DE2509112B2

DE2509112B2 - Optischer koppler

Info

Publication number: DE2509112B2
Application number: DE19752509112
Authority: DE
Inventors: Marshall Clyde Coming N.Y. Hudson (V.St.A.)
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1974-04-08
Filing date: 1975-03-03
Publication date: 1977-12-08
Also published as: FR2266898A1; DE2509112C3; NL180141C; AT350811B; GB1497934A; US3883223A; JPS5813888B2; ATA257475A; NL7504103A; NL180141B; JPS50137554A; FR2266898B1; CA1038668A; DE2509112A1; IT1034881B

Description

y = ΐ··:Γ/ΰ-ιϊ-λ·-ν),

2,

P =

2 um «

/I₁₁ sin <-) = l'iif - n\

IU

r>

20

JO

die numerische Apertur ist.

2. Optischer Koppler nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet,daß k= , -.

3. Optischer Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß k = 0.

Zweckmäßiger ist es, die einzelnen Stationen über einen gemeinsamen Koppler anzuschließen. Dieser empfängt ein optisches Signal von jeder Stat.on bzw S tragleitung und überträgt einen Signal teil auf •rfle übrigen Übertragungsle.tungen und Stationen.

DV DT OS 22 05 996 beschreibt eine faseroptische Reflexionssehranke mit zwei oder mehreren zur ErJeLg eines gemeinsamen Ges.chtsfeldes e.nenends zusammengeführten lichtleitenden Fasern, an die s,ch S der Durchmischung der angeschlossenen Fasern dienende Einzelfaser anschließt, die ihrerseits mit ihrem freien Ende auf eine reflektierende Fläche aufgesetzt ,si. Ein auch durch diese Vorrichtung noch nicht zufriedenstellend gelöstes Problem besteht in aer m ngelnden Gleichmäßigkeit der Kopplung der Signale η Jeder einzelnen der verschiedenen Leitungen m„ allen der jeweils übrigen Leitungen sowie starken ^Si Aufgabe der" Erfindung ist ein optischer Koppler zur Kopplung eines in einer beliebigen einer Vielzahl von oniscK-n Übertragungsle.tungen sich fortpflanzenden Kais in jede der übrigen Übertragungsle.tungen, wflcher eine sehr gleichmäßige und verlustarmc Sienaiverteilung und -übertragung ermöglicht.

Dies- Aufgabe wird durch den optischen Koppler der Erfindung dadurch gelöst, daß der Reflektor rotationssvn metrisch zur Achse des Bündels ist und seine Erzeugende in einem karthesischen Koord.nantensy-" !ssen Koordinatenursprung im Durchstoßpunkt der Achse durch den Reflektor liegt und zur Bündelendfläche einen Abstand ρ hat und dessen positive x-Achse mit der Achse des Bündels zusammenfällt und auf die Endfläche hinweist, folgende Gleichung erfüllt:

V = Up.x[\ -/ex).

2/) ~ 2p

D _ ^P ~~ YfanV-/"'

•4")

Die Erfindung betrifft einen optischen Koppler zur Kopplung eines in einer Vielzahl optischer Übertragungsleitungen sich fortpflanzenden Signals in jede der übrigen Übertragungsleitungen.

Für die Nachrichten- und Datenübertragung sind wegen der zunehmenden und bereits absehbaren Überlastung der üblichen Bereiche und auch der Frequenzbänder von 10⁴—10¹² Hertz optische Wellenleiter im Frequenzbereich von 10¹⁵ Hertz von Interesse. Die elektrischen Wellenleiter (IC-IO¹² Hertz) sind hierfür ungeeignet. Die Übertragung kann aber durch Bündel optischer Fasern mit einem Kern und einem durchsichtigen Mantel, dessen Brechungsindex kleiner als der des Kerns ist, erfolgen.

In einem aus derartigen optischen Wellenleitern aufgebauten Nachrichtensystem können die Außenstationen an die Zentralstation durch einzelne Übertragungsleitungen angeschlossen werden, was aber sehr aufwendig ist. Rationeller ist die Verbindung mit einer Sammelschleife, jedoch entstehen für die zahlreichen erforderlichen Koppler große Verluste.

b0

b^r> die numerische Apertur ist.

An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung näher

erläutert. Die

F i g. 1 zeigt im Längsschnitt eine günstige Ausbildung des erfindungsgemäßen optischen Kopplers; die

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausbildung als Detail im

Schnitt; die

F i g. 3 zeigt ein für die Berechnung der Abmessungen des erfindungsgemäßen optischen Kopplers geeignetes Diagramm; die

Fig. 4 zeigt als Schaubild vier beispielsweise geeignete Reflektorkrümmungen des optischen Kopplers der Erfindung als Funktion einer beliebigen Längeneinheit.

Ein Träger 18 des optischen Kopplers hält die Übertragungsleitungen, z.B. 11 —17 als ein parallel ausgerichtetes Bündel 19, dessen Endfläche 20 im wesentlichen senkrecht zu den Achsen der Endstücke der Übertragungsleitungen verläuft. Der Träger 18 kann aus einer Zwinge mit einer zylindrischen Öffnung bestehen. Die öffnung kann zur Erleichterung der

c· Ehrung der Leitungen verjüngt auslaufen und hai Zl «eigneten, z. B. kreisförmigen, he,;agonalen oder ähnlichen Querschnitt. Nach Einführung der Leitungen Hie Zwinge werden sie mit einem geeigneten Klebemittel wie Epoxyharz oder mit Klammern. -, KrSpfmitteln od.dgl. festgelegt. Die Leitungen tonnen S zunächst über die Öffnung 21 und die Zw.ngen-Hfläche Il hinausragen und werden dann beschn.tten Tnd sammen mit der Endfläche abgeschliffen. Die " "_inee is besteht daher vorzugsweise aus einem u. Γϋιΐρ-rial mit ähnlichen Schleifeigenschaften wie die U ngen ζ B. Glas, Messing u.dgl. Die Endfläche verläuft dann vorzugsweise im wesentlichen senkrecht

1 j

20

Eine konkave neu,.,,.,_.. .^ Flache 24 ist symmetrisch um die Längsachse des Le.terbundels 9 im ^y nnd zur Endfläche 20 angeordnet. Die Flache ζ B aus einer Schicht 26 aus reflektierendem auf einer gekrümmte Substratfläche 27, die ihrerseits mit einem Tragbügel 28 im Abstand zur Fndfiäche gelagert ist. Nach der Ausbildung der Fi g.2 Lsteht die lichtreflektierende Fläche aus einer Schicht au reflektierendem Material 31 auf der gekrümmten Siehe eines Körpers 32 aus zwischen der Schicht 31 und der Endfläche 20 befindlichen durchsichtigem Material Zwischen dem durchsichtigen Material 32 und der Endfläche 20 kann eine Flüssigkeit mit entsprechendem Brechungsindex vorgesehen sein.

DiMCh den Koppler soll ein Teil der in allen der .hiedenen optischen Wellenleiter fortgepflanzten Ξ mi ede^Pm der jeweils übrigen Wellenleiter «koppelt werden. Mit Hilfe des Diagramms der F ι g. 3 kann hierbei die Kupplungsabmessung errechnet werden Der Abstand D ist der größte Quersehn.us-Irchmesser des Leiterbündels 19; er ,st gleich dem ■ Durchmesser eines kreisförmigen Leiterbündels oder \Z,Abstand zwischen zwei gegenüberhegenden Scheiteln eines hexagonalen Bündels. Die Punkte ;, und r sind gegenüberliegende Peripher.epunkte auf der Fndfläche 20, und der Punkt b ist der Mittelpunkt der Strecke ac. Die gestrichelte Linie 50 bezeichnet die Achse der reflektierenden Fläche 24 und des Le.terbundels 19 Mit θ ist die numerische Apertur der optischen Wellenleiter in dem zwischen der konkaven reflektierenden Fläche 24 und der Endfläche 20 hegenden Medium Die Abmessung und die Krümmung der TeSierenden Fläche 24 und der Abstand zwischen dieser und der Endfläche 20 muß derart sein, daß das von jedem beliebigen Wellenleiter ausgehende Lieh X übrigen Wellenleiter bestrahlt. Diese Bedingung ist ίηη erfüllt, wenn das von einem am Punkt a endenden Wellenleiter ausgestrahlte Licht von der Flache 24 zurüS zu den an den Punkten α und c Hegenden Wellenleitern reflektiert wird und das von einem am Punkt biegenden Wellenleiter ausgestrahlte Licht von Lr Fläche 24 zurück zu den Wellenleitern an den Punkten * und c reflektiert wird. Die fur die eSungsgemäßen optischen Koppler geeigneten R ektorlllchen liegen mit ihren Querschnitten ,η einer durch die Reflektorachse gehenden, durch die Gleichung definierten Ebene:

Schnittpunkt der Achse 50 mit der Reflektorfläche 24 ist. Dieser Abstand wird durch die Gleichung bestimmt p— DA2 tan Θ). Der Abstand zwischen der Bündelendfläche und dem Reflektor kann ohne Schaden auch etwas vom Wert ρ abweichen. Die numerische Apertur /Jn sin (■) wird bekanntlich durch die Gleichung definiert

U₁₁ sin <-) = 1 /17 — /15,

worin /J| und n> der Brechungsindex von Kern und Mantel und /Jo der Brechungsindex des umgebenden Mediums 53 ist.

Die Gleichung (1) definiert eine Gruppe konischer Querschnitte wie sie z. T. für lichtreflektierende Flächen üblich sind. Einige der gebräuchlicheren Querschnitte können durch Einsetzen des entsprechenden Wertes A in der Gleichung bestimmt werden. Ist A z. B. Null, so lautet die vereinfachte Gleichung (I)

das ist eine paraboloide Fläche mit dem Brennpunkt p. 1st k= 1/4 p. so lautet die gleichung

y=(4p.V_.X-')¹'²,

das ist ein sphärischer Reflektor mit dem Mittelpunkt 2p. Für den positiven Gren/fall A = ^- wird die

Gleichung(l)dcfiniert:

!(I Y²

(2/2 p

Das ist der Querschnitt eines ellipsoidförmigen Reflektors.

Für den negativen Grcnzfall A= — , wird die

-P

Gleichung (1)

2 (x+ 2p)² -.v² = ⁸P²

worin A-gegeben ist durch

2 P

< k

-P

und oder Abstand zwischen den Punkten b und e, dem 0 das ist ein hyperboloidförmiger Reflektor.

Die obigen vier Rcflektorquersehnittsformen sind in dem Schaubild der Fig.4 abgetragen. Hier ist die Strecke ρ mit 1 und der Winkel Θ 12", ζ. Zl. die maximale numerische Apertur für optische Wellenleiter i) mit geringen Verlusten. Selbst der Strahl des peripher liegenden Wellenleiters 66 schneidet die Kurven 67 — 70. die verschiedenen Werten von A entsprechen, an relativ nahe der Reflektorachse liegenden Punkten. An diesem Punkt hat χ den Wert von etwa 0,05. Die Neigungsdiffe- M) renz der beiden äußersten Kurven 67 und 70 beträgt bei diesem Wert χ nur 8%. Für Werte (-) < 12° haben daher alle durch die Gleichung (1) definierten Kurven im wesentlichen die gleichen lichtrefleklicrenden Eigenschaften, denn sie sind in diesem Bereich alle einander η nahezu überlagert.

Zwei Beispiele für sphärische und paraboloide Reflektoren seien an Hand der F i g. 3 näher erläutert.

Um die oben erläuterten Bedingungen zu erfüllen, muß ein äußerster Lichtstrahl 55 von einem am Punkt n bo liegenden Wellenleiter zum Punkt <■/ zurückkehren. Der Koppler wird daher so ausgelegt, daß die Linie 55 auf einem Radius des in diesem Beispielfall sphärischen Reflektors 24 liegt. Ein weiterer äußerster Lichtstrahl von dem am Punkt ;; liegenden Wellenleiter muß von 65 der Fläche 24 zurück zum Punkt c reflektiert werden, entsprechend dem Strahlengang 57. Das ist der Fall, weil der Reflektor symmetrisch zur Achse 50 liegt und die Reflektorfläche am Punkt e senkrecht zur Achse

verläuft. Durch Anwendung geometrischer Regeln läßt sich bestimmen, daß der Abstand ρ zwischen den Punkten b und e gleich D/{2 tan Θ) ist. Bei einem sphärischen Reflektor ist das Dreieck ade ein gleichseitiges und der Abstand d b gleich dem Abstand b c oder p. Da der Punkt d der Mittelpunkt der sphärischen Reflektorfläche ist, ist der Radius R der Fläche gleich 2p oder D/tan 0. Da die äußersten Lichtstrahlen auf diametral gegenüberliegende, periphere Wellenleiter zurückreflektiert werden, wird ein Teil des vom Wellenleiter am Punkt a ausgestrahlten Lichts vom Reflektor 24 auf die entlang der Endfläche 20 zwischen den Punkten a und c liegenden Wellenleiter reflektiert. Ein von einem am Punkt b auf der Achse 50 liegenden Wellenleiter ausgesendeter äußerster Lichtstrahl muß zum Punkt centlang den Strahlengängen 58 und 59 zurückreflektiert werden. Beträgt der Abstand D beispielsweise 1,27 mm und die numerische Apertur θ der Wellenleiter des Bündels 8°, so trifft der von der Fläche 24 reflektierte Strahl auf die Endfläche 20 an einem von c etwa 0,005 mm entfernt liegenden Punkt. Ein von dem am Punkt b endenden Wellenleiter ausgesendeter äußerster Lichtstrahl beleuchtet daher einen am Punkt c endenden Wellenleiter.

Ist die lichtreflektierende Fläche parabolförmig, so soll die Endfläche 20 am Brennpunkt zentriert sein, und der Abstand ρ zwischen den Punkten b und c soll D/[2 tan Θ) betragen. Für einen symmetrisch zur Achse 50 liegenden Parabolreflektor wird der Strahl 56 zum Punkt c reflektiert. Der von dem an Punkt a liegenden Wellenleiter ausgesendete Axialstrahl 61 verläuft parallel zur Achse des Reflektors und wird daher zum Punkt b, dem Brennpunkt entlang Strahlengang 62 reflektiert. Da jedoch die Fläche 24 im Beispielfall

ic parabolförmig ist, kehrt der Strahl 55 nicht genau zu seinem Ausgangspunkt zurück. Für ein Wellenleiterbündel mit einem Durchmesser von z. B. 1,27 mm und einer numerischen Apertur der einzelnen Wellenleiter von 8° kehrt der von der Fläche 24 reflektierte Strahl 55 in einer Entfernung von etwa COI27 mm zum Punkt n zurück.

Vom Gesichtspunkt der gleichförmigen Beleuchtung und der Herstellung sind sphärische Reflektoren offenbar etwas günstiger als parabolförmige Reflektor-

2(i flächen. Grundsätzlich sind für die in den Ansprüchen beschriebenen optischen Koppler aber alle lichlreflcktierenden Flächen mit solchen Krümmungen anwendbar, daß das Licht von jedem beliebigen Wellenleiter des Bündels 19 reflektiert wird und die jeweils übrigen Wellenleiter beleuchtet.

Hierzu 2 BhUt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

I. Optischer Koppler zur Kopplung ein·. einer beliebigen einer Vielzahl von optischen sertragungsleitungen sich fortpflanzenden Signals in jede der übrigen Übertragungsleilungen, bei dem die optischen Übertragungsleitungen zu einem Bündel der größten Querschnittsabmessung O gebündelt sind und eine ebene gemeinsame Endfläche aufweisen, der im Abstand ein Reflektor gegenübersteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor rotationssymmetrisch zur Achse des Bündels ist und seine Erzeugende in einem karthesischen Koordinatensystem, dessen Koordinatenursprung im Durchstoßpunkt der Achse durch den Reflektor liegt und zur Bündelendfläche einen Abstand ρ hat und dessen positive .v-Achse mit der Achse des Bündels zusammenfällt und auf die Endfläche hinweist, folgende Gleichung erfüllt: