DE3806866A1 - Verfahren zum verbinden von zwei optischen fasern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von zwei aus Glas bestehenden optischen Fasern mit unterschiedlichem Brechzahlprofil, mit welchem die Fasern unter Wärmezufuhr an ihren Enden im Querschnitt verjüngt und mit einander gegenüber liegenden Stirnflächen positioniert werden.

Ein solches Verfahren geht aus der GB-Z "ELECTRONICS LETTERS", 13. März 1986, Vol. 22, No. 6, Seiten 318 und 319 hervor.

Aus Glas bestehende optische Fasern werden in Form von Lichtwellenleitern zur Übertragung von Signalen im fernmeldetechnischen Bereich eingesetzt. Über Lichtwellenleiter können optische Signale dämpfungs- und reflexionsarm übertragen werden, und zwar ohne Verstärker über relativ lange Strecken. Der Verbindungstechnik für die Lichtwellenleiter bzw. Fasern kommt daher eine große Bedeutung zu. An Verbindungsstellen sollen nach Möglichkeit keine so großen Verluste erzeugt werden, daß die Vorteile der verlustarmen Übertragung über die Lichtwellenleiter wieder aufgehoben werden.

Zum Durchverbinden einer optischen Übertragungsstrecke werden in bekannter Technik zwei optische Fasern stirnseitig beispielsweise miteinander verschweißt oder mit entsprechenden Halterungen so positioniert, daß sie sich mit ihren Stirnflächen gegenüber liegen. Eine solche Verbindungsstelle wird als "Spleiß" bezeichnet. Um eine möglichst geringe Dämpfung der ganzen Übertragungsstrecke zu erhalten, soll die Spleißdämpfung minimal sein. Die theoretische Spleißdämpfung zweier reflexionsfrei verbundener Fasern desselben Brechzahlprofils beträgt 0. Realisiert werden für solche Fasern Spleißdämpfungen 0,1 dB.

Die Spleißdämpfung erhöht sich bei der Verbindung von zwei Fasern mit unterschiedlichem Brechzahlprofil. Es kann sich dabei beispielsweise um dispersionskompensierte Mehrmantelfasern einerseits und konventionelle Fasern (Standardfasern) andererseits handeln. Das Wort "dispersionskompensiert" kann dabei dispersionsverschoben oder dispersionsflach bedeuten. Entsprechende Fasern haben ein bekanntes Verhalten bezüglich der Ableitung der Gruppenlaufzeit in Abhängigkeit von der Betriebswellenlänge. "Standardfasern" sind übliche Monomode-Fasern mit einem Einstufenprofil der Brechzahl. Fasern mit unterschiedlichen Brechzahlprofilen weisen unterschiedliche Intensitätsverteilungen auf ihren Stirnflächen auf. Ein charakteristisches Maß hierfür ist der Petermannsche Fleckradius. Er kann durch ein Verjüngen des Faserquerschnitts beeinflußt werden. Der Fleckradius wird mit abnehmendem Faserquerschnitt bei hinreichend starker Führung der Faser zunächst kleiner. Nach Erreichen eines Minimums nimmt der Fleckradius mit abnehmendem Faserquerschnitt wieder zu.

