NL193004C

NL193004C - Aftapinrichting voor het aftappen van energie uit een optische vezel.

Info

Publication number: NL193004C
Application number: NL8303114A
Authority: NL
Original assignee: Western Electric Co
Priority date: 1982-09-09
Filing date: 1983-09-08
Publication date: 1998-07-03
Also published as: NL193004B; FR2533034A1; GB8323772D0; DE3331790C2; GB2126749B; GB2126749A; NL8303114A; FR2533034B1; JPS5972402A; JPH0526562Y2; DE3331790A1; JPS6398509U; US4802723A; CA1248382A

Description

1 193004

Aftapinrichting voor het aftappen van energie uit een optische vezel

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het aftappen van optische energie uit een continu gedeelte van een optische vezel met een door een bekleding omgeven kern, welke aftapinrichting 5 omvat: een buis van doorzichtig materiaal, welke buis een axiale groef omvat die is ingericht om de beklede optische vezel te ontvangen, zodat die buis de vezel in hoofdzaak omgeeft; en een detector die optisch is gekoppeld met een uiteinde van de buis voor het detecteren van optische energie die zich axiaal in de wand van genoemde buis voortplant.

Een dergelijke inrichting is bekend uit het artikel "Local Loss Detection for Fiber Splicing" in Laser Focus, 10 vol.18, nr. 5, mei 1982, blz. 112. De in die publicatie beschreven inrichting is een rechte buis, waarin een continu gedeelte van een optische vezel wordt geplaatst. Indien zich optische energie voortplant in de bekleding van de vezel, zal een deel daarvan worden uitgekoppeld naar de buis, en door de buis naar de detector worden geleid. Normaliter is de optische energie in een beklede optische vezel beperkt tot de kern van die vezel. De genoemde publicatie beschrijft dat, wanneer twee uiteinden van een optische vezel aan 15 elkaar worden gelast om een "splice" te vormen, ais gevolg van een misuitlijning van die twee uiteinden optische energie vanuit de kem van de eerste vezel kan terechtkomen in de bekleding van de tweede vezel, waarbij de hoeveelheid van de optische energie in de bekleding van de tweede vezel toeneemt bij toenemende misaanpassing. Bij toepassing van de in genoemde publicatie beschreven inrichting, waarbij de "splice" zich bevindt buiten de buis, is het verkregen detectorsignaal dus een indicatie voor de mate van 20 uitlijning van de twee vezeluiteinden.

Optische vezels worden in een steeds grotere mate gebruikt voor het overdragen van informatie en andere communicaties in een groot aantal verschillende situaties, waarbij informatie kan worden overgedragen over relatief kleine afstand tussen computers onderling, of over relatief grote afstand tussen centrale posten of andere installaties, over afstanden van wel enkele kilometers. Hierbij worden zowel enkelmodus-25 vezels als multimodusvezels toegepast. Daarbij kunnen meerdere apparaten zijn gekoppeld met een enkele optische vezel, zodat er behoefte bestaat aan inrichtingen voor het aftappen van energie uit een optische vezel ten behoeve van een dergelijk apparaat. Bij toepassing van de genoemde bekende inrichting zou het nodig zijn om ter plaatse van elk aftappunt een "splice” aan te brengen in die vezel.

De onderhavige uitvinding beoogt een aftapinrichting te verschaffen waarmee het mogelijk is om energie 30 af te tappen uit een continu gedeelte van een optische vezel, zonder de noodzaak om een "splice” aan te brengen in die vezel.

Daartoe heeft een aftapinrichting van het in de aanhef genoemde type het kenmerk, dat genoemde buis een bochtgedeelte omvat dat is ingericht om in een in genoemde groep geplaatste optische vezel een bocht te vormen, zodat ter hoogte van die bocht een gedeelte van de zich in de bekleding van de optische vezel 35 voortplantende optische energie zich gaat voortplanten in de wand van de buis.

