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Die Erfindung betrifft einen optischen
Koppler entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Optische Technik findet breite Anwendung
in Digital- und Hochfrequenz-Nachrichtensystemen. Ein faseroptisches
Verteilungsnetz kann die Kanalkapazität wesentlich erhöhen und
seinen Gewichts- und Größenbedarf
vermindern. Faseroptische Verteilungsnetze umfassen typisch einen
optischen Leistungsteiler oder -vereiniger als Schlüsselkomponente.
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Optische Leistungsteiler und -vereiniger
koppeln Lichtwellen zwischen Verteilungsfasern und Bündeln von
Fasern. In der Vergangenheit gewöhnlich
verwendete Lichtwellenkopplungssysteme umfassen Serien- und Parallelkonstruktionen
zum Übertragen
optischer Information auf einem optischen Träger. Ein Beispiel eines Serien-Lichtwellenkopplers ist
die seriengespeiste Seitenwandkopplungsvorrichtung. Diese Lichtwellen-Leistungsverteilungsvorrichtung
umfaßt
einen Lichtleiter mit einer Reihe von über die Länge des Lichtleiters verteilten
Lichtabgriffspunkten. In der Praxis wird die optische Energie entlang
dem Lichtleiter oder optischen Wellenleiter sequentiell abgegriffen.
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Wegen der Serienkonstruktion hängt die
optische Energie am Ausgangsende des Lichtleiters ab von der optischen
Energie am Eingang des Lichtleiters und der Anzahl von dazwischengelegenen
Abgriffspunkten. Ferner ist das von einem bestimmten Abgriffspunkt
abgezogene optische Signal phasenverschoben gegen das von jedem
anderem Abgriffspunkt abgezogene Signal. Eine Phasenverzögerung zwischen
den Abgriffspunkten ist vorhanden, da es typisch eine diskrete Zeitverzögerung gibt,
die mit dem Abgreifen optische Energie an jeden individuellen Abgriffspunkt
aufgrund der Serienkonstruktion verknüpft ist. Infolgedessen erzeugt
die seriengespeiste Seitenwandkopplungsvorrichtung optische Ausgangssignale
mit ungleicher Amplitude und Phase aufgrund von Dämpfung und
Wechselwirkung entlang der Abgriffspunkte des Lichtleiters.
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Ein Beispiel für einen parallelen Lichtwellenkoppler
umfaßt
ein Doppelphasengitter für
Sternkoppler. Das Gitter kann gebildet sein aus einem geordnetem
periodischen Muster von Strichen auf einer oder beiden Seiten eines
planaren optischen Transmissionsmediums. In jedem Fall erzeugen
die Gitter ein Streuen des durch das Transmissionsmedium durchgelassenen
Lichtes oder von ihm reflektierten Licht an periodischen Punkten.
Die Lichtstreuung bildet Streumuster, welche abwechselnde helle
und dunkle Flecken erzeugen. Ein optischer Empfänger wie zum Beispiel ein Faserbündel ist
typisch so positioniert, daß er
die hellen Flecken auffängt.
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Zwei Doppelphasengitter können unter
rechtem Winkel gekreuzt sein, um einen Lichtstrahl in ein zweidimensionales
Beugungsmuster von Gitterstrahlungszipfeln zu streuen. Die Beugungsmuster
von Gitterstrahlungszipfeln werden durch eine Linse fokussiert,
um ein Punktmuster zu bilden. Das Punktmuster wird kollektiv bestimmt
durch die periodische Struktur des Phasengitters, dessen Geometrie
sorgfältig
konstruiert werden muß,
um das gewünschte Gittermuster
zu erhalten. Leider beschränkt
die starre und komplexe Konstruktion den Abstand und den Gitteraufbau
der Faseranordnung. Ferner kann die Phasengittermethode nicht die
Leistungsverteilung über
die Faseranordnung unabhängig
steuern. Obwohl diese Methode eine gemeinsame Parallelstruktur zeigt,
verläßt sich
die Phasengittermethode auf das Streuen und Wiedersammeln von Licht.
Wegen der kollektiven Wirkung der Gitter gibt es keine Kontrolle über das
resultierende optische Punktmuster. Also ist für jede spezielle Gitterkonstruktion
die resultierende Punktkonfiguration beschränkt, zum Beispiel auf ein Rechteckmuster.
Die resultierende Punktkonfiguration kann modifiziert werden durch Verändern des
geordneten periodischen Musters von Kerben und Ritzen auf dem Gitter.
Leider ist die resultierende Punktkonfiguration wiederum beschränkt durch
das modifizierte periodische Muster auf dem Gitter.
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Ein optischer Koppler mit den im
Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen ist aus Applied
Optics (Vol. 29, No. 34, 1. Dezember 1990, S. 5106–5110) bekannt.
Dort wird ein 1xN-Faser-zu-Faser-Koppler beschrieben, bei dem das
Licht aus einer Faser auf eine flache Fresnel-Linse gekoppelt wird und
von dieser auf ein Fresnel-Linsensystem
(bestehend aus einer Vielzahl von flachen Fresnel-Linsen), an das
N-Fasern angekoppelt
sind. Durch die planare Struktur des Kopplers ergeben sich Nachteile
in der Qualität
der optischen Signalübertragung.
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Ein weiterer optischer Teiler ist
aus der
DE 41 05 989
A1 bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung dient zum
Einkoppeln von Licht, insbesondere eines von einer Laserquelle ausgehenden
Lichtstrahls in ein Bündel
von optischen Wellenleitern, insbesondere Lichtleiterfasern. Die
Vorrichtung umfaßt eine
zwei Linsen aufweisende Aufweitungseinrichtung zur Aufweitung des
Lichtstrahls entsprechend der mit Licht zu versorgenden Stirnfläche des
Lichtleiterbündels. Über eine
Linsenrasteranordnung, die vorzugsweise aus zwei hintereinander
angeordneten Gruppen von gleichartigen Zylinderlinsen gebildet ist, wird
der aufgeweitete Lichtstrahl in Teilstrahlen entsprechend der Anzahl
der Lichtleiter des Bündels zerlegt
und in voneinander beabstandete Brennpunkte fokussiert. Bei Verwendung
von zwei Gruppen von Linsen fallen deren Brennpunkte in einer Ebene
zusammen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen verbesserten optischen Faser-zu-Faser-Koppler zu schaffen, insbesondere
im Hinblick auf die Qualität
der optischen Übertragung.
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Diese Aufgabe wird durch den optischen
Faser-zu-Faser-Koppler mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen
gelöst.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung
bestehen darin, daß die
durch die Aufweitungseinrichtung erzeugte divergente Welle eine
sphärische
Welle ist, daß die
Linse eine hyperbolische Linse ist, die einander gegenüberliegenden
Seiten der hyperbolischen Linse und der Linsen der Linsenanordnung
eben sind, und die Linsenanordnung als Mikrolinsenanordnung derart
ausgebildet ist, daß ein
phasenkohärentes
optisches Punktmuster an das Faserbündel geliefert wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der
Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
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1a eine
Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels
für den
faseroptischen Leistungsteiler und -vereiniger der Erfindung, welche
die hyperbolische Hauptlinse und eine Mikrolinsenanordnung zeigt;
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1b eine
Stirnansicht des faseroptischen gemeinsamen Leistungsteilers und
-vereinigers von 1a,
welche eine beispielhafte Konfiguration der Mikrolinsenanordnung
und des Faserbündels
erläutert,
die eine gleichförmige
konzentrische Anordnung zeigen;
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1c eine
Vorderansicht der in 1a dargestellten
Mikrolinsenanordnung, welche neunzehn in einer Dreieckgitterkonfiguration
angeordnete Mikrolinsen zeigt;
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1d eine
Vorderansicht der in 1a dargestellten
hyperbolischen Hauptlinse;
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2 eine
Stirnansicht des faseroptischen gemeinsamen Leistungsteilers und
-verbinders von 1a,
die eine andere beispielhafte Konfiguration der Mikrolinsenanordnung
und dem darauf teilweise überlagerten
Faserbündel
darstellt und eine konzentrische Anordnung von Mikrolinsen unterschiedlicher Größe zeigt
zum Ausgleichen radialer Leistungsverringerung, die durch ungleichförmige Leistungsdichte verursacht
wird;
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3 eine
grafische Wiedergabe der Koordinaten einer exemplarischen hyperbolischen
Linse, die zur Verwendung in dem faseroptischen gemeinsamen Leistungsteiler
und -vereiniger von 1a geeignet
ist; und
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4 eine
Draufsicht auf eine Fresnelzonenplatte zur Erläuterung ihres konzentrischen
Aufbaus und ihrer Radien
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Wie in 1a zum
Zweck der Erläuterung gezeigt,
ist die Erfindung verkörpert
in einem faseroptischen gemeinsamen Leistungsteiler und -vereiniger 100 des
Typs, welcher eine hyperbolische Linse 102 aufweist, die
neben einer Mikrolinsenanordnung 104 angebracht ist, von
denen jede die Funktion hat, optische Lichtstrahlen zum Teilen oder
Kombinieren der Lichtstrahlen in faseroptischen Systemen zu handhaben.
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Gemäß 1a der Erfindung arbeiten die hyperbolische
Linse 102 und die Mikrolinsenanordnung 104 des
optischen Verteilers und -vereinigers 100 zusammen, um
die Apertur 106 zu unterteilen und damit ein erwünschtes
Gittermuster zu erzeugen, wobei jeder Gitterpunkt unabhängig gebildet wird,
und gleiche Amplituden und Weglängen
und somit eine kohärente
Phase des modulierenden Signals an allen optischen Ausgängen zu
bilden. Außerdem
sorgt der Verteiler und Vereiniger 100 für einen flexiblen
Gitteraufbau und eine einfache klare Linsenkonstruktion und steuert
die Leistungsverteilung unabhängig
durch Variieren des Einfangbereichs jeder Mikrolinse 107 in
der Anordnung 104.
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Der gemeinsame (baumartige) optische Leistungsteiler
und – vereiniger 100 der
Erfindung ist im wesentlichen ein paralleler Aufbau von Fasern,
die dazu verwendet werden, Lichtwellen zwischen einer Faser und
N Fasern in einem Bündel
zu koppeln. Eine einzelne optische Faser 108 ist in optischer
Verbindung mit der hyperbolischen Linse 102 in 1a gezeigt. Die optische
Faser 108 umfaßt
einen Kern 110, welcher als ein Lichtleiter für das optische
Signal arbeitet. Der Kern 110 weist vorzugsweise einen
hohen Brechungsindex n auf, welcher definiert ist als die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit
(C0), geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit
in einem dielektrischen Material (Cin) wie
folgt: n = C0/Cin
[1]
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Der Kern 110 ist umgeben
von einer Ummantelung 112, welche dazu verwendet wird,
die optische Energie gegen Austreten zu halten, und kann eine weitere
Glasschicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante sein. Es ist die
große
Veränderung
der Dielektrizitätskonstante
zwischen dem Kern 110 und der Ummantelung 112,
welche verhindert, daß die
optische Energie die Grenzfläche
zwischen dem Kern und der Ummantelung durchquert.
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Die in 1a offenbarte
einzelne optische Faser 108 umfaßt, wie jede der nachfolgend
beschriebenen anderen optischen Fasern, ein konkaves sphärisches
Ende 114, das an dem Kern 110 ausgebildet ist.
Im allgemeinen veranlaßt
das konkave sphärische
Ende 114 ein Divergieren des übertragenen Lichtstrahls. Wenn
der Teiler und Vereiniger 100 als Teiler arbeitet, dient
die einzelne optische Faser 108 als Eingabeende für die optische
Energie. Wenn die einzelne optische Faser 108 als Eingabeende
arbeitet, breiten sich die Lichtstrahlen zu einer divergenten sphärischen
Welle 116 auf die hyperbolische Linse 102 aus.
Wenn jedoch der Verteiler und Vereiniger 100 als Vereiniger
arbeitet, dient die einzelne optische Faser 108 als Ausgabeende,
und das konkave sphärische
Ende 114 dient zum Empfangen und Transformieren einer konvergenten
sphärischen Welle
von der hyperbolischen Linse 102 in Parallelstrahlen.
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Die hyperbolische Linse 102 ist
eine dielektrische Linse mit einer gekrümmten Seite 118 und
einer flachen Seite 120, wie in den 1a und 1d gezeigt.
Die gekrümmte
Seite 118 weist eine Kontur auf, und die flache Seite 120 wirkt
als die Apertur 106 der hyperbolischen Linse 102.
Wenn sie als Teiler arbeitet, wandelt die gekrümmte Seite 118 der
hyperbolischen Linse 102 die divergente sphärische Welle 116 in
eine ebene Welle 122 um. Nach der Korrektur umfaßt die ebene
Welle 122 eine Mehrzahl paralleler Lichtstrahlen, von denen
jeder in der Zeit gleich verzögert
ist. Wenn die Linse 102 jedoch in dem Vereinigermodus arbeitet,
dient sie dazu, die parallelen Strahlen der ebenen Welle 122 umzuwandeln
in eine konvergente sphärische
Welle 124 zum Empfang durch die einzelne optische Faser 108,
wie in 1a gezeigt.
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Eine grafische Beschreibung der hyperbolischen
Linse 102 erscheint in 3.
Die Linse 102 ist so gezeichnet, daß sie die gekrümmte Seite 118 und die
flache Seite 120 aufweist. Durch das Zentrum der gekrümmten und
der flachen Seite geht ein zentraler Strahl x hindurch, der als
die zentrale Achse 126 bezeichnet ist. Ferner ist eine
Gerade y die mit 128 bezeichnet ist, die Tangente an die
gekrümmte
Fläche 118 und
schneidet die Mittelachse 126 an dem Punkt o. Der Punkt
o definiert den Scheitelpunkt der hyperbolischen Linse 102.
Die zentrale Dicke der Linse 102 ist definiert durch den
in 3 gezeigten Abstand
oT, während
der Durchmesser der Linse 102 zu der Länge der flachen Seite 120 äquivalent
ist und durch den Buchstaben D bezeichnet ist. Die Strecke F ist
die Brennweite der hyperbolischen Linse 102 zu der einzelnen
optischen Faser 108. Mit der Definition von n als Brechungsindex
in Gleichung [1] ist die Dielektrizitätskonstante ∊ gleich:
∊ = n2
[2]so daß der Brechungsindex
n auch als ∊½ definiert werden kann.
