DE2822022A1

DE2822022A1 - Ankoppelvorrichtung niedriger daempfung fuer verzweigungssysteme mit optischen multimodefasern

Info

Publication number: DE2822022A1
Application number: DE19782822022
Authority: DE
Inventors: Kenneth O Hill; Derwyn C Johnson; Brian D Kawasaki
Original assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Current assignee: HER MAJESTY IN RIGHT OF CANADA AS REPRESENTED BY T
Priority date: 1977-06-13
Filing date: 1978-05-19
Publication date: 1978-12-14
Also published as: US4291940A; DE2822022C2; FR2394825A1; JPS546563A; FR2394825B1; GB1600324A; CA1119860A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kopplungselement für optische Fasern und insbesondere einen verlustarmen Ankoppler für optische Multimodefasern; weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Kopplungselements.

Die zwei Hauptsysteme für Netzwerktopologie, die zur Verteilung optischer Kommunikationssignale einsträngige Multimodefasern einsetzen, sind das baumartig ausgelegte Verzweigungssystem und das Sternsystem. Bei Netzwerken mit vielen Anschlußstellen bietet das baumartig ausgelegte Verzweigungsschema in bezug auf die Flexibilität bei der Anzahl und Lokalisierung der Verteilungswege Vorteile oder verringert und minimiert im Vergleich zu einem Sternsystem die Menge verwendeter Fasern. Jedoch kann ein baumartig ausgelegtes Netzwerk den Nachteil besitzen, daß die optische Gesamtleistung, die in die Hauptverbinduagsleitung eingegeben wird, ineffektiv ausgenützt wird, wenn längs der Verbindungsleitung viele verlustbehaftete Zugriffsanschlüsse in Reihe angetroffen werden .Das Baumschema kann nur dann wirkungsvoll eingesetzt werden, wenn die Uberschußdämpfung über dem Verzweigungsverlust an jedem Zugriffsanschluß in ausreichendem Maße klein gemacht wird.

Kürzlich wurden zwei Verfahren zur Herstellung von Ankopplern mit niedrigem Verlust für Multimodefasern angegeben. Im ersten Verfahren, das in einer Veröffentlichung von Takeshi Ozeki und Brian S. Kawasaki mit dem Titel "Optical directional coupler using tapered sections in multimode fibers", Applied Physics Letters,Band 28, Nr. 9, 1. Mai 1976, S. 528 und 529, beschrieben ist, werden zur Herstellung eines Richtungskopplers doppelkonisch verjüngte Abschnitte von optischen Multimodefasern mit einem optischen Epoxykunststoff verbunden. Beim zweiten Verfahren, das in einer Veröffentlichung von M.K. Barnoski und H.H. Friedrich mit dem Titel "Fabrication of an access coupler with single strand multimode fiber waveguides, Applied Optics, Band 15) Nr. 11, November 1976,

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S. 2629 - 2630, beschrieben ist, werden zwei Abschnitte von Multimodefasern Seite an Seite verschmolzen, um eine Anschlußstelle mit niedrigem Verlust zu bilden. Bei beiden Aufbauten hat der Überschußverlust die Größenordnung von 1 dB.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ankoppler mit hocheffektiver Kopplungswirkung zu schaffen.

Weiterhin soll erfindungsgemäß ein Ankoppler geschaffen werden, bei dem Modenmischung und Modenkopplung in beträchtlichem Maße erfolgt.

Weiterhin soll erfindungsgemäß ein Ankoppler geschaffen werden, der Richteigenschaften besitzt.

Weiterhin soll erfindungsgemäß ein Ankoppler geschaffen werden, dessen ungekoppelte EingangsÖffnung isoliert ist.

Weiterhin sollen einfache und wirtschaftlich durchführbare "Verfahren zur Herstellung von Ankopplern niedriger Verluste angegeben werden.

All diese Aufgaben werden dadurch gelöst, daß ein Ankoppler eine erste und eine zweite Multimodefaser umfaßt, von denen eine jede einen doppelkonischen Verjüngungsabschnitt besitzt; die doppelkonischen Vergüngungsabschnitte der Fasern werden miteinander zusammengedreht und längs einer vorbestimmten Strecke zusammengeschmolzen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Ankopplers, der die optische Energie, zwischen einer ersten und einer zweiten Multimodefaser koppelt, besteht darin, daß zuerst die erste und die zweite Faser längs einer vorbestimmten Strecke zusammengeschmolzen werden, daß längs der verschmolzenen Fasern eine Zugkraft angelegt wird und dann das verschmolzene Stück der Fasern zur Ausbildung von doppelkonischen Verjüngungsabschnitten in den verschmolzenen Fasern erhitzt wird.

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Bei einem anderen Verfahren zur Herstellung eines Ankopplers zur Kopplung optischer Energie zwischen einer ersten und einer zweiten Multimodefaser wird ein Teilstück jeder Faser miteinander zusammengedreht, und an die verdrehten Teilstücke der Pasern eine Zugkraft angelegt; dann wird ein Bereich der verdrehten Fasern erhitzt, so daß die Fasern weich werden und doppelkonische Verjüngungsabschnitte bilden und eine vorbestimmte Strecke der verdrehten Fasern zusammenschmilzt.

Falls die Fasern bereits doppelkonische Verjüngungsabschnitte besitzen, läßt sich der Ankoppler dadurch herstellen, daß die Fasern längs ihrer Verjüngungsabschnitte zusammengedreht werden und ein Bereich der Verjüngungsabschnitte erhitzt wird, um sie zusammenzuschmelzen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Ankoppler.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Ankoppler 1 zu sehen. Der Ankoppler 1 besteht aus einer ersten Faser 2 mit Endbereichen oder Öffnungen P^ und P₂ und aus einer zweiten Faser 3, die Endbereiche oder öffnungen P^ und P^, besitzt. Jede Faser 2, 3 kann eine, einen optischen Kern 4- und einen Überzug 5 aufweisende Multimodefaser mit graduell verlaufendem oder abgestuft verlaufendem Brechungsindex sein. Weiterhin besitzt jede Faser 2, 3 einen doppelkonischen verjüngten Abschnitt 6, innerhalb dem sich der Durchmesser der Faser 2, 3 verschmälert und dann zum normalen Faserdurchmesser verbreitert. Innerhalb des verjüngten Abschnitts 6 sind die Fasern 2, 3 längs einer vorbestimmten Strecket miteinander verschmolzen, wobei diese Strecket größer als die gesamte Länge des Abschnitts 6 sein, kann. Zusätzlich können innerhalb dieser verschmolzenen Strecke £ die Fasern 2 und 3 so miteinander verdreht sein, wie es in

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Fig. 1 zu sehen ist.

Im allgemeinen besitzen die Fasern 2 und 3 gleichartige Durchmesser; jedoch können Fasern unterschiedlicher Durchmesser in einem Ankoppler Λ verwendet werden, bei dem eine Vorzugsankopplung erwünscht ist. Wenn die Faser 3 einen größeren Durchmesser als die Faser 2 besitzt, wird optische Energie vorzugsweise von der Faser 2 zur Faser 3* also zur Faser mit dem größeren Durchmesser gekoppelt. Somit kann optische Energie auf effektive Weise in eine Fernleitung bei Verwendung eines Kopplers 1 eingekoppelt werden, bei dem die Faser mit dem größeren Durchmesser in die Fernleitung eingeschaltet ist und optxsche Energie über dxe Faser mit dem kleineren Durchmesser in die Fernleitung eingekoppelt wird.

Der Ankoppler 1 läßt sich durch Zusammenschmelzen einer vorbestimmten Strecke der Fasern 2 und 3 herstellen. Sind die Fasern einmal verschmolzen, werden sie durch eine Zugkraft gezogen und die verschmolzene Strecke wird erhitzt, um die Fasern 2 und 3 in der Weise weich zu machen, daß sie zur Ausbildung doppelkonischer Verjüngungsabschnitte 6 gezogen werden können.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung von Kopplern 1 besteht darin, daß man zwei Fasern 2 und 3 nimmt, sie gegeneinander verdreht oder herumwickelt und an die Fasern 2 und 3 eine Zugkraft anlegt, was beispielsweise dadurch geschehen kann, daß man sie unter Federspannung in eine Spannvorrichtung einsetzt. Ein gewünschter Bereich der verdrehten Fasern 2 und 3 wird dann zum Erweichen und Verschmelzen der Fasern und 3 in ausreichendem Maße erhitzt. Die Federspannung bewirkt, daß die Fasern 2 und 3 im weichgemachten Bereich zur Ausbildung von doppeltkonischen Verjüngungsbereichen langgestreckt werden, während die Verdrillung in den Fasern 2 und 3 bewirkt, daß die Fasern 2 und 3 zusammenbleiben und

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während des Ziehvorganges verschmelzen. Die Erhitzung der Fasern 2 und 3 in dem gewünschten Bereich kann durch die Flamme eines Butansauerstoff-Mikrobrenners ausgeführt werden.

