DE4031392A1 - Faseroptischer sternkoppler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sternkoppler der die Lichtleistung eines Eingangslichtwellenleiters auf Z Ausgangslichtwellenleiter bewirkt (1×Z-Koppler), insbe­ sondere für Verteilnetze.

Die Wirkungsweise eines derartigen Kopplers ist in Fig. 1 für Z=5 gezeigt. Der Eingangslichtwellenleiter L1 ist durch eine optische Koppelstelle J mit den Ausgangslichtwellenleitern L2′ bis L6′ verbunden. Die Ein­ gangslichtleistung P₁ wird durch die Koppelstelle auf die Ausgangslichtwellenleiter verteilt, die dann die Ausgangs­ lichtleistungn P_i (i=2 bis 6) weiterführen. Meist wird eine gleichmäßige Verteilung angestrebt werden d. h.

(I=2 bis 6). Es kann jedoch auch eine andere Verteilung sinnvoll sein z. B.: Die meiste Lichtleistung wird in einem weiterführenden Wellenleiter eingekoppelt und die restli­ che Lichtleistung wird auf die verbleibenden Ausgangs­ lichtwellenleiter verteilt.

Mit Multimode-Lichtwellenleiter werden bereits Sternkopp­ ler mit 100 Ausgangslichtwellenleitern durch Verschmelzen und Dünnziehen von 100 Multimode-Lichtwellenleiter reali­ siert. (E.G. Rawson, M.D. Bailey; Eletron. Lett., Vol. 15, Nr. 14 Seite 432-433; Juli 1979).

Für Monomode-Lichtwellenleiter sind nur 3×3 Taperkoppler bekannt (K.O. Hill, D.C. Johnson, R.G.-Lamont, 11. ECOC 1985, Venedig Seite 567-570). Durch regeloses Verschmelzen und Dünnziehen von Monomod-Lichtwellenleitern sind keine Sternkoppler herstellbar. Die Ursachen werden aus der Er­ klärung für den 2×2 Taperkoppler deutlich. (F.P. Payne, C.D. Hussey; MS. Yataki; Electron. Lett. Vol. 21; Seite 461; 1985).

Derartige Sternkoppler für Monomode-Wellenleiter sind z. B. für digitale hochauflösende Fernsehverteilnetze interes­ sant, da Monomode-Lichtwellenleiter gegenüber Multimode- Lichtwellenleiter eine wesentlich größere Übertragungs­ bandbreite besitzen (z. B. G-bit/sec). Ferner sind für die derzeit verstärkt diskutierten kohärenten optischen Über­ tragungssysteme unbedingt Monomode-Lichtwellenleiter not­ wendig.

Sternkoppler für Monomode-Lichtwellenleiter werden derzeit durch faseroptische Verknüpfung von sogenannten 2×2 faser­ optischen Taperkopplern hergestellt (Fig. 2). Mit derarti­ gen Taperkopplern kann die Lichtleistung in einen der Ein­ gangslichtwellenleiter (L1 oder L2) mittels der Koppel­ stelle I nahezu zu gleichen Teilen auf die Ausgangslicht­ wellenleiter L3′ und L4′ verteilt werden. Dabei können für die 2×2 Koppler extrem niedrige Verluste (< 0,1 dB) erreicht werden. Zur Herstellung von 2×2 Taperkopplern werden zwei Monomode-Lichtwellenleiter auf einer Länge von einigen mm verschmolzen und der verschmolzene Bereich wird dünn gezo­ gen (getapert).

Durch Kaskadierung solcher 2×2 Taperkoppler können 1×Z Sternkoppler hergestellt werden. In Fig. 3 ist der Aufbau eines solchen Sternkopplers für acht Ausgangslichtwellen­ leiter gezeigt. Allgemein sind für Ausgangslichtwellen­ leiter Z-1 2×2 Koppler nötig. Bei jeden 2×2 Koppler wird nur eine Eingangslichtwellenleiter aber beide Ausgangs­ lichtwellenleiter genutzt. Die Verbindung der einzelnen 2×2-Koppler geschieht durch in Lichtbogen hergestellte Schmelzspleiße.

