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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum paarweise Verbinden von Lichtleitfasern, welche zwei Verbindungsteile enthält, die mit Befestigungsmitteln versehen sind, mit denen sie mit fluchtenden Achsen wiederlösbar miteinander befestigt werden, und welche an einer Seite zumindest eine kreiszylindrische Ausnehmung aufweisen, in die eine Durchbohrung zum Einführen eines Endes einer Lichtleitfaser von der von der Ausnehmung abgewandten Seite des Verbindungsteils bis in diese Ausnehmung mündet, in der wenigstens ein Satz identischer Kugeln zum Zentrieren des in die Ausnehmung eingefügten Endes der Lichtleitfaser angeordnet ist.
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Derartige Vorrichtungen werden zum Verbinden von Lichtleitfasern in Kommunikationssystemen benutzt, in denen die Lichtleitfasern zum Übertragen informationstragender Lichtimpulse benutzt werden. Für die Verwendung und Wartung in derartigen Systemen benutzter Schaltungen müssen die erwähnten Vorrichtungen leicht montierbar und demontierbar sein. Unter Berücksichtigung ihrer Verwendungsfrequenz wird weiter das Zurückhalten des Selbstkostenpreises der erwähnten Vorrichtungen innerhalb annehmbarer Grenzen angestrebt. Außerdem müssen die erwähnten Vorrichtungen derart ausgeführt sein, daß die von ihnen verwirklichte optische Verbindung zwischen zwei optischen Fasern minimalen Energieverlust gibt.
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Eine Verbindung mit geringen Verlusten erfordert insbesondere die gute Ausrichtung der Fasernachsen in der Nähe ihrer Enden, mit denen die Verbindung verwirklicht ist, und weiter die gegenseitige Anbringung der erwähnten Enden an der geeigneten Stelle.
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Die in der Veröffentlichung "The triple ball connector for optical fibres" in der Zeitschrift "Electronic Letters", Volume 13, Nr. 2, vom 24. November 1977, beschriebene Vorrichtung gibt eine vorteilhafte Lösung zum Erhalten der verlangten Ausrichtung und geeigneten Positionierung. In der erwähnten Vorrichtung wird in der Nähe der Verbindungsstelle jede Faser durch eine kalibrierte Öffnung eines Zylinders hindurchgeführt, dessen Durchmesser nahezu gleich dem Faserdurchmesser ist, wobei das Ende der erwähnten Faser in einem Raum gelangt, der von drei, sich gegenseitig berührenden, identischen Kugeln eingeschlossen wird, deren Mitten die Spitzen eines gleichschenkligen Dreiecks bilden, dessen Ebene senkrecht auf der Achse der umschlossenen Faser steht. Durch eine geeignete Wahl des Durchmessers der Kugeln hat der erwähnte Raum eine derartige Abmessung, daß der Durchmesser des einbeschriebenen Kreises nahezu gleich dem Durchmesser der zu verbindenden Faser ist. Diese Verbindung zweier Fasern wird durch derartige gegenseitige Kontaktierung der beiden Kugelsätze, von denen jeder Satz einer der beiden Fasern zugeordnet ist, verwirklicht, daß jede Kugel eines jeden Satzes sich zwischen zwei Kugeln des anderen Satzes befindet. Dabei decken sich die Mitten der einbeschriebenen Kreise zwischen den Kugeln mit den Faserachsen. Obiger Vorgang ist nur dann verwirklichbar, wenn die Kugeln in einer Büchse mit einem äußerst genauen Innendurchmesser angeordnet sind.
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Bei einer nach der DE-OS 28 12 284 bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Art sind bei einer Ausführungsvariante mehrere gleichartig wirkende Dreiergruppen von Kugeln axial hintereinander angeordnet. Dadurch wird die zu führende Lichtleitfaser auf einer größeren axialen Länge erfaßt. Sämtliche Dreiergruppen müssen präzise von einer Büchse geführt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu gestalten, daß die Montage in einfacher Weise möglich ist und die Zahl der notwendigen Präzisionsteile verringert wird.
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Die Lösung gelingt durch die folgenden Merkmale:
- a) auf dem in der Ausnehmung angeordneten ersten Kugelsatz ist ein zweiter Satz gegenseitig identischer Kugeln angeordnet,
- b) der Durchmesser der Ausnehmung ist größer als der umbeschriebene Kreis des ersten Kugelsatzes,
- c) jede Kugel des zweiten Satzes ist auf zwei Kugeln des ersten Satzes und an die Wand der Ausnehmung gedrückt und drückt die Kugeln des ersten Satzes zueinander hin, wobei der umbeschriebene Kreis des zweiten Kugelsatzes größer als der des ersten Kugelsatzes ist, und der zweite Kugelsatz von einem Klemmittel durch axialen Federdruck auf dem ersten Kugelsatz festgehalten ist,
- d) jeder Verbindungsteil ist an der Seite der Ausnehmung mit einer Referenzfläche versehen, die quer zur Rotationsachse der Ausnehmung gerichtet ist, wobei im Verbindungszustand die Referenzflächen der Verbindungsteile aneinander anliegen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, daß der Durchmesser der Ausnehmung nicht genau auf den Durchmesser des ersten Kugelsatzes (und somit auf den Durchmesser der zu verbindenden Faser) abgestimmt zu sein braucht. Außer einer Faser mit einem bestimmten Durchmesser ist es erfindungsgemäß möglich, Fasern mit verschiedenen Durchmessern zu zentrieren. Hierbei wird vorzugsweise ein Kugelsatz benutzt, dessen Kugeln einen derartigen Durchmesser haben, daß der einbeschriebene Kreis bei den aneinander anliegenden Kugeln (des ersten Satzes) nahezu gleich dem Durchmesser der zu zentrierenden Faser ist. Selbstverständlich ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter möglich, Fasern zu zentrieren, die mit einer Hülle versehen sind, an denen in einem an sich bekannten Verfahren, wie beispielsweise in der niederländischen Patentanmeldung 78 02 725 beschrieben wurde, ein mit dem Lichtleitkern konzentrischer Außenmantel gebildet ist.
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Eine weitere Ursache von Energieverlust in zwischen Fasern hergestellten Verbindungen ist das Auseinanderstreben des Lichtstrahls am Faserende. Durch das Auseinanderstreben können aus einer Faser heraustretende Lichtstrahlen nicht alle notwendigerweise von der anderen Faser eingefangen werden, sogar nicht, wenn die Faser mit ihren Enden nahezu aneinander gestellt werden. Dazu ist das Ende der Lichtleitfaser unter einem Mikroskop in die richtige Lage zwischen den Kugeln zu bringen (die zulässigen Toleranzen betragen nur wenige Mikrometer).
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Um dem erwähnten Nachteil abzuhelfen, wird nach der bekannten Technik, siehe beispielsweise GB-PS 14 76 796 oder auch GB-PS 20 02 136, vor jedem Faserende eine kugelförmige Linse angeordnet, deren Durchmesser viel größer als der Faserdurchmesser ist und einerseits deren Mitte auf der Faserachse und zum anderen der Brennpunkt auf der Stirnfläche des Faserendes angeordnet sind. Der aus der Stirnfläche einer Faser heraustretende Lichtstrahl ist auf diese Weise vollständig auf die Stirnfläche der anderen Faser fokussiert. Es ist selbstverständlich wichtig, die Ausrichtung der Faserachsen sorgfältig durchzuführen und derart vorzugehen, daß die Mitten der Linsen sich auf den erwähnten Achsen befinden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung läßt im Hinblick auf den Energieverlust die Vorteile, die durch das genaue Ausrichten, das gegenseitig genaue Positionieren der Fasern und das Fokussieren der Strahlen auf die Stirnflächen der Fasern erhalten werden, besonders gut zur Geltung kommen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß auf dem zweiten Kugelsatz eine Kugellinse angeordnet ist, die von einem Klemmittel auf dem zweiten Kugelsatz festgehalten wird.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient die bereits bekannte Kugelzentrierung zum Ausrichten und Positionieren der Fasern, wobei jedoch der erwähnte zweite Kugelsatz dazu benutzt wird, sowohl den Durchmesserunterschied zwischen dem Innendurchmesser der Ausnehmung und dem Durchmesser des um den ersten Kugelsatz beschriebenen Kreises auszugleichen als auch die Kugellinse in bezug auf die Längenachse der Lichtleitfaser zu zentrieren.
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Neben den technischen Vorteilen dieser Vorrichtung im Hinblick auf den Energieverlust bietet diese Vorrichtung weiter den Vorteil, daß keine hochgenauen Teile verwendet werden und daß die Kugeln beispielsweise aus Wolframkarbid handelsüblich und außerdem nicht zu teuer sind. Eine Massenherstellung der Verbindungsvorrichtung ist bei einem innerhalb gewisser Grenzen bleibenden Selbstkostenpreis möglich.
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Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kugelsatz auf einer Distanzbüchse ruht, die sich selbst auf einem Boden der Ausnehmung angeordneten Zentriermittel zum Zentrieren der Zentralachse der Faser auf der Rotationssymmetrieachse der Ausnehmung abstützt. Bei einer derartigen Ausführungsform wird das Faserende an zwei Stellen, d. h. vom ersten Kugelsatz und vom Zentriermittel, zentriert, wodurch die Zentralachse der Faser auf die Rotationsachse der Ausnehmung zentriert wird. Hierdurch werden Zentralachsen von zwei zu verbindenden Fasern aufeinander ausgerichtet, wodurch die Energieverluste beschränkt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 schematisch die bei Verbindungen für Lichtleitfasern zu lösenden technischen Probleme,
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Fig. 2 einen Querschnitt durch eine der Symmetrieflächen einer ersten Verbindungsvorrichtung nach der Erfindung,
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Fig. 3 die verbindungsseitige Frontansicht der Zentrier- und Klemmkugelsätze der Vorrichtung nach Fig. 2, welche Frontansicht senkrecht auf der Drehungsachse steht,
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Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine der Symmetrieebenen und einer zweiten Verbindungsvorrichtung nach der Erfindung, und
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Fig. 5 einen Teilschnitt durch eine der Symmetrieebenen einer dritten Verbindungsvorrichtung nach der Erfindung.
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In Fig. 1 werden die zwei im Schnitt dargestellten Verbindungsteile der herzustellenden Verbindungsvorrichtung mit 11 und 12 bezeichnet. Die zwei gegenseitig zu verbindenden Fasern sind mit 13 und 14 und ihre Achsen mit 15 und 16 bezeichnet; die Mitten der Frontflächen der erwähnten Fasern werden mit O 1 bzw. O 2 bezeichnet. Die Verbindungsvorrichtung enthält weiter zwei optische kugelförmige Linsen 17 und 18 mit entsprechenden Mitten C 1 und C 2, wobei sich die Brennpunkte der erwähnten Linsen in O 1 bzw. O 2 befinden müssen. Die Verbindung der Fasern wird durch die gegenseitige Kontaktierung der Teile 11 und 12 nach ihren entsprechenden ebenen Oberflächen 19 und 20 erreicht, die Bezugsflächen genannt werden. In Fig. 1 sind die verschiedenen mechanischen Bedingungen (Anforderungen) veranschaulicht, die zum Positionieren und Ausrichten der Fasern und Linsen verwirklicht werden müssen, um Verbindungsverluste möglichst zu verringern. Die Geraden O 1, C 1 und O 2, C 2 müssen senkrecht auf den Bezugsflächen 19 und 20 stehen (erste Anforderung). Weiter muß der mögliche Winkel α zwischen einer Seite O 1, C 1 oder O 2, C 2 und zum anderen die zusammenarbeitende Faserachse möglichst klein sein (zweite Anforderung), wobei der erwähnte Winkel α zwischen der Geraden O 1, C 1 und der Achse 15 dargestellt ist. Auch muß der Abstand δ zwischen den Geraden O&sub1;, C&sub1; und O 2, C 2 möglichst klein sein (dritte Anforderung). Diese dritte Anforderung ist insbesondere wichtig, wenn zwei Faserenden direkt miteinander verbunden werden, d. h. wenn die zwei Linsen 17 und 18 nicht benutzt werden. Wenn zwei Faserenden direkt miteinander verbunden werden, ist es weiter wichtig, den Abstand zwischen den Stirnflächen O 1 und O 2 möglichst klein zu machen (vierte Anforderung).
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In der weiteren Beschreibung und Erläuterung der Erfindung werden nur Beispiele von Verbindungsvorrichtungen gegeben, in denen Kugellinsen 17 und 18 benutzt werden. Es ist jedoch klar, daß die Zentrierung und Ausrichtung von Enden von Lichtleitfasern nach der Erfindung sich nicht auf derartige Verbindungsvorrichtungen beschränkt. Insbesondere können Faserenden, die mit einer mit dem Lichtleitkern konzentrischen Hülle versehen sind (siehe niederländische Patentanmeldung 78 09 725), mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung sehr gut zentriert und ausgerichtet werden.
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Die zur Erfüllung dieser Anforderungen benutzten Mittel sind in Fig. 2 dargestellt, die im Schnitt durch eine der Symmetrieebenen den Teil 11 einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung zeigt. Die Symmetrieachse ist mit 21 bezeichnet. Der erwähnte Teil 11 enhält einen Metallhohlkörper, der im Innern in zwei miteinander in Verbindung stehende Ausnehmungen aufgeteilt ist, und zwar in eine erste Ausnehmung in Form eines Zylinders 22 und eine zweite Ausnehmung in Form zweier Kreiszylinder 23 und 24, bei denen die erwähnten ersten und zweiten Ausnehmungen über eine Durchbohrung in Form eines Kreiszylinders 25 gegenseitig in Verbindung stehen. Im Zylinder 22 befinden sich der umhüllte Faserteil 26 und ein Teil der Klemmittel zum Festklemmen der Faser in diesem Zylinder 22. Die erwähnten Klemmittel enthalten beispielsweise eine Klemmbüchse 27, die durch den abgeschrägten Teil 28 zusammengedrückt wird, der mit der Klemmschraube 29 fest verbunden ist, die auf das Außengewinde 30 des Metallkörpers aufgeschraubt wird. Das nackte Ende 31 einer Lichtleitfaser, die aus der Faserummantelung 26 herausragt, ragt über den Zylinder 25 bis in die Ausnehmung 23, 24. Der Durchmesser des Zylinders 25 ist etwa gleich dem Durchmesser der nackten Faser. Um die nackte Faser herum wird im Zylinder 23 ein erster Satz beispielsweise von drei identischen Kugeln angeordnet, die mit Führungskugeln bezeichnet werden. In Fig. 2 ist nur die Kugel 32 dieses Satzes dargestellt. Die Kugeln stützen sich auf der Basis 33 des Zylinders 23 und berühren sich gegenseitig, während ihre Mitten die Spitzen eines gleichschenkligen Dreiecks bilden, dessen Ebene parallel zur Basis 33 verläuft. Der Durchmesser der Kugeln ist derart, daß der Durchmesser des im Zwischenraum zwischen den drei Kugeln einbeschriebenen Kreises, der in der durch die drei Mitten der Kugeln aufgespannten Ebene liegt, etwa gleich dem Faserdurchmesser ist. Die Kugeln müssen derart liegen, daß die Mitte des erwähnten Zwischenraums auf der Symmetrieachse 21 liegt. In Fig. 3 ist eine Ansicht der Kugeln und der Faser in der Richtung parallel zur Achse 21 dargestellt und werden die Führungskugeln mit 32 bezeichnet. Die Führungskugeln 32 werden an der geeigneten Stelle mit Hilfe eines zweiten Satzes gegenseitig identischer Kugeln 34 gehalten, die mit Klemmkugeln bezeichnet und an den Führungskugeln 32 im Zylinder 23 geklemmt werden. In Fig. 2 ist nur eine dieser Kugeln 34 dargestellt. Die Kugeln 34 stützen sich je auf zwei Führungskugeln 32 und an der Seite des Zylinders 23. Diese Art der Positionierung ist aus der Fig. 3 ersichtlich, in der alle Kugeln 32 und 34 des ersten und des zweiten Satzes dargestellt sind, während der Zylinder 23 in Form eines Kreises angegeben ist. Der Durchmesser der Kugeln des zweiten Satzes kann größer als oder gleich dem Durchmesser der Kugeln des ersten Satzes sein. In Fig. 2 ist eine im Zylinder 24 befindliche optische kugelförmige Linse 36 dargestellt. Diese Kugellinse 36 mit der Mitte C 1 ruht unter leichtem Druck auf dem von den drei Kugeln des zweiten Satzes gebildeten Gefüge. Durch die Geometrie der benutzten Komponenten liegt die Mitte C 1 auf der Achse 21, die selbst wieder sich mit der Achse des Faserendes 31 deckt. Einerseits ist der Durchmesser der optischen Linse 36 derart gewählt und ist zum anderen der in den Zylinder 22 eingeklemmte umhüllte Faserteil 26 derart positioniert, daß die Mitte O 1 der Stirnfläche des Faserendes 31 sich mit dem Brennpunkt der Kugellinse 36 deckt. Der Druck auf das von den Kugeln der ersten und zweiten Sätzen gebildeten Gefüge und auf die optische Linse wird mit einem Klemmittel erreicht, das sich im Zylinder 24 befindet, wie beispielsweise eine elastische Tellerfeder 37, die in einer Rille 38 der Wand des Zylinders 24 befestigt ist. Um die erwähnte erste Anordnung zu erfüllen, hat an der Seite der optischen Linse der Metallkörper eine Referenzfläche 19, die senkrecht auf der Achse 21 steht, die durch den gewählten Aufbau mit der Achse der optischen Faser zusammenfällt. Hierdurch kann der (zweiten) Anforderung entsprochen werden: Der Winkel α zwischen der Faserachse und der Achse 21 muß den Wert Null haben und nähert sich diesem Wert, je größer die Länge 1 des Faserendes zwischen einerseits den Kontaktpunkten der Faser mit den Kugeln 32 und zum anderen dem Eingang 40 des Zylinders 25 ist. In der Praxis beträgt die erwähnte Länge 1 beispielsweise das Zehnfache des Faserdurchmessers. Bestimmte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung ermöglichen die wesentliche Vergrößerung der erwähnten Länge.
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Eine Verbindung zwischen zwei Fasern wird dadurch verwirklicht, daß die Referenzflächen 19 und 20 der beschriebenen Teile 11 und 12 aneinander gestellt werden, wobei die äußersten Ränder der Metallkörper eines jeden Teils 11 und 12 vorzugsweise miteinander zur Deckung kommen und in der geeigneten Stellung mit an sich bekannten (beispielsweise Bajonett- oder Gewindebefestigung) nicht dargestellten Befestigungsmitteln festgehalten werden. Die dritte Anforderung (Achse der einen Faser in der Verlängerung der Achse der anderen Faser) wird möglichst durch die Umdrehungssymmetrie der Metallkörper 11 und 12 verwirklicht.
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Eine weitere Ausführungsform einer Verbindungsvorrichtung nach der Erfindung ist in Fig. 4 veranschaulicht. In einem Querschnitt durch eine Symmetrieebene zeigt Fig. 4 einen Teil einer Verbindungsvorrichtung, die für die Zentrierung für die Führung des Faserendes 31 sorgt. In Fig. 4 ist weiter die Achse 21 und das Faserende 31 dargestellt. Die Ausnehmung 42 in Fig. 4 besitzt einen sich verjüngenden Boden 41. Die Ausnehmung 42 hat einen Durchmesser, der viel größer als der Faserdurchmesser ist. In der kreiszylindrischen Ausnehmung befindet sich ein Satz von drei Kugeln 32 (der dem Kugelsatz 32 in Fig. 3 identisch ist), auf dem eine Distanzbüchse 43 in Form eines Hohlzylinders angeordnet ist, dessen Außendurchmesser gleich dem Durchmesser des Zylinders 42 und dessen Innendurchmesser etwas größer als der Durchmesser der Faser 31 ist. Die Stirnflächen 44 und 45 der Distanzbüchse 43 sind quer zum Faserende 31 gerichtet. Das Faserende 31 wird durch zwei Sätze von drei Kugeln ausgerichtet, einerseits durch den Satz 32 (siehe Fig. 3), der auf der Fläche 45 ruht, und zum anderen der Satz 46, der auf dem sich verjüngenden Boden 41 und auf der Fläche 44 ruht. Die Länge 1 des Leitfaserendes 31 ist von der Länge der Distanzbüchse 43 abhängig. Auf dem Kugelsatz 32 wird der Kugelsatz 34 (siehe Fig. 3) angeordnet und danach die optische Linse 36, wobei das so gebildete Gefüge gemäß der Beschreibung an Hand der Fig. 2 unter Druck gehalten wird.
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Eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung ist in Fig. 5 veranschaulicht, die wie Fig. 4 nur einen Teil der Verbindungsvorrichtung im Querschnitt darstellt. In Fig. 5 ist die Zentrierungs- und Führungsstelle des Faserendes 31 sowie die Achse 21 und das Faserende 31 dargestellt. Statt einer verhältnismäßig genauen Durchbohrung 25 nach Fig. 2 (der Durchmesser ist auf den Durchmesser des Faserendes 31abgestimmt) wird eine weitere Ausnehmung 50 mit einem größeren (ungenaueren) Durchmesser vorgesehen, die mit der Ausnehmung 23 konzentrisch sein soll und in der ein Uhrstein 51 aus synthetischem Rubin angeordnet ist, dessen Außendurchmesser gleich dem der Ausnehmung 50 und dessen Innendurchmesser ungefähr gleich dem Faserdurchmesser ist. Eine Distanzbüchse 43 (siehe Fig. 4) liegt mit ihrer Fläche 44 an dem Uhrstein 51. Im übrigen ruht an der Fläche 45 der Distanzbüchse 43 ein Kugelsatz 32 (identisch dem Kugelsatz der Fig. 2, 3, und 4), der selbst unter Druck gehalten und vom Kugelsatz 34 durch die optische Linse 36 und die Klemmittel, die in der Ausnehmung 34 befestigt sind, positioniert wird. Die Faser wird durch die Einführungsöffnung 52 des Uhrsteins 51 und durch den Kugelsatz 32 ausgerichtet, während die Länge 1 des Faserendes 31 wie im vorherigen Beispiel von der Länge der Distanzbüchse 43 abhängig ist.