DE2360951A1

DE2360951A1 - Koppelvorrichtung fuer eine optische nachrichtenuebertragungsanlage

Info

Publication number: DE2360951A1
Application number: DE2360951A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr Phil Larsen
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1973-12-06
Filing date: 1973-12-06
Publication date: 1975-06-12

Description

Koppelvorrichtung für eine optische Nachrichtenubertragungsanlage „ \ ,

Die Erfindung betrifft eine berührungslose Koppelvorrichtung bei optischen Nachrichtenübertragungsanlagen zwischen einer Glasfaser mit einem ersten Aperturwinkel und einem Endgerät mit van dem ersten Aperturwinkel unterschiedlichen Aperturwinkel.

Bei der optischen Nachrichtenübertragung über viele Kilometer mittels'Lichtleitfasern müssen diese mit optischen Sendern, eventuell Zwischenverstärkern und optischen Empfängern in manchen Fällen berührungslos gekoppelt werden. TJm einen hohen Ankopplungswirkungsgrad zu erhalten, müssen die von den Sendern emittierten Signale möglichst vollständig in die Lichtleitfaser und an deren Ende möglichst vollständig in die Empfänger eingekoppelt werden. Dazu sind platzraubende Abbildungssysteme mit umständlichen Montage- und Justierarbeiten erforderlich.

Einen Ausweg bietet die in Appl. Phys. Bd. 44, 6, 1975, Seite 2756 bis 2758 beschriebene Kernmantelfaser mit sphärisch gekrümmten Endflächen. Die dadurch hervorgerufene Linsenwirkung bewirkt eine Vergrößerung des Aperturwinkels der Faser.

Der HerstellungsprozeJ3 einer optisch fehlerfreien sphärisch gekrümmten Endfläche an einer Glasfaser ist jedoch sehr aufwendig. _: · .

Bekannt ist auch die Linsenwirkung von Gradientenfasern. Diese weisen ein radial nach außen näherungsweise parabolisches Brechzahlgefälle auf, derart, daß sich eine zu leitende

VPA 9/710/3144 WR/The

-2-

509824/0473

: · . . 23:80951

Wellenenergie in ihnen in periodisch um die Achse der Fasern pendelnden Bahnen ausbreitet, da ein schräg zur Achse gerichteter Strahl vom optisch dünnen in das optisch dichtere Gebiet hineingelenkt wird. ' T .

Aus der DOS 2 12? 916 ist bekannt, diese selbstfokussierenden Gradientenfasern bei der optischen Nachrichtenübertragung einzusetzen. Durch ein vorgegebenes Brechzahlgefälle werden solche Aperturwinkel möglich, daß Mchtsigaale mit größerer Effektivität mit Endgeräten gekoppelt werden können.

Ein Nachteil dieser Fasern besteht allerdings in deren hoher Absorption. Schon ein ppm von Verunreinigungsstoffen, wie Eisenionen sowie Kupfer- und Chromionen verursachen im Wellenlängenbereich zwischen 400 und 1000 nm Dämpfungen um 20 dB/km. Hinzu kommt die Schwierigkeit der Herstellung des parabolischen Brechzahlprofils als Voraussetzung für eine Übertragungsmechanik der Faser.

Infolge des höheren Kostenaufwandes bei der Herstellung werden die Fasern in der Nachrichtenübertragung zumeist im Gerätebau, in der Datenverarbeitung und ähnlichen, nicht jedoch bei der Nachrichtenübertragung über viele Kilometer eingesetzt. Dafür stehen vielmehr Kernmantelfasern im Gespräch.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine dämpfungsarme, optische Signalübertragung über viele Kir-lometer mit möglichst vollständiger Signalausnutzung bei der Kopplung zwischen Kernmantelfasern und Endgeräten zu ermöglichen. Der Kostenaufwand soll gering sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein zwischen der Kernmantelfaser und dem Endgerät angeordnetes selbstfo-

VPA 9/710/3H4 . -3-

509824/0473

0911

kussierendes Gradientenfäserteilstück, dessen Länge χ der Ungleichung 0,5 x_opt < x < ¹»5^x _opt genügt, wobei x_opt die optimale Länge des Grädientenfaserteilstückes ist, die sich aus dem Brechzahlgradienten a der Gradientenfaser, dem Radius y des Kernes der Kernmantelfaser und dem Aperturwinkel λ)._λ der Kernmantelfaser bestimmt zu:

wobei a der Brechzahlgradient der Gradientenfaser und y_Q der Radius des Kernes der Kernmantelfaser ist.