Die Tatsache, daß bei hinreichend kleinem Faserquerschnitt der Fleckradius zunimmt, wird bei dem bekannten Verfahren nach der eingangs erwähnten GB-Z "ELECTRONICS LETTERS" ausgenutzt. Die beiden Fasern werden unter Bildung von sogenannten "Tapern" an ihren Enden verjüngt. Für den Grad der Verjüngung wird ein "Taper-Ratio" definiert, das gleich dem Verhältnis des Kornradius R der verjüngten Faser zum Kernradius RO der nicht verjüngten Faser ist. Das Taper-Ratio ist bei diesem bekannten Verfahren wegen des oben geschilderten Verhaltens des Flechradius kleiner als 0,4. Es soll dadurch gezielt erreicht werden, daß der Grundmodus des zu übertragenden Lichts nicht im Kern der Fasern, sondern durch den Übergang vom Fasermantel zu der den Spleiß umgebenden Luft geführt wird. Die Felder der beiden getaperten Fasern sind dadurch annähernd gleich. Ihre Kernstruktur spielt im Spleiß keine Rolle. Dieses bekannte Verfahren ist nur mit großem Aufwand zu realisieren, da der Querschnitt der Fasern in den Tapern um mehr als die Hälfte verringert werden muß. Zur einwandfreien Führung des Lichtes muß das den Spleiß umgebende Medium außerdem Luft mit der Brechzahl "1" sein, um die gewünschte Anpassung der Fleckradien beider Fasern zu erreichen. Aus diesem Grunde ist eine Einbettung des Spleißes in einen Schutzkörper, beispielsweise in ein Kunststoffmedium, ohne zusätzliche Dämpfung nicht möglich, obwohl das wegen des geringen Durchmessers der getaperten Fasern aus mechanischen Gründen wünschenswert wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden von zwei optischen Fasern unterschiedlichen Brechzahlprofils anzugeben, das einfach durchführbar ist und einen wirksamen mechanischen Schutz des Spleißes zuläßt.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs geschilderten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Verjüngung des Querschnitts der Fasern nur so weit durchgeführt wird, daß für beide Fasern das Verhältnis vom Kernradius der verjüngten Faser zum Kernradius der unverjüngten Faser größer als 0,5 ist.

Mit diesem Verfahren werden die Enden der zu verbindenden Fasern nur bis maximal 50% verjüngt. Der Fertigungsaufwand kann dadurch gegenüber dem bekannten Verfahren kleiner gehalten werden. Wegen der geringeren Verjüngung bzw. des größeren Taper-Ratio bleibt die Führung des Grundmodus des zu übertragenden Lichts durch die Faserkerne erhalten. Bei einem so hergestellten Spleiß wird das unterschiedliche Verhalten von Fasern mit unterschiedlichen Brechzahlprofilen ausgenutzt, bei denen sich das Feld des Grundmodus bei einer relativ geringen Faserverjüngung entweder verengt oder aufweitet. Das gilt beispielsweise für die Verbindung einer Standardfaser (Verengung des Feldes) mit einer dispersionskompensierten Faser (Aufweitung des Feldes). Die beiden sonst sehr unterschiedlichen Felder von zwei Fasern mit unterschiedlichem Brechzahlprofil und insbesondere die Fleckradien an deren Stirnflächen lassen sich also auf einfache Weise einander anpassen. Es gibt bei einem so hergestellten Spleiß keine Führung des Lichts durch den Übergang vom Fasermantel zur Luft, in welchem auch Obermoden ausbreitungsfähig wären. Das Feld wird vielmehr vollständig in Kern und Mantel der Fasern geführt, so daß kein Übersprechen zwischen zwei sich berührenden Spleißen möglich ist. Der Spleiß kann außerdem in einen dem mechanischen Schutz dienenden Schutzkörper eingebettet werden, ohne daß eine Dämpfungserhöhung eintritt. Ein solcher Schutzkörper kann beispielsweise durch Aufbringung einer Kunststoffschicht auf den fertigen Taper hergestellt werden.

In bevorzugter Ausführungsform wird das Verfahren für ein Taper-Ratio größer 0,74 eingesetzt, bei dem die Querschnitte der Taper nahezu in der Größenordnung der unverjüngten Fasern liegen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Das Verfahren nach der Erfindung wird an Hand der Zeichnungen in Ausführungsbeispielen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Spleiß zwischen zwei Fasern.

Fig. 2 den Fleckradius einer Standardfaser in Abhängigkeit vom Taper-Ratio.

Fig. 3 die Fleckradien einer Standardfaser und einer dispersionskompensierten Faser in Abhängigkeit vom Taper- Ratio in einem von Fig. 2 abweichenden Maßstab. Fig. 4 den Feldstärkeverlauf über dem Radius einer Standardfaser und einer dispersionskompensierten Faser im ungetaperten Zustand.

Fig. 5 den Feldstärkeverlauf über dem Radius einer Standardfaser und einer dispersionskompensierten Faser im getaperten Zustand.

