NO164562B

NO164562B - Optisk forgreningsledd.

Info

Publication number: NO164562B
Application number: NO814004A
Authority: NO
Inventors: Edgar Weidel
Original assignee: Licentia Gmbh
Priority date: 1980-11-27
Filing date: 1981-11-25
Publication date: 1990-07-09
Also published as: EP0053324B2; NO164562C; DK156496B; EP0053324A3; DK156496C; DK500881A; EP0053324B1; EP0053324A2; DE3135312A1; NO814004L; US4867520A

Description

Oppfinnelsen angår et optisk forgreningsledd bestående av minst tre lysbølgeledere som er slik anordnet at deres optiske akser skjærer hverandre i minst ett punkt som ligger på endeflaten av en lysbølgeleder på hvilken det er anbrakt et reflekterende sjikt som delvis reflekterer og delvis slipper gjennom det fra sende-lysbølgelederen ankommende lys.

Sådanne forgreningsledd er tidligere kjent, eksempelvis fra artiklene av H.F. Mahlein et al.: "Interference filter as fiber directional coupler for W.D.M.", Electronic Letters nr. 16, 1980, sidene 584-85, og E. Miyanchi et al.: "Compact wavelength multiplexer using optical-fiber pieces", Optics Letters nr. 5, 1980, sidene 321-322.

I sådanne anordninger blir endeflatene av optiske fiberstykker festet på minst mulig avstand fra hverandre på

en slik måte at en oppdeling av lyset fra en fiber på flere fibrer blir mulig ved hjelp av deigjennomslippelige eller bølgelengdeavhengige speilflater som er anbrakt på skrått polerte fiberendeflater. I hver av de nevnte anordninger blir det benyttet et materiale for tilpasning av de optiske brytningsindekser mellom fiberendene. Da det i alle de nevnte anordninger benyttes dielektriske speilskikt, er det vanskelig eller umulig å sammensveise fiberender og ytterligere optiske byggedeler. En enkel, kjent, optisk indekstilpasning består i å fylle mellomrommet mellom fiberendene med et gjennomsiktig kunststoff, f.eks. epoksyharpiks. For forsøksmodeller er dette absolutt en løsning. Det er imidlertid tvilsomt om en sådan anordning har den langtidsstabilitet som kreves for en industrielt benyttet anordning. De lysintensiteter som vanligvis opptrer i fiberoptiske systemer, er nemlig meget høye: For en gradientfiber med en kjernediameter på 50ym

og en lysytelse på 2 mW, som ledes i fiberkjernen, beregnes en intensitet på 100 W/cm 2. Denne intensitet er meget høy.

Det stilles derfor det spørsmål om et organisk kitt (f.eks. epoksyharpiks) ved en stadig belysning med en så.høy lys-intensitet ikke utsettes for en aldringsprosess som for eksempel fører til en fordunkling eller absorbsjon av det i begynnelsen gjennomsiktige kitt.

Formålet med oppfinnelsen er derfor å forbedre sådanne optiske forgreningsledd på en slik måte at en tilpasning av de optiske brytningsindekser unngås og en god langtidsstabilitet kan oppnås.

Ovennevnte formål oppnås ifølge oppfinnelsen med et optisk forgreningsledd som er kjennetegnet ved de i patentkrav 1 angitte, karakteriserende trekk.

Hensiktsmessige utførelsesformer er angitt i underkravene.

En fordel med oppfinnelsen består i at det

optiske forgreningsledd kan utføres som et vedlikeholdsfritt, optisk byggeelement.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utførelseseksempler under henvisning til de skjematiske tegninger, der fig. 1-4 viser utførelses-eksempler på oppfinnelsen, og fig. 5 viser et skjematisk diagram for forklaring av fig. 3 og 4.

