SE446667B - Optisk effektdelare - Google Patents

Description

446 667 2 glasfibrerna i ett datanät kombineras och genom vilken den signaleffekt som tillföres en transmissionsledning fördelas jämnt bland ett flertal mottagande ledningar. I det enklaste fallet är en sådan multipel-effektdelare realiserad av en cylindrisk mantlad kärnstav med en längd av några cm och ungefär 1 mm diameter, mot vars ändytor de individuella glasfibrerna är anpressade (se fi- gurerna 7,8 i nämnda publikation). Multipel-effektdelare av denna typ har emel- lertid avsevärda effektförluster vilken ligger mellan ungefär 5 och 8 dB.

Ett ändamål med uppfinningen är därför att åstadkomma en effektdelare som är enkel att realisera, i vilken effekten som tas från den inkommande glasfi- bern fördelas så jämnt som möjligt bland ett flertal utgående glasfibrer och i vilken effekten kopplas in i de individuella utgående glasfibrerna med optimal verkningsgrad. Vidare är det ett önskemål med uppfinningen att åstadkomna en effektdelare med små dimensioner, vilken är anpassad till glasfibertekniken och som dessutom har en hög mekanisk styrka.

Med utgångspunkt från en delare i enlighet med ingressen till huvudkravet uppnås detta ändamål enligt uppfinningen därigenom, att i avbildningsanordning- ens öppning finns åtminstone ett plant binärt fasgitter vilket är endimensio- nellt och har en "duty"-faktor av åtminstone ungefär 1:1 och en optisk ban- skillnad av åtminstone i huvudsak H = o,s2»\+ n 'Å- ener n'= 0,5 7L+ n k där n = 0,1,2... varvid den inkommande glasfiberns ände är koaxiell med den optiska axeln och de utgående glasfibrerna är anordnade på sådant sätt att de mottar den strålning som har avböjts i de olika brytningsordningarna av fasgittret, medan?\är strålningens våglängd.

Ett strålknippe som passerar genom den inkommande glasfibern böjes eller brytes i olika brytningsordningar vid inträdet i avbildningsanordningen, i vars öppning ett fasgitter är beläget. I fallet med en 1:2 effektdelare 1 vilken den infallande strålningen fördelas mellan två utgående glasfibrer erhålles två brytningsordningar med lika intensitet. I fallet med en 1:3 effektdelare er- hålles tre brytningsordningar av lika intensitet. En jämn fördelning av effek- ten bland de utgående glasfibrerna erhålles således. Ett specifikt fördelnings- förhållande i effektdelaren kan därvid erhållas genom att variera den optiska banskillnaden för det aktuella fasgittret. För en 1:2 effektdelare krävs en optisk banskillnad av åtminstone i huvudsak H“ = 0,5 )u, medan för en 1:3 ef- fektdelare ett fasgitter med en optisk banskillnad av åtminstone i huvudsak H = 0,32P& krävs, om n = 0 väljes.

Q ¿-_-$?\ z .r L. .Af-ff AV» 3 446 667 I Jämförelse med kända effektdelare har effektdelare av detta slag en av- sevärt högre verkningsgrad vid koppling av effekten in i de utgående glasfib- rerna, d.v.s. de har väsentligt mindre effektförluster.

Binära fasgitter har endast två olika gitteramplituder. Om de dessutom har en "duty"-faktor av 1:1 så är halva deras yta inom en gitterperipd täckt med gitterstrukturerna som har den ena av de två gitteramplituderna. Medelst sådana fasgitter uppnås att effekten kopplas in i de utgående glasfibrerna med en re- lativt hög verkningsgrad, så att effektförlusterna reduceras väsentligt.

Enligt en mycket fördelaktig utföringsform av uppfinningen innefattar av- bildningsanordningen två "selfoc"-linser anordnade på en optisk axel, mellan vilka linser ett fasgitter är anordnat parallellt med linsernas ändytor och vinkelrätt mot den optiska axeln.