Haben jedoch bereits die zwei Fasern doppelkonische Verjüngungsabschnitte 6, dann läßt sich der Ankoppler 1 dadurch herstellen, daß die zwei Fasern 2 und 3 längs ihrer Verjüngungsabschnitte miteinander verdrillt werden und ein Bereich der verdrillten doppelkonischen Verjüngungsabschnitte zum Zusammenschmelzen der Fasern 2 und 3 längs einer vorbestimmten Streckender Verjüngungsabschnitte erhitzt wird. Diese Verfahren zur Herstellung von Ankopplern können zur fabrikmäßigen Herstellung von Kopplern oder im praktischen Einsatz angewendet werden, um direkt an einer Multimodefaser-Sammelschiene Koppler herzustellen.

Einige Beispiele von verdrehten Ankopplern 1, die unter Verwendung des als zweiten beschriebenen Verfahrens fabriziert wurden, sind in der unteren Tabelle 1 wiedergegeben. Die Koppler 1 wurden hergestellt aus einer Corning-Quarz-Faser mit gestuftem Brechungsindex, einem Kerndurchmesser von 85 /um, mit einer Hüllendicke von 20 ,um und einer numerischen Apertur von 0,175. Der doppelkonische Abschnitt 6 war ungefähr 1 cm lang. Die Ankoppler 1 wurden durch Bestrahlung der Öffnung P_x, mit einem HeNe-Strahl ausgemessen, der mit einem x50-Mikroskopobjektiv in die Öffnung P_x, der Faser 2 eingekoppelt wurde. An den Öffnungen P_x,, Po und P^ wurden Ölbad-Hüllmoden-Abstreifer angebracht, und die gekoppelte Leistung von den Öffnungen P₂ und P^ wurde gemessen. Die Eingangsleistung durch die Öffnung P_x, zum Koppler 1 wurde dadurch gemessen, daß die Faser 2 an einer Stelle gebrochen wurde, die vom Modenabstreifer stromabwärts und strc aufwärts vom Abschnitt 6 gelegen ist.

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Tabelle 1

Koppler	^P1 (mW)	05	^P2 (mW)	^P4 (mW)	Kopplungs- verhältnis V^P1	EinfügungsÜber schußdämpfung 10 Ιοσ Ψΐ ⁺ ^Ρ/1	(dS	-0,16
a	7,	92	6,53	0,27	0,038	L^P1 J	-0,22
b	6,	30	6,00	0,58	0,084	-0,11
C	6,	20	5,41	0,74	0,12	-0,13
d	1,	92	6,12	0,87	0,12	-0,58
e	6,	4,40	1,65	0,24

Die Tabelle 1 gibt die gemessenen Leistungspegel und die berechnete Einfügungsüberschußdämpfung für mehrere Koppler mit verschiedenen Kopplungsverhältniswerten V ./V^ wieder, wobei P₁ die optische Leistung in der Koppleröffnung P- ist. Dieses Kopplungsverhältnis nimmt zu, wenn das Verhältnis des Faserdurchmessers zum Durchmesser des engsten Teils jeder Verjüngung zunimmt. Das Kopplungsverhältnis kann von einem Wert nahe Null bei fehlendem Verjüngungsabschnitt bis 50 % bei sehr hohen Werten des Durchmesserverhältnisses, d. h. >10:1, variieren. Im allgemeinen führen zunehmende Werte für die Kopplungsverhältnisse zu vergrößerten Einfügungsdämpfungen. Die Werte der Einfügungsüberschußdämpfung sind bei den besseren Kopplern mit Werten zwischen 0,1 und 0,2 dB sehr niedrig. Dieser effektive Kopplungsvorgang ist das Ergebnis der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ankopplers. Wenn das Licht in der öffnung P₁ in den sich verengenden verjüngten Abschnitt 6 eintritt, werden die Moden höherer Ordnung zum Herauslaufen aus der Kernfläche des Kerns 4 gezwungen, so daß sie als Hüllmoden geleitet werden. Das Licht kann die verschmolzene Grenzschicht zwischen den zwei doppelkonischen Abschnitten durch-

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queren und wird deshalb im Gesamtaufbau geleitet. Wenn das Licht darüberhinaus zum Bereich anwachsender Konizitäten fortschreitet, die den Öffnungen P„ und P- zugeordnet sind, pflanzen sich die Hüllmoden unter allmählich abnehmenden Winkeln zur Faserachse fort und werden vom verjüngten Kernquerschnitt wiederum eingefangen, so daß sie wiederum in den unverjungten Abschnitten der Fasern Kernmoden werden. Bei diesem Aufbautyp ist die Kopplungswirkung viel weniger verlustbehaftet als in demjenigen Aufbau, der von Ozeki und Kawasaki beschrieben wird, da die optische Güte der Lufthüllengrenzschicht hoch ist. Beim gegenwärtigen Ankoppler ist es schwierig, aus einer flüchtigen Prüfung des gestreuten Lichts allein den Kopplungsbereich herauszufinden. Die Kopplungswirkung ist also aufgrund des sich verdickenden Verjüngungsbereichs 6 effektiver als beim von Barnoski und Friedrich beschriebenen Koppler. In diesem Bereich der Vorrichtung kann Licht, das sich im Hüllbereich fortpflanzt, vom Kern wiederum eingefangen werden, da die Wirkung einer zunehmenden Konizität darin besteht, den Fortpflanzungswinkel des Lichts zu verringern. Wichtig ist, daß das sich in den verjüngten Abschnitten 6 fortpflanzende Licht an der Grenzfläche zwischen der Oberfläche der Konizitäten 6 und des umgebenden Mediums totalreflektiert wird. Deshalb sollten die doppelkonischen Verjüngungsabschnitte 6 lang und flach sein und keine scharfen Ecken aufweisen.

Eine andere auffallende Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß in beachtlichem Maße eine Modenmischung erfolgt. Obwohl, wie es zu erwarten ist, die Moden niedriger Ordnung in höherem Maße in der Öffnung P„ als in der Öffnung P. vorherrschen, wird in der Öffnung P- eine ziemlich gleichmäßige Besetzung bzw. Dichte der Moden beobachtet. Aufgrund der Verdrehungsasymmetrie im Ankoppler 1 wird das Modenmischen verstärkt. Dieses unerwartete Ergebnis ist besonders dann vorteilhaft, wenn diese Koppler als Teil eines baumartig aufgebauten Verzweigungsnetzwerks in Reihe verwendet werden.

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Es sei ebenfalls hervorgehoben, daß im erfindungsgemäßen Ankoppler 1 ein hoher Richtgrad oder Trenngrad beobachtet wird. Wenn beispielsweise die Öffnung P^ beleuchtet wird, schreitet das Licht in einer Richtung fort und erscheint an den Öffnungen ?£ und Ρ/}, mit einer Einfügungsüberschußdämpfung von 0,1 bis 0,2 dB, während bei der öffnung P^ tatsächlich kein Licht erscheint. Trennwerte in der Größenordnung von -60 dB (10 In P^/P^) wurden für den Ankoppler 1 gemessen.

Somit wird erfindungsgemäß ein Ankoppler niedriger Dämpfung geschaffen, der zwei optische Multimodefasern besitzt, von denen eine jede einen doppelkonischen Verjüngungsabschnitt aufweist. Die doppelkonischen Verjüngungsabschnitte der Fasern werden zusammengeschmolzen und ergeben damit zwischen den Pasern eine optische Kopplung. Die verschmolzenen Fasern können auch gegeneinander verdreht werden, um das Modenmischen zu verstärken. Die Ankoppler lassen sich dadurch herstellen, daß zwei Fasern längs einer kleinen Strecke zusammengeschmolzen werden, daß dann die verschmolzene Strecke erhitzt wird und die Fasern so gezogen werden, daß die doppelkonischen Verjüngungen gebildet werden; oder es wird ein Teilstück jeder Faser gegeneinander verdreht, an die verdrehten Teilstücke der Fasern eine Zugkraft angelegt und ein Bereich der verdrehten Fasern so erhitzt, daß eine vorbestimmte Strecke der verdrehten Fasern weichgemacht und verschmolzen wird. Falls die Fasern bereits doppelkonische Verjüngungsabschnitte besitzen, läßt sich der Ankoppler dadurch herstellen, daß die Fasern längs ihrer Verjüngungsabschnitte zusammengedreht werden und ein Bereich der Verjüngungsabschnitte so erhitzt wird, daß sie zusammenschmelzen.