Derartige Sternkoppler für Verteilnetze können nur koste­ nungünstig hergestellt werden, da für viele Ausgangslicht­ wellenleiter auch viele einzelne 2×2 Koppler und viele ar­ beitsaufwendigen Verbindungsspleiße benötigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde 1xZ Koppler Ko­ stengünstiger herzustellen.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die verschmolzenen und dünngezogenen Monomode-Wellenleiter stellen einen Multimode-Wellenleiter mit Führung der Licht­ leistung gegen die Luft dar. Bei geeigneter Prozeßführung werden nur die niedrigsten Moden dieses Wellenleiters angeregt. Die Koppeleigenschaften sind durch die Interferenz dieser Moden gegeben. Die Herstellung erfolgt in an sich bekannter Weise durch Verschmelzen von Lichtwellenleitern auf einer Länge von einigen mm und Dünnausziehen des verschmolzenen Bereichs.

Die Anregung von höheren Moden führt zu Verlusten. Beim regelosen Verschmelzen von mehreren Monomode-Lichtwellenleitern werden im verschmolzenen Bereich zwangsläufig höhere Moden angeregt. Die Geometrie der Feldverteilung dieser Moden steht jedoch in keinem Zusammenhang mit der geometrischen Anordnung der verschmolzenen Wellenleiter. Dies führt zu Verlusten und einer nicht kontrol­ lierbaren Leistungsverteilung auf die Ausgangslichtwellenleiter.

Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, den ver­ schmolzenen Bereich als Multimodewellenleiter auszubilden und die Monomode-Lichtwellenleiter im verschmolzenen Bereich entsprechend der Geometrie der Feldverteilung der Moden des durch diesen Bereich gegebenen Multimode-Lichtwellenleiters anzuordnen.

In diesem Fall ist eine vollständige Richtkopplung der Licht­ leistung aus dem verschmolzenen Bereich in die einzelnen Licht­ wellenleiter möglich. Damit sind ähnlich geringe Verluste wie beim 2×2 Koppler zu erwarten (0,1 dB).

Statt der 2×2 Taperkoppler als Einzelkomponenten werden Koppler eingesetzt, bei denen die Aufteilung der Lichtleistung auf mehr als zwei Ausgangslichtwellenleiter in einem Bauteil erfolgt.

Damit kann die Anzahl der Einzelkoppler und der Spleißver­ bindungen drastisch reduziert werden. Die letztlich vorge­ schlagene Lösung ermöglicht auch eine geringe Wellenlängenab­ hängigkeit.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau­ licht.

Das Ausführungsbeispiel mit der höchsten Symmetrie ist durch eine ringförmige Anordnung der Lichtwellenleiter gegen. Es führt auf Z+Z-Koppler mit der Eigenschaft, daß von jedem der Z Eingangs- Lichtwellenleiter eine gleichmäßige Verteilung der Lichtleistung auf die Z Ausgangs-Lichtwellenleiter erfolgt.

Für einfache Verteilsysteme ist ein Koppler ausreichend, bei dem die gewünschte Verteilung der Lichtleistung von nur einem ausge­ zeichneten Eingangs-Lichtwellenleiter aus erfolgt. Ein Aus­ führungsvorschlag mit diesem Ziel ist in Fig. 4 gezeigt. Um einen zentralen Wellenleiter L1, den ausgezeichneten Eingangswellen­ leiter sind vier weitere Eingangs- bzw. Ausgangs-Lichtwellen­ leiter L2 bis L5 bzw. L2′ bis L5′ symmetrisch angeordnet. Prinzipiell ist damit ein 5×5 Sternkoppler gegeben. Er wird aber nur als 1×5 Koppler genutzt. Vorzugsweise sind die um den zentralen Wellenleiter angeordneten weiteren Wellenleiter vonein­ ander getrennt, so daß zwischen diesen weiteren Wellenleitern keine direkte Kopplung besteht, wie aus Fig. 4(b) entnehmbar.