Fig. 6 die Dämpfung der Fasern in Abhängigkeit vom Taper- Ratio.

Die beiden in Fig. 1 dargestellten Fasern 1 und 2 sind an ihren Enden getapert und stirnseitig miteinander verschweißt. Faser 1 soll eine dispersionskompensierte Faser sein, deren Feldverteilung an den Stellen I und II eingezeichnet ist. Das Feld der unverjüngten Faser bei I ist kleiner als das im Taper bei II. Die Faser 2 soll eine Standardfaser sein, deren Feld in der unverjüngten Faser bei III größer als im Taper bei IV ist. Die Felder der beiden Fasern 1 und 2 sind im in der Zeichnung dargestellten Spleiß etwa gleich. Das bedeutet, daß auch ihre Fleckradien etwa gleich groß sind. Das Taper-Ratio ist bei beiden Fasern größer als 0,5.

Im folgenden werden vier Beispiele angegeben, aus denen der Einfluß des Taper-Ratio auf die theoretische Spleißdämpfung hervorgeht. In beiden Beispielen sollen eine dispersionsflache Faser (DF) und eine Standardfaser (SF) miteinander gespleißt sein. Die DF soll außerdem ein Fünfstufenprofil der Brechzahl und die SF ein Einstufenprofil der Brechzahl mit der relativen Brechzahldifferenz Δn = 0,38% und dem Kernradius a = 4,55 µm haben. Bei einer Verbindung ohne Anpassung beträgt die theoretische Spleißdämpfung bei einer Wellenlänge von λ = 1,30 µm 0,60 dB und bei einer Wellenlänge von λ = 1,55 µm 0,42 dB. Die theoretische Spleißdämpfung wird exakt, d.h. ohne angenäherte Beschreibung des Feldverlaufes, unter Berücksichtigung des Petermannschen Fleckradius numerisch ermittelt. Die Feldverläufe beider Fasern DF und SF im ungetaperten Zustand sind in Fig. 4 dargestellt.

Beispiel 1

Verbindung mit breitbandiger Anpassung und unterschiedlichem Taper-Ratio bei beiden Fasern. Bei einem Taper-Ratio von 0,80 für die DF und von 0,60 für die SF verringert sich die Spleißdämpfung bei λ = 1,30 µm und λ = 1,55 µm jeweils auf 0,23 dB.

Beispiel 2

Verbindung mit Anpassung für eine Betriebswellenlänge und unterschiedlichem Taper-Ratio bei beiden Fasern. Bei einem Taper Ratio von 0,74 für die DF und von 0,59 für die SF verringert sich die Spleißdämpfung für λ = 1,30 µm auf 0,18 dB. Bei einem Taper-Ratio von 0,84 für die DF und von 0,59 für die SF verringert sich die Spleißdämpfung für λ = 1,55 µm auf 0,13 dB.

Beispiel 3

Verbindung mit breitbandiger Anpassung und symmetrischen Tapern bei beiden Fasern. Bei einem Taper-Ratio von 0,82 für beide Fasern verringert sich bei λ = 1,30 µm die Spleißdämpfung auf 0,40 dB, bei einer Wellenlänge von λ = 1,55 µm beträgt die Spleißdämpfung 0,41 dB.

Beispiel 4

Verbindung mit Anpassung für eine Betriebswellenlänge und symmetrischen Tapern bei beiden Fasern. Bei einem Taper- Ratio von 0,74 für beide Fasern verringert sich die Spleißdämpfung für λ = 1,30 µm auf 0,31 dB. Bei einem Taper-Ratio von 0,88 für beide Fasern verringert sich die Spleißdämpfung für λ = 1,55 µm auf 0,30 dB.

Die Feldverläufe der beiden getaperten Fasern DF und SF gehen aus Fig. 5 hervor. Es zeigen sich deutliche Abweichungen gegenüber den in Fig. 4 dargestellten Feldverläufen der ungetaperten Fasern. Die in den Beispielen angegebenen Dämpfungswerte entsprechen dem in Fig. 6 dargestellten prinzipiellen Dämpfungsverlauf beider Fasern DF und SF in Abhängigkeit vom Taper-Ratio. Es ist daraus zu ersehen, daß die Dämpfung bei einem Taper-Ratio von etwa 0,74 ein Minimum hat.

