DE3751674T2

DE3751674T2 - Optischer Faserkoppler

Info

Publication number: DE3751674T2
Application number: DE3751674T
Authority: DE
Inventors: Richard T Dillon; Malcolm H Hodge; James A Moras
Original assignee: SpecTran Specialty Optics Co
Current assignee: SpecTran Specialty Optics Co
Priority date: 1986-08-01
Filing date: 1987-07-31
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2007-08-01
Also published as: EP0271177A3; EP0271177B1; JPS63100408A; EP0271177A2; CA1287763C; DE3751674D1; US4784452A

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiterkoppler (LWL-Koppler) zum Zuführen eines Lichtwellensignals zu einem LWL oder Empfangen eines Lichtwellensignals von ihm.
Ein Hindernis für eine weitverbreitete LWL-Anwendung in Steuer- und Kommunikationssystemen ist die Beschränkung der Anzahl von Abzweigungen im System aufgrund von Signalstärkeverlusten und Zuverlässigkeitsproblemen.
Zur Herstellung eines LWL-Netzes, z. B. eines lokalen Netzes, muß im allgemeinen ein Hauptleitungs-LWL zum Einbau eines einzelnen Geräts unterbrochen und dann der Hauptleitungs-LWL wieder verbunden werden. Das neue Gerät hat einen Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß, an denen Ausrichtungs-, Einfügungs- und andere Effekte nahezu immer zu einem übermäßigen Signalstärkeverlust an jeder Schnittstelle führen. Diese Verluste haben sich für viele Anwendungen als unzulässig hoch erwiesen.
Die lokalen Netztopologien, bekannt als die "Bus"- und "Baum"-Systeme, leiden unter Einschränkungen des Dynamikbereichs und fragwürdiger Zuverlässigkeit, wobei beide Merkmale von den zuvor genannten Problemen herrühren, die mit einzelnen Abzweigungen verbunden sind. Der typische Dynamikbereich eines regionalen Bus- oder Baumnetzes beträgt etwa 20 dB. Da Einzelverbindungen im allgemeinen zusätzliche Signalverluste von 0,5 dB oder mehr je Verbindung mit sich bringen und zwei Verbindungen je Abzweigung vorhanden sind, wird der Leistungsetat schnell mit nur wenigen Abzweigungen aufgebraucht, ohne bereits die tatsächliche abgezweigte Signalstärke zu berücksichtigen.
In der als "Stern"-System bekannten lokalen Netztopologie wird jeder Knotenzugangspunkt von einem fest zugeordneten LWL angesprochen, der zu einem zentral angeordneten Sternkoppler zurück verläuft, dessen Funktion darin besteht, ankommende Signale gleichmäßig auf alle Knoten zu verteilen. Typischerweise hat der Sternkoppler eine vorbestimmte Anzahl von Anschlüssen, zwischen denen jedes ankommende Signal gleichmäßig ohne Rücksicht darauf aufgeteilt wird, ob jedem Anschluß ein Knoten zugeordnet ist. Sehr häufig sind mehr Anschlüsse als eigentlich notwendig festgelegt, um zukünftige Erweiterungen zu ermöglichen. Dies belastet oft die Möglichkeiten des Dynamikbereichs im System, dessen Leistungsetat sofort durch die Anzahl von Sternkoppleranschlüssen aufgeteilt wird. Ist die Anzahl von Sternkoppleranschlüssen so festgelegt, daß sie dem gegenwärtigen Bedarf entspricht, werden zukünftige Erweiterungen zu Problemen führen, die denen im Zusammenhang mit dem Bus- und Baumsystem diskutierten ähneln.
Mehrere Patentschriften offenbaren eine Anordnung von LWL oder Wellenleitern nebeneinander, um Licht in die Hauptleitungs-LWL oder -wellenleiter ein- und aus ihnen auszukoppeln, ohne die Hauptleitungs-LWL trennen zu müssen.
Die US-A-3936631 und 3982123 offenbaren die Anordnung eines scheibenartigen Koppelkörpers zwischen einem LWL und einem Fotodetektor zum Abzweigen eines Teils des Lichtsignals aus dem LWL.
Die US-A-4021097 offenbart das Koppeln eines LWL mit einer Platte aus lichtübertragendem Material. Der LWL-Mantel ist im Koppelbereich entfernt und hat eine negative Krümmung, was den LWL-Koppelbereich unter Zug beläßt
Die US-A-4355863 offenbart das Bündeln von LWL, bei denen ein Abschnitt des Mantels entfernt wurde. Durch eine gemeinsame Koppelzone iln LWL-Bündel kann eine Lichtkopplung zwischen den LWL erfolgen.