Vid inträde i den första "selfoc“-linsen breddas ett strålknippe som går genom den inkommande glasfibern till ett parallellt strålknippe till följd av dess speciella radiellt symmetriska brytningsindexprofil. Längden av de två "selfoc"-linserna, vilka är cylindriska och vilkas brytningsindex minskar i riktning radiellt utåt, har härvid valts så att de avbildar den punktformade strålningskällan vid utgången av den inkommande glasfibern i ett förhållande 1:1 på den yttre ändytan av den andra “selfoc"-linsen. Till följd av fasgittret som är anordnat i den parallella strålningsbanan mellan de båda linserna bildas ytterligare avbildningar av den punktformade strålningskällan vid stället för den f 1:a brytningsordningen på ett avstånd l från den 0:e brytningsord- ningen. Glasfibrerna vid detta ställe mottar strålningen och transmitterar den vidare.

Härvid är det fördelaktigt om de inkommande och utgående glasfibrerna är direkt förbundna, t.ex. limmade, med de yttre ändytorna av "selfoc"-linserna så att glasfibrerna kan lägesinställas utan ytterligare hjälpmedel.

I en lämplig utföringsform av uppfinningen är två inbördes parallella fas- gitter belägna mellan "selfoc“-linserna, vilka gitter är anordnade på den op- tiska axeln förskjutna relativt varandra och vart och ett har en optisk ban- skillnad av H'= 0,5?L , varvid deras gitterlinjer är vridna en given vinkel relativt varandra.

Genom att vrida två sådana fasgitter relativt varandra kan en 1:4 effekt- delare erhållas på enkelt sätt. Den strålning som utgår från den inkommande glasfibern fördelas således bland fyra utgående glasfibrer, vilka mottar strål- ningen i de fyra tillgängliga brytningsordningarna.

I en ytterligare fördelaktig utföringsform av uppfinningen är två inbördes parallella fasgitter belägna mellan "selfoc“-linserna, vilka gitter är anordna- de på den optiska axeln förskjutna relativt varandra, varvid vart och ett har 446 667 4 en optisk banskillnad av H = 0,32}\,medan deras gitterlinjer är vridna en vin- kel relativt varandra, så att på enkelt sätt en 1:9 effektdelare kan erhållas.

I en annan fördelaktig utföringsfonn av uppfinningen är två inbördes pa- rallella fasgitter belägna mellan "selfoc"-linserna, vilka gitter är anordnade på den optiska axeln förskjutna relativt varandra, varvid det ena gittret har en optisk banskilllnad av H = 0,32 Å.och det andra har en optisk banskillnad av H' = 0,5 å-medan deras gitterlinjer är vridna en vinkel relativt varandra. Ge- nom att kombinera två sådana gitter kan man uppnå att en 1:6 effektdelare er- hålles på enkelt sätt.

I enlighet med en annan fördelaktig utföringsfonn av uppfinningen är ett endimensionellt fasgitter utbildat i en av "selfoc"-linsernas mot varandra vänd ändytor, t.ex. genom reaktiv förstoftning, så att effektdelaren kommer att in- nehålla ett mindre antal separanta komponenter och således är lättare att lä- gesinställa och blir mera robust.

I en annan fördelaktig utföringsfonn av uppfinningen är ett tvådimensio- nellt schackbrädesliknande fasgitter utbildat i en av "selfoc"-linsernas mot varandra vända ändytor, vilket gitter har en optisk banskillnad av H = 0,32ÃL eller H'= 0,5.l, t.ex. genom reaktiv förstoftning.

För att erhålla effektdelare med ett fördelningsförhållande av 1:4 eller 1:9 är det alltid möjligt att anordna två fasgitter som har en "duty"-faktor av åtminstone ungefär 1:1 och som är vridna en vinkel relativt varandra mellan linserna, vilka fasgitter har de erforderliga optiska banskillnaderna. Såsom exempel kan de båda aktuella fasgittren vara vridna t.ex. 60° eller 90° relativt varandra. I fallet med en vridning 90° erhålles ett schackbrädeslik- nande amplitudmönster eller fasgitter, vilket enkelt kan utbildas i en av "selfoc"-linsernas ändytor, t.ex. genom fotolitografiska tekniker i kombination med en våtkemisk etsningsprocess eller i kombination med reaktiv förstoftning.

Vid användning av reaktiv förstoftning avlägsnas de glas- eller kvartsytor sun exponerats under den fotolitografiska processen därigenom att ett reaktivt ämne går in i en flyktig förening med ytmaterialet. Den resulterande strukturen har en utmärkt noggrannhet.

Pâ detta sätt kan separata fasgitter, som är vridna 90° relativt var- andra och som måste monteras separat mellan linserna, undvaras så att effekt- delaren är lättare att lägesinställa och får en förbättrad stabilitet. uppfinningen förklaras med hjälp av en utföringsfonn som visas på ritning- en, varvid fig 1 schematiskt visar en optisk effektdelare, fig 2 visar en ef- fektdelare med ett binärt fasgitter anordnat mellan två "selfoc"-linser, fig 3 visar ett binärt fasgitter med en "duty"-faktor av 1:1 och fig. 4a och 4b 5 '446 667 visar utgående glasfibrer i en 1:4 och en 1:9 effektdelare, vilka är packade så tätt som möjligt.

Fig 1 visar schematiskt en effektdelare 1 (eller multipel-effektdelare eller stjärnkopplare). Signaleffekten som tillföras effektdel aren 1 via en mot- tagningsledning 2 (inkommande glasfiber) fördelas jämnt mellan ett flertal, t.ex. 3, transmissionsledningar 3 (utgående glasfibrer) av delaren.

Fig 2 visar en sådan effektdelare 1 i detalj. Den innefattar två cylind- riska "selfoc"-linser 4 och 5 vilka är anordnade på en gemensam optisk axel 6 som samtidigt är linsernas 4,5 cylinderaxel. Mellan de båda "selfoc“-linserna 5,4 är ett plant endimensionellt eller linjärt fasgitter 7 beläget, vilket är av binär typ och har en "duty"-faktor av åtminstone i huvudsak 1:1 och vilket är beläget parallellt med “selfoc“-linsernas 4,5 mot varandra vända ändytor 4a,5a. Medelst en sådan effektdelare 1 är det exempelvis möjligt att koppla signaleffekten som tillföres via den mottagande ledningen 2 in i tre transmis- sionsledningar 3a,b,c. Tvärsnittsytan hos den mottagande ledningen 2, vilken är stelt förbunden, t.ex. limmad, med "selfoc"-linsen 4 är koncentrisk med den optiska axeln 6. Då mottagningsledningens 2 diameter är väsentligt mindre än linsens 4 diameter bildas en väsentligen punktformad strålningskälla belägen på den optiska axeln 6 på den yttre ändytan 4b av linsen 4 under transmissionen av optiska signaler. De strålar som utgår från denna punkt omformas till ett pa- rallellt strålknippe genom den speciella radiellt symmetriska brytningsindex- profilen och genom den valda längden L hos linsen 4, vilket strålknippe är vin- kelrätt mot "selfoc“-linsens 4 ändyta 4a. Då linserna 4,5 har samma radiellt symmetriska brytningsindexprofil och samma längd L avbildas strålningskällan på ändytan 4b på ändytan Sb; Bilden av strålningskällan ligger därvid åter på den optiska axeln 6.

Fasgittret 7 som är anordnat i den parallella strålningsbanan mellan "selfoc"-linserna 4 och 5 bildar förutom den 0:e brytningsordningen också yt- terligare bilder av den punktformade strålningskällan vid stället för de f 1:a brytningsordningarna, vilka är belägna på ett avstånd l från den 0:e bryt- ningsordningen, d.v.s. från den optiska axeln 5, på ändytan 5b.

För detta ändamål har fasgittret 7 en optisk banskillnad av n =(n-1)h = 0,32 A. (1) I detta samband är N fasgittermaterialets brytningsindex, medan h är fasgitt- rets 7 gitterhöjd (se fig 3) och Å-är den optiska signalens våglängd. Den strålning som har avböjts i de olika brytningsordningarna kan därvid tas emot f av de tre transmissionsledningarna 3a,b,c, varvid transmissionsledningen 3b är belägen på den optiska axeln 6. De f 1:a brytningsordningarnas avstånd 446 667 a l från den optiska axeln 6 är därvid 1 = A f /a (2) där f är linsernas 4,5 brännvidd och d är fasgittrets 7 gitterperiod (se fig 3). Brytningsordningarna är därvid belägna på en linje som sträcker sig genom den optiska axeln 6 vinkelrätt mot fasgittrets 7 linjer och som ligger på lin- sens 5 ändyta Sb.