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Die hyperbolische Linse 102 ist
eine der einfachsten dielektrischen Linsen, die dazu verwendet werden
kann, die divergente sphärische
Welle 116 in die ebene Welle 122 umzuwandeln und
umgekehrt die ebene Welle 122 auf einen Punkt oder Fleck
zu fokussieren. Die Oberflächenkontur
der in 3 gezeigten hyperbolischen
Linse 102 ist durch die folgende Gleichung gegeben: y = [(n2 – 1)(x – F)2 + 2(n – 1)F(x – F)]½
[3]worin die
Parameter y, n, x und F die oben definierten sind. Für einen
gegebenen Durchmesser D, Dielektrizitätskonstante n und Brennweite
F wird die zentrale Dicke oT der hyperbolischen Linse 102 bestimmt durch oT = [{F2 +
(n + 1)D2/4(n – 1)}½ – F]/(n
+ 1) [4]
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Dieser Ausdruck kann für jeden
der Parameter durch die anderen Parameter gelöst werden.
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Jede Mikrolinse 107 der
Mikrolinsenanordnung 104 ist ebenfalls eine hyperbolische
Linse mit einer gekrümmten
Fläche 130 und
einer flachen Fläche 132,
identisch zu der hyperbolischen Hauptlinse 102. Die flache
Fläche 132 jeder
der Mikrolinsen 107 der Mikrolinsenanordnung 104 weist
zu der flachen Fläche 120 der
hyperbolischen Linse 102 in einer Rücken-an-Rücken-Anordnung
hin. Der Abstand zwischen der hyperbolischen Linse 102 und
der Mikrolinsenanordnung 104 in 1a ist übertrieben, um die parallelen
Strahlen der ebenen Welle 122 zu zeigen. In der Praxis
sind die beiden Elemente miteinander vereinigt, können aber
auch einen finiten Abstand voneinander aufweisen. Ob die Linse 102 und
die Linsen 107 der Anordnung 104 verschmolzen
oder getrennt sind, ist nicht kritisch.
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Diese Stellung ist praktisch zum
Einführen eines
konstanten Weglängenausgleichs
wie beispielsweise einer Verzögerung,
welche jedem Parallelstrahl gemeinsam ist. Die Anzahl von Mikrolinsen 107 in
der Anordnung 104, wie in 1a gezeigt, muß die gleiche
sein wie die Anzahl optischer Fasern 134 in einem in den 1a und 1b gezeigten Faserbündel 136. Die Äquivalenz
in der Anzahl von Mikrolinsen 107 zu der Anzahl von Fasern 134 stellt
einen hohen optischen Kopplungswirkungsgrad sicher. Daher wird die
Konfiguration der Mikrolinsen 107 in der Anordnung 104 durch
die Konfiguration optischer Fasern 134 in dem Faserbündel 136 diktiert.
Eine geeignete Konfiguration des Faserbündels 136, das in 1b als Stirnansicht gezeigt
ist, diktiert die Konfiguration der Mikrolinsen 107 der
in 1c gezeigten Mikrolinsenanordnung 104.
Wenn eine im Zentrum positionierte vertikale Schnittansicht von
der Stirnansicht des Faserbündels 136 genommen
würde,
würden
also die fünf
Mikrolinsen 107 der Anordnung 104 und die fünf optischen
Fasern 134 so erscheinen, wie sie in 1a gezeigt sind.
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Die Funktion der Mikrolinsenanordnung 104 besteht
darin, ein gewünschtes
Punktmuster zu erzeugen, um die ebene Lichtwelle 122 von
der hyperbolischen Linse 102 in die optischen Fasern 134 des Faserbündels 136 zu
koppeln. Die Mikrolinsenanordnung 104 kann so konstruiert
werden, daß sie
eine geeignete Unterteilung der Apertur 106 bildet, um
irgendein gewünschtes
Gittermuster von Punkten zu erzeugen. Die Punkte werden jeweils
unabhängig von
den unterteilten Lichtwellen gebildet und werden auf die individuellen
optischen Fasern 134 zur Lichtverteilung fokussiert. Ferner
ist der Gitterwerkaufbau der Mikrolinsenanordnung 104 flexibel,
und die Konstruktion der Mikrolinsen 107 ist klar und einfach.
Zusätzlich
kann durch Verändern
der Größe oder
des Einfangbereichs jeder Mikrolinse 107 die Energieverteilung über das
Faserbündel 136 unabhängig gesteuert
werden.
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Da die ebene Welle 122 in
die flache Fläche 132 eintritt,
arbeitet jede der Mikrolinsen 107 der Anordnung 104 so,
daß sie
die lokalen Lichtstrahlen dieses Abschnitts der unterteilten ebenen
Welle 122 in einen Punkt oder Fleck konvergiert. Jeder
Punkt wird unabhängig
auf die entsprechende optische Faser 134 fokussiert, die
geeignet in dem Faserbündel 136 positioniert
ist. Auf diese Weise wird das gewünschte Punktmuster geschaffen,
das der Konfiguration des Faserbündels 136 entspricht,
zur Verteilung der Lichtwellen in einem faseroptischen System. Jeder der
unabhängig
fokussierten Punkte in dem gewünschten
Muster enthält
die gleiche optische Information wie die ursprüngliche divergente sphärische Welle 116.
