DE3038048A1

DE3038048A1 - Faseroptische richtungs-kopplungseinrichrung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE3038048A1
Application number: DE19803038048
Authority: DE
Inventors: Ralph Alan Palo Alto Calif. Bergh; Herbert John Prof. Stanford Calif. Shaw
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1980-04-11
Filing date: 1980-10-08
Publication date: 1981-10-15
Also published as: US4493528A; AU6329380A; BR8102200A; IT8121061A0; IL62596A0; KR830006699A; JPS56154709A; EP0038023A2; EP0038023A3; CA1253375A

Description

- ίο -

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Paseroptiksysteme/ und sie betrifft im einzelnen eine Einrichtung zum Koppeln von optischer Leistung zwischen zwei Strängen von Faseroptikmaterial in einer gegebenen Fortpflanzungsrichtung.

Faseroptiksysteme werden zunehmend in weitem Umfang zur Informationsübermittelung auf einer Anzahl von Gebieten verwendet. Im Fernmeldewesen werden beispielsweise faseroptische Stränge anstelle von Kupferdrähten in Telefonka- . bein verwendet. Die Faseroptik wird auch in den Datenverarbeitungssystemen angewandt, sowie in anderen Signalverarbeitungssystemen und in interferometrischen Fühlsystemen. Die Faseroptik hat eine Anzahl von Vorteilen gegenüber konventionellen Drahtleitern, wie beispielsweise kleine Abmessungen, niedrige Kosten, geringere Empfindlichkeit gegen Interferenz und höhere Übertragungsleistungsfähigkeit»

In der meisten derzeit verwendeten Faseroptiksystemen wird eine Multimode-Fortpflanzung (d. h. eine Fortpflanzung vom Mehrfachwellen-Typ) angewandt, weil solche Systeme leichter und weniger kostenaufwendig ausführbar sind als Einfachmode-Systeme. Einfachmode-Systeme haben jedoch Vorteile, wie größere Informationskapazität und bessere Kohärenz, und es ist zu erwarten, daß in der Zukunft diese Einfachmode-Systeme in größerem Umfang benutzt werden.

Sowohl in den Multimode- als auch in den Einfachmode-Faseroptiksystemen ist es manchmal erforderlich, optische Leistung zwischen zwei Fasern oder Strängen zu koppeln. In Multimode-Systemen ist das wegen der relativ großen (etwa 6o Mikron) Kernabmessung der Multimode-Fasern verhältnismäßig leicht. In Einfachmode-Systemen jedoch ist die Kopp-

130(H2/06St

lung wegen der relativ kleinen Kernabmessung (in der Größenordnung von 1o bis 15 Mikron oder weniger) der Fasern schwieriger.

Bisher sind einige Versuche unternommen worden, Kopplungseinrichtungen für Einfachmode-Faseroptiksysteme zur Verfügung zu stellen. Diese Versuche haben mikro-optisehe'Kopplungseinrichtungen umfaßt, in denen Wellenleiter in planaren Substraten ausgebildet sind, und sogenannte "Flaschenkoppler", in denen zwei Fasern in einem Glasrohr miteinander verdrillt und zur Entfernung der Verkleidung geätzt sind. Jede dieser Kopplungseinrichtungen hat jedoch gewisse Beschränkungen und Nachteile. Mikro-optische Kopplungseinrichtungen haben relativ hohe Eingangs- und Ausgangs- Kopplungsverluste und interne Verluste, und sie haben die Tendenz, gegenüber der Polarisation des übertragenen Lichts empfindlich zu sein. Flaschenkoppler sind mechanisch instabil, zerbrechlich und haben einen mäßig hohen Durchsatzverlust.

Eine andere Art einer bisher in Einfachmode-Faseroptiksystemen angewandten Kopplungseinrichtung ist eine Endflächenkopplungseinrichtung, in der zwei Fasern unter einem Winkel geschnitten und längs einer diametrischen Linie an einem Ende der Fasern zusammengebracht sind. Diese beiden Fasern sind an das Ende einer dritten Fasern angefügt, so daß sie eine Dreikanaleinrichtung oder eine Leistungsteilungseinrichtung bilden.

Es sind außerdem einige Versuche unternommen worden, eine Einfachmode-Richtungs-Kopplungseinrichtung auszubilden, indem man einen Teil der Verkleidung von zwei allgemein parallelen Einfachmode-Fasern entfernt hat, um die Kerne zur übertragung von Licht zwischen den Strängen eng genug zusammenzubringen. Jedoch ist

es bisher nicht gelungen, eine erfolgreiche Kopplungseinrichtung für Einfachmode-Betrieb unter Verwendung dieser Technik zu bauen.

Allgemein soll mit der Erfindung eine neue und verbesserte faseroptische Richtungs-Kopplungseinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung derselben zur Verfügung gestellt werden. :

Weiterhin soll mit der Erfindung eine Kopplungseinrichtung der obigen Art geschaffen werden, die sowohl in einem Einfachmode-Faseroptiksystem (d. h. insbesondere einem Faseroptiksystem vom Einfachwellen-Typ)■als auch in Multimode-Systemen (d. h. insbesondere Systemen vom Mehrfachwellen-Typ) verwendet werden kann.

Außerdem wird mit der Erfindung eine Kopplungseinrichtung der obigen Art vorgeschlagen, in welcher der Grad der Kopplung zwischen zwei faseroptischen Strängen über einen relativ weiten Bereich hinweg eingestellt werden kann.

Darüber hinaus wird mit der Erfindung eine Kopplungseinrichtung der obigen Art zur Verfügung gestellt, die einen verhältnismäßig geringen Durchsatzverlust hat. 25

VJeiter wird mit der Erfindung eine Kopplungseinrichtung der obigen Art geschaffen, die einen hohen Grad an Richtvermögen besitzt.

Schließlich wird mit der Erfindung eine Kopplungseinrichtung der obigen Art vorgeschlagen, die Betriebscharakteristika hat, welche im wesentlichen unabhängig von der Polarisation des übertragenen Lichts sind.

Endlich wird mit der Erfindung eine Kopplungseinrichtung

der obigen Art zur Verfügung gestellt, die mechanisch stabil und dauerhaft sowie robust ist.

Die vorstehenden sowie weitere Vorteile werden gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß man das Material auf einer Seite jedes von zwei faseroptischen Strängen entfernt und die Stränge so anordnet, daß die beiden Stränge miteinander fluchten bzw. aufeinander ausgerichtet sind,- wobei die durch Wegschneiden entstandenen Teile der Verkleidung bzw. Umhüllung einander zugewandt sind μηα der Abstand zwischen den Kernteilen der Stränge innerhalb einer vorbestimmten kritischen Zone liegt,die für Einfachmode-Fasern typisch weniger als einige (beispielsweise 2 bis 3) Kerndurchmesser ist. Das Ausmaß der Kopplung kann durch Einstellung der Relatlv-Positionen und/oder Ausrichtungen der Stränge verändert werden. In einer beschriebenen.Ausführungsform ist jeder Strang in einem Schlitz von sich ändernder Tiefe in der allgemein planaren Fläche eines Blocks befestigt, und es wird Material gleichzeitig von dem Block und dem Strang entfernt, bis der gewünschte Betrag an Faseroptikmaterial entfernt worden ist. In einer anderen Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Strängen nebeneinander auf der gekrümmten Oberfläche von zwei Blöcken befestigt, und das Verkleidungs- bzw. Umhüllungsmaterial wird gleichzeitig von den Außenseiten der Stränge auf jedem Block entfernt, so daß die gewünschten Wechselwirkungsbereiche ausgebildet werden.

Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 der Zeichnung anhand einiger, besonders bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine etwas schematische Mittellinien-Schnittansicht einer Ausfuhrungsform einer Kopplungseinrichtung gemäß der Erfindung;

130 042/0558

Fig. 2 eine etwas schematische, vergrößerte, teilweise Querschnittsansicht längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine etwas schematische, vergrößerte, teilweise Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines der Blöcke, auf dem die faseroptischen Stränge in der Aus

führungsform der Fig. 1 befestigt sind;

Fig. 5 eine etwas schematische seitliche Aufrißansicht einer zweiten Ausführungsform einer Kopplungseinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine etwas schematische Querschnittsansxcht längs der Linie 6-6 der Fig. 5;· und

Fig. 7 eine Blockdarstellung einer dynamisch veränderlichen faseroptischen Kopplungseinrichtung, die unter Verwendung einer Kopplungsexnrichtung der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Art aufgebaut ist.

Wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, umfaßt die Kopplungseinrichtung 1o zwei Stränge 11 eines Einfachmode-Faseroptikmaterials. Jeder Strang umfaßt eine einzelne Faser aus Quarzglas, die so dotiert ist, daß sie einen mittigen Kernteil 12 und eine äußere Verkleidung bzw. Umhüllung 13 hat. Für einen Einfachmode-Betrieb hat der Kern typischerweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 1o bis 15 ,u oder weniger, und die Umhüllung hat einen Durchmesser in der Größenordnung von 125 .u. In Fig. 1 ist der Durchmesser der Stränge zur deutlicheren Veranschaulichung übertrieben dargestellt, und in den Fig. 2 bis 3 ist der Durchmesser

13ÖÖ42/05S8

des Kerns entsprechend übertrieben gezeichnet. Obwohl in diesem speziellen Ausführungsbeispiel Einfachmode-Fasern . verwendet werden, die einen Stufengradienten haben, ist die Erfindung nicht auf solche Fasern beschränkt und kann in vorteilhafter Weise auch bei anderen Fasern angewandt werden, beispielsweise Fasern, die eine kompliziertere Dotierung vom w-Typ haben, sowie Multimode-Fasern mit abgestufter Kennziffer. .

Die Stränge 11 sind an Basen oder Blöcken 16 befestigt, die optisch flache, sich gegenüberstehende Flächen oder Oberflächen 17 haben. Die Stränge sind in Schlitzen 18 befestigt, die durch die sich gegenüberstehenden Flächen münden, und sie erstrecken sich längs allgemein paralleler, einander schneidender Wege, die durch die inneren oder bodenseitigen Wände 19 der Schlitze definiert bzw. begrenzt sind. Die primäre Funktion der Basen ist es, die Stränge zu halten, und die Basen können aus jedem geeigneten starren Material hergestellt werden. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform umfassen die Basen allgemein rechteckige bzw. quaderförmige Blöcke aus geschmolzenem Quarzglas, die beispielsweise ungefähr 25,4 mm lang, 25,4 ram breit und 6,35 mm dick sind, und die Schlitze 18 stimmen mit den Sagitalebenen der Blöcke überein. In dieser Ausführungsform sind die faseroptischen Stränge in den Schlitzen mittels geeignetem Bindemittel, Klebstoff, Kitt, o. dgl. 21, wie beispielsweise Epoxyklebstoff, befestigt. Ein Vorteil der geschmolzenen Quarzblöcke besteht darin, daß sie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der demjenigen der Glasfasern entspricht, und dieser Vorteil ist besonders wichtig, wenn die Blöcke und Fasern während des Herstellungsvorgangs irgendeiner Wärmebehandlung unterworfen werden. Ein anderes geeignetes Material für die Blöcke ist Silicium, das ebenfalls für diesen Anwendungsfall ausgezeichnete thermische Eigenschaften hat.

13ÖÖU/O5SS

Die Schlitze 18 sind nach den Rändern der Blöcke hin tiefer als nach der Mitte zu. Wenn einer der Blöcke auf dem anderen in einer umgekehrten Position angebracht ist, dann konvergieren sowohl die bodenseitigen Wände der Schlitze als auch die in den Schlitzen befestigten Stränge nach den Mitten der Blöcke hin, und sie divergieren nach den Rändern der Blöcke zu. In der dargestellten Ausführungsform sind die bodenseitigen Wände 19 entlang ihrer Länge bogenförmig gekrümmt, aber sie können auch jede andere geeignete Kon- .

tür haben, vorzugsweise eine solche,- die eine allmähliche Konvergenz und Divergenz der faseroptischen Stränge zur Folge hat, ohne daß scharfe Biegungen oder abrupte Richtungsänderungen auftreten. In der schematischen Darstellung der Zeichnungen sind die bodenseitigen Wände als im Querschnitt flach dargestellt. Sie können jedoch auch gekrümmt sein oder jeden anderen gewünschten Querschnitt haben.

Nach den Mitten der Blöcke zu ist die Tiefe der Schlitze 18 geringer als der Durchmesser der Stränge 11, und die äußeren Teile des Faseroptikmaterials werden in gleicher Höhe mit der Oberfläche 17 entfernt. An den Rändern der Blöcke ist die Tiefe der Schlitze vorzugsweise wenigstens so groß wie der Durchmesser der Stränge, so daß an diesen Stellen nichts von der Umhüllung entfernt wird. Auf diese Weise, nimmt die Menge der entfernten Faseroptik von Null an oder in der Nähe der Ränder der Blöcke bis zu einem Maximum nach den Mitten der Blöcke hin zu. Die Entfernung des Materials ermöglicht es, jeden Kern innerhalb des Ausleuchtungsfeldes des anderen Kerns anzuordnen, wodurch Licht zwischen den beiden Fasern übertragen wird. Die Ausleuchtungsfeider erstrecken sich in die Umhüllung und nehmen außerhalb des Kerns, von dem sie ausgehen, sehr schnell mit der Entfernung ab. Die abgeschrägte Entfernung von Material ermöglicht es, daß die Fasern allmählich konvergieren und divergieren, und das ist zum Vermeiden einer rück-

130042/0669

wärtigen Reflexion und eines übermäßigen Verlusts von Einfallslichtenergie wichtig.

Aufgrund der Erfindung wurde überraschend festgestellt, daß die Menge an entferntem Material sorgfältig gesteuert werden muß, damit eine angemessene Kopplung zwischen den faseroptischen Strängen erzielt wird. Wenn zu wenig Umhüllung entfernt wird, können die Stränge nicht, eng genug zusaramengebracht werden, und es ergibt sich eine ungenügende Kopplung. Wenn zuviel Material entfernt wird, werden die Fortpflanzungseigenschaften der Fasern verändert, und es ergibt sich eine ungeeignete Betriebsweise, z. B. Rückwärtsreflexion und Verlust an Lichtenergie. Wenn der Abstand zwischen den Kernteilen der Stränge jedoch innerhalb einer gewissen vorbestimmten "kritischen Zone" liegt, empfängt jeder der Stränge einen wesentlichen Teil der vom anderen Strang ausgestrahlten Energie, und es wird eine optimale Kopplung erzielt, ohne daß.unerwünschte Wirkungen auftreten, wie sie bei der Entfernung von zu wenig oder zu viel Faseroptikmaterial vorhanden sind.

Das Ausmaß der kritischen Zone für eine spezielle Kopplungseinrichtung hängt von einer Anzahl von miteinander in Beziehung stehenden Faktoren ab, wie es beispielsweise die Parameter der Faser selbst und die Geometrie der Kopplungseinrichtung ist, und bei Einfachmode-Faseroptiksträngen, die einen Stufenkennzahlgradxenten haben, kann die kritische Zone ziemlich schmal sein. In einer Einfachmode-Kopplungseinrichtung der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Art ist beispielsweise der erforderliche Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen den Strängen in der Mitte der Kopplungseinrichtung typischerweise geringer als einige (beispielsweise zwei bis drei) Kerndurchmesser.

An der Verbindungsstelle der Stränge wird ein Wechselwir-

130042/086«

kungsbereich 23 ausgebildet, und in diesem Bereich wird Licht zwischen den beiden Strängen übertragen. Das Ausmaß an übertragenem Licht hängt von der Nähe und der Ausrichtung der Kerne wie auch von der Länge des Wechsel-Wirkungsbereichs ab. Die Länge dieses Bereichs hängt ihrerseits von dem Krümmungsradius der bodenseitigen Wände 19 und dem Abstand zwischen den Kernen ab. In einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Mitte-zuMitte-Kernabstand in der Größenordnung der Größe des Kerndurchmessers angewandt, wobei der Krümmungsradius in der Größenordnung von 1 m liegt und der Wechselwirkungsbereich ungefähr 2,5 mm lang ist. Bei diesen Dimensionen erfolgt nur eine Lichtübertragung zwischen den Strängen, wenn das Licht durch den Wechselwirkungsbereich hindurchgeht. Jedoch kann auch gewünschtenfalls ein längerer Wechselwirkungsbereich vorgesehen sein, in welchem Falle das Licht eine Übertragung hin und her zwischen den beiden Strängen erfährt, wenn es durch den Bereich hindurchgeht. Diese zusätzlichen Übertragungen können eine erhöhte Empfindlichkeit für Bewegung für einige Arten des Schaltens, beispielsweise durch Translation oder Akustik, erbringen. Gewünschtenfalls kann die Länge des Wechselwirkungsbereichs erhöht werden, ohne daß die Anzahl von Übertragungen erhöht wird, wenn die Trennung zwischen den Kernen um einen entsprechenden Betrag erhöht wird.

Ein Fluidfilm (nicht gezeigt) ist zwischen den sich gegenüberstehenden Oberflächen des Blocks 16 vorgesehen. Dieses Fluid hat die zweifache Funktion, die Brechzahlen anzupassen und zu verhindern, daß die optisch flachen Oberflächen der Blöcke dauerhaft aneinander befestigt werden.

