DE3806866C2 - Verfahren zum Verbinden von zwei optischen Fasern - Google Patents
Verfahren zum Verbinden von zwei optischen FasernInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (EP-OS 0 235 992).
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
EP-OS 0 235 992 ausgenutzt. Dieses Verfahren ist auch in
der GB-Z "ELECTRONICS LETTERS", 13. März 1986, Vol. 22,
No. 6, auf den Seiten 318 und 319 beschrieben. 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 Kernradius der verjüngten Faser zum Kernradius der
nicht verjüngten Faser ist. Das Taper-Ratio ist bei
diesem bekannten Verfahren wegen des oben geschilderten
Verhaltens des Fleckradius kleiner als 0,6. Es soll
dadurch gezielt erreicht werden, daß der Grundmodus des
zu übertragenden Lichts nicht im Kern der Fasern, sondern
im Fasermantel 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 etwa die Hälfte oder auch wesentlich mehr verringert
werden muß, damit das zu übertragende Licht im Spleiß
über die Fasermäntel geführt wird. Es besteht bei dieser
Art der Lichtführung außerdem die Gefahr, daß neben dem
Grundmodus Obermoden auftreten, die zu Interferenzen und
damit zu Verlusten führen. Es kann auch nicht
ausgeschlossen werden, daß das Licht im Spleiß aus den
Fasermänteln austritt und dadurch zumindest teilweise
durch den Übergang von den Fasermänteln zu der den Spleiß
umgebenden Luft geführt wird, so wie es aus der GB-Z
"ELECTRONICS LETTERS" hervorgeht. Das den Spleiß
umgebende Medium muß daher 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, das eingangs
geschilderte Verfahren so weiterzubilden, daß es einfach
durchführbar ist, nicht zu Interferenzen führt und einen
wirksamen mechanischen Schutz des Spleißes zuläßt.
Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Merkmal des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Mit diesem Verfahren werden die Enden der zu verbindenden
Fasern nur bis maximal 60% ihres ursprünglichen
Durchmessers 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 mit einer
dispersionskompensierten Faser. Aufgrund der relativ
geringen Verjüngung beider Fasern und durch die
ausschließliche Führung des Lichts in den Kernen ergeben
sich eine Verkleinerung des zunächst größeren Feldes der
Standardfaser und gleichzeitig eine Vergrößerung des
zunächst kleineren Feldes der dispersionskompensierten
Faser. Das führt zu einer deutlich verringerten
Spleißdämpfung. Die beiden sonst sehr unterschiedlichen
Felder der 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 die Fasermäntel, welche auch die
Ausbreitung von Obermoden ermöglichen würde. Folglich
besteht keine Gefahr von Interferenzen zwischen dem
Grundmodus und etwaigen Obermoden. Das Feld wird vielmehr
vollständig und ausschließlich von den Kernen der Fasern
geführt und es ist nur der Grundmodus ausbreitungsfähig.
Dadurch ist auch ein Übersprechen zwischen zwei sich
berührenden Spleißen vermieden. Es besteht weiterhin
keine Abhängigkeit der Übertragungsfunktion des Spleißes
von der Brechzahl und der Beschaffenheit des
Umgebungsmediums. Der Spleiß kann daher 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
Spleiß hergestellt werden.
In bevorzugter Ausführungsform wird das Verfahren für ein
Taper-Ratio größer 0,74 eingesetzt, bei dem die
Querschnitte der verjüngten Fasern nahezu in der
Größenordnung der unverjüngten Fasern liegen.
Weitere 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 (DF) 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 (SF) 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 bei dem 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
0,6.
Im folgenden werden drei Beispiele angegeben, aus denen
der Einfluß des Taper-Ratio auf die theoretische
Spleißdämpfung hervorgeht. Es sollen jeweils eine DF und
eine 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.
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.
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.
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 gegenüberliegenden 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
bei der Verjüngung des Querschnitts der beiden
Fasern (1, 2) deren Kerne im Durchmesser nur so weit
vermindert werden, daß für beide Fasern (1, 2) das
Verhältnis vom Kernradius der verjüngten Faser zum
Kernradius der unverjüngten Faser größer als 0,6
ist, so daß das über die Fasern (1, 2) übertragene
Licht in der Verbindungsstelle nur von den Kernen
beider Fasern (1, 2) geführt wird.
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 erst miteinander verschweißt und dann
gemeinsam 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.
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