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Beschreibung
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Nichtselektiver Multiplexer fiir Lichtwellenleiter -Die Erfindung
betrifft einen nichtselektiven Multiple.er für Lichtwellenleiter nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Ein derartiger Multiplexer iat bekannt aus dem-Artikel von A Nicia:
"Wavelength multiplexing and demultiplexing systems for single mode and multimode
fibers",Proc 7, ECOC (1981, Kopenhagen), Paper 8.i. In.der dortigen FIG. 5 ist ein
sogenannter t'Prismen-Multiplexer" beschrieben, bei dem zwischen einer Kollimationsoptik
und einer Fokussieroptik ein Dachkantprisma angeordnet ist, das eine Richtungsanpassung
der optischen Teilstrahlen der- Eingangslichtwellenleiter bewirkt. Dieser Multiplexer
ist technisch sehr aufwendig und daher teuer, denn zur Vermeidung opti scher Verluste
muß ein derartiges Prisma präzise bearbeitet und justiert werden. Außerdem wird
dessen Form immer
komplizierter, je mehr Eingangslichtlrellenleiter
vorhanden sind.
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In dem Artikel von D. + ielka und D. Rittich: "Low-loss optical Y-br-anchl,
Electron. Lett. 15 (1979), Seiten 75 bis 758, ist ein faseroptisches Abzweigelement
beschriebein, das keilförmig angeschliffene Lichtwellenleiter ent hält, Ein derartiger
Multiplexer hat den Nachteil, daß es au£wendig ist, bei vielen Kanälen eine geeignete
Keilform an die Lichtwellenleiter anzuschleifen und diese-moglichst verlustfrei
zusammenzufügen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe. zugrunde, einen einfach herstellbaren
Multiplexer der genannten Art anzugeben, der mechanisch robust und räumlich klein
ist und der eine Vielzahl von Eingangslichtwellenleitern Kanälen ) ermoglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.
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Zweckmäßige Ausführungsformen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführung beispielen unter
Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert.
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FIG. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das anhand der FIG. 2 bis FIG.
4 näher erläutert ist FIG. 5 und FIG. 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel
FIG.
7 und FIG. 8 zeigen schematisch optische Strahlengänge durch erfindungsgemäße Fiultiplexer.
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FIG. 1 zeigt mehrere.-beispielsweise vier, Eingangslicht wellenleiter
LWL1 bis LWL4 (Eingangskanäle), deren optische Achsen, zumindest im Bereich der
Lichtaustrittsflächen der Eingangslichtwellenleiter, im wesentlichen parallel zueinander
veilaufen. Derartige Eingangslichtwellenleiter sind zu einem Bündel B zusammengefaßt.
An jedem Eingangslichtwellenleiter LWLi, i = 1 bis' 4, des Bündels B.ist jeweils
ein Kollimationselement Li, i 1 bis 4, einer Kollimationsoptik KO optisch angekoppelt,
z.B gekittet. Ein Kollimationselement bewirkt, daß das aus einem Eingangslichtwellenleiter
austretende divergente Licht in paralleles Licht umgeformt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach FIG 1 besteht jedes Kollimationselement L. aus einer Gradienten-Stablinse,
die parallel zu ihrer Längsachse derart angeschliffen ist, daß die Kollimationsoptik
KO einen kleeblattförmigen Querschnitt aufweist.
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Gemäß FIG. 2 besteht eine Gradienten-Stablinse aus einem zylindrischen,lichtdurchlässigen
Stab S, dessen optische Brechzahl sich radial derart ändert, daß parallel eingestrahltes
Licht fokussiert wird und, bei einer bestimmten Länge des Stabes S wieder seinen
ursprünglichen Ausgangszustand erhält Diese Länge wird optische Periodizität P ("pitch-length")
genannt. Ein derartiger Stab mit einer Länge von einem viertel der Periodizität
P ist eine Gradienten-Stablinse, die als Kollimationselement einsetzbar ist.
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GemäX FIG. l wird das mit Hilfe der Kollimationselemente L., i = 1
bis 4, kollimierte Licht der Eingangslichtwellenleiter LWLi, i = 1 bis 4, unmittelbar,
das heißt ohne Hilfe weiterer optischer Bauelemente, einer Fokussieroptik Lo, z.B.
ebenfalls eine Gradienten-Stablinse, zugeführt, die das Licht nahezu verlustfrei
in einen Ausgangslichtwellenleiter LWLa einkoppelt.
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FIG. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Multiplexer nach FIG. 1 an
der mit H bezeichneten Stelle (Ausgangsebene der Kollimationsoptik, Eingangs ebene
der Fokussieroptik)'. Wie bereits erwähnt, sind die Kollimationselemente L1 bis
L4 derart bearbeitet, z.B. geschliffen, und zusammengefügt, z.B, gekittet, daß deren
Gesamtquerschnitt die Form eines vierblättrigen Kleeblattes hat, und daß deren größter
Außendurchmesser kleiner oder gleich ist als der Außendurchmesser der Fokussieroptik
Lo. Der Durchmesser der kollimierten Lichtstrahlenbündel S1 bis S4 ist derart gewählt,
daß deren Überlappung vermieden wird.
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FIG. 4 dient der Erläuterung'der optischen Verhältnisse in der mit
H bezeichneten Querschnittsebene der FIG. 1. Für bis zu sechs Eingangslichtwellenleiter
LWLi ,i = 1 bis 6, zur vermeiaung optiscner - -ist es/vorteilhaft, die zugehörigen
Kollimationselemente Li, i = 1 bis 6, derart anzuordnen, daß deren optische Mittelpunkte
M bis M6 im wesentlichen auf einem Kreis K liegen. Als optische Mittelpunkte werden
die Schnittpunkte der optischen Achsen der Kollimationselemente mit der mit H bezeicbneten
Querschnittsfläche bezeichnet. FIG. 4 bezieht sich lediglich auf das erwähnte Ausführungsbeispiei
mit vier Kollimationselementen. Für den Durchmesser D des Kreises K gilt (FIG. 4):
D # di/ sin a = di/ sin (t/n)
mit d = Durchmesser -eines kollimierten
Strahlenbündels, n = Anzahl der Eingangslichtwellenleiter eines Bündels B.
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d wird berechnet nach der Formel d = 2. A. r fi, dabei 1 1 1 bedeuten
A die numerische Apertur eines Eingangslichtwel lenleiters LWLi unf fi die Brennweite
des zugehörigen Kollimationselementes Li. Gemäß FIG. 4 gilt für den Durchmesser.d
des Akzeptanzkegels Ak des Ausgangslichtwellen-0 leiters LWLa; falls Koppelverluste
vermieden werden sollen: d D + di = d. (1 + 1/sin (#/n)) 0 1 1 Mit der Formel do
= 2 Aa fo, fo = Brennweite der Fokussieroptik Lo, ergeben sich folgende Formeln:
ai # (fi/fo) aa Die Formeln ermöglichen es beispielsweise, die Brennweiten fo' fi,
die numerischen Aperturen Ai sowie die Kerndurchmesser ai der Eingangslichtwellenleiter
an die entsprechenden Werte des Ausgangslichtwellenleiters derart anzupassen, daß
optische Verluste vermieden werden.
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Hat das Bündel B (FIG, 1) mehr als sechs Eingangslichtwellenleiter,
so' ist' es zweckmäßig, einen Teil der zugehörigen Kollimationselemente konzentrisch
um mindestens ein weiteres Kollimationselement anzuordnen.
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Der beschriebene Multiplexer ermöglicht eine kostengünstige Herstellung,
da lediglich ebene Flächen optisch miteinander gekoppelt werden müssen. Die Lichtaustrittsflächen
der Eingangslichtwellenleiter liegen in einer gemeinsamen Ebene, die lediglich mit
dem ebenen Lichteingang E (FIG. 1) optisch gekoppelt, z.B. gekittet, werden muß.
Weiterhin bilden die optischen Ausgänge der Nollimationselemente eine Ebene, die
an den ebenen optischen Eingang des Fokussierelementes optisch angekoppelt werden
muß (Bezugszeichen H in FIG. 1).
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Ein derartiger Multiplexer ermöglicht einen kompakten mechanischen
Aufbau, der störungsunempfindlich ist.
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Der erfindungsgemäße Multiplexer ist nicht auf die Ver-wendung der
beispielhaft erwähnten Gradienten-Stablinsen befokussierenden bzw. kollimi schränkt,
sondern kann mit anderen/optischen Bauelementenz.B. sphärischen Linsen, ausgeführt
werden.
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Die FIG, 5 und FIG. 6 zeigen ein schematisches Ausführtingsbeispiel
(3-fach-Multiplexer), bei dem die Kollimationselemente L1 bis L3 und das Fokussierelement
L als Kugellinsen 0 ausgebildet sind. Dabei entspricht der in FIG. 6 dargestellte
Querschnitt demjenigen der FIG. 2.
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FIG. 7 zeigt schematisch den optischen Strahlengang, eines beispielhaft
gewählten 2-fach-Multiplexers. Die Eingangslichtwellenleiter LWL1 bzw. LWL2 haben
von den optischen
Hauptebenen H1 bzw H2 der zugehörigen Kollimationselemente
einen Abstand 1 bzw f21 der im wesentlichen der- Brennweite der Kollimationselemente
entspricht. Parallel zu den Hauptebenen H1, H2 befindet sich die Hauptebene H der
Fokussieroptik. Der Ausgangslichtwellenleiter LWL hat von a der Hauptachse H einen
Abstand fo, der im wesentlichen 0 der Brennweite der Fokussieroptik entspricht.
Der in der Ha.lptebene H gemessene Durchmesser d des Akzeptanzkegels 0 0 Ak des
Axlsgangslichtwellenleiters LWL ist mindestens so a groß, daß die kollimierten Lichtstrahlenbündel
S1, S2 der Eingangslichtwellenleiter im wesentlichen verlustfrei erfaßt werden.
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FIG. 8 z.eigt schematisch den optischen Strahlengang eines beispielhaft
gewählten 2-fach-Multiplexers, der mehrfach genutzt wird, z.B. zweifach. Bei einer
derartigen Mehrfachnutzung sind mindestens zwei Bündel B bzw. B' von Eingangsli.chtwellenleitern
LWL1, LWL2 bzw. LWL11, LWL2' vorhanden, jedoch lediglich eine einzige Kollimatoroptik,
deren Anzahl der Kollimationselemente gleich der größten Anzahl der Lichtwellenleiter
in einem der Bündel ist. Dadurch erfolgt eine Mehrfachnutzung der Kollimationselemente,
z.B zweifach gemäß FIG. 8. Bei einem mehrfach genutzten Multiplexer ist die Anzahl
der Ausgangslichtwellenleiter LWL , LWLa' gleich der Anzahl der Bündel B, B'.
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Wird bei einem einfach- oder mehrfachgenutztem erfindung gemäßen xlultiplexer
Licht in einen Ausgangslichtwellenleiter eingekoppelt, so wird es über die Eingnngslichtwellen
leiter atlsgekoppelt. Es ist daher möglich, den Multiplexer als optischen Verteilerkoppler
zu verwenden, z.B. bei optischen Nachrichtenübertragungssystemen. Bei einer derartigen
Anwendung ist es zweckmäßig, den -Nultiplexer nach
den folgenden
Formeln zu dimensionieren
mit i = 1...n ai# fi/ fo aa mit i = t...n Die Formelzeichen sind bereits eingangs
näher erläutert Weiterhin ist es beispielsweise möglich, einen mehrfachgenutzten
erfindungsgemäRen Multiplexer als Multiplexer und als Verteilerkoppler zu verwenden.
Dabei wird, gemäß FIG.
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8, beispielsweise das in dem Bündel B ankommende Licht in den Au.sgangslichtwellenleiter
LWL gekoppelt, während in a dem Ausgangslichtwellenleiter LWL ' ankommendes Licht
in a das Bündel B' gekoppelt wird, Eine derartige Verwendung ist z.B. vorteilhaft
bei optischen Nachrichtenübertragungssystemen, bei denen ein Nachrichtendialog stattfindet.
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Bei einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist im
optischen Strahlengang zwischen mindestens einem KoL-limationselement und der Fokusieroptik
mindestens ein 9ptisches Bauelement angeordnet, das die Eigenschaften des Lichts
beeinflußt. Derartige optische Bauelemente sind beispiels--weise: - optische Fil-ter
zur Änderung des Emissionsspektrums von optischen Sendern, z.B. Leuchtdioden; -
optische Abschwächer zur Pegelanpassung; - schaltbare optische Abschwächer und/oder
optische Modulatoren zum Schalten und/oder Modulieren des übertragenen Lichts.