DE69127483T2 - Faseroptische Anordnung - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf eine faseroptische Anordnung zum Koppeln von Signalen zwischen zwei Sätzen von Glasfasern.
• Ein passiver faseroptischer Stern ist eine Vorrichtung, die verwendet wird, um optische Signale von einer faseroptischen Quelle auf mehrere faseroptische Empfänger ohne externe Energiequelle gleichzeitig zu verteilen. Das Herz eines faser optischen Sterns ist sein Mischelement, eine Einrichtung, durch die das von irgendeiner von mehreren Eingangsfasern kommende optische Signal mehr oder weniger gleich unter den Ausgangsfasern verteilt wird. Charakteristische Merkmale von Mischelementen schließen die Anzahl von Eingangs- und Ausgangskanälen, ein Verfahren zum Verbinden anderer Elemente, Gleichmäßigkeit, Einfügungsverlust (engl. insertion loss) und Überschußverlust (engl. excess loss) ein. Der Einfügungsverlust ist der Betrag einer Dämpfung, die zwischen einem Eingangs- und Ausgangskanal erfahren wird. Ein Überschußverlust ist der Betrag einer Dämp fung des Eingangssignals, bevor es die Ausgangskanäle erreicht. Es ist schon bekannt, einen stabartigen Mischer als faseroptischen Stern zu verwenden. Beispielsweise offenbart das US- Patent 4 213 670 einen planaren faseroptischen Stern, bei dem die Fasern vom Übertragungsleitungskabel Seite an Seite entlang der Breite eines flachen Bandfaserrtiischelements, das im Querschnitt rechtwinkelig ist, angeordnet sind, um einen planaren optischen Koppler zu bilden. Die Eingangs- und Ausgangsglasfasern liegen so hintereinander, daß sie an gegenüberliegenden Enden des planaren Mischers gekoppelt sind. Das Band hat eine größere Breite als die Breite aller Übertragungsfasern und hat eine Dicke, die geringer als die des Kerndurchmessers der Fasern ist. Abstandsstücke mit einer Dicke, die im wesentlichen gleich der Dicke des Fasermantels ist, werden verwendet, um die Faser nach dem Band auszurichten.
• Das US-Patent 4 362 357 zeigt einen planaren Sternkoppler mit Eingangs- und Ausgangsfasern, die in zu der im US-Patent 4 213 670 ähnlichen Weise hintereinander liegend angeordnet sind, wobei die Fasern von gegenüberliegenden Seiten des Kopplers ausgehen. Es zeigt auch eine Version mit einem starren halb kreisförmigen Glasmischer, der gestattet, daß die Eingangs und Ausgangsfasern von der gleichen Seite der Vorrichtung ausgehen. Die beiden Gruppen von Fasern liegen in der gleichen Ebene, und sie sind über eine Breite ausgebreitet, die zumindest so groß wie die maximale Abmessung des halbkreisförmigen Mischers ist.
• Das US-Patent 4 484 794 und das US-Patent 4 449 783 offenbaren ein Mischerelement, das durch einen planaren Wellenleiter gebildet wird, der eine Dicke hat, die im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Faserelemente ist. Diese erfordern auch, daß die Eingangsfasern hintereinander liegen und von gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung ausgehen.
• JP-A-57-54913 offenbart eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Die vorliegende Erfindung trachtet danach, eine verbesserte faseroptische Anordnung zu schaffen.
• Eine faseroptische Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist über JP-A-57-54913 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 spezifizierten Merkmale gekennzeichnet.
• Die Erfindung kann einen faseroptischen Sternkoppler schaffen, der kompakt und mit einer zweckmäßigen Leitungsführung der Eingangs- und Ausgangsübertragungsfasern aufgebaut ist.
• Die Erfindung kann auch einen faseroptischen Sternkoppler schaffen, der den Einfügungsverlust minimiert und gleichzeitig die Effekte von Herstellungstoleranzen auf die Verluste minimiert.
• Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten nur veranschaulichend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Figur 1 eine Ansicht in Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer Anordnung eines faseroptischen Sterns und einer Übertragungsleitung ist;
• Figur 2 eine Querschnittsansicht eines Sternmischers ist, gelegt entlang der Linie 2-2 von Figur 1;
• Figur 3 eine vergrößerte fragmentarische Ansicht eines Endes der Sternmischers und der Übertragungsfasern im Querschnitt ist, die mit dem Mischer gekoppelt sind;
• Figur 4 eine graphische Darstellung eines Einfügungsverlustes infolge geometrischer Fehlanpassung der Fasern und des Mischers gegen die Banddicke ist;
• Figur 5 eine graphische Darstellung eines Einfügungsverlustes infolge geometrischer Fehlanpassung gegen eine Änderung der Banddicke für zwei nominelle Bandkerndicken.