Då transmissionsledningarna 3a,b,c i ett typiskt fall har en diameter av 100/um blir fasgittrets 7 gitterkonstant d i enlighet med brytningsteorin: d < å. . f/IOO/um (3) För en brännvidd av f = 3 mm hos “selfoc"-linserna 4,5 och en våglängd av }L = 1/um får gitterkonstanten d i enlighet med sambandet (3) ett värde av d < 30 /um.

Du Äs=1/um blir gitterhöjden h för en 1:3 effektdelare 0,58 /um för N fl§1,55, såsom följer av ekvation (1). Den resulterande verkningsgraden för brytningen av strålning in i de + 1:a, Oze, -1:a brytningsordningarna är 86,5%, medan effektförlusterna blir ungefär 0,64 dB.

För en 1:2 effektdelare i vilken den tillförda signaleffekten fördelas mellan tvâ transmissionsledningar (t.ex. 3a,3b i fig 2) blir den optiska banskillnaden som skall väljas för ett ej visat fasgitter 7': H' = (N' - 1)h' = 0,57L (4) Till följd av denna optiska banskillnad H' brytes nu strålningen in i de f 1:a brytningsordningarna av fasgittret 7'. Gult = 1/um så erhålles ett värde av h' = 0,91/um för gitterhöjden hos ett motsvarande fasgitter 7'. Den re- sulterande verkningsgraden för brytningen i de + 1:a och - 1:a brytningsord- ningarna blir ungefär 81% för en sådan 1:2 effektdelare, medan effektförluster- na blir ungefär 0,9 dB.

Fig 3 visar ett tvärsnitt genom ett fasgitter 7 (eller 7') för en 1:2 el- ler 1:3 effektdelare. Det har formen av ett binärt fasgitter 7 med en rektangu- lär gitterprofil och har en "duty"-faktor av åtminstone i huvudsak 1:1, d.v.s. har en gitterperiod d som till hälften omfattar gitterrännor 8 och gitterupp- höjningar 9. Ett sådant fasgitter 7 kan t.ex. bestå av strukturerad plast, t.ex. PVC (se Knop, Optics, Comm. , vol. 18, 298, 1976) eller kan vara utbildat direkt i en av linsernas 4,5 mot varandra vända ändytor 4a,5a medelst fotolito- grafiska tekniker i kombination med en våtkemisk etsningsprocess.

En 1:4 effektdelare erhålles med användning av två fasgitter 7' som vart och ett kan ha en optisk banskillnad H' = 0,5 ÅL. De båda fasgittrens 7' git- terlinjer mellan linserna 4 och 5 är därvid vridna en vinkelY), som företrä- desvis uppgår till Y°=60° eller Y>=90°, relativt varandra. En sådan 1:4 effektdelare har effektförluster på ungefär 1,8 dB. ~ 7 446 667 vid en vridning Y” =60° erhålles en rombisk fördelning av b rytningsord- ningarna på den yttre ändytan 5b av linsen 5. Fig 4a visar på motsvarande sätt anordnade transmissionsledningar 10 som tar emot strålningen som har avböjts i de fyra brytningsordningarna. Om avståndet l mellan brytningsordningarna har valts på riktigt sätt kan transmissionsledningarna 10 packas med maximal tät- het. Q Transmissionsledningarnas 10 instälning relativt varandra och relativt ' brytningsordningarnas lägen kan därvid utföras på enkelt sätt medelst en rom- bisk mantel 11.

Om de båda fasgittren 7' är vridna en vinkel av Y'=90° relativt varandra resulterar detta i ett tvådimensionellt schackbrädesliknande fasgitter. Detta fasgitter kan vara framställt, t.ex. genom etsning, såsom ett binärt fasgitter i en av "selfoc"-linsernas mot varandra vända ändytor 4a och Sa i en enda pro- cess, t.ex. medelst fotolitografiska tekniker.