Oppbygningen av et sådant forgreningsledd skal

forklares under henvisning til fig. 1. Det eksempelvis i en lyslederfiber 10, med kjerne 16 og mantel 17, ankommende lys (piler) skal i denne forbindelse oppdeles på lyslederfibrene 20 og 3 0. Lyslederfiberens 10 endeflate 13 danner en vinkel på 90° med den optiske akse 11, og det fra lyslederfiberen 10 i rommet 40 uttredende lys blir ikke brutt, men fortsetter videre i retning av den optiske akse 11 og treffer et optisk sjikt 24, eksempelvis et dielektrisk, halvgjennomslippelig speil. En del av lyset reflekteres under refleksjonsvinkelen og innkoples eller innstyres i lyslederfiberen 30. I det viste utførelseseksempel er tre lyslederfibrer 10, 20 og 30 anordnet på en slik måte at deres optiske akser 11, 21, 31 har et felles punkt 22 som ligger på sjiktet 24. Den andre del av lyset blir ved sjiktet 24 brutt under en vinkel f?> sin -1 (—— 1sin a) inn i lyslederf iberen 20. Her er

nK

nR den effektive brytningsindeks for fiberkjernen 26, og a er lysets innfalls- og refleksjonsvinkel. For en vinkel y gjelder dessuten følgende: y 90° -

De i utførelseseksemplet benyttede data er følgende:

For innfallsvinkelen ot kan det i stedet for denne også velges en annen vinkel, fortrinnsvis mellom 20° og 45°. Vinklene 3 og y fremkommer på tilsvarende måte.

Typen av det dielektriske sjikt 24 bestemmer oppdelingen av lyset i lyslederfiberen 20 og lyslederfiberen 30. Alt etter systemkravene er det mulig å velge et delings-forhold på 1:1, eller et forhold som avviker fra dette.

Videre er det mulig å velge oppdelingen bølgelengdeuavhengig for de deltagende bølgelengder, eller også bølgelengdeavhengig. I det bølgelengdeavhengige tilfelle er eksempelvis sjiktet 24 slik utformet at lys med bølgelengdene X og ^ ankommer gjennom lyslederfiberen 10, lys med bølgelengden innmates med høy koplingsvirkningsgrad i lyslederfiberen 20 og lys med bølgelengden \^ innmates med høy koplingsvirkningsgrad i lyslederfiberen 30. En sådan anordning utnytter sjiktets 24 dikroiske oppførsel og kan eksempelvis benyttes i en optisk demultiplekser.

Lysstrømmens retning er i det minste delvis reverser-bar. Således kan man eksempelvis tenke seg en byggedel for såkalt dupleksdrift (utnyttelse av en ledning i to retninger), ved hvilken det i lyslederfiberen 10 ankommende lys med en bølgelengde eksempelvis fullstendig innmates i lyslederfiberen 30, mens i lyslederfiberen 20 ankommende lys (mot pilretningen), med bølgelengde X2' innmates mest mulig fullstendig i lyslederfiberen 10 (mot pilretningen). En sådan byggedel muliggjør en dupleksdrift mellom to abonnenter.

Ved siden av unngåelsen av kittmateriale består en ytterligere, vesentlig fordel ved utførelsen ifølge oppfinnelsen, i forhold til de innledningsvis nevnte, kjente løsninger, i at det kan benyttes sjikt 24 med gunstigere egenskaper. Dersom det i kjente løsninger benyttes en vinkel 3 mellom sjiktets 24 flatenormaler og fiberaksen 11 for det ankommende lys, faller lyset i retning fra glass-siden

(brytningsindeks - 1,5) på sjiktet 24. I forgreningsleddet ifølge oppfinnelsen faller derimot lyset i retning fra glass-siden på sjiktets 24 under en vinkel 3. Fra optikken for tynne sjikt er det kjent at kantsteilheten (optisk filtervirkning) for et dielektrisk stråledelersjikt i bølgelengde-området kan gjøres desto større jo mindre lysets treff- eller anslagsvinkel på sjiktet avviker fra loddrett anslag. Ved avvikelser fra loddrett anslag blir de forskjellige polarisa-sjonsretninger av lyset reflektert hhv. sluppet gjennom med

forskjellig refleksjonsevne og forskjellig bølgelengdeavhengig-het. Ved en divergerende lysbunt blir likeledes kantsteilheten desto mer forringet jo mer anslagsvinkelen avviker fra loddrett anslag. Ved avkall på et optisk kittsjikt er vinkelen 3 for en optisk filtervirkning viktig, ved samme vinkel cx som i de kjente, kittede løsninger, mens vinkelen a i det kittede tilfelle er den bestemmende vinkel. Dersom vinkelen a eksempelvis reduseres til 20°, blir vinkelen 13,5°. Ved en sådan anordning kan det benyttes stråledelersjikt med fremragende kantsteilhet, og løsningen ifølge oppfinnelsen muliggjør derfor adskillelse av tett tilgrensende bølgelengder for bølgelengde-multipleksdrift.