• Die folgende Beschreibung ist auf eine Sternkoppleranordnung mit sieben Eingängen und sieben Ausgängen gerichtet. Eine andere Zahl von Fasern könnte ebenso mit einer entsprechenden Anpassung in der Bandbreite verwendet werden. In der beschriebenen Ausführungsform empfängt jeder Ausgang im wesentlichen gleiche Energiemengen von jedem Eingang, so daß die Ausgaben im wesentlichen die gleichen sein werden. Die offenbarte Ausführungsform ist insbesondere gut für eine Fahrzeuganwendung verwendbar und somit für die Produktion in großen Stückzahlen bei relativ geringen Kosten geeignet. Optische Elemente aus Kunststoff werden verwendet, aber andere Materialien, wie z.B. Glas, können genutzt werden.
• Wie in Figur 1 dargestellt ist, hat ein kastenartiges Gehäuse zwei Teile 10 und 12 mit Fingern 14 bzw. Vorsprüngen 16, die zusammenschnappen. Zwei Bündel oder Sätze 18 und 20 einzeln ummantelter optischer Übertragungsfasern verlaufen zusammen durch ein Ende des Gehäuseteils 10 und werden in einem wohlgeordneten Muster in einem Block 22 mit mehreren Öffnungen gehalten, der jede Faser 24 in seiner Muffe oder Ummantelung 26 aufnimmt. Die Ummantelungen 26 sind von den Enden 28 der Fasern entfernt, die über den Block 22 hinaus vorstehen. Die blanken Enden 28 werden in einem Paar paralleler beabstandeter linearer Felder 18' und 20' durch einen Faserhalter 30 gehalten, der mit zwei Reihen Löchern 32 versehen ist, die die Enden 28 passend aufnehmen. Die Enden 28 sind bündig mit der Fläche des Faserhalters 30 abgeschnitten und poliert bzw. geglättet. Der Halter 30 hat einen Ausrichtstift 34, der von der Fläche aus vorsteht, und eine Öffnung 36 zum Aufnehmen eines ähnlichen Stifts 44, um dadurch einen Teil des Verbindungsglieds 38 zu bilden.
• Ein zweiter Teil des Verbindungsglieds 38 umfaßt einen Bandhalter 40 mit einem Paar paralleler Schlitze 42, die voneinander beabstandet sind, für eine Ausrichtung nach den Faserenden 28. Ein Abstand von etwa 5 mm ist wünschenswert, um zu gestatten, daß das Verbindungsglied 38 klein ist. Dieser zweite Teil des Verbindungsglieds 38 enthält auch einen Ausrichtstift 44, um mit der Öffnung 36 des Faserhalters 30 zusammenpassen, und eine Öffnung 46 zum Aufnehmen des Stifts 34. Ein biegsames gebogenes optisches Band 48, das als der Stemmischer dient, hat zwei Enden 50, die in den Schlitzen 42 bündig mit der Fläche des Halters 40 eingepaßt befestigt und geglättet sind. Die Bandenden 50 und die Faserenden 28 sind ausgerichtet und stoßen aneinander, wenn die Teile des Verbindungsglieds verbunden sind. Wenn die Teile wie oben beschrieben zusammengebaut werden und die beiden Teile 30 und 40 des Verbindungsglieds 38 miteinander verbunden sind, findet eine effiziente Energiekopplung zwischen den Faserfeldern 18' und 20' und dem Band 48 statt. Die Anordnung wird durch Einführen des Bandes 48 in den Gehäuseteil 12 und Miteinanderverbinden der beiden Gehäuseteile 10 und 12 abgeschlossen.
• Der Faserhalter 30 und der Bandhalter 40 werden durch einen Reibsitz der Stifte 34, 44, durch Bolzen und/oder Schrauben oder durch eine die beiden Halter miteinander vorspannende Federwirkung oder durch irgendeine andere geeignete Einrichtung zusammengehalten.
• Das biegsame Band 48 hat eine Haarnadelform mit einem konkaven Teil 52, der an jedes Ende 50 angrenzt, und einem dazwischenliegenden konvexen Teil 54, der die konkaven Teile 52 miteinander verbindet. Der Radius der gebogenen Teils (etwa 18 mm) ist so gewählt, daß er viel größer als der Abstand zwischen den Enden so ist. Der konvexe Teil 54 des Bandes 48 umfaßt den Hauptteil der Bandlänge und erstreckt sich über einen Bogen von vielleicht 270 Grad oder mehr. Die konkaven Teile 52 reichen gerade aus, um die konvexen Teile 54 mit den Enden 50 zu verbinden. Die konvexen und konkaven Teile sind so gewählt, daß sie den gleichen Krümmungsradius haben.
• Materialien, die für die optischen Elemente verwendet werden, umfassen PMMA (Polymethylmethaacrylat) mit einem Brechungsindex von 1,492 und einer 0,02 mm dicken Ummantelung mit einem Brechungsindex von 1,417 für jede Faser und einem Brechungsindex von 1,405 für das Band 48. Die Faserenden 28 und die Bandenden 50 sind an ihren jeweiligen Haltern 30, 40 mit einem Epoxidharz mit optischer Güte befestigt.
• Bestimmte Konstruktionsmerkmale sind eingebaut worden, um den Wirkungsgrad einer Lichtübertragung innerhalb des Bandes 48 ebenso wie über die Schnittstelle zwischen den Fasern zu optimieren. Das Band 48 ist in Figur 2 im Querschnitt dargestellt. Der Bandkern 56 ist mit einem Mantel 58 bedeckt. Die Breite des Bandes ist im wesentlichen die gleiche wie die Summe der Breite der Faserenden in jedem Feld. Ein Sternkoppler mit sieben Knoten für Fasern mit einem Durchmesser von 1 mm ist folglich 7 mm breit. Die Seitenwände 60 des Bandes sind so abgerundet, daß sie der Form von Fasern am Ende des Feldes entsprechen, wie am besten in Figur 3 dargestellt ist.
• Falls ein Band mit rechtwinkeligem Querschnitt verwendet wird, erstrecken sich die Ecken des Bandes über die Fasern am Ende des Feldes so hinaus, daß Licht bei Übertragung vom Band zu den Fasern verloren wird. Die abgerundeten Seitenwände 60 verhindern einen derartigen Verlust. Außerdem können schräge von einer Faser emittierte Strahlen Austrittswinkel aufweisen, die größer als die durch die Seitenwand des Bandes berücksichtigten sind. Durch Verwenden abgerundeter Seitenwände anstelle flacher Wände ist ein kleinerer Winkel für den eintretenden Strahl vorhanden, und einige der schrägen Strahlen werden zurückgehalten.
• Wie in Figur 3 ferner dargestellt ist, ist die Dicke des Bandes 48 geringer als der Durchmesser der Fasern 24. Man hat festgestellt, daß für eine Faser, die einen Durchmesser von 1 mm hat, die optimale Banddicke annähernd 0,91 mm oder genauer 0,908 mm, beträgt. Falls die Banddicke gleich dem Faserdurchmesser ist, wird Licht effizient von den Fasern zum Band gekoppelt, aber viel Licht wird bei Übertragung vom Band zur Faser infolge der großen Zwischenräume 62 zwischen den kreisförmigen Fasern verloren. Die Größe dieser Zwischenraume wird reduziert, indem man das Band dünner als die Faser macht, aber dies bewirkt gewisse Verluste während einer Übertragung zum Band infolge von Segmenten 64 der Faser, die sich über das Band 48 hinaus erstrecken.
• Man hat festgestellt, daß der Einfügungsverlust IL infolge allein dieser geometrischen Fehlanpassung
• IL(k)=10 log{(l/4kpi) (pi-2cos&supmin;¹ k+2k² [(l/k²)-1]½)²}
• beträgt, wo k=t/d oder das Verhältnis der Banddicke t zum Faserdurchmesser d ist. Diese Kurve ist in Figur 4 aufgetragen. Der kleinste Einfügungsverlust, etwa 0,92 db, tritt auf, wo k=0,908 gilt; d.h. die Banddicke beträgt annähernd 91% des Faserdurchmessers. Folglich wird die Systemeffizienz durch Auswählen einer Banddicke bei oder sehr nahe diesem Wert optimiert.
• Bei der Herstellung großer Mengen optischer Sternanordnungen kann man eine gewisse Variation in den Dicken erwarten. Figur 5 veranschaulicht, wie sich der Einfügungsverlust infolge geometrischer Fehlanpassung mit einer Änderung in der Dicke ändert. Falls die Banddicke t nominell 0,908 mm (für eine 1 mm Faser) beträgt, ergibt eine Änderung der Dicke von plus oder minus 8% einen Einfügungsverlust, der von 0,92 bis 0,99 (db) reicht. Falls jedoch die nominelle Dicke 1 mm beträgt, reicht der Verlust von einem Minimum von 0,92 db bis zu 1,38 db über eine Variation von plus oder minus 8%. Die Auswahl der nominellen Dicke ist somit bei einer Herstellung wichtig. Die nominelle Dicke von 0,908 mm führt zu einer Variation von 0,07 db über den Bereich von +/- 8%, während die nominelle Dicke von 1,0 mm eine Variation von 0,46 db für einen Bereich von 8% zur Folge hat. Somit werden vorzugsweise Bänder mit einer Dicke von im wesentlichen 91% des Faserdurchmessers verwendet. Eine Variation der Dicke von 8% ist akzeptabel; folglich sollte bei der Herstellung der Variationsbereich von etwa 84% bis etwa 98% des Faserdurchmessers reichen.
• Ein zusätzlicher Vorteil einer Verwendung eines Bandes, das dünner ist als der Faserdurchmesser, ist, daß es eine engere Krümmung ohne inakzeptable Verluste infolge ihrer Krümmung haben kann, je dünner das Band ist. Im allgemeinen werden kleine Krümmungsradien vermieden, um Verluste im Band 48 zu mmimieren. Für ein Band mit einer Dicke von 0,91 mm hat man festgestellt, daß ein Krümmungsradius von 18 mm für sowohl den konkaven Teil 52 als auch den konvexen Teil 54 akzeptabel ist. In diesem Beispiel erfährt man einen akzeptablen Verlust von 0,1 db infolge der Krümmung.
• Es ist somit ersichtlich, daß der Einfügungsverlust unter Verwendung einer nominellen Banddicke von 0,91 mm für eine 1 mm Faser minimiert werden kann. Es versteht sich, daß der minimale Verlust von 0,92 db nicht allen Verlusten Rechnung trägt, die mit dem gesamten Einfügungsverlust für den optischen Stern verbunden sind, sondern nur den infolge geometrischer Fehlanpassung. Die Verwendung eines Verbindungsglieds, um die Fasern am Stern anzubringen, erlaubt dem Benutzer, eine beliebige Kombination von Faserlängen zu wählen, ohne spleißen zu müssen. Das gebogene Mischelement gestattet, daß die Eingangs- und Ausgangsfasern mit ihm auf der gleichen Seite des Verbindungsglieds zusammenpassen. Dies ermöglicht, daß ein Verbindungsglied anstelle von zwei verwendet wird, und macht es möglich, die Fasern vom Stern leichter wegzuführen. Wie man einsieht, kann die Konstruktion so angepaßt werden, daß sie jede beliebige Zahl von Fasern aufnimmt.
• Der Fachmann erkennt, daß die faseroptische Anordnung mit Glasfasern und/oder einem optischen Band verwendet werden kann, welche anders als im wesentlichen zylindrisch sind; beispielsweise könnte das optische Band einen bauchigen Zentralteil 54 aufweisen.

Claims (9)

1. Eine faseroptische Anordnung zum Koppeln von Signalen zwischen Glasfasern mit ersten und zweiten Sätzen von Glasfasern (18, 20), wobei jeder Satz jeweils aneinanderstoßende Faserenden (28) aufweist, die in einem ersten oder zweiten linearen Feld (18', 20') angeordnet sind; einem optischen Mittel (48) mit einem gebogenen zentralen Teil (54) und ersten und zweiten Endteilen (50); und einem Haltemittel (30, 40), um jedes lineare Feld von Faserenden im wesentlichen in Ausrichtung mit seinem zugeordneten Endteil zu halten, um so Signale zwischen den Fasern und dem optischen Mittel zu koppeln; bei dem der erste Endteil (50) im wesentlichen in der gleichen Ebene wie das erste lineare Feld (18') der Faserenden liegt und der zweite Endteil (50) im wesentlichen in der gleichen Ebene wie das zweite lineare Feld (20') der Faserenden liegt, wobei die Ebenen der ersten und zweiten Endteile (50) voneinander beabstandet und im wesentlichen parallel zueinander liegen und die Endteile (50) annähernd dünner als der Durchmesser der zugeordneten Faserenden (28) sind; dadurch gekennzeichnet, daß das optische Mittel ein optisches Band (48) ist; dadurch, daß die Faserenden (28) die blanken Enden der Glasfasern mit entfernten Ummantelungen (26) sind; dadurch, daß jedes lineare Feld eine Breite hat, die im wesentlichen gleich der Summe der Durchmesser der Faserenden ihres jeweiligen Satzes von Fasern ist; und dadurch, daß jeder Endteil (50) eine Breite hat, die im wesentlichen die gleiche wie die Breite seines zugeordneten linearen Feldes von Faserenden ist.

