DE4219049A1

DE4219049A1 - Optische anschlussvorrichtung

Info

Publication number: DE4219049A1
Application number: DE4219049A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Takahashi
Original assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Current assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Priority date: 1991-07-05
Filing date: 1992-06-11
Publication date: 1993-01-07
Also published as: ITTO920138A0; GB2257264A; JPH0511140A; GB9200854D0; IT1256528B; ITTO920138A1; JP3304992B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine eine optische Faser enthaltende Anschlußvorrichtung, die als Element eines opti schen Verbinders zur Kopplung eines optischen Faserpaars, als Element eines optischen Dämpfers oder als Element einer anderen Art einer optischen Komponente in einer faseroptischen Übertra gungsschaltung verwendet werden kann. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine optische Anschlußvorrichtung, die ver gleichsweise geringe optische Reflexionsverluste hat. Optische Verluste aufgrund optischer Signalreflexionen an der Grenzflä che zwischen zwei optischen Fasern können zu ernsthaften Pro blemen in den optischen Übertragungselementen führen. Insbeson dere soll die Anzahl von Bearbeitungs- und Polierprozessen an der Endfläche der Anschlußvorrichtung mit einer optischen Faser verringert werden, damit der Herstellungsaufwand gering gehal ten werden kann.

Optische Komponenten, wie optische Verbinder, die jeweils zwei optische Fasern miteinander verbinden, optische Dämpfer, die jeweils die optische Leistung dämpfen, optische Multiple xer/Demultiplexer, die jeweils die optischen Signale multiple xen oder demultiplexen, und optische Schalter, die jeweils ein optisches Signal ein- oder ausschalten oder die optischen Si gnale schalten, finden in Faseroptik-Übertragungsschaltungen Verwendung.

Viele dieser optischen Komponenten haben Übergänge zum Kop peln von zwei optischen Fasern. Die Verringerung störender op tischer Reflexionsverluste, die am Übergang zwischen zwei opti schen Fasern auftreten können, ist außerordentlich erwünscht bei der Herstellung optischer Komponenten für Kommunikations techniken hoher Geschwindigkeit und hoher Kapazität.

Der Erfinder weiß aus Erfahrung, daß Leistungsverluste auf grund optischer Reflexionen durch Oberflächen-Feinbearbeitung und Polieren der Endfläche der Anschlußvorrichtung dadurch ver ringert werden können, daß die Endfläche unter einen bestimmten Winkel zur Orthogonalebene auf die optische Achse geneigt wird.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht der Struktur des Übergangs zwischen zwei Anschlüssen einer optischen Verbindungsvorrich tung. Jeder Anschluß hat eine unter einem bestimmten Winkel zur Orthogonalebene auf die optische Achse geneigte End- bzw. Stirnfläche.

In Fig. 4 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 101 die An schlußkörper eines Paars von aus keramischem Material bestehen den optischen Verbindungsvorrichtungen.

Durchgangsbohrungen 2 und 102 verlaufen entlang der Mittel linie der Anschlußkörper 1 und 101 in einem Paar von optischen Verbindungsvorrichtungen.

Eine optische Faser 0 besteht aus einem Kern 3 und einem Mantel 4, der das vom Kern 3 übertragene optische Signal am Austritt aus dem Kern 3 hindert, damit Übertragungsverluste eliminiert werden können. Die optische Faser 100 besteht aus einem Kern 103 zur Signalübertragung und einem Mantel 104, der einen Austritt des optischen Signals aus dem Kern 103 verhin dert, damit Übertragungsverluste eliminiert werden können.

Die optischen Fasern 0 und 100 sind in die Durchgangsboh rung 2 und 102 der Anschlußkörper 1 und 101 eingesetzt. Die Stirnflächen 5 und 105 der optischen Fasern 0 und 100 sind der art endbehandelt, daß sie eine Neigung von 8° oder mehr gegen über der Orthogonalebene zur optischen Achse der Anschlußkörper 1 und 101 haben.

