DK158754B - Optisk kobler til transmission og modtagning gennem lysledende fibre - Google Patents

Description

i

DK 158754 B

Opfindelsen angår et optisk kobler af den i indledningen til krav 1 angivne art til transmission og modtagning gennem lysledende fibre.

5 Hovedproblemet ved konstruktion af optiske koblere, er at den dæmpning, der indføres, når den transmitterede lysstråle separeres fra den modtagne og omvendt, skal være så lille som mulig. Der kendes forskellige måder at løse disse problemer på.

Der kendes systemer, som er i stand til at opsplitte de to 10 stråler (den modtagne og den afsendte stråle) ved hjælp af specifikke strukturer fremstillet.af lysledende fibre (Y-for-mede koblere) eller ved hjælp af semitransparente spejle (beam-splitter). I tysk patentansøgning nr. 2.546.269 er der beskrevet et system, som for at adskille den stråle, som 15 transmitteres over lysledende fibre, fra den, der reflekteres fra endefladen i samme, anvender et fladt spejl anbragt således, at det danner en vinkel på 45°med fiberaksen, og som har en gennemsigtig zone i midten.

20 Lysstrålerne, som skal sendes ind i fiberen, fokuseres af to på hinanden følgende konvergerende optiske systemer, hvis optiske akser ligger på linie med fiberaksen. Det første system er placeret mellem lyskilden og spejlet for at koncentrere strålerne, som udsendes fra lyskilden, i den midterste, trans-25 parente zone i spejlet, og det andet er placeret mellem spejlet og fiberendefladen, således at de stråler, som trænger ud fra den midterste, transparente zone i spejlet, koncentreres på dette andet optiske system.

30 Lysstrålerne, som reflekteres fra endefladen af den lysledende fiber, opsamles af dette andet optiske system og projiceres på et spejl i en zone, der er bredere end den midterste, transparente zone. Strålerne, som reflekteres af spejlet, fokuseres derefter på en fotodetektor af et tredie optsike system, hvis 35 optiske akse er drejet 90° i forhold til fiberaksen.

Den væsentligste ulempe ved det netop beskrevne system er en dæmpning, som skyldes antallet af anvendte optiske systemer,

DK 158754B

2 eftersom hvert af dem dæmper ca. 1 dB. Eftersom både den transmitterede og den modtagne stråle gennemløber to efter hinanden koblede optiske systemer, er der hver gang en dæmpning på 2 dB, som, når man tager i betragtning, at en dæmpning 5 på 3 dB svarer til et effekttab på 50%, er en betragtelig formindskelse af den transmitterde stråle.

I forbindelse med særlige anvendelser, hvor signalerne er ret lave, bliver en sådan dæmpning og dermed et sådant effekttab 10 utilladeligt.

Endvidere er det betragtede system stærkt begrænset af fiberens "modtagelses"-vinkel, eftersom det med det beskrevne system er umuligt at lede den lyseffekt, som udsendes fra lys-15 kilden og har en "udsendelses"-vinkel, der er større end den typiske "modtagelses"-vinkel for den anvendte lysledende fiber, ind i fiberen.

I et andet system, der er kendt fra GB-A 2.011.610 har fotode-20 tektoren en overflade, der ikke er ret meget større end tværsnittet af den optiske fiber, mens den optiske lyskilde og transmissionsorganerne mellem den optiske lyskilde og endefladen af optiske fiber er gjort meget mindre, således at de ikke skygger for meget for det modtagne lys. Dette større!sesfor-25 hold kan dog normalt ikke anvendes, eftersom det kræver ek stremt små optiske lysgivere og transmissionsorganer eller optiske fibre med meget store diametre.

For at sende lys ind i optiske fibre er det endvidere kendt at 30 placere linser mellem lyskilden og fiberen (IBM -Technical

Disclosure Bulletin, bind 22, nr. 1, juni 1979, siderne 47-48), men dette kan imidlertid ikke løse problemerne med at forøge virkningsgraden af modtagelsen. 1

Det er endvidere fra US patentskrift 4.025.157 kendt at efterligne en linsefunktion med en fordeling af brydningsindeksgra-dienter i en blok af et halvledende materiale.

3

DK 158754 B

Det er hensigten med den foreliggende opfindelse at nå frem til en konstruktion af en kobler, således at man opnår en høj virkningsgrad af lysets kobling både i senderetning og modtagerretning. Dette opnås ifølge opfindelsen med en optisk kob-5 ler af den i indledningen til krav 1 angivne art, der er ejendommelig ved, at den optiske komponent er en fokuserende mi-krolinse, der udsender parallelle eller konvergerende lysstråler. Brugen af mikrolinsen som en optisk komponent i midten af fotodetektoren gør det muligt at sende parallelle eller kon-10 vergerende lysstråler fra den optiske komponent til den optiske fiber, således at størrelsen af den optiske komponent kan være af samme størrelsesorden som endefladen af den optiske fiber uden at begrænse størrelsen af fotodetektoren, som inden for keglen af lysstråler, der kommer fra endefladen af den op-15 tiske fiber, kan gøres større end mikrilinsen ved at forøge afstanden fra den optiske fibers endeflade.

Mikrolinsen kan med fordel realiseres af en afskåret længde af en optiske fiber med en· brydningsindeks-fordeling eller -pro-20 fil, således at den har samme egenskaber som en fokuserende 1 i nse.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmer under henvisning til tegninge, hvor 25 fig. 1 i perspektiv viser en optisk kobler ifølge opfindelsen, fig. 2 i perspektiv en forenklet udførelsesform for kobleren, og 30 fig. 3 en anden udførelsesform af en fotodetektor R.

Gennem en lysleder FO i fig. 1 kan to forskellige optiske signaler transmitteres og modtages samtidigt.

Lyslederens endeflade a er afskåret vinkelret på fiberens akse. Endefladen a ligger i brændpunktet F1 og et almindeligt objektiv OB.

35

DK 158754 B

4

Objektivet OB kan, som det er kendt, bestå af en enkelt linse eller af et linsesystem, og dets struktur har ingen indflydelse på koblerens virkemåde. Arten af objektivlinsen kan derfor vælges ud fra sædvanlige optiske betragtninger.

5

En fotodetektor R består af en stor, fortrinsvis cirkulær overflade, som i eller omkring sit centrum har et lille hul, hvori en mikrolinse LS er indsat. Denne linse vil blive gennemgået i det følgende.

10

Det er klart, at valget af fotodetektor afhænger af det optiske signal, som skal detekteres, og det er ikke kritisk for den foreliggende opfindelses formål.

15 Fotodetektoren ligger i et plan vinkelret på retningen af de parallelle stråler, som kommer fra objektivlinsen OB. Fotodetektorens afstand fra objektivet er ikke kritisk.

Det elektriske signal, som tilvejebringes af fotodetektoren R, 20 opsamles og forstærkes muligvis af en modtager RC, hvis struktur ikke angår den foreliggende opfindelse.

Mikrolinsen LS kan være af enhver kendt type; i det beskrevne eksempel især en speciel art mikrolinse, sædvanligvis kaldet 25 SELFOC, og denne mikrolinse består i hovedsagen af et stykke med en given længde af en optisk fiber med et gradueret indeksprofil og numerisk åbning og følgelig en modtagekegle a, som er tilstrækkelig høj.

30 Mikrolinser af denne art er beskrevet i britisk patentskrift nr. 1.275.094

Endefladen b på mikrolinsen LS vender ind imod en lyskilde SS af vilkårlig art, blot er det en forudsætning, at den har en 35 udstrålende overflade, som er tilstrækkelig lille til at den kan kobles med en mikrolinse LS. Endefladens b afstand fra lyskilden SS er lig med F2, mikrolinsens brændvidde.

DK 158754B

5 I praksis arbejder lyskilden SS som en elektrooptisk transducer for den information, som kommer fra en transmitter T, hvortil lyskilden SS er forbundet; til dette formål anvendes f.eks. lysudsendende dioder (LED eller lasere) og fortrinsvis 5 halvlederlasere.

De dele, der indgår i den forenklede udgave fig. 2 har samme henvisningsbogstaver som de tilsvarende dele i fig. 1.

