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Stichwort: Optische Koppel anordnung für Systeme
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der optischen Nachrichtentechnik
Stichwort: Optische
Koppel anordnung für Systeme der optischen Nachrichtentechnik Titel: Verfahren und
Anordnung zur Gestaltung von optischen Koppel anordnungen in Systemen der optischen
Nachrichtentechnik, vorzugsweise in Repeatern für optische Übertragungsstrecken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Gestaltung von optischen
Koppelanordnungen in Systemen der optischen Nachrichtentechnik, vorzugsweise in
Repeatern für optische Obertragungsstrecken. Solche optischen Übertragungssysteme
dienen dazu, elektrische Signale,die durch geeignete elektrisch-optische Wandler
(z. B. Halbleiter-Laserdioden) in Lichtsignale umgewandelt worden sind, über Glasfasern
von einem Ort A zu einem Ort B zu übertragen, wobei am Ende der Glasfaserstrecke
die Lichtsignale durch geeignete optisch-elektrische Wandler (z. B. Photodioden)
wieder in elektrische Signale zurückgewandelt werden.
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Stand der Technik: Es ist aus der DAS 1254513 bekannt, daß elektrische
Signale in Form von optischen Signalen über Glasfasern übertragen werden können.
Bei längeren Ubertragungsstrecken von einigen 100 m bis zu einigen km werden die
optischen Signale dabei so geschwächt und verzerrt, daß sie in einem sog.
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Repeater regeneriert werden müssen. Bei derartigen optischen Ubertragungsstrecken
werden vielfach optische Koppel anordnungen benötigt zur Verbindung von Faserstücken
untereinander und zur Verbindung von Faserstücken mit Endgeräten bzw. Bauelementen
innerhalb dieser Endgeräte (z.B.Repeater).
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Bei Repeatern sind zwei Bauformen bekanntgeworden. Repeater einer
ersten Art wandeln die ankommenden optischen Signale in elektrische Signale um,
die dann elektrisch regeneriert und anschließend wieder in optische Signale zurückgewandelt
werden (H. Ohnsorge: Neue Möglichkeiten für Nachrichtensysteme auf der Easis des
Laser-Glasfaser-Kanals. NTZ-Report 17, VDE-Verlag GmbH, Berlin, 1973).
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Repeater der zweiten Art regenerieren die optischen Signale auf optischem
Wege, d.h. ohne Zwischenschaltung einer elektrischen Regenerierschaltung (R. Th.
Kersten: Optische Nachrichtenübertragung und integrierte Optik.
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Elektronik 1975, Heft 6, 5. 72/77).
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Bei beiden Repeaterarten werden optische Koppelanordnungen zur Verbindung
der Fasern der Übertragungsstrecke an die Bauelemente des Repeaters benötigt. Die
dabei auftretenden Besonderheiten seien am Beispiel eines Repeaters erster Art erläutert.
Ein solcher Repeater besitzt in seinem Sendeteil einen elektro-optischen Wandler,
vorzugsweise eine Laser-Diode, und in seinem Empfangsteil einen optisch-elektrischen
Wandler, vorzugsweise eine Avalanche-Photodiode oder eine pin-Photodiode. Repeater,
die derartige Bauelemente verwenden, ermöglichen vorteilhaft eine digitale Übertragung
von Nachrichten, wobei für hohe Übertragungsraten von > 50 Mbit/s und Entfernungen
von einigen km derzeit vornehmlich Halbleiterlaser, Avalanche-Photodioden und Monomodefasern
bzw. Gradientenfasern als Bauelemente-Kombination in Betracht kommen.
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Monomodefasern haben für hohe Obertragungsraten den Vorteil, daß sie
die Lichtimpulse am wenigsten auf dem Obertragungsweg verzerren; ihr lichtführender
Querschnitt ist aber sehr gering (~ 3 um), so daß sie bei Ankopplung an eine Lichtquelle
oder einen Lichtempfänger sehr genau justiert werden müssen. Die gleiche Genauigkeit
in der Justierung ist erforderlich, wenn zwei Monomodefaserstücke zusammengekoppelt
werden. Dazu wurde bekannt, daß man hierbei vorteilhaft eine Doppelexzenter-Steckverbindung
verwenden kann (O. Krumpholz ; E. Pfeiffer: Coupling device connecting a glas fiber
with an integrated optical circuit. Topical Meeting on Integrated Optics, New Orleans,
January 1974.