Wenn die Anschlußkörper 1 und 101 in der in Fig. 4 gezeig ten Weise derart in eine Ausrichthülse 6 eingesetzt werden, daß ihre Stirnflächen 5 und 105 innerhalb der Ausrichthülse 6 ein ander zugewandt sind, durchläuft die optische Energie nachein ander die optischen Faserkerne 3 und 103 bzw. umgekehrt.

Das reflektierte Licht R, das an der Stirnfläche 5 des An schlußkörpers 1 aufgrund des den optischen Faserkern 3 durch laufenden und auf die Stirnfläche 5 fallenden Einfallslichts L erzeugt wird, fällt auf den Mantel 4, wenn die Stirnfläche 5 des Anschlußkörpers 1 unter 7° oder mehr zur Orthogonalebene auf die optische Achse geneigt ist, da das reflektierte Licht dezentriert wird.

Obwohl das reflektierte Licht die Lichtquelle trifft, fällt nur 0,00001% (-60 dB) des reflektierten Lichts auf die Licht quelle. Das auf die Lichtquelle fallende reflektierte Licht ist gering im Vergleich zu dem an der Stirnfläche erzeugten Licht, wenn die Stirnfläche unter einem rechten Winkel zur optischen Achse verläuft. Die Neigung der Stirnfläche bedingt jedoch ein Problem aufgrund der Oberflächenfeinbearbeitung und Polierung der End- bzw. Stirnfläche.

In dem eine optische Faser enthaltenden Anschluß ist die Stirnfläche durch Bearbeitung und Polieren unter einem gegen über der Orthogonalebene zur optischen Achse geneigten vorgege benen Winkel oberflächen-feinbearbeitet (Fig. 4). Der Bearbei tungsvorgang (scrubbing process) erfordert mehr Zeit als die Oberflächen-Endbearbeitung einer unter einem rechten Winkel zur optischen Achse verlaufenden Stirnfläche. Eine größere Menge an Anschlußkörpermaterial wird nämlich bei einer Neigung vom zy lindrischen Anschlußkörper abgearbeitet. Das Abarbeiten über eine längere Zeitperiode führt manchmal zum Brennen oder zur Mikrorißbildung an der Stirnfläche der optischen Faser.

Da Polarisationsfasern durch Strecken des optischen Faser materials unter Aufrechterhaltung einer Restspannung am Mantel der optischen Faser hergestellt werden, sind sie spröder als optische Standardfasern. Diese Art von optischen Fasern kann daher relativ leicht brechen. Wenn eine Spannung an die Stirn fläche der optischen Faser aufgebracht wird, während die Stirn fläche der optischen Faser bearbeitet wird, neigt die optische Faser selbst bei geringen mechanischen Belastungen zum Springen oder zur Rißbildung.

Eine optische Faser kann in einen Anschlußkörper instal liert werden, nachdem dessen unter einem bestimmten Winkel zur Orthogonalebene auf die optische Achse geneigte Stirnfläche endbearbeitet ist. Obwohl die zum Bearbeiten der Endfläche benötigte Zeit auf diese Weise verringert werden kann, ist die Gesamtarbeit wegen der Ausrichtung der Stirnfläche des An schlußkörpers mit derjenigen der optischen Faser relativ kom pliziert und schwierig.

