FI82778C - Ljusvaogledarfoergrening. - Google Patents

Description

1 82778

Valoaaltojohdinhaarauma

Keksinnön kohteena on valoaaltojohdinhaarauma patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaisesti.

Alussa mainitun laatuisia haaraumia on jo ehdotettu optista viestintätekniikkaa varten optisten multi-/demultiplekserei-den valmistamiseksi erilaisissa kompakteissa linssittömissä rakennemuodoissa. Niiden karakteristisia tunnusmerkkejä ovat säteenjakoperiaatteen käyttö spektroselektiivisen säteenjakopeilin kanssa tavanomaisen säteenjakopeilin sijasta. On osoittautunut, että spektroselektiivisissä säteenja-kopeileissä säteilyn tullessa vinosti esiintyy polarointi-ilmiöitä, jotka ovat sitä suurempia, mitä suurempi tulokulma on. Nämä polarointi-ilmiöt rajoittavat haarautumalla saavutettavaa kanavaväliä. Julkaisuista IEEE Trans. COM-26 (1978), s. 1082, Fiber Integr. Opt. 2 (1979) 1 ja Electron. Lett. 15 (1979) s. 414 sekä hakemusjulkaisusta DE-2 903 288 tunnetaan japanilaisten ryhmien töitä, joissa käytetään linsseillä varustettuja monimutkaisia laitteita ja pienennetään lähes pystysuoran säteilyntulon avulla tai pienten tulokulmien avulla häiritseviä polarointi-ilmiöitä. Julkaisusta "IBM Techn. Disci. Bulletin" 16 (1973):1, heinäkuu, N.Y. H.H. Bloem et ai., s. 146-147 on tunnettu haarautuma, joka on nk. 45°-T-kytkentä ilman kollimaattorilinssiä, jolloin peilikerros on järjestetty epäedulliseen 45° kulmaan valojohdinten yhteiseen akseliin nähden ja jolloin haaroi-tettu valojohdin on 90° kulmassa mainittuun akseliin nähden.

Keksinnön tehtävänä on osoittaa, miten alussa mainitun laatuisessa haarautumassa, joka lähtee siis säteenjakoperiaatteesta, voidaan pienentää polarointi-ilmiöitä ilman linssien käyttöä.

Tämä tehtävä ratkaistaan patenttivaatimuksen 1 tunnusmerk-kiosan avulla.

2 82778 Tämä näin yllättävällä tavalla yksinkertainen ja näennäisesti läheinen ratkaisu johtaa huomattaviin etuihin: pola-rointi-ilmiöitä pienennetään niin huomattavasti, että ne voidaan jättää huomiotta useimmissa käytännön tapauksissa. Tällöin haarautuman rakenne pysyy yksinkertaisena, mikä rakenne on osoittautunut hyväksi toteutuksissa, joissa peili on taivutettu 45°:n kulmassa yhteiseen akseliin nähden. Perusluonnoksen säilyttäminen rakenteessa aiheuttaa kuitenkin edelleen sen, että ehdotettu haarautuma voidaan valmistaa yhtä yksinkertaisesti kuin 45° taivutetulla säteenjako-peilillä varustetut toteutusmuodot. Ehdotettu haarautuma voidaan valmistaa siten yhtä huokeasti ja massatuotantona kuin tuo toteutusmuoto.

Kuten edellä mainitussa toteutusmuodossa tulevat myös tässä ehdotetussa haarautumassa valoaaltojohtimiksi kysymykseen lasikuidut, ja sitten ensisijassa tavanomaiset ydinvaippa-lasikuidut tai myös gradientti-indeksikuidut. Jotta säteen-jakopeilissä heijastettua säteilyä ei heijasteta takaisin johtavaan kuituun, vaan se läpäisee tämän vaipan, ja voi saapua edelleenjohtavaan valoaaltojohtimeen, on ehdotetun haarautuman täytettävä seuraava ehto: arcsin(AN/nQ)<90e-arcsin (AN/ng), jossa AN on valojohtimen numeerinen apertuu-ri ja n0 on taitekerroin valojohtimen keskiakselilla. Tämä ylimääräinen ehto on yleensä ilman muuta täytettävissä.

Voi myös olla edullista ryhtyä vaatimuksen 2 mukaisiin toimenpiteisiin.

Tässä ehdotetun haarautuman mahdollisimman yksinkertaiseen käytännön toteutukseen nähden osoittautuu patenttivaatimuksen 5 mukainen suoritusmuoto erityisen tarkoituksenmukaiseksi ja edulliseksi. Kaikkia valmistusmenetelmiä, jotka ovat tunnettuja tai ehdotettuja 45° taivutetulla säteenjakopei-lillä varustetun valoaaltojohdinhaarautuman yhteydessä, voidaan käyttää vastaavasti tässä ehdotetussa haarautumassa.

Il 3 82778

Vain ohjausurien kaltevuus toisiinsa nähden ja leikkausten tai leikkauspintojen kaltevuus ohjausurien suhteen on muutettava nyt esitettyjen kulmien mukaisesti. Muut edulliset suoritusmuodot ilmenevät patenttivaatimuksista 3 ja 4.

Keksinnön erityisen tarkoituksenmukaisia suoritusesimerkkejä ja tällaisten suoritusesimerkkien valmistusta selitetään seuraavassa lähemmin kuvioihin viitaten.

Kuvioissa kuvio 1 on yksinkertaistettu kuva ehdotetun haarautuman perusrakenteesta, kuvio 2 esittää useiden vierekkäin järjestettyjen haarautumien lohkoa, jossa on kaikille haarautumille yhteinen säteen jakopei1i, kuviot 3a-3d esittävät olennaisia menetelmän vaiheita kuvion 2 mukaisen haarautuman valmistamiseksi, kuvio 4 esittää haarautumien kaskadia, jossa useat säteenja-kopeilit erottavat toisistaan useita samanakselisia valoaalto johtimia, ja kuvio 5 esittää haarautumien järjestystä, jossa yhdeltä säteenjakopeililtä seuraavalle johtava valoaaltojohdin on toiselle säteenjakopeilille toinen valoaaltojohdin ja toiselle säteenjakopeilille samanakselinen valoaaltojohdin.

Kuviossa 1 esitetty haarautuma käsittää molemmat samanakse-liset ydinvaippalasikuidut 1 ja 1', joiden yhteisiä 4 82778 akselia on merkitty numerolla 10. Molemmat lasikuidut 1 ja 1' on erotettu toisistaan vinosti yhteiseen akseliin 10 nähden järjestetyn säteenjakopeilin 3 avulla. Säteenjakopeili 3 on spektroselektiivinen säteenjako-peili, esimerkiksi optinen reunasuodatin. Kuvion 1 mukainen haarautuma on esitetty siten, että säteenjako-peili 3 on pystysuorasti piirustustasossa, niin että vain peilin ura on nähtävissä. Kuviosta 1 nähdään selvästi, että kulma 3, jossa peili 3 on taivutettu yhteiseen akseliin 10 päin, on suurempi kuin 45°, mikä tarkoittaa, että peili on taivutettu suhteellisen jyrkästi yhteiseen akseliin 10 nähden.

Valonsäde, joka osuu yhteistä akselia 10 pitkin vasemmalta tulevana peiliin 3, halkaistaan tällä, jolloin osa kulkee peilin 3 kautta ja leviää tämän takana yhteistä akselia pitkin oikealle. Toinen osa heijastetaan peilillä 3 katkoviivoin esitettyä viivaa 20 pitkin. Viiva 20 leikkaa yhteisen akselin 10 peilin 3 päällä.

Lasikuitujen 1 ja 1' viereen on järjestetty vinosti näihin nähden toinen ydinvaippa-lasikuitu 2 toiseksi valoaaltojohtimeksi. Tämä toinen lasikuitu 2 on järjestettävä siten, että sen akseli on yhdensuuntainen viivan 20 kanssa. Parasta on se, että kuidun 2 akseli osuu yhteen viivan 20 kanssa. Valmistettaessa kuvion 1 mukaista haarautumaa on tästä syystä otettava huomioon, että toisen valoaaltojohtimen 2 akseli osuu mahdollisuuksien mukaan viivan 20 kanssa yhteen. Käytännössä tämä voidaan kuitenkin saavuttaa vain sallittujen val-mistustoleranssien puitteissa, jotka voivat olla suhteellisen suuria. Sama pätee muutoin samanakselisille lasikuiduille 1 ja 1'. Kun tästä syystä patenttivaatimuksissa puhutaan samanakselisista valoaaltojohti- 11 5 82778 mistä, yhteisestä akselista, kahden akselin leikkaamisesta yhdessä pisteessä ja akselin asennoimisesta määrätyssä suunnassa, silloin tämä tarkoittaa sitä, että tämä pätee sallittujen valmistustoleranssien puitteissa. Näiden toleranssien puitteissa ovat suhteelliset siirtymät ja kaltevuudet sallittuja. Kuviossa 1 on esitetty ideaalitapaus, so. viiva 20 on samalla toisen kuidun 2 akseli ja tästä syystä sitä nimitetään myös näin seuraa-vassa. Toisen kuidun 2 samanakselisiin kuituihin 1 ja 1' päin käännetty päätypinta 4 on viistetty, nimenomaan siten, että se kulkee yhdensuuntaisesti saman-akselisten kuitujen 1 ja 1' yhteisen akselin 10 kanssa. Siten saadaan aikaan suotuisat olosuhteet heijastetun säteilyn ylikytkemiseksi toiseen kuituun 2.

Kuviossa 1 esitettyä haarautumaa voidaan käyttää multi-/ demultiplekserina kahdelle aallonpituudelle X^ ja X^.

Merkinnällä X^ on merkitty se aaltopituus, joka kulkee (2) peilin 3 läpi, kun taas λ on heijastettu peililtä 3.

Jos peili 3 on esimerkiksi lyhytaaltoisesti siirtävä reunasuodatin, niin aaltopituus X^ on lyhyempi kuin (2) aaltopituus X . Jos käytetään pitkäaaltoisesti siirtävää reunasuodatinta, ovat olosuhteet päinvastoin.

Kuviossa 2 on jätetty huomiotta taitelait. Kuidun 1 vaipalla on pienempi taitekerroin kuin kuidun 1 ytimellä. Siten taitetaan peilin heijastama valonsäde rajapinnalla ydin/vaippa. Toinen taitto tapahtuu siirryttäessä kuidun 1 vaipalta toisen kuidun 2 ytimeen. Jos kuitujen 1 ja 2 ytimillä on sama taitekerroin, niin heijastettu akselisäde jatkuu toisen kuidun 2 ytimessä samassa suunnassa kuin kuidun 1 ytimessä. Jos näin ei ole, on kuidun 2 akseli asemoitava suuntaan, jossa heijastettu säde leviäisi oletettaessa kuidun 2 toinen ydintaiteker-roin.

6 82778

Jotta kuidussa 1 vasemmalta tuleva, peilissä 3 heijastettu säteily ei heijastuisi takaisin kuituun 1, vaan voi läpäistä sen vaipan ja saapua kuituun 2, on kulman β täytettävä lisäksi seuraava ehto: arc sin (A^/n^ < β C 90° - arc sin (Ajj/n ) Tällöin tarkoittaa kuidun numeerista avauskulmaa ja nQ sen taitekerrointa.

Tällä hetkellä mielenkiintoisimmille kuitutyypeille saadaan seuraavat maksimaalisesti sallitut kulman β arvot:

Kultutyyppi_n0 6maks

Gradienttikuitu 0,18 1,46 83°

Paksuytiminen kuitu 0,4 1,6 75,5°

Jos kuitujen 1, 1' lasikuituvaippa häiritsee toisen kuidun 2 kanssa tapahtuvan kosketuksen paikalla, niin se voidaan syövyttää osittain tai kokonaan pois.

Kuviossa 2 on esitetty useiden kuvion 1 mukaisten haarau-tumaelementtien käytännön toteutusmuoto. Tukikappalee-seen on järjestetty useita samanakselisten lasikuitujen 1, 1' pareja tasoon vierekkäin ja yhdensuuntaisesti. Kaikkien parien samanakseliset kuidut 1, 1' on erotettu toisistaan samoin tukikappaleeseen 30 järjestetyn yhteisen peilikerroksen 3' avulla. Tämä peiliker-ros 3' sulkee sisäänsä kulman β tason kanssa, jossa ovat samanakselisten lasikuitujen parit. Useita muita lasikuituja 2 on järjestetty tukikappaleeseen 30 toiseen tasoon vierekkäin ja ne kulkevat samoin yhdensuuntaisesti. Muut lasikuidut 2 osuvat kulloinkin samanakselisten lasikuitujen 1, 1' yhteen pariin. Toinen taso sulkee sisäänsä kulmalla β määritetyn kulman a tason kanssa, jossa samanakselisten lasikuitujen parit

II

7 82778 ovat, minkä kulman merkitys selviää itsestään kuviosta 1. Toinen taso leikkaa tason, jossa parit ovat, yhteisen säteenjakopeilin 3' päällä.