10 Udførelsesformen fig. 2 fremkommer ved, at fotodetektoren R og den tilhørende mikrolinse LS kobles direkte med den lysledende fiber FO, uden at der som i fig. 1 indføres et objektiv OB.

I fig. 3 ses en fotodetektor R', som er analog med den fotode-15 tektor, der er vist i fig. 1, men som f.eks. kan bestå af seks lysfølsomme celler SI ... S6, som har form som cirkeludsnit og er forbundne i serie. Betegnelsen LS angiver mikrolinser af samme type som vist i fig. 1.

20 Antallet af lysfølsomme celleudsnit, hvori fotodetektorens R' overflade er opdelt, kan være vilkårlig, idet deres antal afhænger af den krævede udgangsspænding og af den anvendte optiske effekt.

25 I det følgende skal virkemåden af den optiske kobler ifølge opfindelsen beskrives nærmere.

På modtagersiden belyser lyskeglen Θ, som kommer fra fiberens FO endeflade a, objektivet OB, idet åbningsvinkelen afhænger 30 af den normerede åbningsvinkel for den anvendte lysleder. Eftersom endefladen a er placeret i brændpunktet for linsen OB, vil der på udgangssiden af objektivlinsen OB være et bundt parallelle stråler, som belyser overfladen af fotodetektorens R.

Her omformes den optiske information til elektrisk informa-35 tion, som ledes til modtageren RC.

Det er klart, at ved konvertering går den del af den optiske effekt, som falder i den centrale zone af fotodetektoren R, hvori mikrolinsen LS er placeret, tabt.

DK 158754 B

6

Ved transmissionsenden konverteres den information, som kommer fra senderen T ved lyskilden SS, til lysinformation.

Den optiske effekt, som udsendes af lyskilden SS, og som fal-5 der inden for modtagevinkelen α af mikrolinsen LS, ledes af denne og udsendes i form af parallelle stråler imod objektivet OB. Disse stråler fokuseres fra OB på endefladen a af den lysledende fiber FO med en fast vinkel β, der helt afgjort er mindre end den typisk modtagevinkel Θ for fiberen FO.

10

Dampningen på modtagersiden skyldes dels den dæmpning, der indføres på grund af objektivet OB og er af størrelsesordenen 1 dB, og skyldes dels den lyseffekt, der ikke anvendes, som belyser endefladen af mikrolinsen LS, som er indskudt i cen-15 trum af fotodetektoren R. Det er indlysende, at den sidste del er proportional med forholdet mellem arealerne af fotodetektoren R og endefladen af mikrolinsen LS. Tabet formindskes, når forholdet forøges — 20 len speciel udførelsesform ifølge opfindelsen er dette areal-forhold i overensstemmelse med de i handelen værende kompoen-ter og ud fra praktiske betragtninger sat til 1/12,5, hvorved der opnås en dæmpning på 0,3 dB.

25 Følgelig er den samlede dæmpning, som opnås på modtagersiden af den foreliggende kobler ca.1,3 dB, hvilket er væsentligt mindre end, hvad der tilbydes af kendte apparater af denne art.

30 Dæmpningen ved senderenden er i hovedsagen forårsaget af objektivet OB, eftersom den dæmpning, der introduceres igennem mikrolinsen LS, som kendt er, kan negligeres.

Strukturen af apparatet vist fig. 1 gør det muligt at opnå et 35 optimalt effektivitetsniveau ved den optiske kobling mellem lyskilden LS og den lysledende fiber FO.

Ved at vælge lyskilden LS på passende måde med et tilstrække ligt lille lys ud send ende areal, en mi kroli nse LS med en til-

DK 158754 B

7 strækkelig stor normeret åbningsvinkel i forhold ti Ifiberen FO og en lysledende fiber FQ med en kernesektion, der i hvert fald er lig med billedet af det lysudsendende areal (således som det produceres af objektivet OB på endefladen a af den 5 lysledende fiber FO), kan der indsendes en optisk effekt, som er større end den, der ville kunne indsendes i direkte kboling mellem lyskilden SS og lyslederen FO.