De aftapinrichting volgens de onderhavige uitvinding heeft een bijzonder eenvoudige constructie en biedt een relatief hoog rendement. Voorts is het een voordeel, dat de inrichting een bijzonder goede reproduceerbaarheid biedt.

De aftapinrichting volgens de onderhavige uitvinding is zowel voor enkelmodusvezels als voor multimo-40 dusvezels toepasbaar.

In een bijzondere uitvoeringsvorm heeft de aftapinrichting volgens de onderhavige uitvinding het kenmerk, dat de buis een enkel uitgangsgedeelte heeft dat gekoppeld is met genoemde detector, alsmede meerdere ingangsgedeelten die elk onder verschillende hoeken staan ten opzichte van het uitgangsgedeelte, zodat een optische vezel kan worden geplaatst in een combinatie van het uitgangsgedeelte en 45 een geselecteerde van de ingangsgedeelten. Aldus kan een gebruiker een bepaalde gewenste afbuighoek van de vezel selecteren door een bepaald ingangsgedeelte van de buis te selecteren.

Opgemerkt wordt, dat het Amerikaanse octrooischrift 3.982.123 op zich een inrichting beschrijft voor het aftappen van energie uit een continu gedeelte van een optische vezel, welke inrichting een gebogen goot omvat voor het vormen van een bocht in de vezel. Daarbij vindt ter plaatse van die bocht een uitkoppeling 50 plaats van optische energie.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: figuur 1 een optische vezelaftapping met een rechte buis; figuur 2 een optische vezelaftapping met gebogen buis; 55 figuur 3 de meetwerkwijze voor het meten van het afgetapte signaal en de demping ten gevolg van de aftapping; figuur 4 de tussenschakeldemping als functie van het afgetapte signaal voor enkelmodus-vezelaftapping; 3 193004 micrometer. De meetinrichting is weergegeven in figuur 3. De bron 31 is een laser met een golflengte van 0,82 micrometer voor de multimodusvezel of 1,3 micrometer voor de enkeimodusvezel. Een vezelsectie L, wordt voor de aftapping geplaatst teneinde de invloed van de vezel lengte op de aftapkarakteristieken te bepalen. De aftapping zelf omvat de buis 33, welke of recht of gebogen is, waarbij de afgetapte energie 5 wordt gedetecteerd door een PIN-InGaAs diode 34. Bovendien wordt de via de vezel overgedragen optische energie gedetecteerd door een vergelijkbare PIN-diode 35. De lengte van de vezel tussen de aftapping en de uitgangsdiode 35 is aangegeven met Lq. Voor grote lengten van de vezel (dat wil zeggen 1 km of meer) wordt de vezel om een trommel met een diameter van ongeveer 20 cm (niet afgebeeid) gewikkeld. De gedetecteerde signalen uit de twee dioden worden gemeten onder gebruik van een grendelversterker 36 en 10 een referentiesignaal uit de bron. Op deze wijze kan zowel het overgedragen signaal ais het afgetapte signaal worden gemeten.

De buis, welke voor de insplitsing wordt gebruikt, is een silica glasbuis met een lengte van bij benadering 8 cm. De buis heeft een binnendiameter van 0,3 mm en een buitendiameter van 0,9 mm. Een gleuf met een breedte van bij benadering 0,3 mm is in de buis in axiale richting over de lengte van de buis gesneden.

15 Teneinde een gebogen buisconfiguratie te verkrijgen, wordt de buis verhit in een zuurstof-waterstof toorts en laat men één uiteinde over een geschikte afstand doorzakken. De vezels worden in de buizen ingebracht en de buizen worden gevuld met een brekingsindex-aanpassingsfluïdum. Het gebruik van een brekingsindex-aanpassingsfluïdum is in vele gevallen niet nodig doch vergroot de waarde van het gedetecteerde signaal.

