DE2651800A1

DE2651800A1 - Koppler zur verbindung eines beliebigen lichtleiters eines lichtleiterbuendels mit allen anderen lichtleitern dieses buendels

Info

Publication number: DE2651800A1
Application number: DE19762651800
Authority: DE
Inventors: Thaddeus Hawkes; Jean-Claude Reymond
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-11-14
Filing date: 1976-11-12
Publication date: 1977-05-18
Also published as: US4092059A; FR2331802B1; GB1545239A; FR2331802A1

Description

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PATENTANWÄLTE 3

DIETRICH LEWINSKY

HEiNZOOACHIM HÜBER

REINER PRIETSCH

M Ü N C H E N 2 1 ¹²' ^Movember

GOTTHARDSTR. 81 9l84-lV/Hg

Thomson-CSF, Bd. Haussmann 173, F-75008 Paris, (Frankreich)

Koppler zur Verbindung eines beliebigen Lichtleiters eines Lichtleiterbündels mit allen anderen Lichtleitern

dieses Bündels

Priorität vom 14. November 1975 aus der französischen Patentanmeldung 75 3^889

Die Erfindung betrifft einen Koppler zur Verbindung eines beliebigen Lichtleiters eines ersten Lichtleiterbündels mit allen anderen Lichtleitern dieses Bündels, mit einem optischen Mischer aus einem Stab aus transparentem Werkstoff mit einer Seitenfläche und zwei planen, zur Längsachse des Stabes rechtwinkligen Stirnflächen, wobei die Lichtleiter mit ihrem einen Ende parallel zu dieser Achse ausgerichtet sind und ihre zugehörigen Endflächen optisch mit der ersten Stirnfläche des Mischers gekoppelt sind. Mit einem solchen Koppler soll eine Information in Form von Liehtw eilen von einem Lichtleiter auf eine Anzahl weiterer Lichtleiter übertragen werden.

Dabei bezieht sich die Erfindung vor allem auf einen reziproken Koppler, der es gestattet, einen beliebigen Lichtleiter, der dann einem Sendeweg entspricht, mit anderen Lichtleitern, die dann Empfangskanälen eines optischen ubertragungssystemes entsprechen, zu verbinden.

Bei einem bekannten optischen übertragungssystem, das mit Lichtleitern zur Herstellung einer Verbindung zwischen verschiedenen Punkten arbeitet, sind diese Punkte mit Lichtwellensendern und/oder

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Empfängern für diese Wellen ausgerüstet, wobei es häufig zweckmäßig oder sogar notwendig ist, einen Sendepunkt mit einer Vielzahl von Empfangspunkten verbinden zu können.

Dieses Problem ergibt sich insbesondere bei einem Netz aus einer Vielzahl von Teilnehmern, die alle untereinander verbindbar sein müssen, ohne daß das Netz hierzu eine Zentrale enthält. Mit dem Begriff "Teilnehmer" sind dabei die verschiedenen zu verbindenden Punkte gemeint, wobei vorausgesetzt ist, daß jeder der Punkte entweder einen Sender oder einen Empfänger oder beides besitzt.

Um die verschiedenen vorgesehenen Verbindungen zwischen jedem Sender und den verschiedenen Empfängern zu ermöglichen, muß entweder eine sehr hohe Anzahl von Lichtleitern verwendet werden, wenn man Punkt-zu-Punktverbindungen benutzt oder es müssen Vorrichtungen zur Verbindung von Lichtleitern, also optische Koppler, verwendet werden. Die erste Lösung führt zu einem sehr hohen Aufwand und ist dann überhaupt nicht gangbar, wenn die Sender und Empfänger aus optoelektrischen Halbleiterwandlern bestehen, die eine sehr kleine Strahlungsfläche haben. Die zweite Lösung führt ebenfalls zu einem komplexen Aufbau, da sie eine gfs. sehr große Zahl von Lichtleitern und optischen Kopplern benötigt, wenn man Y-Koppler verwendet, die nur einfache Aufteilungen der über einen Eingangskanal empfangenen Lichtenergie auf zwei oder mehr Ausgangskanäle zulassen und keinen reziproken Betrieb ermöglichen.