Ved at virke på denne måde kan man udnytte den optiske effekt, 10 som kommer fra en lyskilde LS, med en lysudsendelseskegle a, som er større end den tilsvarende modtagekegle 0 for lyslederen FO.

Resultatet er en koblingsforstærkning, som afhænger af for-15 holdet mellem den normerede åbningsvinkel for mikrolinsen LS og den normerede åbningsvinkel for lyslederen FO.

I det netop beskrevne apparat er fotodetektoren R blevet betragtet som bestående af en enkelt celle, som uafladeligt ar-20 bejder i det lysledende område (d.v.s. med omvendt polaritet), for at afgive et elektrisk signal som funktion af det modtagne lyssignal eller i lys-spændingsområdet (d.v.s. uden polaritet), hvor den modtagne lyseffekt omsættes til elektrisk spænding, således som det ærves til fjernforsyningsformål.

25

Ved den form for transmission gennem lysledende fibre, hvor der anvendes halvlederlasere som kilder, er den indgående optiske effekt meget lille, mindre en 10 mW.

30 Hvis systemet f.eks. skal tilføres energi i form af en elektrisk spændingsforskel til elektrisk kredsløb, skal spændingen på udgangen af fotodetektoren være af størrelsesordenen flere volt. 1 I tilfælde af en silicium-fotodetektor er én celle tilstrækk-kelig, eftersom den spænding denne celle kan producere under de bedste betingelser, er af størrelsesordenen 0,3-0,4 volt.

DK 158754B

8 I disse tilfælde har en ensartet underinddeling (fig. 3) af detektorområdet for at opnå en serie af celler, der er så ensartede som muligt, vist sig at være den mest bekvemme måde at opnå den ønskede udgangsspænding.

5

Sektorinddel i ngen har vist sig at være den mest bekvemme måde til at sikre en ensartet fordeling af den optiske effekt imellem de forskellige zoner, uanset om den kommer fra en lysleder med en gradueret eller med en trinvis indeksprofil.

10

De individuelle sektorer skal såvidt muligt have den samme spændings-strømkarakteristik, eftersom de har en samlet virkningsgrad, som bestemmes af den dårligste af dem, da de virker som strømgeneratorer og er forbundet i serie.

15

For at være i stand til at realisere varianten afbildet fig. 2 ved senderenden, behøver lyskilden LS ikke at være placeret i en afstand fra mikrolinsen LS, der svarer til dennes brændvid-de F2, således som det er tilfældet i fig. 1. Lyskilden skal 20 derimod trækkes tilbage, således at strålerne, som kommer ud fra LS ikke længere er parallelle, men konvergerer og kan fokuseres direkte på lyslederens FO endeflade a med en fast vinkel, som er mindre end lyslederens normerede åbningsvinkele, forudsat at lyslederen FO er placeret i en passende afstand 25 fra mikrolinsen LS.

På modtagersiden virker apparatet uændret under forudsætning af, at overfladen af detektoren R belyses passende med den lyskegle, som trænger ud fra lyslederen FO, hvilket med lethed 30 kan opnås blot ved at påvirke afstanden mellem fotodetektoren R og lyslederens endeflade a.

Eftersom mikrolinsen LS ikke nødvendigvis er fast forbundet med fotodetektoren R, men kan bevæge sig frit inden i fotode-35 tektoren, er det klart, at de to ovenfor nævnte justeringer af afstandene mellem lyslederens endeflade a og mikrolinsen LS og mellem lyslederens endeflade a fotodetektoren R er fuldstændig forene!ige.

DK 158754 B

9

Det er indlysende, at den sidste udførelsesform gør det muligt at spare omkostningerne til et objektiv OB og den dæmning, der er forbundet hermed.

5 Specielt skal det nævnes, at på modtagersiden er den enste dæmpning den dæmpning, som afhænger af det tidligere nævnte forhold mellem arealerne af fotodetektoren R og tværsnittet af mikrolinsen LS, og denne dæmpning har i gennemsnit en værdi på ca. 0,3 dB.