Das Ausmaß an Kopplung zwischen den Fasern wird durch Ändern der Relativpositionen und/oder der Orientierungen der Faserkerne im Wechselwirkungsbereich eingestellt. Die pri-

märe Einstellung wird dadurch erzielt, daß man die Blöcke in einer Richtung senkrecht zur Achse der Fasern verschiebt. Zusätzliche Einstellungen können dadurch ausgeführt werden, daß man die Blöcke in einer Richtung parallel zur Faserachse verschiebt und daß man die Blöcke um eine Achse dreht, die senkrecht zur Faserachse ist. Einer der Blöcke kann in einer ortsfesten Position befestigt werden, und der andere Block kann auf einem Laufwerk, Schlitten, Wagen, o. dgl. angebracht werden, das bzw. der Mikrometerschrauben hat, mit denen die Verschiebungs- und Dreheinstellungen ausgeführt werden können.

Die Kopplungseinrichtung hat vier Öffnungen, die in Fig. 1 mit A bis D bezeichnet sind, wobei sich die öffnungen A, B an entgegengesetzten Enden einer der Fasern und die öffnungen C, D an entgegengesetzten Enden der anderen Faser befinden. Bei den nachstehenden Ausführungen wird davon ausgegangen, daß ankommendes Licht von geeigneter Wellenlänge (z. B. 1,15.u) auf die öffnung A gegeben wird. Dieses Licht geht durch die Kopplungseinrichtung hindurch und wird an der Öffnung B und/oder an der öffnung D abgegeben, was von dem Kopplungsverhältnis, auf das die Kopplungseinrichtung eingestellt ist, abhängt.

Der Kopplungskoeffizient ist definiert als das Verhältnis der Leistung an der Ausgangsöffnung D zur Leistung an der Eingangsöffnung A. In einem Beispiel einer Kopplungseinrichtung, die die obigen Dimensionen hat, hat sich gezeigt, daß 85 % der Eingangsleistung an der öffnung A zur öffnung D geleitet wurden. Im Prinzip jedoch ist eine Kopplung von 1oo % möglich, und das Ausmaß der Kopplung kann auf jeden gewünschten Wert zwischen O und dem Maximum von 100 % eingestellt werden. Infolgedessen hat die Kopplungseinrichtung einen hohen, in weitem Umfang einstellbaren Kopplungskoeffizienten.

- 2o -

Die Kopplungseinrichtung hat außerdem einen sehr geringen Durchsatzverlust und ein sehr gutes Richtvermögen. Der Durchsatzverlust ist in dem obigen Beispiel weniger als o,2 db. Das Richtvermögen ist definiert als das Verhält-ι nis der Leistung an der Öffnung D zur Leistung an der öffnung C/ wobei die eingegebene Leistung auf die öffnung A gegeben wird. Bei dieser Kopplungseinrichtung ist die Lei-. stung in der Öffnung D mehr als 6o db über der Leistung an der öffnung C. Infolgedessen wird im wesentlichen alle Leistung, die auf die Eingangsöffnung A gegeben wird, zu den Ausgangsöffnungen B und D geleitet.

Die Kopplungseinrichtung hat weiterhin ein ausgezeichnetes Polarisationsansprechvermögen insofern, als sie Licht jeder Polarisation nahezu gleich gut durchläßt. Daher sind die Eigenschaften der Kopplungseinrichtung im wesentlichen unabhängig von Polarisation.

In einem derzeit bevorzugten Herstellungsverfahren wird die Kopplungseinrichtung nach den Fig. 1 bis 4 in der Weise hergestellt, daß zunächst die gegenüberliegenden Flächen 17, 26 der Blöcke 16 flach und parallel geschliffen werden. Dann werden die Schlitze 18 zu einer gleichförmigen Tiefe, die größer als der Durchmesser der faseroptisehen Stränge ist, in die Flächen 17 eingeschnitten. Die bodenseitigen Wände der Schlitze werden dann so geformt, daß sich die gewünschte Kontur ergibt. Das Formen geschieht vorzugsweise so, daß die Tiefe der Schlitze an den Rändern der Blöcke wenigstens um die Hälfte eines Faserkerndurchmessers größer als die Tiefe in den Mitten der Schlitze ist.

Wenn die Schlitze einmal ausgebildet worden sind, wird Epoxyklebstoff 21 hineingebracht, und die Stränge 11 werden in den mit Klebstoff versehenen Schlitzen angeordnet.

130042/0636'

Dann werden Gewichte an den Enden der Stränge befestigt, so daß die Stränge gespannt und dicht an die bodenseitigen Wände der Schlitze herangezogen werden. Die gesamte Anordnung wird dann zum Härten des Klebstoffs in einem Ofen erwärmt, typischerweise bei einer Temperatur in der Größenordnung von 7o C während 1o Stunden. Bei dem Epoxyklebstoff ist es sehr wichtig, daß die Wärme allmählich zur Einwirkung gebracht und wieder weggenommen wird, damit ein Bruch der Fasern innerhalb der Schlitze verhindert wird. Das kann dadurch geschehen, daß man die Blöcke in dem Ofen anordnet, bevor dieser angeschaltet wird, und daß man sie nach dem Erwärmungsvorgang in dem Ofen läßt, bis sich dieser auf Raumtemperatur abgekühlt hat. Wenn das Erwärmen beendet ist,.werden die Gewichte entfernt, so daß die Spannung der Fasern weggenommen wird.

Wenn die Fasern einmal in den Schlitzen befestigt worden sind, werden die Flächen 17 parallel zu den Flächen 26 feingeschliffen, bis sie die Umhüllung der Fasern schneiden, so daß langgestreckte, oval geformte, flache Oberflächen auf den äußeren Seiten der Fasern ausgebildet werden. Die Breiten dieser oval geformten Flächen werden gemessen, um die Positionen der Fasern relativ zu den Blockoberflächen 26 zu bestimmen, und danach dienen diese Oberflächen als Bezugsstellen zur Lokalisierung der Kernteile der Fasern. Durch Messen der Länge der oval geformten Flächen an unterschiedlichen Tiefen der Schnitte können die Krümmungsradien der Fasern bestimmt werden. Der FeinschleifVorgang wird fortgesetzt, bis die Umhüllung so weit entfernt worden ist, daß man innerhalb eines Bereichs von etwa 3 .u des gewünschten Abstands von den Kernen ist, was durch direkte Messung der Dicke der Blöcke bestimmt wird. Die letzten 3/U werden durch Polieren entfernt.