Das Gradientenfaserteilstück wird unmittelbar oder über eine Imers ions schicht an eine Endfläche der Kernmantelfaser an,-gesetzt.

Die optimale Länge x_Q_. kann für vorgegebene Bauelemente aus den Daten der Kernmantelfaser und des Gradientenfaserteilstückes ermitielt werden. Es wurde folgender Zusammenhang zwischen dem Aperturwinkel a^ eines an eine Kernmantelfaser angesetzten Gradientenfaserteilstücks, dem Auftreffwinkel Vl₁ eines Lichtstrahles an der Lichtaustrittsfläche des Gradientenfaserteilstückes, dem Brechungsindex n. an diesem Ort des Gradientenfaserteilstücks und dem Brechungsindex η ■ im Außen- · raum errechnetr

- «,. \n-ft, «-x-y.
Den darin enthaltenen Winkel \ erhält man aus der Beziehung

wobei v_a - Eintrittswinkel des Lichtstrahles in das Gradientenfaserteilstück aus der Kernmantelfaser bedeutet. _;

Diesen Winkel ^ erhält man schließlich direkt aias den Daten des Gradientenfaserteilstücks, nämlich aus dem obengenannten

VPA 9/710/3144 . -4- '

Ei 0 98 2 4/0473

Brechungsindex η-, der Gradientenzahl a und aus den Daten der Kernmantelfaser, nämlich aus dem Brechungsindex des Kernes n, , dem Brechungsindex des Mantels n_m und dem Kernradius J₀ gemäß der Beziehung

4 ^κι - ¹V,

Beim Einsatz einer Lumineszenzdiode lassen sich hierdurch Lichtsignale mit besserem Wirkungsgrad in eine multimodale Kernmantelfaser einkoppeln, da die Apertur der Faserleitung um eine Größenordnung erweitert werden kann.

Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele in der Figurenbeschreibung näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Koppelvorrichtung mit Bauelementen mit gleichem Durchmesser,

Figur 2 dasselbe mit unterschiedlichen Durchmessern.

Die Figur 1 zeigt eine Lichtleitfaser mit einem Kern 1, einem Mantel 2, einea? Gradientenfaser 3 mit einem annähernd parabolischen Brechungsindexprofil und den Querschnitt der Lichtaustrittsfläche 4 einer Lumineszenzdiode. Die Lumineszenzdiode ist in einem kurzen Abstand von dem Gradientenfaserstück 3 angeordnet. Die lumineszenzdiode weist die Richtungscharakteristik 5 auf. In der Richtung 6 wird ein geringer, in den Richtungen 7 und 8^ ein hoher Anteil der Intensität des emittierten Lichtes ausgestrahlt. Da auf die geringen In-,tensitätsanteile des ausgestrahlten Lichtes in der Richtung verzichtet werden kann und diese Lichtanteile unter einem sehr großen Aperturwinkel der Faser in diese eintreten und nach außen abgestrahlt würden, ist auf ein unmittelbares Ansetzen der Gradientenfaser mit ihrer empfindlichen Endfläche

YPA 9/710/3144 -5-

509824/0473

- - ;■.■.'■■ 2360351

auf die Lumineszenzdiode nicht von Vorteil.¹ Ein unter dem Winkel -^ auf das Gradieütenfaserteilstück auftreffender Lichtstrahl wird an der Grenzfläche 9 unter dem Winkel in das Gradientenfaserstück hineingekrochen und einer sinusförmigen Bahn längs einer Strecke optimaler Länge so weitergeführt, daß er unter dem Winkel -§"_&1 auf die Grenzfläche auf trifft und unter dem Winkel &'* in die Kernmantelfaser hineingebrochen wird.