Die US-A-4387954 offenbart einen evaneszenten Wellenkoppler, in dem zwei LWL, bei denen ein Abschnitt des Mantels entfernt wurde, mit einem Zwischenfilm zwischen ihnen nebeneinandergelegt sind. Der Zwischenfilm gewährleistet eine konstante räumliche Beziehung zwischen den LWL, um eine evaneszente Kopplung zwischen ihnen zu ermöglichen.
Die US-A-4262126 offenbart einen LWL-Koppler, bei dem ein Paar LWL mit entfernten Mänteln unter Zug verflochten und anschließend in eine Koppellösung eingesetzt werden.
Die US-A-4087156 offenbart einen LWL-übertragungsmischer, bei dem das Mantelmaterial von einem Zwischenbereich mehrerer LWL entfernt ist und die freiligenden LWL-Kerne mit einem Material umkapselt sind, dessen Brechzahl angepaßt oder etwas höher ist. Der Umkapselungsbereich wird danach mit einer Hülle mit geringer Brechzahl umschlossen, um zu verhindern, daß Licht aus dem Mischer austritt.
Die JP-A-54013347 offenbart einen LWL-Koppler gemäß der Definition im Oberbegriff im beigefügten Anspruch 1.
Die bekannten Koppler, bei denen eine Mantelentfernung genutzt wird, haben im allgemeinen einen geringen Wirkungsgrad, sind mechanisch anfällig und häufig auf eine Eingangsoder Ausgangsbetriebsart bege schränkt.
Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen LWL-Koppler vorzusehen, der einen verringerten Lichtsignalverlust hat.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen LWL-Koppler vorzusehen, der eine verbesserte mechanische Zuverlässigkeit hat.
Eine nächste Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen LWL-Koppler vorzusehen, der vor Ort und ohne Trennen des Bus- LWL installiert werden kann.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen LWL-Koppler vorzusehen, der gleichzeitig in einer Eingangsund Ausgangsbetriebsart verwendet werden kann.
Erfindungsgemäß ist ein LWL-Koppler vorgesehen, der aufweist:
eine Länge eines Bus-LWL mit einem den LWL-Kern freilegenden nichtummantelten Bereich an einem Zwischenabschnitt von ihm;
mindestens einen Abzweig-LWL mit einem freien Ende und einer kernfreilegenden Stirnfläche daran, wobei das freie Ende des Abzweig-LWL zu dem nichtummantelten Bereich des Bus- LWL zeigt und die Achsen des Abzweig-LWL und des Bus-LWL so positioniert sind, daß eine Lichtwellenkommunikation zwischen dem Abzweig-LWL und dem Bus-LWL stattfinden kann; und
ein Übergangsmedium, das den Abzweig-LWL mit dem Bus-LWL verbindet; wobei
das freie Ende des Abzweig-LWL von dem nichtummantelten Bereich des Bus-LWL beabstandet ist, aber daran angrenzt;
dadurch gekennzeichnet, daß
das übergangsmedium die Stirnfläche des freien Endes des Abzweig-LWL und den nichtummantelten Bereich des Bus-LWL umkapselt, wobei der maximale Einschlußwinkel zwischen der Achse des freien Endes des Abzweig-LWL und der Achse des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL nicht größer ist als die Summe aus dem maximalen Akzeptanzwinkel des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL und dem maximalen Akzeptanzwinkel des Abzweig-LWL, so daß das übergangsmedium einen Weg fur eine Lichtwellenkommunikation zwischen dem Abzweig-LWL und dem Bus-LWL vorsieht; und
entweder (i) in einer Einkoppelkonfiguration des Kopplers das Übergangsmedium eine Brechzahl hat, die kleiner als die des Kerns des Bus-LWL ist;
oder (ii) in einer Auskoppelkonfiguration des Kopplers das Übergangsmedium eine Brechzahl hat, die gleich oder größer als die des Kerns des Bus-LWL ist, und der minimale Einschlußwinkel (θ) zwischen den beiden LWL-Achsen nicht kleiner als die Differenz zwischen dem minimalen Akzeptanzwinkel des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL und dem maximalen Akzeptanzwinkel des Abzweig-LWL ist.
Besondere Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend lediglich als Beispiele anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Längsquerschnittansicht einer ersten Ausführungsform des LWL-Kopplers der Erfindung;
Fig. 2 eine Längsquerschnittansicht des Bus-LWL im LWL- Koppler von Fig. 1;
