DE3601729A1 - Faseroptische koppelanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Koppelanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Koppelanordnung ist insbesondere anwendbar für optische Datenbussysteme in digital arbeitenden Datenverarbeitungsanlagen sowie in sogenannten lokalen optischen Netzen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in schematischen Datstellungen beispielhafte Anordnungen, die für derartige Systeme geeignet sind. Fig. 1 zeigt ein sogenanntes Ringnetz, bei dem in einem ringförmig geschlossenem Übertragungs-Lichtwellenleiter UL mehrere Teilnehmerstationen, z. B. T 1, T 2, eingekoppelt sind. Fig. 2 zeigt ein sogenanntes Sternnetz, bei dem mehrere Teilnehmerstationen z. B. T 1 bis T 3, über zugehörige Teilnehmer-Lichtwellenleiter UL 1 bis UL 3 sowie einen optischen Sternkoppler ST an den Übertragungs-Lichtwellenleiter UL angeschlossen sind. In beiden Fällen enthalten die Teilnehmerstationen jeweils mindestens zwei elektrooptische und/oder optoelektrische Halbleiterbauelemente, z. B. einen elektrooptischen Sender S sowie einen optoelektrischen Empfänger E. Diese sind über im allgemeinen kurze Verbindungs-Lichtwellenleiter VL an optische Koppelglieder K angeschlossen, die ein richtungsabhängiges Zusammenführen oder Trennen der Lichtsignale bewirken. Die Ausbreitungsrichtungen dieser Lichtsignale sind mit Pfeilen dargestellt.

In den beiden beschriebenen Anordnungen sind die Teilnehmerstationen im allgemeinen in nachteiliger Weise aus diskreten faseroptischen Bauelementen aufgebaut. Das heißt, Sender S, Empfänger E sowie Koppelglieder K sind voll funktionsfähige Bauelemente, die zur weiteren optischen Kopplung ein kurzes, z. B. ein einige Zentimeter langes, Lichtleit-Faserstück besitzen. Diese Faserstücke werden durch kostenungünstige sowie verlustbehaftete Spleiß- und /oder Steckverbindungen zusammengefügt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Koppelglied anzugeben, das kostengünstig herstellbar ist, das als räumlich kleines sowie mechanisch kompaktes Bauelement aufbaubar ist und das störungsunempfindlich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß während der Herstellung lediglich wenige, einfach auszuführende Justiervorgänge erforderlich sind.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß es möglich ist, die erforderlichen elektrischen Anschlüsse alle auf einer Gehäuseseite anzuordnen, so daß eine kostengünstige Befestigung insbesondere auf einer sogenannten gedruckten elektrischen Schaltung möglich ist, z. B. in einer automatisch arbeitenden Schwall-Lötanlage.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert unter Bezugnahme auf weitere Figuren.

Die Fig. 3 bis 8 zeigen schematisch dargestellte Schnitte durch Ausführungsbeispiele.

Die Fig. 3 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele, die zur Herstellung von Teilnehmerstationen für ein Sternnetz gemäß Fig. 2 geeignet sind. Die Fig. 4, 7, 8 zeigen Ausführungsbeispiele, die zur Herstellung von Teilnehmerstationen für ein Ringnetz gemäß Fig. 1 geeignet sind.

Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 3 und 4 beruhen auf einem faseroptischen Koppelglied, das in der DE-OS 29 42 318 näher beschrieben ist. Bei diesem Koppelglied werden zunächst zwei Lichtwellenleiter mit im wesentlichen kreisförmigen Querschnitten, z. B. die Verbindungs- Lichtwellenleiter VL, derart an einem Ende verschmolzen, daß ein Anschluß-Lichtwellenleiter AL entsteht. Die Verbindungs- Lichtwellenleiter VL sind beispielsweise als sogenannte Stufenprofilfasern ausgebildet mit einem Kerndurchmesser von ungefähr 140 µm. Der lichtführende Kern ist umgeben von einem Mantel mit einem Außendurchmesser von ungefähr 155 µm. Nach dem Verschmelzen der Verbindungs- Lichtwellenleiter VL entsteht ein Anschluß-Lichtwellenleiter AL, der ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt besitzt mit einem Außendurchmesser a (Fig. 5), der vorteilhafterweise im wesentlichen demjenigen eines lösbar anzukoppelnden Übertragungs-Lichtwellenleiters UL oder eines Teilnehmer-Lichtwellenleiters UL 1 bis UL 3 entspricht. Die Lichtwellenleiter UL und/oder UL 1 bis UL 3 sind beispielsweise ebenfalls als Stufenprofilfasern ausgebildet mit einem Kern (Durchmesser ungefähr 200 µm) um einem diesen umgebenden Mantel mit einem Außendurchmesser von ungefähr 280µm.

Fig. 5 zeigt eine Aufsicht auf die Endfläche EF des Anschluß- Lichtwellenleiters AL mit den Kernen KE und dem punktiert dargestelltem Mantel M.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind in einer Seitenfläche des Gehäuses G mehrere elektrische Durchführungen D vorhanden, z. B. Metallstifte, die gegen das Gehäuse G elektrisch isoliert sind, an welche Halbleiterbauelemente, z. B. ein modulierbarer Halbleiterlaser als Sender S und eine Halbleiter-Photodiode als Empfänger E, elektrisch angeschlossen sind. Auf der gegenüberliegenden Seitenfläche des Gehäuses G befindet sich eine Öffnung sowie ein darüber auf der Außenseite des Gehäuses G angebrachter Flansch F, der als Teil einer lösbaren faseroptischen Steckverbindung ausgebildet ist. Ein y-förmiges optisches Faserstück, bestehend aus zwei Verbindungs-Lichtwellenleitern VL mit einer beispielhaften Länge von jeweils ungefähr 20 mm, die an einem Ende zu dem Anschluß- Lichtwellenleiter AL verschmolzen sind, wird nun derart in dem Gehäuse G befestigt, z. B. durch Kleben, daß die Endfläche EF des Anschluß-Lichtwellenleiters AL im wesentlichen zentrisch zu dem Flansch F zentriert ist. Die anderen Enden der Verbindungs-Lichtwellenleiter VL werden nun derart an die Halbleiterbauelemente S, E angekoppelt, daß optische Verluste vermieden werden. Dieses ist z. B. mit Hilfe nicht dargestellter Mikrolinsen und/oder einem konvex geschmolzenen Faserende möglich. Zum optischen Anschluß dieser Koppelanordnung ist es lediglich erforderlich, daß ein Ende des Teilnehmer-Lichtwellenleiters (UL 1 bis UL 3) oder des Übertragungs-Lichtwellenleiters UL in einem Steckerteil zentrisch befestigt ist, das in den Flansch F paßt und dort möglicherweise lösbar arretierbar ist, z. B. mit Hilfe einer Bajonett- oder Schraubverbindung. An der Endfläche EF entsteht dann ein faseroptisches Koppelglied gemäß der erwähnten DE-OS 29 42 318.

Die Koppelanordnung gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von der beschriebenen dadurch, daß zwei Flansche F sowie zwei Anschluß-Lichtwellenleiter AL vorhanden sind, die durch ein faseroptisches Teilstück TL verbunden sind. Der Kerndurchmesser von TL kann beispielsweise gleich dem Kerndurchmesser von VL sein; dann erhält man eine Endfläche EF wie in Fig. 5 dargestellt. Der Kerndurchmesser von TL kann auch kleiner oder größer als der Kerndurchmesser von VL sein; ist er beispielsweise größer, wird ein größerer Anteil der ankommenden Lichtleistung durch TL geführt als über UL auf den Detektor gegeben wird.

Von den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen unterscheiden sich diejenigen gemäß den Fig. 6 bis 8 im wesentlichen dadurch, daß in dem Gehäuse G ein integriert-optisches Bauelement IB vorhanden ist, das zumindest die Verbindungs-Lichtwellenleiter VL sowie mindestens einen Anschluß-Lichtwellenleiter AL enthält. Die Herstellung derartiger integriert-optischer Bauelemente IB kann entweder durch Ionenaustausch in optischem Mehrkomponentenglas erfolgen (siehe z. B. H. J. Lilienhof et. al., Field induced index profiles of multimode ion-exchanged strip waveguides, IEEE Journal of Quantum Electronics 18, 1982, Seiten 1877 bis 1883) oder durch Herstellen von Streifenstrukturen auf Quarzglasplatten mit Hilfe des CVD ("chemical vapor deposition") Verfahrens und anschließender Strukturierung durch Photolithographie- Verfahren (siehe z. B. H. Mori et. al., Multimode deposited silica waveguide an its application to an optical branching circuit, IEEE Journal of Quantum Electronics 18, 1982, Seiten 776 bis 781). Die Streifenstrukturen werden dabei derart hergestellt, daß die Brechungsindexverteilung in der Ebene einer Endfläche EF - abgesehen von einer vernachlässigbaren additiven Konstanten - möglichst gleich der Indexverteilung des anzukoppelnden Lichtwellenleiters (UL oder UL 1 bis UL 3) ist. Gemäß den Fig. 6 bis 8 ist die Endfläche EF immer an einer abgeflachten Eckte des vieleckigen Bauelements IB angebracht, wobei die Länge der Abflachung kleiner gleich dem Innendurchmesser des Flansches F ist. Dieses hat den Vorteil, daß für das Befestigen des Flansches, z. B. durch Schweißen/Löten oder Schrauben, ein im wesentlichen durchgehender planer Metall-Metall-Übergang vorhanden ist, der eine flüssigkeits- und/oder gasdichte Verbindung ermöglicht.

Für eine zuverlässige Funktion der Koppelanordnung sind bei allen Ausführungsbeispielen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien von Gehäuse, Lichtwellenleitern aus Quarzglas und/oder einem planarem Substrat aus Glas oder Quarzglas des Bauelementes IB zu berücksichtigen. Bei Verwendung optischer Fasern als Verbindungs-Lichtwellenleiter VL (Fig. 3, 4) ist es möglich, unterschiedliche thermische Ausdehnungen durch entsprechende Krümmungen der Fasern auszugleichen (Fig. 3, 4). Bei Verwendung planarer Substrate (Bauelement IB in Fig. 6 bis 8) ist eine sehr gute Übereinstimmung der Ausdehnungskoeffizienten erforderlich. Dieses ist beispielsweise erreichbar durch ein Gehäuse G aus einem Material, das derzeit unter den Handelsnamen Invar oder Vakon/Vakoviterhältlich ist.

In den Fig. 6b, 7b, 7c sind weitere Ausführungsformen des Bauelementes IB dargestellt. Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das in einem Ringnetz gemäß Fig. 1 ein bidirektionales Senden oder Empfangen ermöglicht.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar. Beispielsweise ist es möglich, in dem Gehäuse G mehr als zwei elektrooptische und/oder optoelektrische Halbleiter-Bauelemente anzubringen und die gewünschte optische Kopplung entsprechend auszubilden. Außerdem ist es möglich in dem Gehäuse G mindestens eine elektrische Schaltungsanordnung anzubringen, z. B. mindestens einen Vorverstärker für den Empfänger E und/oder mindestens eine Ansteuer- und/oder Treiberschaltung für den Sender S.

Claims (8)

1. Faseroptische Koppelanordnung, bestehend aus mindestens zwei optoelektrischen und/oder elektrooptischen Halbleiterbauelementen, die über Verbindungs-Lichtwellenleiter und mindestens ein optisches Koppelglied an mindestens einen Übertragungs-Lichtwellenleiter gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet,
- daß ein Gehäuse (G) vorhanden ist, das zumindest die optoelektrischen und/oder elektrooptischen Halbleiterbauelemente (E,S), die Verbindungs-Lichtwellenleiter (VL) sowie zumindest einen Teil des Koppelglied (K) enthält,
- daß die Verbindungs-Lichtwellenleiter (VL) innerhalb des Koppelgliedes (K) zu einem Anschluß-Lichtwellenleiter (AL) zusammengefügt sind, dessen Brechungsindexprofil im wesentlichen demjenigen des Übertragungs- Lichtwellenleiters (UL) entspricht und
- daß zwischen dem Anschluß-Lichtwellenleiter (AL) und dem Übertragungs-Lichtwellenleiter (UL) eine lösbare optische Steckverbindung vorhanden ist mit einem Steckerteil (F), das an dem Gehäuse (G) befestigt ist.

2. Faseroptische Koppelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß-Lichtwellenleiter (AL) zumindest die an den Enden verschmolzenen Verbindungs- Lichtwellenleiter (VL) enthält.

3. Faseroptische Koppelanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein integriert-optisches Bauelement (IB) vorhanden ist, das zumindest die Verbindungs-Lichtwellenleiter (VL) zu dem Anschluß-Lichtwellenleiter (AL) zusammengekoppelt.

4. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (G) mindestens zwei Koppelglieder vorhanden sind, die durch ein dem Übertragungs-Lichtwellenleiter (UL) entsprechendes Teilstück (TL) verbunden sind (Fig. 4, 7, 8).

5. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse (G) mindestens eine elektrische Durchführung (D) vorhanden ist zum elektrischen Anschluß der Halbleiterbauelemente (E, S).

6. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (G) mindestens eine elektrische Schaltungsanordnung vorhanden ist, die mit mindestens einem der Halbleiterbauelemente (E, S) verbunden ist.

7. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (G) zumindest teilweise aus einem Material besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an denjenigen der im Gehäuse (G) vorhandenen optischen Bauelemente angepaßt ist.

8. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steckverbindung derart ausgebildet ist, daß der Anschluß-Lichtwellenleiter (AL) und der Übertragungs-Lichtwellenleiter (UL) unmittelbar koppelbar sind.