DE69228667T2

DE69228667T2 - Optisches Kopplungselement

Info

Publication number: DE69228667T2
Application number: DE69228667T
Authority: DE
Inventors: Egbertus Theodorus Constantius Mari Van Woesik
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: Whitaker LLC
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1992-12-22
Publication date: 1999-09-30
Anticipated expiration: 2012-12-23
Also published as: US5408551A; EP0549332B1; EP0549332A3; JPH05257029A; EP0549332A2; DE69228667D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Koppelvorrichtung zur Übertragung von durch eine erste Lichtleitfaser abgegebenem Licht an jede einer Mehrzahl von zweiten Lichtleitfasern.
Eine derartige Koppelvorrichtung ist in einem Artikel mit dem Titel POLYMERIC OPTICAL MIXING ROD COUPLER (Polymerischer Mischstab-Optokuppler) von L. Blyler und G. J. Grimes der AT&T Bell Laboratories offenbart, der in den proceedings of the 39th Electronic Conference, in Houston, Texas 1989, Seiten 490-493 veröffentlicht worden ist. Diese bekannte Koppelvorrichtung umfaßt einen geradlinigen Mischstab, der aus einem mit einem lichtdurchlässigen Gußharz angefüllten Rohr aus Teflon (registrierte Handelsmarke) besteht. In einem Ende des Rohrs wird ein Bündel von Lichtleitfasern aufgenommen und im anderen Ende desselben wird eine einzige große Faser aufgenommen. Die Vorrichtung kann als Lichtverzweiger oder als Lichtkombinierer betrieben werden.
Eine weitere bekannte optische Koppelvorrichtung, die unten ausführlich unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 5 der beiliegenden Zeichnungen beschrieben ist, umfaßt einen ersten und zweiten rohrförmigen Verbinder, die die ersten bzw. zweiten Lichtleitfasern aufnehmen, wobei ein ummanteltes optisches Ende jeder Faser an einem Vorderende des entsprechenden Verbinders freigelegt ist, und einen zwischen die Vorderenden der Verbinder eingefügten optischen Mischstab, dessen optische Enden optisch an die optischen Enden der ersten bzw. zweiten Lichtleitfaser angeschlossen sind, um. von der ersten Lichtleitfaser abgegebenes Licht zum Beleuchten der optischen Enden der zweiten Lichtleitfasern zu verteilen. Der Mischstab dieser weiteren bekannten optischen Koppelvorrichtung ist geradlinig.
Solche als Sternkoppler bekannten optischen Koppelvorrichtungen werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen, in optischen Instrumenten, für Industrieroboter oder als Überwachungssensoren in einer Maschine verwendet, wo erforderlich ist, daß ein einziges Lichtsignal an eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Vorrichtungen übertragen wird.
Wie ausführlicher unten beschrieben, hat sich jedoch herausgestellt, daß dort, wo ein derartiger geradliniger Mischstab verwendet wird, nicht alle zweiten Fasern, das heißt die Empfangsfasern, im gleichen Maß beleuchtet werden, wenn die erste Faser abstrahlt, so daß die Beleuchtung von einigen der zweiten Fasern unzureichend sein kann. Dieser Nachteil tritt ein, da die vom Mischstab übertragene Lichtleistung in einer Richtung abseits der Längsmittelachse des Mischstabes abnimmt.
In der Patentschrift US 4148740 ist eine optische Koppelvorrichtung offenbart, bei der der Mischstab einen gekrümmten Mittelteil umfaßt, der erste und zweite geradlinige Teile des Mischstabes verbindet, wobei jeder dieser zweiten Teile in einem entsprechenden der optischen Enden des Mischstabes abschließt.
Durch die Krümmung des Mischstabes wird das Licht in der Nähe der Längsachse des Mischstabes durch dessen Krümmung eingeschränkt, um von der Krümmung des Mischstabes in verschiedenen Winkeln reflektiert zu werden, um über den Querschnitt des Abgabeendes des Mischstabes eine im wesentlichen gleichförmige Lichtverteilung bereitzustellen, wodurch die Empfangsfasern im wesentlichen gleich beleuchtet werden. Die Querschnittsform des Mischstabes kann kreisförmig sein oder kann anders als kreisförmig sein, wie beispielsweise im Fall einer Koppelvorrichtung von zwei Fasern zu zwei Fasern.