Die eine optische Faser aufweisende Anschlußvorrichtung, deren Stirnfläche unter einem rechten Winkel zur optischen Achse endbearbeitet worden ist, hat verschiedene Abwandlungen erfahren, die in die Praxis umgesetzt worden sind. Dabei wurden die Anschlußmaterialmengen, die durch Bearbeitung des Anschluß körpers im Bereich der Endfläche entfernt wurden, stark redu ziert.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Stirnfläche des An schlußkörpers für die optische Verbindungsvorrichtung als Kreiskonus ausgebildet, und die Mikrofläche an der Spitze der Endfläche wird abgearbeitet und unter einem rechten Winkel zur optischen Achse poliert, so daß die Stirnfläche flach oder halbkugelförmig ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist eine vorspringende Fläche einer kleinen Zone an der Endfläche des Anschlußkörpers vorgesehen, die in dem optischen Verbinder verwendet wird (Einzelheiten sind in der US-PS 46 34 214 mit dem Titel "Bikonische optische Verbindungsvorrichtung" be schrieben.) Obwohl optische Energieverluste durch Reflexion mit Hilfe einer Oberflächenfeinbearbeitung und Polierung der End- bzw. Stirnfläche der Anschlußvorrichtung mit eingebauter optischer Faser reduziert werden können, wobei die Stirnfläche unter ei nem bestimmten Winkel gegenüber der Orthogonalebene zur opti schen Achse der Anschlußvorrichtung geneigt ist, entstehen durch Polieren der unter einem bestimmten Winkel zur Orthogo nalebene auf die optische Achse geneigten Endfläche die oben beschriebenen ernsten Probleme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Struktur ei ner faseroptischen Anschlußvorrichtung zur Verfügung zu stel len, deren eine optische Faser enthaltende End- oder Stirnflä che bei günstigen optischen Übertragungseigenschaften derart verbessert ausgebildet ist, daß sich die Menge an von der An schlußvorrichtung abzuarbeitenden Anschlußmaterialien beim Oberflächenbearbeiten und Polieren unter einem vorgegebenen Winkel zur Orthogonalebene auf die optische Achse reduzieren läßt. Insbesondere soll die Stirn- bzw. Endfläche der Anschluß vorrichtung derart flach poliert sein, daß ein vorgegebener Neigungswinkel gegenüber der Orthogonalebene zur optischen Achse entsteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Anschlußvorrichtung mit optischer Fa ser kann als Element einer optischen Faserleitung oder eines optischen Dämpfungsglieds verwendet werden.

Die optische Anschlußvorrichtung mit optischer Faser be steht bei der Erfindung aus einem zylindrischen Anschlußkörper und einer in eine der Mittellinie des zylindrischen Anschluß körpers folgenden Durchgangsbohrung eingesetzten optischen Fa ser. In dem zylindrischen Anschlußkörper ist die Erzeugende des Kreiskonus am Ende des zylindrischen Anschlußkörpers unter ei nem ersten Winkel R_A zur Orthogonalebene auf die optische Achse geneigt. Die End- bzw. Stirnfläche der optischen Faser erscheint am Ende des Kegels und ist dort befestigt.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Anschlußvorrichtung ist die End- bzw. Stirnfläche des Kreiskonus, bestehend aus dem zylindrischen Anschlußkörper und der optischen Faser, unter ei nem zweiten Winkel R_B endbearbeitet, der kleiner als der erste Winkel R_A ist, so daß eine Mikrofläche am Ende des Kreiskonus gebildet wird, deren Abmessung gleich oder größer als der Durchmesser der optischen Faser ist. Dies geschieht durch Po lieren des Kreiskonus gleichzeitig mit dessen Abflachung, wobei die Endfläche unter einem vorgegebenen Winkel zur Orthogonal ebene auf die optische Achse geneigt ist.

Vorzugsweise gilt zwischen den ersten und zweiten Winkeln R_A und R_B die folgende Ungleichungsbeziehung:
R_A<R_B<8°.

