DE2655114A1 - Optische vorrichtung zum injizieren von strahlungsenergie in eine optische faser und zur kopplung mehrerer fasern - Google Patents

Description

PHF 75-602

Dt. βΚΤίΓΓ- Γ -XH0L3 Vers/Va/JV/CB

BLV.Phir^; "toeilompenfabrlelni

Optische' Vorrichtung zum Injizieren von Strahlungs— energie in eine optische Faser und zur Kopplung mehrerer Fasern.

Die Erfindung bezieht sich auf* eine

optische Vorrichtung zum Injizieren von Strahlungsenergie in eine einfache oder mehrfache Glasfaser, die in Systemen zur optischen Übertragung von Information oder auch zur Kopplung mehrerer dieser Fasern verwendet wird.

Im allgemeinen erfolgt das Injizieren mit Hilfe einer elektralumineszierenden Diode, die der Erdfläche der Faser gegenüber angeordnet ist. Die von einer derartigen Diode aufgenommene Leistung nimmt mit deren Durchmesser ab. Aus diesem Grund ist der Durchmesser einer Diode oft kleiner als der der

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Faser. Die Faser kennzeichnet sich, durch, den halben, öffnungswinkel Q^ .

Die meridionalen Strahlen, die mit

der Achse der Faser einen Winkel einschliessen, der grosser als dieser Winkel ist, gehen durch die Seitenoberfläche des Kernes der Faser, statt von dieser Seitenfläche reflektiert zu werden, und tragen also nicht zu dem Energietransport über die Faser bei.

Daraus folgt, dass das ideale Injek— tionssystem vom Standpunkt der Energieübertragung ein System ist, das es ausgehend von einer Quelle mit einem den der Faser unterschreitenden Durchmesser, ermöglicht, die "Etendue" der Faser zu sättigen, wobei diese "Etendue" als das Produkt der Eingangsfläche der Faser und einer Pupille mit einem Raumwinkel von 2 oC im Unendlichen definiert wird.

Eine dieser Bedingung entsprechende Vorrichtung ist bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist eine einfache optische Struktur auf, die zu einer einzigen konvexen Linse reduziert ist, wobei die Quelle in dem Objektbrennpunkt der genannten Linse-angeordnet ist.

Die Vorrichtung dieses Typs und andere Vorrichtungen, die gleichfalls aus einem einzigen

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Element bestehen und bei denen die Quelle in dem Objektbrennpunkt angeordnet ist, müssen notwendigerweise eine geringe Brennweite in der Grössenordnung von 1 mm aufweisen. Eine derartige Brennweite entspricht kleinen Krümmungsradien der brechenden Elemente, wobei diese Krümmungsradien auf einige Zehntel eines Millimeters herabgesetzt sind.

Derartige Elemente weisen naturgemäss erhebliche geometrische Aberrationen auf, aber ihre geringe Abmessungen ergeben ausserdem praktische Nachteile von vielerlei Art in bezug auf ihre Anwendung und Herstellung, und zwar Schwierigkeiten bei" der Handhabung, bei der Herstellung der Zusatzteile, die zu ihrer Montage und ihrem Betrieb erforderlich sind, sowie Schwierigkeiten beim Konstruieren, Bearbeiten und sehr genauen Reproduzieren derselben.

< Die Erfindung schafft die Möglichkeit, diese praktischen Nachteile zu vermeiden, während trotzdem die Bedingung erfüllt wird, dass die "Etendue" der Faser mit Energie gesättigt wird.

Die Erfindung hat u.a. den Zweck, diese

Ergebnisse unter Beibehaltung einer einfachen Struktur der Vorrichtung zu erzielen, wobei die Abmessungen derselben derart sein müssen, dass die Vorrichtung hantierbar ist. .

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Diese Vorrichtung ist eine Gegenstandsoptik, die, statt die Quelle im Unendlichen zu.projizieren, diese mit einer geeigneten Grosse auf die Endfläche der Faser projiziert, wobei die Grosse des Abbildes der Quelle praktisch der genannten Endfläche gleich ist.

Die öffnung der Faser ist praktisch die Blende des Objektivs, das demzufolge von jedem Punkt der Eingangsfläche der Faser her unter einem Winkel von 2 OC gesehen wird.

