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Optischer Leistungsteiler
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Die Erfindung geht aus von einem optischen Leistungsteiler.
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Solche Leistungsteiler sind an sich bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach zu realisierenden Leistungsteiler
anzugeben.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen
Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Ansprüchen 2 bis 4 zu entnehmen.
Im Anspruch 5 ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsteilers angegeben.
Die Ansprüche 6 bis 8 geben Weiterbildungen dieses Verfahrens an.
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Der neue Leistungsteiler weist nur geringe Verluste auf. Er ist sehr
flexibel hinsichtlich der Ankopplung an Lichtwellenleiter, Sender und Empfänger
und leicht an ein gewünschtes Z anpaßbar, wobei Z die Anzahl der miteinander zu
vereinigenden oder der aus einem Lichtstrahl zu erzeugenden Teilstrahlen ist.
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Im Anspruch 6 und seinen Weiterbildungen ist ein Verfahren angegeben,
mit dem solche Leistungsteiler besonders kostengünstig hergestellt werden können.
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Der neue Leistungsteiler ist nicht nur dazu geeignet, einen Lichtstrahl
in Teilstrahlen mit gleichen oder unterschiedlichen Intensitäten aufzuteilen, sondern
es k8nnen mit ihm auch mehrere Teilstrahlen zu einem einzigen Lichtstrahl zusammengefaßt
werden. Bei dieser Anwendung treten zwar an den teildurchlässigen Schichten Verluste
auf, welche jedoch für zahlreiche Anwendungsfälle in Kauf genommen werden können.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Leistungsteiler und den Strahlengang
des Lichts, und Fig. 2a Skizzen zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens.
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bis 2d Der neue Leistungsteiler wird anhand der Fig. 1 erläutert.
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Er teilt einen Lichtstrahl in mehrere Teilstrahlen auf oder vereinigt
mehrere Lichtstrahlen zu einem gemeinsamen Lichtstrahl und ist somit ein reziprokes
Bauelement. Der aus einem Lichtwellenleiter 23 austretende Lichtstrahl wird einer
Linse 11 zugeführt und diese erzeugt einen parallelen Lichtstrahl. Dieser Lichtstrahl
wird in den Leistungsteiler eingekoppelt.
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Der Leistungsteiler hat die Form eines Parallelepipeds. In der Fig.
1 ist ein Längsschnitt durch das Parallelepiped dargestellt und zwar in einer solchen
Richtung, daß der Längsschnitt die Form eines Parallelogramms hat. Der
Leistungsteiler
setzt sich aus mehreren Elementen 105, 106, 107, 108 und 109 zusammen. Diese Elemente
(mit Ausnahme des in Richtung des Hauptstrahlengangs letzten Elements 109) sind
auf ihrer dem Strahleneintritt abgewandten Seite mit einer teildurchlässigen Schicht
101, 102, 103 und 104 belegt.
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Diese Schichten sind so aufgebaut, daß sie einen Teil des auf sie
auftreffenden Lichtstrahls reflektieren und den restlichen Teil durchlassen. Sie
wirken also als Strahlteiler. Im Längsschnitt haben die einzelnen Elemente die Form
eines Parallelogramms und die jeweils langen Seiten der Parallelogramme sind gegenüber
der Haupstrahlrichtung, die weiter unten noch näher erläutert wird, geneigt.
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Die halbkugelförmige Linse 11 ist auf der oberen Seite 32 des Leistungsteilers
angeordnet. Sie macht, wie bereits erwähnt, den aus dem Lichtwellenleiter 23 austretenden
Lichtstrahl zu einem parallelen Lichtstrahl, der in den Leistungsteiler eintritt
und zwar senkrecht zu der Oberfläche 32, und der nach seinem Eintritt in den Leistungsteiler
um 90° umgelenkt wird und zwar an der linken Seite 4 (linkes Element 105) des Leistungsteilers.