Die Anschlußvorrichtung mit einer optischen Faser kann zur Herstellung einer optischen Verbindungs- bzw. Kopplungsvorrich tung oder eines optischen Dämpfungsglieds verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu tert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1(a), 1(b) und 1(c) Ausbildung und Herstel lungsverfahren einer erfindungsgemäßen Anschlußvorrichtung mit einer einen einzigen Kern enthaltenden optischen Fa ser;

Fig. 2 die Struktur eines Ausführungsbeispiels einer optischen Komponente, bei der zwei erfindungsgemäße An schlußvorrichtungen mit zwei optischen Fasern verwendet werden;

Fig. 3 die Struktur eines optischen Dämpfungsglieds mit Luftspalt, wobei zwei Anschlußvorrichtungen mit zwei optischen Fasern unter Verwendung bekannter Technologien verwendet werden; und

Fig. 4 eine Schnittansicht der Struktur zwischen zwei Anschlußvorrichtungen in einem optischen Verbinder, wobei zwei Anschlußvorrichtungen mit zwei optischen Fasern entsprechend dem Stande der Technik verwendet werden. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen An schlußvorrichtung mit eingebauter optischer Faser werden nach folgend anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1(a), 1(b) und 1(c) zeigen die Struktur und die Her stellung der Anschlußvorrichtung mit optischer Faser des Ein zelkern-Typs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1(a) ist ein zylindrischer Anschlußkörper 7 mit ei ner Durchgangsbohrung 8 gezeigt, in der eine optische Faser eingesetzt und befestigt ist. Der zylindrische Anschlußkörper 7 ist an einem Ende mit einer kreisförmigen Stirnfläche versehen, die unter einem rechten Winkel zur optischen Achse der opti schen Faser verläuft. Am anderen Ende ist ein Kreiskonus 10 ausgebildet, der unter einem ersten Winkel R_A gegenüber der Orthogonalebene 9 zur optischen Achse der optischen Faser ver läuft.

Der zylindrische Anschlußkörper ist unter Verwendung von Massenproduktionstechniken aus keramischem Material hergestellt und kann von hoher Präzision sein.

Im zylindrischen Anschlußkörper 7 gemäß Fig. 1(b) ist die optische Faser 11 in das Durchgangsloch 8 des zylindrischen An schlußkörpers 7 eingesetzt und in diesem befestigt.

Bei dem zylindrischen Anschlußkörper 7 gemäß Fig. 1(c) hat eine Mikrofläche 12 einen latus rectum W, der gleich oder grö ßer als der Durchmesser d der optischen Faser 11 ist. Die Mi krofläche 12 wird durch Polieren der Kopffläche des Kreiskonus 10 gebildet. Die Mikrofläche erstreckt sich über den Anschluß körper 7 und die optische Faser 11 unter einem zweiten Winkel R_B, der kleiner als der erste Winkel R_A ist.

Die nachfolgende Ungleichung (1) definiert eine bevorzugte Beziehung für R_A und R_B:

R_A < R_B < 8°, (1)

wobei R_A der Winkel zwischen der Erzeugenden des Kreisko nus 10 und der Ebene 9 ist.

Die folgende Ungleichung (2) gilt für ein besonderes Aus führungsbeispiel als Beziehung zwischen W und d:

W < 2d, (2)

wobei d der Durchmesser der optischen Faser 11 und W der latus rectum der Mikrofläche 12 ist, die unter einem Winkel R_B zur Orthogonalebene auf die optische Achse geneigt ist.

Fig. 2 zeigt die Struktur der optischen Verbindungsvorrich tung oder der optischen Dämpfungsvorrichtung aus zwei Anschluß vorrichtungen mit zwei optischen Fasern, die unter Verwendung des oben beschriebenen Herstellungsprozesses gebaut wurde.

An zylindrischen Anschlußkörpern 16 und 116 mit einem Paar Von an ihnen befestigten optischen Fasern sind eine Mikrofläche 17 und eine ähnliche Mikrofläche 117 parallel zueinander ange ordnet. Wenn die Abmessungen der Mikrofläche 17 und der Mikro fläche 117, die beide der Ebene 12 in Fig. 1(c) entsprechen, kleiner sind, beispielsweise in der Größenordnung der optischen Faserdurchmesser liegen, ist der Absolutwert der Reflexions stärke der optischen Strahlen in einem Mehrfachreflexionspfad klein.

Das optische Bündel N, welches die Kreiskonen 18 und 118 aufgrund mehrfacher Reflexion trifft, fällt niemals zurück in die Endflächen der optischen Fasern, so daß diese Reflexions strahlung überwiegend aus den Kreiskonen 18 und 118 in den Pe ripheriebereich abgestrahlt wird. Änderungen der Dämpfung an der Grenzfläche zwischen zwei optischen Fasern aufgrund von Mehrfachreflexionen werden daher weitgehend verhindert bzw. vermindert.

Wenn der Spalt S zwischen zwei Anschlußkörpern mit zwei op tischen Fasern geändert wird, ändert sich der Winkel zwischen den End- bzw. Stirnflächen zweier Anschlußkörper. Der optische Kopplungsfaktor zwischen zwei Anschlußkörpern kann auf diese Weise geändert werden. Dieses Operationsprinzip kann zur Kon struktion eines veränderlichen Dämpfungsglieds verwendet wer den.

Wie oben beschrieben, bildet die erfindungsgemäße Anschluß vorrichtung mit einer optischen Faser eine polierte End- bzw. Stirnfläche, welche unter einem bestimmten Winkel zur Orthogo nalebene auf die optische Achse der optischen Fasern derart ge neigt ist, daß der optische Energieverlust am Übergang zwischen den beiden optischen Fasern aufgrund mehrfacher Reflexion dra stisch reduziert werden kann.

Obwohl die Mikrofläche des Kreiskonus an der Spitze des zy lindrischen Anschlußkörpers durch Polieren unter Neigung in be zug auf die Orthogonalebene zur optischen Achse der optischen Faser gebildet ist, entsprechen die von der Anschlußvorrichtung abgearbeiteten Materialien mengenmäßig beinahe denjenigen, bei denen die Mikrofläche des Kreiskonus am Ende des zylindrischen Anschlußkörpers durch Polieren unter einem rechten Winkel zur optischen Achse der optischen Faser gebildet wird.

Außerdem sind die Verbrennungseffekte der Mikrofläche am Ende des Anschlußkörpers und/oder das Kleben entfernter An schlußkörpermaterialien an der Mikrofläche, die in vielen Fäl len aufgrund der Oberflächenbearbeitung der Anschlußkörper-End fläche über eine längere Zeit entstehen, in weitem Umfang redu ziert.

Dies ermöglicht die Herstellung der Anschlußvorrichtung mit einer polarisierten optischen Faser unter stabiler Endbearbei tung, so daß die End- oder Stirnfläche unter einem vorgegebenen Winkel zur optischen Achse der optischen Faser geneigt ist, also mit einem durch konventionelle Verfahren gleicher Gattung bisher nicht erzielbarem geringen Aufwand.

Wie eingangs beschrieben worden ist, hat der Neigungswinkel bei einem optischen Verbinder, der mit konventionellen Techni ken mit aneinanderstoßenden Stirnflächen gemäß Darstellung in Fig. 4 hergestellt worden ist, einen Offsetfehler, der aufgrund ungenauer Bearbeitung beim Polieren der Anschluß-Endfläche her vorgerufen worden sein kann. Andererseits existiert zwischen den optischen Faserendflächen an entsprechenden Anschlußkörper enden ein Spalt, wenn zwei optische Verbinder zusammengeschlos sen werden, wobei der Fresnel-Verlust etwa 0,35 dB ist.

Um das optische Verhalten zu verbessern, wobei die Kontakt verluste der optischen Energie zwischen zwei optischen Fasern in zwei Anschlußvorrichtungen an deren Stirnflächen verringert werden, sollen die Anschluß-Endflächen zu einer sphärischen Form endbearbeitet werden.