Bij alle hier genoemde proeven heeft de optische vezel een buiten(bekledings-)diameter van ongeveer 20 125 micrometer en is de vezel bekleed met een in ultra violetlicht geharde epoxi-acrylaatlaag met een dikte van bij benadering 50 micrometer. De laag heeft een brekingsindex van ongeveer 1,51, terwijl de bekleding van de vezel een brekingsindex van ongeveer 1,47 heeft. Het is in de techniek typerend, dat een laag een grotere brekingsindex heeft dan de bekleding om modes van hogere orde uit de bekleding te "strippen”. Deze brekingsindexrelatie vergroot het rendement van de aftapping volgens de uitvinding vergeleken met 25 lagen met kleinere brekingsindex dan de bekleding. Ofschoon de laag voor een nog grotere gevoeligheid kan worden verwijderd, is dit in de meeste gevallen niet nodig. Derhalve kan de aftapping op een eenvoudige wijze worden aangebracht op of verwijderd van een gedeelte van de vezel zonder dat de vastheid van de vezel aanmerkelijk wordt gedegradeerd. Het is te verwachten, dat ander laag materialen -bijvoorbeeld siliconen of thermoplastische, warme-smeltharsen, hetzij in enkelvoudig of meervoudige lagen- eveneens op 30 een typerende vezel aanwezig kunnen zijn terwijl een bevredigend afgetapt signaal wordt verkregen.

De tussenschakeldemping van de aftakking, a,, is a, = 10 log 5^ (dB) (1) r02 waarbij P01 = het uitgangsvermogen, gemeten door de detector 35 zonder aftapping; 35 P 02= het uitgangsvermogen door de detector 35 wanneer de aftapping aanwezig is.

Het afgetapte signaal St wordt betrokken op het ingangsvermogen van de aftapping. Wanneer de aftapping bij het uitgangseind van een lange vezel wordt aangebracht, geldt

St= 10 log (dB) (2) r 01 40 waarbij P, het door de detector 34 gemeten afgetapte vermogen is.

Wanneer de aftapping aan het ingangseind van een lange vezel wordt aangebracht, geldt P P

St = 10 log 5-1- + 10 log (dB) (3) roi Π waarbij P| = het ingangsvermogen van de vezel, en de tweede term de vezeldemping is.

45 Het aftaprendement η wordt gedefinieerd door η = 100 p~p~ (%) (4) r01 ’02 η = i-iF°~a,(%) (5) 50

Enkel-modus-aftappingsresultaten

De tussenschakeldemping als functie van het afgetapte signaal voor aftappingen met rechte buis en gebogen buis, toegepast op een enkel modus-vezel, is weergegeven in figuur 4. De getrokken en gestippelde lijnen zijn de best aangepaste regressielijnen voor de vorm S, = a + b 1 n (at) en de rendementen zijn 55 in verschillende punten langs elk van deze lijnen aangegeven. De correlatiecoëfficiênten voor regressielijnen zijn groter dan 0,99. Aftappingen met gebogen buis blijken iets hogere rendementen te hebben dan aftappingen met rechte buis en hebben soortgelijke karakteristieken wanneer zij bij het ingangs- of 193004 4 uitgangseind van de vezel worden aangebracht. De tussenschakeldempingen voor een atgetapt signaal van -40 dBm (waarbij een ingangssignaal van 0 dBm wordt aangenomen) zijn bij benadering 0,022 dB/aftapping, waardoor 500 aftappingen /dB demping wordt toegestaan. Aangezien de signaaldemping optreedt tengevolge van de vezelverliezen of aftappingen, is een grotere aftapverhouding (meer buiging) 5 nodig voor het leveren van een adequaat ontvangerniveau.

Multi-modusaftakkingsresultaten

De resultaten voor een multi-modusvezel bij λ - 0,82 pm zijn weergegeven in figuur 5. Aftappingen met gebogen buis (stippellijnen) hebben aanmerkelijk hogere rendementen dan aftappingen met rechte buis 10 (getrokken lijn) en bij de ingang van een lange vezel kunnen rendementen voor zowel aftappingen met gebogen als met rechte buis groter zijn dan 100%. Dit is een gevolg van het aftappen van lek- en verlies-modi, welke bijdragen tot het afgetapte vermogen Pt doch over de vezellengte verloren gaan en niet bijdragen tot Pd Bij de aftapping 2 (11,9 graden) verkrijgt men versterking van nog een 10 dB van het afgetapte signaal ten gevolge van dit effect, dat bij toenemende buiging afneemt tot slechts 1 dB voor de 15 aftapping 6 (31 graden). De tussenschakeldemping voor aftapping 2 blijkt ongewijzigd te zijn wanneer de aftapping zich aan het ingangs- of uitgangseind van een lange vezel bevindt; er kan evenwel een betrekkelijk grote fout aanwezig zijn voor alle metingen onder 0,01 dB. De aftapping 6 veroorzaakt een dempings-afname van 0,35 dB aan de ingang van een lange vezel, vergeleken met de tussenschakeldemping aan de uitgang van een lange vezel, waarschijnlijk ten gevolge van het uitzeven van de modes van hogere orde bij 20 de ingang en het veroorzaken van een iets kleinere vezeldemping (0,14 dB/km). Bij de eenvoudige uitdrukking voor de aftappingsdemping a, is aangenomen, dat de vezeldemping constant blijft.

Evenals bij enkel modusvezels is de tussenschakeldemping voor het afgetapte signaal van -40 dBm gelijk aan 0,002 dB/aftapping, waardoor 500 aftappingen/dB demping mogelijk is voor een modale energieverdeling met bijna constante toestand (lange ingangsvezel). Correlatiecoëfficiënten voor de best 25 aangepaste regressielijnen zijn groter dan 0,99.

De zeer geringe tussenschakeldemping en het betrekkelijk grote aftaprendement, dat uit de bovenstaande proeven blijkt, maken een sterk vergrote flexibiliteit bij het ontwerp van informatie-overdrachtstelsels mogelijk. Het hoge rendement van het koppelen van verstrooide energie uit de vezel naar de detector door middel van de buis maakt meer in het bijzonder het gebruik van slechts één bocht mogelijk. Hierdoor wordt 30 niet slechts de realisatie vereenvoudigd doch wordt de extra demping in de vezel tot een minimum teruggebracht. Het hoge koppelrendement is ten dele een gevolg van het feit, dat de buis een betrekkelijk groot percentage van het vermogen opzamelt uit modi welke in de bocht worden uitgestraald doch evenwijdig of bijna evenwijdig aan de hartlijn van de vezel blijven. Bovendien is de detector zodanig opgesteld, dat deze modi, wanneer zij langs de buis worden voortgeplant, op een doeltreffende wijze 35 onderschept. Voortsmaakt de werkwijze volgens de uitvinding het mogelijk, dat het oppervlak van het koppelmedium betrekkelijk groot is voor een hoog rendement, terwijl het dwarsdoorsnede-oppervlak klein wordt gehouden, waardoor een doeltreffende koppeling naar typische snelwerkende fotodetectoren mogelijk wordt gemaakt, die betrekkelijk kleine actieve oppervlakken bezitten.

De optische vezelaftapping volgens de uitvinding kan worden toegepast in een bidirectionele configuratie, 40 zoals aangegeven in figuur 6. Bij deze configuratie zijn detectoren 61 en 62 aan tegenover elkaar gelegen einden van de buis 63 opgesteld, die een gedeelte van de optische vezel 64 omgeeft. Het gedeelte van de buis, dat de vezel omgeeft wordt over een hoek Θ gebogen voor het verschaffen van een grotere gevoeligheid, zoals boven is vermeld. Bij de configuratie volgens figuur 6 reageert de detector 61 in hoofdzaak op straling 65, die, als aangegeven, via de optische vezel 64 wordt gericht. De detector 62 is het meest 45 gevoelig voor straling 66, die in de andere richting langs de vezel wordt voortgeplant. Derhalve wordt een mate van isolatie tussen de twee detectoren verkregen. Hierdoor is het bijvoorbeeld mogelijk twee verschillende optische signalen die in tegengestelde richtingen langs de vezel worden voortgeplant, af te tappen. In sommige gevallen maakt de op deze wijze verschafte isolatie het mogelijk, dat de twee zich voortplantende signalen dezelfde golflengte hebben. In andere gevallen is een extra isolatie tussen de 50 signalen wenselijk en kan deze bijvoorbeeld worden verkregen door voor de signalen 65 en 66 verschillende golflengten te gebruiken.

