DE4008483A1 - Koppelelement fuer ein optisches signal-uebertragungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Koppelelement für ein optisches Signal-Übertragungssystem, mit einem Lichtwellenleiter-Anschluß und einem Lichtein- bzw. Lichtausgang.

Für Breitbandübertragunssysteme, die vorzugsweise in Gestellrahmen untergebracht sind, ist es be­ kannt, die einzelnen Einschübe eines derartigen Ge­ stells zu verkabeln. Hierzu werden zum Beispiel Kupfer-Koax-Kabel verwendet. Eine derartige Ge­ stellverkabelung ist sehr aufwendig. Die notwendi­ gen Koppelelemente (Koaxstecker sowie zugehörige Buchsen) erfordern eine langwierige und daher ko­ stenintensive Kabelmontage. Überdies sind derartige Bauelemente teuer, da sie aus einer Vielzahl von Einzelteilen bestehen.

Sofern die erwähnte Verkabelung mit Lichtwellenlei­ tern vorgenommen wird, es sich also um ein Licht­ wellenleiter-Breitbandübertragungssystem handelt, sind geeignete Koppelelemente für den Anschluß der Lichtwellenleiter mit den Einschüben erforderlich. Die Erfindung bezieht sich auf derartige Koppelele­ mente, wobei diese universell, also nicht nur bei Breitbandübertragssystemen verwendet werden können.

Sie sind unter anderem zum Beispiel auch für eine Rechner-Vernetzung einsetzbar.

Koppelelemente für optische Signal-Übertragungssy­ steme sind ebenfalls bekannt. Diese können im Spritzgußverfahren aus Thermoplasten hergestellte Linsen aufweisen. Nachteilig sind in den Verbin­ dungsbereichen die zur Luft bestehenden Grenzflä­ chen, da hierdurch nur ein niedriger Ankoppelwir­ kungsgrad erzielbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kop­ pelelement für ein optisches Signal-Übertragungssy­ stem zu schaffen, das einen hohen Ankoppelwirkungs­ grad aufweist sowie preisgünstig und störungsunan­ fällig ist und für kurze Übertragungsstrecken eine hohe Bandbreite bietet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Ausbildung als einstückiges, transparentes Winkel­ stück mit im Winkelbereich gelegener parabolischer Lichtumlenkfläche, wobei die Oberfläche an einem Winkelstückende zur Bildung einer Linse gewölbt ist und am anderen Winkelstückende der Lichtwellenlei­ ter-Anschluß liegt. Mithin weist das Koppelelement erfindungsgemäß zwei optische Systeme auf, nämlich die genannte Linse und die parabolische Lichtum­ lenkfläche. Ein beispielsweise von einem optischen Sender stammender Lichtkegel trifft auf die Linse, die vorzugsweise einen parallelen Lichstrahl im In­ nern des Koppelelements erzeugt. Dieser Lichstrahl trifft auf die parabolische Lichtumlenkfläche und wird dort gebündelt, so daß in den angekoppelten Lichtwellenleiter, der direkt mit dem Koppelelement am entsprechenden Winkelstückende in Verbindung steht (z. B. dort verklebt ist) ein entsprechend dem Faserdurchmesser des Lichtwellenleiters fokus­ sierter Lichtstrahl eintreten kann. Zwischen der parabolischen Lichtumlenkfläche und dem Lichtwel­ lenleiter ist daher keine Verluste bewirkende Grenzfläche zur Luft vorhanden. Durch die verwende­ ten Materialien (z. B. PMMA), läßt sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung trotz relativ niedriger Brechzahl der verwendeten Werkstoffe eine optimale Lichtführung bzw. die gewünschte Apertur erzielen. Die Ausbildung des Koppelelements als Winkelstück eignet sich hervorragend für die bereits erwähnte Gestellverdrahtung (back panel wiring). Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist es möglich, das Licht an der einen Winkelstirnseite eintreten zu lassen, es im Winkelbereich umzulenken, so daß es dann aus der anderen Winkelstirnseite wieder aus­ tritt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß der Lichtwellenleiter-Anschluß einen Ein­ steckkanal für den Lichtwellenleiter aufweist. Der Lichtwellenleiter ist daher bei der Montage einfach in den Einsteckkanal einzuführen und dort gegebe­ nenfalls mit etwas Klebstoff festzulegen. Seine Stirnfläche grenzt daher unmittelbar an das Koppel­ element an, ohne daß sich eine Grenzfläche "Luft- Faser" gibt.

Vorzugsweise besteht das Winkelstück aus Kunst­ stoff. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Winkelstück im Kunststoff-Spritzgußverfahren herge­ stellt ist. Diese Herstellung ist besonders preis­ wert. Für das Spritzgußverfahren werden transpa­ rente Kunststoffe (z. B. PMMA, Polystyrol, Polykar­ bonat oder ein thermoplastisches Mischpolymerisat) eingesetzt. Derartige Kunststoffe besitzen eine außerordentlich gute optische Qualität.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lichtumlenk­ fläche als Parabolspiegel ausgebildet ist.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Umlenkfläche an der Oberfläche eines Außenwinkelbe­ reichs ausgebildet. Da hier Reflexion vorliegt, tritt das Licht nicht im Außenwinkelbereich aus, sondern wird zur entsprechend anderen Winkel­ stirnseite geleitet. Die erwähnte Reflexion ergibt sich durch die Grenzfläche zur Luft. Um alternativ insbesondere auch für achsennahe Lichtstrahlen eine Totalreflexion zu erzielen, ist die Oberfläche des Außenwinkelbereichs verspiegelt. Hierzu kann bei­ spielsweise Aluminium eingesetzt werden.

Um das Licht innerhalb des Koppelelements zentral führen zu können, ist die Lichtumlenkfläche am Bo­ den einer im Außenwinkelbereich liegende Vertiefung ausgebildet. Die Vertiefung bildet ferner einen Schutz für den Parabolspiegel.

Nach einem speziellen Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche zur Bildung der Linse konvex gewölbt. Diese Oberfläche bildet eine der bereits erwähnten Winkelstirnseiten. Durch die konvexe Wölbung ist eine Sammellinse gebildet. Die Wölbung kann insbe­ sondere sphärisch oder auch asphärisch ausgebildet sein.

Schließlich ist es vorteilhaft, wenn ein die Linse aufweisender Schenkel des Winkelstücks in einem Aufnahmekanal eines Gegensteckerteils eingesteckt ist, wobei im Aufnahmekanal ein optoelektrisches Bauelement angeordnet ist. Hierdurch ist eine op­ tisch einwandfreie Kopplung mit dem optoelektri­ schen Bauelement möglich. Durch Einstecken bzw. Herausziehen aus dem Aufnahmekanal läßt sich die optische Verbindung herstellen bzw. lösen.

Zur Aufnahme des optoelektrischen Bauelements kann der Aufnahmekanal im Durchmesser stufenförmig ver­ größert sein. Dies ist ferner auch aus thermischen Gründen vorteilhaft (Abführung der Verlustwärme).

Als optoelektrisches Bauelement kann insbesondere eine Laserdiode (Sender) oder eine Fotodiode (Emp­ fänger) verwendet werden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfin­ dung in Verbindung mit den Zeichnungen veranschau­ licht. Und zwar zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Koppelelements im Schnitt,

Fig. 2 eine Rückansicht des Koppelelements und

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung des mit einem Gegensteckerteil versehenen Koppelelements im Schnitt.

Die Fig. 1 zeigt ein Koppelelement 1, das aus transparentem Kunststoff einstückig im Spritzguß­ verfahren hergestellt ist. Als Kunststoff wird be­ vorzugt PMMA, Polystyrol, Polykarbonat oder ein thermoplastisches Mischpolymerisat verwendet.