Framställningen av 1:9 effektdelare i vilka den inkommande signaleffekten fördelas jämnt mellan nio transmissionsfibrer 12 (fig 4b) utföres genom att använda två fasgitter 7 som vart och ett har en optisk banskillnad av H=0,32?» och som är vridna relativt varandra. Sådana 1:9 effektdelare har effektförlus- ter på bara 1,3 dB. I detta fall ger vridningen av de båda fasgittren 7 en vin- kel?É60° relativt varandra också ett rombiskt mönster hos brytningsordningar- na, vilkas strålning, om avstånden mellan brytningsordningarna har valts på korrekt sätt, kan kopplas in i transmissionsfibrerna 12, som är packade så tätt som möjligt. Transmissionsfibrerna kan därvid lägesinställas relativt varandra medelst en rombisk mantel 13.

Vid en vridning HÛ=90° av de både fasgittren 7 relativt varandra erhål- les åter ett schackbrädesliknande fasgitter, vilket kan vara utbildat, t.ex. genom etsning, i en av “selfoc"-linsernas 4,5 mot varandra vända ändytor 4a, Sa såsom ett binärt fasgitter.

Det är möjligt att erhålla 1:6 effektdelare, i vilka den inkommande sig- naleffekten fördelas jämnt mellan sex transmissionsledningar, medelst två en- dimensionella fasgitter, av vilka ett gitter har en optisk banskillnad av H=0,32 Ä. och det andra en optisk banskillnad av H'=0,5 JL , varvid de båda gittren är vridna en vinkel YD relativt varandra, vilken lämpligen är HD =60° eller 900. Sådana delare har effektförluster på bara 1,55 dB.

I fallet med 1:6 effektdelare kan det individuella fasgittret vara utbil- dat i en av linsernas 4,5 mot varandra vända ändytor 4a,5a, t.ex. genom reaktiv fförstoffning eller våtkemisk etsning. En lämplig vinkel kan därvid erhållas mellan fasgittrens gitterlinjer genom att vrida "selfoc"-linserna relativt var- andra.

Claims (14)

446 667 8 De lägesinställda effektdelarna vilkas “selfoc"-linser är fastlimmade vid varandra och vid fasgittren och glasfibrerna, kan vara gjutna till ett solitt block med en inkommande glasfiber (mottagningsledning) och ett flertal utgående glasfibrer (transmissionsledningar) med användning av ett epoxyharts eller an- nat lämpligt bindemedel, så att en mekanisk stabil anordning erhålles, vilket inte kan få felaktig lägesinställning. De aktuella glasfibrernas ändar kan där- vid vara försedda med anslutningsdon så att de kan kopplas till ytterligare glasfibrer. Vidare kan "selfoc"-linserna 4,5 också ersättas med andra linser eller ett linssystem med lämpliga optiska avbildningsegenskaper. Mottagningsledningarna 2 och transmissionsledningarna 3 måste därvid lägesinställas på motsvarande sätt med andra medel. Således kan exempelvis fasgittren vara anordnade i bländaröpp- ningen till en bikonvex lins eller mellan tvâ bikonvexa linser. Patentkrav.

1. ; Optisk effektdelare innefattande en inkommande glasfiber och ett flertal utgående glasfibrer samt en avbildningsanordning belägen på en optisk axel mel- lan den inkommande och de utgående glasfibrerna för att transmittera strålning som passerar genom de inkommande glasfibrerna till de utgående glasfibrerna, k ä n n e t e c k n a d att i avbildningsanordningens pupill finns minst ett plant binärt fasgitter (7), vilket är endimensionellt och har en "duty"-faktor av åtminstone i huvudsak 1:1 och en optisk banskillnad av åtminstone i huvudsak H=o,32l+nl enar H'= 0,5 A +11 l där n = 0,1,2..., varvid den inkommande glasfiberns (2) ände är koaxiell med den optiska axeln (6), medan de utgående glasfibrerna (Sa-c) är anordnade på sådant sätt att de mottar den strålning som har brutits eller avböjts till de olika brytningsord- ningarna av fasgittret och är strålningens våglängd.