Daraus folgt, dass die relative Öffnung

-x des Objektivs, wobei D und f der Durchmesser bzw. die Brennweite des genannten Objektivs sind, notwendigerweise mit dem Winkel OC , gleich wie mit den Radien R und Rj, der Faser bzw. der Quelle und mit dem Abstand p¹ zwischen der Faser und dem Objektiv durch den Ausdruck

2 _S2(| +OC)(R +1) (1)

^pl *s

gekoppelt ist.

Das optische System nach der Erfindung ist unter Beibehaltung des einfachen Konzepts und mit den Abmessungen, durch die sie hantierbar wird, ausserdem frei von erheblichen Aberrationen unter Berücksichtigung des Schnittes der Fasern.

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2b O 5 MH p_{HF 75}

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Dadurch brauchen die kleinen Werte vnn p¹, die nach dem Ausdruck (i) grossen Öffnungen D und geringen Abmessungen entsprechen, f

nicht in Betracht gezogen zu werden.

Dagegen ist die Erfindung von Bedeutung für grosse Werte von p¹, damit der BiIdfeldwinkel —, kleinein^bezug^auf s o£~w±rd und

XP

damit die relative öffnung nach dem Ausdruck (i) zu einem. Minimum neigt, das gleich 2 φ£, (— + i)

S ist.

Die Bildfeldaberrationen, und zwar

Koma, Astigmatismus, Bildfeldkrümmung und Verzerrung, sind dann völlig vernachlässigbar. Das einzige Problem, das noch gelöst werden muss, ist das der Verkleinerung und Minimalisierung der sphärischen Aberration.

Die Lösung des letzteren Problems

ist schwierig, weil bei konstantem Öffnungsverhältnis der sphärische Aberrationsfleck, der dem Massstab des Systems proportional ist, zunimmt, wenn die Abmessungen des optischen Systems grosser werden, was zu dem nach der Erfindung angestrebten Zweck im Widerspruch steht.

Daraus folgt, dass nach der Erfindung von einer optischen Struktur ausgegangen wird, für 709824/0774

OCrC K 1 1 / ^PHF 75.602

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die der Aberrationsfleck in bezug auf einen vorgegebenen Transportabstand möglichst klein ist, so dass danach ein Mittel zur linearen Vergrösserung der genannten Struktur mit einem Verhältnis zur Verfügung steht, das grosser ist, je nachdem der Fleck kleiner ist. Die Erfindung bezweckt also, eine Basisstruktur anzugeben, die aus zwei plankonvexen sehr dicken Linsen besteht, deren konvexe Seiten einander zugewandt sind, wobei diese Struktur, die schon besonders einfach ist, eine viel geringere sphärische Aberration als die sphärische Aberration aufweist, die bei Anwendung zweier dünner gewöhnlicher Linsen erwartet werden kann.

Das besondere Merkmal dieser Struktur

besteht in den Dicken, die in bezug auf die hier eingeführten Krümmungsradien derart gross sind, dass der Raum zwischen dem Objekt und dem Bild völlig mit Glas gefüllt ist, wobei die Kombination einer dünnen konvergierenden Linse und einer sehr dicken planparallelen Platte verwendet wird, deren sphärische Aberrationen ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen und einander entgegenwirken, wobei die genannte dicke Struktur mit geringem Durchmesser vollkommen den kleinen Feldwinkeln angepasst ist, die sich bei den Problemen des

Injizierens von Strahlungsenergie in eine Glasfaser und

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der Kopplung mehrerer derartiger Fasern nach der vorliegenden Erfindung ergeben, während bei dieser Struktur die Vorrichtung Abmessungen erhält, durch die sie leicht hantierbar wird.

Nach der Erfindung ist eine optische

Vorrichtung zur Kopplung einer Strahlungsenergiequelle mit einer ein-, oder mehrfachen optischen Faser dadurch gekennzeichnet, dass diese in der Fortpflanzungsrichtung des Lichts eine erste plankonvexe Linse und dann eine zweite plankonvexe Linse enthält, wobei diese beiden Linsen sehr dick'-sind und ihre Achsen mit der der Faser an deren Eingang zusammenfallen, wobei die genannten Linsen derart angeordnet sind, dass ihre konvexen Seiten einander zugewandt sind; dass die Lichtenergiequelle praktisch quer zu der genannten Achse in unmittelbarer Nähe der Mitte der ebenen Fläche der ersten Linse und die Eingangsfläche der Faser in unmittelbarer Nähe der Mitte der ebenen Fläche der genannten zweiten Linse angeordnet ist, wobei eine für die fortgeplanzte Strahlung durchlässige Tauchflüssigkeit gegebenenfalls zwischen der Quelle und der Linse und zwischen der Linse und der Faser angebracht ist; dass die Krümmungsradien der brechenden Flächen der unterschiedlichen Linsen, ihre Durchmesser, ihre Dicken und die Brechungszahlen ihres Materials derart sind, dass dad durch die

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_Λ , PHF 75-602

beiden Linsen gebildete System die Quelle optisch mit der Eingangsfläche der Faser koppeltj dass der Durchmesser des Abbildes der Quelle nahezu dem Durchmesser der Faser gleich ist, wobei der Bildöffnungswinkel wenigstens gleich dem halben Öffnungswinkel der Faser ist, und dass das Verhältnis zwischen den Radien der konvexen brechenden Flächen derart ist, dass die sphärische Aberration für die gewählte Vergrösserung und die gewählten Brechungszahlen der Materialien der Linsen minimal ist.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Vorrichtung zur gegenseitigen Kopplung mehrerer optischer Wege und ermöglicht die Mischungverschiedener Informationen, das Auswählen von Informationen, die durch Licht verschiedener Wellenlängen transportiert werdet} oder das in einen oder mehrere optische Wege Injizieren oder einem oder mehreren optischen Wegen Entziehen von Energie und Information.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen :

Fig. 1 einen Schnitt durch die erfindungsgemässe Kopplungsvorrichtung mit einem Weg gemäss einer durch ihre Symmetrieachse gehenden Ebene,

Fig. 2 graphische Darstellungen zur Er-

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OCCCI 1/ PHF 75.602

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leichterung der Konstruktion der genannten Vorrichtung,

Fig. 3 in einem Massstab 1 : 10 einen Schnitt gemäss einer Symmetrieebene durch eine Ausführungsform der genannten Vorrichtung,

Fig. h einen Schnitt gemäss einer Symmetrieebene durch eine andere Ausführungsform der genannten Vorrichtung,

Fig. 5 einen Schnitt gemäss der Symmetrieebene durch eine Vorrichtung zur Kopplung mehrerer optischer Wege nach einer ersten Ausführungsform,

Fig. 6 einen Schnitt gemäss der Symmetrieebene durch eine gleiche Vorrichtung zur Kopplung mehrerer optischer liege nach einer zweiten Ausfülirungsf orm, und

Fig. 7 einen Schnitt gemäss der Symmetrieebene durch dieselbe Anordnung zur Kopplung mehrerer optischer Wege nach einer dritten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine charakterische Ausführungsform der Vorrichtung, die zum Injizieren von Lichtenergie in eine Faser verwendet wird.

Die Vorrichtung enthält zwei dicke Linsen 11 und 12. Diese Linsen sind plankonvex und sehr dick.

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Ihre konvexen brechenden Oberflächen 13 bzw. 14 sind praktisch miteinander in Kontakt, wobei die Achsen der Linsen zusammenfallen. Die gemeinsame Achse ist mit 15 bezeichnet.

16 bezeichnet die Lichtquelle. Diese ist in der ebenen Fläche 17 der Linse 11 in der Mitte der genannten Fläche oder in deren unmittelbarer Nähe angeordnet. Eine Glasfaser kleinen Durchmessers ist mit 18 bezeichnet. Die Eingangsfläche 20 derselben ist in der unmittelbaren Nähe der Fläche 19 der Linse 12 in der Mitte der genannten Fläche angeordnet, wobei die Achse der Faser übrigens am genannten Eingang mit der Achse 15 flüchtet.

Die optische Kombination, die aus den beiden Linsen 11 und 12 besteht, erzeugt eine Abbildung der Quelle 16 auf der EingangsÄäehe 20 der Faser.

Diese Struktur muss den Bedingungen

entsprechen, dass die sphärische Aberration, und zwar die einzige vorhandene Aberration, gering ist, wobei der Radius der Quelle bzw. der Faser, z.B. 100 /um für den Radius der Quelle und 100 /um für den der Faser, berücksichtigt werden sollen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine optische Kombination der

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„ ^ _{Λ Λ} , PHF 75.602

Elemente nach Pig. 1, deren Vergrösserung, Dicken und Brechungszahl gegeben sind, der Durchmesser des sphärischen Aberrationsflecks durch ein Minimum geht, wenn die Leistung der■ Kombination auf angemessene Weise über die beiden konvexen brechenden Oberflächen verteilt ist. Von dieser Situation, die einem optimierten System entspricht, wird nach der Erfindung ausgegangen, um die Krümmungsradien der brechenden Oberflächen zu bestimmen. Wenn : N die gemeinsame Brechungszahl der beiden Linsen, e.. die Dicke der Linse auf der Quellenseite

(positive Zahl),
e_ die Dicke der Linse auf der Faserseite (positive Zahl),

g die Vergrösserung, die annahmeweise negativ ist, den halben öffnungswinkel in Radianen der Faser, ₁ den Krümmungsradius der Linse mit der Dicke e.., und

„ den Krümmungsradius der Linse mit der Dicke e„ darstellen, wird der Durchmesser t des sphärischen Aberrationsflecks in dem Gegenstandsraum gegeben durch :

* = K(N, g) QC³ G₁ (2),

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rs·- PHF 75.602

• wobei K(N, g) eine Funktion der Brechungszahl und der Vergrosserung ist, die durch den Ausdruck gegeben wird :

Mt P = (2 + I ) (g - i)

+ N - 2 4n + 2 N + 2 2

⁺ N(N - 1) ^S

2P
^r2 ⁼ θ" * ^ge1

e₂ = - g

Die Grosse des Flecks nach dem Ausdruck (2) ist also von der Dicke derLinse 11 auf der Quellenseite, dem öffnungswinkel ζΐζ der Faser und einem Faktor abhängig, der nur eine Funktion der Brechungszahl und der Vergrosserung ist.

Wenn der öffnungswinkel der Faser und die Dicke der dünneren der Linsen, d.h.. q£ und e.., gegeben sind, ist die Abmessung des Flecks dem Wert von K gerade proportional.

Die Berechnungen zeigen einen wesentlichen Einfluss grosser Werte der Brechungszahl auf

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die Verkleinerung des Fleckumfangs.

Die Erfindung bezweckt insbesondere, Werte der Brechungszahl anzugeben, die, obgleich sie gross sind, denen der üblichen käuflich erhältlichen Materialien entsprechen.

Die Sättigung der"Etendue" der Faser, die die Erfindung weiter zum Zweck hat, erfolgt, wenn in dem Objektraum der Kopplungsoptik jeder zu dieser "Etendue" gehöriger Strahl einem Ob^ktstrahl entspricht, der effektiv durch die Quelle hindurchgeht. Mit anderen Worten (und wenn annahmeweise die Richtung des Lichtes umgekehrt wird ) ; das durch Aberration verzerrte Abbild der Eingangsfläche der Faser muss völlig in der nützlichen Oberfläche der Quelle liegen. Daa durch Aberration verzerrte Abbild weist als Durchmesser die Summe des Faserdurchmessers, geteilt durch den Absolutwert der VergrSsserung, und des Durchmessers des durch den Ausdruck (2) gegebenen Flecks auf. Die Sättigungs- ■ bedingung wird also durch den Ausdruck :

Z§ ⁺ + = ^2Rs

in dem R und R_c die Radien der Faser bzw. der Quelle ο

sind, oder durch den (nachstehenden) Ausdruck (4) gegeben, der dadurch erhalten ist, dass die Ausdrücke (2) und (3) kombiniert werden:

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s4 (2R_S . g + 2 R) = gK(N, g) (4)

Von den sechs Parametern, die durch diesen Ausdruck gekoppelt werden, werden drei im allgemeinen in der Praxis gegeben: 2R^ ist der Durchmesser der Quelle, 2R der der Faser oder des Faserbündels und 2 CC der Öffnungswinkel.

Nach der Erfindung wird in voraus für die

Linse 11 eine Dicke e.. von einigen Millimetern gewählt um diese hantierbar zu machen. Die Beziehung (4) wird eine implizite Beziehung zwischen der Brechungszahl N und der Vergrösserung g.

Diese Beziehung wird in einer graphischen Darstellung dadurch gelöst, dass den Brechungszahlen verhältnismässig hohe Werte gegeben werden, die es jedoch ermöglichen sollen, die sphärische Aberration auf ein Mindestmass zu beschränken.

Die reellen Lösungen werden durch die Schnittpunkte, in einem rechteckigen Koordinatensystem (g, -gK), der Kurve, gegeben die das Produkt g.K(N,g) als Funktion von G und der durch das linke Glied der Beziehung (4) bestimmten Geraden darstellt.

In Fig. 2 ist das Produkt gK(N, g) für verschiedene Werte von N zwischen 1,6 und 2,0 und zwei gerade, gestrichelte, Faserdurchmessern 2R= 0,6mm

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bzw. 2R= 0,7 mm entsprechende Linien für die folgenden Werte vonoC , e und R_c dargestellt :

I ο

oo³ = 2k ■ .<^~ ¹⁰°)· .

e ₁ =4 mm
2R = 0,2 mm

O- -

Im einen Fall gibt es nach der Erfindung nur eine Lösung für N ^> 1,7· Im anderen Falle muss N grosser als 1,8 sein. Diese Werte der Brechungszahlen sind nicht diejenigen der üblichsten in den Handel gebrachten Gläser. Es handelt sich jedoch um reelle Gläser.

Die Werte beziehen sich auf Winkel

in der Grössenordnung von 10°. Für bestimmte Fasern, für die der Unterschied zwischen den Brechungszahlen des Kernes und des Mantels ("cladding") nur 0,006 beträgt, ist der Winkel oC kleiner als 10°; es stellt sich heraus, dass

sich die zu —3 in Fig. 2 proportionale Keigung der a

Geraden verdoppelt hat. Dadurch wird die Anwendung von Gläsern mit kleinerer Brechungszahl möglich.

Dagegen erfordert die Anwendung einer sehr kleinen Quelle mit einem Faserbündel (mehrfachen Fasern) statt einer einzigen (einfachen) Faser eine Brechungszahl von mehr als 2,0, weil die vorzunehmende Vergrösserung beträchtlich ist. Die Anwendung besonderer Materialien, wie Halbleitergläser, ist dann notwendig.

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-20'

Eine Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise in Fig. 3 in einem Massstab . von 1 : 10 dargestellt. Dies entspricht :

2R_C =0,2 mm 2R=O,6 mm +0,01

Für die Vergrösserung ist d?r ¥ert

gewählt, der dem Punkt A der Figur 2 entspricht,

2R

für den g ^t- am nächsten liegt und der der 2Rg

minimalen sphärischen Aberration entspricht.

Die Werte der anderen Abmessungen der Linsen sind :

T₁ = -2,13 mm r₂ = 3,95 mm

e.. = 3,87 mm e₂ = 14 mm

Diese Vorrichtung nach der Erfindung hat den Vorteil, dass keine grosse Genauigkeit der Krümmungsradien erforderlich ist. Bei der Vorrichtung ist die Verteilung der optischen Leistungen derart optimiert, dass der sphärische Aberrationsfleck durch ein Minimum geht. Da der Durchmesser des Flecks konstant ist, wird dieser also praktisch nicht beeinflusst, wenn ein geringer Teil der Leitung der einen brechenden Oberfläche auf die andere Übertragen wird.

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21 . 11 .

Weiter bezweckt die Erfindung, die chromatische Aberration auf ein Mindestmass zu beschränken. Sogar mit elektrolumineszierenden Quellen, die eine Strahlung in einem schmalen Wellenlangenbereich xj A in der Grössenordnung

von 250 A aussenden, ist tatsächlich der chromatische Aberrationsfleck nicht vernachlässigbar. Im Falle der oben angegebenen Ausführungsform liegt dessen Durchmesser in der Grössenordnung von 3/um. Das sich dabei ergebende Problem ist nicht so gross wie das der sphärischen Aberration. Um das Problem zu vermeiden, genügt es, für die Quelle einen Durchmesser 2R„ zu wählen, der einige Mikrons kleiner als der reelle Durchmesser der Quelle ist.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf die Anwendung: der Kombination der beiden plankonvexen Linsen zur optischen Kopplung zweier optischer Fasern. Die Vorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt.

Die Linsen 41 und 42 koppeln die Faser

43 mit der Faser 44. An der Stelle der Quelle befindet sich der Ausgang der Faser 43. In diesem Falle ist

Die Vergrösserung der Kombination weist, wie übrigens durch in den vorgenannten Fällen, einen

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2R

Wert auf, der etwas grosser als ττττ ist,

2R_S

was hier gleich 1 ist.

Es stellt sich heraus, dass das Abbild der Faser 43 grosser als die Endfläche der Faser 44 ist und aus dieser Endfläche hervorragt. Notwendigerweise ergibt sich daraus ein bestimmter Energieverlust. Nach der Erfindung wird in diesem Falle nicht, wie oben, versucht, die geeignete Vergrösserung zu bestimmen. Diese wird gleich -1 (g = -1) gewählt, wobei akzeptiert wird, dass der Aberrationsfleck aus der Endfläche der Faser 44 hervorragt. Diese Vergrösserung entspricht einer gleichen Dicke & der beiden Linsen.

Die Beziehung (2) des Durchmessers des Flecks ist dann :

t = GC^{3 e}!

Die Brechungszahl spielt eine Rolle bei grossen optischen Leistungen, was nach der Erfindung zu der Möglichkeit führt, viel üblichere Gläser mit einer kleineren Brechungszahl zu verwenden.

Die nachfolgende Tabelle gibt den Aberrationsfleck sowie den Krümmungsradius der brechenden Oberflächen bei verschiedenen Werten der Brechungszahlen in dem praktischen Beispiel an,

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das

OL

= P^n (

,ΙΟ»)

	1,6	e	1	r	13	0	= 4 mm	I-	r2	t	0	2,4
	0,01			1					POO37
	1,5					2		,33
entspricht.		1,8	0	,0012
! N"		,0027	2
; t mm		,78
r mm

Die Flecke haben höchstens eine Grosse von 10/um, was durchaus zulässigen Flussverlusten von einigen Prozenten entspricht.

Die Krümmungsradien betragen 1,5 bis

2 mm, je nach dem verwendeten Glas. Die Bildung . ' derartiger Linsen ist also vom technologischen Standpunkt möglich.

Um Streureflexionen an den flachen Enflachen der beiden Linsen und an den Ein- und Ausgangsflächen der Fasern zu vermeiden, wird nach der Erfindung eine Tauchflüssigkeit zwischen der Faser und der Linse angebracht.

Oben wurde nur die Anwendung von Linsen aus einem Material mit derselben Brechungszahl be-

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occc 11/ PHF 75.602

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trachtet. Es versteht sich, dass durch einige Abänderungen, die, ausgehend von Obenstehendem, dem Fachmann klar sein werden, andere Ausführungsformen denkbar sind, bei denen Linsen aus Materialien verschiedener Brechungszahlen verwendet werden, und dass demzufolge diese genannten anderen Ausführungsformen ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegen.

Ebenso geben die Kurven der Fig. 2 die auf die Werte des Parameters N zwischen 1,6 und 2,0 beschränkt sind, nicht an, dass sich die Erfindung auf diesen Bereich von Brechungszahlen beschränkt.

Die Kurven sind nur beispielsweise dargestellt. Bei anderen Ausführungsformen werden Materialien mit grösseren Brechungszahlen verwendet, die zwischen 2,4 und 2,6 liegen, wobei diese Materialien gemäss der Erfindung bearbeitet sind, während nach der Erfindung Vorrichtungen erhalten werden, bei denen der Durchmesser der Faser gleich dem 3- bis 6-fachen des Durchmessers der Quelle ist; weiter gelten für die Dicken und Krümmungsradien der Linsen die nachstehenden Beziehungen :

2,5 ^ e., ^" 4 mm 2,5 ^ T₁ ^ 3mm

15 ^ e₂ ^ 24 mm 4 ^ r₂ ^ 9mm

Eine Erweiterung der Erfindung besteht

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9R5 51T4 phf 75.602 2:000 ι it 21.11.1976

in einer Abwandlung der hervorgehenden Ausführungsform und in einer allgemeinen Anwendung bei der Kopplung mehrerer Fasern miteinander und mit anderen Elementen, wie einem Lichtempfänger oder einem Lichtsender.

Bei der vorhergehenden Vorrichtung mit einer Vergrösserung von — 1, bei der die beiden Linsen identisch sind, stellt sich nämlich heraus, dass das von jeder Linse erzeugte Abbild der Faserendflächer im Unendlichen in dem optischen Raum zwischen den beiden Linsen liegt. Weiter ist das Koma auf entsprechende Weise gleich Null. Die beiden Linsen können also voneinander getrennt werden, ohne dass die Grosse des Aberrationsflecks geändert wird. Übrigens kann, beim Fehlen von Koma, das Feld erheblich, z.B. mehrere Grad, werden, wodurch es dann möglich wird, mit Hilfe dieser Vorrichtung auch Faserbündel grossen Durchmessers zu koppeln.

In dem durch die gegenseitige Entfernung der brechenden Elemente gebildeten Raum (siehe Fig. 4) kann ein kleiner Detektor 45 untergebracht werden, um einen Teil des Lichtstroms zu entziehen oder es kann ausserdem ein Injektor 46, z.B. hinter dem Detektor, angeordnet werden, der den vom Detektor entzogenen Lichtstrom ausgleicht. Da in

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diesem optischen Raum die Faser kk unter einem kleinen Raumwinkel beobachtet wird, kann der Injektor ein Laser sein.

In Fig. 5 ist eine andere Anwendung eines Linsenpaars nach Fig. k dargestellt, wobei diese Linsen in einem bestimmten gegenseitigen Abstand angeordnet sind. Eine Trennplatte 59 wird zwischen den Linsen 51 und 52 angeordnet, die mit den Fasern 53 bzw. 5k gekoppelt sind, wobei die Platte in bezug auf ihre gemeinsame Achse schräg angeordnet ist.

Diese Platte ^9 reflektiert einen Teil des Lichtes in Richtung auf die Linse 60, die die gleiche Form wie die Linsen 51 und 52 aufweist und mit einer Faser55 gekoppelt ist. Diese Linse 60 liegt in praktisch dem gleichen Abstand von den Linsen 51 und 52 und ihre Achse steht quer auf der Achse der Linsen 51 und 52.

Die Fortpflanzungsrichtung des Lichtes ist die mit den Pfeilen 5^t 57 und 58 angedeutete Richtung. Auf diese Weise ist eine Kopplung zwischen zwei optischen Wegen hergestellt.

Eine andere Abwandlung ist in Fig. 6 dargestellt. Das Trennelement ist ein Prisma 69 mit

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2bob I Im· _{PHF 75}

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Xf '

Trennfläehen 70 und 71. Ein Teil des von 65 stammenden Lichtstroms wird nach Reflexion an den Flächen 71 bzw. 70 über die Linsen 63 und 64 auf die Fasern 66 und 68 übertragen, wobei diese linsen mit der Linse 61 nahezu identisch sind, oder der betreffende Teil des Lichtstfoms wird ausserdem über die Linse 62 auf die Faser übertragen. Die Pfeile 72, 73 , 74 und 76 deuten die Fortpflanzungsrichtung des Lichtes an.

Eine derartige Vorrichtung ermöglicht es auf diese Weise, die "Etendue" mehrerer Fasern mit demselben Durchmesser.»wie die Faser auf der Senderseite zu sättigen, und zwar selbstverständlich mit einer Helligkeit, die niedriger als die des Lichtes in der Faser auf der Senderseite ist, aber ohne dass zwangsweise ein grosser Teil des Lichtstroms verloren geht, wie dies der Fall wäre, wenn diese drei Fasern zu einem Bündel vereint waren, infolge der Tatsache, dass der Füllkoeffizient des genannten Bündels notwendigerweise niedriger als 1 ist.

Derartige-Konfigurationen ermöglichen es weiter, Mischvorrichtungen zu bilden, wie in Fig. 7 angegeben ist. In dieser Figur sind zwei Vorrichtungen vom in Fig. 4 gezeigten Typ derart angeordnet, dass ihre Achsen nahezu in derselben

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Ebene und senkrecht zueinander liegen.

Eine Trennplatte 89, die schräg in bezug auf die genannten Achsen angeordnet ist, transportiert und reflektiert die von den Fasern 85 und 88 stammenden, durch Licht gebildeten Informationen und bewirkt auf diese Weise eine Mischung der genannten Informationen, die in die Fasern 86 und 87 zurückkehren.

Bei einer Weiterbildung transportiert das Licht in der Faser 85 zwei Informationen in zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen. Die Platte 89 ist eine zweifarbige Schicht, die die beiden Bereiche voneinander trennt. Eine der Informationen kehrt durch Reflexion in die Faser 86 zurück, während die andere durch Übertragung in die Faser 87 zurückkehrt.

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Leersei te

Claims (1)

1. ^PHF 75.602 21.11.1976

   PATBMTAMSPRIiBCHIS:

   \1 .^v Optische Vorrichtung zur Kopplung einer

   Strahlungsenergiequelle mit- einer ein- oder mehrfachen optischen Faser, dadurch gekennzeichnet, dass diese in. der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes eine erste plankonvexe Linse und dann eine zweite plankonvexe Linse enthält, wobei diese beiden Linsen selir dick sind und ihre Achsen mit der- der Faser an deren Eingang zusammenfallen» wobei die genannten Linsen derart angeordnet sind, dass ihre konvexen Seiten einander zugewandt sind; dass die Lichtenergiequelle praktisch, quer zu der genannten Achse in unmittelbarer Nähe der Mitte der ebenen Fläche der ersten Linse und die Eingangsfläehe der Faser in unmittelbarer Nähe der Mitte der ebenen Flache der genannten zweiten Linse angeordnet ist, wobei eine für die fortgepflanzte Strahlung durchläsige Tauchflüssigkeit gegebenenfalls zwischen der Quelle und der Linse und zwischen der Linse und der Faser angebracht ist? dass die Krümmungsradien der brechenden Flächen der unterschiedlichen Linsen, ihre Durchmesser, ihre Dicken und die Brechungszahlen ihres Materials derart sind, dass das durch ä.l& beiden Linsen gebildete System die Quelle optisch mit der Eingangsfläche der Faser koppeltj

   dass der Durehmesser des Abbildes der Quelle nahezu

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   ORIGINAL !NSPECTED

   a-

   dem Durchmesser* der- Faser gleich 1st, wobei del? BildofTnungswinkeX wenigstens gleich dem halben öffnungswinkel der- Faser ist, und dass das Verhältnis zwischen den Radien der konvexen brechenden. Flächen derart ist, dass die sphärische Aberration für die gewählte Vergrösserung und die gewählten Breehuiigszahlen der Materialien der Linsen minimal ist.

   2« Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch

   gekennzeichnet, dass das Material der beiden Linsen dieselbe Brechungszahl aufweist.

   3- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet dass die Materialien der Linsen verschiedene Brechungszahlen aufweisen. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch

   gekennzeichnet, dass

   — der Durchmesser der Quelle kleiner als der Durchmesser der optischen Faser ist;

   — die konvexen Oberflächen der beiden Linsen nahezu miteinander in Kontakt sind;

   — das Verhältnis der Dicke der zweiten Linse zu der der ersten Linse grosser (bis zu einer Grössenordnung von 2.yjä) als das zwischen den Grossen der respek— tiven Durchmesser der Faser und der Quelle ist; und

   — der Krümmungsradius der ersten Linse kleiner als der der zweiten Linse ist.

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   ^ 75.602

   -3-

   5· Vorrichtung nach. Anspruch 4, dadurch

   gekennzeichnet, dass die Brechungszahl grosser als 1,7 ist; dass der Durchmesser der Faser drei- bis \J biermal grosser als der der Quelle ist;" dass der Krümmungsradius der ersten Linse zwischen 1,9 und 2,5 mm und der der zweiten Linse zwischen 3»3 und 5 mm liegen, und dass die Dicke der ersten Linse 4 mm und die der zweiten Linse 9 bis 16 mm betragen. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch

   gekennzeichnet, dass die Brechungszahl zwischen 2,4 und 2,5 liegt; dass der Durchmesser der Faser dreibis sechsmal grosser als der der Quelle ist; dass der Krümmungsradius der ersten Linse zwischen 2,5 und 3 nun und der der zweiten Linse zwischen 4 und 9 min liegen, und dass die Dicke der ersten Linse 2,5 bis 4 mm und die der zweiten Linse 15 bis 24 mm betragen. 7· . Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Quelle, die gegebenenfalls aus einem Faserausgang besteht, gleich dem Durchmesser der Faser am Ausgang ist, und dass die beiden Lins-en identisch sind.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch

   gekennzeichnet, dass die Linsen eine Dicke in der Grössenordnung von 5 mm aufweisen, und dass ihr Krümmungsradius zwischen 1,5 und 3 nun liegt, abhängig von der Brechungszahl des verwendeten Materials,

   709824/0774

   PHF 75.602

   21.11.1976

   wobei diese Brechungszahl grosser als 1 _tk5 ist. 9 · Vorrichtung nach. Anspruch 7 oder 8., ·

   dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Linsen durch einen Luftspalt von mehreren Millimetern voneinander getrennt sind.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Kopplung mehrerer optischer Wege, die nahezu in einem Punkt oder verschiedenen zueinander gehörigen Punkten zusammenfallen, dadurch gekennzeichnet, dass diese Wege zu beiden Seiten dieser Punkte mindestens eine Faser enthalten, die an ihrem Ende mit einer Linse nach Anspruch 8 oder 9 versehen ist, und dass der Luftspalt zwischen den Linsen mit Mitteln zur Trennung der Bündel versehen ist, die das Licht in bestimmten Wegen übertragen und in anderen Wegen reflektieren, während der Spalt weiter Mittel zum örtüLchen Detektieren und Injizieren von Strahlungsenergie enthält.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement ein Spiegel ist, der eine spektrale Auswahl des Lichtes ermöglicht.

   70982W0774