Zwei Anschlußvorrichtungen mit zwei optischen Fasern haben an ihren Enden Mikroflächen, die in der oben beschriebenen Weise ausgebildet sind. Eine flache Mikrofläche steht in Kon takt oder ist zusammengestellt mit der anderen. Keine sphäri schen Flächen sind bei zwei erfindungsgemäß ausgebildeten An schlußvorrichtungen nötig.

Wenn zwei erfindungsgemäß ausgebildete Anschlußvorrichtun gen mit zwei eingebauten optischen Fasern zum Aufbau einer op tischen Komponente als optischen Verbinder oder optisches Dämp fungsglied des Luftspalttyps verwendet werden, wobei eine An schlußvorrichtung konzentrisch gegen die andere gestellt wird, so wird die Mehrfachreflexion der an der Grenzfläche zwischen den beiden optischen Fasern auftretenden optischen Strahlung drastisch reduziert. Fehlfunktionen der optischen Komponente aufgrund Mehrfachreflexionen können dadurch verhindert und die Stabilität der optischen Komponente kann auf diese Weise ver bessert werden.

Fig. 3 zeigt die Struktur eines optischen Dämpfungsglieds des Luftspalttyps. Zwei Anschlußvorrichtungen 13 und 113 mit zwei optischen Fasern sind durch Einsetzen in eine Ausricht hülse 14 zusammengesetzt. Die von der eine optische Faser ent haltenden Anschlußvorrichtung 13 zu der eine andere optische Faser enthaltenden Anschlußvorrichtung 113 übertragene optische Energie kann durch Einstellen des Spalts S zwischen den beiden optischen Fasern gesteuert werden. Die Flächen 15 und 115, de ren Normalen parallel verlaufen, sind in den zugehörigen An schlußvorrichtungen nach Herstellung mit konventionellen Metho den relativ groß. Dies macht die Arbeitsweise des optischen Dämpfungsgliedes aufgrund Mehrfachreflexionen zwischen einem Stirnflächenpaar der optischen Fasern in zwei Anschlußvorrich tungen instabil, wenn das optische Dämpfungsglied in konventio neller Weise aufgebaut ist.

Die erfindungsgemäße Anschlußvorrichtung mit eingebauter optischer Faser kann zur Verbesserung verschiedener optischer Komponenten, wie optischer Verbinder bzw. Koppler und Dämp fungsglied vorteilhaft verwendet werden, und zwar in der oben beschriebenen Weise.

Claims

1. Anschlußvorrichtung mit einer optischen Faser, enthal tend:
einen im wesentlichen zylindrischen Anschlußkörper (7; 16), dessen eine Endfläche als Kreiskonus (10; 18) mit einer Erzeu genden ausgebildet ist, die unter einem ersten Winkel R_A zur Orthogonalebene (9) auf die Mittellinie geneigt ist und
eine in einem entlang der Mittellinie des zylindrischen An schlußkörpers gebildete Durchgangsbohrung (8) eingesetzte opti sche Faser (11), die so angeordnet ist, daß ihre Endfläche im Bereich des Scheitels des Kreiskonus erscheint,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Mikrofläche (12) am Ende bzw. Scheitel des Kreis konus (10; 18) gebildet ist, die Materialien des zylindrischen Anschlußkörpers (7; 16) und der optischen Fasern überspannt und bei der Endbearbeitung des Anschlußkörpers mit einer Neigung unter einem zweiten Winkel R_B kleiner als der erste Winkel R_A durch Polieren gebildet ist, wobei der latus rectum (W) der Mi krofläche (12) gleich oder größer als der Durchmesser (d) der optischen Faser (11) ist.

2. Anschlußvorrichtung mit einer optischen Faser nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung zwischen den ersten und zweiten Winkeln R_A und R_B der folgenden Unglei chung entspricht:
R_A<R_B<8°.

3. Anschlußvorrichtung mit einer optischen Faser nach An spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Element einer optischen Kopplungs- bzw. Verbindungsvorrichtung oder ei nes optischen Dämpfungsgliedes bildet.