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ο e r s { O

Claims

Patentanspruch

-Ankoppelvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste optische Multimodefaser und eine zweite optische Multimodefaser einen doppelkonischen Verjüngungsabschnitt aufweisen und daß die Verjüngungsabschnitte längs einer vorbestimmten Strecke der Verjüngungsabschnitte zur Bildung einer optischen Kopplung zwischen den Pasern zusammengeschmolzen sind.
2. Ankoppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Verjüngungsabschnitte der ersten und zweiten Pasern gegeneinander zusammengedreht sind.

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DR. C. MANITZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWALD DIPL.-INC. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

β MÖNCHEN 23. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 72

OfiföWAL INSPECTED

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3. Ankoppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste und die zweite optische Paser Fasern mit gestuftem Brechungsindex darstellen, wobei Jede Faser aus einem Kern aus optisch durchlässigem Material und aus einer Hülle aus optischem Material besteht, welche das Kernmaterial bedeckt.
4. Ankoppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste und die zweite optische Faser Fasern mit graduell verlaufendem Brechungsindex sind.
5. Ankoppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet , daß der Durchmesser der ersten Faser gleich dem Durchmesser der zweiten Faser ist.
6. Ankoppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennz eichnet, daß der Durchmesser der ersten Faser kleiner als der Durchmesser der zweiten Faser ist, so daß die optische Kopplung vorzugsweise von der ersten Faser zur zweiten Faser erfolgt.
7· Verfahren zur Herstellung einer Ankoppelvorrichtung zur Kopplung optischer Energie von einer ersten optischen Multimodefaser zu einer zweiten optischen Multimodefaser, dadurch gekennzeichnet , daß die erste und die zweite Faser längs einer vorbestimmten Strecke verschmolzen werden, daß an die verschmolzene Faserstrecke eine Zugkraft angelegt wird, und daß die verschmolzene Faserstrecke zur Ausbildung doppelkonischer Verjüngungsabschnitte in den verschmolzenen Fasern erhitzt wird.
8. Verfahren zur Herstellung einer Ankoppelvorrichtung zur Kopplung optischer Energie von einer ersten optischen Multimodefaser zu einer zweiten optischen Multimodefaser,

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dadurch gekennz eichnet, daß ein Teilstück von der ersten Faser und von der zweiten Faser gegeneinander zusammengedreht wird, daß an das verdrehte Teilstück der ersten und zweiten Fasern eine Zugkraft angelegt wird, und daß ein Bereich der verdrehten Fasern erhitzt wird, um die Fasern in diesem Bereich weich zu machen, wodurch dieser Bereich der verdrehten Fasern zu doppelkonischen Verjüngungsabschnitten langgestreckt wird, und um eine vorbestimmte Strecke der doppelkonischen Verjüngungsabschnitte miteinander zu verschmelzen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennz eich net, daß die Erhitzung mit der Flamme eines Butansauerstoff -Mikrobrenners erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennz eich net, daß die Zugkraft durch Einspannen der Fasern in eine federgespannte Spannvorrichtung angelegt wird.
11. Verfahren zur Herstellung einer Ankoppelvorrichtung zur Kopplung optischer Energie von einer ersten optischen Multimodefaser mit einem doppelkonischen Verjüngungsabschnitt an eine zweite optische Multimodefaser mit einem doppelkonischen Verjüngungsabschnitt, dadurch gekennzeichnet , daß die erste und die zweite optische Faser an ihrem doppelkonischen Verjüngungsabschnitt gegeneinander zusammengedreht werden, und daß ein Bereich der verdrehten doppelkonischen Verjüngungsabschnitte erhitzt wird, um die Fasern längs einer vorbestimmten Strecke des Verjüngungsabschnittes zusammenzuschmelzen.

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