DE19817719A1 - Optical coupler for polymer optical waveguide - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung behandelt einen optischen Koppler für Polymer-Licht wellenleiter, der als Bauteil oder in steckbarer Form ausgeführt werden kann.The invention deals with an optical coupler for polymer light waveguide, which is designed as a component or in a pluggable form can be.
Seit der Einführung von Polymer-Lichtwellenleitern wird die Lichtwellenleitertechnik zunehmend im Bereich von In-House-Netzen und in Fahrzeugen anstelle von Kupferleitungen eingesetzt. Sie stellt dort eine preiswerte Alternative zum Glasfaserkabel dar. Aufgrund der großen numerischen Apertur sind Polymer-Lichtwellenleiter unempfindlich gegen Fehljustierungen, und es läßt sich mit einfachen Mitteln (LED) eine hohe Lichtleistung einkoppeln. Für diese Technik gibt es preiswerte Snap-In-Steck komponenten und Gehäuse für LEDs und Fotodioden. Damit können preiswerte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen aufgebaut werden (vgl. Dieter Opielka: Optische Nachrichtentechnik, Braunschweig 1995, S. 237).Since the introduction of polymer optical fibers, the Optical fiber technology increasingly in the area of in-house networks and used in vehicles instead of copper lines. She puts one there inexpensive alternative to fiber optic cable. Because of the large numerical aperture, polymer optical fibers are insensitive to Misalignments, and it can be high with simple means (LED) Couple light output. There are inexpensive snap-in plugs for this technology components and housings for LEDs and photodiodes. So that can inexpensive point-to-point connections are established (see Dieter Opielka: Optical communications technology, Braunschweig 1995, p. 237).
Schwierigkeiten treten dann auf, wenn nicht nur Punkt-zu-Punkt-Ver bindungen, sondern LANs mit Polymer-Lichtwellenleitern aufzubauen sind. Wünschenswert wäre es, wenn für die Netzknoten optische Koppler zur Verfügung ständen, die ebenso einfach zu handhaben, flexibel, zuverlässig und preiswert wären, wie die verwendeten Steckkomponenten. Für Polymer-Lichtwellenleiter stehen zwar zur Zeit Koppler zur Verfügung, aber sie sind teuer und benötigen zu ihrer Herstellung häufig Spezialmaschinen. Es werden zum Beispiel Sternkoppler verwendet, bei denen die Faserbündel mit einem Schrumpfschlauch verschmolzen werden (DE 40 13 307) oder an deren Stirnfläche ein Mischzylinder angesetzt wird (DE 196 43 894). Weiterhin gibt es ein Spritzgußverfahren (DE 41 09 651) für die Herstellung von Kopplern aus Polymeren in einem Stück. Außerdem ist ein Y-Koppler bekannt, bei dem der Kern eines Lichtwellenleiters in den Kernbereich eines anderen gebracht wird (DE 43 41 086). Anstelle dieser passiven Koppler werden auch aktive Koppler eingesetzt (aktive Sternkoppler, aktive Ringkoppler), die eine optisch-elektrische Wandlung erfordern und entsprechend aufwendig sind (DE 40 34 916, DE 43 37 089). Diese Beispiele stellen keine einfachen und preiswerten Lösungen dar.Difficulties arise when not just point-to-point ver bonds, but to build LANs with polymer optical fibers are. It would be desirable if optical couplers for the network nodes available that are just as easy to use, flexible, would be reliable and inexpensive, like the plug-in components used. Couplers are currently available for polymer optical fibers, but they are expensive and often need to be made Special machines. Star couplers are used, for example which the fiber bundles are fused with a shrink tube (DE 40 13 307) or a mixing cylinder is attached to the end face thereof (DE 196 43 894). There is also an injection molding process (DE 41 09 651) for the production of couplers from polymers in one piece. Furthermore a Y-coupler is known, in which the core of an optical fiber in the Core area of another is brought (DE 43 41 086). Instead of this passive couplers, active couplers are also used (active Star coupler, active ring coupler) that have an optical-electrical conversion require and are correspondingly expensive (DE 40 34 916, DE 43 37 089). These examples are not simple and inexpensive solutions.
Der erfindungsgemäße optische Koppler soll hier Abhilfe schaffen. Er ist preiswert, einfach zu handhaben und läßt sich während der Montage den Anforderungen entsprechend konfektionieren. Er eignet sich besonders zum Aufbau von Bus-Systemen, wie sie zum Beispiel in In-House-Netzen verwendet werden. Zusätzlich zu den bisher bekannten Kopplern bietet der hier beschriebene Koppler den Vorteil, daß er auch steckbar ausgeführt werden kann. Damit lassen sich die an einen Lichtwellenleiterbus angegeschlossenen Komponenten leicht austauschen. The optical coupler according to the invention is intended to remedy this. He is inexpensive, easy to use and can be used during assembly Assemble requirements accordingly. It is particularly suitable for Construction of bus systems, such as those used in in-house networks be used. In addition to the previously known couplers, the Coupler described here has the advantage that it is also pluggable can be. This allows them to be connected to an optical fiber bus Easily replace connected components.
Der Koppler beruht darauf, daß aus einem Lichtwellenleiter bei starker Biegung ein Teil der im Leiter geführten Lichtenergie in die umgebende Luft austritt (Leckwellen). In Fig. 1 ist die Anordnung dargestellt. Ein Polymer-Lichtwellenleiter 1 wird um 180 Grad gebogen und läuft wieder in die Ausgangsrichtung zurück. Aus dem dadurch gebildeten Halbkreis tritt Licht aus, wenn der Biegeradius r an der Innenseite der Faser kleiner ist, als der 2,03fache Durchmesser der Faser (vgl. F. Esser: Polymethacrylate, in: R. Vieweg (Hrsg.): Kunststoff-Handbuch, Bd. IX, München, 1975, S. 183ff). Dieser normalerweise unerwünschte Vorgang wird hier ausgenutzt, um Lichtenergie aus dem Lichtwellenleiter aus- und in ihn einzukoppeln.The coupler is based on the fact that part of the light energy guided in the conductor escapes into the surrounding air from an optical fiber when there is a sharp bend (leakage waves). The arrangement is shown in FIG . A polymer optical waveguide 1 is bent by 180 degrees and runs back in the starting direction. Light emerges from the semicircle thus formed if the bending radius r on the inside of the fiber is smaller than 2.03 times the diameter of the fiber (see F. Esser: Polymethacrylate, in: R. Vieweg (ed.): Kunststoff- Handbuch, Vol. IX, Munich, 1975, pp. 183ff). This normally undesirable process is used here to couple light energy out of and into the optical fiber.
Im Gegensatz zu den aus der Glasfasertechnik bekannten Biegekopplern (DE 30 03 059, DE 92 12 749, DE 42 28 996, DE 195 21 674) ist hier für die Auskopplung der Lichtenergie kein Kontakt mit dem Lichtwellenleiter in Form eines Kontaktstiftes, eines optischen Körpers oder eines Gels vorgesehen. Der Mantel des Lichtwellenleiters wird ebenfalls nicht entfernt. Der Polymer-Lichtwellenleiter wird stärker gebogen, als bei den Biegekopplern für Glasfaserkabel. Ein Polymer-Lichtwellenleiter läßt sich unter leichter Erwärmung so stark biegen ohne zu brechen. Die Lichtenergie tritt an der Biegestelle nicht nur aus dem Kern, sondern auch aus dem Mantel aus und verläßt den Lichtwellenleiter in Form eines Lichtbündels. Die steckbare Ausführung des Kopplers (s. u.) wird dadurch vereinfacht, daß kein direkter Kontakt zum Lichtwellenleiter erforderlich ist.In contrast to the bending couplers known from fiber optic technology (DE 30 03 059, DE 92 12 749, DE 42 28 996, DE 195 21 674) is here for the coupling of the light energy no contact with the optical fiber in the form of a contact pin, an optical body or a gel intended. The cladding of the optical fiber is also not away. The polymer optical fiber is bent more than in the Bend couplers for fiber optic cables. A polymer optical fiber can be bend so much with slight warming without breaking. The Light energy not only emerges from the core at the bending point, but also out of the jacket and leaves the optical fiber in the form of a Light beam. The pluggable version of the coupler (see below) is thereby simplified that no direct contact to the optical fiber is required is.
Wenn der Lichtwellenleiter bidirektional benutzt wird, tritt je ein Lichtbündel 2 für jede Richtung an zwei eng beieinanderliegenden Stellen (Koppel stellen) aus. Die austretenden Lichtbündel überschneiden sich in einem Bereich 3, direkt vor der Biegung des Lichtwellenleiters. Umgekehrt kann auf den beschriebenen Wegen auch Lichtenergie von außen in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Die optischen Wandler (LED, Fotodiode) von Netzstationen werden in dem Überschneidungsbereich 3 angeordnet und auf diese Weise bidirektional mit dem Lichtwellenleiter gekoppelt. Statt der Wandler kann auch die Biegung eines weiteren Lichtwellenleiters angebracht werden. Man erhält so einen 2 × 2-Koppler.If the optical waveguide is used bidirectionally, a light bundle 2 emerges for each direction at two closely spaced points (coupling points). The emerging light bundles overlap in an area 3 , directly before the optical fiber bends. Conversely, light energy can also be coupled into the optical waveguide from the outside in the described ways. The optical converters (LED, photodiode) of network stations are arranged in the overlap region 3 and are bidirectionally coupled to the optical waveguide in this way. Instead of the converter, the bend of another optical waveguide can also be attached. A 2 × 2 coupler is thus obtained.
Der erfindungsgemäße Koppler kann in zwei Ausführungsformen aufgebaut werden. Eine Ausführung (Bauteilversion) sieht vor, daß das Kunst stoff-Gehäuse des optischen Wandlers vor dem Chip als Röhrchen ausgebildet ist, in dem auf einfache Weise ein Polymer-Lichtwellenleiter mit definierter 180 Grad-Biegung befestigt werden kann. Eine zweite Ausführung (Steckerversion) sieht vor, daß die Biegung des Polymer-Licht wellenleiters die Spitze eines Steckers bildet. Hier nimmt die Buchse den oder die Wandler oder die Biegung eines weiteren Polymer-Licht wellenleiters auf. Stecker und Buchse können im Spritzgußverfahren aus Kunststoff hergestellt werden. The coupler according to the invention can be constructed in two embodiments become. One version (component version) provides that the art Fabric housing of the optical converter in front of the chip formed as a tube is in which a polymer optical fiber with defined 180 degree bend can be attached. A second Execution (connector version) provides that the bending of the polymer light waveguide forms the tip of a plug. Here the jack takes the converter or converters or the bend of another polymer light waveguide. The plug and socket can be injection molded be made of plastic.
Bei beiden Ausführungsformen hängen die Einfügedämpfung und die Anzweigdämpfung von dem Biegeradius des Lichtwellenleiters ab. Mit einem kleineren Biegeradius erhält man eine kleinere Abzweigdämpfung und eine größere Einfügedämpfung.In both embodiments, the insertion loss and the Branch attenuation from the bending radius of the optical fiber. With a smaller bending radius results in a smaller branch loss and greater insertion loss.
Bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele wird von folgendem
handelsüblichen Polymer-Lichtwellenleiter ausgegangen:
PMMA-Lichtwellenleiter ohne Ummantelung,
Stufenindexprofil,
Mantel-Durchmesser: 1000 µm,
Kern-Durchmesser: 980 µm,
numerische Apertur: 0,47.The description of the exemplary embodiments is based on the following commercially available polymer optical waveguides:
PMMA optical fiber without sheathing,
Step index profile,
Jacket diameter: 1000 µm,
Core diameter: 980 µm,
numerical aperture: 0.47.
Gewählt wurde ein Biegeradius r von 1,25 mm. Dabei treten die Lichtbündel unter einem Winkel α von 35 Grad mit einer Divergenz δ von 6 Grad aus. Sie treffen sich im Abstand d von 1,4 mm vor der Biegung des Lichtwellenleiters (vgl. Fig. 1). Die Abzweigdämpfung beträgt etwa 7 dB und die Einfügedämpfung etwa 2 dB.A bending radius r of 1.25 mm was chosen. The light beams emerge at an angle α of 35 degrees with a divergence δ of 6 degrees. They meet at a distance d of 1.4 mm before the optical fiber bends (see Fig. 1). The branch loss is about 7 dB and the insertion loss is about 2 dB.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt und Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Koppler in der Ausführung als Bauteil. FIG. 2 shows a longitudinal section and FIG. 3 shows a cross section through a coupler designed as a component.
Ein durchsichtiges Kunststoffgehäuse ist auf einer Seite in Form eines Röhrchens 4 ausgebildet, das die Biegung des Lichtwellenleiters 1 aufnimmt. Die aus dem Bauteil austretenden Adern des Lichtwellenleiters können mit einem Isolierschlauch vor Beschädigung geschützt werden. Der Innendurchmesser des Röhrchens von 4,5 mm bestimmt den Biegeradius des Lichtwellenleiters. Der Lichtwellenleiter wird etwas erwärmt und dann mit einem einrastenden Paßstück 5 im Bauteil befestigt. Der Boden des Röhrchens enthält eine Kugelfläche 6 mit dem Kugelradius 1,4 mm. Der Lichtwellenleiter liegt mit der Biegung auf der Kugelfläche auf. Gegenüber der Kugelfläche sind zwei Chips 7 (LED, bzw. Fotodiode) in das Kunststoffgehäuse eingebettet. Die Kugelfläche fokussiert beide aus dem Lichtwellenleiter austretenden Lichtbündel auf die optisch wirksamen Flächen der Chips. Die Chips sind so angeordnet, daß der linke Chip seine Lichtenergie über die Kugelfläche auf den rechten Koppelpunkt des Lichtwellenleiters sendet bzw. von dort empfängt. Über dieselbe Kugelfläche sendet der rechte Chip Lichtenergie zum linken Koppelpunkt bzw. empfängt sie von dort. A transparent plastic housing is formed on one side in the form of a tube 4 , which absorbs the bend in the optical waveguide 1 . The fibers of the optical fiber emerging from the component can be protected against damage with an insulating tube. The inner diameter of the tube of 4.5 mm determines the bending radius of the optical fiber. The optical waveguide is heated somewhat and then fastened in the component with a snap-in fitting 5 . The bottom of the tube contains a spherical surface 6 with a spherical radius of 1.4 mm. The optical fiber lies with the bend on the spherical surface. Two chips 7 (LED or photodiode) are embedded in the plastic housing opposite the spherical surface. The spherical surface focuses both light bundles emerging from the optical waveguide onto the optically active surfaces of the chips. The chips are arranged so that the left chip sends its light energy via the spherical surface to the right coupling point of the optical waveguide or receives it from there. The right chip sends light energy to the left coupling point or receives it from there via the same spherical surface.
Fig. 4 zeigt in einem Längsschnitt eine Ausführung als 2 × 2-Koppler. Zwei Röhrchen 4 sind zu einem Bauteil zusammengefügt worden. Jedes Röhrchen nimmt die Biegung je eines Lichtwellenleiters 1 auf. Die Koppelpunkte der Lichtwellenleiter sind über eine Kugellinse 8 miteinander verkoppelt. Fig. 4 shows in a longitudinal section an embodiment as a 2 × 2 coupler. Two tubes 4 have been put together to form a component. Each tube absorbs the bend of one optical waveguide 1 . The coupling points of the optical fibers are coupled to one another via a ball lens 8 .