Die Lichtleiter bestehen gewöhnlich aus einer optischen Paser aus einem transparenten Werkstoff, mit einer Seele, die mit einem Mantel umhüllt ist, dessen Brechungsindex kleiner als derjenige der Seele ist.

Es ist bekannt, einen optischen Koppler aus einem lichtdurchlässigen länglichen Stab wie etwa einem zylindrischen Block aus Glasfaser herzustellen, auf dessen Endflächen die Pasern oder Faserbündel der verschiedenen zu verbindenden Lichtleiter gekoppelt

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sind. Eine solche "Vorrichtung bildet einen optischen Mischer, da sie es gemattet, einen beliebigen Lichtleiter der einen Fläche mit den auf der anderen Fläche endenden Lichtleitern zu verbinden. Der Mischer arbeitet reziprok.

Nach einer anderen bekannten Ausführungsform besitzt der Mischer einen reflektierenden überzug auf einer seiner End- oder Stirnflächen, die somit einen Planspiegel bildet. Die Lichtleiter sind optisch mit der anderen Fläche des Mischers parallel zur Fortpflanzungsachse verbunden. Durch Reflexion der von einem Lichtleiter stammenden Energie an dem Spiegel wird diese Energie auf alle Lichtleiter etwa gleichmäßig verteilt, sofern bestimmte Bedingungen für die Abmessungen des Mischers und die Öffnungszahl der Lichtleiter eingehalten sind.

Ein derartiger optischer Koppler ist Insbesondere in der Zeitschrift "Electronics" vom 21.3.1974, Seiten 3^ bis 36 in dem Aufsatz "Low-loss coupler feeds 20 terminals" beschrieben. Seine Herstellung erfordert eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit des Planspiegels, um diesen genau rechtwinklig zu der Achse des zylindrischen Blockes zu erhalten, damit eine Dispersion der reflektierten Lichtenergie mit dem Verlust eines Teils derselben in Folge des Diaphragma-Effektes bzw. der Brechung zusätzlich zu den Diffusionsverlusten vermieden wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Koppler zu schaffen, der einen weniger hohen Bearbeitungsaufwand erfordert .

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.

In der Zeichnung ist ein Koppler nach der Erfindung anhand beispielsweise gewählter Ausführungsformen in schematischer Verein-

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fachung dargestellt. Es zeigt:

FIg. 1 eine vereinfachte Darstellung eines optischen Kopplers₃

Fig. 2 eine Teildarstellung des Eopplers nach Fig.l

zur Veranschaulichung dessen Arbeitsweise,

Fig. 3 ein optisches übertragungssystem mit einem

Koppler nach Fig. 1,

Fig. h eine Seitenansicht des Kopplers nach Fig.

FIg. 5 eine weitere Seitenansicht des Kopplers nach

FIg. I₃

FIg. 6 bis 8 ein Ausführungsbeispiel eines optischen

Kopplers und

Fig. 9 einen Längsschnitt durch eine andere Ausfüh-

rungsform eines Kopplers entsprechend Fig.

Der Koppler gemäß FIg. 1 umfaßt eine einzige Mischfaser 1 bestehend aus einem die Seele bildenden, zylindrischen Mittelstück 1 und einem dieses umgebenden Mantel 2.

Die verschiedenenj zu verbindenden Lichtleiter bilden ein erstes Bündel Gl, das mit einer Stirnfläche 3 des Mischers I₃ 2 verbunden Ist. Mechanische oder andere Mittel 4 stellen die optische Kopplung her_s derart, daß die Enden der Lichtleiter parallel zur optischen Fortpflanzungsachse Z des Zylinders 1 verlaufen und daß die Endflächen dieser Enden in derselben Ebene parallel zu der Stirnfläche 3 liegen. Entweder ist ein Spalt 5, der wahlweise luftgefüllt ist oder aus einem transparentem Werkstoff besteht, vorgesehen oder die Verbindung wird durch unmittelbare Berührung hergestellt.

Der zweiten, planen Stirnfläche 6 des Mischers Ist ein zweites

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Lichtleiterbündel G2 optisch zugeordnet, das mit einer ersten Endfläche etwa die halbe Stirnfläche 6 einnimmt und das mit seiner anderen Endfläche etwa den verbleibenden Teil dieser Stirnfläche einnimmt j wobei das Bündel G 2 eine Schleife bildet, so daß jeder dessen Lichtleiter mit seinen zwei Enden mit der Stirnfläche 6 gekoppelt ist.