Bei der kommerziellen Herstellung von Lichtleitfasern werden die Fasern bei ihrer Herstellung für den Transport zum Endverbraucher aufgewickelt. Ein Nachteil eines innen glattwandigen Verbinders besteht darin, daß, da die Fasern ein plastisches Gedächtnis aufweisen und daher bei ihrer Abwicklung dazu neigen, sich zu biegen und damit zu ihren aufgewickelten Konfigurationen zurückzukehren, sich die Längsachsen der Fasern bei gemeinsamer Einfügung der Fasern eines Bündels in den Verbinder nicht zu der Längsachse des Verbinders ausrichten. Um diesen Nachteil zu vermeiden, durch den Licht aus dem System ausgekoppelt werden würde und dadurch eine Dämpfung des übertragenen Lichtes verursachen würde, ist es heute üblich, die Fasern eines Bündels nacheinander in den Verbinder einzufügen oder das Faserbündel mittels eines O-Ringes, Bandes oder Rohrs einzuschränken, um sicherzustellen, daß sich die Fasern bei ihrer Einfügung in den Verbinder parallel zur Längsachse desselben erstrecken. In Patentschrift EP 0436112 ist eine rohrförmige Glas- Lichtleitfaserverbindung beschrieben, in die Fasern einzeln eingespeist werden. Der Innenaufbau des Durchgangs, in den die Fasern eingespeist werden, hält sie im korrekten Verhältnis zueinander, bis das Glasrohr auf die Fasern aufgeschrumpft wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine optische Koppelvorrichtung bereitzustellen, die die gleichzeitige Einfügung einer Mehrzahl von Fasern eines Bündels in die Vorrichtung erlaubt, und die oben besprochenen Nachteile überwindet.
Eine erfindungsgemäße optische Koppelvorrichtung ist im Anspruch 1 definiert.
So ist erfindungsgemäß eine optische Koppelvorrichtung der oben besprochenen Art mit einem rohrförmigen Verbinder, der mit einer Reihe von internen peripheren, sich axial erstreckenden Faserleitrillen ausgebildet ist, die in das Vorderende des Verbinders münden, bereitgestellt, wobei jede Rille eine entsprechende Außenfaser des Bündels aufnimmt, wobei diese entsprechenden Außenfasern mindestens eine Mittelfaser des Bündels in parallelem Verhältnis zu den · besagten entsprechenden Außenfasern fest in Lage halten. Jede Rille weist einen in Breite und in Tiefe auf eine Fasereinführungsöffnung in das hintere Ende des Verbinders zu verjüngten und vor diesem verjüngten hinteren Fasereinführungsteil auf.
Die Fasern des Bündels können demnach ohne den oben erwähnten Nachteil gleichzeitig in den Verbinder eingefügt werden.
Die Anzahl der Fasern kann sieben betragen, wobei die Anzahl der Rillen sechs beträgt. In diesem Fall wird eine einzige Faser in Ausrichtung zur Längsachse des Verbinders gehalten. Das Faserbündel kann jedoch eine viel größere Anzahl von Fasern, beispielsweise zweiunddreißig Fasern, umfassen. In diesem Fall halten die Außenfasern des Bündels eine beträchtliche Anzahl von Innenfasern in parallelem Verhältnis zum Längszugang des Verbinders.
Es hat sich herausgestellt, daß, wenn die Koppelvorrichtung zwei Bündel, jeweils mit sieben Fasern, umfaßt, die Gleichheit der Lichtverteilung im Mischstab optimal ist, wenn der Krümmungsbogen des gekrümmten Teils des Mischstabes 180º ist, wobei der optimale Radius des gekrümmten Teils annähernd 45 mm beträgt, obwohl eine deutlich verbesserte Lichtverteilung erreicht werden kann, wenn ein besagter Krümmungsbogen zwischen 30º und 180º beträgt. Andere Werte sind optimal, wenn die Faserbündel andere Faserzahlen umfassen.
