DE2841970A1 - Faseroptische kopplungsvorrichtung - Google Patents

Faseroptische kopplungsvorrichtung

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Description

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER D 4300 fcSSHN 1 · AM RUHRSTEiN 1 · TEL.^fl Seite - ^ - . T ~80
TRW, INC.
10880 Wilshire Blvd., Los Angeles, Kalifornien 90024, V.St.A.
Faseroptische Kopplungsvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine faseroptische Kopplungsvorrichtung zur kombinierten Signalübertragung und -erfassung.
Soweit mit bekannten Systemen Signale über optische Fasern in zwei Richtungen übertragen werden sollten, wurden wenigstens zwei optische Fasern verwendet. Bei solchen bekannten Systemen verlaufen die beiden optischen Fasern parallel zueinander, wobei das erste Ende der einen Faser mit einem Lichtemitter
zweite
und das entgegengesetzte/Ende dieser einen Faser mit einem Lichtdetektor verbunden ist, während die andere Faser umgekehrt an einen Lichtdetektor und einen Lichtemitter ange- '■ schaltet ist.
Wenn die optischen Fasern Teile von Faserbündeln mit makroskopischen Proportionen sind und es notwendig ist, die Hälfte der Fasern mit einem Detektor und die Hälfte der Fasern mit einem Lichtemitter an einem Ende und am entgegengesetzten Ende zu verbinden, wobei jeweils an einem Ende ein. Licht— emitter und am entgegengesetzten Ende ein Detektor angeschlossen ist, entsteht nicht nur ein großer Querschnittsbedarf für alle optischen Fasern, sondern es ergibt sich die weitere Schwierigkeit bei der Identifizierung der Fasern
Z/ko.
909815/080B
ORIGINAL INSPECTED
284T970
im Bündel zur richtigen Ausrichtung·
In vielen Massenanwehdungen ist ein hoher Wirkungsgrad bei der Lichtübertragung von Lichtquelle zum Lichtdetektor über optische Fasern nicht erforderlich, während die Raumund Ausrichtungsprobleme von Bedeutung sind und die Nutzung optischer Fasern zu Signalübertragungszwecken in diesen Fällen verhindern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine faseroptische Kopplungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine kombinierte Signalübertragung und -erfassung über eine einzige optische Faser ermöglicht. Die faseroptische Kopplungs vorrichtung (interface) soll dabei einfach . herzustellen sein und eine Signalübertragung in zwei Richtungen zuverlässig gewährleisten.
Ausgehend von einer faseroptischen Kopplungsvorrichtung der
AXT "C ·
eingangs angegebenen/ schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß ein aus lichtdurchlässigem Material bestehendes Gehäuse von einem langgestreckten Kanal durchzogen ist, in dessen einem Ende eine mit ihrem äußeren Ende mit einer Lichtquelle ausgerichtete erste optische Faser und in dessen anderem Ende eine zweite optische Faser befestigt sind, daß die beiden innen gelegenen Enden der beiden optischen Fasern dicht beieinander liegen, jedoch so fehlangepaßt sind, daß sich ein Lichtverlust zumindest von der zweiten optischen Faser zur ersten optischen Faser bei der Lichtübertragung von der zweiten zur ersten optischen Faser ergibt, und daß am Gehäuse ein lichtempfindliches Bauelement (Detektor) befestigt ist, das auf vom Übergang zwischen den benachbarten Enden der beiden optischen Fasern abgehendes Licht anspricht· Mit dieser faseroptischen Kopplungsvorrichtung gelingt es, Daten bzw. Signale über eine einzelne optische Faser in zwei Richtungen zu übertragen.
