DE1941923A1 - Optische Kupplung fuer transparente faserartige Lichtleiter - Google Patents

Description

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Nippon SelfOC Company, Limited 7-15, Shiba Gochome, Minato-ku, Tokio, Japan

Optische Kupplung für transparente faserartige Lichtleiter

Die Erfindung betrifft ©in© optisch© Kupplung für fa-Derartige transparente Lichtleiter, insbesondere konvergente Lichtleiter, deren Brechungsindex von der Achse radial zur Oberfläche abnimmt, Yorzugsweis© handelt «s sich um solch© komr©rg®nt©n Lichtleiter, deren Brechungsindex entlang der Achs® am gröBten 1st und radial ron der Achs© aur Oberfläche proportional zum Quadrat über den Abstand τοη der Achse abnimmt.

In optischen Übertragungssystemen, in denen Laserlioht als Trägerwellen rerwendet wird, ist ein genauer Llchtüb@rtragungsweg sehr wichtig nnä meist schwierig su realisieren, So »lad b&v&itß für Liofotübertragungswegs eine Reihe iron Linsen und sin fasarartig&r Liehtleiter aus Glas, Suaatetoff und dergleichen vorgasehlagen worden. Die Linsen werden dabei durch aeohanlBohe ofX und sehr leicht «κ* Ihrer genau ausgerichtete*

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Lag© gebracht, Eins sorgfältige Kontrolle der Lage oder dergleichen ist daher notwendig! um sicherstellen zu können, daß βloh die Linsen In der genau richtigen Lage befinden« Andererseits widerstehen die Lichtleiter mechanischen Stößen, Lediglich die räum» liehe Anordnung awlsehen den beiden Endflächen der Liohtiölter und den Ein- und Ausgangslichtstrahlen muß unverändert bleiben. Da as mitunter schwierig ist« einen genügend langen Lichtleiter für den getarnten Übertragungsweg au erhalten, müssen eine Reihe von Lichtleitern in Serie hintereinander angeordnet werden« um einen optischen Übertragungsweg realleieren Sm können, In ©in©3? Kupplung jeweils »wischen iswei <-benachbarten Lichtleitern 1st eine genaue optische Kuppltragsanpassung wesentlich» Ist diese Kupplungaanpassung nicht ®rr#ieht₉ neigt ein Laserlichtstrahl Bit ©iner Saussian~Int©nsltätsvert©ilung iu einer wiederholten KonTsrgens und Di^ergena, nachdem er Tom ©inen, ssum anderen Lichtleiter sum Einfallen gebraoht worden ist» Der temd besteht in der periodischen Imlerung des Dus?©hm©@aara des Laserlichtstrahles, DIs Änderung des Dirröhraesaera macht ®@ 11 Qh5 gaaauo Länganaiipasoujigan vorzunehmen« mm I»as©3?liöhtsts?ahl ¥on gevUnaohter flaekgrößs m tan, Ändörarßtita 1st dit genaue Anpaieung la der Kupplung mit einer Linse Ton geeigneter Brenawvite ?,wli&®h®n dan £nd£3.ä©h©n iwaiar Lichtleiter unerläB-Ii©1%, /Uta da9 Itippluags teil» su ^arklelnsra, auö dl· ' de? Linsen so klein wi® möglich a@isu D*r-Linien al t.

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Liclitleiter_t insbesondere mit der vorgenannten Bre«·- chungslnderverteilung anzugeben, welche äen Bedingungen für eine genaue optische Kupplungsanpassung weitgehend genügt«

Die Erfindung löst die Aufgabe in der Welse, daß ©in© Line« Torgesehen Ibt, die den gleichen Breohungeindex gradient en aufweist wie dl· Lichtleiter« wobei die Line· in bestimmten beiderseitigen Abständen gegenüber den benachbarten Endflächen zweier Lichtleiter angeordnet Ist, deren optische Achse in der optischen Achse der Linse liegt« -

Nach der Erfindung ist der Brechungsindez η des trans parenten Elementes» das als Linse für eine Kupplungsanpassung verwendet wird, im wesentlichen duroh di® Beziehung

b^

bestimmt, worin r der radiale Abstand von der Achse des Elementes_t n₀ der Brechungsindex entlang der Achse und b eine Konstant· ist« die den Grad der Veränderung des BreohungBlzuUxes bezeichnet,