2. Optisk effektdelare enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att avbildningsanordningen innefattar två "selfoc"-linser (4,5) anordnade på den optiska axeln (6), mellan vilka linser ett fasgitter (7) är anordnat pa- rallellt med "selfoc“-linsernas ändytor (4a,5a) och vinkelrätt mot den optiska axeln (6).

3. Optisk effektdelare enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av 9 446 667 att mellan “selfoc"-linserna (4,5) finns tvâ inbördes parallella fasgitter, vilka är anordnade på den optiska axeln (6) förskjutna relativt varandra och vart och ett med en optisk banskillnad av H'=0,5 Å,, varvid deras gitterlinjer är vridna en vinkel (YO) relativt varandra.

4. Optiskt effektdelare enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att mellan “selfoc“-linserna (4,5) finns två med varandra parallella fasgitter, vilka gitter är anordnade på den optiska axeln (6) förskjutna relativt varandra och vart och ett med en optisk banskillnad av H=0,32 )t, varvid deras gitter- linjer är vridna en vinkel ( (7) relativt varandra.

5. Optisk effektdelare enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att mellan "selfoc“-linserna (4,5) finns två med varandra parallella fasgitter, vilka gitter är anordnade på den optiska axeln (6) förskjutna relativt var- andra, varvid ett gitter har en optisk banskillnad av H=0,32 ).och det andra gittret har en optisk banskillnad av H=O,5 Ék medan deras gitterlinjer är vrid- na en vinkel ( Y9) relativt varandra.

6. Optisk effektdelare enligt patentkravet 3,4 eller 5, k ä n n e t e c k- n a d av att vinkeln ( ¥>) är 60° eller 900.

7. Optisk effektdelare enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att ett endimensionellt fasgitter (7) är utbildat i den ena av "selfoc"-linser- nas (4,5) mot varandra vända ändytor (4a,5a).

8. Optisk effektdelare enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att ett tvâdimensionellt schackbrädesliknande fasgitter är utbildat i en av "selfoc"-linsernas (4,5) mot varandra vända ändytor (4a,5a), vilket har en op- tisk banskillnad av H'=o,s 2..

9. Optisk effektdelare enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att ett tvådimensionellt schackbrädesliknande fasgitter är utbildat i en av "selfoc“-linsernas (4,5) mot varandra vända ändytor (4a,5a), vilket har en op- :fsk baniängasskfiinaa av H=0,32 ät.

10. Optisk effektdelare enligt patentkraven 2 och 5, k ä n n e t e c k n a d av att ett endimensionellt fasgitter är utbildat i vart och ett av "sel- foc"-linsernas (4,5) mot varandra vända ändytor (4a,5a), varvid det ena gittret har en optisk banlängdsskillnad av H=0,32 Å.och det andra en optisk banskillnad 446 667 1o av H'=0,5 Ä .

11. Optisk effektdelare enligt något av patentkraven 7-10, k ä n n e t e c k- n a d av att de aktuella fasgíttren är utbildade genom reaktiv förstoftning.

12. Optisk effektdelare enligt något av patentkraven 1-11, k ä n n e t e c k- n a d av att "selfoc"-linserna (4,5) och fasgittren (7) är ingjutna i ett so- litt block med inkommande (2) och utgående glasfibrer (3a-c) med hjälp av ett bindemedel.

13. Optisk effektdelare enligt något av patentkraven 1-5, k ä n n e t e c k- n a d av att fasgittret består av en strukturerad plast, företrädesvis PVC-folie.

14. Optisk effektdelare enligt något av patentkraven 3-6, k ä n n e t e c k- n a d av att de brytningsordningar, som erhålles vid användning av fasgitter som är vridna relativt varandra en vinkel av Y9=6O°, är fördelade på den ytt- re ändytan (5b) av "selfoc“-linsen (5) på sådant sätt att motsvarande strålning tas upp av glasfibrer (10 respektive 12) vilka är packade så tätt som möjligt.