DE2428570A1

DE2428570A1 - Anordnung zur optischen datenuebertragung und optische kupplung

Info

Publication number: DE2428570A1
Application number: DE19742428570
Authority: DE
Inventors: Roy Edward Love; Frank Louis Thiel
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1973-07-05
Filing date: 1974-06-14
Publication date: 1975-01-23
Also published as: DE2428570C2; NL183693C; NL183693B; CA997181A; IT1015697B; JPS5039403A; FR2236319A1; GB1479298A; NL7409066A; FR2236319B1; JPS5816374B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Datenübertragung.

Die ständige Vermehrung des Nachrichtenverkehrs hat zu einer zunehmen-

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den Besetzung des Frequenzbereichs von 10 - 10 Hertz geführt; die Sättigung dieses Frequenzbereichs steht bevor, so daß die Erschließung des Frequenzbereichs von 10 Hertz geboten erscheint. Dies ist das Lichtspektrum, es kommen also optische Datenübertragungssysteme in Frage. Elektrische Übertragungsmittel, Wellenleiter und dgl. sind in diesem Frequenzbereich also ungeeignet. Die Übertragung erfolgt mit optischen Mitteln, z.B. einem optischen Wellenleiter oder einem ganzen Bündel solcher Wellenleiter. Diese Wellenleiter bestehen meist aus einer optischen Faser mit einem durchsichtigen Kern und einer durchsichtigen Mantelschicht mit geringerem Brechungsindex als dem des Kerns. Obwohl optische Wellenleiter im Prinzip seit längerem bekannt sind, stand ihrer Verwendung in optischen Nachrichtensystemen bis in jüngste Zeit die übermäßige Dämpfung des übertragenen Lichtes entgegen.

Es besteht in vielen Fällen ein Bedürfnis nach einem Nachrichten- oder Datenübertragungsnetz, das mehrere auseinanderliegende Stationen miteinander verbindet, z.B. auch in Schiffen, Luftfahrzeugen, Gebäuden. Bei Verwendung optischer Systeme ist die Verbindung aller Stationen mit

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optischen Leitern aber aufv/endig und kaum durchführbar. Einfacher ist die Verbindung mit Sammelschienen oder -schleifen. Jedoch verursacht die große Zahl der erforderlichen Koppler sehr große Verluste.

Die Erfindung hat eine einfachere, verlustfreiere Verbindung von mehreren Stationen eines optischen Nachrichten- oder Patenübertragungssystems zur Aufgabe.

Die Aufgabe wird gelöst, indem eine der Zahl der Stationen entsprechende Zahl von optischen Leitungen mit dem einen Ende an je eine der Stationen und mit dem anderen Ende an einen gemeinsamen Koppler angeschlossen ist, welcher die von einer beliebigen der Vielzahl von Stationen empfangenen optischen Signale auf alle übrigen Leitungen und Stationen verteilt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Die Figur 1 zeigt schematisch einen Teil eines bekannten optischen Datenübertragungs systems,

die Figur 2 schematisch einen der hierfür verwendeten Koppler,

die Figur 3 schematisch die erfindungsgemäße Anordnung zur optischen Datenübertragung!

die Figuren 4 und 5 zeigen im Querschnitt verschiedene Ausbildungen eines in der erfindungs gemäßen Anordnung verwendbaren optischen Kopplers.

In der Sammelschiene oder einem Teil einer Sammelschleife der Figur 1 ist eine größere Anzahl von Stationen 11 an eine endlose optische Leitung 10 angeschlossen. Der theoretisch unendliche Daten- oder Signalkreislauf wird in der Praxis durch Dämpfung nach einem Durchlauf nicht mehr wahrnehmbar. Die optischen Signale werden aus der Leitung 10

