DE3727105A1 - Verfahren zum verbinden von optischen fasern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von zwei aus Glas bestehenden optischen Fasern an ihren Mantelflächen, bei welchem jede Faser an einem Werkzeug mit vorgegebener, nach außen weisender Krümmung festgelegt wird, von denen mindestens eines relativ zu dem anderen bewegbar ist und deren Krümmungen entgegengesetzt zueinander verlaufen, mit welchem die beiden Fasern an den zu verbindenden Stellen zur gegenseitigen Berührung gebracht und durch Wärmezufuhr miteinander verbunden werden (EP-OS 02 22 439).

Optische Fasern oder auch Lichtwellenleiter - im folgenden kurz "LWL" genannt - werden beispielsweise zur Übertragung von Signalen im fernmeldetechnischen Bereich eingesetzt. Über LWL können optische Signale dämpfungs- und reflexionsarm übertragen werden, und zwar ohne Verstärker über relativ lange Strecken. Der Verbindungs- und Abzweigtechnik kommt daher eine große Bedeutung zu. An Verbindungs- und Abzweigstellen sollen nach Möglichkeit keine so großen Verluste erzeugt werden, daß die Vorteile der verlustarmen Übertragung über den LWL wieder aufgehoben werden. Dieses Problem gilt für alle bekannten LWL.

Abzweigstellen im Verlauf von LWL werden beispielsweise in optischen Daten- oder Signalverteilungsnetzen benötigt, wenn optische Signale nicht nur in der Hauptrichtung, sondern über abzweigende LWL auch in Nebenrichtungen übertragen werden sollen. Dabei ist es unerheblich, ob ein solches Netz in Sternform oder in Ringform aufgebaut ist. Die Güte des ganzen Netzes hängt wesentlich davon ab, daß neben einer einwandfreien Verbindungs- und Anschlußtechnik auch sichergestellt ist, daß an den Abzweigstellen keine zu großen Verluste auftreten.

Die Abzweigstellen von LWL werden auch als "Koppler" bezeichnet. Für den Aufbau solcher Koppler ist eine Reihe von Konstruktionen bekannt, wie sie in der Übersicht von W. Meyer "Verzweigungseinrichtungen in mehrwelligen optischen Datennetzen" (Mikrowellen-Magazin 1978, Heft 2, Seiten 153 bis 157) zusammengestellt sind. Von besonderem Interesse sind wegen ihrer leichten Herstellbarkeit sogenannte Taper-Koppler, bei denen der Durchmesser von als LWL verwendeten Glasfasern im Koppelbereich verjüngt wird. Nach einem Vorschlag von B.S. Kawasaki und K.O. Hill in "Low-loss access coupler for multimode fiber distribution networks" (Applied Optics, Vol. 16 (1977), Seite 1794 f) werden für besonders leicht herstellbare Koppler dieser Art beispielsweise zwei Fasern übereinandergelegt, im Kreuzungsbereich bis zur Erweichung unter Zug erhitzt, so daß sich die Faserdurchmesser im Kreuzungsbereich verjüngen, und dabei miteinander verschmolzen. Ein ähnliches Verfahren geht aus der DE-PS 29 37 580 hervor, mit welchem ein Koppler zwischen einer Gradientenfaser und einer Kern-Mantel- Faser hergestellt wird. Bei allen bekannten Verfahren werden die zu verbindenden Fasern in einem nur ungenau definierten Bereich zusammengebracht und die Koppler werden mit relativ großem Aufwand mit genügender Güte und ausreichend niedrigen Dämpfungswerten hergestellt. Da für die Verbindungsstellen keine definierten Angaben vorliegen, arbeiten die bekannten Verfahren nicht reproduzierbar. Sie sind für eine Massenfertigung also kaum geeignet.

Bei dem bekannten Verfahren nach der eingangs erwähnten EP-OS 02 22 439 werden gleichzeitig mehrere Verbindungsstellen zwischen je zwei optischen Fasern hergestellt. Es soll dadurch eine Massenfertigung ermöglicht werden. Die miteinander zu verbindenden Fasern werden an den für die Verbindung vorgesehenen Stellen abgeschliffen, so daß sich plane Flächen ergeben. Durch Zusammenfahren der beiden Werkzeuge werden je zwei Fasern mit ihren planen Flächen aneinander gedrückt und unter Wärmezufuhr mittels eines Klebers miteinander verbunden. Wegen der mechanischen Bearbeitung der Fasern ist dieses bekannte Verfahren aufwendig. Außerdem hat der Kleber eine andere Brechzahl als das Material der Fasern. Dadurch der physikalische Koppelmechanismus verändert. Zusätzlich altern solche Kleber recht schnell, so daß sich die optischen Eigenschaften der mit diesem Verfahren hergestellten Verbindungsstellen mit der Zeit ändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem zwei optische Fasern auf einfache Weise so miteinander verbunden werden können, daß sich reproduzierbar herzustellende, dämpfungsarme Verbindungsstellen ergeben.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs geschilderten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die beiden Fasern während der Erwärmung mittels der Werkzeuge mit definierter Kraft aneinander gedrückt werden.

