NO824425L - Koplingsanordning mellom en lyskilde med divergerende straaling og et optisk fiber - Google Patents

Description

! i Oppfinnelsen vedrører en koplingsanordning mellom en lyskildejmed divergerende stråling og et optisk fiber.

I

iProblemet med kopling mellom en kilde med divergerende stra-jling og et optisk fiber har vært studert med henblikk på ' å

:øke den brøkdel av strålingen som oppfanges av fiberet. Di-, Irékte kopling, i hvilken kilden og fiberet ganske enkelt er'plassert vendende mot hverandre uten noe optisk mellomelement, ;har en viss effektivitet som kan økes, og koplingsanordningen iifølge oppfinnelsen tillaterøkning av forbindelsestoleransene mellom kilden og fiberet. i

; I 'Pa grunn av utviklingen av transmisjon ved hjelp av optis\ ke iii jfibre har man studert mange anordninger som kan brukes di-<!>rekte av ikke-spesialister. En av disse er en sendersokkel.: Det dreier seg om en boks inneholdende en lyskilde som f:eks'. |eri lysemitterende diode, og et mellomfiber som eventuelt<1>er ; \ foirsynt med en koplingsoptikk som sikrer optisk forbindelse jméllom boksens innside og utside og er avsluttet av en ut- i :gångsforbinder.

■ i 1

i jDeI nne koplings-mikrooptikk er vanligvis beregnet på åøke<i>■ jvirkningsgraden av koplingen mellom den divergerende strål-

i i jingskilde og transmisjonsfiberet. Et meget stort antall Islike har blitt optimert for en halvleder-laser og et fiber

iay typen "telekommunikasjon", dvs. med en typisk kjernedia-■meter på 50 um og et åpningstall på 0,18. Noen slike mikro-; iOjDtikker er tilpasset lysemitterende dioder med liten dia-imeter, f.eks. 100 pm, og fibre med stor kjernediameter, ; 'fl! eks. 200 pm. ;i i iVanligvis er mellomfibrene polert, og for å oppnå små tap i : ;koplingen kilde/mellomfiber eller mellomfiber/transmisjonsfi-|ber kreves det høypresisjons dynamisk posisjonering eller imekanikk, eller det dreier seg om besværlige prosesser.

iHvis man således bruker en boks som den ovenfor nevnte, som<!>jirineholder en kilde og et mellomfiber, og hvis man ønsker å \ ibegrense koplingstapene, blir det forholdsvis små toleranser'

Ifcr posisjoneringen kilde/mellomfiber og mellomfiber/transmisjonsfiber. Det originale i den foreliggende patentsøknad; består i å bruke en konisk optikk med større utgangsdiamqter'

evlnain rtkednr iinasmtgøestgrerrare den peon asv aiv stjokroaripnerlsmiinniggssejon tonmsleefrilbalonem rseer kti, lfdohvr en imlokeeg ltlof, mibuf etibern eerteå , t • stkii• l i ald- e,jjI

. i I forhold til transmisjonsfiberet, dvs. at utgangsforbinderen • blir enklere. : ! !I

! !■

Ar.ordningen ifølge oppfinnelsen tillater således bedring 1 av :! transmisjonsvirkningsgraden mellom kilden og fiberet. Den Jtillater fremfor alt en forenkling av forbindelsen mellom sendersokkelen og transmisjonsfiberet, og tillater også at overføringen blir stabil i et stort temperaturområde helt J op^p til høye temperaturer. Dersom diameteren av transmi-| i sjonsfiberet er nær lik diameteren av mellomfiberets utgangsr-fljate tillater, anordningen ifølge oppfinnelsen også en økning av den koplede effekt. j'

Oppfinnelsen tar sikte på en koplingsanordning • mellom enjlysf-ki.lde med divergerende stråling og et optisk transmisjon^- i fiber omfattende en diskret mellomoptikk, kjennetegnet ved'[at den optiske mellomkomponent er en konus hvis minste ende-j 'flI ate vender mot kildens sendeflate og den andre flaten v!en-der mot transmisjonsfiberets inngangsflate, idet kilden og|kcjnusen er festet på en posisjoneringsholder for å utgjøre en sendersokke.l, idet lyskildens sendeflate, konusens inngangsflate og transmisjonsfiberets inngangsflate er nesten 1

! 1 like flater, og at den optiske komponents utgangsflo ate er ! ■''

større enn transmisjonsfiberets inngangsflate og såledesjøker f orbindels.estoleransene. ;

! I

• " i Oppfinnelsen vil bli'forstått bedre ved hjelp av nedenstående beskrivelse under henvisning til de vedlagte tegninger.' j j

F:.g. 1 viser et forenklet skjema av anordningen ifølge, oppfinnelsen .