Die polierten Oberflächen der Blöcke werden dann zusammen-

gefügt, und zwar so, daß die abgearbeiteten Teile der Fasern einander zugewandt sind. Die sich gegenüberstehenden Flächen der Blöcke werden in einem Abstand in der Größenordnung von o,5 u oder weniger getrennt angeordnet, und optisches öl wird durch Kapillarwirkung zwischen die Blökke eingebracht.

In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden die Schlitze 18 durch Einschneiden in die Oberflächen der Blökke ausgebildet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Schlitze auch in irgendeiner anderen Weise ausgebildet werden können, wie beispielsweise dadurch, daß man Flächen auf die Blöcke aufträgt oder zwei oder mehrere Blöcke miteinander verbindet, und weiterhin können die Schlitze andere Formen haben, z. B. V-Nuten sein. In entsprechender Weise können andere Techniken als Kleben zum Binden der Fasern an die Blöcke angewandt werden, beispielsweise Indiumbindung. In entsprechender Weise ist es auch möglich, das Material von den Blöcken und die Umhüllung durch andere geeignete Techniken zu entfernen, beispielsweise durch Ätzen oder Fotolithographie.

In der Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 ist eine Mehrzahl von faseroptischen Strängen 31, die den Strängen 11 gleichartig sind, an Basen oder Blöcken 32 befestigt und so angeordnet, daß sich eine Mehrzahl von Wechselwirkungsbereichen 33 zwischen entsprechenden Strangpaaren auf den beiden Blöcken ergibt. In dieser Ausführungsform sind die Kerne der Fasern mit 36 und die Verkleidungen bzw. ümhüllungen mit 37 bezeichnet.

Wie dargestellt, umfassen oder sind die Basen 32 allgemein rechteckige bzw. quaderförmige Blöcke aus Quarz oder anderem geeignetem starrem Material, und sie haben sich gegenüberstehende Flächen oder Oberflächen 38 sowie äußere Flä-

130042/0568

' -^:"..^: 303S04S

chen oder Oberflächen 39. Die mittigen Teile 41 der Oberflächen 38 sind planar und parallel zu den Oberflächen 39, und die Oberflächen 38 verlaufen von den mittigen Teilen

41 weg nach den Rändern der Blöcke hin gekrümmt. Die Länge der Wechselwirkungsbereiche 33 wird durch die Länge der planaren mittigen Teile 41 und den Krümmungsradius der Endteile der Oberflächen 38 sowie durch den Kernabstand der Fasern bestimmt.

Die Fasern 31 sind auf den Oberflächen 38 angebracht und in geeigneter Weise, beispielsweise mittels Epoxyklebstoff

42 oder einem anderen geeigneten Klebstoff daran befestigt. Wie in der Ausführungsform nach den Fig.1 bis 4 wird das Material auf den Außenseiten der Fasern von Null an den Rändern oder im Bereich der Ränder der Blöcke aus allmählich bis in die kritische Zone nach den Mitten der Blöcke hin durch Feinschleifen und Polieren in einer Richtung, die parallel zu den Oberflächen 38, 39 ist, entfernt.

Die Betriebsweise und die Verwendung der Ausführungsform nach den Fig. 5. und 6sind der Betriebsweise und der Verwendung der Kopplungseinrichtung nach den Fig. 1 bis 4 gleichartig, und das Ausmaß der Kopplung zwischen fluchtenden Strangpaaren bzw. zwischen fluchtenden Strängen eines Paars auf den beiden Blöcken kann durch Verschiebung und Drehung der Blöcke eingestellt werden.

In einem derzeit bevorzugten Verfahren zur Herstellung der Kopplungseinrichtung nach den Fig. 5 und 6 werden die Oberflächen der Blöcke 32 zunächst flach und parallel geschliffen. Danach werden die gewünschten Krümmungen nach den äußeren Rändern der Oberflächen 38 hin ausgebildet. Dann wird der Klebstoff auf die konturierten Oberflächen aufgebracht,und die faseroptischen Stränge werden auf den Blöcken angeordnet und gegen die Oberflächen 38 gedrückt,

13ÖCU2/O$Se

während der Klebstoff aushärtet. Wenn zum Aushärten des Klebstoffs eine Erwärmung erforderlich ist, sollte die Wärme zum Vermeiden eines Bruchs der Fasern allmählich zur Einwirkung gebracht und weggenommen werden. 5

Wenn der Klebstoff ausgehärtet ist, wird das Material auf den Außenseiten der Stränge durch Feinschleifen und Polieren in einer zu den Oberflächen 38, 39 parallelen Richtung entfernt. Der Abstand zwischen den feingeschliffenen und polierten Oberflächen und den Kernen der Fasern wird durch Messung des Abstands zwischen diesen Oberflächen und den äußeren Oberflächen 39 bestimmt. Die Entfernung des Materials in dieser Weise ergibt eine allmähliche Abschrägung der Fasern in die VJechselwirkungsbereiche hinein und aus diesen heraus. In dieser Ausführungsform bilden die benachbarten Fasern auf jedem Block eine seitliche Abstützung füreinander und dienen als Führung in den Schleif- und Polierschritten.

Wenn die gewünschte Menge an Material entfernt worden ist, werden die Blöcke so aufeinander angeordnet, daß die Oberflächen 38 einander zugewandt sind und die entsprechenden Stränge auf den beiden Blöcken miteinander fluchten, so daß eine Mehrzahl von Kopplungspaaren ausgebildet wird.