Mit diesem Verfahren lassen sich zwei optische Fasern auf reproduzierbare Weise miteinander verbinden. Das Verfahren ist also für eine Massenherstellung von Verbindungsstellen - im folgenden kurz "Koppler" genannt - geeignet. Durch den Einsatz der Werkzeuge können die Fasern mit gekrümmtem Verlauf stets in der gleichen Position zueinander angeordnet werden. Die Druckkraft, mit der die Fasern während der Erwärmung aneinander gedrückt werden, kann sehr genau vorgegeben werden. Nach Herstellung eines den Anforderungen genügenden Prototyps eines Kopplers können dann alle folgenden Koppler nahezu automatisch hergestellt werden. Das Verfahren ist auch einfach durchführbar, da keine Schichten der Fasern abzutragen sind. Es liefert außerdem Koppler mit niedrigen Dämpfungswerten, da keine trennenden Zwischenschichten vorhanden sind und keine Probleme durch Alterung entstehen. Von besonderem Vorteil bei diesem Verfahren ist, daß die Schmelztemperatur und damit die Viskosität der Fasern nicht allzu genau erreicht werden muß. Abweichungen können nämlich durch Anpassung des Anpreßdrucks kompensiert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Das Verfahren nach der Erfindung wird an Hand der Zeichnungen als Ausführungsbeispiel erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine mit dem Verfahren nach der Erfindung herstellbare Verbindungsstelle zwischen zwei optischen Fasern in schematischer Darstellung.

Fig. 2 und 3 ebenfalls in schematischer Darstellung Werkzeuge zur Durchführung des Verfahrens in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen.

Fig. 4 einen Schnitt durch Fig. 2 bzw. 3 längs der Linie IV-IV in vergrößerter Darstellung.

Fig. 5 Werkzeuge und Fasern in der Endposition.

Die in Fig. 1 dargestellte Verbindungsstelle zwischen zwei optischen Fasern 1 und 2 wird im folgenden kurz als "Koppler" bezeichnet. Es könnte sich aber prinzipiell auch um einen Multiplexer oder einen Demultiplexer handeln. Die beiden Fasern 1 und 2 sind im Bereich "A" miteinander verschmolzen.

Durch einen Koppler wird beispielsweise eine Teilung der Leistung von in Richtung des Pfeiles 3 verlaufendem Licht vorgenommen. Die Leistungsaufteilung kann während der Herstellung des Kopplers beispielsweise mittels eines an die Fasern angeschlossenen Meßgeräts eingestellt werden. Es ist dann möglich, jeweils die gleiche Leistung aber auch unterschiedliche Leistung in Richtung der Pfeile 4 und 5 laufen zu lassen. Ein aus den Fasern 1 und 2 bestehender Multiplexer kann grundsätzlich den gleichen Aufbau wie ein Koppler haben. Im Multiplexer erfolgt die Leistungsaufteilung wellenlängenabhängig. Die Geometrie der Koppelzone kann bei der Herstellung der Verbindung so vorgegeben werden, daß beispielsweise in der Faser 1 eine andere Frequenz als in der Faser 2 geführt werden kann. Das gleiche gilt dann, wenn es sich bei dem hergestellten Gebilde um einen Demultiplexer handelt, der beispielsweise zwei gleichzeitig geführte Wellenlängen auf zwei Fasern aufteilt.

Ein Koppler nach Fig. 1 wird mit dem Verfahren nach der Erfindung beispielsweise wie folgt hergestellt:

In einer nicht dargestellten Vorrichtung sind zwei Werkzeuge 6 und 7 angeordnet, von denen mindestens eins in Richtung des Doppelpfeils 8 verschiebbar ist. Die beiden Werkzeuge 6 und 7 sind an den einander zugekehrten Kanten nach außen, also konvex, gekrümmt, und zwar entgegengesetzt. Die Krümmung kann entsprechend Fig. 2 einen stetigen Verlauf haben. Sie kann jedoch gemäß Fig. 3 im mittleren Bereich auch einen geradlinigen Abschnitt aufweisen, so daß die beiden Fasern 1 und 2 im Berührungsbereich parallel zueinander liegen. Die Krümmung der beiden Werkzeuge 6 und 7 ist vorzugsweise identisch ausgeführt und in Abhängigkeit von der notwendigen Koppellänge der zu verbindenden Fasern vorgegeben. Durch die Koppellänge und die Preßtiefe, d. h. den Grad der Verjüngung der Fasern 1 und 2, kann beispielsweise das gewünschte Teilungsverhältnis eingestellt werden.