Fig. 5 und Fig. 6 zeigen zwei Längsschnitte durch den Stecker. Fig. 7 zeigt die Ansicht des Steckers von der Spitze her. Fig. 5 and Fig. 6 show two longitudinal sections through the connector. Fig. 7 shows the view of the plug from the top.
Ein Abschnitt des Lichtwellenleiters 1 wird zunächst ohne Umhüllung von der Spitze her mit seinen Enden durch die Steckerführungen 9 gesteckt. Nach leichter Erwärmung wird er von den Enden her ganz in den Stecker gezogen. Dabei bildet sich an der Spitze die definierte Biegung aus. Nun werden von den Enden her zwei Isolierschläuche 10 zum Schutz vor Beschädigung über den Lichtwellenleiter bis in den Stecker geführt. Mit der Schraubmutter 11 wird der Lichtwellenleiter im Stecker fixiert. Die konische Form 12 des Steckers sorgt für eine Zentrierung. Die Abplattungen 13 verhindern, daß der Stecker verdreht in die Buchse eingeführt wird.A section of the optical waveguide 1 is first inserted with its ends through the plug guides 9 from the tip without a sheath. After slight warming, it is pulled all the way into the plug from the ends. The defined bend forms at the top. Now, from the ends, two insulating tubes 10 are guided through the optical waveguide into the plug to protect them from damage. The optical fiber is fixed in the plug with the screw nut 11 . The conical shape 12 of the plug ensures centering. The flattenings 13 prevent the plug from being twisted into the socket.
Fig. 8 zeigt eine Buchse zur Aufnahme eines Wandlerbauteils im Längsschnitt und Fig. 9 eine Buchse für zwei Wandlerbauteile. Die Vorderseite 14 beider Buchsen ist für die Aufnahme eines Steckers, wie oben beschrieben, gestaltet. Die Rückseite sieht jeweils eine, bzw. zwei Bohrungen 15 für handelsübliche Wandlerbauteile vor. Die Buchse nach Fig. 8 eignet sich besonders für einen Lichtempfänger 16, während die Buchse nach Fig. 9 zwei Lichtsender (LEDs) 17 aufnehmen kann, die um 35 Grad gegenüber der Längsachse gedreht angeordnet sind. Hierfür eignen sich besonders TS-AlInGaP-LEDs mit einem kleinen Lichtaustrittswinkel von z. B. 8 Grad und einer Lichtstärke von 6500 mcd bei der Wellenlänge 590 nm. Fig. 8 shows a socket for receiving a transducer component in longitudinal section and Fig. 9 shows a socket for two transducer components. The front 14 of both sockets is designed for receiving a plug, as described above. The back provides one or two holes 15 for commercially available transducer components. The socket according to FIG. 8 is particularly suitable for a light receiver 16 , while the socket according to FIG. 9 can accommodate two light transmitters (LEDs) 17 , which are arranged rotated by 35 degrees with respect to the longitudinal axis. TS-AlInGaP LEDs with a small light emission angle of z. B. 8 degrees and a light intensity of 6500 mcd at the wavelength 590 nm.
Einen in dieser Ausführungsform aufgebauten 2 × 2-Koppler zeigt Fig. 10 im Querschnitt. Er besteht aus einer Buchse, die anstelle der Bohrung für die Aufnahme eines Bauteils ein Röhrchen 4 enthält, das die Biegung eines weiteren Lichtwellenleiters 1 aufnimmt. Die Lichtwellenleiter sind über eine Kugellinse 8 miteinander gekoppelt.A cross section of a 2 × 2 coupler constructed in this embodiment is shown in FIG. 10. It consists of a socket which, instead of the bore for receiving a component, contains a tube 4 which receives the bend of a further optical waveguide 1 . The optical fibers are coupled to one another via a ball lens 8 .
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
| 8122 | Nonbinding interest in granting licences declared | ||
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |