DE3509053C1 - Dreiweg-Sternteiler fuer Lichtwellenleiter - Google Patents

Dreiweg-Sternteiler fuer Lichtwellenleiter

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DE3509053C1 DE3509053A DE3509053A DE3509053C1 DE 3509053 C1 DE3509053 C1 DE 3509053C1 DE 3509053 A DE3509053 A DE 3509053A DE 3509053 A DE3509053 A DE 3509053A DE 3509053 C1 DE3509053 C1 DE 3509053C1
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    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2817—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using reflective elements to split or combine optical signals

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Description

3 4
sammengefaßt werden. Neben dieser Art der Zusam- genutzt werden können.
menführung von Lichtströmen sind auch Y-Koppler Da die Grund- und Deckfläche zueinander parallel
bekannt, bei denen zwei Fasern durch Verschmelzung sind und der Brechungsindexsprung zwischen dem bzw. Verklebung in eine einzige Faser zusammenge- Kunststoff teil'und Luft stets größer ist als der zwischen führt werden. Das thermische Erweichen, Verdrillen und 5 Kern und Mantel des LWL, erfolgt in vertikaler Rich-Dehnen der Fasern erfordert bei der Produktion jedoch tung im Kunststoffteil stets Totalreflexion. Die Straheine erhebliche manuelle Fertigkeit, die zumindest ge- lenbündel werden daher in vertikaler Richtung in ihrer genwärtig eine Automatisierung ausschließt. Außerdem Ausbreitung auf die Höhe des Kunststoffelementes bekönnen nicht alle Anschlüsse eines Y-Kopplers gleich- schränkt, die mit dem Kerndurchmesser des LWL vorberechtigt miteinander kommunizieren. Erst mit drei io zugsweise identisch ist.
Y-Kopplern kann ein bidirektionaler Sternteiler aufge- Da auch die Reflexion an den Seitenflächen des
baut werden. Dies ist in F i g. 1 gezeigt, womit gleichzei- Kopplungsgliedes ebenfalls als Totalreflexion erfolgen tig der funktionale Unterschied zwischen Y-Koppler soll, sind bestimmte Grenzwinkel einzuhalten. Die Para- und Dreiweg-Sternteiler verdeutlicht wird. meter des elliptischen Reflektors ergeben sich hierbei
Bekannt sind ferner Dreiweg-Sternteiler (DE-OS 15 insbesondere aus den Merkmalen der Ansprüche 1, 2 33 24 611) und insbesondere ein Dreiweg-Sternteiler, und 8, wobei für das in F i g. 3 dargestellte Ausführungsbei dem die Faser aufgetrennt und mit einem verspiegel- beispiel eine numerische Apertur von 0,53 für den LWL ten 90° -Prisma ein Teil des Lichtes in eine weitere Faser und ein Brechungsindex von π = 1,5 für das Kopplungsausgekoppelt wird. Der hierfür notwendige parallele glied zugrunde gelegt wurde.
Strahlengang wird durch drei Linsen erzeugt. Den Auf- 20 Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfühbau zeigt F i g. 2. rungsbeispiele soll nun die Erfindung näher erläutert
Obwohl diese Anordnung schon den Vorteil hat, daß werden. Es zeigt
durch ein Verschieben des Prismas der Aus- bzw. Ein- F i g. 1 einen bidirektionalen Dreiweg-Sternteiler aus
kopplungsgrad kontinuierlich veränderbar ist, verbietet Y-Kopplern (Stand der Technik), der hohe mechanische Aufwand, der in der Justierbar- 25 F i g. 2 einen bidirektionalen Dreiweg-Sternteiler mit keit der Linsen liegt, eine Serienfertigung zu niedrigem 90° -Prisma (Stand der Technik), Preis. Aus optischen Gründen ist zumindest bei drei Fig.3 einen erfindungsgemäßen bidirektionalen
gleichartigen Faseranschlüssen eine verlustarme Aus- Dreiweg-Sternteiler in Draufsicht und kopplung nur bis ungefähr 50% möglich (in F i g. 2 ge- F i g. 4 einen als bidirektionalen Y-Koppler mit Überzeigt). Der Vorteil dieses Systems — nämlich der verän- 30 Sprechfunktion ausgebildeten erfindungsgemäßen Dreiderbare Auskopplungsgrad — kann auch durch Aus- weg-Sternteiler.
tausch gegen einen entsprechend hergestellten Koppler Der in Fig. 3 dargestellte bidirektionale Dreiweg-
mit festem Auskopplungsgrad erreicht werden. Sternteiler 1 weist drei Kopplungsglieder 2,3 und 4 auf,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bidi- welche aus planparallelen Glas- bzw. Kunstglaselemenrektionalen Dreiweg-Sternteiler für Lichtwellenleiter 35 ten mit homogener Zusammensetzung bestehen. Unter zu schaffen, welcher verlustarm und universell einsetz- Kunstglas wird hierbei ein transparenter Kunststoff bar ist und einfach und preiswert in großen Stückzahlen verstanden/allgemein bekannt unter der Bezeichnung hergestellt werden kann. PMMA, im speziellen bekannt unter der Bezeichnung
Des weiteren soll ein derartiger Sternteiler so ge- Acrylglas oder Plexiglas. Jedes Kopplungsglied weist schaffen sein, daß durch Kombination mehrerer Stern- 40 eine als ebener Reflektor ausgebildete Seitenfläche 5 teiler jede beliebige bidirektionale Verzweigung reali- und eine als elliptischer Reflektor ausgebildete Seitensiert werden kann. fläche 6 auf, wobei die Seitenflächen 5 und 6 eines jeden
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kenn- Kopplungsgliedes durch plane Endflächen 2.1,2.2—3.1, zeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. 3.2—4.1,4.2 miteinander verbunden sind, welche jeweils
Der hier vorgeschlagene Dreiweg-Sternteiler eignet 45 zur zugeordneten Seitenfläche 5 einen spitzen Winkel g sich insbesondere zum Einbau in preiswerte Faseroptik- einschließen. Da im gezeigten Ausführungsbeispiel die Bussysteme. Hierzu werden vor allem Kunststoff- drei Seitenflächen 5 ein gleichseitiges Dreieck bilden, fasern als LWL mit 1 mm Durchmesser oder sogenannt beträgt dieser Winkel g = 60°. Die Schnittlinien te Dickkernfasern aus Glas oder Quarz mit 0,5 mm 2.1.1—4.2.1,2.2.1—3.2.1 und 3.1.1—4.1.1 zwischen den Durchmesser verwendet. Die Kopplungsglieder können 50 einzelnen Endflächen und den Seitenflächen 5 stoßen in dieser Materialstärke mit Hilfe der Spritzgußtechnik hierbei aneinander und sind in vorteilhafter Weise stoffpreiswert und in großen Stückzahlen hergestellt wer- schlüssig miteinander verbunden, so daß insgesamt die den. Die dabei erzielte Oberflächengüte ist für den hier drei Kopplungsglieder 2,3 und 4 als einstückiges Formgeforderten Zweck ausreichend. teil stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die je-Der Erfindung liegt insbesondere der Gedanke zu- 55 weils aneinanderstoßenden Endflächen 2.1, 4.2—2.2, gründe, die Lichtführung so zu gestalten, daß Aufteilung 3.2—3.1,4.1 bilden zusammen ebenfalls eine plane Flä- und Fokussierung der Strahlenbündel vollständig inner- ehe, zu welcher die Stirnfläche 7.1, 8.1, 9.1 eines Lichthalb eines flächenhaften Kunststoffteils (Kopplungs- Wellenleiters 7, 8 und 9 parallel verläuft. Die Ausrichglied) mit homogener Zusammensetzung erfolgt. Die tung des Lichtwellenleiters ist jeweils derart, daß die Beeinflussung der Strahlrichtungen geschieht aus- 60 Schnittlinien 2.1.1—4.2.1 auf der optischen Achse 7.2 schließlich über den Effekt der Totalreflexion an der des Lichtwellenleiters 7, die Schnittlinien 2.2.1—3.2.1 Grenzfläche des Kunststoffteils zur Luft. Damit ist eine auf der optischen Achse 8.2 des Lichtwellenleiters 8 und Oberflächenbehandlung wie z. B. Bedampfen mit reflek- die Schnittlinien 3.1.1 —4.1.1 auf der optischen Achse 9.2 tierenden Schichten überflüssig. Vernachlässigt man des Lichtwellenleiters 9 liegen.
Beugungseffekte, so ist es wegen des begrenzten Strah- 65 Die als elliptischer Reflektor ausgebildete Seitenflälungskegels des LWL im Kunststoff teil immer möglich, ehe 6 eines jeden Kopplungsgliedes 2,3 und 4 ist nun so Punkte zu finden, die im Schatten liegen und daher zur gestaltet, daß der Öffnungswinkel a des Strahlungske-Befestigung des sonst frei schwebenden Kunststoffteils gels des einfallenden Lichtbündels gleich dem Öffnungs-
winkel b des Strahlungskegels des reflektierten Lichtbündels und ferner die mittlere Gegenstandsweite
(N' γ\
—-J — also die Summe der Längen sämtlicher vom
Brennpunkt Fi ausgehenden Lichtstrahlen xt... xm dividiert durch die Anzahl m der Lichtstrahlen des einfallenden Lichtbündels — gleich der mittleren Bildweite
~~^~j— also der Summe der Längen sämtlicher
durch den Brennpunkt F2 gehenden Lichtstrahlen ji... JKm dividiert durch die Anzahl m der Lichtstrahlen des reflektierten Lichtbündels — ist. Da die Reflexion als Totalreflexion erfolgen soll, ist unter Berücksichtigung der numerischen Apertur des LWL — beispielsweise N.A = 0,53—, dem Brechungsindex π des Materials des Kopplungsgliedes — für Plexiglas π = 1,5 — und dem sich hieraus ergebenden Aperturwinkel c — im Beispiel c = 20° — ferner darauf zu achten, daß die Einfallswinkel der Lichtstrahlen des Strahlenbündels größer gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion sind — im Beispiel beträgt der Grenzwinkel zwischen Plexiglas und Luft 42°. Die Brennpunkte Fi und F2 des elliptischen Reflektors 6 — im Ausführungsbeispiel dargestellt für den elliptischen Reflektor 6 des Kopplungsgliedes 4 — sind außerdem so zu wählen, daß sie einerseits außerhalb der Seitenfläche 5 liegen, jedoch so, daß andererseits ihre gespiegelten Brennpunkte Fi' und F2' auf den Endflächen — im Beispiel auf den Endflächen 4.2 und 4.1 — liegen. Durch die vorstehend aufgezeigten Parameter ist also die Kontur des elliptischen Reflektors zu bestimmen bzw. bestimmt.
Die Dicke der Kopplungsglieder 2, 3 und 4 ist so gewählt, daß sie vorzugsweise gleich dem Kerndurchmesser des Lichtwellenleiters 7,8,9 entspricht, während die Länge der Seitenflächen 5 in etwa das 8- bis 15fache des Kerndurchmessers des Lichtwellenleiters beträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt sie das 1Of ache.
Da im gezeigten Ausführungsbeispiel die drei angekoppelten Lichtwellenleiter 7, 8, 9 und auch die Kopplungsglieder 2, 3, 4 identisch und ferner dieselben als gleichseitiges Dreieck angeordnet sind, werden durch die somit gewählte streng symmetrische Strahlführung minimale Verluste gewährleistet. Selbstverständlich können für unterschiedliche Lichtwellenleiter und/oder Ankopplungsgrade geänderte Ellipsenparameter von Vorteil sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist auch das Teilerverhältnis für alle drei Lichtwellenleiteranschlüsse gleich; es beträgt 0,5. Es ist jedoch möglich, durch Verschieben eines oder mehrerer der Koppleranschlüsse 7.3,8.3,9.3 der Lichtwellenleiter 7,8,9 parallel (in Pfeilrichtung 11) zu den beiden jeweils an den Lichtwellenleiter angrenzenden Endflächen 2.1—4.2, 2.2—3.2,3.1—4.1 der Kopplungsglieder 2,3,4 das Teilerverhältnis zu variieren.
Wie aus der Fig. 3 des weiteren ersichtlich ist, ist an dem Koppleranschluß 8.3 des Lichtwellenleiters 8 ein sich von den beiden Endflächen 2.2—3.2 in Richtung des Lichtwellenleiters 8 erstreckendes Anschlußstück aus Glas bzw. Kunstglas angeordnet, welches von dem Koppleranschluß 8.3 gegenüber dem Lichtwellenleiter 8 auch zentriert wird. Die Außenabmessungen des Anschlußstuckes 10 sind so gewählt, daß sie mindestens dem Kerndurchmesser, maximal jedoch dem Manteldurchmesser des Lichtwellenleiters 8 entsprechen. In vorteilhafter Weise ist das Anschlußstück 10 mit den Endflächen 2.2—3.2 der Koppiungsglieder 2, 3 stoffschlüssig verbunden, so daß die aus den Elementen 2,3, 4 und 10 bestehende Einheit als ein Teil im Spritzgußverfahren hergestellt werden kann. Dieses Anschlußstück 10 hat die Aufgabe, bei einer Kaskadierung des Dreiweg-Sternteilers mit einem weiteren Dreiweg-Sternteiler für eine Mischung der von den Lichtwellenleitern 7 und 9 kommenden Teillichtbündel zu sorgen. Durch Kaskadieren von solchen erfindungsgemäß ausgebildeten Dreiweg-Sternteilern können Sternteiler mit beliebig vielen Abzweigungen mit allen nur denkbaren Auskoppelgraden realisiert werden.
In F i g. 3 sind ferner noch Schraffurbereiche 12 und 13 eingezeichnet, welche Randzonen darstellen und aufgrund der begrenzten Strahlungskegel der Lichtbündel in den Kopplungsgliedern für die optische Funktion ohne Bedeutung sind. Diese Bereiche können in vorteilhafter Weise für das Fixieren der Kopplungsglieder durch Befestigungselemente genutzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform dient zur Fixierung der Kopplungsglieder 2,3,4 ein Befestigungselement 14, welches im Schraffurbereich 13 jeweils mit den Kopplungsgliedern verbunden ist, und zwar derart, daß es mit diesen stoffschlüssig und somit einstückig im Spritzgußverfahren hergestellt ist.
Wie bereits ausgeführt, ist es möglich, die Koppleranschlüsse der Lichtwellenleiter und damit die Lichtwellenleiter selbst parallel — in Pfeilrichtung 11 — zu den angrenzenden Endflächen zu verschieben, um so das Teilerverhältnis zu variieren. Fig.4 zeigt nunmehr einen Dreiweg-Sternteiler, bei welchem die Lichtwellenleiter 7 und 9 in Pfeilrichtung 11 zum Lichtwellenleiter 8 hin verschoben sind. Ist beispielsweise der Lichtwellenleiter 7 als Sender, der Lichtwellenleiter 9 als Empfänger und der Lichtwellenleiter 8 als Sender/Empfänger realisiert, so ergibt sich ein Y-Koppler, wobei der vom Lichtwellenleiter 7 zum Lichtwellenleiter 9 über das Kopplungsglied 4 übertragene »Übersprechanteil« 15 (ausgekoppelter Informationsteil) beliebig variiert werden kann und beispielsweise eine einfache Funktionsüberwachung des Senders (LWL 7) erlaubt.
Würde man die Lichtwellenleiter 7 und 9 in die entgegengesetzte Richtung 11' verschieben, so würde man ein Einkoppelelement erhalten, bei welchem nur ein geringer Teil der vom LWL 7 zum LWL 9 laufenden Signalenergie zum LWL 8 umgeleitet wird.
Der erfindungsgemäße bidirektionale Dreiweg-Sternteiler stellt also ein universelles Element dar, mit welchem
— ein Verzweigungspunkt mit drei gleichberechtigten Anschlüssen,
— ein Y-Koppler,
— ein Abzweigelement
— und durch Kombination verschiedener Sternteiler jede bidirektionale Verzweigung
realisiert werden kann.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (17)

Patentansprüche:
1. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler für Lichtwellenleiter mit Koppleranschlüssen für die Lichtwellenleiter und Aus- bzw. Einkopplungsglieder zwischen den einzelnen Koppleranschlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß drei halbmondartige Ieistenförmige lichtleitende Kopplungsglieder (2,3,4), die jeweils zueinander parallele Grund- und Deckflächen aufweisen, in Form eines Dreiecks angeordnet sind,
wobei die auf der Innenseite des Dreiecks gelegene Seitenfläche (5) jeweils eines Kopplungsgliedes (2,3, 4) als ebener Reflektor und die zur Außenseite des Dreiecks zeigende Seitenfläche (6) als Reflektor mit elliptischer Kontur — elliptischer Reflektor — ausgebildet sind und die Winkelhalbierenden zwischen den nach innen zeigenden Seitenflächen (5) auf den optischen Achsen (7.2,8.2, 9.2) der anzukoppelnden Lichtwellenleiter (7,8,9) liegen
und die Endflächen (2.1, 2.2; 3.1, 3.2; 4.1, 4.2) der Kopplungsglieder (2, 3, 4) parallel zu den Stirnflächen (7.1, 8.1, 9.1) der jeweils angrenzenden Lichtwellenleiter (7,8,9) angeordnet sind, daß ferner die gespiegelten Brennpunkte F\ und F2' des elliptischen Reflektors (6) auf den Endflächen (2.1,2.2; 3.1,3.2; 4.1,4.2) liegen
und die Kontur des elliptischen Reflektors (6) durch die numerische Apertur der Lichtwellenleiter (7, 8,9) sowie dem Brechungsindex η der Kopplungsglieder (2,3,4) bestimmt ist.
2. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur des elliptischen Reflektors (6) ferner so bestimmt ist, daß die Reflexion des einfallenden Lichtbündels am elliptischen Reflektor (6) als Totalreflexion erfolgt.
3. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Seitenfläche (5) des Kopplungsgliedes (2, 3, 4) das 8- bis 15fache, vorzugsweise das 1Ofache des Kerndurchmessers des Lichtwellenleiters (7,8,9) beträgt.
4. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (5) der drei Kopplungsglieder (2, 3, 4) ein gleichseitiges Dreieck bilden.
5. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Reflexion an der Seiten-, Grund- und Deckfläche des
Kopplungsgliedes (2, 3, 4) ebenfalls als Totalreflexion erfolgt.
6. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach An- Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Dreiwegspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des 55 Sternteiler für Lichtwellenleiter (LWL) gemäß dem Kopplungsgliedes (2, 3, 4) vorzugsweise gleich dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Kerndurchmesser des Lichtwellenleiters (7, 8, 9) ist Für die Verwirklichung faseroptischer Bussysteme
oder nur geringfügig größer ist als dieser. zur Datenübertragung ist die Existenz bidirektionaler
7. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach An- Sternteiler Voraussetzung. Mit ihrer Hilfe kann z. B. an spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei ange- 60 eine faseroptische Datenleitung ein Teilnehmer (Gerät) koppelten Lichtwellenleiter (7,8,9) identisch sind. angeschlossen werden, der bidirektional senden und
8. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach An- empfangen kann.
spruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bekannt sind sogenannte Y- oder T-Koppler (DE-OS
öffnungswinkel (a) des Strahlungskegels des einfal- 26 14 051, DE-OS 29 30 681), bei denen ein Lichtstrom in
lenden Lichtbündels vorzugsweise gleich dem öff- 65 zwei Teillichtströme aufgeteilt werden kann. Ferner
nungswinkel (b) des Strahlungskegels des reflektier- sind Y- oder T-Koppler bekannt (DE-OS 33 24 161), bei
ten Lichtbündels ist denen zwei Teillichtströme über eine Gradientenlinse
9. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach An- als Koppelelement in einen einzigen Lichtstrom zu-
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Koppleranschluß der Koppleranschlüsse (7.3, 8.3,9.3) der Lichtwellenleiter (7,8,9) parallel zu den beiden an ihn angrenzenden Endflächen (2.1,4.2; 2.2, 3.2; 3.1,4.1) der beiden Kopplungsglieder (2,4; 2,3; 3,4) zur Variation des Teilerverhältnisses verschiebbar (Pfeilrichtung 11) ist.
10. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Kopplungsglieder (2, 3, 4) als einstückiges Formteil stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
11. Bidirektionaler Dreiweg-Stern teiler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Kopplungsglieder (2, 3, 4) jeweils an den Schnittlinien (2.1.1, 4.2.1; 2.2.1,3.2.1; 3.1.1, 4.1.1) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
12. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an einem Koppleranschluß (8.3) ein sich von den beiden Endflächen (2.2, 3.2) in Richtung des Lichtwellenleiters (8) erstreckendes Anschlußstück (10) aus Glas- bzw. Kunstglas angeordnet ist.
13. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 12, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußstück (10) stoffschlüssig mit den beiden Endflächen (2.2,3.2) der Kopplungsglieder (2,3) verbunden ist.
14. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenabmessungen des Anschlußstückes (10) mindestens dem Kerndurchmesser und maximal dem Manteldurchmesser des Lichtwellenleiters (8) entsprechen.
15. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußstück (10) gegenüber dem Lichtwellenleiter (8) vom Koppleranschluß (8.3) des Lichtwellenleiters (8) zentriert wird.
16. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußstück (10) mit einem Koppleranschluß eines weiteren Dreiweg-Sternteilers zwecks Kaskadierung verbindbar ist.
17. Bidirektionaler Dreiweg-Sternteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsglieder (2, 3, 4) mittels außerhalb (bei 12, 13) der Strahlungskegel der Lichtbündel liegender Elemente (14) fixiert werden, welche vorzugsweise stoffschlüssig mit den Kopplungsgliedern (2, 3, 4) verbunden sind.
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