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durch mit den Stationen über die Leitungen 13 verbundene Koppler 12 entnommen und in die Leitung 10 eingegeben. Die Übertragung in der Schleife kann entweder nur in einer Richtung, z.B. der Pfeilrichtung 14, oder in beiden Richtungen, also den Pfeilrichtungen 14 und 15, erfolgen. Die Datensammelschiene besteht aus einer Anzahl von Stationen, die an einer gemeinsamen, an den Enden nicht verbundenen optischen Leitung angeschlossen sind. Auch in einer solchen Sammelschiene kann die Übertragung in einer oder in beiden Richtungen erfolgen. Soll jede Station mit jeder anderen Station in Verbindung treten, so muß sie in beiden Richtungen erfolgen. Beide Systeme, Sammelschienen oder -schleifen, sind sehr aufwendig und verlustreich, weil jede Station einen Koppler zur Verbindung mit der Hauptleitung benötigt. Für jeden Koppler müssen erhebliche, Verluste bedingende Anschlußverbindungen, Mischer usw., vorgesehen werden.

Einen solchen gegabelten Koppler zeigt zur Veranschaulichung die Figur Ein Teil einer Übertragungsleitung 10* ist mit einer ersten Endfläche eines Mischstabs 21 verbunden, ein weiterer Teil der Übertragungsleitung 10* ist mit einer ersten Endfläche eines Mischstabs 22 verbunden. Die zweiten Endflächen beider Mischstäbe 21 und 22 sind durch das eine Bündelteil 23 eines optischen Wellenleiters miteinander verbunden. Die weiteren Bündelteile 24, 25 dieses Wellenleiters verbinden die zweiten Endflächen der Mischstäbe 21, 22 mit der ersten Endfläche eines dritten Mischstabs 26. Die Mischstäbe bestehen aus einem für die jeweiligen Wellenlängen durchsichtigen Material und können durchsichtige Mantelschichten 27, 28, 29 tragen, die zusammen mit den Stabflächen lichtreflektierende Grenzflächen bilden. Die Faserbündel 31, 32 verbinden die zweite Endfläche des Mischstabs 26 mit einem Lichtdetektor 33 und einer Lichtquelle 34.

Durch unmittelbare Lichtübertragung und durch Innenreflexion von der Kern-Mantel-Grenzfläche verteilen die Mischstäbe das optische Signal einer beliebigen Faser an der einen ihrer Endflächen auf alle Fasern an ihrer anderen Endfläche. Ein Teil des in dem einen oder anderen Leitungsteil 10* fortgepflanzten Signals wird durch Kopplung des Faserbündels 23 und der Mischstäbe 21, 22 in den jeweils anderen Leitungsteil

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geleitet, und zwar geschieht dies in der Ausbildung gemäß Figur 2 in beiden Richtungen: optische Signale aus beiden Leitungsteilen 10^T sind über die Mischstäbe 21, 22 und die optischen Wellenleiterbündel 24, 25 an den Mischstab 26 und über diesen an den Detektor 33 gekoppelt. Umgekehrt sind die von der Lichtquelle 34 ausgehenden Lichtsignale über den Mischstab 26 und die Bündel 24, 25 an beide Leitungsteile 10* gekoppelt.

Verluste entstehen an den Mischstäben 21, 22 und ihrer Verbindung mit den Leitungsteilen 10*. In Anordnungen entsprechend der Figur 1 nehmen diese Verluste im indirekten Verhältnis zur Anzahl der Stationen zu. Diese erheblichen Verluste werden in der erfindungs gemäßen Anordnung vermieden. Eine Anzahl von Stationen 41 - 46 ist über die optischen Leitungen 51 - 56 mit einem gemeinsamen Passivkoppler 48 verbunden (Figur 3). Jede der Stationen 41 - 46 kann einen Mischstab, z.B. Mischer 26 gem. Figur 2, enthalten. Zur Vereinfachung ist dies nur im Fall der Station 41 gezeigt, wo der Mischstab 57 durch die Wellenleiterbündel 58, 59 mit einem Lichtdetektor und einer Lichtquelle verbunden ist. Der Koppler 48 erhält jeweils ein Signal irgendeiner der Stationen und koppelt einen Teil desselben an die mit jeder aller anderen Stationen verbundene Übertragungsleitung. Hierzu sind zwei Ausbildungen eines Kopplers in den Figuren 4 und 5 gezeigt.