Zur Erklärung der Koppeleigenschaften sind verschmolzene Bereiche durch einen Wellenleiter mit kreuzförmigen Querschnitten ange­ nähert (Fig. 5a). In Fig. 5b ist die Feldverteilung der niedrigsten Moden in x-Richtung entlang der x- Achse E_1i, E_zi und E_3i (i=1, 2, 3,...) skizziert. Sie ent­ spricht der Feldverteilung der Moden in y-Richtung E_i1, E_i2 und E_i3. Bei einer symmetrischen Anregung durch den mittleren Lichtwellenleiter L1 werden die antisymmetri­ schen Moden E_i2 und E_2i nicht angeregt. In Analogie zum 2×2 Koppler werden bei passender Prozeßführung nur die niedrigsten Moden angeregt, in diesem Fall nur die beiden niedrigsten symmetrischen Moden, E₁₁ und E₃₃. Aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten ergibt sich ein variabler Phasenunterschied Δϕ entlang der Ausbreitungsrichtung. Der Phasenunterschied wird über die gezogene Länge des Kopplers, d. h. die Länge der verschmol­ zenen und dünngezogenen Zone, festgelegt. Für einen Pha­ senunterschied Δϕ=(2n+1) π (n=1, 2, 3,...) ist eine vollständige Auskopplung der Lichtleistung aus dem Ein­ gangslichtwellenleiter L1 in die Ausgangslichtwellenleiter L2′, L3′, L4′ und L5′ (Fig. 4) zu erwarten.

Die Entwicklung der Leistungsverteilung während des Zieh­ prozesses, d. h. mit wachsender Phasendifferenz ist in Fig. 7 skizziert. Die zu Beginn vollständig im Lichtwellenlei­ ter L1 (→ L1′) geführte Lichtleistung wird allmählich zu gleichen Teilen in die Lichtwellenleiter L2′ bis L5′ ge­ koppelt.

Für den Abbruch des Ziehprozesses ergeben sich prinzipiell 3 unterschiedliche Möglichkeiten.

Punkt A: Die meiste Leistung bleibt im (weiterführenden) Wellenleiter L1′. Ein geringer Teil wird gleich­ mäßig auf die Lichtwellenleiter L2′ bis L5′ ver­ teilt.

Punkt B: Die Eingangsleistung wird zu je 20% auf alle fünf Ausgangslichtwellenleiter verteilt.

Punkt C: Die Eingangslichtleistung wird zu je 25% auf die Ausgangslichtwellenleiter L2′ bis L5′ ver­ teilt. In diesem Punkt liegt ein relatives Maxi­ mum der Leistung in den Lichtwellenleitern vor. Damit ist wie bei wellenlängenunabhängigen 2×2 Kopplern (Mortimer, D.B. Electron. Lett., Vol. 21, S. 742-743, 1985) eine sehr geringe Wellenlängenabhängigkeit verbunden.

Bei den bisherigen Betrachtungen wurde zugrundegelegt, daß alle verschmolzenen Lichtwellenleiter dieselben Eigen­ schaften besitzen. Bei 2×2 Taperkopplern ist bekannt, daß bei der Verwendung unterschiedlicher Lichtwellenleiter über weite Bereiche nahezu wellenlängenunabhängige Koppler gefertigt werden können. (D.B. Mortimer, Elechon, Lett. Vol. 21, S. 742-743; 1985, R.G. Lamout et. al. OFL Techni­ cal Digest: S. 78-79, 1985;). Diese Methode ist auch für den vorgeschlagenen Sternkoppler anwendbar. Dabei werden für den zentralen Wellenleiter und für die ihn umgebende Wellenleiter L2′ bis L5′ jeweils unterschiedliche Wellen­ leiter benutzt.

Bei geeigneter Wahl der Lichtwellenleiter ergibt sich die in Fig. 7 skizzierte Leistungsverteilung in Abhängigkeit von der gezogenen Länge. Im Punkt A fällt die Gleichver­ teilung der Lichtleistung auf die Ausgangslichtwellenlei­ ter L1′ bis L5′ mit einen relativen Extremum der Lichtlei­ stung in den einzelnen Lichtwellenleitern zusammen. In Analogie zu den 2×2 Kopplern bedeutet dies eine geringe Wellen­ längenabhängigkeit.