Jedoch wird die Intensität
der in jedem Punkt enthaltenen optischen Energie vermindert im Verhältnis zu
dem Teilerverhältnis,
das durch die Konstruktion des Teilers und Vereinigers 100 gesteuert
wird. Die Größe und Stellung
der Mikrolinsenanordnung 104 steuert also die Intensität der optischen Energie
in jedem Punkt.
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Aufgrund der innewohnenden Gauß'schen Strahlencharakteristik
am Eingang des Teilers und Vereinigers 100 zeigt der optische
Teiler eine Gauß'sche (glockenförmige) Leistungsverteilung über die
Apertur 140 der Mikrolinsenanordnung in der Radialrichtung.
Die Gauß'sche Leistungsverteilung bewirkt,
daß das
Licht bei dem Zentrum hell ist und an den Kanten dunkel ist, was
anzeigt, daß die
Leistungsverteilung ungleichförmig
ist. Die Lichtenergie verringert sich tatsächlich an den Kanten. Also
ist die Intensität
der optischen Energie in den zentral gelegenen Punkten des Musters
und folglich in den zentralen Fasern höher als die Intensität der optischen Energie
in den äußeren Punkten
des Musters und in den äußeren Fasern.
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Für
einige Anwendungen kann es wünschenswert
sein, eine gleichförmige
Verteilung für alle
N Ausgänge
der Mikrolinsenanordnung 104 zu erhalten. In diesem Fall
können
die Mikrolinsen 107 in konzentrischen Ringen angeordnet
werden, wie in 2 gezeigt.
Es ist zu beachten, daß in 2 zum Zweck der Erläuterung
einige der optischen Fasern 134 des Faserbündels 136 der
Konfiguration der Mikrolinsenanordnung 104 überlagert
sind. Die in 2 gezeigten
Mikrolinsen 107 sind in den äußeren Ringen angeordnet, die
aus größeren Linsen
bestehen, um die Leistungsverringerung auszugleichen. Der Lichteinfangbereich
jeder Mikrolinse 107 bestimmt die Energiemenge, die in
eine optische Faser 134 des Faserbündels 136 einzukoppeln
ist. Also werden die äußeren Mikrolinsen 107 fortschreitend
größer gemacht,
um mehr Lichtenergie einzufangen und damit die Leistungsverteilung
auszugleichen und eine Intensität
zu zeigen, die der der zentral gelegenen Mikrolinsen 107 äquivalent
ist. Also wird mehr Lichtenergie auf die entsprechenden äußeren optischen Fasern 134 fokussiert,
um ein gewünschtes
Punktmuster mit annähernd
gleichförmiger
Verteilung zu bilden.
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Verschiedene andere Anordnungen für die Mikrolinsen 107 sind
möglich,
um eine angemessene Unterteilung der ebenen Welle vorzusehen, die
von der hyperbolischen Linse 102 empfangen wird. Zum Beispiel
könnte
eine große
Mikrolinse von einem Ring kleinerer Mikrolinsen umgeben sein. Die
große Mikrolinse
würde mehr
Licht einfangen und eine stärkere
Leistung auf einen einzelnen Punkt fokussieren. Andere in die Anordnung
integrierte große
Mikrolinsen würden
proportionale Mengen von Licht auf spezifische Bereiche des Faserbündels 136 fokussieren, die
der eingefangenen Lichtenergiemenge entsprechen. Ebenso würden kleinere
Mikrolinsen, welche weniger Lichtenergie einfangen, weniger Lichtenergie
auf das Faserbündel 136 fokussieren.
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Es versteht sich, daß die Konfiguration
des Faserbündels 136 der
gewählten
Konfiguration der Mikrolinsenanordnung 104 entspricht.
In der Praxis kann das Faserbündelgitter
in jeder Form angeordnet werden, die zu einer gewünschten
Konfiguration oder Leistungsverteilung in dem optischen Teiler und
Vereiniger 100 der Erfindung paßt. Jedoch können die Fasern 134 nach
Wunsch stromab von der Kopplungsvorrichtung zur wirtschaftlichen
Verteilung umgeordnet werden. In 1b sind
die optischen Fasern 134 in einem dreieckigen Gitterwerk
angeordnet, um der Konfiguration der Mikrolinsenanordnung 104 zu
entsprechen. Jede der optischen Fasern 134 des Faserbündels 136 ist
gezeigt mit einem zentralen Kern 142 und einer Glasummantelung 144 ähnlich der
anhand der einzelnen optischen Faser 108 beschriebenen.