Der Koppler der Figur 4 besteht aus einem durchsichtigen zylindrischen Mischstab 61 mit einer durchsichtigen Mantelschicht 62, deren Brechungsindex kleiner als der des Stabkern ist. Die Endflächen 63, 64 verlaufen senkrecht zur Längsachse des Stabs und sind poliert. Auf die Endfläche 65 ist ein lichtreflektierender Überzug 65 aufgebracht. Ein Bündel von optischen Leitungen 66 ist durch den Träger 67 so abgestützt daß die Längsachsen der Enden im wesentlichen parallel zur Längsachse des Stabs 61 verlaufen und ihre Endflächen parallel zu denen des Stabs liegen. Zwischen ihren Enden und der benachbarten Endfläche kann eine flüssige Schicht mit angepaßtem Brechungsindex vorgesehen werden, um eine gute optische Kopplung zu erhaltenj die Polierung der Endflächen kann dann auch unterbleiben.

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b —

Jede Leitung des Bündels 66 ist mit einer anderen Station verbunden. Das optische Signal einer beliebigen Station wird in den Koppler geleitet; im Mischstab 61 gelangt das Signal unmittelbar oder durch Reflexion von der Grenzfläche zwischen dein Stab und der Schicht 62 auf den Spiegel 65, der es zurück zur Endfläche 64 reflektiert. Von hier wird es auf alle Leitungen des Bündels 66 verteilt.

Der Stab 61 muß mindestens so lang sein, daß er das von einer Station bzw. einem Wellenleiter empfangene Licht auf alle angeschlossenen Leiter verteilt. Die Skizze der Figur 4a erläutert dies am Beispiel eines von einem, ersten Leiter empfangenen Lichtsignals am Punkt a, das zum Teil dem Wellenleiter am Punkt b der Endfläche 64 zugeleitet werden soll. Der einfallende Strahl 64a soll von der Mitte der Endfläche 63 als Strahl 64b reflektiert werden und den zweiten Wellenleiter beleuchten. Der Winkel θ des Strahls 64a mit der Achse des ersten Wellenleiters wird als Einfangshalbwinkel des Wellenleiters bezeichnet. Da die Enden des Wellenleiters parallel zur Achse des Stabs 61 liegen, kann der Winkel θ auch im Verhältnis zur Stabachse gemessen werden. Der Winkel θ errechnet sich nach der Gleichung

_1 f ^xl 1 " ⁿ2

θ = sin 1

ⁿ3

Die Mindestlänge L des Stabs ergibt sich aus der Gleichung

L m

2 tang θ

worin d der Durchmesser des Stabs 61 nach Maßgabe der maximalen Quer Schnitts abmessung des an der Endfläche 64 angeschlossenen Wellenleiterbündels. ist, L ist eine Mindestgröße, ein längerer Mischstab ergibt also ebenfalls die geeignete Beleuchtung bzw. Verteilung eines optischen Signals auf alle angeschlossenen Wellenleiter.

Der in einem Gehäuse 71 untergebrachte Koppler der Figur 5 enthält eine Vielzahl durchsichtiger Mischstäbe 72 - 77; ihre Zahl entspricht der der Stationen. Jeder Stab hat zwei zu seiner Längsachse senkrecht verlaufende ebene Endflächen. Die optischen Leitungen 81 - 86 sind an einer Endfläche mit je einer der Stationen und je einer ersten Endfläche der Mischstäbe 72 - 77 verbunden. Die zweite Endfläche eines jeden Mischstabs ist mit der zweiten Endfläche der übrigen Mischstäbe über je eines der Bündel 88 der optischen Wellenleiter verbunden. Beispielsweise geht das von der Station an der Leitung 81 kommende optische Signal in den Mischer 72 und beleuchtet dort alle gegenüberliegenden Wellenleite rbündel. Ein Teil des Signals wird durch eines der Bündel mit jedem der übrigen Mischstäbe 73-77 gekoppelt und über die Leitungen 86 auf die übrigen Stationen verteilt.

