DE3689665T2 - Faseroptischer Verbindungsstecker. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Faseroptik und insbesondere auf Verbinder, mit denen zwei optische Fasern oder dergleichen kuppelbar und entkuppelbar sind.
• Verglichen mit anderen Medien gleicher Größe besteht ein Hauptvorteil einer optischen Faser als Kommunikationsmedium darin, daß sie eine sehr viel größere Kapazität zur Übertragung von Informationen hat. Dies rührt daher, daß ein Kommunikationskanal die gleiche Bandbreite erfordert, wo er auch immer im Spektrum liegt, und die höhere Frequenz optischer Bereiche, in denen die Fasern arbeiten, weist höhere Kanäle auf und demgemäß eine höhere Informationsträgerkapazität. Diesem Hauptvorteil steht jedoch auch ein Hauptnachteil gegenüber, der die Verbindungen zwischen den bereits kleinen Fasern betrifft, weil die Folgen von Signalverlusten proportional sehr viel schwerwiegender sind.
• Um das Kopplungsproblem mit minimalen Signalverlusten zu lösen, sind zwei verschiedene grundsätzliche Verbindungsvorrichtungen bekannt, mit denen Fasern oder andere optische Faserelemente mit vernünftiger Frequenz optisch gekoppelt und entkoppelt werden können.
• Die erste Möglichkeit besteht darin, präzise stumpf aneinanderstoßende Verbindungen herzustellen. Hier werden praktisch verfügbare physikalische Strukturen benutzt, um die axiale seitliche und azimutale Präzision zu erreichen, die zur richtigen Ausrichtung mit geringem Verlust erforderlich sind. Gewöhnlich reduzieren sich diese Versuche auf die Benutzung eines kompakten Verbinders, bei dem die Fasern selbst in Präzisionszwingen angeordnet sind, die danach ausgerichtet werden, um die Entpositionierung der Fasern relativ zueinander zu vervollständigen.
• Bei der zweiten Möglichkeit werden Linsen benutzt, um vergrößerte Bilder der Fasern zu erzeugen, die dann physikalisch aufeinander ausgerichtet werden. Die Strategie besteht hierbei darin, die genauen linearen Dimensionserfordernisse, die bei stumpf aneinandergefügten Fasern erforderlich sind, gegen eine exaktere Winkeltoleranz auszutauschen. Im typischen Fall benutzt der Linsenverbinder zwei symmetrisch angeordnete Linsen, die so ausgebildet sind, daß die Fasern an den Brennpunkten angeordnet und aufeinander abgebildet werden. Die Geometrie, die hierbei von größter Bedeutung ist, wird gewöhnlich in den optischen Aufbau integriert, und die wichtigen Toleranzen betreffen die Linsenneigung, die Strahlausrichtung und die Genauigkeit, mit der die Fasern relativ zu dem Brennpunkt der jeweiligen Linsen ausgerichtet sind. Ein Beispiel derartiger Verbinder ergibt sich aus der US-A-4 421 383.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Faserverbinder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Optische Faserverbindungen dieser Art sind aus der GB-A- 2 002 136 bekannt. Bei diesem bekannten Verbindungssystem haben die beiden sphärischen Kugeln die gleichen Abmessungen und einen einzigen Brechungsindex von etwa 2,0. Die Kugeln sind voneinander getrennt, und bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand einen Kugeldurchmesser. Dieser Abstand ist bei der bekannten Anordnung notwendig, um eine wirksame Kopplung zu erreichen. Dies ist der Fall, weil eine Quelle endlicher Größe, selbst wenn sie im Brennpunkt einer Linse