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J. Guttmann; O. Krurnpholz; E. Pfeiffer: A simple connector for glas
fiber optical waveguides. AEO Band 29 (1975), S. 50/52).
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Die Monomodefaser besteht aus einem Kern mit einer Brechzahl n1, einem
Durchmesser dk sowie einem Mantel mit einer Brechzahl n2 X n1 und einem Außendurchmesser
D ~ 100 - 200 ;ihm. Stellt man die Brechzahl n der Faser als Funktion des Radius
r in Zylinderkoordinaten dar, so erhält man dabei ein stufenförmiges, rotationssymmetrisches
Profil, wie dies in Fig. 5 und 6 u. a.
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dargestellt ist.
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Die Herstellung von Monomodefasern macht Schwierigkeiten, insbesondere
hinsichtlich einer genauen Einhaltung des einmal gewählten Kerndurchmessers über
größere Faserlängen.
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Gradientenfasern stellen demgegenüber weitaus geringere Anforderungen
hinsichtlich einer Justierung an Lichtquellen, da sie einen größeren lichtführenden
Querschnitt (50-100 ,um) aufweisen. Nachteilig ist bei diesen Fasern die größere
Verzerrung bei der Übertragung optischer Signale, die eng von den Herstellungstoleranzen
des Brechzahlprofils in dieser Faser abhängt. Das Brechzahlprofil der Gradientenfaser
sollte sehr genau der Funktion n2 (r) = n02 . (1 - 2 (g )2) für O Z r z R genügen.
In der Formel bedeuten n (r) die Brechzahl als Funktion des Radius r in Zyl i nderkoordi
naten nO die maximale Brechzahl des Kerns der relative Brechzahlunterschied R der
halbe Durchmesser des Kerns der Gradientenfaser.
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Nach dem heutigen Stand der Technik ist nicht abzusehen, inwieweit
die Herstellungstoleranzen der beiden genannten Fasertypen praktisch beherrschbar
werden und inwieweit damit Monomodefasern vor Gradientenfasern bei breitbandigen
Übertragungsstrecken einmal eingesetzt werden.
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Wie bereits erwähnt, hat man Lösungsmöglichkeiten gefunden, um Faserstücke
ein- und desselben Typs miteinander zu verbinden. Aus der Unsicherheit über die
zukünftige Entwicklung der Fasern ergibt sich damit, daß jeder Fasertyp jeweils
einen eigenen Repeater erfordert, mit optischen Ein- und Ausgängen, die genau an
den jeweils in der Übertragungsstrecke verwendeten Fasertyp angepaßt sind.
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Damit wird es unmöglich, bei einem einmal aufgebauten Obertragungssystem
die dort verwendeten Fasern zu einem späteren Zeitpunkt einfach gegen Fasern eines
anderen Typs auszutauschen; wenn dennoch ein Austausch notwendig würde, wäre dies
mit Umbauarbeiten der optischen Koppel anordnungen bei den Endgeräten und Repeatern
verbunden.
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Bei der Lichteinstrahlung in Fasern werden neben den erwünschten Wellentypen
im lichtführenden Faserkern auch unerwünschte Wellentypen im Mantel der Faser erzeugt,
die zu zusätzlichen Signalverzerrungen führen können, insbesondere, wenn die Mantelwellen
(z.B. bei kürzeren Übertragungsstrecken) wenig gedämpft am Empfangsort eintreffen.
Im Labor werden zum Zweck der Unterdrückung von Mantelwellen die Glasfasern in Schleifen
durch eine Schale mit Immersionsflüssigkeit geleitet, deren Brechzahl gleich der
Brechzahl des Fasermantels ist (mode stripping). Für praktische Anwendungen außerhalb
des Labors ist jedoch bislang keine adäquate Lösung bekannt.
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Bei einer zentralen Lichteinstrahlung in Gradientenfasern werden immer
eine Vielzahl von Wellentypen angeregt, wodurch die Lichtimpulse,insbesondere bei
nicht exakt parabolischem Brechzahlprofil stärker verzerrt werden, als bei einer
nicht zentralen Lichteinstrahlung (Guttmann et al.: Dispersion measurements in new
"Selfoc" fibres. Optical and Quantum Electronics 7 (1975) S. 305/309).
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Bei einer exzentrischen Lichteinstrahlung nahe der Kernmantelgrenze
der Gradientenfaser wird eine geringere Zahl von Wellentypen angeregt, wodurch eine
geringere Signal verzerrung (Laufzeitdispersion) auf dem Obertrayungsweg verursacht
wird. Eine praktikable Lösung zur Nutzung dieses Effektes ist ebenfalls bislang
nicht bekannt.
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Aufgabe der Erfindung: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch
eine erfindungsgemäße Gestaltung von optischen Koppel anordnungen in Systemen der
optischen Nachrichtentechnik, vorzugsweise in Repeatern für optische Obertragungsstrecken,
die vorgenannten Nachteile zu umgehen. Insbesondere sollen die optischen Koppel
anordnungen so beschaffen sein, daß Lichtwellenleiter verschiedenen Typs mit unterschiedlichem
lichtführendem Durchmesser und Brechzahlprofil ohne Umbau mit ein- und demselben
Endgerät oder Repeater in optischen Ubertragungssystemen zusammengeschaltet werden
können.
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Eventuell vorhandene Mantelwellen in den Fasern sollen möglichst keinen
Einfluß auf die angeschalteten Geräte (z. B. Empfangsteil des Repeaters) haben und
die Kopplungsverluste sollten so niedrig wie möglich sein.
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Andererseits sollten die Koppeleinrichtungen von lichtaussendenden
Geräten (z. B. Sendeteil eines Repeaters) so beschaffen sein, daß möglichst keine
Mantelwellen in den angeschlossenen Fasern angeregt werden und eine optimale Einkoppelung
des Lichtes in verschiedene Fasertypen möglich ist. Die Kopplungsverluste hierbei
sollten möglichst gering sein und es sollten möglichst wenig Moden dabei angeregt
werden. Eine derart flexible Kopplungstechnik sollte ferner keine merkliche zusätzliche
Signalverzerrrung verursachen.
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Lösung: Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine besondere
Anordnung und Kombination verschiedener Bauelemente in optischen Koppelanordnungen,
vorzugsweise bei Endgeräten und Repeatern, gelöst: 1. Für Kopplungszwecke von Lichtsignalen
in einer Richtung wird u.a. eine Anordnung von Monomodefaser und Gradientenfaser
verwendet, wobei ein Ende der Monomodefaser stumpf auf ein Ende der Gradientenfaser
gesetzt wird und die Fasern dabei so justiert werden, daß der Kern der Monomodefaser
auf einen Punkt des Kerns der Gradientenfaser trifft, in dem die Kernbrechzahlen
beider Fasern bestmöglich übereinstimmen. Dazu muß die Kernbrechzahl n1 der Monomodefaser
folgende Bedingung erfüllen: n (R) - n1 L nO
Durch die Kombination
Monomodefaser/Gradientenfaser sind beim Übergang von dem kleinen lichtführenden
Kern der Monomodefaser in den großen Kern der Gradientenfaser die Kopplungsverluste
für Lichtwellen gering, in umgekehrter Richtung aber sehr groß. Dadurch ergibt sich
die Möglichkeit, Fasern verschiedenen Typs miteinander zusammenziischalten , wenn
gewährleistet ist, daß die Lichtübertragung nur in einer Richtung erfolgen soll.
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Andererseits bietet eine derartige Kopplungsanordnung die Möglichkeit,
"optische Ventile" zu verwirklichen.
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2. Unter Einbeziehung einer derartigen Kopplungsanordnung läßt sich
nun ein Repeater aufbauen, der wahlweise an Obertragungsstrecken mit Monomode-oder
Gradientenfasern angeschaltet werden kann. Zu diesem Zweck wird im Empfangsteil
des Repeaters ein Stück Gradientenfaser verwendet mit dem bereits beschriebenen
Brechzahlprofil, das das lichtempfangende Bauelement (Avalanche- oder pin-Photodiode)
mit einer justierbaren Steckverbindung (vorzugsweise Doppelexzenter-Steckverbindung)
auf der Frontplatte des Gerätes verbindet. Im Sendeteil des Repeaters wird ein Stück
Monomodefaser an einem Ende mit dem lichtaussendenden Bauelement (z. B. Halbleiter-Laser)
und am anderen Ende ebenfalls mit einer justierbaren Steckverbindung (Doppelexzenter)
verbunden. Die beiden Faserstücke - Monomode- und Gradienten-Faser - genügen dabei
den bereits angegebenen Bedingungen. Verwendet man nun auf der Übertragungsstrecke
Gradientenfasern des gleichen Typs, wie sie im Empfangsteil vorhanden sind, so bringt
die Ankopplung der Gradientenfaser an den Empfangsteil keine Schwierigkeiten mit
sich, da hierbei Fasern gleichen Typs miteinander verbunden werden, wogegen die
Ankoppelung an den Sendeteil des Repeaters von der unter 1. angegebenen Möglichkeit
Gebrauch macht. Dabei erleichtert die Doppelexzenter-Steckverbindung in vorteilhafter
Weise eine genaue Justierung. Verwendet man eine Monomodefaser in der Obertragungsstrecke,
so erfolgt die Kopplung dieser Faser an den Sendeteil des Repeaters in üblicher
Weise, da hierbei zwei Fasern gleichen Typs miteinander verbunden werden, wogegen
der Obergang Monomode/Gradientenfaser jetzt an der Kopplungsstelle zum Empfangsteil
des Repeaters auftritt.
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3. Um zu verhindern, daß Mantelwellen in der Obertragungsfaser angeregt
werden, wird mindestens ein Ende des kurzen Monomodefaserstückes im Repeatersendeteil
mit einer Irisblende im Bereich der Fläche des Fasermantels abgedeckt. Gleichermaßen
wird durch Anbringung einer Irisblende, z. B. in Form einer Lackabdeckung, an einem
Ende des Gradientenfaserstückes im Empfangsteil des Repeaters der Einfluß von Mantelwellen
auf die Qualität der empfangenen Signale reduziert. Die Irisblenden werden vorzugsweise
an den Faserenden der kurzen Faserstücke im Repeater angebracht, die mit dem Halbleiter-Laser
bzw. der Photo-Diode durch eine Klebestelle verbunden werden.
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Vorteile der Erfindung: Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile
bestehen u. a. darin, daß an Stelle einer Vielzahl von Repeatern für verschiedene
Fasertypen ein einheitlicher Repeater für Monomode- bzw. Gradientenfaser verwendet
werden kann und daß in bestehende Obertragungsstrecken wahlweise Fasern nach dem
neuesten technischen Stand eingefügt werden können. Der Repeater zeichnet sich ferner
dadurch aus, daß die erfindungsgemäße Kopplungsanordnung eine optimale Ankoppluny,
d.h. ohne große Koppelverluste, bei geringsten Verzerrungen durch Laufzeitdispersion
und mit optimaler Unterdrückung von Mantelwellen gewährleistet. Bei Verwendung von
Gradientenfasern auf der Übertragungsstrecke erfolgt die Lichteinkopplung im Sendeteil
des Repeaters über ein Stück Monomodefaser, das in diesem Fall zusätzlich als Monomode-Filter
wirkt und eine definierte Lichteinkopplung in die Randzone des Kerns der Gradientenfaser
ermöglicht, wodurch die Laufzeitverzerrungen der Signale auf der Obertragungsstrecke
verringert werden können.
