DE2313288A1

DE2313288A1 - Anordnung zur optischen datenuebertragung

Info

Publication number: DE2313288A1
Application number: DE2313288A
Authority: DE
Inventors: Marshall Clyde Hudson; Felix Paul Kapron
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1972-03-30
Filing date: 1973-03-16
Publication date: 1973-10-11
Also published as: CA972595A; US3756688A

Description

Zusatz zu Patentanmeldung P 23.13 289.0

Anmelderin: Corning Glass Works
Corning, N. Y., USA

Anordnung zur optischen Datenübertragung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Datenübertragung, insbesondere eine verbesserte Lichtkupplung in einer wenigstens einen Wellenleiter enthaltenden Anordnung zur optischen Datenübertragung nach dem Hauptpatent.

Das Hauptpatent (Patentanmeldung P 23 13 289.0) betrifft eine Anordnung zur optischen Datenübertragung mit wenigstens einem optischen Wellenleiter, in der eine Lichtkupplung mit einem durchsichtigen Kern und einem diesen umgebenden durchsichtigen Mantel mit kleinerem Brechungsindex als dem des Kerns kegelstumpfförmig zuläuft, mit dem Ende grösseren Durchmessers an einem Lichtleiter mit diesem ausgerichtet anliegt

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und mit dem Ende kleineren Durchmessers an einem elektro-optischen Energiewandler liegt.

In der Anordnung des Hauptpatents werden die von der Lichtquelle ausgehenden, am Ende kleineren Durchmessers des vergüngt zulaufenden Eerns unter einem Winkel grosser als der kritische Winkel einfallenden und auf die Kern-Mantel-Zwischenf lache fallenden Lichtstrahlen von der Zwischenflache ein- oder mehrere Male reflektiert und vom Ende grösseren Durchmessers der Kern abgestrahlt; bei jeder totalen Innenreflexion wird dabei der von dem Lichtstrahl mit der Kernachse gebildete Winkel um. das Doppelte des Verjüngungshalbwinkels (3> des Kerns kleiner· Dagegen gehen die unter einem kleineren Winkel am Ende kleineren Durchmessers einfallenden und auf die Kern-Mantel-Zwischenfläche fallenden Strahlen durch die Zwischenfläche hindurch; sie stehen damit für die Einleitung der Licht fortpflanzung im Übertragerteil nicht mehr zur Verfügung, gehen also dem System verloren· Diese Verluste begrenzen den Eingang ITA der Kupplung auf den Gleichungswert .

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Diese Gleichung zeigt, dass die Eingangs-numerische öffnung durch die Brechungsindices von Kern und Mantel begrenzt wird.

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Die Erfindung hat eine weitere Ausgestaltung der Lichtkupplung des optischen Dat enübertragungs syst ems nach dem Hauptpatent zur Aufgabe, die hinsichtlich der Lichtfortpflanzung mit totaler Innenreflexion nicht durch die Brechungsindices der die Innenreflexionsfläche begrenzenden Kern- und Mantelschicht begrenzt ist.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, dass auf der durchsichtigen Hantelschicht eine diese wenigstens teilweise umgebende Heflexionsschicht vorgesehen ist.

Die beispielsweise aus einer Metallschicht bestehende Eeflexionsschicht umgibt zumindest den sül ^%ide kleineren Durchmessers der Kupplung anliegenden Teil des Mantels, oder die gesamte Oberfläche der Mantelschicht, die dann ihrerseits den gesamten. Kern umgibt.

Anhand der Zeichnungen sei die Erfindung naher erläutert. Es zeigen:

die Figur 1 im Längsschnitt den Übertragungsteil eines optischen Kommunikationssystems mit einer erfindungsgemäss ausgestalteten Lichtkupplung;

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die Figur 2 ein die Arbeitsweise des Eingangsendes der Lichtkupplung erläuterndes Schaubild;

die Figur 3 im Längsschnitt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung;

die Figur 4 im Längsschnitt eine weitere Ausgestaltung mit einem aus mehreren Abschnitten aufgebauten Kern;

die Figur 5 den Anschluss der Lichtkupplung an ein optisches Kommunikationssystem.

In den bisher beschriebenen Ausbildungen der Erfindung begrenzt der kritische Winkel 0_C die eingangsnumerische Öffnung des Kopplers mit dem gegebenen Yergüngungshalbwinkel [3 . Da der Winkel 0 eine Funktion der Brechungsindices n-, und n^ ist, wird der Eingang HA durch die Werte n-^ und np gemass der Gleichung

D = 2T cos β H₁ sin0_m (2)

begrenzt, wobei NA-. bei geringeren Differenzen von n-^ und Ώ-2 kleiner ist.

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Nach, weiterer günstiger Ausgestaltung der Erfindung wird diese Begrenzung dadurch vermieden, dass auf der Oberfläche der Mantelschicht 14 eine liehtreflektierende Fläche 20, z. B. in Form einer aufgebrachten Metallschicht 18 vorgesehen wird, siehe die Figur 7·

Dieser Koppler arbeitet ähnlich wie die zuvor "beschriebenen Ausbildungen für gebrochene Strahlen, die auf die Zwischenfläche 16 unter Winkeln einfallen, die gleich oder grosser als der Winkel 0_Λ sind. Die Figur 2 zeigt einen unter einem Winkel Q_n auf die Endfläche 22 fallenden kritischen Winkel 42, wobei der gebrochene Strahl 44 auf die Zwischenfläche 16 unter dem kritischen Winkel 0 fällt. Der Strahl 44 wird von der Zwi-

schenflache 16 im Wege totaler Innenreflexion als Strahl 46 reflektiert» Dabei ist aber der Eingang HA des Kopplers 10 nicht durch den Wert gemäss der Gleichung (2) begrenzt, weil die auf die Zwischenfläche 16 unter kleineren Winkeln als dem kritischen Winkel 0_ einfallenden Strahlen von der Zwischenfläche nur teilreflektiert werden, während ein Strahlenteil durch die Zwischenfläche geht und von der Metallfläche 20 reflektiert wird. Ein auf die Endfläche 22 unter einem Winkel O₁ einfallender Strahl 48 wird bei 0_c - O₁ - Q_Q daher zur

Zwischenfläche 16 unter einem Einfallswinkel kleiner als 0_n

reflektiert. Der Strahl 50 wird von der Zwischenfläche 16 nur teils als Strahl 58 reflektiert, während ein Teil 52 in die

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-r 6 rr- . ■ .

Mantelschieht 14 fällt, von dem Hetallflache als Strahl reflektiert wird und als Strahl 56 in den Kern 12 gelangt. Während der Strahl 52 ohne die Met all schicht« gam? verloren ginge, wird so ein Wirkungsgrad im Tfergleieh zu totaler Innenreflexion von immerhin etwa 90% erzielt. Der Strahl 56 erfährt zum Strahl 50 eine Längsverschiebung B₅ wobei

D = 2Ϊ cos β n^ sin0

worin T = Dicke der Mantelschicht 14- bezeichnet und 0 ein Winkel kleiner als der Winkel 0„ ist, unter dem der Strahl 50 auf die Zwischenfläche 16 fällt. Ferner wird der Winkel des Strahls 56 zur Längsachse des Kerns 12 im Vergleich zum Strahl 50 um 2p> verkleinert. Die folgende Reflexion des Strahls 56 kann entweder eine Reflexion von der Metallfläche oder bei _ ausreichender Vergrösserung des Einfallswinkels eine totale Innenreflexion sein. Infolge der Reflexion von der Metallfläche stellt der Eingabewert Mk keine Begrenzung des Wirkungsgrads dar. Die Reflexionssehicht 18 ist besonders bedeutsam, wenn die Differenz der Brechungsindices von Kern 12 und Mantel 14 gering ist, weil bei einer Differenz von 1% der kritische Winkel gf etwa 82° beträgt,

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In der Ausbildung gemäss der ligur 9 trägt der verjüngte Kern 68 auf dem der Endfläche 70 benachbarten Oberflächenteil die

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Metallschicht 72, und auf der übrigen Oberfläche die Mantelschicht 74-· Diese bildet mit dem Kern 68 die Zwi^chenflache 78. Die Metallschicht dient als Reflexionsfläche 80. Sie erstreckt sich von der Endfläche um den Abstand 0, der fo.lgendermassen bestimmt wird. Ein am Punkt 86 am Rand der Endfläche 70 einfallender Lichtstrahl 84- mit dem Winkel θ zur Senk-

rechten der Endfläche wird gebrochen und fällt als Strahl 88 unter dem kritischen Winkel 0_ auf die Zwischenfläche 78. Al-Ie unter einem gleich grossen oder grösseren Winkel als der Winkel 0_, auf die Zwischenfläche 78 fallenden Lichtstrahlen 86 werden von dieser im Wege totaler Innenreflexion reflektiert. Alle am Punkt 86 einfallenden und auf die Reflexionsfläche 80 fallenden Lichtstrahlen v. rden durch die Metallflache reflektiert. Da der Lichtstrahl 88 den Grenzfall "bildet und kein Lichtstrahl auf die Zwischenfläche 70 und die Oberfläche des Kerns 68 mit einem grösseren Achsialabstand als der Grenz strahl 88 fallen kann, wird als Abstand 0 der Achsialabstand des Grenzstrahls 88 an der Oberfläche des Kerns 68 gewählt. Der Abstand C lässt sich geometrisch errechnen:

C = A cosß/ Up ^cos(3 - sinß \ ' (4)

worin A der Durchmesser der Endfläche 22, β der Verjüngungshalbwinkel des Kerns 68 und n-, und np die Brechungsindices von Kern 68 und Mantel 74· bezeichnen.