angeordnet ist, einen divergierenden Strahl erzeugt. Nur wenn die Quelle auf die Eintrittspupille der Empfangslinse abgebildet wird, ergibt sich eine optimale Kopplung. Diese Bedingung tritt auf, wenn die Kugeln um einen Durchmesser mit dem Index 2,0 getrennt sind. Die beste Trennung ist ein Kugeldurchmesser, weil die wirksame Brennweite für einen Index 2,0 gleich dem Kugelradius ist. Wenn daher die Kugeln in einer Entfernung von 2R liegen, werden die Fasern mehr oder weniger perfekt aufeinander abgebildet, und alle anderen Dinge sind perfekt. Wenn jedoch die Entfernung geändert und gleich Null gemacht wird, d. h. wenn sich die Kugeln berühren, dann ist der Index von zwei unterschieden, oder die numerische Apertur der Faser oder die Größe sind einer Fehlanpassung unterworfen, und die Kopplung ist demgemäß unwirksam.
• Der Erfindung liegt das allgemeine Problem zugrunde, wie wirksam zwei Fasern gekoppelt werden können, und zwar sogar Fasern unterschiedlicher Geometrie und unterschiedlicher numerischer Apertur, wobei gleichzeitig ein Koppelsystem erhalten wird, welches leicht ausrichtbar ist.
• Die vorstehend erwähnte Aufgabe wird durch einen optischen Faserverbinder gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
• Die Erfindung bezieht sich daher allgemein auf einen linsenartigen Verbinder, durch den zwei gleiche oder unterschiedliche optische Fasern mit einem vernünftigen Frequenzband gekoppelt und entkoppelt werden können.
• In seiner allgemeinsten Form umfaßt der Verbinder gemäß der Erfindung zwei unterschiedliche sphärische Kugeln, deren Oberflächen an einem Punkt längs der optischen Achse, die durch ihre Mittelpunkte hindurchgeht, in Berührung miteinander stehen. Die Radien und Brechungsindizes der sphärischen Kugeln können unterschiedlich sein, aber sie sind in der Weise aufeinander angepaßt, daß ein Paar von Fasern oder anderen Elementen, von denen jedes in optischer Berührung mit der Oberfläche der jeweiligen sphärischen Kugel an einem Punkt längs der optischen Achse gegenüber dem Berührungspunkt liegt, aufeinander abgebildet werden, wobei ihre numerischen Aperturen transformiert und angepaßt werden, um eine optimale Energieübertragung zwischen den Elementen zu gewährleisten.
• Eine optische Berührung zwischen den sphärischen Oberflächen und den Elementen wird durch Benutzung von Indexanpaßmaterial erreicht. Die sphärischen Kugeln werden in Berührung miteinander durch Abstütz- und Fixierungsmittel gehalten, die aus zwei Gehäuseteilen und einer Hülse bestehen, und deren Ausbildung derart ist, daß die sphärischen Kugeln anfangs leicht aufeinander abgerollt werden können, um den Durchgang zu optimieren, und es können die Kugeln danach an Ort und Stelle fixiert werden.
• Unter speziellen Umständen können die sphärischen Kugeln eine gleiche Größe und einen gleichen Index oder beides besitzen, und in allen Fällen können sie leicht hergestellt und im Hinblick auf einen optimalen Durchgang ausgerichtet werden.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbinders mit Gehäuse,
• Fig. 2 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform zur Praktizierung eines Teils der Erfindung.
Einzelbeschreibung