Die Durchmesser des zentralen Kernes 142 und der Ummantelung 144 sind
sehr klein. Daher wird eine Abstandshülse 146, die zum Beispiel
aus einer weiteren Glasschicht besteht, angewendet, um jede optische
Faser 134 zu umgeben und damit die Faser in ihrer Position
innerhalb des Bündels 136 zu halten,
wie in 1b gezeigt. Abstandshülsen können auch
in der Mikrolinsenanordnung 4 verwendet werden, um die
Ausrichtung und den Abstand des Brennpunktes jeder Mikrolinse 107 auf
die entsprechende Faser 134 in dem Bündel 136 zu bewahren.
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Die konzentrische Konfiguration der
in 2 gezeigten und oben
erwähnten
Mikrolinsenanordnung 104 trifft auch auf die entsprechende
Konfiguration des Faserbündels 136 zu.
Wenn 2 die Konfiguration
der Mikrolinsenanordnung 104 wiedergibt, dann gibt sie
notwendigerweise auch die Konfiguration des Faserbündels 136 wieder.
Wenn 2 die Konfiguration
der Mikrolinsenanordnung 104 repräsentiert, zeigen die fortschreitend
größeren konzentrischen
Kreise den Umfang der größeren Mikrolinsen 107 an.
Wenn jedoch der überlagerte
Abschnitt von 2 die
Konfiguration des Faserbündels 136 wiedergibt,
zeigen die fortschreitend größeren konzentrischen
Kreise die Position der Abstandshülse 14
6 an, welche
die Glasummantelung 144 jeder optischen Faser 134 umgibt.
Die Glasummantelung 144 kapselt ihrerseits den zentralen
Kern 142 auf die gleiche Weise ein, wie oben anhand von 1b beschrieben. Es ist zu
beachten, daß die
Größe der optischen
Fasern 134 (zentraler Kern 142 plus Ummantelung 144)
in 2 die gleichen bleiben
wie die in 1a und 1b gezeigten.
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Jedoch sind zum Zweck der allgemeinen
Erläuterung
die Abstandshülsen 146 für größere äußere konzentrische
Ringe eingestellt, die zum Ausgleichen der radialen Leistungsverringerung
konstruiert sind. In 2 werden
die Abstandshülsen 146 verwendet,
um zuzulassen, daß die
Brennpunkte der individuellen Mikrolinsen 107 auf eine
entsprechende Konfiguration optischer Fasern 134 des Faserbündels 136 auszurichten
sind.
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Wenn der Teiler und Vereiniger 100 in
dem Vereinigermodus arbeitet, überträgt jede
der optischen Fasern 134, die das Punktmuster des Faserbündels 136 bilden,
optische Energie niedriger Intensität zu der entsprechenden Linse
der Mikrolinsenanordnung 104. Jede Faser 134 überträgt optische
Energie, die die gleiche optische Information enthält. Nachdem
die optische Energie jeder der einzelnen Fasern 134 kombiniert
worden ist, nimmt die Intensität
der optischen Energie in der einzelnen optischen Faser 108 zu.
Ob nun der Teiler und Vereiniger 100 als Teiler oder als
Vereiniger arbeitet, werden optische Phasenprobleme auf folgende
Art eliminiert. Die flache Seite 120 der hyperbolischen
Linse 102 und die flache Seite 132 jeder der Linsen 107 der
Mikrolinsenanordnung 104 bildet eine gleiche Phasenebene,
wie in der Technik bekannt. Also überträgt jede Position entlang den
flachen Seiten 120 und 132 der Linsen Licht mit
der gleichen optischen Phase unabhängig von der Frequenz (zum
Beispiel Farbe). Daher ist durch Positionieren der flachen Seite 120 der hyperbolischen
Linse 102 in der Art, daß sie zu der flachen Seite 132 jeder
Linse 107 der Mikrolinsenanordnung 104 hinweist,
und durch Wählen
jeder der Linsen 107 der Mikrolinsenanordnung 104 in
der gleichen Größe jeder
der Lichtstrahlen phasengleich.
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Das oben beschriebene Verfahren zum
Eliminieren optischer Phasenprobleme unter Nutzung von Mikrolinsen 107 gleicher
Größe ist auf
die Konstruktion der in 1b dargestellten bevorzugten Ausführungsform
zugeschnitten. Wenn in der Mikrolinsenanordnung 4 angewendete
Linsen variierende Größen aufweisen,
wie in 2 dargestellt,
bestehen optische Phasenprobleme. Unter diesen Bedingungen wird
eine Kompensation benötigt.
Um die Unterschiede in optischen Weglängen zu kompensieren, die durch
unterschiedliche Größen von
Mikrolinsen 107 verursacht werden, kann die Dielektrizitätskonstante
der kleineren Linsen der Mikrolinsenanordnung 104 modifiziert
werden. Das Ausmaß der
benötigten
Modifikation der Dielektrizitätskonstanten
wird bestimmt durch die Größe der Phasendifferenz,
die durch die Linsen unterschiedlicher Größe eingebracht wird. Ferner
kann die Brennweite F jeder Mikrolinse 107 gleich gemacht
werden, indem die größeren Mikrolinsen 107 so
konstruiert werden, daß sie auf
die gleiche Ebene wie die kleineren Mikrolinsen 107 fokussieren.
Zusätzlich
kann die Länge
der optischen Fasern 134, die den größeren Mikrolinsen 107 zugeordnet
sind, vermindert werden, um die Augangsphasen der optischen Energie
zwischen den Fasern auszugleichen. Die kürzeren Fasern gleichen die
Verzögerung
des optischen Signals von der größeren Mikrolinse 107 aus,
wobei sie mit kleineren Mikrolinsen 107 verknüpfte kürzere Brennweiten
kompensieren. Also gleicht sich die Ausgangsphase der verteilten
optischen Energie aus.
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Eine Kompensation durch eines dieser
Verfahren ist schwierig. Daher ist ein Hauptvorteil der Erfindung,
wie in 1b gezeigt, die
Verwendung gleich groß bemessener
Linsen 107 in der Mikrolinsenanordnung 104. Die
natürlich
auftretende Verringerung der Intensität der optischen Energie in
den äußeren Linsen
der gleich groß bemessenen
Linsenanordnung von 1b minimiert
die Gitterstrahlungszipfel, wie sie normal durch typische Radaranwendungen
benötigt
werden.
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Die Mehrzahl von Mikrolinsen 107,
welche die Mikrolinsenanordnung 104 umfassen, kann individuell
gefertigt, poliert und positioniert werden. Die hyperbolische Linse 102 kann
zum Beispiel aus Glas, Quarz oder Teflon bestehen. Es können natürlich auch
andere Arten von Linsenkonfigurationen verwendet werden und können durch
den mit der Linsenkonstruktion vertrauten Fachmann gewählt werden.
Es wird eine fotografische Methode zum Erzielen des Linsensystems
offenbart, zum Beispiel eine Methode, die den gleichen optischen
Effekt approximiert die die in 3 offenbarte
Linsenkonfiguration. Es ist bekannt, daß eine Fresnelzonenplatte 148, welche
von Lord Rayleigh erfunden wurde und in 4 gezeigt ist, ähnlich einer Linse wirkt. Eine
Zonenplatte 148 kann in der Praxis leicht hergestellt werden
durch Zeichnen konzentrischer Kreise 150 in dunkler Tinte
auf einen transparenten Film 152. Die verdunkelten konzentrischen
Kreise 150 und die Zwischenräume dazwischen bilden Zonen
auf der Zonenplatte 148. Jede zweite Zone ist verdunkelt,
um ein Interferenzmuster zu erzeugen, das dazu dient, die Lichtwellen
auf einen Fleck zu konvergieren. Die Größe der Radien der konzentrischen
Kreise 150 sind proportional den Quadratwurzeln der ganzen Zahlen
der interessierenden Zonen. Das Muster wird dann fotografisch auf
den geeigneten Maßstab
reduziert.
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Der Druckprozeß auf dem optischen transparenten
Film 152 erzeugt ein Muster, welches die gleiche optische
Wirkung zum Umwandeln von Lichtwellen aus einer Form in eine andere
liefert, wie es eine transparente dielektrische Linse tut. Die in 4 gezeigte Fresnelzonenplatte 148 weist
eine Brennweite auf, die zu dem Radius a der ersten Zone folgendermaßen in Beziehung
steht: F = a2/L [5]worin
L die Wellenlänge
des durchgelassenen Lichtes ist. Die Radien der übrigen Zonen in der Fesnelzonenplatte 148 werden
geliefert durch den Ausdruck: rm = m½ × a [6]worin m gleich
der ganzen Zahl des konzentrischen Kreises 150 ist (zum
Beispiel m = 2, 3, 4, usw.) bei Zählung der konzentrischen Kreise
von innen nach außen.
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Schließlich ist zu beachten, daß zum Verbessern
des Kopplungswirkungsgrades das Ende jeder optischen Faser 134 so
behandelt werden muß,
daß es
eine konkave sphärische
Oberfläche
oder ein entsprechendes Ende 114 aufweist. Die konkave
sphärische
Fläche
oder das Ende 114 wirkt wie eine Linse, welche die Lichtwelle
von der optischen Faser 134 in eine sphärische Welle zerstreut. Umgekehrt
wandelt die konkave sphärische
Fläche
oder das Ende 114 einen konvergenten Strahl in parallele
Strahlen in der optischen Faser 134 um.
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Bei Arbeiten als Teiler wird eine
Lichtquelle von der einzelnen optischen Faser 108 auf die
hyperbolische Linse 102 gerichtet. Das konkave sphärische Ende 114 der
einzelnen Faser 108 wandelt die parallelen Strahlen in
der Faser 108 um in eine divergente sphärische Welle 116.
