppler ist stabil, kompakt und kostet wenig.
Neben der zweiseitig gerichteten übertragung der Einrichtung können einige passive optische Fasereinrichtungen hergestellt werden, wie beispielsweise Lasermonitorkoppler, Daten-Bus Abzweige, TDR-Koppler und Strahlteiler. Alle diese Einrichtungen sind kompakt und stabil und
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fertig zum Anschluß an Quellen und Detektoren über die Tore 1, 2 und 3.
Durch das Abscheiden von geeigneten dielektrischen Schichten können dichroitisch reflektierende Oberflächen geschaffen werden, die dann die nebeneinanderliegenden Kopplerflächen ermöglichen, die zur Behandlung von Lichtstrahlen in Abhängigkeit von der Wellenlänge oder der Frequenz des Lichtes geeignet sind. Dielektrische Schichten aus Zinksulfid, Titandioxyd, Magnesiumfluorid und andere Materialien können in geeigneten Schichten abgelagert werden, um dichroitisch reflektierende Flächen für bestimmte Wellenlängen von Lichtstrahlen zu erzeugen.
Andere Materialien und andere Konfigurationen können im Rahmen der Erfindung leicht gefunden werden.
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Claims (9)

Patentanwalt Dipl.-Phys. Leo Thul Kurze Straße 8 7000 Stuttgart 30 G.W.Bickel-5 INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK Ansprüche
1. Optische Koppeleinrichtung mit einer ersten Lichtleitader mit einer Endfläche unter einem bestimmten Winkel, einer zweiten Lichtleitader mit einer Endfläche unter dem gleichen Winkel, wobei die Endflächen aneinander anliegend eine Stoßstelle bilden und dadurch Licht aus der ersten Lichtleitader in die zweite Lichtleitader übertreten kann, und optischen Mitteln relativ quer zur Stoßeteile, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche einer der Lichtleitadern (14,15) eine relativ dünne Schicht (35,36) aus einem Material mit dichroitischen Eigenschaften aufweist, so daß in der Lichtleitader sich ausbreitendes Licht von der Schicht durchgelassen und reflektiert wird und dadurch die optischen Mittel (17) nur reflektiertes Licht von der Stoßstelle (30) empfangen.
2. Optische Koppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicl
hat.
zeichnet, daß der Winkel einen Wert zwischen 20° und 4b"
Wr/Gn
22.01.81
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3. Optische Koppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßstelle (30) der LichtIeitadern (14,15) in ein Epoxydgemisch(16) eingebettet sind.
4. Optische Koppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel aus einer dritten Lichtleitader (17) bestehen, deren Endfläche dicht an der Stoßstelle (30) zum Empfang des reflektierten Lichtes angeordnet ist.
5. Optische Koppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Lichtleitader (14, 15) durch Trennen an einer vorbestimmten Stelle unter dem bestimmten Winkel aus einer einzigen Lichtleitader gefertigt sind.
6. Optische Koppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Lichtleitader (14) einen ersten Abschnitt aus einem Kern (20) und einem umgebenden überzug (21) aufweist, dessen vorderes Ende die im Winkel stehende Endfläche ist und der integral in einen zweiten Abschnitt mit einer Substratschicht um den Überzug übergeht, an dessen entferntem Ende ein Tor (1) zum Empfang von Licht vorhanden ist.
7. Optische Koppe!einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lichtleitader (15) den gleichen ersten und zweiten Abschnitt wie die erste Lichtleitader (14) aufweist.
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8. Optische Koppeleinrichtung nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeichnet , daß die dünne Schicht aus dichroitischem Material eine zusammengesetzte Schicht (35,36) aus einer Vielzahl von Schichten aus übereinanderliegenden» Material aufweist, die entsprechend ihrer Schichtdicke Licht reflektiert und durchläßt.
9. Optische Koppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Strahlteiler (10) verwendet wird, der am jeweiligen, der Stoßstelle (30) abgewandten Ende der Lichtleitadern (14,15,17) ein Tor (1,2,3) aufweist, das jeweils an eine Strahlungsquelle anschließbar ist und an die jeweiligen anderen Tore Licht überträgt.
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DE19813102494 1980-02-01 1981-01-27 Optische koppeleinrichtung Withdrawn DE3102494A1 (de)

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