Das Koppelelement 1 bildet somit ein transparentes Bauteil 2. Es ist vorzugsweise als Winkelstück 3 ausgebildet, das heißt, es besitzt einen ersten Schenkel 4 sowie einen zweiten Schenkel 5. Die bei­ den Schenkel 4, 5 sind einstückig über einen Win­ kelbereich 6 miteinander verbunden. Der erste Schenkel 4 weist eine erste Winkelstirnseite 7 und der zweite Schenkel 5 eine zweite Winkelstirnseite 8 auf. Die Winkelstirnseite 7 und 8 bilden Licht­ ein- bzw. Lichtausgänge 24. Der Querschnitt des Winkelstücks 3 ist kreisförmig ausgebildet.

Zentral im ersten Schenkel 4 ist ein Lichtwellen­ leiter-Anschluß ausgebildet. Dieser besteht aus ei­ nem Einsteckkanal 10 zur Aufnahme eines Lichtwel­ lenleiters LWL (Fig. 3). Die Oberfläche 11 der zweiten Winkelstirnseite 8 ist konvex gewölbt und bildet eine Linse 12.

Im Außenwinkelbereich 14 des Koppelelements 1 ist eine Lichtumlenkfläche 15 vorgesehen. Diese ist als Parabolspiegel 16 ausgebildet. Der Parabolspiegel 16 ist am Boden 17 einer Vertiefung 18 ausgebildet.

In der Fig. 1 ist mit gestrichelter Linie angedeu­ tet, wie ein zwischen Einsteckkanal 10 und Linse 12 verlaufender Lichtstrahl am Parabolspiegel 16 umge­ lenkt wird.

Die Fig. 2 zeigt einen Blick auf den Para­ bolspiegel 16. Es ist erkennbar, daß er eine kreis­ förmige Peripherie aufweist.

Die Fig. 3 zeigt zusätzlich zur Darstellung der Fig. 1 ein Gegensteckerteil 25 des Koppelelements 1, das einen Aufnahmekanal 19 für den zweiten Schenkel 5 des Winkelstücks 3 aufweist. Im Aufnah­ mekanal 19 ist ein optoelektrisches Bauelement 20 derart angeordnet, daß dessen querschnittsgrößerer Flanschbereich 21 in einer sich stufenförmig erwei­ ternden Vergrößerung 26 des Aufnahmekanals 19 liegt. Das optoelektrische Bauelement 20 kann bei­ spielsweise als Laserdiode 22 ausgebildet sein. In diesem Falle wäre das optoelektrische Bauelement 20 als Sender tätig. Nach einem anderen Ausführungs­ beispiel ist es jedoch auch möglich, daß das opto­ elektrische Bauelement 20 eine Fotodiode ist, die als Empfänger arbeitet.

Um den Lichtwellenleiter LWL in Wirkverbindung zur Laserdiode 22 zu bringen, wird dieser in den Ein­ steckkanal 10 eingeführt und mit einer geringen Menge Kleber festgelegt. Zur Verbindung mit der La­ serdiode 22 erfolgt ein Einschieben des zweiten Schenkels 5 des Winkelstücks 3 in den Aufnahmekanal 19 derart, daß das von der Laserdiode 22 ausgesen­ dete Licht auf die Linse 12 fällt, von dort in pa­ relleler Lichtführung bis zum Parabolspiegel 16 ge­ langt und dort umgelenkt wird. Das umgelenkte und gebündete Licht gelangt auf die Stirnseite des Lichtwellenleiters LWL.

Sofern der Lichtwellenleiter LWL Licht liefert ge­ langt dieses zum Parabolspiegel 16 und von dort zur Linse 12, der eine als Empfänger arbeitende Fotodi­ ode (nicht dargestellt) gegenüberliegt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung läßt sich ein preisgünstiges und störungsunempfindliches opti­ sches Übertragungssystem mit hoher Bandbreite für kurze Übertragungsstrecken realisieren. Als Licht­ wellenleiter LWL können vorzugsweise Plastik-Dick­ kernfasern zum Einsatz kommen. Diese sind besonders preiswert. Diese lassen sich wesentlich einfacher verarbeiten, als z. B. die aus dem Stand der Tech­ nik bekannten metallischen Leiter.

Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Koppelele­ ments liegt insbesondere auch darin, daß in einem Herstellungs-Arbeitsgang (Spritzgußverfahren) zwei unabhängig voneinander optimierbare, abbildende Sy­ steme erzeugt werden können. Dieses sind die Linse 12 sowie der Parabolspiegel 16. Diese beiden von­ einander unabhängigen optischen Systeme haben den Vorteil einer flexiblen Anpassung an die numeri­ schen Aperturen der zu verbindenden Systemelemente. Es besteht ein hoher Koppelwirkungsgrad, insbeson­ dere eine hohe Einstrahlungsleistung in die Faser. In das optoelektrische Bauelement 20 erfolgt nur eine sehr geringe Rückreflexion. Überdies ergibt sich nur ein sehr geringes reflexionsinduziertes Rauschen. Außer den genannten optischen Vorteile ergibt sich in mechanischer und herstellungstechni­ scher Sicht folgendes: es liegen geringe mechani­ sche Abmessungen vor; durch abgeknickten Strahlen­ gang (Winkelstück 3) besteht eine hervorragende Eignung für Gestellverdrahtungen; geringe Kosten; sehr einfache, zeitsparende Installation mit einem minimalen Aufwand an Werkzeugen (Messer und Kle­ ber); keine Korrosions- und sonstige Umweltpro­ bleme; keine Störstrahlung; hohe Datensicherheit, z. B. bei der Vernetzung von Rechenanlagen; keine RFI- oder EMI-Probleme; hohe Betriebszuverlässig­ keit; hohe Lebensdauer und bei kurzen Übertragungs­ strecken sind Datenraten im Gigabit/s-Bereich mög­ lich. Gegenüber bekannten Koppelelementen besteht bei der Erfindung der Vorteil, daß durch den Ein­ satz der Lichtumlenkfläche als abbildendes System eine reflektierende Luft-Grenzfläche vermieden ist, die ofmals zu dramatischen Qualitätseinbußen im Breitbandsystem führt. Die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Systems reicht von Gbit/s über einige Meter Streckenlänge bis zu Mbit/s über meh­ rere 100 Meter.

Claims (10)

1. Koppelelement für ein optisches Signal-Übertra­ gungssystem, mit einem Lichtwellenleiter-Anschluß und einem Lichtein- bzw. Lichtausgang, gekennzeich­ net durch die Ausbildung als einstückiges, transpa­ rentes Winkelstück (3) mit im Winkelbereich (6) ge­ legener, parabolischer Lichtumlenkfläche (15), wo­ bei die Oberfläche (11) an einem Winkelstückende zur Bildung einer Linse (12) gewölbt ist und am an­ deren Winkelstückende der Lichtwellenleiter-An­ schluß (9) liegt.

2. Koppelelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtwellenleiter-Anschluß (9) einen Einsteckkanal (10) für den Lichtwellenleiter (LWL) aufweist.

3. Koppelelement nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Winkelstück (3) aus Kunststoff besteht.

4. Koppelelement nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Winkelstück (3) im Kunststoff- Spritzgußverfahren hergestellt ist.

5. Koppelelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtumlenkfläche (15) als Para­ bolspiegel (16) ausgebildet ist.

6. Koppelelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtumlenkfläche (15) an der Oberfläche eines Außenwinkelbereichs (14) ausgebil­ det ist.

7. Koppelelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtumlenkfläche (15) am Boden (17) einer im Außenwinkelbereich (14) liegenden Vertiefung (18) ausgebildet ist.

8. Koppelelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche (11) zur Bildung der Linse (12) konvex, insbesondere sphärisch oder asphärisch, gewölbt ist.

9. Koppelelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein die Linse (12) aufweisender Schenkel (5) des Winkelstücks (3) in einen Aufnah­ mekanal (19) eines Gegensteckerteils (25) einge­ steckt ist, das im Aufnahmekanal (19) ein optoelek­ trisches Bauelement (20) aufweist.

10. Koppelelement nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Aufnahmekanal (19) zur Aufnahme des optoelektrischen Baulements (20) stufenförmig vergrößert ist.