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Das Gehäuse kann aus billigem Material hergestellt werden, dessen Brechungsindex auf eine maximale Signalankopplung abgestimmt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Fehlanpassung der Faserenden dadurch erreicht, daß die mit der gehäusefesten Lichtquelle verbundene erste optische Faser einen kleineren Durchmesser als die mit der gehäusefernen Lichtquelle verbundene zweite optische Faser hat· Bei dieser Ausführungsform wird praktisch das gesamte von der gehäusefesten Lichtquelle in die erste optische Faser eingegebene Licht zu der zweiten optischen Faser übertragen. Bei umgekehrter Übertragungsrichtung von der gehäusefernen Lichtquelle zur Kopplungsvorrichtung ergibt sich jedoch"ein Lichtverlust um die Peripherie der ersten optischen Faser, der mit Hilfe des lichtempfindlichen Bauelements bzw. Deteldbrs aufgefangen werden kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht auf ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen faseroptischen Kopplungsvorrichtung;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. Ij.
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 einen Vertikalschnitt mit einigen Teilen in
.Draufsicht auf ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der faseroptischen Kopplungsvorrichtung ;
Fig· 5 eine Stirnansicht auf das abgewandelte Ausführungsbeispiel; und
Fig· 6 eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 in Fig. 4.
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In der Zeichnung ist die faseroptische Kopplungsvorrichtung (fiber« optic interface) als Ganze mit 20 bezeichnet. Sie weist ein Gehäuse aus drei Stäben 22, 24 und 26 auf, die im wesentlichen zylindrische Form· haben und an beiden Enden 28 verjüngt ausgebildet sind.
Die Stäbe 22, 24 und 26 bestehen vorzugsweise aus Glas, und das Gehäuse wird dadurch gebildet, daß die erhitzten Glasstäbe ausgezogen werden, wodurch die Stäbe entlang von Umfangslinien in der in Sg. 2 mit 31 gezeigten Weise miteinander verschmolzen werden.
Das Gehäuse kann auch aus mehr als drei Stäben zusammengesetzt werden. Ein zwickeiförmiger Kanal 29 ist zwischen· den drei Stäben in der in Fig. 2 dargestellten Weise gebildet. Wie am besten in Fig. 3 zu sehen ist, ist eine erste optische Faser 30 im ζwickeiförmigen Kanal an einem Ende des aus den Stäben 22, 24 und 26 bestehenden Gehäuses befestigt. Eine zweite optische Faser 32 ist im anderen Ende, des Kanals 29 angebracht, wobei die Enden der optischen Fasern 30 und 32 aneinander angrenzendangeordnet sind.
Wie am besten in Fig. 3 zu sehen ist, ergibt sich aufgrund der Verjüngung der Enden 28 der Stäbe an jedem Ende des zwickeiförmigen Kanals 29 eine glatte,nach der Stirnseite · hin erweiterte Öffnung, welche die Einführung der optischen Fasern 30 und 32 erleichtert.
Eine licht-emittierende Diode 34 ist am stirnseitigen Ende der optischen Faser 30 und an dem einen stirnseitigen Ende der Stäbe 24, 26 und 28 befestigt. Die licht-emittierende Diode ist vorzugsweise mit Hilfe eines geeigneten Klebstoffs befestigt und genau mit dem Kern der optischen Faser 30 ausgerichtet, um die Lichtübertragung von der Diode 34 zur optischen Faser 30 zu optimieren.
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Vorgesehen ist ferner ein lichtempfindliches Bauelement 36, das vorzugsweise einen Photodetktor aufweist. Der Photodetektor ist vorzugsweise an einer flachen Seite 37 befestigt, die am Außenumfang des Stabs 26 vorgesehen ist. Das lichtempfindliche Bauelement 36 ist so nahe wie möglich am Übergang zwischen den benachbarten Enden der optischen Fasern 30 und 32 angeordnet.
Die licht-emittierende Diode 34 ist über Drähte 38 mit einer Schaltung verbunden,welche die erforderlichen Signale an den Lichtemitter 34 gibt. In entsprechender Weise ist auch der Lichtdetektor 36 über Drähte 40 mit einer Schaltung verbunden. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, ist der Übergang zwischen den benachbarten Enden 42 und 44 der optischen Fasern feh]£angepaßt, und zwar dadurch, daß das Ende der optischen Faser 30 durch eine geneigte Fläche 42 und das Ende der optischen Faser 32 durch eine zur Achse der optischen Faser 32 rechtwinklig verlaufende Fläche 44 gebildet sind. Wenn daher Licht von der Diode 34 emittiert wird und in die optische Faser 30 fällt, so wird nur ein Teil dieses Lichts zur optischen Faser 32 übertragen. Der restliche Teil des in dieser Richtung übertragenen Lichts wird in das durch die Stäbe 24, 26 und 28 gebildete Gehäuse reflektiert und vom Bauelement 36 aufgefangen. Durch eine geeignete elektronische Schaltung wird das lichtempfindliche Bauelement 36 außer Wirkung gesetzt, wenn der Lichtemitter 34 wirksam wird.
Mit anderen Worten, durch herkömmlichen Techniken wird der Lichtdetektor. 36 jedesmal dann abgeschaltet, wenn die licht-emittierende Diode 34 eingeschaltet ist. Nach einer anderen Methode, die zum Zwecke gleichzeitiger Übertragung von Signalen in beiden Richtungen verwendet werden kann, wird das Signal von der licht-emittierenden Diode in die
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optische Faser 30 auf einem Trägersignal bei einer Frequenz eingegeben, die von dem lichtempfindlichen Bauelement 36
nicht aufgenommen werden kann. Dies gelingt durch ein herkömmliches Filter oder eine Abstimmeinrichtung.
Der Teil des Signals, der in die optische Faser 32 eindringt, wird von letzterer zu einer entfernten Stelle übertragen· Es ist zu beachten, daß die optischen Fasern 30 und 32 aus irgendeinem Kunststoff oder Glas hergestellt se.in
können und daß die optischen Fasern 30 und 32 jeweils einen Kern 46 und einen Mantel/mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufweisen. Es ist daher zu sehen, daß eine einfache Kopplungsvorrichtung eine Signalübertragung in zwei
Richtungen über eine einzige optische Faser 32 ermöglicht.
Der Übergang an den Endflächen 42 und 44 der Fasern 30 bzw. 32 ergibt einen beträchtlichen Lichtverlust, der jedoch ohne weiteres in den meisten Massenanwendungen von Faseroptiken
tolerierbar ist. Beträchtliche Einsparungen werden aufgrund der einfachen Installation von nur einer einzigen optischen Faser und aufgrund fehlender Ausrichtprobleme erreicht. Beachtlich ist noch, daß eine ähnliche faseroptische Kopplungsvorrichtung am entgegengesetzten Ende der Faseroptik 32 vorgesehen ist, welche sowohl zum Übertragen als auch zum Emp— fangen von Signalen am anderen Ende der optischen Faser
dient.
Eine alternative faseroptische Kopplungsvorrichtung ist bei 50 in Fig. 4 gezeigt.
Die Kopplungsvorrichtung 50 weist grundsätzlich ein Gehäuse 52 vorzugsweise aus Glas mit einem Glasmantel 54 auf, der
das Gehäuse über die Gesamtlänge überzieht. Der Glasmantel
hat vorzugsweise einen anderen Licht-Brechungsindex, so daß das Licht durch das stirnseitige Ende austreten muß, an
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welchem ein .lichtempfindliches Bauelement am Gehäuse 52 befestigt ist.
Das Gehäuse 52 wird durch eine längsverlaufende Öffnung durchzogen. Eine erste optische Faser 56 ist in der längsverlaufenden Öffnung 60 an einem Ende des Gehäuses 52.befestigt. Eine zweite optische Faser 58 ist am entgegengesetzten Ende der Öffnung vorgesehen, und diese optische Faser erstreckt sich über das Gehäuse hinaus bis zu einer entfernten Stelle und ist mit der optischen Faser 56 auf Stoß zusammengesetzt.
Die das Gehäuse 52 durchsetzende Öffnung 60 ist an dem der optischen Faser 58 zugeordneten Ende erweitert, so * daß eine optische Faser 58 mit einem größeren Durchmesser in Verbindung mit einer optischen Faser 56 .eines kleineren Durchmessers verwendet werden kann.
Die optische Faser 56 hat eine erste Stirnfläche 66, welche mit der Stirnwand des Gehäuses 52 ausgefluchtet ist, und eine zweite Stirnfläche 68, welche mit dem Kern der optischen Faser 58 auf Stoß angeordnet ist. Die optische Faser 58 hat eine Stirnfläche 70, welche gegen die Stirnfläche 56 der ersten optischen Faser 56 stößt, so daß durch die optische Faser 56 emittiertes Licht bei sehr geringen Verlusten am Faserübergang in die optische Faser 58 eingeleitet wird·
Das Gehäuse 52 wird vorzugsweise durch Ausziehen eines Glasstabes, Abschneiden des Stabes in einer vorgegebenen Länge und danach Ausbildung der das Gehäuse in Längsrichtung durchziehenden Öffnung 60 hergestellt. Das die Faser größeren Durchmessers aufnehmende Gehäuseende wird in ein Säurebad, z.B. ein Flußsäurebad eingetaucht, um Material an dem zugehörigen Ende des Gehäuses 52 wegzuätzen· Dadurch wird auch die Öffnung 60 auf den erweiterten Durchmesser im
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Abschnitt 62 gebracht. Auf diese Weise erhält man einen bei 72 reduzierten Durchmesser des Gehäuses 52 und einen bei auf den größeren Durchmesser erweiterten Öffnungsabschnitt 62.
Am Ende 66 der optischen. Faser 56 ist eine licht-emiitLerende Diode 76 dersrt befestigt, daß ihr lieht-emlttierenderTeil mit dem Kern der optischen Faser 56 zum Zwecke einer maximalen Lichteinführung in die optische Faser 56 ausgerichtet ist.
Direkt unterhalb der licht-emittierenden Diode 76 ist ein lichtempfindliches Bauelement, das vorzugsweise einen Photodetektor 78 enthält, angeordnet, das dasjenige Licht auffängt, das am Übergang zwischen der optischen Faser 56 und der optischen Faser 58 verloren geht.
in
Der Photodetektor 78 ist/geeigneter Weise an der Stirnwand des Gehäuses 52 neben der licht-emittierenden Diode 76 beispielsweise mit Hilfe eines Haftmittels oder Klebstoffs befestigt.
Die licht-emittierende Diode 76 ist über elektrische Leitungen 80 mit einer geeigneten Schaltung verbunden; das licht-empfindBche Bauelement 78 ist über elektrische Leitungen 82 mit einer Schaltung verbunden.
Die optische Faser 56 ist vorzugsweise mit Hilfe eines geeigneten Klebstoffs zwischen ihrem Außenumfang und der Innenwand der Öffnung 60 befestigt. In ähnlicher Weise ist das Ende der optischen Faser 58 in geeigneter Weise durch Kit bzw. Klebstoff mit der optischen Faser 56 fest verbunden und ebenfalls mit den Wänden des Abschnitts 62 der Öffnung 60.
Der intime Kontakt zwischen den optischen Fasern 56 und 58
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bewirkt, daß praktisch kein Übertragungsverlust von der Faser 56 zu der Faser 58 auftritt. Durch Füllen des Hohlraums 64 mit einer Flüssigkeit oder einem Feststoff mit starken Absorptionseigenschaften bei Wellenlängen des Infrarot-Bereichs, in welchem Licht vom Lichtemitter 76 abgegeben wird, wird nur wenig des Lichtverlusts der Diode 76 vom lichtempfindlichen Bauelement 78 aufgenommen. Das lichtabsorbierende Material kann auch zwischen dem lichtempfindlichen Bauelement und der Seitenwand des.. Gehäuses 52 angeordnet werden, um zu verhindern, daß . Licht bei einer vorgegebenen Wellenlänge vom lichtempfindlichen Bauelement erfaßt wird.
Da es bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig„ 4 in der Lichtübertragungsrichtung von der licht-emittierenden Diode 76 über die optische Faser 56 zur optischen Faser am Übergang zwischen den optischen Fasern wegen einer Flüssigkeit mit starken Absorptionseigenschaften auf Licht im Mikrowellenlängenbereich in dem den Übergang zwischen den beiden optischen Fasern 56 und 58 umgebenden Raum 64 zu praktisch keinen Verlusten kommt, ist eine gleichzeitige Übertragung in beiden Richtungen ohne weiteres elektronisches Schalten in Bezug auf die Wechselbeziehung zwischen der licht-emittierenden Diode und dem lichtempfindlichen Bauelement 78 möglich.
Wenn im Hohlraum 64 eine Lösung aus Triäthylamin., das bei Wellenlängen von 0,9/1 m absorbierend wirkt, vorgesehen und die licht-emittierende Diode 76. auf eine Wellenlänge von 0,9^u m eingestellt wird, wird Streustrahlung am Übergang zwischen den optischen Fasern 56 und 58 von der Triäthylami η lösung absorbiert, wodurch verhindert wird, daß das Signal vom lichtempfindlichen Bauelement 78 aufgefangen wird. Die Lichtübertragung in der entgegengesetzten Richtung wird nicht beeinträchtigt,
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wenn die am entfernten Ende befindliche Lichtquelle, deren Licht über die optische Faser 58 übertragen wird, auf eine Infrarot—Wellenlänge von 0,8yu m eingestellt ist· Das von der entfernten Lichtquelle emittierte Licht wird von der Triäthylami η lösung nicht absorbiert und dadurch ohne weiteres zum lichtempfindlichen Bauelement 78 durchgelassen·
In ähnlicher Weise kann eine Lösung aus Äthanolamin im Hohlraum 64 vorgesehen sein· Das Äthanolamin . absorbiert . Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,8^u m· Bei Verwendung von Äthanolamin . sollte die licht-emittierende Diode 76 Licht bei einer Wellenlänge von 0,8yu m abgeben, während das von der entfernt angeordneten Diode abgestrahlte Licht eine Wellenlänge von 0,9/u m haben sollte, da Strahlung bei 0,9/1 m ohne weiteres durch die Äthanolamin .lösung in das Gehäuse 52 übertragen wird und vom lichtempfindlichen Bauelement 78 aufgefangen werden «kann.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die neue faseroptische Kopplungsvorrichtung zur kombinierten "Signalübertragung und -erfassung unter Verwendung nur einer einzigen optischen Faser geeignet ist· Daten können also über die einzige optische Faser in zwei Richtungen übertragen werden. Bei beiden Ausführungsbeispielen kann das Gehäuse aus einem billigen Material hergestellt werden. Außerdem ist in beiden" Ausführungsbeispielen das Gehäuse aus einem Material, dessen Brechungsindex auf eine maximale Signalankopplung abgestimmt ist. ·
Die bei der Herstellung der Gehäuse in beiden Ausführungsbeispielen setzbare Methode des Ausziehens von Glas ermöglicht -hohe Produktionsgeschwindigkeiten und ist für den vorgesehenen Zweck besonders geeignet·
. 309815/0805
L e e r s e i t e

Claims (9)

  1. PATENTANWÄLTE ZEN2 & HE>J3ER · D A3OO t=fr.SEN 1 · Ato RÜHRSTEIN 1 ■ TEL.: (02O1) 4126 Seite -Χ'- Τ 80
    Ansprüche