Fig. 3 eine Längsquerschnittansicht des Abzweig-LWL im LWL-Koppler von Fig. 1;
Fig. 4. eine graphische Darstellung des Bereichs von Lichtstrahlenwinkeln zu und von einer bevorzugten Ausführungsform des Bus-LWL im LWL-Koppler von Fig. 1;
Fig. 5 eine Längsquerschnittansicht des LWL-Kopplers der Erfindung, wobei der Abzweig-LWL und der Bus-LWL parallel angeordnet sind;
Fig. 6 eine Längsquerschnittansicht einer zweiten Ausführungsform des LWL-Kopplers der Erfindung;
Fig. 7 eine Längsquerschnittansicht einer dritten Ausführungsform des LWL-Kopplers der Erfindung;
Fig. 8 eine Längsquerschnittansicht einer vierten Ausführungsform des LWL-Kopplers der Erfindung; und
Fig. 9 eine Längsquerschnittansicht einer fünften Ausführungsform des LWL-Kopplers der Erfindung.
Die Erfindung sieht einen LWL-Koppler vor, zu dem ein Lichtsignal geführt oder aus ihm entfernt wird. Der LWL, dem ein Lichtsignal zuzuführen oder aus dem ein Lichtsignal zu entfernen.ist, wird hierin als "Bus"-LWL bezeichnet. Dabei gilt jedoch, daß die Erfindung nicht auf eine Bus-Netztopobgie beschränkt ist, sondern in jedem LWL-Netz mit Ring-, Stern- und Baumtopologie verwendet werden kann.
Der Bus-LWL, der im Koppler der Erfindung verwendet werden kann, ist vorzugsweise der mit einer abgestuften Brechzahl zwischen dem lichtleitenden Kern und dem Mantel. Es kann aber auch ein Gradienten-LWL verwendet werden. Jede der bekannten LWL/Mantel-Materialkombinationen kann verwendet werden, zu denen Glas/Glas, Glas/Polymer und Polymer/Polymer gehören. Beispiele für die Gläser, die in einem LWL-Kern oder Mantel verwendet werden können, sind Kieselglas und Kieselglas mit Zusatzstoff. Beispiele für die Polymere, die in einem LWL-Mantel verwendet werden können, sind Siliciumelastomere, Fluorelastornere und wärmeausgehärtete Fluorkunststoffe. Beispiele für Polymere, die in einem LWL-Kern verwendet werden können, sind Acrylate und Methacrylate.
Normalerweise haben LWL ein Mantelmaterial, das die gesamte Kernlänge umgibt. Im LWL-Koppler der Erfindung muß der Bus-LWL mit einem nichtummantelten Bereich versehen sein, der den Kern in einem Zwischenbereich der LWL-Länge freilegt. Dies erfolgt normalerweise durch Entfernen des Mantels vom LWL. Im festgelegten nichtummantelten Bereich sollte der Mantel zum überwiegenden Teil und vorzugsweise vollständig entfernt werden. Jedes herkömmliche Verfahren zum Entfernen eines LWL-Mantels kann verwendet werden, z. B. Abschneiden, Abschaben oder Abschleifen.
Der Abzweig-LWL, über den ein Lichtsignal zum Bus-LWL geführt oder von ihm empfangen werden kann, kann aus jeder bekannten Kern/Mantel-Materialkombination bestehen, z. B. aus den zuvor aufgeführten. Wahlweise kann der Abzweig-LWL überhaupt keinen Mantel haben. Der Abzweig-LWL braucht mit dem Bus-LWL in Größe, Material oder anderen Kennwerten nicht abgestimmt zu sein, obwohl dies für optimale Systemkennwerte wünschenswert sein kann. Im allgemeinen ist der Abzweig-LWL mit einem freien Ende versehen, das im wesentlichen senkrecht zur LWL-Achse verläuft, z. B. durch Spalten oder anderweitiges Trennen des Abzweig-LWL. Wie deutlich werden wird, können andere Konfigurationen für das freie Ende des Abzweig-LWL vorteilhaft eingesetzt werden.
Eine erste Ausführungsform eines LWL-Kopplers der Erfindung ist in Fig. 1 im Querschnitt an einer Ebene veranschaulicht, die senkrecht zu den Längsachsen 6 und 8 des Bus-LWL bzw. Abzweig-LWL verläuft. Ein Bus-LWL 10 weist einen geraden lichtleitenden Kern 12 auf, der von einem Mantel 14 umgeben ist. Zur Verdeutlichung des Beispiels ist die über dem Mantel normalerweise aufgebrachte Pufferbeschichtung weggelassen. Die Brechzahl des Kerns ist größer als die Brechzahl des Mantels, was bei LWL normal ist. Am Bus-LWL 10 ist ein nichtummantelter Bereich 18 dargestellt, in dem der Mantel 14 nicht über dem Kern 12 vorhanden ist.
