DE4011462C2

DE4011462C2 - Steckverbindung für optische Meßgeräte

Info

Publication number: DE4011462C2
Application number: DE4011462A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Schmid
Original assignee: Wandel and Golterman GmbH and Co
Current assignee: Wandel and Golterman GmbH and Co
Priority date: 1990-04-09
Filing date: 1990-04-09
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: GB9107354D0; FR2660763B1; GB2245081A; FR2660763A1; JPH04223405A; DE4011462A1; US5166514A

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Steckverbindung für optische Meßgeräte gemäß der Gattung des Anspruchs 1.

Aus der Zeitschrift "Feinwerktechnik & Meßtechnik" 96/1988 4, ist in dem Aufsatz von W. S. Ludolf "Lichtwellenleiter- Verbindungstechnik" eine Steckverbindung beschrieben, bei der mittels Linsenanordnungen zwischen den Steckerenden erreicht wird, daß eine Verschmutzung der Steckerstirnflächen erheblich weniger Einfluß auf die Dämpfung hat als bei Direkt-Steckverbindungen.

Aus der DE 31 48 562 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der Meßsignale zwischen einem rotierenden Teil und einem nicht rotierenden Teil mittels lichtleitender Fasern übertragen werden. Zwischen rotierendem Teil und nichtrotierendem Teil besteht ein Luftspalt, der mit einer optischen Kontaktflüssigkeit ausgefüllt sein kann.

Aus dem Taschenbuch für Konstrukteure, H. Naumann/G.Schöder "Bauelemente der Optik", Carl Hanser Verlag München Wien 1983, Seiten 18, 19, 218, 219 sind Abhandlungen zur Kohärenzlänge bei der Übertragung optischer Signale zu entnehmen. Aus dem Lehrbuch von Bergmann/Schaefer "Lehrbuch der Experimentalphysik", Band III, 8. Auflage, Verlag Walter de Gruyter, Berlin/New York 1987 sind weitere theoretischen Abhandlungen zu diesem physikalischen Gebiet bekannt.

Aus der DE 35 06 844 C2 ist ein faseroptischer Fabry-Perot- Sensor bekannt, der über einen den optischen Resonator eines Interferometers bildenden Lichtwellenleiterabschnitt verfügt. Dieser ist an seinen beiden Stirnflächen verspiegelt und besteht statt aus einer Monomodefaser aus einer Gradientenindexfaser.

Bekannte optische Anschlußstecker sind ausnahmslos nach dem Prinzip der stumpfen Kopplung aufgebaut. Die lichtführenden Kerne der Lichtwellenleiter werden fluchtend möglichst dicht zueinander gebracht, im Extremfall berühren sich die Enden der im Anschlußstecker aufeinanderstoßenden Lichtwellenleiter. Werden in einem Glasfaser-System optische Sender mit großer Kohärenzlänge, z. B. Laserdioden, eingesetzt, so wird bei bekannten Systemen eine Berührung der Faserkernen aus zwei Gründen vorgesehen.

a) Besteht ein Luftspalt zwischen den beiden Faserenden, so bildet dieser aufgrund der zweimaligen Glas-Luft-Reflexion (Glas-Luft/Luft-Glas) einen Hohlraumresonator. Geringste Änderungen des Luftspalts, z. B. durch Temperatureinflüsse, oder Änderungen der Laserwellenlänge oder Änderungen der Modenverteilung bei Mehrmodenfasern, z. B. durch Faserbiegung, bewirken eine Veränderung der Resonanzbedingungen des Resonators und demzufolge eine veränderte Übergangsdämpfung, die einige 0,1 dB betragen kann. Derart hohe Dämpfungsschwankungen können bei Meßgeräten nicht hingenommen werden, weshalb aus diesem Grund bei den bekannten Meßgeräten ein Luftspalt im Anschlußstecker vermieden wird.
b) Moderne Halbleiter-Laserdioden sind sehr empfindlich gegen Reflexionen. Ein Luftspalt im Anschlußstecker, bei der jeder Glas-Luft-Übergang ca. 4% reflektiert, ist in den meisten Anwendungsfällen nicht tolerierbar. Auch aus diesem Grund werden bei herkömmlichen Meßgeräten vorwiegend Kontaktstecker verwendet, bei denen die Fasern zumindest im Kernbereich aufeinandergepreßt werden, um einen sicheren Kontakt zu gewährleisten. Die sich berührenden Faserenden haben jedoch den Nachteil daß schon geringste Staub- und Schmutzpartikel im Kontaktbereich genügen, um sowohl die Übergangsdämpfung zu erhöhen, als auch im Extremfall die Faserenden zu beschädigen. Die herkömmlichen Steckerverbindungen müssen daher bei der Montage unbedingt schmutzfrei gehalten werden, weshalb jeweils vor dem Anschließen eines Lichtwellenleiters die Faserenden sorgfältig gereinigt werden müssen. Bei einem optischen Meßgerät werden die Steckverbindungen an häufig wechselnden Einsatzstellen betätigt, so daß ein häufiges Reinigen bei den herkömmlichen Meßgeräten erforderlich ist und eine große Gefahr der Beschädigung der Faserenden besteht.

Um Beschädigungen der Faserenden im Bereich der Anschlußstecker zu vermeiden, kann zwischen den Faserenden ein weiches Anpaßmedium vorgesehen werden, beispielsweise ein sogenanntes Immersionsöl. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Handhabung dadurch sehr kompliziert wird und ein undefiniertes Kriechen des Öls eine Beeinträchtigung hervorrufen kann. Außerdem haben derartige Öle Langzeiteffekte, die eine weitere Unsicherheit mit sich bringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Steckverbindung für optische Meßgeräte zur Lichtsignalübertragung zu schaffen, mit der reproduzierbare Dämpfungswerte erhalten werden.

Die Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Steckverbindung der eingangs genannten Gattung durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale erhalten. Durch die Anordnung der Enden der im Anschlußstecker aufeinandertreffenden Lichtwellenleiter in einem Abstand d, der größer ist als die im Mikrometerbereich liegende Kohärenzlänge des übertragenen Lichts, wird erreicht, daß keine geordnete (kohärente) Interferenz mehr auftritt. Die Reflexionen an den Glas-Luft-Übergängen bewirken lediglich eine definierte Dämpfung, die unabhängig von geringen Abstandsänderungen ist, solange der Abstand der Faserenden größer ist als die Kohärenzlänge. Der Luftspalt zwischen den Faserenden wird daher so groß gewählt, daß Steckertoleranzen und sonstige den Luftspalt verändernde Einflüsse den Abstand d nicht unter die Kohärenzlänge verkleinern können. Eine derartige Steckverbindung hat den Vorteil, daß kein umständliches Hantieren mit Anpassungsflüssigkeiten (Immersionsöl) nötig ist. Außerdem wird die Gefahr der Beschädigung der Faserenden vermieden.

Die Abschätzung der Kohärenzlänge erhält man aus der Gleichung

wobei λ₀ die Schwerpunktswellenlänge und Δλ die Halbwertsbreite bei lichtemittierenden Dioden (LED) bzw. die Linienbreite bei Lasern ist. Aus dieser Gleichung erhält man folgende typische Werte bei λ₀ = 1300 nm:

l_c ≈ 20 µm für LED
l_c ≈ cm . . . m für Laser

Bei Verwendung von lichtemittierenden Dioden (LED) muß der Luftspalt im obigen Fall größer/gleich 20 µm sein, damit keine geordnete Interferenz mehr auftritt.

Um die Vorteile auch bei der Verwendung von Lasern er halten zu können, wird ein Meßgerät gemäß Anspruch 3 vorgeschlagen. Durch die Zwischenschaltung einer Mehr modenfaser mit hoher Dispersion z. B. einer Stufenindexfaser, ergeben sich Laufzeitunterschiede in nerhalb der einzelnen Moden. Sind diese Laufzeitunter schiede großer als die Kohärenzzeit des Lasers, so fin det an dem im Anschlußstecker befindlichen Übergang keine geordnete Interferenz mehr statt. Für einen Laser als optischen Sender beträgt die Kohärenzzeit

t_c < 1 ns.

Setzt man also Stufenindexfasern mit Modendispersionen von

t_F < 1 ns

ein, so werden Interferenzen unterdrückt und es sind nur kurze Faserlängen nötig.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung na her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisch dargestelltes Meßgerät mit ei ner lichtemittierenden Diode als optischen Sender,

Fig. 2 eine Ausführung mit einem Laser als optischen Sender und

Fig. 3 den Lichtwellenleiterübergang im Bereich des Anschlußsteckers eines Meßgerätes.

In Fig. 1 ist das Meßgerät M1 mit strichpunktierten Linien angedeutet. Im Meßgerät M1 befindet sich als op tischer Sender eine lichtemittierende Diode 1 (LED), die Licht 2 in einen als Einmodenfaser oder als Mehr modenfaser ausgebildeten internen Lichtwellenleiter (3) einspeist, dieser kann als Einmodenfaser oder als Mehr modenfaser ausgebildet sein. Am Ausgang des Meßgeräts M1 befindet sich ein Anschlußstecker 4, an den ein ex terner Lichtwellenleiter (5) angeschlossen ist. Die En den 6, 7 der beiden Lichtwellenleiter 3, 5 sind in ei nem Abstand d angeordnet, der so groß ist, daß eine geordnete Interferenz im Bereich des sich dadurch erge benden Luftspalts 8 nicht ergeben kann. Der Abstand d wird zu diesem Zweck größer gewählt als die Kohärenz länge des von der Diode 1 ausgesandten Lichts 2. Die Kohärenzlänge l_c läßt sich bekanntlich abschätzen aus der Gleichung

wobei
λ₀ = Schwerpunktswellenlänge
Δλ = Halbwertsbreite des von der licht emittierenden Diode ausgesendeten Lichts.

In Fig. 2 ist eine Ausführung eines Meßgeräts M2 sche matisch wiedergegeben, wobei als Lichtquelle ein Laser 9 verwendet wird. Das vom Laser 9 ausgesendete Licht 10 wird in eine Mehrmodenfaser 11 eingespeist. Auch bei dieser Ausführungsform, bei der der interne Lichtwel lenleiter 11 als Mehrmodenfaser (MMF) ausgebildet ist, sind die Faserenden 6, 7 im Anschlußstecker 4 mit Ab stand zueinander angeordnet. Durch die in der Mehrmo denfaser 11 auftretenden Laufzeitunterschiede zwischen den einzelnen Moden, die bei entsprechend gewählter Mehrmodenfaser größer sind als die Kohärenzzeit des La sers wird die Interferenzfähigkeit im Bereich des Luft spalts 8 praktisch beseitig. Eine geordnete Überlage rung (Interferenz) findet am Übergang von dem internen Lichtwellenleiter 11 zum externen Lichtwellenleiter 5 nicht mehr statt.

In Fig. 3 ist der Anschlußstecker 4, wie er beispiels weise in Fig. 1 verwendet wird, vergrößert dargestellt, wobei auf Einzelheiten des Anschluß steckers 4 verzichtet wurde. Wesentlich ist, daß die Faserenden 6, 7 mittels einer Anschlagschulter 12 im gewünschten Abstand d gehalten werden. Zu beiden Seiten der Anschlagschulter 12 liegt jeweils der Mantel 13, 14 des internen Lichtwellenleiters 3 bzw. des externen Lichtwellenleiters 5 an. In den Ringraum 15, der von der Anschlagschulter 12 umschlossen wird, ragen die Fa serenden 6, 7 wobei ein Abstand d eingehalten wird.

Das Einbringen eines Distanzelements mit der erforder lichen geringen Stärke ist schwierig. Die erfindungsge mäße Lösung verwendet handelsübliche Stecker, die in einem an sich bekannten Schleif- und Poliervorgang min destens im Bereich der Faserenden um den gewünschten Betrag zurückgeschliffen werden. Damit wird bewirkt, daß die Faser gegenüber dem Führungsstift zurückliegt und sich beim Schließen der Verbindung zwar die Steckerstifte berühren, jedoch nicht die Fasern.

Claims

1. Optische Steckverbindung für optische Meßgeräte zur Lichtsignalübertragung über Lichtwellenleiter, wobei mit tels eines Anschlußsteckers ein im Meßgerät angeordneter interner Lichtwellenleiter mit einem externen Lichtwellen leiter verbunden ist, dadurch ge kennzeichnet, daß die beiden Enden (6, 7) der im Anschlußstecker (4) aufeinandertreffenden Lichtwellen leiter (3, 5) in einem Abstand (d) voneinander angeordnet sind, der größer ist als die im Mikrometerbereich liegende Kohärenzlänge des von einem Laser über eine Mehrmodenfaser übertragenen Lichts oder des von einer lichtemittierenden Diode (1) erzeugten Lichts.

2. Steckverbindung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Abstand (d) größer ist als wobei λ₀ die Schwerpunktswellenlänge und Δλ die Halbwertsbreite der als lichtemittierenden Diode (1) ausgebildeten Lichtquelle ist.

3. Steckverbindung mit wenigstens einem Anschlußstecker, der einen innerhalb eines Meßgeräts angeordneten internen Lichtwellenleiter und einen externen Lichtwellenleiter miteinander verbindet, wobei in den internen Lichtwellen leiter kohärentes Licht eingespeist und über den Anschluß stecker übertragen wird, dadurch gekenn zeichnet, daß bei der Übertragung von optischen Signalen, die von einem Laser (9) erzeugt werden, der in terne Lichtwellenleiter (11) als Mehrmodenfaser (MMF) aus gebildet ist, und daß die aufeinandertreffenden Enden (6, 7) des internen Lichtwellenleiters (11) und des externen Lichtwellenleiters (5) im Anschlußstecker (4) einen mit tels einer am Anschlußstecker (4) ausgebildeten Anschlag schulter oder eines Distanzelementes definierten Ab stand haben.

4. Steckverbindung nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Laufzeitunterschiede zwi schen den einzelnen Moden in der Mehrmodenfaser größer sind als die Kohärenzzeit des Lasers (9).

5. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, da durch gekennzeichnet, daß die Mehrmo denfaser als Stufenindexfaser ausgebildet ist.

6. Steckverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der er forderliche geringe Abstand zwischen den Faserenden (6, 7) durch Zurückschleifen zumindest eines der beiden Enden er reicht wird.