DE2937580C2

DE2937580C2 - Kopplungsanordnung für Lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE2937580C2
Application number: DE19792937580
Authority: DE
Inventors: Udo Dr.-Ing. 3301 Lagesbüttel Unrau
Original assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1979-09-18
Filing date: 1979-09-18
Publication date: 1987-04-23
Also published as: DE2937580A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kopplungsanordnung zwischen mindestens zwei Lichtwellenleitern zur verlustarmen Auskopplung von Licht aus einer durch einen Lichtwellenleiter gebildeten Hauptleitung in mindestens eine durch einen anderen Lichtwellenleiter gebildete Nebenleitung, bei welcher die Lichtwellenleiter im Bereich der Koppelstelle im Durchmesser verkleinert und fest miteinander verbunden sind.
Lichtwellenleiter werden seit einiger Zeit in Versuchsstrecken zur Übertragung von Signalen im fernmeldetechnischen Bereich eingesetzt. Sie ersetzen dabei den bisher üblichen Kupferleiter und haben gegenüber demselben einige Vorteile. Der Lichtwellenleiter ist leichter als ein Kupferleiter und er kann in einem größeren Frequenzbereich betrieben werden. Außerdem ist die Übertragung durch Lichtwellen im Lichwellenleiter von elektromagnetischen Einflüssen unabhängig. Da es bereits gelungen ist, Lichtwellenleiter herzustellen, mit denen die optischen Signale dämpfungs- und reflexionsarm übertragen werden können, kommt der Verbindungs- und Abzweigtechnik eine große Bedeutung zu. An Verbindungs- und Abzweigstellen sollen nach Möglichkeit keine so großen Verluste erzeugt werden, daß die Vorteile der verlustarmen Übertragung wieder aufgehoben werden. Dieses Problem gilt für alle bekannten Lichtwellenleiter, insbesondere also auch für Gradientenfasern und Kern-Mantel-Fasern.
Abzweigstellen im Verlauf von Lichtwellenleitern werden beispielsweise in optischen Daten- oder Signalverteilungsnetzen benötigt, wenn optische Signale nicht nur in der Hauptrichtung sondern über abzweigende Lichtwellenleiter auch in Nebenrichtungen übertragen werden sollen. Dabei ist es gleichgültig, ob ein solches Netz in Sternform oder in Ringform aufgebaut ist. Die Güte des ganzen Netzes hängt wesentlich davon ab, daß neben einer einwandfreien Verbindungs- und Anschlußtechnik auch sichergestellt ist, daß an den Abzweigstellen keine zu großen Verluste auftreten.
Die Abzweigstellen von Lichtwellenleitern werden auch als "Koppler" bezeichnet. Für den Aufbau solcher Koppler ist eine Reihe von Konstruktionen bekannt, wie sie in der Übersicht von W. Meyer "Verzweigungseinrichtungen in mehrwelligen optischen Datennetzen" (Mikrowellen-Magazin 1978, Heft 2, Seiten 153 bis 157) zusammengestellt sind. Von besonderem Interesse sind wegen ihrer leichten Herstellbarkeit sogenannte Taper-Koppler, bei denen der Durchmesser der als Lichtwellenleiter verwendeten Glasfaser im Koppelbereich verjüngt wird. Nach einem Vorschlag von B. S. Kawasaki und K. O. Hill "Low-loss access coupler for multimode fiber distribution networks" (Applied Optics, Vol. 16 (1977), Seite 1794 f) werden für besonders leicht herstellbare Koppler dieser Art beispielsweise zwei Fasern übereinandergelegt, im Kreuzungsbereich bis zur Erweichung unter Zug erhitzt, so daß sich die Faserdurchmesser im Kreuzungsbereich verjüngen, und dabei miteinander verschmolzen.
Eine Kopplungsanordnung, wie sie eingangs beschrieben ist, geht ebenfalls aus der Druckschrift Kawasaki/Hill und aus der DE-OS 28 12 346 hervor. In Anwendung der bekannten Schmelztechnik werden hier zwei oder mehr parellel zueinander verlaufende Fasern in einem Berührungspunkt zunächst miteinander verschmolzen und dann unter nochmaliger Wärmezufuhr in diesem Bereich etwas ausgezogen. Die auf diese Weise erzeugten, relativ preiswerten Koppler sind sehr verlustarm, wenn es sich bei allen eingesetzten Fasern um Kern-Mantel-Fasern handelt. Beim Einsatz von Gradientenfasern für solche Koppler ergeben sich hingegen hohe Verluste. Wegen der mit ihnen möglichen hohen Übertragungsraten sind aber gerade Gradientenfasern für optische Signalverteilungsnetze besonders interessant.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kopplungsanordnung für Lichtwellenleiter anzugeben, die unter Einsatz der für die Übertragung besonders günstigen Gradientenfaser so niedrige Verluste hat, daß sie ohne wesentliche Beeinträchtigung des Wirkungsgrades in optischen Signalverteilungsnetzen einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Kopplungsanordnung der eingangs geschilderten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß für die Hauptleitung eine Gradientenfaser und für die Nebenleitung bzw. Nebenleitungen Kern-Mantel-Fasern verwendet werden, und daß die numerische Apertur der Kern-Mantel-Fasern zumindest etwa gleich derjenigen der Gradientenfaser ist.
Die Hauptleistung der zu übertragenden Lichtsignale wird von für die Hauptleitung bzw. Hauptleitungen verwendeten Gradientenfasern mit hoher Übertragungsrate geführt. Da von den Kopplern aus durch die Nebenleitungen in der Regel nur noch kurze Strecken zu überbrücken sind, können hier auch größere Laufzeitverzerrungen in Kauf genommen werden, so daß für diese Nebenleitungen Kern-Mantel-Fasern trotz ihrer schlechteren Übertragungsrate eingesetzt werden können. Ein Koppler zwischen Gradientenfaser und Kern-Mantel-Faser mit vergleichbarer numerischer Apertur hat gegenüber einem Koppler mit zwei gleichen Gradientenfasern geringere Verluste und ist auch wirtschaftlicher, da Kern-Mantel-Fasern billiger als Gradientenfasern sind.
Im folgenden wird die Funktionsweise einer Kopplungsanordnung nach der Erfindung beispielsweise erläutert:
Infolge der Verjüngung des Faserquerschnitts der die Hauptleitung darstellenden Gradientenfaser werden, beginnend bei den höheren Wellentypen, Kernwellen in Mantelwellen umgewandelt, da der Kern dieselben wegen der Verjüngung nicht mehr zu führen vermag. Diese Mantelwellen bleiben nun nicht auf den Bereich des Mantels der Gradientenfaser beschränkt, sondern durchdringen den gesamten Koppelbereich der miteinander gekoppelten Fasern, vorstellbar als Strahlen, die sich unter verschiedenen Winkeln zur Achse der Gradientenfaser bei Totalreflexion an der Grenzschicht zur Umgebung ausbreiten. Nach dem Verjüngungsbereich setzt eine langsame Vergrößerung der Querschnitte der verkoppelten Fasern ein. Wenn ein bestimmter Querschnitt überschritten wird, kann eine einfallende Mantelwelle in eine Kernwelle umgewandelt und in der betreffenden Faser geführt werden. Der Winkelbereich, unter dem die Mantelwellen an einer bestimmten Stelle auf den empfangenden Faserquerschnitt der sich verdickenden, abzweigenden Fasern auftreffen dürfen, um als Kernwellen weiter geführt zu werden, wird durch die numerische Apertur der Fasern bestimmt.
Bei Kern-Mantel-Fasern ist die numerische Apertur an jedem Punkt des Kernquerschnitts gleich groß, während sie bei Gradientenfasern von der Mitte zum Rand des Kernquerschnitts hin nach Maßgabe der quadratischen Profilfunktion abnimmt. Dies bedeutet, daß eine Gradientenfaser am Rand nur weniger steil als in der Mitte einfallende Strahlen in Kernwellen umwandeln kann. Diese Eigenschaft führt zu den hohen Verlusten, wenn gleiche Gradientenfasern miteinander gekoppelt werden, während ein Koppler aus gleichen Kern-Mantel-Fasern relativ verlustarm ist.
In der erfindungsgemäßen Ausbildung der Koppleranordnung werden nun eine oder mehrere Kern-Mantel-Fasern in den Nebenleitungen als Empfangs-Fasern für die von der verjüngten Gradientenfaser angeregten Mantelwellen verwendet. In der durchgehenden Gradientenfaser verbleiben die Wellen, die nicht in Mantelwellen umgewandelt werden. Hinzu kommt der Teil der Mantelwellen, der von der sich wieder verdickenden Gradientenfaser aufgefangen wird. Es ist zweckmäßig, den Kernquerschnitt der empfangenden Kern-Mantel-Fasern möglichst groß zu wählen, um die Auftreffwahrscheinlichkeit von Mantelwellen auf den Kernquerschnitt zu vergrößern. Der Querschnitt des Kerns der Kern-Mantel-Fasern ist bei einem Koppler nach der Erfindung daher vorzugsweise größer als der Querschnitt des Kerns der Gradientenfaser. Es sollen insbesondere Kern- Mantel-Fasern verwendet werden, bei denen das Verhältnis Kernquerschnitt zu Gesamtquerschnitt größer als das entsprechende Verhältnis der Gradientenfaser ist.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Kopplungsanordnung mit zwei Fasern. In
Fig. 2 ist eine Kopplungsanordnung mit drei Fasern dargestellt.
Mit 1 ist eine Gradientenfaser bezeichnet, deren Kern 2 im dargestellten Ausführungsbeispiel einen im Verhältnis zum Gesamtdurchmesser kleinen Querschnitt hat. Die Gradientenfaser 1 bildet die Hauptleitung in einem optischen Signalverteilungsnetz. Mit der Gradientenfaser 1 ist eine Kern-Mantel- Faser 3 gekoppelt, die in eine Nebenleitung führt und einen realtiv großen Kern 4 aufweist. Im Verlauf der mit A bezeichneten Koppelstelle sind die beiden Fasern 1 und 3 im Querschnitt verjüngt und fest miteinander verbunden. Der Grad der Auskopplung von Lichtenergie aus der Gradientenfaser 1 in die Kern-Mantel-Faser 3 ist abhängig von der Länge der Koppelstelle A und der Querschnittsverminderung der Fasern in dieser Koppelstelle.
Entsprechend der Darstellung in Fig. 2 ist es auch möglich, zwei Kern-Mantel-Fasern 3 und 5 mit einer Gradientenfaser 1 zu koppeln. Die Herstellung der Koppelstelle A geschieht dabei auf gleiche Weise wie bei nur zwei Fasern. Prinzipiell können, wenn dies räumlich möglich ist, auch mehr als zwei Kern-Mantel-Fasern mit einer Gradientenfaser gekoppelt werden.
Die Herstellung des Kopplers aus Gradientenfaser und Kern- Mantel-Faser kann mit jedem geeigneten Verfahren erfolgen. Vorzugsweise werden die zwei (oder mehr) Fasern zunächst an einer Stelle durch Wärmezufuhr miteinander verschmolzen. Danach werden die Fasern unter gleichzeitiger Wärmezufuhr an der Verschmelzungsstelle auf Zug beansprucht, wodurch die Verschmelzungsstelle zur Koppelstelle A ausgezogen wird. Bei diesem Verfahren läßt sich der Durchmesser der Fasern in der Koppelstelle genauestens erfassen, so daß die gewünschten Abmessungen leicht erreicht werden können.
Bei dem beschriebenen und auch in den Zeichnungen dargestellten Herstellungsverfahren liegen die Glasfasern in der Koppelstelle A parallel zueinander. Es ist jedoch auch möglich, die Glasfasern in der Koppelstelle miteinander zu kreuzen.

Claims

1. Kopplungsanordnung zwischen mindestens zwei Lichtwellenleitern zur verlustarmen Auskopplung von Licht aus einer durch einen Lichtwellenleiter gebildeten Hauptleitung in mindestens eine durch einen anderen Lichtwellenleiter gebildete Nebenleitung, bei welcher die Lichtwellenleiter im Bereich der Koppelstelle im Durchmesser verkleinert und fest miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß für die Hauptleitung eine Gradientenfaser (1) und für die Nebenleitung bzw. Nebenleitungen Kern-Mantel-Fasern (3, 5) verwendet werden, und daß die numerische Apertur der Kern-Mantel-Fasern etwa gleich derjenigen der Gradientenfaser ist.

2. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kerns (4) der Kern-Mantel-Fasern größer als derjenige des Kerns (2) der Gradientenfaser ist.

3. Kopplungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Gradientenfaser (1) und Kern-Mantel-Fasern (2) miteinander verschmolzen sind.

4. Kopplungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Kernquerschnitt zu Gesamtquerschnitt der Kern-Matel-Fasern (3, 5) größer als das entsprechende Verhältnis bei der Gradientenfaser (1) ist.