Bei vorgegebenen Daten der Kernmantelfaser und des Gradientenf aserteilstücks wird dessen Länge x_Q+ derart optimiert, daß alle von der Lumineszenzdiode ausgesandten und von der Faser aufgenommenen Strahlrichtungen nach dem sinusförmigen Verlauf der Strahlen innerhalb des GradientenfaserStückes beim Eintritt in die Kernmantelfaser in dem Richtungsbereich liegen,· in welchem Lichtstrahlen verlustfrei geleitet werden. Die Länge x_QX)^ darf weder zu groß noch, zu klein sein, da sonst der Aperturwinkel der Anordnung klein wird. In einer Gradientenfaser weist ein Lichtstrahl nämlich einen sinusförmig^mn die optische Achse 11 pendelnden Verlauf auf.

In der Figur 2 isteine Lichtleitfaser 12 dargestellt, welche in ein Gradientenfaserteilstück 13 mit einem größeren Durchmesser als dem der Liahtleitfaser aufgesteckt ist. Dadurch ist eiiB optisch direkte und.mechanisch feste Verbindung zwischen der Kernmantelfaser 1.2 und dem Gradientenfaserteilstück 13 gewährleistet; . , , ;

Im .folgenden wird an Hand eines Brechungsbeispiels gezeigt, wie stark sich der Aperturwinkel einer Kernmantelfaser beim Vorsetzen, einesä;Gradientenfase,rteilstücks vergrößert: Die Apertur einer Kernfaser ist n^^y^ ^_a =. I ^.-*- vfj .

VPA 9/710/3H4 - ' ' -6-

509824/0473

wobei η = Brechungsindex im Außenraum, n,. = Brechungsindex des Kernes und η = Brechungsindex des Mantels. Pur eine Faser mit n, = 1,5422 und η = 1,54H ergibt sich mit η = 1 der Wert V _a1 = 2,85 . Setzt man vor diese Kernmantelfaser mit einem Kernradius y_Q = 0,035 mm ein Gradientenfaserteilstück mit dem Brechzahlgradienten a = J3ÖÖ¹ mm~ und einem Brechungsindex n₁ = 1,542 an Orte 9, dann ergibt die Rechnung eine optimale Länge des Gradientenfaserteilstücks x„ . =

α/ η ^ΟΦ^τ

5,072 mm. Der Apertürwinkel· o7 = 53 11' 18«'. Das.ist das 18,68-fache des Aperturwinkels der Kernfaser von 2,85°.

2 Figuren

3 Patentansprüche

VPA 9/710/3144 -7-

509824/0A73

Claims

- -,- .-.." - ,■■..-:-. " 236P95T

~^r~ "■-". ' . ■■' ^% .■."■"■"■,-■■ ■■:'.:■ Patentansprüche

Koppelvorrichtung bei optischen Uächrichtenübertragrings-■ .anlagen zwischen einer Kernmantelfaser und einem Endgerät, das einengrößeren:Aperturwinkel aufweist als die Glasfaser, g e k e η η ζ e i c h η e t ; durch ein zwischen der Kernmantelfaser und dem Endgerät angeordnetes selbstfokussierendes Gradientenfaserteiistück^ dessen Länge χ der Ungleichung 0,5x _^. —~ x ^ ^»5^x ₀-pt genügt, wobei χ_οό^ diedie optimale .Länge des Gradientenfaserteilstüekes ist, die sich aus dem Brechzahlgradienten a der Grajdie^tenfaser, dem Radius j_Q des Kernes der Kernmantelfaser und dem Aperturwinkel -v" ^ der Kernmantelfaser bestimmt zu:

TT

i f

"t .r- CUtt-fft-vt-
2. Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n ζ e ic Ii-ii et , daß auf das zu koppelnde Sude der Kernmantelfaser ein Gradientenfaserteilstück aufgesteckt ist.
3. Koppelvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, ge kenn zeich n e t durch seine Verwendung zur Kopplung einer Lumineszenzdiode mit einer multimodalen Kernmantelfaser^:i

TBk 9/710/3144

50 9 82 4/0473

Leerseite