In gleicher Weise wie für das erste Lichtleiterbündel Gl sind Verbindungs- und/oder Halterungsvorrichtungen 7 und 8 entsprechend den Teilen H und 5 für dieses zweite Lichtleiterbündel G2 vorgesehen.

Die Stirnfläche 3 bildet eine Eingangs/Ausgangsfläche und die Stirnfläche 6 bildet eine "Umkehr"- oder Reflexionsfläche, wie sich aus der Erläuterung der Arbeitsweise anhand der Pig. 2 ergibt. Das von einem Sender Ej kommende Licht gelangt über den entsprechenden Verbindungslichtleiter 10-j des Bündels Gl auf die Stirnfläche 3> durchquert diese Stirnfläche 3 und dringt in die Seele der Mischfaser 1 ein. Die Länge L des Zylinders ist wenigstens gleich D/tgu, worin D der Zylinderdurchmesser und u der Grenzwinkel entsprechend der Öffnungszahl des Lichtleiters ist, damit die einzige Paser 1,2 die Mischfunktion erfüllt. Unter diesen Bedingungen wird das von 10-j stammende Licht gleichmässig oder annähernd gleichmäßig über die Umkehrfläche 6 verteilt. Jedes Ende eines Lichtleiters wie etwa 11-i des Bündels G2 empfängt folglich einen Bruchteil des gesendeten Lichtes und überträgt es an das andere Ende desselben Lichtleiters um es in den transparenten Zylinder 1 in Richtung auf die Stirnfläche 3 zurückzuschicken. In -Folge der Reziprozität wird der von jeder Endfläche der Lichtleiter wie etwa 11-i wieder ausgesandte Bruchteil der Energie gleichmäßig auf die Eingangs/Ausgangs-Fläche 3 verteilt und damit auch auf die Endflächen der verschiedenen Lichtleiter des Bündels Gl. Das gesend&e Licht ist dann gleichmäßig auf alle Lichtleiter 10 des Bündels Gl, beispielsweise auf den dargestellten Lichtleiter 10-k, dessen anderes Ende mit einem

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Empfänger Rk verbunden ist, verteilt.

Wie sonach ohne weiteres verständlich, ist jeder Lichtleiter des Bündels Gl in der gleichen Weise mit den anderen Lichtleitern dieses Bündels gekoppelt,so daß jeder Sender eines Netzes mit sämtlichen Empfängern des Netzes verbunden werden kann. Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines entsprechenden optischen Übertragungssystems mit den Teilnehmerstationen Sl bis Sh, von denen einige wie Sl, S2, S4 sowohl einen Sender als auch einen Empfänger enthalten, während bestimmte Stationen wie beispielsweise S3 lediglich einen Empfänger enthalten; die Verbindungen mit dem Koppler 1, 2 können statt über jeweils zwei Lichtleiter auch über einen Lichtleiter geführt werden, wenn ein Y-Koppler C4 verwendet wird. Die Lichtleiter sind mit den Sendern und Empfängern über geeignete Stecker wie C3 verbunden.

Unter nochmaliger Bezugnahme auf Fig. 2 ist festzuhalten, daß die Orte der Enden jedes Umkehrlichtleiters 11-i auf der Stirnfläche 6 beliebig sind, also keinerlei einschränkender Bedingung wie etwa derjenigen einer Symmetrie in Bezug auf die Achse Z unterliegen. Somit können die ersten Enden der Lichtleiter des Bündels G2 zufällig über die Stirnfläche 6 verteilt sein und die zweiten Enden sind dann auf die verbleibenden freien Stellen,das heißt ebenfalls zufällig, verteilt. Selbst wenn man annimmt, daß die Verteilung der auf die Stirnfläche 6 gelangenden Lichtenergie nicht völlig gleichförmig ist, ist sichergestellt, daß dieser Mangel in Höhe der Stirnfläche 3 beseitigt ist durch die zufällige Verteilung der vorhergenannten Lichtleiter auf die Stirnfläche 6. Eine derartige Verteilung ist sehr einfach mit Lichtleitern 11 herstellbar, von denen jeder aus einem Bündel aus Fasern 12 (Fig. 4) besteht, von dessen Endstück der Schutzmantel 13 abgezogen ist, wonach dann die Fasern der verschiedenen, den Einzellichtleitern entsprechenden Bündel willkürlich durcheinandergebracht werden. Jede Faser 12 umfaßt eine transparente Seele 14 und einen transparenten Mantel 15. Der Schutzmantel 13 eines Bündels aus optischen Fasern ist im allgemeinen lichtundurchlässig

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und besteht aus einem Kunststoff.