• Ein optischer Faserverbinder gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet, und dieser stellt ein Zwei-Element-Relaissystem dar, wodurch die numerische Apertur (NA) eines eintretenden Strahls auf die annehmbare numerische Apertur der Austrittsöffnung transformiert und angepaßt wird, wobei allgemein die numerischen Aperturen des eintretenden und des austretenden Strahls unterschiedlich sein können. Demgemäß ist die Benutzung nicht auf die Kopplung optischer Fasern beschränkt, obgleich die Erfindung für diesen Zweck besonders geeignet ist. Andere optische Faserkopplungen, die durchgeführt werden können, umfassen beispielsweise die Verbindung zwischen Quelle und Detektor, Quelle und Faser oder Detektor und Faser.
• In Fig. 1 ist ein Verbinder 10 dargestellt, der zwei optische Fasern 12 und 14 mit perfekten physikalischen und optischen Eigenschaften miteinander koppelt, damit eine wirksame Übertragung von Strahlung zwischen diesen stattfinden kann. Zu diesem Zweck weist der Verbinder 10 als Zwei-Element-Relaissystem ein Paar sphärischer Kugeln 16 und 18 auf. Die Radien und Brechungsindizes der Kugeln 16 und 18 sind R&sub1; und R&sub2; bzw. N&sub1; und N&sub2;. Die numerischen Aperturen der Fasern 12 und 14 sind NA&sub1; bzw. NA&sub2;, wobei NA&sub1; = N&sub1;sinR&sub1; und NA&sub2; = N&sub2;sinR&sub2;. Im allgemeinen können sämtliche Parameter unterschiedliche numerische Werte aufweisen, in Abhängigkeit von der jeweiligen Kopplungsaufgabe, aber die Werte, die sie annehmen, sind nicht unabhängig voneinander. Statt dessen sind die Werte, die die vorangehenden Parameter haben können, durch mathematische Ausdrücke aufeinander bezogen, die die Grenzen möglicher Variation der Parameter definieren, innerhalb derer noch eine gute Abbildung und Übertragung der numerischen Apertur von einer Faser auf die andere gewährleistet ist.
• Nunmehr wird wiederum auf Fig. 1 Bezug genommen. Es ist ersichtlich, daß die sphärischen Kugeln 16 und 18 an einem Punkt P miteinander in Berührung stehen. Dieser Punkt P liegt längs der optischen Achse OA, und dies ist eine Linie, die durch die Mittelpunkte der sphärischen Kugeln 16 und 18 gezogen ist und sich durch diese erstreckt.
• Die Fasern 12 und 14 befinden sich in optischer Berührung mit den Oberflächen der sphärischen Kugeln 16 bzw. 18, und zwar an Punkten auf der optischen Achse OA gegenüber der Verbindung P, an der die sphärischen Kugeln 16 und 18 in Berührung stehen.
• Die Fasern 12 und 14 sind zu diesem Zweck an der Stelle mit einem hinsichtlich des Index angepaßten Epoxydharz angeklebt, wie dies bei 13 bzw. 15 dargestellt ist.
• Die optische Pfadlänge vom Ende der Faser 12, genommen als Objektposition, bis zum Punkt P ist die reduzierte Entfernung N&sub1;/2R&sub1;&sub1; und vom Punkt P nach dem Ende der Faser 14, nämlich die Bilddistanz, ist die reduzierte Distanz N&sub2;/2R&sub2;. Wenn man annimmt, daß die sphärischen Kugeln 16 und 18 durch dünne Linsen ersetzt werden können, die an einer Stelle P in Berührung miteinander stehen und von denen jede gefolgt wird von Glas mit einer Dicke f mit dem reduzierten Abstand, dann ist die paraxiale Bedingung für eine Abbildung des Endes der Faser 12 auf das Ende der Faser 14 gegeben durch:
• (N&sub1;/2R&sub1;)+(N&sub2;/2R&sub2;) = (N&sub1;-1)/R&sub1;+(N&sub2;-1)/R&sub2; (1)
• Durch Umformung und Einsetzen von K = N&sub2;/N&sub1; kann die Gleichung (1) in zweckmäßigerer Form geschrieben werden als:
• N&sub1; = 2(R&sub1;+R&sub2;)/(R&sub2;+KR&sub1;) (2)
• Wenn man p = R&sub2;/R&sub1; setzt, dann kann die Gleichung (2) auch geschrieben werden als:
• N&sub1; = 2(1+p)/(K+p) (3)
• So repräsentieren die Gleichungen (2) und (3) verschiedene Parameter für gegebene Bereiche anderer aufeinander bezogener Parameter, um die Abbildungserfordernisse zu erfüllen.
• Beispielsweise soll angenommen werden p = 1. Dann werden R&sub1; = R&sub2; und N&sub1; = 4(K+1) und N&sub2; = 4K/(K+1). Für den Fall, daß die Radien gleich sind, ergibt es eine Veränderung in K, wobei N&sub1; in Form einer Kurve verläuft, die auf zwei bezogen ist. Infolgedessen ist N&sub2; ebenfalls immer bekannt.
• Wenn die Indizes und die Radien sich so ändern, ist es einfacher, mit graphischen Darstellungen zu arbeiten, die unter Benutzung der Gleichung (3) erzeugt werden und die Abbildungsbedingung zeigen.
• Es kann nunmehr gezeigt werden, daß der Verbinder 10 eine Erfüllung der folgenden Transformationsverhältnisse erfordert, um die numerische Apertur der Faser 12 (NA&sub1;) auf jene der Faser 14 (NA&sub2;) anzupassen:
• T = NA&sub2;/NA&sub1; = (R&sub1;N&sub2;)/(R&sub2;N&sub1;) (4)
• Diese kann wie folgt geschrieben werden:
• NA&sub2; = (K/p)NA&sub1; (5)
• In Ausdrücken relativer Apertur wird die Gleichung (4):
• T = (F&sub1;/#)/(F&sub2;/#) (6)
• Es soll beispielsweise angenommen werden, daß man eine F/1,5 (NA = 0,33)-Quelle in eine F/3,0 (NA = 0,166) umwandelt, um an eine Faser anzukoppeln. Hier ist T = 0,5 und K/p = 0,5. Nunmehr wird N&sub1; = 2(1+p)/(K+p) = 2(1+1/p)/(i+T) = 2(1+1/p)/1,5. Wenn N&sub1; = 1,5, dann wird 2/p = 0,125 und p = 16. K wird dann 8, und N&sub2; ist ein unvernünftig hoher Brechungsindexwert, so daß man einen unterschiedlichen Wert für N&sub1; annehmen muß, beispielsweise N&sub1; = 2,0. Wenn man das gleiche iterative Verfahren für N&sub1; = 2,0 durchführt, ergibt sich für N&sub2; auch 2,0. In gleicher Weise ergibt sich bei N&sub1; = 1,78, N&sub2; = 2,65, und bei N&sub1; = 1,85 wird N&sub2; = 2,38.
• Demgemäß muß die Auslegung nach einem iterativen Verfahren erfolgen, wobei jeweils einige Parameterwerte angenommen und die anderen berechnet werden, die dann die Abbildungsgleichungen und die Transformationsgleichungen der numerischen Apertur erfüllen müssen. Dann muß man überprüfen, ob diese berechneten Werte realistisch im Hinblick auf die Größe und die verfügbaren Materialien sind. Wenn nicht, müssen die anfänglichen Annahmen geändert und die Berechnungen wiederholt werden, bis Werte für alle Parameter gefunden sind, die in jeder Hinsicht befriedigen.
• Für das iterative Verfahren wird empfohlen, mit K = 1 zu beginnen und dann p zu berechnen. Dies zeigt an, wie die Transformation durchgeführt wird, wenn man sphärische Kugeln unterschiedlicher Größe benutzt. Statt dessen kann p = 1 gesetzt und K berechnet werden. Dann soll N&sub1; und N&sub2; berechnet werden. Wenn diese Werte nicht realistisch sind, soll angenommen werden, daß p nicht gleich 1 ist.
• Es gibt einige spezielle Fälle. Wenn N&sub1; = 2,0, dann muß K = 1 werden. Dies ist der Fall, weil bei N&sub1; = 2,0 das Licht, welches aus der ersten Kugel austritt, gesammelt wird und unabhängig vom Kugelradius ist. Demgemäß muß, um das Licht auf der Rückseite der zweiten Kugel zu fokussieren, N&sub2; = 2,0 sein. Wenn N&sub1; nicht gleich 2,0 ist, dann ist N&sub2; aus Symmetriegründen nicht gleich 2.