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Die Figur 10 zeigt in weiterer Ausgestaltung eine Reflexionsschicht auf einem ähnlich, der Ausbildung der Figur 5 aus mehreren Abschnitten aufgebauten Lichtkupplung. Die Abschnitte
98, 100, 102 haben verschiedene, .Jeweils grössere Brechungsindices. Die Mantelschicht 104 bildet mit diesen drei Abschnitten jeweils eine Zwischenschicht 106, 108 und 110, Auf der Schicht 104- ist eine Reflexionsschicht, z. B.. Metallschicht 112 aufgebracht. Dünne, durchsichtige Schichten 114·, 116 mit möglichst ähnlichem Brechungsindex wie ihre IFachbarschichten, z. B. aus Epoxyharz binden die Lichtkupplung an
die Lichtquelle 118 und den optischen Wellenleiter 120.

Da der Abschnitt 102 einen vergleichsweise hohen Brechungsindex hat, ist der kritische Winkel an der Zwischenfläche vergleichsweise klein und selbst die auf die Eingangsfläche
36' und die Zwischenfläche 82 unter kleinerem Winkel einfallenden Lichtstrahlen erfahren eine totale Innenreflexion. Da bei jeder Reflexion der Winkel des reflektierten Strahls mit der Längsachse der Kupplung um das Doppelte des Verjüngungshalbwinkels ß kleiner wird, kann ein mehrmals von der Metallschicht 112 und/oder der Zwischenfläche 110 reflektierter
Strahl in den Abschnitt 100 einfallen, und von der Zwischenfläche 108 reflektiert werden, obwohl die Differenz des Brechungsindex von Abschnitt 100 und Mantel 104· nicht so gross

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wie die Differenz von Abschnitt 102 und Mantel 104- ist. Entsprechend fällt der Strahl nach einer Reihe weiterer Reflexionen unter noch kleinerem Winkel mit der Längsachse der Kupplung in den Abschnitt 98 ein. Der Abschnitt 98 kann aus dotierter Schmelzkieselsäure mit annähernd dem Brechungsindex des Kerns des Wellenleiters 120 hergestellt werden, wodurch zwischen Lichtkupplung und Wellenleiter ein guter Kupplungswirkungsgrad gewährleistet wird.

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Claims

/Λ· ^eingegangen

Pat ent an Sprüche

( Iy Anordnung zur optischen Datenübertragung mit wenigstens einem optischen Wellenleiter, in der eine Lichtkupplung mit einem durchsichtigen Kern und einem diesen umgebenden durchsichtigen Mantel mit kleinerem Brechungsindex als dem des Kerns kegelstumpfförmig zuläuft, mit dem Ende grösseren Durch messers an einem Lichtleiter mit diesem ausgerichtet anliegt und mit dem Ende kleineren Durchmessers an einem elektrooptischen Energiewandler liegt, gemäss Patent (Patentanmeldung P 23 13 289-0), dadurch gekennzeichnet, dass auf der durchsichtigen Mantelschicht eine diese wenigstens teilweise umgebende Reflexionsschicht (20) vorgesehen ist.
2. Anordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsschicht den am Ende kleineren Durchmessers der Kupplung anliegenden Teil des Mantels umgibt.
3. Anordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsschicht die gesamte Oberfläche der Mantelschicht umgibt und die durchsichtige Mantelschicht ihrerseits den gesamten Kern umgibt.

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4. Anordnung geiaäss Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heflexionsschieht von dem Ende kleineren Durchmessers der Kupplung ausgehend auf einen sich um einen Achsialabstand C erstreckenden Teil der Oberfläche des Eerns aufgebracht ist, wobei der Abstand C durch die Gleichung bestimmt wird

G=A cosp / ⁿ2 cos ρ - sinß

2 2
ⁿl - ⁿ2

worin A den Durchmesser des Endes kleineren Durchmessers des Kerns und /3 den Yerjüngungshalbwinkel des Kerns bezeichnet, und die durchsichtige Mantelschicht den übrigen, von der Seflexionsschicht nicht bedeckten ü?eil der Oberfläche des Kerns umgibt.

5« Anordnung gemäss Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsschicht aus einer Metallschicht besteht.

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L e e r s e i t e