Wie die Fig. 7 zeigt, kann eine Kopplungseinrichtung 1o der vorstehend beschriebenen Art dazu verwendet werden, eine dynamisch veränderbare Kopplung in einem Faseroptik-System zu erzielen. In dieser Ausführungsform sind geeignete Wandler oder Antriebseinrichtungen 51, 52 mit dem oberen Block 16 verbunden, so daß sie diesen Block relativ zu dem unteren Block längs den Achsen 53, 54 in Richtungen hin und her verschieben können, die senkrecht und parallel zu den Achsen der Fasern sind. Ein entsprechender Wandler oder eine entsprechende Antriebseinrichtung 56 ist außerdem mit

130U42/0S3*

dem oberen Block verbunden, so daß sie diesen Block längs einer Achse 57 in einer zu den Achsen 53/ 54 senkrechten Richtung zur Änderung des Abstands zwischen den Blöcken bewegen kann. Ein vierter Wandler oder eine vierte Antriebseinrichtung 58 ermöglicht eine Relativdrehung der Blöcke um die Achse 57. Durch Verändern der Relativpositionen und/ oder Orientierungen der Blöcke und der Paserkerne in dem Wechselwirkungsbereich wird durch einen oder_: mehrere der Wandler bzw. eine oder mehrere der Antriebseinrichtungen das Ausmaß der Kopplung zwischen den Fasern entsprechend Signalen verändert, die an die Wandler bzw. Antriebseinrichtungen angelegt werden. Diese Wandler bzw. Antriebseinrichtungen können jede geeignete Ausbildung haben, einschließlich diejenige von piezoelektrischen Wandlern oder von anderen bekannten elektro-mechanischen Wandlern.

Das in Fig. 7 veranschaulichte System kann als variable Kopplungseinrichtung verwendet werden, in der der Kopplungskoeffizient durch Spannungen oder andere geeignete, an die Wandler angelegte Steuer- oder Regelsignale gesteuert oder geregelt wird. Das System kann auch als ein Modulator arbeiten, wenn eine zeitlich variierende Spannung oder ein anderes geeignetes Modulationssignal an die Wandler angelegt wird.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß.mit der Erfindung eine neue und verbesserte Kopplungseinrichtung zur Verfügung gestellt wird, die sowohl in Einfachmodeals auch in Multimode-Faseroptiksystemen verwendet werden kann. Der Kopplungskoeffizient kann über einen weiten Bereich eingestellt werden, wodurch es ermöglicht wird, eingegebenes Licht in gewünschter Weise zwischen zwei Ausgangsöffnungeh bzw. -kanälen aufzuteilen. Die Kopplungseinrichtung hat einen niedrigen Durchsatzverlust und ein sehr hohes Richtvermögen, so daß im wesentlichen alles eingegebene

130042/0SS6

Licht an die Ausgangsöffnungen geleitet wird. Die Betriebscharakteristika der Kopplungseinrichtung sind im wesentlichen unabhängig von Polarisation. Die Kopplungseinrichtung ist mechanisch stabil und dauerhaft, so daß sie in einer Vielfalt von Umgebungen angewandt werden kann. Wenn eine Einstellbarkeit nicht erwünscht ist, können die Blöcke miteinander verbunden bzw. aneinandergebunden werden, so daß sich eine feste Kopplungseinrichtung ergibt.. Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß eine neue und verbesserte faseroptische Richtungskopplungsexnrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung gestellt werden. Obwohl nur gewisse, gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen in näheren Einzelheiten beschrieben worden sind, ist es ohne weiteres ersichtlich, daß im Rahmen des Gegenstandes der Erfindung, wie er sich aus den Ansprüchen ergibt, sowie im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens vielfältige Abwandlungen und Änderungen möglich sind.

Kurz zusammengefaßt betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Koppeln von optischer Leistung zwischen zwei Strängen aus Faseroptikmaterial in einer gegebenen Fortpflanzungsrichtung, sowie ein Verfahren -ur Herstellung dieser Einrichtung. In der Kopplungseinrichtung sind allgemein parallele, sich schneidende Stränge von Faseroptikmaterial vorgesehen, bei denen die Verkleidung bzw. Umhüllung auf einer Seite derselben bis innerhalb weniger Mikron von den Faserkernen in dem Schnittbereich entfernt worden ist, so daß eine Lichtübertragung zwischen den Strängen ermöglicht wird.

13U(U2/0S56

Claims

Patentansprüche

Faseroptische Richtungs—Kopplungseinrichtung, gekennzeichnet durch ein Paar Blöcke (16), die allgemein planare, einander in geringem Abstand gegenüberstehende Flächen (17) haben; allgemein miteinander fluchtende Schlitze, die durch die Flächen (17) der Blöcke (16) münden und Bodenwände haben, welche nach den Mitten der Schlitze (18) zu konvergieren und nach den Rändern der Blöcke (16) hin divergieren; und einen Strang (11) von Einfachmode-Faseroptikmaterial, der in jedem der Schlitze (18) längs eines Weges befestigt ist,der der Bodenwand des Schlitzes (18) entspricht, wobei die Umhüllung auf den sich gegenüberstehenden Seiten der Stränge (11) eben mit den Flächen

1 30Ö42/05BS

O _

der Blöcke (16) bis auf einen innerhalb weniger Mikron von den Kernteilen (12) der Stränge. (11) liegenden Abstand entfernt ist, und wobei sich die Kernteile (12) in nächster Nähe zueinander befinden, so daß ein Wechselwirkungsbereich (23) , in dem Licht zwischen den Strängen (11) übertragen wird, ausgebildet ist.
2. Kopplungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Umhüllung (13) bis auf einen Abstand vom Kern (12) entfernt ist, der nicht größer als die Größenordnung des Durchmessers des Kerns (12) ist.
3. Kopplungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwände des Schlitzes (18) entlang den Schlitzen (18) bogenförmig gekrümmt sind.
4. Faseroptische Richtungs-Kopplungseinrichtung, g e kennzeichnet durch einen ersten und zweiten Strang (11, 31) bzw. erste und zweite Stränge (11, 31) aus Faseroptikmaterial, das eine äußere Umhüllung (13, 37) hat, die von Null.aus allmählich bis auf einen Abstand vom Kernteil (12, 36), der innerhalb weniger Mikrön liegt, auf einer Seite desselben entfernt worden ist; eine erste und zweite Basis (16, 32) bzw. erste und zweite Basen (16, 32), an denen die jeweiligen Stränge (11, 31) starr befestigt sind; und eine Einrichtung zum Anordnen der Basen (16, 32) zusammen mit den Teilen der Stränge (11, 31), in denen die Umhüllung (13, 37) entfernt worden ist, in enger, einander zugewandter Beziehung, so daß ein VJechselwirkungsbereich (23, 33) ausgebildet wird, in dem Licht zwischen den Kernteilen (12, 36) der Stränge (11, 31) übertragen wird.
5. Kopplungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Kernteile (12, 36) in dem Wechselwirkungsbereich (23, 33) in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der innerhalb der Größenordnung des Durchmessers des Kernteils (12, 36) von einem der Stränge (11, 31) liegt.
6. Kopplungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Basen Blöcke (16) umfassen oder sind, die allgemein planare, sich gegenüberstehende Flächen (17) haben, und daß die Stränge (11) in Schlitzen (18) befestigt sind, die in den sich gegenüberstehenden Flächen (17) der Blöcke (16) ausgebildet sind.
7. Kopplungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeic hnet, daß jeder der Schlitze (18) eine bogenförmig gekrümmte Bodenwand hat.
8. Kopplungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Mehrzahl von faseroptischen Strängen (31) nebeneinander auf jeder der Basen (32) befestigt sind, und daß die Umhüllung (37) von den einander zugewandten Seiten der Stränge (31) auf den beiden Blöcken (32) entfernt ist, so daß eine Lichtübertragung zwischen Entsprechenden der Stränge (31) auf den beiden Blöcken (32) erzielt wird.
9. Faseroptische Richtungs-Kopplungseinrichtung, g e kenn zeichnet durch eine erste und zweite Basis (32) , die sich gegenüberstehende Faserbefestigungsoberflächen (38) haben; und eine Mehrzahl von Strängen (31) von Einfachmode-Faseroptikmaterial, die

13ÖÖ42/05SS

nebeneinander auf jeder der Befestigungsoberflächen (38) befestigt sind, wobei die Umhüllung (37) .auf der Außenseite jedes Strangs (31) allmählich von Null bis zu einem Abstand vom Kernteil (36) des Strangs (31) , der innerhalb weniger Mikron liegt, entfernt ist, und wobei Entsprechende der Stränge (31) auf.den beiden Basen (32) in nächster Nähe zueinander dort, wo die Umhüllung (37) entfernt worden ist, angeordnet sind, so daß Wechselwirkungsbereiche (33) ausgebildet.werden, in denen Licht zwischen den Kernteilen (36) der Stränge (31) übertragen wird.
10. Kopplungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß die Oberflächen (38) der beiden Blöcke (32) nach den Mitten der Oberflächen (38) hin konvergieren und nach den Rändern der Oberflächen (38) zu divergieren, und daß die Umhüllung (37) von den Strängen (31) in einer allgemein planaren Weise entfernt ist.
11. Faseroptische Richtungs-Kopplungseinrichtung, gekennzeichnet durch einen ersten und zweiten Strang (11, 31) bzw. erste und zweite Stränge (11, 31) aus Faseroptikmaterial, bei denen die äußere Umhüllung (17, 37) allmählich von Null bis zu einem Abstand vom Kernteil (12, 36), der innerhalb weniger Mikro liegt, auf einer Seite desselben entfernt sind; und eine Einrichtung (51, 52, 56, 58) zum zusammen Positionieren der Stränge (11, 31) so, daß die Teile der Stränge (11, 31), in denen die Umhüllung (13, 37) entfernt worden ist, in enger, einander zugewandter Beziehung sind, so daß ein Wechselwirkungsbereich (23, 33) ausgebildet wird, in dem Licht zwischen den Kernteilen (12, 36) der Stränge (11, 31) übertragen wird.

13Θ04-2/06Β*
12. Kopplungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Kernteile (12, 36) in dem Wechselwirkungsbereich (23, 33) in einem Abstand voneinander vorgesehen'sind, der innerhalb der Größenordnung des Durchmessers des Kernteils (12, 36) von einem der Stränge (11, 31) liegt.
13. Kopplungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Mehrzahl von faseroptischen Strängen (31) nebeneinander befestigt ist, und daß die Umhüllung (37) von den einander zugewandten Seiten von Entsprechenden der Stränge (31) entfernt ist , so daß eine Lichtübertragung zwischen den entsprechenden Strängen (31) stattfindet.
14. Verfahren zum Herstellen einer faseroptischen Richtungs-Kopplungseinrichtung, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Vorsehen von zwei Blöcken (16) aus starrem Material mit einer ersten und zweiten, allgemein parallelen, planaren Fläche (17, 26); Ausbilden eines Schlitzes quer durch die erste Fläche (17) jedes der Blöcke (16), wobei jeder Schlitz (18) eine größere Tiefe nach den Rändern des Blocks (16) hin als nach der Mitte des Schlitzes (18) zu hat; Befestigen eines Strangs (11) aus Faseroptikmaterial in jedem der Schlitze (18), so daß sich der Strang (11) längs eines Weges erstreckt, welcher der Bodenwand des Schlitzes (18) entspricht; Entfernen von Material von jedem der Stränge (11) und von jeder der ersten Flächen (17) der Blöcke (16) in einer planaren Weise, bis der Umhüllungsteil (13) jedes Strangs (11) in der Mitte des Schlitzes (18) innerhalb weniger Mikron von dem Kernteil (12) entfernt ist, während an den Rändern des Blocks (16) kein Material von dem Strang (11) entfernt wird; und zusammen Anordnen der Blöcke (16) so, daß die ersten Flächen