• Wenn p = 1 ist, dann kann eine Ausrichtung durch eine Hülse erfolgen, da R&sub1; = R&sub2; ist. Vom praktischen Standpunkt für den nahen IR-Bereich (0,8 Mikrometer) können T-Verhältnisse von 1,6 erlangt werden. Wenn beispielsweise T = 1,58 ist, dann wird N&sub1; = 1,55 und N&sub2; = 2,45. Durch Benutzung kristalliner Materialien wie Si, Ge oder SbS&sub3; sind sogar noch größere Verhältnisse von T möglich.
• Die sphärischen Kugeln 16 und 18 werden durch Benutzung der mechanischen Anordnung gemäß Fig. 1 in Berührung gehalten. Diese mechanische Anordnung besteht aus den Gehäusen 20 und 22, die beide in eine Gewindehülse 24 eingeschraubt sind.
• Jedes Gehäuse 20 und 22 weist eine Öffnung 26 bzw. 28 auf, die innen kegelförmig ausgebildet sind. Die Kegelwinkel 30 bzw. 32 sind so gewählt, daß sie einem Radiusbereich angepaßt sind, derart daß die Kugeln ständig tangential zu der kegelförmigen Oberfläche liegen.
• Im Betrieb werden die Gehäuse 20 und 22 in die Hülse 24 eingeschraubt, bis die sphärischen Kugeln 16 und 18 sich an der Stelle P berühren, und zwar mit einer Kraft, die gerade groß genug ist, um sie in Berührung zu bringen und eine gegenseitige Drehung zu ermöglichen. Um den Faserdurchgang zu optimieren, wird eine Faser erregt, und der Ausgang der anderen Faser wird überwacht, während die sphärischen Kugeln 16 und 18 gedreht oder aufeinander abgerollt werden, bis ein optimaler Durchgang beobachtet wird. Danach werden die Kugeln 16 und 18 durch geeignete Mittel, beispielsweise ein Epoxydklebemittel, miteinander verbunden.
• Es ist keine Kollimation des Radialstrahls erforderlich, der aus einer sphärischen Kugel austritt, um eine ordnungsgemäße Arbeitsweise des Verbinders 10 zu gewährleisten. Wie beispielsweise in Fig. 2 mit den Strahlen 38 und 40 dargestellt, kann der aus einer Kugel 16' austretende Strahl entweder konvergieren oder divergieren, je nach der Perspektive, mit der notwendigen Leistungskorrektur, die durch die andere Kugel 18' bewirkt wird.
• Die vorstehende Analyse veranschaulicht im einzelnen die Beziehung zwischen den Brechungsindizes und den Kugeldurchmesserverhältnissen für eine Zwei-Kugel-Kupplungseinrichtung. Es wird angenommen, daß sämtliche Quellen und Senken in Berührung mit der Oberfläche einer Kugel stehen. Obgleich dies nicht unbedingt erforderlich ist, vereinfacht dies die mathematische Betrachtung etwas. Um einen kleinen Rückfokus zu erhalten, kann der Brechungsindex einer oder beider Kugeln etwas abgesenkt werden, oder in gewissen Fällen können die Radien der Kugeln etwas vermindert werden.
• Diese Geometrie für einen Verbinder hat zahlreiche wichtige Vorteile. Zunächst ist eine Fokussierung nicht erforderlich. Die Kopplung ist primär abhängig vom Brechungsindex und nur in geringem Maße vom Kugeldurchmesser. Die Ausrichtung wird durch Abrollen der Kugeln aufeinander eingestellt. Dies ist eine positive Einstellung, die leicht durchgeführt werden kann.
• Die Fachwelt kann die Erfindung auf andere Weise unter Benutzung der Lehren der Erfindung verwirklichen. Deshalb soll der Inhalt der vorstehenden Beschreibung und der Zeichnung nur als Beispiel betrachtet werden und nicht in beschränkendem Sinne.