F^.g. 2 viser et spesielt trekk ved anordningen ifølge oppi -■

Fig. 3 til 7 viser de forskjellige mulige konfigurasjoner av koplingen mellom en lyskilde og et optisk transmisjonsfiber. Fig. 8 viser anordningen ifølge oppfinnelsen. Fig. 9 viser en kurve ifølge en anordning med kjent teknikk. Fig. 10 viser en kurve vedrørende anordningen ifølge oppfinnelsen.

For ifølge den kjente teknikk å sikre kopling mellom kilden 1 og fiberet 2 har man, slik fig. 1 viser, måttet innføre en optisk mellomkomponent 3 som tillater optisk kontinuitet mellom sokkelens innside og utside.

Hvis man betrakter, en kilde med emitterende flate Sd og emi-!

tscj.onnsvsviniknkeel l SlJEtld, , moå g. preot dufkibteer t mSeJV d vkæjree rnkeofnlasttae nSt ft foor g å • akopspe- pniå-mc.ksimal kopling. Men ettersom Jld er stor, må. man da hå: Sd < Sft for å holde forholdet sSi konstant. i

■I

D6:n optiske mellomkomponent kan f.eks. være en konus (avkor-, te^t kjegle) som er et transformerende element som. holder j for - holdet' Stfl konstant. Dvs. at dersom man som inngangs stør-relser betrakter inngangsflaten Se og inngangsvinkelen Ste, oc som utgangsstørrelser betrakter utgangsflaten 'S og ut- j gangsvinkelen Sl , har man SeJle = S Jl .

I

lImer idlteirlltaid ter er økenn inkog nuav s deen n åpopntinisgksae daepffteekr t sosm om i pvåtirsyske kets ilft Ieraln-si-misjonsfiberet.

Islik fig. 3 viserr blir uten konus bare den energi påtrykt fiberet som kilden påtrykker en tilsvarende konus og som opp-tas av fiberet, og forøvrig er forbindelsesnivået C ikke fullkomment.

i.

Meid konus kan koplingen være slik at en stor. del av den energi som kilden emitterer påtrykkes konusen og avgis fra den med en åpning mindre enn eller lik åpningen på transmisjons-fjberet. Hvis konusens utgangsdiameter er mindre enn eller lik fiberdiameteren, har man, slik fig. 7 viser, således økt koplingen i forhold til den foregående løsning.

Kilden og den koniske mikrooptikk kan anordnes i ett med én holder for å utgjøre en sendersokkel.

To konuskonfigurasjoner er mulige, nemlig en konus med vegger omfattende en reflekterende behandling eller også et konisk optisk fiberelement. I det som følger kan man f.eks. betrakte et konisk f iberelement. Beregningsmåten blir den samijié i begge tilfeller. Man konstaterer at helningsvinkelen 0 på grensesjiktet kjernehylse øker med en vinkel på 2e. ved hver refleksjon, dersom£er halve vinkelen ved konusens topp og dersom radien utbrer seg slik fig. 2 viser i retningen av økende konusdiameter. Oppfangningsvinkelen <=c er da bestemt av den første refleksjonen. Geometrisk kan man vise at:

For et fiber med kjerneindeks nc = 5 og hylseindeks ng = 4, hair man da: I Ved grensen har man da: *

L:.keledes kan man relatere inngangsåpningen 0N1 med utgangs-åpningen 0N2 ved hjelp av:

Hgr er n^ og n2 indeksene for midten av konusens inngangj og J

<J>uti<g>ang,og d-^og d2er kjernediametrene ved konusens inngang' 'og utgang.

•Vi skal nå betrakte flere konfigurasjoner av koplingen mel- , ilom kilden 1 og transmisjonsfiberet 2 ved å bruke et mellom-' fiber med konisk form som beskrevet foran, eller et sylin-

i idrisk fiber. l 1 1 fiber.': i

<!><!>For en standard senderkilde 1 med aktiv flate på 200 um kan ■

■tij-ansmis jonsf iberet 2 ha en k jernediameter på 200 um eller : I i i i i i40I 0 um. Figurene 3 til 7 viser mulighetene for kopling m: el■ -,; ;ic^m kilden og transmis jonsf iberet.

i ; i |I de tilfeller som fig. 3 og 5 viser, medfører bruken av jetIrett mellomfiber små toleranser i koplingen kilde/mellom-

i<1>fiber, og i figurene 3 og 6 i koplingen mellomfiber/transmi-' sjonsfiber. i '

i<;>i i !Det er kjent å bruke den montasjen som fig. 3 viser for i i 'transmisjon med fibre, f.eks. med 200 um kjernediameter.. I i !dette tilfellet er mellomfiberets kjernediameter 180 um.;

;Det er kjent å bruke den montasjen som fig. 6 viser for ti rans!-

i'■i mtiii■ slfjoen llmeet d kafn ibkr' e jeprnå edfi.eamkest. er4e0n 0 ui m mekljelormnefdibiaemreet tevræ. re I 3d5e0 tpt;! me, I'hvilket øker posisjoneringstoleransene i nivå med kilde/;

i ; mellomfiber i forhold til fig. 4 og i nivå med mellomfiber/<:>I ! jtransmis jonsf iber i forhold til fig. 5. i;• i,

Fira et mekanisk synspunkt tillater bruken av en konisk mikro-;optikk: i , ! ! i - i det tilfellet fig. 4 viser (bruk av et fiber méjd'kjernediameter nær lik diameteren av dioden) særlig økning

'av posisjoneringstoleransene i nivå med mellomfiber/transmi-; js jonsf iber, dvs. i det kritiske nivå i den avtagbare for7 ! ' i I 'bi■ nder, ; i'<!>i [ - i det tilfellet fig. 7 viser, å oppnå posisjonerings-! ptoå lefriagnur ser 3 eidlelner tis5k, e fmor ed kotoplleirnagenn sente il i kdile dvean nolg ige for løksonpinlgjengr enj

It:.l transmis jonsf iberet.

r i

I!

jFra et energisynspunkt er koplingen mellom senderen og transr misjonsfiberet beregnet for det spesielle tilfellet med |ibrp mid trinnvis indeks, og ikke begrensende, med følgende hypo-j teser: i T - tapet <* ved forbindelsen C mellom to fibre med tr;inn<r>vis indeks og med diametere d^og d^varierer, dersom i| | |k"jernediameteren for det "emitterende" fiber er større enn I idi kjernediameteren for det "mottakende" fiber, med (d^/d-, ) !, jf ■Zjl j

.elI ler i desibel: I ; |I

- tapet <* ved forbindelsen C mellom to fibre med tr! inn!-vis åpningsindeks 0N1 og 0N2 varierer, dersom inngangsåpning-i i 'I jen 0N1 på det "emitterende" fiber er større enn inngangsåp- j jningen 0N2 på det "mottakende" fiber, med (ON2/ON1)2, eller i ji desibel: 'I i i |Det dreier seg om tilnærmelser som her gir størrelsesordener! jijsamsvar med eksperimentelle resultater. Videre tar man j lilj.ke hensyn til ref leks jonstapene, og man antar koaksiale ! ;elementer unntatt i det tilfellet som fig. 4 viser hvor de i • ;bør tas i betraktning. ; La oss betrakte en koplings-mikrooptikk med konisk form mi ed i! len inngangsdiode med aktiv flatediameter på dD, et inngangs-: jf iber med k jernediameter , en åpning 0N pr, og på utgangen j il-len kjernediameter Dcr, og en åpning 0Ncr,, eller et transmis- j ljonsfiber med kjernediameter DFTog vinkelåpning ONpT. ; i Hemyiis tteDr£C te er effsetøkrtr, e er endn en elkloepr leldie k deDff, eokg t PPE „ ei r kdoenn usetont: alej |!i 11 bénne ligningen gjelder også for et ikke konisk mellomfiber,! ;.m. ei n ved a bruke en kilde med Lambert-stral ing såsom en foIto-i i jemitterende diode og ikke en laser. ; i ! iFor å påtrykke transmisjonsfiberet maksimal energi søker|man;ivanligvis å ha ligningen: j • nær lik diameteren av dioden d^. ! I II i iHv! is i dette tilfellet kjernediameteren ved konusens utga! ng,!; ii iDg^, er mindre enn eller lik diameteren D „ av transmisjons-j fiberet, blir den optiske effekt påtrykt dette: i\II i

i I • 'Bruken av en konus som vist på fig. 7 gir da en vinning i \

i i

'forholdet

i<!>

i forhold til direkte kopling av den type I i isom fig. 3 viser. ' : 1 1 fig. ' i i M : Ijdet tilfellet fig. 8 viser, har vi: j

jDet er således interessant å legge merke til at hvis transmi-;sjonsfiberets kjernediameter minst er lik konusens kjernedia-; pei ter ved dens inngang, og da lik diodens diameter, er ve<i>r-jdien av PFTi forhold til den direkte kopling a-v den type \

Jsom fig. 3 viser, minst ekvivalent. i j i I i jVidere kan man gjøre konusens inngangsf la te SE(-, større enn kildens flate SD for å ta hensyn til unøyaktig posisjonering ay konusen i forhold til kilden. i

!For en konfigurasjon hvor, slik fig. 7 viser, kildediameteren

' id' i' er mindre enn k jernediameteren D^- av transmis jonsf ibe; ret|! 1J r 1 i i får man en koplingsvinning. Ved å bruke en mellom-mikroop-

It^kk, slik fig. 7 viser, blir, for et forhold på 2 mellom DI og Dp„, den teoretiske vinning i koplingen kilde/transmisjonsfiber 6 dB i forhold til et rett mellomfiber. Eksperi-mentelt oppnår man fra 4,8 til 5,3 dB. For en konfigurasjon hyor, slik fig. 4 viser, de to diametrene er ekvivalente; oppnår man en økning av forbindelsestoleransene ved sokkel-uligangen. Denne siste anordning representerer den anordning iijølge oppfinnelsen hvor transmis jonsf iberet 2 og kombinasjon-

Feon rkløipldet e a1 v oug tmveikllloimnfgein ber av 3 et ikks'e igbn'ae'hl ø'vp'eår t' rvyækrt e ekt oatkrasni'asml' eis, 'j!ions-fiber som funksjon av uriktig aksial innsiktning.er vist i på fig. 9 for et rett mellomfiber, og på fig. 10 for.et konisk mellomfiber. j I

I første tilfelle oppstår det ét tap på 10% av signalet for en feilaktig innsiktning på 35 um. I det andre tilfel!.et blir toleransen + 90 um.

I-det tilfellet som fig. 9 viser, har mellomfiberet en kjernediameter på 200 p og i tilfellet på fig. 10 er mellomfiberets kjernediameter ved inngang og utgang 200 um og I 350 um. I i Det er da mulig å realisere en sendersokkel som er forenlig

I å

med fibre med 200 um kjernediameter, i dette tilfellet med mindre forbindelsestoleranser, og fibre med 400 um kjerne-d:.ameter, i dette tilfellet med mulighet for en koplingsyin-|

n:.ng på nær 5 dB. For å oppnå dette, passer det da å erstatj-te de rette mellom-monofibre med et konisk mellomfiber på.

200 um/350 pm. Det vil alltid være mulig å tilpasse konusens karakteristikker for å realisere ét kompromiss mellom kiplingen og mekanikkens muligheter, f.eks. ved å øke dens inngangsdiameter for å øke posisjoneringstolerarisene i ni-vae• t kild' e/konis. k fib' er' . ' ■ . ' !i'

I-

i

Claims (4)

- ■ .. ■ .; I

1. Anordning for kopling mellom en lyskilde med divergerende stråling og et optisk transmis jonsf iber omfattende ejh diskret optisk mellomkomponent, idet den optiske mellomkqm-ponent er en konus (3) hvis plane flate med minst areal <y> en-der mot kildens (1) emisjonsflate og den andre flaten mot transmisjonsfiberets (2) inngangsflate, idet kilden (1)d g konusen (3). er festet i en posisjoneringsholder for å ut-j gjjøre en sendersokkel,. idet lyskildens (1) emitterende flate kcjnusens (3) inngangsf late og transmis jonsf iberets (2) inngangsflate er nær like store flater, karakterisert ved at arealet av konusens (3). utgangsflate er større enn arealet av transmisjonsfiberets (2) inngangsflate, hvilket tillater økning av forbindelsestoleransene.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at konusen (3) er et konisk element av optisk fiber.-

3. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at konusen (3) er en konus med vegger omfattende en reflekterende behandling.

4. Anordning som angitt i krav 1, karakter i | sert ved at lyskilden (1) er en lysemitterende diode.