130042/05SS

(17) einander zugewandt sind und die Kernteile (12) der Stränge (11) dort, wo die Umhüllung (13) entfernt worden ist/ in nächster Nähe zueinander sind, so daß ein Bereich (23) ausgebildet wird, in dem Licht zwischen den Kernteilen (12) der beiden Stränge (11) übertragen wird»
15. Verfahren nach Anspruch 14, gekenn.ζ eichn e t durch die Verfahrensschritte des Messens der Breite des weggeschnittenen Teils jedes Strangs (11) zum Bestimmen der Position des Strangs (11) relativ zu der zweiten Fläche (26) des Blocks (16), und des Benutzens der zweiten Fläche (26) als Bezugsstelle für die Anordnung des Kernteils (12) während der Entfernung von Material.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet , daß die relativen Translations- und Rotationspositionen der Blöcke (16) zum Festlegen der zwischen den Kernen (12) übertragenen Lichtmenge bzw. des zwischen den Kernen (12) übertragenen Lichtanteils eingestellt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch g e kennzeichnet, daß der Strang (11) in jedem Schlitz (18) dadurch befestigt wird, daß man zementierendes Material bzw. Klebstoff (21) in dem Schlitz (18) anordnet, daß man den Strang (11) in dem Schlitz (18) mit dem zementierenden Material bzw. Klebstoff (21) anordnet, und daß man den Strang (11) spannt, so daß der

Weg des Strangs (11) der Bodenwand des Schlitzes (18) . angepaßt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß es den Verfahrensschritt des Anwendens von Wärme zum Aushärten des ze-

13ÖÖ42/05S8

mentierenden Materials bzw. Klebstoffs (21) in einer solchen Weise umfaßt, daß die Temperatur des Strangs (11) allmählich ohne abrupte Änderungen zunimmt und abnimmt .
5
19. Verfahren zum Herstellen einer faseroptischen Richtungs-Kopp lungseinrichtung, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Befestigen eines ersten und zweiten Strangs (11/ 31) aus Faseroptikmaterial auf einer ersten bzw. zweiten Basis (16, 32);.Entfernen der Umhüllung (13, 37) auf der Außenseite jedes der Stränge (11, 31) bis auf einen Abstand vom Kernteil (12, 36) des Strangs (11, 31) , der innerhalb weniger Mikron liegt; und zusammen Anordnen der Stränge (11, 31.) so, daß die Kernteile (12, 36) dort, wo die Umhüllung (13, 37) entfernt worden ist, einander zugewandt in nächster Nähe sind, so daß ein Wechselwirkungsbereich (23, 33) ausgebildet wird, in dem Licht zwischen den Kernteilen (12, 36) der beiden Stränge (11, 31) übertragen wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß Schlitze (18) in den Basen (16) ausgebildet werden, daß die faseroptischen Stränge (11) in den Schlitzen (18) befestigt werden, und daß Material gleichzeitig von den Basen (16) und den Strängen (11) entfernt wird.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Stränge (11, 31) an den Basen (16, 32) mittels zementierendem Material bzw. Klebstoff (21, 42) befestigt werden, das bzw. der zu seiner Aushärtung allmählich erwärmt und abgekühlt wird.

130042/0568

•
22. Verfahren zum Herstellen einer faseroptischen Richtungs-Kopplungseinrichtung, gekennz eichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Befestigen einer Mehrzahl von Strängen (31) von faseroptischem Material nebeneinander auf den Befestigungsoberflächen (38) von zwei Blöcken (32); Entfernen der Umhüllung (37) auf der Außenseite jedes der Stränge (31) allmählich von Null bis auf einen Abstand vom Kerriteil (36) des Strangs (31), der innerhalb weniger Mikron liegt; und zusammen Anordnen der Stränge (31) auf den beiden Blöcken (32) so, daß Entsprechende der Stränge (31) auf den beiden Blöcken (32) in enger, einander zugewandter Beziehung dort sind, wo die Umhüllung (37) entfernt worden ist, so daß Wechselwirkungsbereiche (33) ausgebildet werden, in denen Licht zwischen den entsprechenden Strängen (31) übertragen wird.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche , dadurch gekennz eichnet, daß die Befestigungsoberflachen (38) allgemein konvex sind, und daß die Umhüllung in einer allgemein planaren Weise entfernt wird, so daß die Bereiche, in denen die Umhüllung (37) entfernt ist, allmählich ausgebildet werden.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeich.net, daß die Stränge (31) an den Befestigungsoberflächen (38) mittels zementierendem Material bzw. Klebstoff (42) befestigt werden, das bzw. der zur Aushärtung desselben allmählich erwärmt und abgekühlt wird.
25. Verfahren zum Herstellen einer faseroptischen Richtungs-Kopplungseinrichtung, die einen ersten und zweiten Strang aus faseroptischem Material aufweist, g e -

kennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Entfernen der Umhüllung (13, 37) auf der Außenseite jedes der Stränge (11, 31) bis zu einem Abstand vom Kernteil (12, 36) des Strangs (11, 31)/ der innerhalb weniger Mikron liegt; und zusammen Anordnen der Stränge (11, 31) so, daß die Kernteile (12, 36) dort, wo die Umhüllung (13, 37) entfernt worden ist, einander zugewandt in nächster Nähe sind, so daß ein Wechselwirkungsbereich (23, 33) ausgebildet wird, in dem Licht zwischen den Kernteilen (12, 36) der beiden Stränge (11, 31) übertragen wird, wobei die Kernteile (12, 36) in einem Abstand voneinander vorgesehen sind, der innerhalb der Größenordnung des Durchmessers von einem der Kernteile (12, 36) in dem Wechselwirkungsbereich (23, 33) liegt.

130043/0683