Im Gegensatz zu einer elektrischen Verknotung, die wegen der Impedanzunterschiede bei hohen Frequenzen für die Datenübertragung hoher Geschwindigkeit niemals ernsthaft in Betracht gezogen wurde, treten bei der erfindungs gemäßen optischen Anwendung derartige Schwierigkeiten nicht auf.

Im Gegensatz zur gewöhnlichen Sammelschienen- oder Schleifenschaltung geht das Signal bei der erfindungs gemäßen Anordnung nur durch einen Koppler. Die Verluste in Decibel steigen daher nicht linear mit der Anzahl der Stationen, sondern nur logarithmisch, weil die Signalenergie auf alle Stationen gleichmäßig verteilt wird.

- Patentansprüche - 7

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Claims

Patentansprüche

1.) Anordnung zur optischen Datenübertragung zwischen mehreren auseinanderliegenden Stationen dadurch gekennzeichnet, daß eine der Zahl der Stationen entsprechende Zahl von optischen Leitungen mit dem einen Ende an je eine der Stationen und mit dem anderen Ende an einen gemeinsamen Koppler angeschlossen ist, welcher die von einer beliebigen der Vielzahl von Stationen empfangenen optischen Signale auf alle übrigen Leitungen und Stationen verteilt.

2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Station einen optischen Signalgenerator und einen optischen Signaldetektor enthält.

3. Anordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Station ein durchsichtiger Mischstab mit zwei senkrecht zu seiner Längsachse verlaufenden ebenen Endflächen zugeordnet ist, dessen zweite Endfläche der Leitung der Station benachbart ist und über je ein Wellenleiterbündel an den Signalgenerator und den Signaldetektor angeschlossen ist.

4. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler die angeschlossenen optischen Leitungen in einer Ebene gebündelt hält und Mittel zur Reflexion der empfangenen optischen Signale in alle Leitungen enthält.

5. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler mehrere der Zahl der Stationen an Zahl entsprechende, durchsichtige Mischstäbe mit zwei senkrecht zu ihrer Längsachse verlaufenden, ebenen Endflächen enthält, die mit einer Endfläche an je eine der optischen Leitungen angeschlossen und mit der anderen Endfläche über ein Bündel optischer Wellenleiter mit allen anderen Mischstäben verbunden sind.

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6. Optische Kupplung für eine Vielzahl optischer Leitungen zum Koppeln der optischen Signale jeder der angeschlossenen Leitungen mit jeder anderen Leitung, insbesondere der Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r ch gekennzei <ch net, daß ein Stab (61) aus einem für das zu übertragende Licht durchsichtigen Material zwei im wesentlichen senkrecht zu seiner Längsachse verlaufende, ebene Endflächen (63, 64), an seinem einen Ende einen die angeschlossenen optischen Wellenleiter (66) parallel gebündelt haltenden Träger (67) und an seinem anderen Ende einen die empfangenen optischen Signale in alle angeschlossenen Wellenleiter zurückwerfenden Reflektor (65) aufweist.

7. Kupplung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindeces des Stabs (61) und des Kerns der Wellenleiter einander im wesentlichen gleich oder durch eine zwischengeschaltete Schicht (68) aufeinander abgestimmt sind.

8. Kupplung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die numerische Öffnungsweite des Stabs wenigstens so groß wie die der angeschlossenen Wellenleiter ist.

9. Kupplung gemäß Anspruch 6- 8, dadurch gekennzeich net, d
spricht

net, daß die Mindestlänge L des Stabs (61) der Gleichung ent-

2 tang 0

worin d χ Durchmesser des Stabs und 0_c der Einfangshalbwinkel des angeschlossenen optischen Wellenleiters ist.

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