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Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispieles und der
folgenden Fig. 1 - 7 näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau
eines Repeaters' Fig. 2 den grundsätzlichen mechanischen Aufbau einer Doppel-Exzenter-Steckverbindung
(4), Fig. 3 das Schema einer optischen Übertragungsstrecke, bestehend aus einem
Sendeteil (3), einer Faserstrecke (29) und einem Empfangsteil (1), Fig. 4 das Schema
der Verbindung von Halbleiter-Laser (9) und Doppel-Exzenter-Steckverbindung (4)
mittels einem Stück Monomodefaser (10), Fig. 5 schematisch die Kopplung von Monomodefaser
(10) und Gradientnfaser (30) bei zentraler Lichteinkopplung in die Gradientenfaser
zur verlustarmen Anpassung bei unterschiedlichen lichtführenden Durchmessern und
verschiedenen Brechzahlprofilen, Fig. 6 schematisch die Kopplung von Monomode- (10)
und Gradientenfaser (30) bei exzentrischer Lichteinkopplung in die Gradientenfaser
zur verlustarmen und verzerrungsarmen Anpassung bei unterschiedlichen lichtführenden
Durchmessern und verschiedenen Brechzahlprofilen, Fig. 7 das Schema der Verbindung
von Doppelexzenter-Steckverbindung (4) und Photodiode (6) mittels einem Stück Gradientenfaser
(5) und einer Irisblende (13) in Form einer Lackabdeckung auf dem Querschnitt am
Faserende und Fig. 8 schematisch das Stück Monomodefaser (10) mit Irisblende (14).
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Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Repeaters, bestehend
aus einem Empfangsteil (1" einem Netzteil (2) und einem Sendeteil (3).
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Der Empfangsteil (1) besitzt einen optischen Eingang in Form einer
justierbaren Steckverbindung (4), eine Photodiode (6), ein Stück Gradientenfaser
(5), das die Photodiode (6) mit der Steckverbindung (4) verbindet und an einem Ende
eine Irisblende (13) besitzt, sowie eine elektrische Regenerierschaltung (7), die
die Empfangssignale regeneriert, den Datentakt zurückgewinnt und die Empfangs- und
Taktsignale an den Buchsen (11) zur Verfügung stellt.
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Von einer ankommenden Faser gelangen die Lichtsignale über die Steckverbindung
(4) und das anschließende Stück Gradientenfaser (5) zur Photodiode (6), in der die
optischen Signale in elektrische zurückverwandelt werden und von dort zur elektrischen
Regenerierschaltung (7) geleitet werden.
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Der Sendeteil (3) enthält eine elektrische Schaltung (8) zur Laseransteuerung,
den Halbleiterlaser (9) und die Doppelexzenter-Steckverbindung (4», die mit dem
Laser über eine Monomodefaser (10) verbunden ist. Das Stück Monomodefaser besitzt
an einem Ende eine Irisblende (14), um zu verhindern, daß Mantelwellen in der Monomodefaser
(10) angeregt werden.
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Die zu übertragenden elektrischen Signale gelangen mit Takt über die
Buchsen (12) zur Laseransteuerschaltung (8) und von dort zum Halbleiterlaser (9),
der die elektrischen Signale in optische wandelt. Die Lichtsignale werden vom Halbleiterlaser
(9) über ein Stück Monomodefaser (10), das als Monomodefilter wirkt, zur Steckverbindung
(4) geleitet.
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Die Doppelexzenter-Steckverbindung (4) ist beispielhaft in Fig. 2
dargestellt. Sie erlaubt eine sehr feine Justierung, z. B. bei der Kopplung von
Monomodefaser auf Monomodefaser, wenn eine solche als Obertragungsstrecke verwendet
wird. In diesem Falle müssen die geometrischen Abmessungen und Brechzahlen des Faserstückes
(10) mit denen der angeschlossenen Monomodefaser übereinstimmen. Die Doppelexzenter-Steckverbindung
(4) besteht im wesentlichen aus einem Einsatz (19), der in die Frontplatte (17)
des Repeatergehäuses eingelassen ist und der die beiden Drehkörper (18) des Doppelexzenters
aufnimmt. In die Uffnungen (21) und (22) werden einfache Stecker, die an den zu
verbindenden Glasfasern angebracht sind, eingeführt. Eine genaue Justierung erfolgt
durch Verdrehen der beiden Drehkörper (18), die in Gleitpassungen (20) laufen.
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Fig. 3 zeigt schematisch eine optische Obertragungsstrecke (29), wobei
diese sowohl eine Gradientenfaser (30) als auch eine Monomodefaser (35) enthalten
kann.
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Für den Fall, daß die Übertragungsstrecke (29) eine Gradientenfaser
(2o) enthält, zeigt Fig. 4 den Weg des Lichtes von dem Halbleiterlaser (9j über
das Stück Monomodefaser (10) und die Steckverbindung (4) in die Gradientenfaser
(30). Die Kopplung der Fasern in der Steckverbindung (4) wird an Hand der Fig. 5
und 6 erläutert.
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Um einen geringen Kopplungsverlust bei diesem übergang sicherzustellen,
ist die Anordnung so gewählt, daß erstens das Licht aus einem kleineren in einen
größeren lichtführenden Querschnitt übertritt und zweitens die Kern-Brechzahl beider
Fasern im Berührungspunkt bestmöglichst übereinstimmt.
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In Fig. 5 ist zusätzlich das Brechzahlprofil (32) der Monomodefaser
(10) und dc Brechzahlprofil (31) der Gradientenfaser (30) dargestellt. Bei zentraler
Lichteinspeisung gem. Fig. 5 muß demnach die Kernbrechzahl n1 der Monomodefaser
(10) gleich der maximalen Brechzahl n0 der Gradientenfaser (30) sein (n1 = nO).
Bei nichtzentraler Lichteinspeisung gem. Fig. 6 müssen die Kernbrechzahlen im Berührungspunkt
der lichtführenden Querschnitte ebenfalls übereinstimmen, d.h.
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nGrF(R) n1M0F GrF Die entsprechenden Brechzahlprofile (33),(34) der
Gradienten- bzw. Monomodefaser sind ebenfalls in Fig. 6 angegeben. Die Art der Ankopplung
von Monomodefaser (10) und Gradientenfaser (30) gem. Fig. 6 bietet außerdem den
Vorteil der geringeren Laufzeitverzerrung der Lichtsignale in der angeschlossenen
Gradientenfaser.
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Für den Fall, daß die Übertragungsstrecke (29) eine Monomodefaser
(35) enthält, tritt die in den Fig. 5 und 6 beschriebene Kopplungstechnik erst in
der Steckverbindung (4) des Repeaterempfangsteiles (1) auf, wie dies die Fig. 7
zeigt. Auch hier gelten diesbezüglich die gleichen Überlegungen wie für die Fig.
4 bis 6. Fig. 7 zeigt zusätzlich eine Irisblende (13) auf dem Querschnitt des Gradientenfaserstückes
(5).
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Fig. 8 zeigt entsprechend eine Irisblende (14) auf der Querschnittsfläche
des Monomcdefaserstückes (10). Diese Blenden können mit Lackabdeckungen realisiert
werden. Die'Faserenden mit Irisblende werden vorzugsweise mit den entsprechenden
Halbleiterbauelementen klebetechnisch verbunden.
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Die hier beschriebenen Verfahren und Kopplungsanordnungen zur Ankopplung
und Verbindung von Glasfasern verschiedenen Typs an einen Repeater können überall
dort eingesetzt werden, wo optische Faserstrecken mit Endgeräten, Repeatern oder
sonstigen optischen Bauelementen(z.B. der integrierten Optik) flexibel oder fest
zusammengeschaltet werden.Sie sind daher nicht notwendig auf Repeater der ersten
Art beschränkt, sondern viel allgemeiner anwendbar.
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Das Gleiche gilt für die in diesem Zusammenhang eingesetzten Irisblenden
zur Unterdrückung von Mantelwellen, die vorteilhaft als Lackabdeckung auf der Mantel
fläche eines Faserquerschnitts realisiert werden.