Kuvioiden 3a - 3d avulla selitetään olennaiset menetelmän vaiheet kuviossa 2 esitetyn kompaktin rakenneosan valmistamiseksi. Piilevyissä 6, 6a tuotetaan epäiso-trooppisen syövytyksen avulla V-vaot, joihin kitataan lasikuidut 5, 5a. Piilevy 6 kitataan lasilevyn 7 päälle, nimenomaan siten, että vaotettu sivu on lasilevystä 7 poispäin. Näin syntyy kuviossa 3a esitetty lähtö-osa. Levy 6a kitataan kahden lasiprisman 8, 9 väliin kulmilla a. Näin saadaan kuviossa 3b esitetty lähtöosa. Piilevyn 6a vaotettu sivu on prismaan 9 päin. Kuviossa 3b tämä on esitetty siten, että piilevy 6a on pysty-suorasti piirustustasolla.

Kuviossa 3b esitetty lähtöosa leikataan viivaa I-I pitkin kahteen osaan. Leikkaus tapahtuu siten, että kuviossa 3b valitussa esityksessä olevat leikkauspinnat kulkevat pystysuorasti piirustustasoon nähden.

Kuviossa 3b viivan I-I yläpuolella olevan yläosan leik-kauspinta kiillotetaan ja sitten yläosa kitataan kiillotetusta leikkauspinnastaan kiekon 6 päälle, nimittäin siten, että yhdensuuntaisissa vaoissa olevat lasikuidut 5a osuvat samoin yhdensuuntaisissa vaoissa oleviin lasikuituihin 5. Näin saadaan aikaan kuviossa 3c esitetty väliosa. Tämä osa leikataan viivaa II pitkin pystysuorasti piirustustasoon nähden, leikkauspinnat kiillotetaan ja toiselle leikkauspinnalle levitetään koko pinnalle osittain läpäisevä peilikerros, esimerkiksi höyrystämällä aaltopituusselektiivinen dielektri-nen monikerrosjärjestelmä. Näin muodostetut molemmat osat liitetään yhteen ja kitataan kuviossa 3d esitet- 8 82778 tyyn päävaiheeseen, joka vastaa kuviossa 2 esitettyä rakenneosaa. Lasikuidun 5a käytetyt osat vastaavat kuviossa 3 esitettyjä kuituja 2 ja kuitujen 5 samanakse-liset osat vastaavat samanakselisten kuitujen 1 ja 1' pareja.

Jos kuviossa 3b esitetty osa jaetaan pystysuorien leikkausten läpi yhdensuuntaisesti piirustustasoon nähden kulloinkin samanakselisten kuitujen parin välistä, niin voidaan saada kuvion 1 mukaisia yksittäisiä haarautumia .

Juuri esitetyn menetelmän avulla voidaan valmistaa vaikeuksitta 10-20 haarautumaa ja enemmänkin. Menetelmässä on tärkeää, että molemmissa piilevyissä 6, 6a olevat vaot valmistetaan samalla menetelmällä.

Kuvio 4 esittää kolmen haarautuman kaskadia siirrossa, jotka haarautumat ovat samankaltaisia kuin kuviossa 3b esitetyt. Puskukytkennän aiheuttamia häviöitä esiintyy siirtävässä kanavassa vain säteenjakopeileissä 3'*.

Jos useita haarautumia järjestetään heijastukseen, esimerkiksi kuten kuviossa 5 on esitetty, niin ei voida välttää ylimääräisiä puskukytkennän aiheuttamia häviöitä siirtymissä 12 ja 13 niissä tarpeellisen V-vakojen suuntauksen käännön johdosta.

Yhdistämällä kuvioissa 4 ja 5 esitetyt laitteet voidaan saada aikaan puurakenteita, jotka ovat erityisen suotuisia multi-/demultiplekseissa.

Kaikissa monimutkaisissa laitteissa on tilasyistä tarkoituksenmukaista työskennellä kuituhännillä.

Il

Claims (5)

9 82778

1. Säteenjakoperiaatteen mukainen taajuusselektiivinen valoaaltojohdinhaarautuma, jolla on vähäinen polarisaatio-vaikutus ja jossa on osittain läpäisevän taajuusselektiivi-sen säteilynjakopeilin (3, 3', 3”) toiselle puolelle järjestetty kaksi valoaaltojohdinta (1, 2) siten, että näistä valoaaltojohtimista ensimmäisestä (1) lähtevä valonsäteily osuu peiliin (3, 3’, 3") ja toinen valoaaltojohdin (2) vastaanottaa peilistä (3, 3', 3") heijastuneen säteilyosuu-den, jolloin peilin (3, 3', 3") toiselle puolelle on järjestetty lisävaloaaltojohdin (1') siten, että se vastaanottaa peilin (3, 3', 3”) läpi tunkeutuneen mainitusta ensimmäisestä valoaaltojohtimesta (1) lähteneen säteilyn osuuden, jolloin peili on sovitettu kaltevuuskulmaan (β) ensimmäisen valoaaltojohtimen (1) akseliin (10) nähden ja tämän ensimmäisen valoaaltojohtimen kanssa linjassa olevan lisävaloaal-tojohtimen (1') akseliin (10) nähden, joka kulma on välillä 45-90° sekä lähempänä 90°, ja jolloin toisen valoaaltojohtimen (2) akseli (20) yhdessä molempien valoaaltojohtimien (1, 1'), jotka ovat samassa linjassa yhteisen akselin kanssa muodostaa kulman (a), joka on välillä 0-90°, tunnettu siitä, että ensimmäisestä valoaaltojohtimesta (1) lähtevä sekä peiliin (3, 3', 3") osuva säteily ja peilistä (3, 3', 3") heijastunut ja toisen valoaaltojohtimen (2) vastaanottama sekä peilin (3, 3', 3") läpi tunkeutunut ja lisävaloaalto-johtimen (1') vastaanottama säteilyosuus kulloinkin leviävät ilman kollimaatiota, ja että toistensa kanssa linjassa olevat ensimmäinen valoaaltojohdin (1) sekä lisävaloaaltojohdin (1') ulottuvat osittain läpäisevään peiliin (3, 3', 3") asti, ja että toinen valoaaltojohdin (2) ulottuu siihen niistä linjassa toistensa kanssa olevista valoaaltojohtimista, joka vastaanottaa heijastuneen säteilyosuuden, ja että toisen valoaaltojohtimen (2) päätypinta (4) rajakohdassa toistensa kanssa linjassa oleviin valoaaltojohtimiin nähden on yhdensuuntainen molempien valojohtimien yhteisen keskiak-selin (10) kanssa. 10 82778

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen haarautuma, tunnettu siitä, että ensimmäinen (1) linjassa toistensa kanssa olevista valoaaltojohtimista (1, 1') on lasikuitu, jossa on ydin ja vaippa, jolloin vaippa on poistettu ainakin kosketuskohdassa toiseen valoaaltojohtimeen (2).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen haarautuma, tunnettu kahdesta tai useammasta osittain läpäisevien säteenjakopei-lien (3") toisistaan erottamasta linjassa olevasta valoaal-tojohtimesta, joista kunkin peilin (3") kohdalla haarautuu 1i sävaloaaltoj ohdin.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-3 mukainen haarautuma, tunnettu siitä, että kaksi tai useampia, pareittain samanakselisia, osittain läpäisevän säteenjakopeilin toisistaan erottamia valoaaltojohtimia sekä jokaisen peilin kohdalla mainituista valoaaltojohtimista haarautuva valoaalto johdin on yhteenkytketty siten, että ainakin yksi haaroi-tetuista toisista valoaaltojohtimista (2, 2a) on puskukyt-ketty haarautumassa toiseen (la, Ib) keskenään samanaksie-lisista valoaaltojohtimista.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-4 mukainen haarautuma, tunnettu siitä, että on järjestetty useita samanakselisten valoaaltojohdinten ryhmiä vierekkäin tuki-kappaleelle (30) tai sen päälle siten, että on järjestetty ainakin yksi erilaisille ryhmille yhteisesti kuuluva, sa-manakseliset valoaaltojohtimet (1, 1') toisistaan erottava säteenjakopeili (3').