Dies geschieht entweder durch Totalreflexion oder durch eine auf die Fläche 4 aufgebrachte
Spiegelschicht. Nach seiner Umlenkung breitet sich der Lichtstrahl 30 in einer Richtung
aus, die als Hauptstrahlrichtung bezeichnet wird. Der Lichtstrahl trifft nacheinander
auf die einzelenen Strahlteiler auf. Die Strahlteiler sind um 45° gegenüber der
Hauptstrahlrichtung geneigt. Am ersten Strahlteiler 101 wird ein Teil (Teilstrahl)
des Lichtstrahls refelektiert und der restliche Teil wird durchgelassen. DieserTeilstrahl
wird um 900 in Richtung auf die der ersten Seite 32 gegenüberliegende andere Seite
31 des Leistungsteilers abgelenkt. Er tritt auf dieser Seite 31 aus dem Leistungsteiler
aus, wird von einer halbkugelförmigen Linse 12 fokusiert und in einen Lichtwellenleiter
24 ein-
gekoppelt. Entsprechendes geschieht für den verbleibenden
Lichtstrahl an den anderen Strahlteilern. An jedem der Strahlteiler wird jeweils
ein Teilstrahl reflektiert und diese gelangen über Linsen 13, 14, 15, 16 zu weiteren
Lichtwellenleitern 25, 26, 27, 28.
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Die Anzahl der Strahlteiler ist um die Zahl eins geringer als die
Anzahl der Teilstrahlen, in die der auf den Leistungsteiler auftreffende Lichtstrahl
aufgeteilt wird. Nach dem Passieren des letzten Strahlteilers 104 ist nur noch der
letzte der Teilstrahlen des Lichtstrahls, der auf den Leistungsteiler auftrifft,
vorhanden, da die übrigen Teilstrahlen bereits durch die übrigen Strahlteiler in
Richtung der Seite 31 des Leistungsteilers abgelenkt wurden. Deshalb reicht es aus,
den letzten Teilstrahl lediglich um 90° abzulenken, was an der rechten Seite 5 des
Leistungsteilers geschieht. Dieser letzte Teilstrahl gelangt dann ebenfalls über
eine halbkugeförmige Linse 16 auf einen Lichtwellenleiter 28.
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Der Leistungsteiler wurde hier in seiner Verwendung als Leistungsteiler
beschrieben, da der einfallende Lichtstrahl, der über den Lichtwellenleiter 23 der
Einrichtung zugeführt wird, in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird Bei der Betriebsart,
bei der mehrere Lichstrahlen zu einem gemeinsamen Lichtstrahl vereinigt werden sollen,
werden der Einrichtung über die Lichtwellenleiter 24, 25, 26, 27 und 28 mehrere
Lichtstrahlen zugeführt. Diese Lichtstrahlen werden an den einzelnen Strahlteilern
101, 102, 103, 104 und an der rechten Seite 5 der Einrichtung um 900 abgelenkt und
somit in der Hauptstrahlrichtung einander überlagert. Der Lichtstrahl, der an der
linken Seite 4 des Multiplexers austritt, enthält bereits alle Lichtstrahlen und
wird an dieser linken Seite 4 um 900 zu der halbkugelförmigen Linse 11 abgelenkt
und gelangt über diese zu dem Lichtwellenleiter 23.
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Bei dem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß die einzelnen
Elemente und somit auch die einzelnen Strahlteiler um 45° gegenüber der Hauptstrahlrichtung
geneigt sind. Dies ist jedoch nicht erforderlich, sondern es sind auch andere Neigungen
möglich. Es muß dann lediglich dafür Sorge getragen werden, daß die einzelnen von
den Strahlteilern reflektierten Teilstrahlen nach dem Verlassen des Leistungsteilers
in geeigneter Weise in die einzelnen Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Es ist
weiterhin auch nicht notwendig, daß die einzelnen Strahlteiler zueinander parallel
angeordnet sind. Eine parallele Anordnung ermöglicht jedoch eine besonders einfache
Herstellung des neuen Leistungsteilers.