Ofschoon bij het bovenbeschreven voorbeeld gebruik wordt gemaakt van een glazen buis, kunnen ook andere transparante materialen worden gebruikt. Zo zijn bijvoorbeeld typerende kunststoffen met een brekingsindex in het gebied van ongeveer 1,3 tot 1,6 in dit verband geschikt om te worden toegepast bij 55 optische vezels van of silica glas of kunststof. Zoals boven is opgemerkt, is het gebruik van een brekingsindex aanpassingsfluïdum of gel in de buis wenselijk doch in de meeste gevallen niet nodig. Het medium dat de buis onmiddellijk omgeeft, dient optische energie bij de bedrijfsgolflengte van de vezel in hoofdzaak niet

Claims

1. Inrichting voor het aftappen van optische energie uit een continu gedeelte van een optische vezel met een door een bekleding omgeven kern, welke aftapinrichting omvat: een buis van doorzichtig materiaal, 45 welke buis een axiale groef omvat die is ingericht om de beklede optische vezel te ontvangen, zodat die buis de vezel in hoofdzaak omgeeft; een detector die optisch is gekoppeld met een uiteinde van de buis voor het detecteren van optische energie die zich axiaal in de wand van genoemde buis voortplant; met het kenmerk, dat genoemde buis (21) een bochtgedeelte omvat dat is ingericht om in een in genoemde groef geplaatste optische vezel (20) een bocht te vormen, zodat ter hoogte van die bocht een gedeelte van de 50 zich in de bekleding van de optische vezel voortplantende optische energie zich gaat voortplanten in de wand van de buis.

2. Inrichting volgens conclusie is, met het kenmerk, dat een uiteinde van de buis taps toeloopt naar een kleinere diameter dan die van het gedeelte van de buis dat is ingericht om de vezel te omgeven, teneinde de koppeling met de detector te verbeteren.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat een verdere detector optisch is gekoppeld met het uiteinde van de buis dat zich bevindt tegenover het genoemde ene uiteinde van de buis.

4. Inrichting volgens ten minste één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de buis is ingericht 193004 6 om de optische vezel (20) af te buigen over een hoek (Θ) van ten minste 10°.

5. Inrichting volgens een willekeurige der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de buis een enkel uitgangsgedeelte (72; 82) heeft dat gekoppeld is met genoemde detector (71; 83), alsmede meerdere ingangsgedeelten (75, 76, 77; 85, 86, 87) die elk onder verschillende hoeken staan ten opzichte van het 5 uitgangsgedeelte (72; 82), zodat een optische vezel (74; 81) kan worden geplaatst in een combinatie van het uitgangsgedeelte (72; 82) en een geselecteerde van de ingangsgedeelten (75, 76, 77; 85, 86, 87).

5 193004 te absorberen. Dit kan geschieden door de buis te omgeven met een materiaal met een kleinere brekingsindex dan de buis. In dat geval dat de buis door lucht wordt omgeven, welke een brekingsindex van ongeveer 1 heeft, wordt dit inherent verkregen bij meer in het bijzonder uit glas of kunststof bestaande buizen. Bij andere uitvoeringsvormen van de buisconstructie kunnen evenwel andere media de buis omgeven. Zo kan 5 de buis bijvoorbeeld zijn voorzien van twee halve secties, welke zijn omgeven door kunststoforganen of I andere ondersteuningsorganen, waarbij de twee halve secties om een vezel aan elkaar zijn geklemd of op een andere wijze aan elkaar zijn bevestigd. De brekingsindex van de transparante buis welke wordt gebruikt voor het aftappen van de optische energie uit de vezel, dient dan groter te zijn dan die van het omgevende materiaal. Het is ook mogelijk het buitenoppervlak van de buis bij de bedrijfgolflengte reflecterend te maken 10 door een bekleding met een geschikt materiaal, zoals zilver, aluminium, enz. Om de hoeveelheid afgetapte energie te variëren, kan de mate van buiging van de vezel worden gewijzigd. In het geval van een aftapping met rechte buis, geschiedt dit bij voorkeur op een wijze als aangegeven in figuur 7. De detector 71 bevindt zich bij een eind van de buis 72 in een huis 73. De mate van buiging van de vezel 74 en derhalve de waarde van het afgetapte signaal, wordt bepaald door de 15 groeven 75-77, welke door de vezel worden ingenomen nadat deze uit de buis uittreedt. De plaats van de vezel wordt vastgelegd door het bovenste onderdeel 78 op het huis 73 vast te klemmen of op een andere wijze daaraan te bevestigen. In het geval van een aftapping met gebogen buis, als aangegeven in figuur 8, kan de mate van buiging van de vezel 81 in de buis 82 worden gewijzigd door middel van groeven, 85-87, zoals aangegeven. De afgebeelde buis is ingesneden om een eenvoudig inbrengen en verwijderen van de 20 vezel mogelijk te maken, welke vezel weer wordt bevestigd door het bovenste onderdeel 88 op het lichaam 83 te plaatsen. Een ander voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding houdt verband met zeer snelle signalen (dat wil zeggen signalen met grote bandbreedte), die over een optische vezel worden gevoerd, waarbij het nodig is de afgetapte energie te detecteren met zeer snel werkende detectieorganen -bijvoorbeeld een zeer snelle 25 PIN- of lawine diode. De dwarsdoorsnede-oppervlakken van dergelijke inrichtingen zijn inherent zeer klein voor het verkrijgen van een gereduceerde capaciteit, een gereduceerde looptijd, enz. voor een snelle respons. Zoals boven is opgemerkt, kan het dwarsdoorsnede-oppervlak van de buis klein zijn. Voorts kan het eindgedeelte van de buis, dat naar de detector leidt, zijn afgeschuind, door bijvoorbeeld een verhitte buis uit te trekken teneinde de diameter te reduceren, zodat de lichtenergie op een meer doeltreffende wijze 30 met het aktieve oppervlak van de detector wordt gekoppeld. Derhalve kan de inrichting volgens de uitvinding gebruik maken van het voordeel van een groot opzamelgebied voor een hoog aftaprendement, terwijl toch nog steeds een goed koppelrendement wordt onderhouden met een detector met snelle respons. De buis, welke bij de aftapping wordt gebruikt, behoeft niet stijf te zijn doch kan uit een flexibel materiaal worden vervaardigd, bijvoorbeeld siliciumoxide met een betrekkelijk geringe modulus of een ander 35 transparant polymeer materiaal. Hierdoor kan de buis worden gebogen om de proportie van het afgetapte signaal te wijzigen. Bovendien het hierdoor mogelijk zijn het aftaprendement te verbeteren zonder gebruik te maken van een brekingsindex-aanpassingslfuïdum of gel, bijvoorbeeld door op de buigzame buis een druk uit te oefenen, zodat deze zich aan de buitendiameter van de optische vezel conformeert.

6. Stelsel voor het op meerdere plaatsen aftappen van optische energie uit een continu gedeelte van een optische vezel met een door een bekleding omgeven kem, welk stelsel meerdere inrichtingen volgens één der conclusies 1-5 omvat die zijn opgesteld bij verschillende axiale posities van de vezel, waarbij de 10 bochtgedeelten van de verschillende inrichtingen bij toenemende afstand ten opzichte van een bron een steeds grotere afbuighoek (Θ) van de vezel veroorzaken. Hierbij 4 bladen tekening