Der Krümmungsradius des Mischstabes, der teilweise von mechanischen Überlegungen abhängt, kann zwischen 20 mm und 50 mm betragen. Bei einer Koppelvorrichtung für dreizehn Fasern zu dreizehn Fasern beträgt der Mischstabkerndurchmesser vorzugsweise 4,52 mm und bei einer Koppelvorrichtung für neunzehn Fasern zu neunzehn Fasern beträgt der besagte Durchmesser vorzugsweise 5,07 mm. Der Mischstab kann einen nichtkreisförmigen Querschnitt aufweisen, wenn beispielsweise die Koppelvorrichtung eine Vorrichtung für zwei Fasern zu zwei Fasern ist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und zur Darstellung, wie sie ausgeführt werden könnte, wird nunmehr als Beispiel auf beiliegende Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen ist:
Fig. 1 eine diagrammatische Seitenansicht einer bekannten optischen Sternkoppelvorrichtung mit einem Paar optischer Faserverbinder, die jeweils ein Bündel Lichtleitfasern aufnehmen, und einem geradlinigen optischen Mischstab;
Fig. 2 und 3 Ansichten des Vorderendes entsprechender Verbinder, die einen Aspekt der Funktionsweise der bekannten Koppelvorrichtung darstellen;
Fig. 4 eine Endansicht des optischen Mischstabes der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;
Fig. 5 eine aufgelöste isometrische Ansicht eines praktischen Beispiels der bekannten, diagrammatisch in Fig. 1 bis 4 dargestellten Koppelvorrichtung;
Fig. 6 eine vergrößerte diagrammatische Seitenansicht des Mischstabes der Vorrichtung der Fig. 5, die die Lichtfortpflanzung durch den Mischstab darstellt;
Fig. 7 eine vergrößerte Seitenansicht des optischen Mischstabes einer optischen Sternkoppelvorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die verbesserte Lichtfortpflanzung durch diese hindurch darstellt;
Fig. 8 eine vergrößerte erste isometrische Ansicht der Koppelvorrichtung nach der besagten bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 9 eine vergrößerte diagrammatische bruchstückhafte Seitenansicht eines Endteils des optischen Mischstabs der Vorrichtung der Fig. 8, die deren Ummantelung darstellt;
Fig. 10 eine Endansicht der Fig. 9;
Fig. 11 eine vergrößerte zweite isometrische Ansicht der Koppelvorrichtung der Fig. 8;
Fig. 12 eine Ansicht des Vorderendes eines optischen Faserverbinders der Koppelvorrichtung der Fig. 8 und 11;
Fig. 13 bis 16 eine rückwärtige isometrische Ansicht, eine teilweise im Längsschnitt gezeigte rückwärtige isometrische Ansicht, eine isometrische Vorderansicht bzw. eine teilweise im Längsschnitt gezeigte isometrische Vorderansicht des Verbinders der Fig. 12;
Fig. 17 eine isometrische Vorderansicht des Verbinders der Fig. 12 bis 16 bei der Aufnahme eines Bündels von Lichtleitfasern;
Fig. 18 eine Ansicht des Vorderendes der Fig. 17;
Fig. 19 eine teilweise im Schnitt dargestellte vergrößerte isometrische Ansicht, die Einzelheiten der Fig. 8 darstellt;
Fig. 20 bis 24 vergrößerte Seitenansichten von optischen Mischstäben nach anderen Ausführungsformen als der besagten bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 25 eine isometrische und Endansicht von anderen Mischstäben als solchen mit kreisförmiger Querschnittsform; sowie
Fig. 26 und 27 eine vergrößerte isometrische Ansicht bzw. Seitenansicht, die das Verhalten von Fasern in einem in einen Verbinder dafür einzufügenden Bündel von Lichtleitfasern darstellen.
Nunmehr wird eine bekannte optische Sternkoppelvorrichtung 1 zum Leiten von Licht aus einer einzelnen Lichtleitfaser einer Mehrzahl derselben in eine Mehrzahl von Lichtleitfasern von einem theoretischen Standpunkt unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 beschrieben. Die Koppelvorrichtung 1 umfaßt ein Paar optischer Faserverbinder 2 bzw. 4, die jeweils ein Bündel F von Lichtleitfasern F1 bis F7 aufnehmen und mechanisch einschließen, und einen geradlinigen, mit Ummantelung 6 versehenen optischen Mischstab 5 mit konstantem Querschnitt. Der Stab 5 ist entsprechend dem vorliegenden Beispiel kreisförmigen Querschnitts und kann als Lichtwellenleiter beschrieben werden. Ein solcher Wellenleiter könnte jedoch einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die polierten optischen Enden 7 der Fasern jedes Bündels stoßen an optischen Grenzflächen an die entsprechenden flachen optischen Endflächen 8 und 9 des Mischstabes 5 an und sind damit verbunden. Jeder Verbinder 2 und 4 hat die Form einer einfachen rohrförmigen Hülse, die sowohl innen als auch außen glattwandig ist und die im vorliegenden Beispiel einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Wenn eine Faser, beispielsweise die Faser F5 im Verbinder 4, Licht abgibt, wie durch Schattierung angedeutet, wird das Licht von Faser F5 von dem Mischstab 5 so geleitet, daß es die Enden aller Fasern F1 bis F7 im Verbinder 2 beleuchtet, was ebenfalls durch Schattierung angezeigt ist. Als Alternative könnte eine ausgewählte Faser im Verbinder 2 zur Abgabe gebracht werden, um die Enden 7 aller Fasern im Verbinder 4 zu beleuchten. Eine solche Koppelvorrichtung wird beispielsweise in einem optischen Steuersystem, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, einem optischen Instrument, für Industrieroboter oder für Überwachungssensoren in einer Maschine verwendet, wo erforderlich ist, daß ein einziges Lichtsignal an eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Vorrichtungen übertragen wird.
Wie in der Fig. 5 in einem praktischen Beispiel der bekannten optischen Koppelvorrichtung dargestellt, sind die Verbinder 2 und 4 mit darin aufgenommenen Faserbündeln F in einem Gehäuse 10 mit einer Mittelbohrung 12, die den Stab 5 aufnimmt, untergebracht, wobei jeder Verbinder 2 und 4 eng in einem entsprechenden Endteil 14 der Bohrung 12 aufgenommen ist.
Bei der kommerziellen Herstellung von Lichtleitfasern werden die Fasern bei ihrer Herstellung für den Transport zum Endverbraucher aufgewickelt. Ein Nachteil eines innen glattwandigen Verbinders besteht darin, daß, da die Fasern F1 bis F7 ein plastisches Gedächtnis aufweisen und daher bei ihrer Abwicklung dazu neigen, sich zu biegen und damit zu ihren aufgewickelten Konfigurationen zurückkehren, sich die Längsachsen der Fasern bei gemeinsamer Einfügung der Fasern eines Bündels in den Verbinder sich nicht zur Längsachse des Verbinders ausrichten. Nach der Darstellung der Fig. 26 und 27 eines Faserbündels F neigen die Fasern dazu, sich aus ihren geraden Lagen SP zu verdrehen, um sich zur Längsachse Z-Z des Bündels zu neigen, so daß die Längsachse Y-Y einer verdrehten Faser um einen Neigungswinkel t von der Achse Z-Z versetzt ist, wodurch die optischen Endflächen 7 der Fasern zu den geraden Lagen SP versetzt sind. Um diesen Nachteil zu vermeiden, durch den Licht aus dem System ausgekoppelt werden würde und dadurch eine Dämpfung des übertragenen Lichtes verursacht würde, ist es gegenwärtig üblich, die Fasern eines Bündels nacheinander in den Verbinder einzuführen oder das Faserbündel mittels eines O-Ringes, Bandes oder Rohrs einzuschließen, um sicherzustellen, daß sich die Fasern bei ihrer Einfügung in den Verbinder parallel zur Längsachse desselben erstrecken.
Obwohl oben als Beispiel eine typische Koppelvorrichtung für sieben Fasern zu sieben Fasern beschrieben worden ist, kann eine solchem Koppelvorrichtung eine Mehrzahl von Fasern in jedem Bündel umfassen.
Um sicherzustellen, daß jede der Empfangsfasern im gleichen Ausmaß beleuchtet wird, sollte die durch den Mischstab erreichte Verteilung des Lichts soweit wie möglich gleich sein. Der Gleichförmigkeitsgrad, der als die Differenz zwischen der an allen Eingangsanschlüssen und Ausgangsanschlüssen der Koppelvorrichtung gemessenen höchsten und niedrigsten Leistung definiert ist, sollte daher so niedrig wie möglich sein.
Je größer die Länge des Mischstabes 5 desto niedriger ist theoretisch der Gleichförmigkeitsgrad. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß selbst bei Verwendung eines Mischstabes mit einer Länge von 100 cm die Gleichheit der Lichtverteilung unzureichend ist, um ausreichende Beleuchtung aller Empfangsfasern sicherzustellen. Bei dem geradlinigen Mischstab 5 nimmt die Lichtleistung in einer Richtung abseits einer Längsmittelachse der ausgewählten lichtabgebenden Faser ab. Wenn beispielsweise eine Mittelfaser F7 des Verbinders 4 Licht abgibt, pflanzen sich die Moden niedriger Ordnung LOM, d. h. die Lichtstrahlen in der Nähe der Längsachse X-X des Stabes 5 wie in Fig. 6 gezeigt in Richtung der Achse X-X fort, obwohl die Moden höherer Ordnung HOM, d. h. die mehr abseits der Achse X-X gelegenen Lichtstrahlen, durch den. Mantel 6 des Stabes 5 reflektiert werden und daher besser als die Moden niedriger Ordnung LOM verteilt werden. Die an der mittleren Empfangsfaser F7 gemessene Leistung ist dementsprechend wesentlich höher, während die anderen Empfangsfasern F1 bis F6 infolgedessen in einem geringeren Ausmaß beleuchtet werden. Der besagte Gleichförmigkeitsgrad ist auch unzureichend, wenn eine der Fasern F1 bis F6 Licht abgibt.
Nunmehr wird eine faseroptische Sternkoppelvorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 7 bis 19 beschrieben. Wie am besten aus Fig. 8 und 11 ersichtlich, umfaßt eine optische Sternkoppelvorrichtung 16, die auch beispielhafterweise eine Koppelvorrichtung für sieben Fasern zu sieben Fasern ist, für denselben Zweck wie die bekannte Vorrichtung 1 ein Paar Gehäuse 18, ein Paar Verbinder 20, die ein Bündel von Lichtleitfasern F aufnehmen, und einen optischen Mischstab 22 mit U-förmigem Aufbau.
Wie am besten aus Fig. 19 ersichtlich, weist jedes Gehäuse 18 mit kreisförmigem Querschnitt eine axiale Mittelbohrung 24 mit einem Hinterteil 26 konstanten Querschnitts auf, die in eine Verbinderempfangsfläche 28 des Gehäuses 18 mündet, und einen Vorderteil 30 mit kleinerem Querschnitt als der Hinterteil 26, der in eine Mischstabempfangsfläche 32 des Gehäuses 18 mündet. Einer der Verbinder 20 erstreckt sich teilweise in den Bohrungsteil 24, wobei eine Endfläche 33 des Verbinders 20 im beabstandeten Verhältnis zur optischen Endfläche 34 eines Endteils des Mischstabes 22 [lacuna]. Wie unten beschrieben, kann die Endfläche 34 entweder die lichtabgebende oder die Empfangsendfläche des Stabes 22 sein. Der Raum zwischen den Flächen 33 und 34 stellt wie unten in der Fig. 8 und oben in der Fig. 11 dargestellt die Grenzfläche 35 zwischen ihnen dar. Der optimale Zustand besteht dann, wenn die Flächen 33 und 34 in Berührung sind, d. h. wenn sich wie oben in der Fig. 8 und unten in der Fig. 11 dargestellt kein Raum zwischen ihnen befindet.
Wie am besten aus Fig. 13 bis 16 ersichtlich, besitzt jeder Verbinder 20, der die Form eines Hohlrohrs mit insgesamt kreisförmigem Querschnitt besitzt, ein hinteres Faserbündelaufnahmeende 36 mit einer nach außen konisch erweiterten, innen glatten kegelstumpfförmigen Fasereinführungsöffnung 38 mit kreisförmigem Querschnitt. Es erstrecken sich axial mit dem Verbinder 20 von seinem Vorderende 33 sechs parallele interne periphere axiale Faserleitrillen 40 mit glatt kurvenförmigem konkavem Querschnitt mit gleichen Abmessungen und einem Aufbau, der dem Faserdurchmesser entspricht. Die Rillen 40 sind konstant voneinander um die Längsachse des Verbinders 20 in einer kreisförmigen Gruppierung beabstandet und voneinander durch oben flache axiale Grate 42 getrennt. Jede Rille 40 weist einen hinteren Fasereinführungsendteil 44 auf, der sowohl in Breite als auch in Tiefe auf die Öffnung 38 zu verjüngt ist und am Vorderende derselben abschließt. Ein Bündel F mit sieben Fasern F1 bis F7 läßt sich leicht von seinem Faseraufnahmeende 36 aus unter Führung durch die Wände der kegelstumpfförmigen Öffnung 38 in den Verbinder 20 einfügen, so daß jede der Außenfasern F1 bis F6 des Bündels F unter Führung durch den Teil 44 der entsprechenden Rille 40 im Rest der Rille 40 aufgenommen wird, wobei sich dass führende Ende jeder Faser leicht über das Vorderende 33 des Verbinders 20 hinaus erstreckt. Die Außenfasern F1 bis F6 halten die Mittelfaser F7 fest in ihrer Lage entlang der Mittellängsachse des Verbinders 20, wie am besten aus Fig. 17 und 18 ersichtlich. Das so in den Verbinder 20 eingefügte Faserbündel F wird mittels eines Bindemittels, das vorzugsweise in seiner Brechzahl an das Mantelmaterial der Fasern angepaßt ist, in den Verbinder 20 eingebondet. Die führenden Enden der Fasern werden dann flachpoliert, um optische Enden 7 bereitzustellen und um mit dem Vorderende 33 des Verbinders 20 eben zu sein, wenn das Bindemittel ausgehärtet ist. Der Durchmesser des Kerns jeder Faser beträgt im vorliegenden Beispiel typischerweise 0,98 mm, wobei der Gesamt-Faserbündeldurchmesser 3 mm beträgt.
Der optische Mischstab 22 kann eine Polycarbonat-Lichtleitfaser mit großem Querschnitt und einem Mantel 46 (Fig. 9 und 10) sein, deren Brechzahlen an die Fasern 1 bis 7 angepaßt sind. Der Kern des Stabes 22 kann aus reinem Quarzglas sein, wobei der Mantel Quarzglas ist. Auf alle Fälle müssen Vorkehrungen getroffen werden, damit Lichtstrahlen im Lichtstab 22 reflektiert werden. Dazu muß die Differenz der Brechzahl zwischen dem Kern des Stabes 22 und dessen Mantel eine numerische Apertur ergeben, die an die Fasern F1 bis F7 angepaßt ist, oder der Stab 42 muß mit einem lichtreflektierenden Material wie beispielsweise Silber oder Gold beschichtet sein, wobei diese Materialien für den Wellenlängenbereich von 660 nm ideal sind. Die numerische Apertur des Stabs 22 kann zwischen 0,4 und 0,7 betragen. Die Gehäuse 18 sind ebenfalls vorzugsweise aus einem Material mit niedriger Brechzahl, wobei die Brechzahl differenz zwischen dem Gehäuse und dem Kern des Stabes 22 eine numerische Apertur von 0,50 ergibt. Als Alternative könnte das Gehäuse 18 eine reflektierende Oberflächenbeschichtung über die Erstreckung des Bohrungsteils 30 aufweisen. Um Einfügungsverlust zu verringern und Fresnelverluste zu vermeiden, kann eine Brechzahl-Anpassungsflüssigkeit für die Wellenlänge von 660 nm in der Grenzfläche 35 zwischen den Endflächen 33 und 34 angeordnet sein, obwohl die Verbinder in diesem Fall mit federbelasteten Anpassungsgliedern versehen sein sollten, die auf bekannte Weise ihre Herausnahme aus den Gehäusen hemmen. Die besagte Anpassungsflüssigkeit besitzt den Vorteil, daß sie in den Zwischenräumen zwischen die Fasern aufgenommen wird, die ein Reservoir bereitstellen, das die thermische Ausdehnung und Zusammenziehung der Verbinder und des Gehäuses erlaubt, wobei das Eindringen der Anpassungsflüssigkeit zwischen die Fasern durch Kapillarwirkung begrenzt ist. Als Alternative könnte das Brechzahl-Anpassungsmaterial durch ein mit ultravioletten Strahlen aushärtbares Haftharz mit der korrekten Brechzahl und Durchlässigkeit bei 660 nm ersetzt werden, wobei das Gehäuse lichtdurchlässig ist. Um zusätzliche Übertragungsverluste zu vermeiden, sollte der gesamte aktive Durchmesser der Fasern dem des Mischstabes soweit wie möglich an der Grenzfläche 35 zwischen den Endflächen 33 und 34 gleich sein.
Wie in Fig. 7 dargestellt, ist der Mischstab 22 so geformt, daß die Moden niedriger Ordnung LOM zur Fortpflanzung in anderen Richtungen als der axialen Richtung gezwungen werden. Auch ist die Verteilung der Moden hoher Ordnung HOM verbessert. Diese Verbesserungen werden durch die Krümmung des Mischstabes 22 erreicht. Die Moden niedriger Ordnung LOM pflanzen sich vom fiktiven optischen Lichtaufnahmeende des Stabes 22, das in der Fig. 7 mit 34 bezeichnet ist, in einer parallelen Richtung zur Mittelachse des Stabes 22 entlang eines ersten geradlinigen Teils 48 desselben bis zum gekrümmten Mittelteil 50 des Stabes 22 fort, wobei die Moden niedriger Ordnung LOM an der Verbindung 52 zwischen den Teilen 28 und 50 (wo vom Ende 46 aus gesehen die Krümmung des Stabes 22 beginnt) durch den Mantel 46 des Stabes 22 reflektiert werden. Da sich durch die besagte Krümmung die Auftreffwinkel der Moden LOM an dem Mantel 46 bei Fortpflanzung der Moden LOM entlang des gekrümmten Teils 50 ändern, werden die Moden LOM da entlang in verschiedenen Winkeln reflektiert, um bei Erreichen des zweiten geradlinigen Teils 54 des Stabes 22, der zum fiktiven lichtabgebenden optischen Ende des Stabes 22 führt, gut verteilt zu sein, wobei dieses Ende des Stabes 22 in der Fig. 7 mit 56 bezeichnet ist. Die Moden hoher Ordnung HOM werden im Teil 50 des Stabes 22 gleichermaßen reflektiert, so daß ihre Verteilung darin ebenfalls verbessert ist. Dadurch wird eine gleichmäßige Lichtverteilung über den gesamten Querschnitt des Abgabeendes 56 erreicht, so daß die Empfangsfasern dadurch durch das durch die einzelne lichtabgebende Faser am Empfangsende 46 des Mischstabes 22 abgegebene Licht im wesentlichen gleich beleuchtet werden.
Der Stab 22 weist beispielsweise einen Gesamtdurchmesser von 3 mm und einen Krümmungsbogen von 180º mit einem Radius von 45 mm auf. Es hat sich herausgestellt, daß diese Auswahl von Werten eine Gleichheit der Lichtverteilung erzeugt, so daß der Gleichmäßigkeitsgrad 1 betragen kann. In einer Koppelvorrichtung für sieben Fasern zu sieben Fasern mit einem geradlinigen Stab nach dem Stand der Technik kann der Gleichmäßigkeitsgrad 7 dB betragen.
Das Ende 56 des Stabes 22 wird manchmal während der Verwendung der Koppelvorrichtung das lichtabgebende Ende des Stabes 22 sein, wobei dessen Ende 34 das Lichtempfangsende ist. Der Gleichmäßigkeitsgrad der Lichtverteilung im Stab 22 wird in beiden Fällen wie oben beschrieben sein.
Bei manchen Anwendungen kann das Faserbündel in einem der Verbinder 20 durch eine einzige große Faser ersetzt sein, die auf die Grenzfläche zu verjüngt ist, um ein Lichtaufnahme-/-abgabeende desselben Durchmessers wie eine der Fasern im anderen Verbinder 20 darzubieten. Die Koppelvorrichtung kann damit als Lichtkombinierer beschrieben werden.
Die Fig. 20 bis 23 zeigen jeweils optische Mischstäbe 22a bis 22d mit Krümmungsbögen von 30º, 45º, 90º bzw. 135º.
Die Fig. 24 zeigt einen Mischstab 22e mit einer Mehrzahl von Krümmungsbögen von unterschiedlichem Wert. Solche Bögen oder deren in der Fig. 24 dargestellte Kombinationen können beispielsweise aus mechanischen Gründen ausgewählt sein. Es hat sich herausgestellt, daß der durch die Verwendung dieser Mischstäbe erreichte Gleichmäßigkeitsgrad besser ist als der, der durch Verwendung eines geradlinigen Mischstabes erreicht wird. Der Mischstab kann wie gezeigt in einer einzigen Ebene gekrümmt sein oder er kann spiralförmig, beispielsweise schraubenförmig sein.
Die Fig. 25 zeigt Mischstäbe 22f mit einer anderen Querschnittsform als kreisförmig zur Verwendung bei einer Koppelvorrichtung von zwei Fasern zu zwei Fasern.