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Bei dem Ausführungsbeispiel wird ein Lichtstrahl in fünf Teilstrahlen
aufgeteilt. Wenn der Lichtstrahl mit der Intensität JO 0 in fünf Teilstrahlen mit
den Intensitäten J1 , J2 J3, J4 und J5 mit J 1 = 2 = 3 = 4 = J 5 aufgeteilt wird,
dann müssen die Strahlteiler die nachfolgend angegebenen Anteile der auf sie auftreffenden
Lichtstrahlen reflektieren und den Rest des Lichts durchlassen.
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Strahlteiler 101 1/5 Strahlteiler 102 1/4 Strahlteiler 103 1/3 Strahlteiler
104 1/2.
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Ist ein Leistungsteiler mit Z Auskoppelstellen (und somit Z-1 Strahlteilern)
vorhanden, dann weisen die einzelnen Strahlteiler die nachfolgenden Reflexionsgrade
auf:
erster Strahlteiler 1/Z zweiter Strahiteiler 1/Z-1 (Z-1)ter
Strahlteiler 1/2.
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Es wurde oben davon ausgegangen, daß der Lichstrahl in Teilstrahlen
gleicher Intensität aufgeteilt wird. Dies ist jedoch nicht notwendig, sondern es
ist durch geeignete Wahl des Durchlaßverhaltens der einzelnen Strahlteiler jede
gewünschte Intensitätsverteilung auf die einzelnen Teilstrahlen möglich.
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Die reziproke Verwendung des Leflstungsteilers zur Kombination von
einzelnen Lichtstrahlen zu einem gemeinsamen Lichtstrahl wird hier nicht erläutert,
da es fachmännisches Wissen ist, den Leistungsteiler sinngemaß einzusetzen, wenn
der Leistungsteiler und seine Funktionsweise an sich bekannt sind.
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Ein besonders vorteilhaftes Herstel lungsverfahren wird nachfolgend
anhand der Fig. 2 erläutert.
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Im ersten Arbeitsgang wird ein Plättchen 50 aus einem optisch transparenten
Material mit einer teildurchlässigen Schicht 60 beschichtet, was beispielsweise
durch Aufdampfen erfolgen kann. Dieser Vorgang wird für mehrere Plättchen so durchgeführt,
daß die Durchlässigkeit der Schicht für jedes Plättchen anders ist. Welche Durchlässigkeit
zu wählen ist, ist der obigen Beschreibung zu entnehmen. Danach werden die einzelnen
beschichteten Plättchen 51, 52, 53, 54 und 55 übereinander gestapelt und miteinander
verkittet. Hierbei braucht das oberste Plättchen 55 nicht mit einer teildurchlässigen
Schicht
versehen zu sein, da ein Teil der Oberseite dieses Plättchens 55 im fertigen Zustand
des Leistungsteilers die in der Fig. 1 rechte Seite 5 der Einrichtung darstellt,
an der eine Totalreflexion erfolgt.
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Es ist natürlich auch möglich, dieses Plättchen mit einer Spiegelschicht
zu versehen. In der Fig. 2b sind die Schichten der Plättchen mit den Bezugszeichen
61, 62, 63 und 64 versehen. Bei dem Auführungsbeispiel sind die einzelnen beschichteten
Plättchen so übereinander gestapelt, daß sich in einem Querschnitt ein Parallelogramm
ergibt. Die Gerade, die die Kanten der einzelnen Plättchen miteinander verbindet,ist
gegen die Senkrechte 57 auf den Plättchen um einen Winkel von 45° geneigt. Dieser
Neigungswinkel ist gleich dem Winkel, um den beim fertigen Leistungsteiler die Strahlteiler
gegenüber der Hauptstrahirichtung geneigt sein sollen. Von diesem Stapel werden
mehrere Scheibchen abgetrennt. Die Trennflächen sind bestimmt durch eine Gerade,
die parallel ist zu der Geraden, die die Kanten der einzelnen Plättchen miteinander
verbindet, und durch eine Längsseite 56 der Plättchen. In der Fig. 2b sind drei
Trennlinien I-I, II-II und III-III eingezeichnet. Dadurch, daß man die Plättchen
mit der Neigung übereinander stapelt, in deren Richtung später die Abtrennung der
einzelnen Scheibchen erfolgt, wird der Abfall gering gehalten. In der Fig. 2c ist
ein einzelnes Scheibchen 17 dargestellt. Es hat die Form eines Parallelepipeds und
setzt sich aus den von den einzelnen Plättchen abgeschnittenen Teilen zusammen.