Som lyslederfibre kan det benyttes alle typer av optiske fibrer,f.eks. enbølgede fibrer, multimodusfibrer méd en trinnformet brytningsindeksprofil eller gradientindeks-profil.

Forgreningsleddet ifølge oppfinnelsen er taps-beheftet da lyset i et rom 40 tilbakelegger en strekning i et medium uten bølgeledning, eksempelvis luft. I dette'

område uten ledning utvalses eller utvides lysbunten på grunn av bøyning og på grunn av stråledivergens (multimodusfiber),

og en del av lyset blir ikke lenger innkoplet i fiberkjernene. For reduksjon av disse tap er det mulig delvis å fjerne fibrenes mantler, fortrinnsvis fra lyslederfiberen 10 og lyslederfiberen 30, for eksempel ved etsing. Dermed blir lysveiene i mediet uten bølgeledning forminsket og tapene således redusert.

For beskyttelse av overflatene mot beskadigelse

eller nedslag av fuktighet er det mulig å innkapsle fiberendene på lufttett måte.

Fig. 3 og 4 viser ytterligere utførelseseksempler hvis virkemåte først skal beskrives nærmere under henvisning til fig. 5. Fig. 5 viser i et som eksempel valgt diagram de optiske koplingstap V (i dB) i avhengighet av en normert avstand s/d. Ifølge de på fig. 5 viste koplingsanordninger betyr s avstanden (optisk veilengde) mellom to endeflater av koaksialt anordnede lysbølgeledere som har en kjerne og en mantel. De viste kurver 51 og 52 refererer seg til eksempler på glassfiber-lysbølgeledere hvis mantel har en ytterdiameter på ca. 130 ym og hvis kjernediameter d beløper seg til ca. 50 <y>m. Kurven 51 viser koplingstapene, i avhengighet av avstanden s, for tilfellet plane endeflater mellom hvilke det befinner seg luft som koplingsmedium. Ifølge kurven 51 øker koplingstapene V dersom avstanden s (optisk veilengde) øker. I den koplingsanordning som ligger til grunn for kurven 52, er lysbølgeledernes endeflater sammensmeltet til sfæriske linser med en krumningsradius som er tilnærmet lik halve ytterdiameteren av mantelen. Kurven 52 viser et tydelig minimum av koplingstapene V som ligger tilnærmet ved den normerte avstand s/d = 2,4.

I et optisk forgreningsledd ifølge fig. 1 er det av konstruktive grunner ikke mulig å gjøre den optiske veilengde mellom de plane endeflater 13 og 33 mindre enn den veilengde som svarer til den normerte avstand s/d = 1,2. Ifølge fig. 5 fremkommer det av kurven 51 for denne verdi et koplingstap V

på ca. 0,9 dB. Dersom endeflatene derimot er sammensmeltet til sfæriske linser, er det ifølge kurven 52 hensiktsmessig å velge en normert avstand s/d = 2,4 ved hvilken koplingstapet bare beløper seg til 0,6 dB. Derav fremkommer en fordoblet optisk veilengde som ved et ifølge fig. 3 oppbygget forgreningsledd vesentlig forenkler både den mekaniske konstruksjon og den optiske justering. Dessuten er det mulig å velge vinkelen 2a mellom aksene 11 og 31 mindre enn 9 0°. En sådan anordning medfører den ytterligere fordel at de benyttede

interferensfiltre virker mer selektivt, for ved interferensfiltre er det hensiktsmessig å velge lysets innfallsvinkel så liten som mulig.

Ifølge fig. 4 er det videre mulig å redusere vinkelen 2a ytterligere ved at ytterdiameteren av lysbølge-ledernes mantel i området for linsene 131 og 331 reduseres, f.eks. ved hjelp av etsing.

Lysbølgeledere med smeltede linser er likeledes

med fordel anvendbare i et forgreningsledd ifølge fig. 2.

For ytterligere reduksjon av koplingstapene er det hensiktsmessig å overtrekke de endeflater som begrenser rommet 40, og/eller linsene med et såkalt antirefleksbelegg for det benyttede lys.

I et ytterligere, ikke vist utførelseseksempel er minst én av lyslederfibrene som begrenser rommet 40, erstattet av minst én fotodetektor, eksempelvis en fotodiode. Med en sådan anordning er det eksempelvis mulig å måle og/eller regulere intensiteten av det lys som innkoples i en lyslederfiber.