Claims

1. Optische Koppelvorrichtung (16) zur Übertragung von durch eine erste Lichtleitfaser (F7) abgegebenem Licht an jede einer Mehrzahl von zweiten Lichtleitfasern (F1 bis F7), die ein Bündel (5') bilden, wobei die Koppelvorrichtung folgendes umfaßt: einen ersten und zweiten rohrförmigen Verbinder (20), die jeweils eine nach vorne verjüngte Fasereinführungsöffnung (38) aufweisen, die sich in ein hinteres Ende (36) desselben öffnet, wobei die besagten Verbinder (20) die besagten ersten bzw. zweiten Fasern aufnehmen, wobei ein optisches Ende (7) jedes Faser an einem Vorderende (33) des entsprechenden Verbinders (20) freigelegt ist; und einen optischen, ummantelten Mischstab (22), der zwischen den Vorderenden der Verbinder eingefügt ist, wobei der Mischstab (22) optische Enden (34, 56) aufweist, die optisch an optische Enden (7) der ersten bzw. zweiten Lichtleitfasern angeschlossen sind, die von der ersten Lichtleitfaser (F7) abgegebenes Licht zu verteilen, um die optischen Enden der zweiten Lichtleitfasern (F1 bis F7) zu beleuchten, wobei der Mischstab (22) einen gekrümmten Mittelteil (50) umfaßt, der einen ersten und zweiten geradlinigen Endteil (48, 54) des Mischstabes verbindet, die jeweils in einem entsprechenden der besagten optischen Enden (34, 56) des Mischstabes (22) abschließen,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der zweite rohrförmige Verbinder (20) mit einer Reihe von internen peripheren, sich axial erstreckenden Faserleitrillen (40), die in dass Vorderende (33) des Verbinders (20) münden, ausgebildet ist, wobei jede Rille (40) eine entsprechende Faser (F1 bis F6) des Bündels (F) aufnimmt, wobei diese entsprechenden Fasern (F1 bis F6) zusammenwirken, um mindestens eine Mittelfaser (F7) des Bündels (F) in parallelem Verhältnis zu entsprechenden Fasern (F1 und 76) fest in Lage zu halten und jede Rille (40) einen in Breite und in Tiefe auf die Fasereinführungsöffnung des zugehörigen Verbinders zu verjüngten hinteren Fasereinführungsteil (44) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Teil (50) des Mischstabes (22) in einem Bogen von zwischen 30º und 180º gekrümmt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Teil (50) des Mischstabes (22) in einem Bogen von annähernd 180º gekrümmt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius des gekrümmten Teils (50) des Mischstabes (22) zwischen 20 mm und 50 mm beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius des besagten gekrümmten Teils (50) annähernd 45 mm beträgt, wobei der Mischstab (22) einen Gesamtdurchmesser von annähernd 3 mm aufweist, wo jeder der Verbinder (20) sieben Lichtleitfasern (F1 bis F7) aufnimmt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischstab (22) einen Kerndurchmesser von annähernd 4,52 mm aufweist, wo jeder Verbinder (20) dreizehn Fasern aufnimmt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischstab (22) einen Kerndurchmesser von annähernd 5,07 mm aufweist, wo jeder Verbinder (20) neunzehn Fasern aufnimmt.

8. Vorrichtung nach einem, der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichttransmission durch den Mischstab (22), bei einer Wellenlänge von 660 nm gemessen, mindestens 99, 98% beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischstab (22) eine Polycarbonatfaser mit einem Mantel ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischstab (22) einen Kern aus reinem Quarzglas und einen Mantel aus Quarzglas aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischstab (22) einen Mantel aus einem lichtreflektierenden Material aufweist.

12. Vorrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischstab (22) eine numerische Apertur von zwischen 0,40 und 0,70 aufweist, die an die entsprechenden Fasern angepaßt ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorderende (33) jedes Verbinders (20) in einem rohrförmigen Gehäuse (18) aufgenommen wird, das auch ein entsprechendes optisches Ende (34, 56) des Mischstabes (22) aufnimmt, wobei ein Brechzahl-Anpassungsmaterial in der Grenzfläche (35) zwischen den besagten optischen Enden im Gehäuse (18) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Brechzahl-Anpassungsmaterial eine Flüssigkeit oder haftendes Harz ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein erstes rohrförmiges Gehäuse (18) mit einem ersten axialen rückwärtigen Bohrungsteil (26), der das Vorderende (33) des ersten rohrförmigen Verbinders (20) aufnimmt, und ein zweites rohrförmiges Gehäuse (18) mit einem ersten axialen rückwärtigen Bohrungsteil (26), der das Vorderende (33) des zweiten rohrförmigen Verbinders (20) aufnimmt, wobei jedes Gehäuse (18) einen axialen vorderen zweiten Bohrungsteil (30) mit kleinerem Querschnittsbereich als der besagte erste Teil (26) aufweist, der mit dem ersten Bohrungsteil (26) in Verbindung steht und ein entsprechendes optisches Ende (34, 56) des Mischstabes (22) aufnimmt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gehäuse (18) aus einem Material mit niedriger Brechzahl hergestellt ist, wobei die Brechzahldifferenz zwischen dem Gehäuse (18) und dem Kern des Mischstabes (22) eine numerische Apertur von 0,50 ergibt oder mindestens an den Mischstab angepaßt ist.