NO156344B - Optisk kopler til bruk mellom en optisk fiber og detektor/senderutstyr. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår optisk kopler til bruk mellom en optisk fiber og detektor/senderutstyr av den art som angitt i innledningen til krav 1.

Hovedproblemet som skal bli løst ved konstruksjon av optiske kopiere er innføring av en minimumsdempning i løpet av separering av den sendte lysstrålen fra den mottatte stråle og separering av den mottatte stråle fra den sendte stråle. Forskjellige metoder er kjent for å løse disse problemene. Systemer er kjent som kan spalte to stråler (mottatte og sendte stråler) ved hjelp av en spesiell konstruksjon fremstilt av optiske fibere (Y-formede kopiere) eller ved hjelp av halvtransparente speil (stråle-spalter). Tysk patent-søknad nr. 2546269 beskriver et system, som splitter strålen sendt over en optisk fiber fra strålen reflektert fra endeflaten til nevnte fiber med hjelp av et flatt speil anbrakt ved 45° i forhold til fiberaksen og med en midtre transparent sone.

Lysstrålen, som skal bli ført inn i fiberen, blir fokusert

ved hjelp av to kaskadede konvergerende optiske systemer,

med deres optiske akse innjustert med fiberaksen. Den første av dem blir anbrakt mellom lyskilden og speilet for således å konsentrere strålene utstrålt av kilden i den midtre transparente sonen til speilet og den andre er anbrakt mellom speilet og fiberendeflaten for således å konsentrere på de strålene utstrålt fra den midtre transparente sonen til speilet.

Lysstrålene reflektert fra den optiske fiberendeflaten blir samlet ved hjelp av det andre optiske systemet og projisert på speilet i en sone bredere enn dens midtre transparente sonen. Strålene reflektert av speilet blir så fokusert på

en fotodetektor ved hjelp av et tredje optisk system anordnet ved 90° i forhold til fiberaksen.

Hovedulempen ved det nettopp beskrevne systemet er dempningen på grunn av antall anvendte optiske systemer, siden hvert av dem demper omkring 1 dB. Da både sendte og mottatte stråler går gjennom to kaskade-optiske systemer med hver gang en dempning på 2 dB, oppstår ved hensyntagen til en dempning på 3 dB et effekttap på 50%, som er mest av alt skadelig for den sendte strålen.

Ved spesielle anvendelser hvor signalene er for lave, blir slik dempning og følgelig et slikt effekttap utålelig.

I tillegg blir det nevnte systemet sterkt begrenset ved mot-tagelsesvinkelen til fiberen, siden det med det beskrevne systemet er umulig å føre inn i fiberen lyseffekten utstrålt fra kilden med en emisjonsvinkel større enn mottagelses-vinkelen som er typisk for den benyttede optiske fiberen.

GB-A 2.011.610 beskriver en fotodetektor som har en overflate ikke mye større enn tverrsnittet til den optiske fiberen, mens den optiske sender- og overføringsinnretningen mellom den optiske senderen og endeflaten til den optiske fiberen er gjort mye mindre, slik at de ikke skygger for mye av det mottatte lyset. Dette størrelsesforholdet kan imidlertid ikke generelt bli anvendt, siden det krever ekstreme miniatyriserte optiske sendere og overføringsinnretninger eller optiske fibre med svært stor diameter.

Foreliggende oppfinnelse har til formål å tilveiebringe en koplerkonstruksjon som gir svært høy virkningsgrad både i sende- og mottagerretningen. Dette blir tilveiebrakt ved hjelp av en optisk kopler av den innledningsvis nevnte art, hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1.

Bruken av mikrolinse som optisk anordning i senteret av fotodetektoren tillater sending av parallelle eller konvergerende lysstråler fra den optiske anordningen til den optiske fiberen slik at størrelsen på den optiske anordningen kan f.eks. være størrelsen på endeflaten til den optiske fiberen uten å begrense størrelsen på fotodetektoren som innenfor lysstrålekjeglen, som kommer fra endeflaten til den optiske fiberen, kan bli forstørret relativt i forhold til størrelsen på mikrolinsen ved å øke avstanden fra den optiske fiberendeflaten.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av underkravene.

En utførelsesform av oppfinnelsen skal nå bli beskrevet ved hjelp av eksempel, med henvisning til medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et skjematisk riss av den optiske kopleren. Fig. 2 viser et perspektivriss av en forenklet variant av

kopleren.

Fig. 3 viser en alternativ utførelsesform av en detalj

betegnet med R på fig. 1 og 2.

På fig. 1 betegner henvisningen FO en optisk fiber i hvilken samtidig transmisjon og mottagelse av to forskjellige optiske signaler blir tilveiebrakt.

Henvisningen "a" betegner FO-endeflaten, kuttet i samsvar med et plan perpendikulært på fiberaksen. Enden "a" er anbrakt ved brennpunktet f^ til et vanlig objektiv OB.

OB kan bestå som i og for seg kjent av en enkel linse eller av et system med linser, og dens konstruksjon er ikke av vesentlig betydning for koplerens operasjon, og valget av objektivtypen vil avhenge av vanlige optiske betraktninger.

Henvisning R betegner en fotodetektor, med en stor, fortrinnsvis sirkulær overflate, som har et lite hull i senteret med en mikrolinse LS deri, idet linsene vil bli nærmere forklart senere.

Valget av fotodetektoren avhenger av det optiske signalet

som skal bli detektert og er ikke kritisk for foreliggende oppfinnelse.

Planet til R er anbrakt ortogonalt i forhold til retningen til de parallelle strålene som kommer fra objektivet OB,

og avstanden til R fra OB er ikke kritisk.

Det elektriske signalet tilveiebrakt av fotodetektoren R

blir samlet og eventuelt forsterket av en mottager RC, hvis konstruksjon ikke .angår foreliggende oppfinnelse.

Mikrolinsen LS kan være av enhver kjent type, og i det spesielle beskrevne eksemplet er henvisning gjort til en type mikrolinser, generelt referert til som SELFOC og som hovedsakelig består av et segment med kalibrerte lengder av optiske fiber med gradert indeksprofil og med tilstrekkelig stor numerisk apertur og dertil hørende innfallskjegle a.

Mikrolinsene er av den typen som beskrevet i britisk patent nr. 1275094.

Endeflaten "b" til LS vender ved en avstand f^ > lik mikrolinsene brennvidde, mot en lyskilde SS av en hvilken som helst type som har en strålingsflate liten nok til å bli koplet med en mikrolinse LS.

Da SS opererer som en elektrooptisk omsetter for informasjon som avledes fra en felles sender T, med hvilken SS er forbundet, blir fotoutstrålende dioder (LED) eller generelt lasere og fortrinnsvis halvleder-lasere benyttet for dette formål.

På fig. 2 betegner henvisningene T, RC, R, LS, SS, FO, a de samme delene som på fig. 1.

Fig. 2 viser en alternativ utførelsesform av anordningen beskrevet i fig. 1 tilveiebrakt ved direkte kopling av fotodetektoren R og tilsvarende mikrolinser LS med den optiske fiberen FO uten hjelp av objektivet OB.

På fig. 3 betegner henvisningen R' en fotodetektor, analog den betegnet med R på fig. 1, men som består f.eks. av 6 fotodetekterende celler S1...S6 som er sektorformet og forbundet i serie. Henvisningen LS betegner samme mikrolinsen som vist på fig. 1.

Antallet av S-type sektorer som overflaten til fotodetektoren R' er neddelt i, avhenger av den nødvendige utgangsspenningen og den involverte optiske effekten.

Driften av den optiske kopleren vil nå bli nærmere beskrevet.

Ved mottagelsessiden belyser lyskjeglen G, som kommer fra endeflaten "a" til fiber FO med åpning som avhenger av den numeriske apertur til de benyttede fibere, objektivet OB. Siden endeflaten "a" er anbrakt ved OB-brennpunktet vil ved OB-utgangen være tilstede en bunt med parallelle stråler som ved belysning av overflaten til fotodetektoren R tillater omdanning av den optiske informasjonen til elektrisk informasjon som blir ført til mottageren RC.

Ved omformingen av en del av den optiske effekten går naturligvis det som faller på midtsonen til fotodetektoren R, opptatt av mikrolinsene LS tapt.

På sendesiden blir informasjonen som kommer fra T omformet ved SS til lysinformasjon.

Den optiske effekten utstrålt av SS som faller innenfor inn-fallsvinkelen a til mikrolinsen LS, blir ført av den og strålt i form av parallelle stråler mot objektivet OB, idet nevnte stråler blir fokusert fra OB mot endeflaten "a" til fiberen FO med en rom-vinkel 6, betydelig mindre enn inn-fallsvinkelen 9- typisk for fiberen FO.

Dempningen ved mottagersiden skyldes delvis den innført ved objektivet OB, som er i størrelsesorden 1 dB, og delvis den unyttige lyseffekten som bestråler enden av mikrolinsen LS satt inn i midten av R. Den sistnevnte delen er naturligvis proporsjonal med forholdet mellom området av LS-delen og fotodetektoren, idet den sistnevnte delen minsker når forholdet øker.

Ved en spesiell utførelsesform av anordningen, som er et formål med oppfinnelsen, er dette områdeforholdet, som består av vanlige, i handelen tilgjengelige komponenter og avhenger av praktiske betraktninger, blitt satt til 1/12,5 og det blir således tilveiebrakt en dempning på omkring 0,3 dB.

Som følge av dette er den totale dempningen, dvs. den ved mottagelsessiden ved foreliggende kopler, på 1,3 dB, som er betydelig mindre enn den tilveiebrakt ved tidligere kjente anordninger.

Dempningen ved senderen er i hovedsaken på grunn av objektivet OB siden det innførte til mikrolinsen LS, er som kjent neglisj erbart.

Konstruksjonen av anordningen vist på fig. 1 gir et optimalt effektivitetsnivå for den optiske koplingen mellom kilden SS og det optiske fiberet FO.

Ved egnet valg av en kilde SS med et tilstrekkelig lite utstrålingsområde, en mikrolinse LS med tilstrekkelig stor åpning i forhold til fiberen FO, og en optisk fiber FO som har en "kjerne"-del lik i det minste bildet til det utstrålte området (da frembrakt ved hjelp av OB på endeflaten "a" til FO) kan en optisk effekt som er større enn den effekten som kunne bli innført ved direkte kopling av S med FO, innføres i den optiske fiber FO.

Ved å gjøre det på denne måten kan den optiske effekten som kommer fra SS inn i emisjonskjeglen a bli benyttet. Denne effekten er større enn den som kunne bli direkte mottatt av fiberen FO gjennom 0.

Følgen er en koplingsforsterkning som avhenger av forholdet mellom den numeriske apertur for mikrolinsen LS og apertur-størrelsen på fiberen FO.

Ved den nettopp beskrevne anordningen har fotodetektoren R blitt betraktet som bestående av en enkelt celle, som enten opererer i det fotoledende området (dvs. med omvendt polarisasjon) for uttrekning av mottatt signal eller i et fotovoltaisk-område (dvs. uten noen polarisasjon) når en omforming av optisk effekt til elektrisk effekt er nødvendig for fjern-forsyningsformål.

Når det gjelder transmisjon over optisk fiber med halvleder-laser som kilde, er den angjeldende optiske effekten svært liten, mindre enn 10 mW.

Dersom f.eks. elektroniske kretser skal bli tilført fjern-effekt, er det nødvendig med tilførsel av en potensialfor-skjell i størrelsesorden noen volt ved utgangen av fotodetektoren.

Ved en silisiumfotodetektor er en celle ikke tilstrekkelig

på grunn av at spenningen den kan produsere under optimale forhold er i størrelsesorden av 0,3 til 0,4 volt.

I dette tilfellet er det mest hensiktsmessig med en jevn neddeling (se fig. 3) av detektorområdet for å tilveiebringe en rekke med celler så lik som mulig hverandre for å tilveiebringe den ønskede utgangsspenningen.

Sektoranbringelsen har vist seg å være mest egnet for å sikre jevn fordeling av optisk effekt blant de forskjellige sonene uten hensyn til om den er avledet fra en optisk fiber med en gradert eller med en trinnindeksert profil.

De enkelte sektorene må ha så langt som mulig samme karakteri-stikk med hensyn ti'l spenning-strøm-reaksjon, da de virker som strømgeneratorer og er forbundet i serie, og de har en total virkningsgrad bestemt av oppførselen til den dårligste av dem.

For å være i stand til å bevirke varianten vist på fig. 2 på sendesiden må kilden SS ikke bli anbrakt ved punktet til brennvidden f_ til mikrolinsen LS, som i tilfellet på fig. 1, men må bli forskjøvet tilbake slik at strålene som kommer ut fra LS ikke lengre er parallelle, men konvergerer og kan være direkte fokusert over flaten "a" til fiberen FO med en fast vinkel mindre enn &, tilveiebrakt med FO anbrakt ved en egnet avstand fra LS.

Ved mottagelsessiden forblir driften av anordningen uendret, forutsatt at overflaten til detektoren R er passende belyst av lyskjeglen utstrålt fra fiberen FO, noe som lett kan bli tilveiebrakt ved å påvirke kun den felles avstanden mellom R og flaten "a" til FO.

Ettersom mikrolinsen LS ikke nødvendigvis er i ett med fotodetektoren R, men kan beveges fritt på innsiden, er det klart at de to ovenfor nevnte justeringer av avstanden mellom "a"

og LS og mellom "a" og R ikke kommer i strid med hverandre.

Den siste varianten sparer naturligvis kostnader ved objektivet OB og den ytterligere dempningen.

Ved mottagelsessiden er den eneste dempningen den som avhenger av det allerede undersøkte forholdet mellom arealene til fotodetektoren R og tverrsnittet til mikrolinsen LS, med en gjennomsnittsverdi på omkring 0,3 dB.

På sendesiden er der, på grunn av elimineringen av OB (fig. 1, kun dempning innført av mikrolinsen LS, som, som kjent er neglisjerbar, mens forsterkningen på grunn av forholdet mellom de numeriske aperturene for mikrolinsen LS og fiberen FO avtar noe på grunn av økningen av avstanden mellom kilden SS og brennpunktet til LS.

Ved å utnytte åpningen til lysk onen som stråler ut fra FO, kan størrelsen av fotodetektoren R bli øket slik at forholdet mellom arealet til nevnte overflate og arealet til tverrsnittet av mikrolinsen LS forbedres.

På denne måten er høyere effekt tilgjengelig f.eks. ved effekttilførsel.

Dersom effekten som mottas fra fiberen FO, er av samme stør-relsesorden som effekten utstrålt av SS og reflektert av de forskjellige optiske overflatene, kan det på vanlig kjent måte innkomme interferens mellom utsendt og mottatt signal.

I dette tilfellet bør bølgelengden til det utsendte lys-signalet være forskjellig fra den til det mottatte signalet, og derfor bør kopleren være fremstilt selektiv.

I dette tilfellet er det tilstrekkelig å anvende et normalt interferensfilter, ikke vist på tegningen, som dekker det aktive området av fotodetektoren R. Derved frakoples overflaten opptatt av mikrolinsen LS, og den beskrevne optiske kopleren omformes fra ikke-selektiv til selektiv.

Claims (9)

1. Optisk kopler til bruk mellom en optisk fiber (FO) og detektor/ senderutstyr (RC, T, SS), hvilken kopler hovedsakelig består av en fotodetektor (R) egnet for å omforme lysinformasjon som kommer fra den optiske fiber (FO) til elektrisk informasjon, samt objektiver og/eller linser (OB, LS) egnet for å foku-sere og sende over den optiske fiberen (FO) lysinformasjon frembrakt av en lyskilde (SS), karakterisert ved at fotodetektoren (R) har i sin midte et hull, på innsiden av hvilket er innført en mikrolinse (LS), idet fotodetektoren (R) har en mye større overflate enn tverrsnittet til mikrolinsen (LS).

2 . Optisk kopler ifølge krav 1, karakterisert ved at fotodetektoren (R) blir belyst av parallelle lysstråler som kommer fra et objektiv (OB) hvis brennvidde (f-^), på motsatt side i forhold til fotodetektoren (R), er lik avstanden mellom objektivet og en endeflate (a) på den optiske fiberen (FO).

3. Optisk kopler ifølge krav 2, karakterisert ved at lyskilden (SS) er anbrakt en brennvidde (f2) unna en ende av mikrolinsen (LS), idet de parallelle lysstrålene som i tilfellet med en punktformet lyskilde (SS) stråler ut fra den andre enden av mikrolinsen (LS) blir fokusert av objektivet (OB) og ført gjennom endeflaten (a) inn i fiberen (FO) .

4 . Optisk kopler ifølge krav 1, karakterisert ved at fotodetektoren (R) har et antall celler (S1 ,...SD,) med radialsymmetri som er elektrisk forbundet i serie.

5. Optisk kopler ifølge krav 1, karakterisert ved at lyskilden (SS) er anbrakt ved en ende av mikrolinsen (LS) i en avstand som er større enn brennvidden (f2) til samme mikrolinse, idet de konvergerende lysstråler utstrålt av den andre enden av mikrolinsen (LS) blir innført direkte i fiberen (FO) gjennom dennes endeflate (a).

6. Optisk kopler ifølge krav 1 eller 4, karakterisert ved at mikrolinsen (LS) er fritt aksialt bevegbar i midt-hullet til fotodetektoren (R).

7. Optisk kopler ifølge krav 1, karakterisert ved at fotodetektoren (R) er direkte belyst av en lys-kjegle som kommer fra en endeflate (a) på den optiske fiberen (FO), idet avstanden mellom endeflaten (a) og fotodetektoren (R) er slik at den ytre omhyllingsoverflaten til lyskildens stråler berører den ytre kanten av fotodetektorens (R) nyttige areal.

8. Optisk kopler ifølge krav 5, 6 og 7, karakterisert ved at den relative stillingen til mikrolinsen (LS) og fotodetektoren (R), avstanden mellom mikrolinsen (LS) og kilden (SS) og avstanden mellom endeflaten (a) til den optiske fiberen (FO) er variabel, slik at den optiske effekten overført fra kilden (SS) til den optiske fiberen (FO) og fra den optiske fiberen til fotodetektoren (R) kan maksimaliseres.

9 . Optisk kopler ifølge tidligere krav, karakterisert ved at mikrolinsen (LS) består av en nedkuttet lengde av optiske fibere med brytningsindeks gradert varierende langs en radial retning.