In der Fig. 2c sind die Teile der Plättchen mit ihren Beschichtungen, die von den
gemäß Fig. 2b übereinander gestapelten Plättchen abgeschnitten worden sind, mit
denselben Bezugszeichen wie die Plättchen der Fig. 2b bezeichnet. Das Material,
mit dem die Plättchen miteinander verkittet sind, ist so gewählt, daß es sich optisch
nicht störend bemerkbar macht und deshalb sind die Verkittungs-
stellen
auch nicht im einzelnen dargestellt. Von diesen Scheibchen 70 wiederum werden mehrere
Stücke abgetrennt.
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Dies geschieht in einer Richtung, die senkrecht zu den einzelnen teildurchlässigen
Schichten 64, 63, 62, 61 ist. In der Fig. 2c sind zwei solcher Trennlinien eingezeichnet,
nämlich die Trennlinien IV-IV und V-V.
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Die einzelnen abgetrennten Stückchen sind die Leistungsteiler 80.
Im oberen Teil der Fig. 2d ist ein solcher Leistungsteiler in der Weise dargestellt
wie er von dem Scheibchen 70 in der Fig. 2d abgeschnitten wird. Im unteren Teil
der Fig. 2d ist ein einzelner Leistungsteiler im Längsschnitt dargestellt, der dem
Längsschnitt bei der Darstellung der Fig. 1 entspricht. Der Leistungsteiler setzt
sich aus einzelnen Elementen 81, 82, 83, 84, 85 zusammen, wobei die Elemente bis
auf das letzte Element 85 jeweils aus einem optisch transparenten Material (Plättchen
50, Fig. 2a) und einer darauf befindlichen teildurchlässigen Schicht (60, Fig. 2a)
besteht. Die Elemente 81 bis 85 entsprechen den Elementen 105 bis 109 in der Fig
1.
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Vor dem Abtrennen der einzelnen Stückchen aus einem Scheibchen 70
werden die großen Oberflächen der Scheibchen 70 geschliffen und poliert.
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Es ist ohne weiteres möglich, die Größe der einzelnen Plättchen und
den Plättchenstapel so zu wählen, daß man aus einem Plättchenstapel ca. 100 Leistungsteiler
erhält. Würden die Leistungsteiler einzeln hergestellt, dann müßten jeweils, verglichen
mit dem beschriebenen Herstellungsverfahren, hundertmal mehr teildurchlässige Schichten
auf Substrate aufgebracht werden. Der Aufwand beim Aufdampfen der Schichten auf
die Substrate wird somit wesentlich reduziert. Eine weitere wesentliche Reduzierung
des Arbeitsaufwandes erhält
man beim Schleifen und Polieren. Geht
man davon aus, daß man aus einem Plättchenstapel 10 Scheibchen erhält und daß man
aus jedem Scheibchen 10 Leistungsteiler gewinnt, dann erhält man eine Reduzierung
des Aufwandes beim Polieren und Schleifen um den Faktor 10, denn hier werden gewissermaßen
10 Leistungsteiler in einem Arbeitsgang geschliffen und poliert. Stellt man die
einzelnen Leistungsteiler einzeln her und möchte man kontrollieren, ob die Schichten
auch so aufgebracht sind, daß sie jeweils exakt den vorgeschriebenen Reflexionsgrad
aufweisen, dann muß jeder einzelne Leistungsteiler geprüft werden. Bei diesem Herstellungsverfahren
hingegen reicht es aus, nur einen Leistungsteiler zu prüfen, um sicherzustellen,
daß die aufgedampften Schichten die vorgeschriebenen Werte haben, denn man kann
davon ausgehen, daß die Aufdampfung auf einem Plättchen gleichmäßig erfolgt. Dadurch
wird bei neuen Herstellungsverfahren auch der Prüfaufwand wesentlich reduziert.
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