GMnäB Untersuchungen an einem Medium mit der bezeichneten Brechungsindexrerteilung Ton H, Kogelnlk in ^wTh· Bell Syitwa Teohnioal Journal", VoI, 44, Nr« 3 (Märe 1965)« Seiten 455 bl· 494 ist die Brennweite f Ton «Inem 1-om Medium gegeben duroh den Ausdruck

2 n₀ «la

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Wie aus Gleichung (2)ersichtlich ist, ist die Brennweite des Mediums ι das eine BreehungslndexTrerteilung entsprechend Gleichung (1) aufweist, ein© funktion d@r Länge 1 des Mediums und der Konstante b . In anderen Worten wird eine für die Erfindung geeignete Linse zur op ti sehen Kupplung aweier Lichtleiter durch die geeignete Wahl der Größen b und 1 erhalten. Da daß Schleifen. Ton beiden Endflächen für Linsen aus transparentem Material, das die vorgenannte Breehungs~ indejnrertellung aufweist,, nicht notwendig 1st, um die gewünschte Krümmung bu erhalten, ist die Herstellung einfaoh, und die Aberration kann klein gehalten werden. Der Breehungsindex der Lichtleiter weist einen Gradienten auf, der durch die Gleichung (1) gegeben ist. TJm einen "Lichtstrahl,'der die Gaussian-XntensitätS'-Ψ&Τteilung aufweist, mit konstanter Fleekgrößer dureh ©in Medium dieser Art su übertragen_t muß der Lichtstrahl auf den Übertragungsweg als einfach© Vieile zum Unfällen gebracht werden, die die Fleakgröße aufweist _t welche durch die Gleichung

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gegeben ists wobei Xq die Wellenlänge des Lichtstrahles im freien Raum darstellt. Die FleokgröJ3e Wq wird naohfolgend als eharakteristißche Pleekgröße be~ aelehnet. Der.Llßhtstrahl der mit der charakteristischen El eekgröße auf das Medium einfällt, durohdringt dieses mit derselben Fleelcgröße." Der Austritts strahl, der Ton der Ausgangsendfläohe ausgeht, divergiert mit dem Abstand von der En&fläohe. Daher ist ein genauer KupplungsansehluB für jede Kupplung swisehen awel Lichtleitern unerläßlich. Untersuchungen zeigten, daß

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der von der konvexen Linse mit der Brennweite f ausgehende Lichtstrahl mit der Gestalt W₂ auf die Eingangsendfläche des Lichtleiters fällt, wenn diese in einem Abstand d2 von der Linse angeordnet ist. Befin det sich die konvexe Linse ihrerseits im Abstand d^ von der Ausgangsendfläche eines Leiters, so ist die Gestalt des von dem Leiter austretenden , auf die Linse auffallenden Lichtstrahles Wg · für die Abstände d-j und d₂ ergeben sich dann folgende Besiehungen

W₁

IT'S

O-- < W₁ w₂/_A o- >

Angenommen, die charakteristischen Fl®ekgrö\ßen de· ersten und zweiten Liehtübertragungsweges sind gleich W^ und W₂ ι dann bietet eine Linse mit der Brennweite f, dl« einerseits duroh die (kriSBen b und 1 bestimmt ist, um der Gleichung (1) au genügen, aniertrseits mit Abständen d-j und dg Ton den Endflächen des ersten bzw, sweiten Liohtleiter· migdordaet .tst₃ um d#n Btsiehun* gen (4) zu genügtn, und sofern die optisehen Aohstn der Linse und d«r Lichtleiter aueinandör ausgericlittt sind, die Möglichkeit für eine genaue Kupplung»impa«- sung zwischen sw#i Lichtleitern, Auoh liegt m dann

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auf dar Hand, daß dia Verkleinerung der KupplungBttile verwirklicht werden kann, indem die Längen ü<\ + dg klein gehalten werden. Bei Erfüllung dieser Bedingungen würde die Brennweite βο kurz wie möglich ausfallen.

Die Erfindung wird für ein Ausführungsbaispiel anhand einer sohematischan Zeichnung waiter erläutert» die einen axialen Schnitt durch eine erfindungagemäße Kopplungsanordnung zeigt.