Ein Abzweig-LWL 20 weist einen von einem Mantel 23 umgebenen lichtleitenden Kern 21 auf und ist mit einer kernfreilegenden Stirnfläche 22 des freien Endes dargestellt, die allgemein zum nichtummantelten Bereich 18 des Bus-LWL zeigt. Die Kernstirnfläche der Stirnfläche 22 des freien Endes sollte von Verunreinigungen gesäubert und rißfrei sein, damit Lichtsignale durch sie vollständig durchgelassen werden können. Ein Einschlußwinkel Θ&sub1; ist durch den Schnitt der Projektion der Achse 8 des Abzweig-LWL und der Achse 6 des Bus- LWL gebildet. Die Stirnfläche des freien Endes ist im wesentlichen rechtwinklig zur Achse 8 dargestellt.
Ein Übergangsmedium 24 umkapselt die Stirnfläche 22 des freien Endes des Abzweig-LWL und den nichtummantelten Bereich 18 des Bus-LWL. Insbesondere berührt das Übergangsmedium 24 sowohl die Stirnfläche 22 des freien Endes des Abzweig-LWL als auch den nichtummantelten Bereich 18 des Bus-LWL und füllt den Hohlraum zwischen ihnen, um einen Weg für eine Lichtwellenkommunikation zwischen dem Abzweig-LWL und dem Bus-LWL vorzusehen. Das Übergangsmedium weist ein beliebiges optisch durchlässiges Material mit einer Brechzahl auf, die größer als die des Mantels 14 des Bus-LWL ist. Während eine Flüssigkeit, z. B. ein Öl, verwendet werden kann, ist das übergangsmedium vorzugsweise ein Feststoff, der auch eine konstruktive Abstützung zum Halten des Abzweig- und Bus-LWL in einer gewünschten vorbestimmten Position sein kann.
Das Übergangsmedium kann den nichtummantelten Bereich des Bus-LWL und die Stirnfläche des freien Endes des Abzweig-LWL in ungehärtetem Zustand umkapseln, bevor oder nachdem sich die LWL in der gewünschten Winkelbeziehung zueinander befinden. Ein Harz, vorzugsweise ein unter UV-Einwirkung aushärtbares Harz, kann als übergangsmedium verwendet und gehärtet werden, nachdem sich die LWL in der gewünschten Position befinden. Dieses vereinfachte Verfahren zur Herstellung des LWL-Kopplers erleichtert die Installation des Kopplers vor Ort. Außerdem bildet ein gehärtetes Harz eine Abdichtung für den Koppler gegenüber der Umgebung, um Wasser und andere Verunreinigungen von den LWL-Kernen femzuhalten.
Fig. 2 veranschaulicht den Bus-LWL von Fig. 1 mit einem typischen Lichtstrahlengang 26 für einen Lichtstrahl, der in den Bus-LWL 10 durch den nichtummantelten Bereich 18 eintritt oder ihn verläßt. Bei sowohl dem Bus- als auch dem Abzweig- LWL von Fig. 1 bis 3 und 5 bis 6 sind die Kernoberflächen parallel zu den jeweiligen LWL-Achsen, wodurch ein Lichtstrahl innerhalb eines Kerns den gleichen Winkel zur Kernoberfläche wie zur LWL-Achse bildet. Der Lichtstrahl 26 bildet einen Winkel Θ&sub2; zur Kernoberfläche des Bus-LWL innerhalb des Kerns 12 sowie einen Winkel Θ&sub3; zur Kernoberfläche des Bus-LWL innerhalb des übergangsmediums 24. Der kritische Winkel Θc für eine Totalinnenreflexion eines Lichtstrahls innerhalb des Kerns 12 des Bus-LWL stellt den maximalen Winkel Θ&sub2; dar, in dem sich ein Lichtstrahl zwischen dem Bus-LWL und dem übergangsmedium 24 ausbreiten könnte und vollständig innerhalb des Bus-LWL übertragen wird. Der kritische Winkel Θc ist durch die Beziehung
Θc = cos&supmin;¹ n&sub3;/n&sub2;
definiert, worin
n&sub2; die Brechzahl des Kerns des Bus-LWL und
n&sub3; die Brechzahl des Mantels des Bus-LWL sind.
Der Winkel Θ&sub3; im Übergangsmedium 24 hängt vom Winkel Θ&sub2; und den jeweiligen Brechzahlen des Bus-LWL-Kerns 12 und des Übergangsmediums 24 ab. Der Winkel Θ&sub3; wird als Akzeptanzwinkel des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL bezeichnet und ist durch die Beziehung
0≤Θ&sub3;≤&supmin;¹[n&sub2;/n&sub1;cosΘ]
definiert, worin
n&sub1; die Brechzahl des Übergangsmediums und
n&sub2; die Brechzahl des Kerns des Bus-LWL sind.
Fig. 3 veranschaulicht den Abzweig-LWL von Fig. 1 mit einem typischen Lichtstrahlengang 28 für einen Lichtstrahl, der in die Stirnfläche 22 des freien Endes des Abzweig-LWL eintritt oder sie verläßt. Der Lichtstrahl 28 bildet einen Winkel Θ&sub4; mit der Achse 8 des Abzweig-LWL an der Schnittstelle zwischen Kern und Mantel des Abzweig-LWL innerhalb des Kerns des Abzweig-LWL und einen Winkel Θ&sub5; mit der Projektion der Achse 8 des Abzweig-LWL innerhalb des Übergangsmediums 24. Der maximale Winkel Θ&sub5;, in dem ein Lichtstrahl vom Abzweig-LWL 20 emittiert oder in den Abzweig-LWL 20 aufgenommen und vollständig im Abzweig-LWL übertragen werden kann, wird als Akzeptanzwinkel des Abzweig-LWL bezeichnet und ist durch die Beziehung
definiert, worin
n&sub4; die Brechzahl des Kerns des Abzweig-LWL und
n&sub5; die Brechzahl des Mantels des Abzweig-LWL sind.
Verschiedene Kopplerparameter beeinflussen die Stärke der Signalübertragung zwischen Abzweig- und Bus-LWL, zu denen die Materialien der LWL und des Übergangsmediums, die Fläche des nichtummantelten Bereichs 18 des Bus-LWL, der Abstand zwischen dem freien Ende 22 des Abzweig-LWL und dem nichtummantelten Bereich 18, der Kerndurchmesser des Abzweig-LWL und der Winkel der Achse 8 des Abzweig-LWL zur Achse 6 des Bus- LWL gehören. Die Auswahl richtiger Parameter ist teilweise von der Art abhängig, wie der Koppler genutzt werden soll, d. h., zum Zuführen eines Lichtsignals zum Bus-LWL ("Einkoppeln"), zur Erfassung eines vom Bus-LWL emittierten Lichtsignals ("Auskoppeln") oder beide Aufgaben.
Fig. 4. ist eine graphische Darstellung des Bereichs für den Akzeptanzwinkel Θ des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL als Funktion der Brechzahl n&sub1; des Übergangsmediums 24. Dieser Bereich für den Akzeptanzwinkel beruht auf einer typischen Brechzahl des Bus-LWL-Kerns und Mantels von 1,46 bzw. 1,41. Die Formel für jede Kurve lautet
Θ = cos&supmin;¹[n&sub2;/n&sub1;cosΘ&sub2;],
wobei die mit A bezeichnete Kurve des maximalen Akzeptanzwinkels berechnet wird, indem Θ&sub2; gleich 15º gesetzt wird, und der kritische Winkel für den Bus-LWL die Brechzahlkombination Kern/Mantel von 1,46/1,41 hat. Die mit B bezeichnete Kurve für den minimalen Akzeptanzwinkel wird berechnet, indem Θ&sub2; gleich null gesetzt wird, d. h., der Grenzwert des minimalen Lichtwinkels gegenüber dem Bus-LWL.
Wie aus Fig. 4 hervorgeht, hat die Auswahl des Übergangsmediums eine Auswirkung auf den Bereich von Akzeptanzwinkeln für den nichtummantelten Bereich des Bus-LWL. Der breiteste Akzeptanzwinkelbereich tritt auf, wenn die Brechzahl des Übergangsmediums gleich der Brechzahl des Bus-LWL- Kerns ist. Die Brechzahl des Übergangsmediums kann z. B. auch ausgewählt werden, um den minimalen und maximalen Akzeptanzwinkel in einem schmalen Bereich zu konzentrieren, um eine Abstimmung mit Abzweig-LWL mit kleinen numerischen Aperturen vorzunehmen.
Der Bereich zulässiger Winkel zwischen der Abzweig-LWL- Achse 8 und der Bus-LWL-Achse 6 hängt von der numerischen Apertur des Abzweig-LWL im speziellen Übergangsmedium, dem kritischen Winkel des Bus-LWL und der Brechzahl des Übergangsmediums ab. Der maximale Einschlußwinkel zwischen den Achsen 6 und 8, bei dem Lichtstrahlen zwischen dem Abzweig- LWL und dem Bus-LWL wandern können und vollständig in beiden übertragen werden, ist die Summe aus dem maximalen Akzeptanzwinkel des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL und dem maximalen Akzeptanzwinkel des Abzweig-LWL. Vorzugsweise ist der maximale Winkel nicht größer als der maximale Akzeptanzwinkel des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL. Der minimale Winkel zwischen den Achsen 6 und 8 ist null für eine Brechzahl des Übergangsmediums unter der Brechzahl des LWL-Kerns oder die Differenz zwischen dem minimalen Akzeptanzwinkel des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL und dem maximalen Akzeptanzwinkel des Abzweig-LWL für eine Brechzahl des Übergangsmediums über der Brechzahl des LWL-Kerns.
Soll der Koppler in der Einkoppelkonfiguration verwendet werden, sollte das Übergangsmedium eine Brechzahl unter der des Bus-LWL-Kerns haben. Soll der Koppler in der Auskoppelkonfiguration verwendet werden, kann die Brechzahl des Übergangsmediums gleich oder größer als die Brechzahl des Bus- LWL-Kerns sein. Dies verursacht einen vollständigen Verlust jener Lichtstrahlen (in Moden niedriger und höherer Ordnung) aus dem Bus-LWL, die auf die Schnittstelle zwischen Kern und Übergangsmedium am nichtummantelten Bereich 18 des Bus-LWL auftreffen. Außerdem kann dies einen wesentlichen Lichtwellensignalverlust im Bus-LWL bewirken.
Die Auswahl einer Brechzahl des Übergangsmediums zwischen der des Bus-LWL-Kerns und des Bus-LWL-Mantels führt dazu, daß nahezu keine Strahlen des Bus-LWL entweichen; auch die Moden höchster Ordnung des Bus-LWL reflektieren intern an der Schnittstelle zwischen Übergangsmedium und Bus-LWL-Kern mit Wirkungsgraden von über 90 %. Dennoch wird ein wesentlicher Teil des eingestrahlten Lichts (mehr als ein 10º-Bereich für den Akzeptanzwinkel des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL für die Parameter in Fig. 4) noch durch den Bus-LWL vom Abzweig-LWL im Einkoppelmodus akzeptiert. In der Praxis läuft dies auf eine Lichtdiode hinaus, bei der Lichtstrahlen in den Bus-LWL eingekoppelt werden können, während Lichtstrahlen im Bus-LWL in der Regel nicht ausgekoppelt werden oder entweichen.
Die Parameter des Kerndurchmessers des Abzweig-LWL, der Fläche des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL und des Abstands zwischen dem freien Ende des Abzweig-LWL und dem nichtummantelten Bereich des Bus-LWL sollten so ausgewählt werden, daß sie mit der projizierten Fläche des emittierten Lichtwellensignals zur Kernfläche des empfangenden LWL abgestimmt sind. Folglich wird in der Einkoppelkonfiguration die projizierte Fläche des vorn freien Ende des Abzweig-LWL emittierten Lichtwellensignals vorzugsweise mit der Fläche des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL abgestimmt. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen, u. a. durch Ändern des Abstands zwischen dem freien Ende des Abzweig-LWL und dem nichtummantelten Bereich des Bus-LWL sowie durch Ändern der Fläche des nichtummantelten Bereichs. In der Auskoppelkonfiguration wird die projizierte Fläche des vom nichtummantelten Bereich des Bus-LWL emittierten Lichtwellensignals vorzugsweise mit dem Kerndurchmesser des Abzweig-LWL abgestimmt. Erreichen läßt sich dies mit Lösungen, die denen für die Abstimmung in der Einkoppelkonfiguration entsprechen. Ist der Kern des Abzweig-LWL mit der Fläche des nichtummantelten Bereichs abgestimmt und sind beide nahe beieinander angeordnet, kann der Koppler sowohl in der Einkoppel- als auch in der Auskoppelkonfiguration betrieben werden.
Durch eine ordnungsgemäße Auswahl von Kopplerparametern, u. a. des kritischen Winkels des Bus-LWL, der Brechzahl des Übergangsmediums und des Akzeptanzwinkels des Abzweig-LWL, kann eine Lichtwellenkommunikation zwischen dem Abzweig-LWL und dem Bus-LWL wie in der in Fig. 5 veranschaulichten Konfiguration erfolgen. Die Achse 8 des freien Endes des Abzweig- LWL ist parallel, d. h., mit einem Winkel von null, zur Achse 6 des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL dargestellt. Gezeigt ist ein Lichtstrahl 27 zwischen dem Abzweig-LWL 20 und dem Bus-LWL 10. Diese Parallelanordnung der beiden LWL hat den Vorteil einer Vereinfachung der Kopplermontage durch Wegfall einer komplizierten Winkelmessung zwischen den LWL.
Eine zweite Ausführungsform des Kopplers der Erfindung ist in Fig. 6 veranschaulicht, in der die gleiche Beziehung für die Lichtwellenkommunikation zwischen Bus-LWL 10 und Abzweig-LWL 20 wie in Fig. 1 gezeigt und ein zusätzlicher Abzweig-LWL 120 zum Koppler zugefügt ist. Auch der Abzweig-LWL 120 ist so angeordnet, daß eine Lichtwellenkommunikation mit dem Bus-LWL 10 möglich ist. Der Winkel Θ&sub7; zwischen der Achse 108 des freien Endes des Abzweig-LWL 120 und der Bus-LWL- Achse 6 kann gleich dem Winkel Θ&sub1; sein oder sich von ihm unterscheiden. Die Verwendung von zwei oder mehr Abzweig-LWL im LWL-Koppler ermöglicht z. B. eine Kommunikation mit größerer Signalstärke zwischen dem Abzweig- und dem Bus-LWL.
Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, in der ein Querschnitt eines LWL-Kopplers mit den gleichen Merkmalen wie in Fig. 1 gezeigt ist, ausgenommen, daß die mit 32 bezeichnete Stirnfläche des freien Endes des Abzweig-LWL winklig ist, um dem nichtummantelten Bereich 18 des Bus-LWL zu entsprechen, und vorzugsweise parallel zum nichtummantelten Bereich verläuft. Mit einer darstellungsgemäßen winkligen Stirnfläche des freien Endes des Abzweig-LWL kann der Abzweig-LWL näher am nichtummantelten Bereich 18 des Bus-LWL angeordnet sein, wodurch eine verbesserte gegenseitige Flächenabstimmung des Kerndurchmessers am freien Ende des Abzweig-LWL und der Fläche des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL mit der projizierten Fläche eines vom nichtummantelten Bereich des Bus-LWL bzw. vom freien Ende des Abzweig-LWL emittierten Lichtwellensignals erreicht werden kann. Dadurch verbessert sich der Wirkungsgrad des LWL-Kopplers von Fig. 5, der sowohl in der Einkoppel- als auch in der Auskoppelkonfiguration funktioniert. Eine darstellungsgemäße winklige Gestaltung der Stirnfläche 32 des freien Endes des Abzweig-LWL beeinflußt den Bereich von Akzeptanzwinkeln des Abzweig-LWL und folglich die zulässige Winkelorientierung zwischen den Achsen des Abzweig-LWL und Bus-LWL. Diese Änderung des Akzeptanzwinkels des Abzweig-LWL kann durch Berechnen oder einfaches Experimentieren bestimmt werden.
Fig. 8 veranschaulicht eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Gezeigt ist ein Querschnitt eines LWL-Kopplers mit den gleichen Merkmalen wie in Fig. 1, ausgenommen, daß die mit 42 bezeichnete Stirnfläche des freien Endes des Abzweig- LWL eine konvexe Krümmung hat. Durch diese konvexe Krümmung kommt eine kontinuierliche Änderung des Winkel der Stirnfläche des freien Endes des Abzweig-LWL von einer Seite des Abzweig-LWL zur anderen zustande. Eine konvexe Krümmung der Stirnfläche des freien Endes erreicht viele der Vorteile des vorgenannten winkligen freien Endes und hat zusätzlich den Vorteil, daß nunmehr ein Bereich von Winkeln zwischen den Achsen des Abzweig-LWL und Bus-LWL realisiert werden kann. Somit können mit einer einzigen Stirnflächenkonfiguration des freien Endes des Abzweig-LWL vielfältige LWL-Kopplerparameter realisiert werden.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung und veranschaulicht einen LWL-Koppler mit den gleichen Merkmalen wie in Fig. 1, ausgenommen, daß der mit 50 bezeichnete Bus-LWL eine positive Krümmung mit einem Radius R hat. Der (nicht gezeigte) Punkt, um den sich der Bus-LWL 50 krümmt, liegt auf der gleichen Seite des Bus-LWL 50 wie der Abzweig LWL 20 wodurch die Kernoberfläche am nichtummantelten Bereich 18 mit Druck und die Kern- und Manteloberflächen gegenüber dem nichtummantelten Bereich mit Zug beansprucht werden. Diese positive Krümmung des Bus-LWL 50 beseitigt alle Zugbeanspruchungen am nichtummantelten Bereich 58, der infolge des Fehlens des Mantels 54 an sich bereits ein Schwachpunkt ist. Aufgrund der Krümmung des Bus-LWL 50 ändert sich der Winkel, in dem ein Lichtstrahl auf die LWL-Kernoberfläche auftrifft und intern innerhalb des Bus-LWL 50 reflektiert wird, bei der Ausbreitung des Lichtstrahls innerhalb des Bus-LWL. Für geeignete Krümmungen hat dies nur eine kleine Auswirkung auf den Bereich des Akzeptanzwinkels durch den nichtummantelten Bereich 58 des Bus-LWL. Diese Auswirkung läßt sich leicht durch Berechnen oder einfaches Experimentieren bestimmen.
Während die Erfindung anhand von spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, daß verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verletzen, und daß alle Änderungen und Abwandlungen der hierin zur Veranschaulichung offenbarten Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung erfaßt werden sollen.
Nachdem die Erfindung beschrieben worden ist, werden nun die Ansprüche angegeben:

Claims

1. LWL-Koppler mit:

einer Länge eines Bus-LWL (10), der in einem Zwischenabschnitt einen den LWL-Kern (12) freilegenden nichtummantelten Bereich (18) aufweist;

mindestens einem Abzweig-LWL (20) mit einem freien Ende und einer kernfreilegenden Stirnfläche (22) daran, wobei das freie Ende (22) des Abzweig-LWL (20) zu dem nichtummantelten Bereich (18) des Bus-LWL zeigt und die Achsen (8, 6) des Abzweig-LWL und des Bus-LWL so positioniert sind, daß eine Lichtwellenkommunikation zwischen dem Abzweig-LWL (20) und dem Bus-LWL (10) stattfinden kann; und

einem Übergangsrnedium (24), das den Abzweig-LWL (20) mit dem Bus-LWL (10) verbindet; wobei

das freie Ende (22) des Abzweig-LWL (20) von dem nichtummantelten Bereich (18) des Bus-LWL beabstandet ist, aber daran angrenzt; dadurch gekennzeichnet, daß

das Übergangsmedium (24) die Stirnfläche (22) des freien Endes des Abzweig-LWL und den nichtummantelten Bereich (18) des Bus-LWL umkapselt, wobei der maximale Einschlußwinkel (Θ) zwischen der Achse (8) des freien Endes des Abzweig-LWL und der Achse (6) des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL nicht größer ist als die Summe aus dem maximalen Akzeptanzwinkel des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL und dem maximalen Akzeptanzwinkel des Abzweig-LWL, so daß das Übergangsmedium (24) einen Weg für eine Lichtwellenkommunikation zwischen dem Abzweig-LWL (20) und dem Bus-LWL (10) vorsieht; und sich der Koppler in einer Einkoppelkonfiguration befindet, wobei das Übergangsmedium (24) eine Brechzahl hat, die kleiner als die des Kerns (12) des Bus-LWL ist.

2. LWL-Koppler mit:

einem Übergangsmedium (24), das den Abzweig-LWL (20) mit dem Bus-LWL (10) verbindet; wobei

das Übergangsmedium (24) die Stirnfläche (22) des freien Endes des Abzweig-LWL und den nichtummantelten Bereich (18) des Bus-LWL umkapselt, wobei der maximale Einschlußwinkel (Θ) zwischen der Achse (8) des freien Endes des Abzweig-LWL und der Achse (6) des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL nicht größer ist als die Summe aus dem maximalen Akzeptanzwinkel des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL und dem maximalen Akzeptanzwinkel des Abzweig-LWL, so daß das Übergangsmedium (24) einen Weg für eine Lichtwellenkommunikation zwischen dem Abzweig-LWL (20) und dem Bus-LWL (10) vorsieht; und sich der Koppler in einer Auskoppelkonfiguration befindet, wobei das Übergangsmedium (24) eine Brechzahl hat, die gleich oder größer als die des Kerns (12) des Bus- LWL ist, und der minimale Einschlußwinkel (θ) zwischen den beiden LWL-Achsen (6, 8) nicht kleiner als die Differenz zwischen dem minimalen Akzeptanzwinkel des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL und dem maximalen Akzeptanzwinkel des Abzweig-LWL ist.

3. Koppler nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Übergangsmedium (24) steif ist und wobei das Übergangsmedium (24) ferner den Abzweig-LWL (20) und den Bus-LWL (10) in der Position fixiert.

4. Koppler nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei der maximale Einschlußwinkel zwischen der Achse (8) des freien Endes des Abzweig-LWL und der Achse (6) des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL nicht größer als der maximale Akzeptanzwinkel des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL ist.

5. Koppler nach einem der vorhergegangenen Ansprüche in Abhängigkeit von Anspruch 1, wobei die LWL-Längsachsen (8, 6) an dem freien Ende des Abzweig-LWL und an dem nichtummantelten Bereich des Bus-LWL parallel sind.

6. Koppler nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei die Achse (6) des Bus-LWL (10) an dem nichtummantelten Bereich (18) gerade ist.

7. Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Achse (6) des Bus-LWL (10) eine positive Krümmung an dem nichtummantelten Bereich (18) hat.

8. Koppler nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei die Stirnfläche (22) des freien Endes des Abzweig-LWL im wesentlichen rechtwinklig zu der Achse (8) des freien Endes des Abzweig-LWL ist.

9. Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stirnfläche (22) des freien Endes des Abzweig-LWL im wesentlichen winklig ist, um der Achse (6) des nichtummantelten Bereichs des Bus-LWL zu entsprechen.

10. Koppler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stirnfläche (22) des freien Endes des Abzweig-LWL eine konvexe Krümmung hat.

11. Koppler nach einem der vorhergegangenen Ansprüche in Abhängigkeit von Anspruch 1, wobei die Fläche des nichtummantelten Bereichs (18) des Bus-LWL (10) mit der projizierten Fläche eines von dem freien Ende (22) des Abzweig-LWL emittierten Lichtwellensignals abgestimmt ist.

12. Koppler nach einem der vorhergegangenen Ansprüche in Abhängigkeit von Anspruch 2, wobei der Durchmesser des Kerns (21) des Abzweig-LWL an dem freien Ende (22) mit der projizierten Fläche eines von dem nichtummantelten Bereich (18) des Bus-LWL emittierten Lichtwellensignals abgestimmt ist.

13. Koppler nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei die Brechzahl des Übergangsmediums (24) größer oder gleich der Brechzahl des Mantels (14) des Bus-LWL ist.

14. Koppler nach Anspruch 1, wobei das Übergangsmedium (24) ein gehärtetes Harz aufweist.

15. Koppler nach einem der vorhergegangenen Anspruche mit mindestens zwei Abzweig-LWL (20).