10

Ved senderenden er der på grund af elimineringen af objektivet OB kun den dæmpning, som indføres af mikrolinsen LS, hvilken dæmpning som bekendt kan negligeres, men forstærkningen på grund af forholdet mellem den normerede åbningsvinkel af mi-15 krolinsen LS i forhold til åbningsvinkelen for fiberen FO falder en smule på grund af den forøgede afstand til lyskilden LS, som er flyttet bagud i forhold til mikrolinsens brændpunkt.

20 Ved at udnytte åbningsvinkelen af den lyskegle, som kommer ud fra lyslederen FO. kan størrelsen af fotodetektorens R kilde forøges, således at den forbedrer forholdet mellem arealet af overfladen og arealet af mikrolinsens tværsnit.

25 På denne måde kan der opnås en højere effekt, f.eks. til spændingsforsyningsformål .

Hvis den effekt, der modtages fra lyslederen FO, er af samme størrelsesorden som den effekt, der udsendes af lyskilden SS 30 og reflekteres af de forskellige optiske overflader, kan der opstå støj, således som det er velkendt, mellem det udsendte og modtagne signal.

I dette tilfælde burde bølgelængderne af det transmitterede 35 lyssignal være forskellige fra bølgelængderne af det modtagende signal, og kobleren burde derfor gøre selektiv.

Dette kan opnås ved at indføre et normalt interferensfilter, som ikke er vist på tegningen, og som dækker den aktive over-

Claims (6)

1. 5 Kobleren kan varieres på mange måder inden for opfindelsens rammer. Patentkrav.
2. 1. Optisk kobler til at koble en lysledende fiber (FO) både til en lyskilde (SS), der udsender lys i afhængighed af et elektrisk indgangssignal, og til en lysmodtager, der konverterer det indfaldende lys til et elektrisk indgangssignal, hvil- 15 ken lysmodtager omfatter en fotodetektor (R), som har en lysindfaldsoverflade og i midten af denne et hul, hvori en optisk komponent med et tværsnit, der er meget mindre end fotodetektorens lysindfaldsoverflade, er placeret, på bagsiden af hvilken optisk komponent lyskilden er placeret, hvilken optisk 20 komponent leder lyset, der kommer fra lyskilden (SS) ind i endefladen (a) af lyslederen, som er anbragt overfor fotodeto-rens lys indfaldsflade, k e n d e t e g n e t ved, at den optiske komponent er en fokusernede mikrolinse (LS), der udsender parallelle eller konvergerende lysstråler. 25
3. 2. Optisk kobler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den relative placering af mikrolinsen (LS) og fotodetektoren (R), afstanden mellem mikrolisen (LS) og lyskilden (SS), og afstanden mellem fotodetektoren og den lysledende fibers 30 endeflade (a) kan variere således, at den optiske effekt, som overføres fra lyskilden (SS) til lyslederen (FO) og fra lyslederen til fotodetektoren (R) er stå stor som mulig.
4. 3. Optisk kobler ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet 35 ved, at fotodetektoren (R) belyses med parallelle lysstråler, som kommer fra et objektiv (08), og at der på den anden side af dette objektiv i objektivets brændpunkt er placeret endefladen af den lysledende fiber (F0), og ved, at lyskilden (SS) DK 158754 B er placeret 1 brændpunktet af den ene ende af mikrolinsen (LS), og at de parallelle lysstråler, som udgår fra mikrolin-sens anden ende, fokuseres af objektivet (08) og sendes ind i endefladen (a) af den lysledende fiber (FO). 5
5. 4. Optisk kobler ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at fotodetektoren (R) består af et antal celler (SI ... S6), som er radiært symmetriske og er elektrisk forbundet i serie. 10 '5. Optisk kobler ifølge krav 1, 2, 3 eller 4, kendetegnet ved, at mikrolinsen (LS) er frit bevægelig i akseretningen i det centrale hul i fotodetektoren (R), hvori den er indført. 15
6. 6. Optisk kobler ifølge et eller flere af de foregående krav, kendetegnet ved, at mikrolinsen (LS) består af et afskåret stykke af en optisk fiber med et brydningsindeks, der varierer gradvist i radiær retning. 20 25 30 35