Die Linse 102 wandelt die divergente sphärische Welle 116 um
in eine ebene Welle 122 mit parallelen Strahlen. Die ebene
Welle 122 wird dann über
die Mikrolinsenanordnung 104 umgewandelt in eine Mehrzahl
von konvergenten sphärischen
Wellen 124 niedriger Intensität zum Fokussieren auf die optischen
Fasern 134 des optischen Bündels 136. Die konkaven
sphärischen
Enden 114 der Fasern 134 wandeln die Mehrzahl
konvergenter sphärischer
Wellen 124 um in parallele Strahlen zur Verteilung.
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Bei Arbeiten als Vereiniger werden
die parallelen Strahlen in den Fasern 134 durch die konkaven sphärischen
Enden 114 der Fasern umgewandelt in eine Mehrzahl individueller
divergenter sphärischer Wellen 116 niedriger
Intensität.
Die Mehrzahl divergenter sphärischer
Wellen wird durch die Mehrzahl von Mikrolinsen 107 zu einer
einzelnen ebenen Wellen 122 höherer Intensität kombiniert.
Die ebene Welle 122 trifft auf die hyperbolische Linse 102 auf
und wird durch diese in eine einzelne konvergente Welle 124 umgewandelt.
Die einzelne konvergente sphärische
Welle 124 wird dann durch das konkave sphärische Ende 114 der
einzelnen optischen Faser 108 umgewandelt in parallele
Strahlen zu Verteilung.
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Es ist ein gemeinsamer (baumartiger)
optischer Leistungsteiler und -vereiniger 100 offenbart worden,
welcher angewendet wird, um eine Lichtwelle von einer Faser mit
N Fasern zu koppeln und in dem umgekehrten Modus Lichtwellen von
N Fasern mit einer Faser zu koppeln. Der optische Teiler und Vereiniger 100 ist
ein Schlüsselelement
aller faseroptischen Verteilungsnetze. Der wechselseitige Sternkoppler
der Erfindung liefert gleiche Amplituden und gleiche Weglängen. Folglich
wird eine kohärente Phase
des Modulationssignals an allen optischen Ausgängen geliefert, da jede Faser 134 in
dem Bündel 136 eine
gemeinsame Modulationsignalverzögerung
erfährt.
Welche Modulation auch immer an der Punktquelle vorhanden ist, wird
also auch in sämtlichen
Fasern 134 des Bündels 136 erfahren.
Der Teiler und Vereiniger 100 verwendet eine Mikrolinsenanordnung 104,
welche die Apertur 106 unterteilt, um ein gewünschtes
Gittermuster zu erzeugen, wobei jeder Gitterpunkt unabhängig gebildet
wird. Die Erfindung steuert die Lichtenergieverteilung über das
Faserbündel 136 unabhängig durch
Verändern
des Einfangbereichs jeder Mikrolinse 107 und schafft auf
diese Weise einen Teiler hoher Qualität mit einem hohem Aufspaltungsverhältnis.
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Der optische Teiler und Vereiniger 100 ist
anwendbar in Radar- und Nachrichtenübertragungsanwendungen. Allgemein
gestattet bei Radaranwendungen die Verwendung gleich groß bemessener Linsen
in der Mikrolinsenanordnung 104 die Nutzung der natürlichen
Verringerung der optischen Energieintensität zum Beseitigen unerwünschter
Gitterstrahlungszipfel. Die Erfindung ist nützlich in phasengesteuerten
Vielfachantennen, in welchen gleiche Leitungslängen benötigt werden, um eine gleichförmige Wellenfront
zu erzeugen und damit einen Lichtstrahl zu kollimieren. Der Teiler
und Vereiniger 100 ist ferner nützlich in Anwendungen phasengesteuerter Vielfachantennen,
da alle strahlenden Punkte gleichzeitig strahlen müssen, um
Funktionsprobleme mit dem kollimierten Strahl zu vermeiden. Andere
Anwendungen sind offensichtlich bei der Signalübertragungsverteilung. Beispiele
umfassen eine Situation, in welcher ein einzelner Strahl in mehrere
Strahlen unterteilt werden muß (zum
Beispiel in einen Haustrakt verteilte Kabelfernsehsignale oder Telefonsignale),
oder eine Situation, in welcher mehrfache Signale in einen einzigen
Strahl konvergieren müssen (zum
Beispiel das Mehrfachkoppeln mehrfacher Telefonsignalleitungen in
ein zentrales Fernsprechamt). Es ist offensichtlich, daß der optische
Verteiler und Vereiniger 100 der Erfindung sehr flexibel
ist im Vergleich zu anderen optischen Sternkopplern nach dem Stand
der Technik. Die Erfindung kann auch verwendet werden für zweidimensionale
Anordnungen durch Ausbilden der Linsen in einem linearen (rechteckigen}
Gitterwerk.