Claims

1. Optisk forgreningsledd bestående av minst tre lysbølge-ledere (10, 20, 30) som er slik anordnet at deres optiske akser (11, 21, 31) skjærer hverandre i minst ett punkt (22) som ligger på endeflaten (23) av en lysbølgeleder (20) på hvilken det er anbrakt et reflekterende sjikt (24) som delvis reflekterer og delvis slipper gjennom det fra sende-lysbølgelederen (10) ankommende lys, KARAKTERISERT VED - at lysbølgeledernes (10, 20, 30) endeflater (13,

23, 33) begrenser et rom (40) som er fritt for fast stoff og væske, - at sjiktet (24) er anbrakt på endeflaten (23) av den lysbølgeleder (20) som i lysfluksretningen følger etter sende-lysbølgelederen (10), og - at denne endeflate (23) er skråttstilt i en vinkel ( jf ) i forhold til den optiske akse (21) på en slik måte at det fra sende-lysbølgelederen (10) ankommende lys som treffer endeflaten (23), innkoples i lysbølgelederen (20), og det fra sjiktet (24) reflekterte lys kommer inn i den ytterligere lys-bølgeleder (30).

2. Optisk forgreningsledd ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at en sende-lysbølgeleder og minst tre ytterligere lysbølge-ledere er stjerneformet anordnet, og at det på de mot hverandre vendende endeflater av de ytterligere lysbølgeledere er anbrakt et respektivt, delvis reflekterende og delvis gjennomslippelig sjikt, slik at lys som kommer ut av sende-lysbølgelederen, fortløpende treffer de sjiktbelagte endeflater og i avhengighet av sjiktene innkoples i de ytterligere lysbølgeledere.

3. Optisk forgreningsledd ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at rommet (40) er fylt med luft.

4. Optisk forgreningsledd ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at sjiktet (24) og/eller vinkelen er slik utformet at det innfallende lys polariseres.

5. Optisk forgreningsledd ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at det på minst én flate som begrenser rommet (40) og treffes av lys, er anordnet en fotodetektor.

6. Optisk forgreningsledd ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at en lysbølgeleder (10) er utformet som en lyslederfiber som har en kjerne (16) og en mantel (17).

7. Optisk forgreningsledd ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at en lysbølgeleder (30) er utformet som énmodus-lyslederfiber.

8. Optisk forgreningsledd ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at minst to lysbølgeledere er sammen-fattet til et integrert, optisk byggeelement.

9. Optisk forgreningsledd ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at sjiktet (24) er utformet som dikro-isk sjikt.

10. Optisk forgreningsledd ifølge krav 9., KARAKTERISERT VED at sjiktet (24) er utformet som optisk filtersjikt.

11. Optisk forgreningsledd ifølge krav 10, KARAKTERISERT VED at sjiktet (24) er utformet som kant-filtersjikt.

12. Optisk forgreningsledd ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at den ene endeflate av en lysbølgeleder (10) er sammensmeltet til en optisk linse (131) (fig. 3).

13. Optisk forgreningsledd ifølge krav 12, KARAKTERISERT VED at det er anordnet minst to lysbølgeledere (10, 30) hvis ender er sammensmeltet til optiske linser (131, 331), og at den mellom linsene (131, 331) tilstedeværende, optiske veilengde (s) er valgt slik at det over denne overførte lys oppviser minimale koplingstap (fig. 5).

14. Optisk forgreningsledd ifølge krav 12 eller 13, KARAK-TERISERT VED at ytterdiameteren av minst én lysbølgeleder (10), som kan være utformet som linse (131), er redusert til verdier som ligger mellom lysbølgelederens kjerne- og manteldiameter (fig. 4).

15. Optisk forgreningsledd ifølge ett av kravene 12-14, KARAKTERISERT VED at den optiske linse (131, 331) i det vesentlige er sfærisk utformet.

16. Optisk forgreningsledd ifølge krav 15, KARAKTERISERT VED at den sfærisk utformede linse (131, 331) har en linse-radius som i det vesentlige svarer til lysbølgelederens (10) halve ytterdiameter (fig. 3).

17. Optisk forgreningsledd ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at minst én endeflate, som eventuelt er utformet som linse, er forsynt med et antirefleksbelegg for det benyttede lys.