Claims (2)

1. Verbinder zur optischen Kopplung zweier optischer Fasern (12, 14; 12', 14'), von denen jede eine Stirnfläche und eine vorbestimmte Apertur (NA&sub1;, NA&sub2;) aufweist und in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich arbeitet, wobei der Verbinder in diesem vorbestimmten Wellenlängenbereich wirksam ist und folgende Merkmale aufweist:

- zwei sphärische Kugeln (16, 18; 16', 18') bestehen aus einem Material, welches in diesem vorbestimmten Wellenlängenbereich transparent ist; und

- Haltemittel zum Halten der Kugeln in einer vorbestimmten Relativstellung zueinander, wobei ein Oberflächenabschnitt der einen Kugel und ein Oberflächenabschnitt der anderen Kugel frei zugänglich ist, um eine Verbindung mit jeweils einer der Endflächen der Fasern herzustellen, wobei diese Oberflächenabschnitte um Punkte gekrümmt sind, wo eine gemeinsame optische Achse durch die Mittelpunkte der Kugeln hindurchläuft und die gegenüberliegenden äußeren Oberflächen der Kugeln schneidet,

- wobei die Radien (R&sub1;, R&sub2;) und die Brechungsindizes (N&sub1;, N&sub2;) der Kugeln so gewählt sind, daß die Stirnflächen der Fasern über die Kugeln aufeinander abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, - daß die Haltemittel Stützorgane (20, 22) aufweisen, die die Kugeln in gegenseitiger Berührung abstützen und eine Drehung jeder Kugel um irgendeine gewünschte Achse durch den Kugelmittelpunkt zulassen, bevor Fixierungsmittel (24) angebracht werden, die die Kugeln in einer festen Beziehung zueinander haltern, in der eine optimale Kopplung zwischen den Fasern vorhanden ist,

- und daß die Radien und die Brechungsindizes die folgenden Gleichungen erfüllen:

N&sub1; = 2(R&sub1;+R&sub2;)/(R&sub2;+KR&sub1;) und

(R&sub1;N&sub2;)/(R&sub2;N&sub1;) = NA&sub2;/NA&sub1;

wobei K = N&sub2;/N&sub1;, wodurch gewährleistet wird, daß die Stirnflächen aufeinander abgebildet werden und die numerischen Aperturen der optischen Fasern einander angepaßt werden.

2. Verfahren zum Zusammenbau eines Verbinders gemäß Anspruch 1, welches die folgenden Schritte umfaßt

- die optischen Fasern werden an den sphärischen Kugeln festgeklebt;

- die Kugeln werden in Gehäuseteile (20, 22) eingelegt, die Öffnungen für die optischen Fasern besitzen;

- die Gehäuseteile werden in eine Gewindehülse (24) eingeschraubt;

- die Kugeln (16, 18; 16', 18') werden mit ihren Gehäuseteilen innerhalb der Gewindehülse vorgeschoben, bis die sphärischen Kugeln (16, 16' und 18, 18') einander an einem Punkt (P) berühren, wobei die Kraft gerade ausreicht, um sie in Berührung zu bringen und eine Drehung zuzulassen;

- zur Optimierung des Faserdurchgangs wird eine optische Faser erregt, und der Ausgang der anderen Faser wird überwacht, während die sphärischen Kugeln (16, 16' und 18, 18') gedreht oder aufeinander abgerollt werden, bis ein optimaler Durchsatz beobachtet wird;

- die Kugeln (16, 16' und 18, 18') werden an Ort und Stelle durch geeignete Mittel, beispielsweise einen geeigneten Epoxydkleber, festgelegt.