Dl® Kopplungsanordnung nach dar Erfindung für zwei Lichtleiter .'enthält-, eine Linse 3 mit der irorgenannt©n Breöhungsindesnrertsllung« Die Llnee befindet sieh zwischen den-Lichtleitern .1 und 2, die dl© gleiche Br@shungßind®xve3?t eilung wie die Lins© 3 auf weis©». Did optische Achse der Line© 3 1st gegenüber der Aoh-Sβ 4-4* dar Lichtleiter 1 und 2 ausgerichtet. Die Abstand® &-J und &2 wiechen der Linse 3 und jeder der Endflächen d©r Lichtleiter 1 und 2 erfüllen die Be-* Ziehung (4). Angenommen, daB die Konstanten n₀ und b in der Gleichung (1) für dan Lichtleiter 1 die Wert· u_o1 und b,| und für den Li oh ti alt sr 2 die Wert· n_O2 ' und b₂ aufweisen, kann die charakterlttische Fleokgröße W,, und W₂ !luroh die Gleichung (3) beitiamt werdan» AuBordam kann dia Lauge 1 dar Linie 3» bei der tut botraffendan Konstantin die Wert· n_oj und b^ aufweisen, dusOh die Gleichung (2) unter der Bedingung bistimmt werden» daB die rechte Saite der Gleichung (4) 0%n®& »aalen Wisrt anniiamt, oder.'in anderen Worten, die Brennwsit® f d®«* Linse 3 d#r Bedingung

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genügt.

Somit kann d^ und dg bestimmt werden, indem die errechneten Größen* wie di# Fleekgrößen YL. und W2 » die Brennweite f und die Gleichung (4) _r benutzt werden«

Aufgrund der Torgenannten Berechnungen werden die Lichtleiter 1_t die Linse 3 und der Lichtleiter 2 entsprechend angeordnet« Ein Lichtstrahl 5> der die Graußßian-Intensitätsverteilung aufweist, pflanat sich mit der unveränderten Fleckgröße W«j in dem Lichtleiter 1 fort und tritt an der Austrittefläche mit der Fleekgröße W/j als Ausgange licht strahl 5 aus« Der Ausgangslichtstrahl wird auf die Lins© 3 £um Einfallen gebracht. Dabei wird der Lichtstrahl 5 au einem Lichtstrahl 6 konrergiertt der eine FleekgröBe Wg aufweist. die durch die Linse 3 bedingt ist« Der Lichtstrahl 6 wird dann auf den Lichtleiter 2 zum Einfallen gebracht. Da di· Fleckgröße der charakteri0tischen Fleckgröße des Lichtleiters angepaßt 1st, wird keine Divergenz oder Konvergenz in dem Lichtleiter 2 bewirkt.

Wie sich aus dem vorhergesagten ergibt» wird eine weitgehend verkleinerte optische Kupplungsanordnung für konvergente Lichtleiter bei Erfüllung der erforderlichen Anpässungebedlngungen erfindungsgemäß mit einer einzigen Linie erreicht« welche die gleiche Breohungeindexverteilung wie die Lichtleiter aufweist.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. -β -■■■■ - -

   Patiat am ρ r ti β h e

   (j) Optische Kupplung für transparente faserartlge Lichtleiter» insbesondere konvergent· Lichtleiter* deren Brechungsindex iron der Achse radial zur Oberfläche abnlarat« g e k en a a e i β h a e t d VL τ 9 h eine Linse (3)« die den gleichen Breohungsindexgradienten aufweist wie die Lichtleiter (1« 2), wobei die Linse (3) In bestimaten beider« seitig@n Abständen (d«j , d^) gegenüber den benachbarten Endflächen sweier Lichtleiter angeordnet ist, deren optische Achse (4-4*) in der optischen Achse (6) der Linse Hegt. .

   S. Optische Kupplung nach Anspruch 1, d a d u r ο h g e ke η η a e 1 e h η e t , dafi der Brechung·- iadexgradlent der Linse (3) gegeben 1st durch die ßleiehung

   (1 -

   r der radiale Abstand τοη der AChSe₉S₀ der estlang der Acha· unA b eine Konstante ist. und dafi der Abstand (d^) swisehen de» einen Lichtleiter (1) und der Linse (3) und der Ab ettjui Cd₂) swiiohea der Linie Ό) und de» Lichtleiter (2) bestlamt 1st durch die

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