Die beiden zu verbindenden Fasern 1 und 2 werden an die gekrümmten Flächen der beiden Werkzeuge 6 und 7 angelegt. Die Werkzeuge 6 und 7 haben dazu beispielsweise hohlkehlenartige Vertiefungen 9 und 10, wie sie aus den Fig. 3 und 4 hervorgehen. Die Fasern 1 und 2 können jeweils an den Enden fest eingespannt werden. Sie können vor Beginn des Verbindungsvorgangs an den für die Berührung vorgesehenen Stellen angeäzt werden. Danach werden die beiden Werkzeuge 6 und 7 zusammengefahren, bis die beiden Fasern 1 und 2 einander berühren. Gleichzeitig werden die Fasern 1 und 2 durch eine schematisch angedeutete Wärmequelle 11, die vorzugsweise auf den Bereich zwischen den beiden Fasern 1 und 2 gerichtet ist, etwa auf Schmelztemperatur erhitzt. Bei der Wärmequelle 11 kann es sich um eine Flamme oder auch um einen zwischen zwei Elektroden gezündeten Lichtbogen handeln. Nach Einschalten der Wärmequelle 11 werden die Werkzeuge 6 und 7 vorzugsweise gekühlt, so daß der an denselben anliegende Teil der Fasern 1 und 2 kälter bleibt und nicht in den geschmolzenen Zustand gelangt. Der nicht geschmolzene Teil der Fasern muß mindestens die Hälfte des Faserquerschnitts einschließlich Kern umfassen, mindestens jedoch die Kernhälfte.

Die Fasern 1 und 2 können während der Erwärmung zusatzlich einer definierten Zugbelastung ausgesetzt werden, indem in Richtung der Pfeile 12 und 13 an denselben gezogen wird. In diesem Fall werden die Fasern 1 und 2 nicht nur aneinander gedrückt, sondern gleichzeitig gelängt. Die Kühlung der Werkzeuge 6 und 7 fällt dann fort. Zweckmäßig wird die Wärme den Fasern 1 und 2 dabei über in den Werkzeugen 6 und 7 angeordnete Wärmequellen zugeführt, die durch Pfeile 14 und 15 angedeutet sind. Als Wärmequellen können Öfen, insbesondere Graphitöfen, verwendet werden.

In dem Bereich, in welchem die Fasern 1 und 2 erhitzt werden, beginnen sie zu schmelzen. Sie werden durch die Werkzeuge 6 und 7 weiter zusammengedrückt, so daß sich die lichtführenden Bereiche der beiden Fasern 1 und 2 einander annähern. Der Vorschub der Werkzeuge 6 und 7 und der Anpreßdruck sind so eingestellt, daß sich die dem Bereich A in Fig. 1 entsprechende gewünschte Koppellänge ergibt. Wenn die Fasern 1 und 2 in gewünschtem Maße verschmolzen sind, wird die Wärmequelle 11 abgeschaltet. Nach ausreichender Abkühlung kann der fertige Koppler aus der Vorrichtung entnommen werden, nachdem die Werkzeuge 6 und 7 wieder auseinander gefahren worden sind.

Claims (6)

1. Verfahren zum Verbinden von zwei aus Glas bestehenden optischen Fasern an ihren Mantelflächen, bei welchem jede Faser an einem Werkzeug mit vorgegebener, nach außen weisender Krümmung festgelegt wird, von denen mindestens eines relativ zu dem anderen bewegbar ist und deren Krümmungen entgegengesetzt zueinander verlaufen, mit welchem die beiden Fasern an den zu verbindenden Stellen zur gegenseitigen Berührung gebracht und durch Wärmezufuhr miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fasern (1, 2) während der Erwärmung mittels der Werkzeuge (6, 7) mit definierter Kraft aneinander gedrückt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme gezielt der Berührungsstelle zwischen den beiden Fasern (1, 2) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge (6, 7) gekühlt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fasern (1, 2) zusätzlich einer definierten Zugbelastung ausgesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fasern (1, 2) über eine in den Werkzeugen (6, 7) installierte Wärmequelle erwärmt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fasern (1, 2) vor der Erwärmung an der Berührungsstelle angeäzt werden.