    ..JFaseroptische Kopplungsvorrichtung zur kombinierten Signalübertragung und -erfassung, dadurch ge kennzeichnet, daß ein aus lichtdurchlässigem Material bestehendes Gehäuse (22, 24, 26; 52) von einem, langgestreckten Kanal (29; 60) durchzogen ist, in dessen einem Ende eine mit ihrem äußeren Ende mit einer Lichtquelle (34; 76) ausgerichtete erste optische Faser (30; 56) und in dessen anderem Ende eine zweite optische Faser (32; 58) befestigt sind, daß die beiden innen gelegenen Enden (42, 44; 68, 70) der beiden Fasern dicht beieinander liegen, jedoch so fehl-angepaßt sind, daß sich ein Licht— verlust zumindest von der zweiten optischen Faser (32; 58) zur ersten optischen Faser (30; 56) bei der Lichtübertragung von der zweiten zur ersten optischen Faser ergibt, und daß am Gehäuse ein lichtempfindliches Bauelement (Detektor
    36J; 78) befestigt ist, das auf vom Übergang (42, 70) zwischen 1 as» aus-
    den benachbarten Enden der beiden optischen Fasern gehendes Licht anspricht·
  2. 2. Kopplungsvorrichtung reich Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Faser (56) einen kleineren Durchmesser als die zweite Faser (58) hat, daß sich die Endfläche (68) der ersten Faser (56) in festem Kontakt und in Ausrichtung mit der Endfläche (70) der zweiten Faser (58) befindet, so daß im wesentlichen das gesamte Lichtoin der ersten Faser zur zweiten Faser hin übertragen wird, während ein Teil des Lichtes
    Z/fco·'
    80981S/0805
    in der zweiten Faser (58) zur ersten Faser (56) übertragen und der Rest dieses Lichts in das Gehäuse (52) fällt·
  3. 3. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen (42, 44) der ersten und zweiten Fasern (30, 32} nicht—parallel verlaufen, so daß der Übertragung zwischen den beiden Fasern (30, 32) Licht verloren geht,
  4. 4. Kopplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserenden von einem Hohlraum (64) umgeben sind, in welchem ein Licht bei einer speziellen Wellenlänge absorbierendes Material angeordnet ist, so daß von dem Übergang (70) zwischen den beiden optischen Fasern (56, 58) abgehendes Licht bei dieser Wellenlänge von dem Material absorbiert wird.
  5. 5· Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse wenigstens drei, an Umfangslinien parallel zusammengestellte und miteinander verbundene Stäbe (22, 24, 26) aufweist.und daß die ersten und zweiten Fasern (30, 32) in einem zwickeiförmigen Kanal (29) zwischen den Stäben und parallel zu letzteren angeordnet sind·
  6. 6. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Stab (26) eine abgeflachte Seite (37) hat, an welcher das lichtempfindliche Bauelement (36) nahe dem Übergang (42, 44) zwischen den ersten und zweiten Fasern (30, 32) befestigt ist·
  7. 7. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (52) aus einem klaren Material besteht.und mit einem das Gehäuse umschließenden
    S0981S/08Ö!
    28Λ1970
    Mantel versehen ist, dessen Brechungsindex von demjenigen des Gehäusematerials verschieden ist, um das Halten des Lichts innerhalb der optischen Fasern (56, 58) bis zur Erreichung des lichtempfindlichen·< Bauelements zu optimieren·
  8. 8. Kopp lungs voirLchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (22, 24, 26; 52) aus Glas besteht.
  9. 9. Kopplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Übergang (42, 44; 70) zwischen den ersten und zweiten Fasern (30, 32; 56, 58) und dem lichtempfindlichen Bauelement (36; 78) ein Material mit lichtabsorbierenden Eigenschaften vorgesehen ist·
    90981S/0805
DE19782841970 1977-09-30 1978-09-27 Faseroptische kopplungsvorrichtung Withdrawn DE2841970A1 (de)

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