2. Eine faseroptische Anordnung nach Anspruch 1, wo der gebogene zentrale Teil (54) einen vorbestimmten minimalen Krümmungsradius hat, um einen signifikanten optischen Verlust zu vermeiden.

3. Eine faseroptische Anordnung nach Anspruch 2, bei der Endteile (50) des optischen Bandes (48) um einen Abstand voneinander beabstandet sind, der im wesentlichen geringer als der Krümmungsradius des gebogenen zentralen Teils ist.

4. Eine faseroptische Anordnung nach Anspruch 3, bei der der gebogene zentrale Teil einen konvexen Teil (54) aufweist, einen konkaven Teil (52), der ein Ende des konvexen Teils (54) mit einem der Endteile verbindet, und einen zweiten konkaven Teil (52), der das andere Ende des konvexen Teils mit dem anderen der Endteile verbindet.

5. Eine faseroptische Anordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der das Haltemittel (30, 40) erste und zweite Verbindungsgliedteile (30, 40) umfaßt, wobei der erste Verbindungsgliedteil die ersten und zweiten linearen Felder (18', 20') von Faserenden daran befestigt aufweist und der zweite Verbindungsgliedteil die Bandendteile (50) daran befestigt aufweist, bei der die ersten und zweiten Verbindungsgliedteile geeignet sind, jeden Bandendteil in Anlage an seinem jeweiligen linearen Feld von Faserenden zu halten.

6. Eine faseroptische Anordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der jeder Bandendteil (50) eine Dicke hat, die um einen vorbestimmten Betrag geringer als der Durchmesser seiner zugeordneten Faserenden ist, um einen Einführverlust zu mmimieren.

7. Eine faseroptische Anordnung nach Anspruch 6, bei der die Dicke jedes Bandendteils (50) im ungefähren Bereich von 84% bis 98% des Durchmessers seiner zugeordneten Faserenden liegt.

8. Eine faseroptische Anordnung nach Anspruch 7, bei der die Dicke jedes Bandendteils (50) annähernd 91% des Durchmessers seiner zugeordneten Faserenden beträgt.

9. Eine faseroptische Anordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der jeder Bandendteil (50) gegenüberliegende Endkanten (60) aufweist, die so abgerundet sind, daß sie im wesentlichen den abgerundeten Enden der gegenüberliegenden Enden seines zugeordneten linearen Feldes entsprechen, um so Kopplungsverluste zu minimieren.