Zur Herstellung eines Spleißes mit verschweißten Fasern 1 und 2 gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So können die Fasern 1 und 2 zuerst getapert und erst anschließend miteinander verschweißt werden. Die beiden Fasern 1 und 2 können aber auch erst miteinander verschweißt und danach getapert werden. Für beide Vorgänge kann die gleiche Wärmequelle verwendet werden. Dabei ist es möglich, den Tapervorgang sofort an den Schweißvorgang bei noch warmem Spleiß anzuschließen. Es ist jedoch auch möglich, die Fasern für den Tapervorgang neu zu erwärmen. Das gilt sowohl für die Herstellung symmetrischer Spleiße, in denen beide Fasern 1 und 2 mit demselben Taper-Ratio getapert sind, als auch für unsymmetrische Spleiße mit unterschiedlichem Taper-Ratio beider Fasern 1 und 2.

Die Fasern 1 und 2 können dabei symmetrisch am Spleiß oder auch unsymmetrisch neben dem Spleiß erhitzt und gezogen werden. Hierfür können die Faserhalterungen des Spleißplatzes symmetrisch oder unsymmetrisch auseinandergefahren werden. Bei der optimalen Taperlänge ist die Spleißdämpfung minimal. Die minimale Spleißdämpfung kann während des Ziehvorganges z. B. mittels eines Biegekopplers beobachtet werden. Die optimale Taperlänge kann in Abhängigkeit von den bekannten Brechzahlprofilen der zu verbindenden Fasern 1 und 2 beispielsweise mittels eines bekannten Überlappungsintegrals vorher exakt numerisch ermittelt werden.

Der Spleiß kann zum Schutz der Fasern 1 und 2 nach seiner Fertigstellung in ein Schutzmedium, beispielsweise in eine Kunststoffumhüllung eingebettet werden. Wenn die Fasern 1 und 2 nicht miteinander verschweißt werden, dann können sie nach dem Tapern in entsprechenden Halterungen aufgenommen werden, beispielsweise in Steckhülsen, und mit einander gegenüber liegenden Stirnflächen positioniert werden. Die planen Stirnflächen der beiden Fasern 1 und 2 können einander dabei berühren. Es ist aber auch möglich, zwischen denselben ein Medium anzubringen, wie beispielsweise ein "Index matching" oder einen Klebstoff.

Claims (13)

1. Verfahren zum Verbinden von zwei aus Glas bestehenden optischen Fasern mit unterschiedlichem Brechzahlprofil, mit welchem die Fasern unter Wärmezufuhr an ihren Enden im Querschnitt verjüngt und mit einander gegenüber liegenden Stirnflächen positioniert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung des Querschnitts der Fasern (1, 2) nur so weit durchgeführt wird, daß für beide Fasern (1, 2) das Verhältnis vom Kernradius der verjüngten Faser zum Kernradius der unverjüngten Faser größer als 0,5 ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis vom Kernradius der verjüngten Faser zum Kernradius der unverjüngten Faser für beide Fasern (1, 2) größer als 0,74 gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fasern (1, 2) miteinander verschweißt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (1, 2) erst miteinander verschweißt und danach an ihren miteinander verbundenen Enden verjüngt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (1, 2) in einem Arbeitsgang miteinander verschweißt und verjüngt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (1, 2) in zwei Arbeitsgängen zunächst miteinander verschweißt und danach bei erneuter Erwärmung verjüngt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (1, 2) erst verjüngt und dann miteinander verschweißt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (1, 2) so verjüngt werden, daß beide den gleichen Fleckradius haben.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Fasern (1, 2) symmetrisch verjüngt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Fasern (1, 2) unsymmetrisch verjüngt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fasern (1, 2) nach dem Verjüngen in geeigneten Halterungen mit einander gegenüber liegenden Stirnflächen positioniert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fasern (1, 2) mit einander berührenden Stirnflächen positioniert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stirnflächen der beiden positionierten Fasern (1, 2) ein Medium eingebracht wird.