Bei der Verwendung von dünneren Lichtwellenleitern für die Licht­ wellenleiter, die den zentralen Lichtwellenleiter umgeben, ist es möglich mehr als 4 Lichtwellenleiter ohne gegenseitige direkte Kopplung zu verwenden. Damit Besteht die Möglichkeit zu 1×Z- Kopplern mit Z 5 herzustellen.

Für Verteilnetze mit einer größeren Anzahl von Teilnehmern können die vorgeschlagenen 1×5-Koppler vorteilhafter kaskadiert werden. Dabei ergeben sich im Prinzip folgende Möglichkeiten. Die erste ist in Fig. 8 für insgesamt neun Ausgangslichtwellenleiter L1′b, L1′c, L1′e, L1′f und L2′b bis L2′f gezeigt. Sie besteht aus zwei 1×5 Kopplern K1 und K2. Koppler K1 verteilt je 1/9 der Lichtleistung aus den Eingangslichtwellenleiter L1′a auf die Lichtwellenleiter L1′b, L1′c, L1′e und L1′f sowie 5/9 auf den Lichtwellenleiter L1′d. Dieser Koppler wird durch Abbruch des Ziehprozesses im Punkt A (siehe Fig. 6) hergestellt. Der zweite Koppler verteilt die durch den Spleiß S in seinen Eingangswellen­ leiter L2a eingekoppelte Lichtleistung zu gleichen Teilen auf die Ausgangslichtwellenleiter L2′b bis L2′f (Abbruch im Punkt B von Fig. 6). Die Gesamtstruktur stellt einen 1×9 Koppler dar. Zu seiner Herstellung werden nur zwei Einzelkoppler und ein Spleiß benötigt. Im Gegensatz dazu werden bei der Kaskadierung von 2×2 Kopplern (Fig. 3) für einen 1×8-Koppler 7 Einzelkoppler und 6 Spleiße benötigt.

Für sehr viele Ausgangslichtwellenleiter ist es sinnvoller an jeden Ausgangslichtwellenleiter des Einzelkopplers einen weiteren Koppler anzuspleißen (siehe Fig. 9). Im allgemeinen werden für Z=5^N Ausgangskanäle Koppler benötigt. Für Z=125=5³ bedeutet dies 31 Einzelkoppler, die durch 30 Spleiße verbunden sind. Im Gegensatz dazu werden bei der Kaskadierung von 2×2-Kopplern für Z=2⁷=128 Aus­ gangslichtwellenleiter 127 Einzelkoppler und 126 Verbin­ dungsspleiße benötigt.

Der Mehraufwand der Herstellung des vorgeschlagenen 1×5 Kopplers gegenüber der des konventionellen 2×2-Taperkopp­ lers besteht im wesentlichen in der Präparation von 5 statt 2 Monomode-Fasern. Da zusätzlich noch Verbindungs­ spleiße eingespart werden ist durch die Erfindung eine kompaktere und kostengünstigere Realisation von Verteil­ netzen möglich.

Claims (5)

1. Faseroptischer Sternkoppler, bestehend aus mindestens einen Eingangslichtwellenleiter, mehreren Ausgangslicht­ wellenleitern sowie eine Koppelstelle in welcher die Ein­ und Ausgangslichtwellenleiter miteinander verschmolzen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Licht­ wellenleiter in der Koppelstelle der Symmetrie der Feld­ verteilung der Moden des durch die Koppelstelle selbst ge­ gebenen Wellenleiters entspricht.

2. Faseroptischer Sternkoppler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in die Ausgangslichtwellenleiter eine vorher bestimmte Lichtleistung eingekoppelt wird.

3. Faseroptischer Sternkoppler nach Anspruch 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter um einen zentralen Wellenleiter angeordnet sind.

4. Faseroptischer Sternkoppler nach Anspruch 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Wellenleiter verwendet werden.

5. Faseroptischer Sternkoppler nach Anspruch 1 bis An­ spruch 4, gekennzeichnet durch die kaskadierte Anordnung mehrerer einzelner Sternkoppler.