Der Aufbau aus Faserbündeln gemäß Fig. 4 trifft auch für die verschiedenen Lichtleiter des Bündels Gl zu, die auf der Stirnfläche 3 entsprechend dem Beispiel der Fig. 5 vereinigt werden können; aus Gründen der Vereinfachung und der größeren Übersichtlichkeit ist lediglich ein Lichtleiter 10-j in seinem Einzelaufbau verdeutlicht.

Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades muß der Füllfaktor der Umkehrfläche 6 durch die Enden der Fasern 11 für die Rücksendung des Lichtes so hoch als möglich sein. Die Verwendung von optischen Fasern kleinen Durchmessers ist daher zu bevorzugen, so daß das Bündel G2 eine sehr große Anzahl optischer Fasern umfaßt. Die Wahl eines kleinen Durchmessers ist abzuwägen unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Fasern selbst, der vom Durchmesser abhängig sein kann. Unter Berücksichtigung dessen, daß die aktive Fläche jedes Faserendes diejenige der Seele ist, muß in Höhe des Verbindungsspaltes die durch den Mantel jeder Faser beanspruchte, unwirksame Fläche soweit als möglich verringert werden. Vorzugsweise sind demgemäß Fasern zu verwenden, bei denen die Dicke des transparenten Mantels klein im Verhältnis zum Seelendurchmesser ist; gfs. ist auch die Manteldicke im Bereich der Enden dieser Fasern für das Zurückschicken der Lichtenergie durch geeignete Bearbeitung zu verringern. Dieselben Feststellungen gelten auch für das aus der Eingangs/Ausgangs-Fläche 3 ankommende Bündel Gl. Um schließlich zu einem platzsparenden Aufbau für die Umkehrschleife zu kommen, wird für die Fasern 11 vorzugsweise ein Typ verwendet, der eine große numerische öffnung oder Öffnungszahl besitzt und somit kleine Krümmungsradien zuläßt, welcher Fasertyp zwar auch hohe Verluste aufweist, die jedoch in Anbetracht der geringen optischen Weglänge für die Umkehrschleife keine entscheidungserhebliche Rolle spielen.

Die Figuren 6 bis 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Kopplers.

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Pig. 6 veranschaulicht im Längsschnitt die Mischfaser 1, 2 in einem Gehäuse 20, wo sie durch ein Trägerteil 21 mechanisch fixiert ist. Jeder Lichtleiter 10-j des Bündels Gl ist mittels eines Steckers 22-j an eine Paser oder an ein Faserbündel 23-j gekoppelt. Die Stecker 22 sind auf einem Deckel 24 angeordnet. Ein mechanisches Teil 25 ermöglicht die Zusammenfassung der Fasern oder der Bündel 23-j zu einem einzigen zylindrischen Bündel 23 j das mit der Eingangs/Ausgangs-Fläche 3 des Mischers gekoppelt ist. In gleicher Weise faßt ein mechanisches Teil 26 die Pasern der Schleife G2 auf der Umkehrfläche 6 zu einem zylindrischen Bündel zusammen. Halteteile wie etwa Schrauben 27 und 28 dienen der Lagefixierung und Befestigung der Einzelteile. Die Umkehrschleife G2 ist um eine mechanische Achse 29 gelegt. Fig.7 zeigt einen Querschnitt längs der Linie R-R in Fig. 6 und Fig.8 zeigt einen Teillängsschnitt längs der Linie P-P senkrecht zur Ebene der Fig. 6.

Sämtliche Lichtleiter des Bündels G2 besitzen eine plane Endfläche, die auf einfache Weise durch Polieren der zu einem einzigen zylindrischen Bündel zusammengefaßten Fasern erreicht werden kann, Die Fläche des zusammengefaßten Bündels ist dann mit der planen Stirnfläche 6 entweder über einen transparenten Spalt 8 (Fig. 1), bestehend aus einem Gas wie etwa Luft oder aus einem flüssigen Werkstoff oder einem Feststoff wie einem Glas oder einem Kunststoff geeigneten Brechungsindexes gekoppelt; oder die Kopplung erfolgt durch direkte mechanische Berührung.

Selbstverständlich kann der Mischer auch anders als in Form einer Faser großen Durchmessers aufgebaut sein; eine äquivalente Ausführung ist ein Glasstab, dessen Seitenfläche einen reflektierenden Überzug trägt; ein weiteres Beispiel ist ein innenpolierter und mit seiner seitlichen Innenfläche reflektierend ausgebildeter Hohlzylinder.

Eine weitere Ausführungsform veranschaulicht Fig.9_a bei der der

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bischer aus dem Eingangsarm 30 eines dreiarmigen, sog. Y-Kopplers besteht. Bei einem solchen Koppler wird die ankommende Lichtenergie auf die Ausangsarme 31 und 32 aufgeteilt; wenn hingegen die übertragungsrichtung umgekehrt wird, das heißt von einem Ausgangsarm ausgeht, wird die gesamte, von diesem Ausgangsarm kommende Lichtenergie dem Eingangsarm zugeführt. Die Ausgangsarme sind optisch durch ein Faserbündel 33 gekoppelt, das eine ümkehrschleife entsprechend dem Bündel G2 der Pig. I bildet.

Der beschriebene Koppler eignet sich ganz besonders zur Verbindung von aus Faserbündeln bestehenden Lichtleitern für eine optische übertragung im sog. Multimoden-Betrieb.

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Le er

Claims

PATENTANWÄLTE DIETRICH LEWINSKY HEINZ-jO/.O-HM HUBER REINER PRIETSCH M Ü N CHEN 2 1 GOTTHARDSTR. 81 12. November 1976 Thornson-CSF 9l84-IV/Hg Patentansprüche:

1. Koppler zur Verbindung eines beliebigen Lichtleiters eines ersten Lichtleiterbündels mit allen anderen Lichtleitern dieses Bündels, mit einem optischen Mischer aus einem Stab aus transparentem Werkstoff mit einer Seitenfläche und zwei planen, zur Längsachse des Stabes rechtwinkligen Stirnflächen, wobei die Lichtleiter mit ihrem einen Ende parallel zu dieser Achse ausgerichtet sind und ihre zugehörigen Endflächen optisch mit der ersten Stirnfläche des Mischers gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Bündel (G2) von Lichtleitern (11) vorgesehen ist, deren beide Enden parä-IeI zu der Achse (Z) ausgerichtet sind und die mit ihren Endflächen optisch mit der zweiten Stirnfläche (6) des Mischers gekoppelt sind.

2. Koppler nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtleiter (11-i) des zweiten Lichtleiterbündels (G2) mindestens eine optische Faser enthält und daß die Enden der das Bündel bildenden Fasern zu einem einzigen Faserbündel vereinigt sind, beid^m die Endflächen alle in der gleichen Ebene vereinigt sind und dort nach einer Zufallsverteilung in einer Fläche liegen, die derjenigen der zweiten Stirnfläche entspricht.

3. Koppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er Stekker- zur optischen Verbindung jedes Lichtleiters (10-j) des ersten Bündels (Gl) mit zumindest einer optischen Faser (23-j),

709820/0813 ^0R/G/NAi. inspe_Oted

ein erstes mechanisches Teil (25) zur Zusammenfassung der
Fasern hinter bzw. nach dem Stecker zu einem einzigen Faserbündel (23), das an der ersten Stirnfläche (3) endet und ein zweites mechanisches Teil (26) zur Zusammenfassung der Leiter des zweiten Bündels zu einem der zweiten Stirnfläche (6) zugeordneten Faserbündel umfaßt.

4. Koppler nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet_s daß der optische Mischer aus einem Eingangsarm (30) eines dreiarmigen
Kopplers besteht, dessen beide Ausgangsarne (31_S 32) durch
ein dem zweiten Lichtleiterbündel entsprechendes Faserbündel (33) optisch verbunden sind.

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