DE3003059A1

DE3003059A1 - Gerichtete signalabzweigvorrichtung fuer lichtleitfasern

Info

Publication number: DE3003059A1
Application number: DE19803003059
Authority: DE
Inventors: Michael A Cross
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1979-01-29
Filing date: 1980-01-29
Publication date: 1980-07-31
Also published as: GB2040493A; GB2040493B; US4270839A; DE3003059C2; CA1125557A; JPS55102941A; JPS6328282B2

Description

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Gerichtete Signalabzweigvorrichtung für Lichtleitfasern

Die Erfindung betrifft eine gerichtete Signalabzweigvorrichtung für Lichtleitfasern mit einem einen Lichtleitfaserabschnitt mit einem transparenten Oberflächenbereich aufnehmenden rohrförmigen Lichtleiter, wobei der rohrförmige Leiter einen von der Lichtleitfaser weggerichteten Streuberich hat.

Die Anwendungstechnik für Lichtleitfasern hat einen offensichtlichen Bedarf für Signalabzweigvorrichtungen, um optische sich längs einer Lichtleitfaser ausbreitende Signale abtasten und feststellen zu können und zwar insbesondere bezüglich der Ausbreitungsrichtung.

Eine solche Signalabzweigvorrichtung soll einen äußerst einfachen mechanischen Aufbau und möglichst geringe Veränderungen an der Lichtleitfaser benötigen, jedoch soll andererseits die Möglichkeit geboten sein, den Koppelgrad über einen verhältnismäßig großen Bereich verstellen zu können. Diese gerichtete Signalab zweig vorrichtung soll insbesondere möglichst geringe Verluste in der Lichtleitfaser auslösen.

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Diese Aufgabe wird ausgehend von der eingangs erwähnten Signalabzweigvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtleitfaser vor dem transparenten Oberflächenbereich mit einer ein Lecksignal erzeugenden Krümmung versehen ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Lichtleitfaser in einem Radialschlitz im rohrförmigen Leiter angeordnet ist, und daß der Schlitz mit einem transparenten, die Lichtleitfaser einbettenden Medium ausgefüllt ist.

Für eine zweiseitig gerichtete Signalabzweigung ist ferner nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Lichtleitfaser einen weiteren Abschnitt mit einem transparenten Oberflächenbereich hat, neben welchem eine zweite, ein Lecksignal in entgegengesetzter Richtung erzeugende Krümmung angeordnet ist, und daß der zweite transparente Oberflächenbereich in einem zweiten rohrförmigen Leiter eingebettet ist.

Die Erfindung wird besonders vorteilhaft bei einer Signalab zweig Vorrichtung verwirklicht, welche eine gepufferte, mit geringen Verlusten behaftete sowie aus Siliciumdioxyd hergestellte Multimode fas er verwendet, welche zur Zeit in großem Umfang produziert wird. Dabei kann es sich um eine Lichtleitfaser vom Sprungindextyp oder vom Gradientenindextyp handeln. An der Lichtleitfaser sind keine permanenten Lichtveränderungen erforderlich, außer dem Abziehen der schützenden Puffermantelschicht, was verhältnismäßig einfach möglich ist. Das Abzweigen eines Signals wird durch das Verbiegen der Lichtleitfaser erreicht, wodurch ein bezüglich des abgegebenen Signals gerichteter Leckbereich entsteht. Das austretende Signal wird in einem rohrförmigen Lichtleiter

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eingefangen, der über einen gekrümmten Abschnitt zu einem Signaldetektor führt. Das erwünschte Lecksignal wird durch das Einstellen einer Biegespannung erhalten, aufgrund welcher sich die Faser um einen bestimmten Grad an einer bestimmten Stelle verbiegt. Die Größe des Lecksignals hängt proportional von der Biegespannung ab. Diese Biegespannung wirdauf einem sicheren Niveau gehalten, um ein mögliches Brechen oder auch um Signalverluste bezüglich des Hauptsignals zu vermeiden. Da in der Anwendung sich häufig die Situation ergibt, daß nur für eine bestimmte Zeitdauer eine Abzweigung erforderlich ist, sieht die Erfindung vor, daß die das Lecksignal erzeugende Krümmung nicht nur einstellbar sondern auch wieder zurücknehmbar ist. Durch diese Maßnahmen werden unnötige Verluste und auch jede Tendenz vermieden, daß sich die Lichtleitfaser im gekrümmten Bereich kaltverformt, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer führen kann. Für eine kontinuierliche Signalabzweigung kann es im Interesse der Erhaltung der Lebensdauer wünschenswert sein, daß nur eine verringerte Auskopplung stattfindet.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Aus führungs bei spielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine Signälabzweigvorrichtung für einseitig

gerichtete Lichtleiter signale in perspektivi

scher Ansicht,

Fig. 2 einen Teilschnitt mit eingezeichneten Reflexionswegen für die Signalab zweigvorrichtung gemäß Fig. 1,

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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines kon

struktiven Details einer Signalabzweigvorrichtung,

Fig. 4 eine Signalabzweigvorrichtung für zwei

seitig gerichtete Lichtleiter signale,

Fig. 5 einen Teilschnitt durch die Signalabzweigvorrichtung gemäß Fig. 4, 10

Fig. 6 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Dar

stellung gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine Signalabzweigvorrichtung für zwei-

seitig gerichtete Lichtleitersignale für einen

Lichtleitfaser-Entfernungssimulator.

In Fig. 1 ist eine Signalabzweigvorrichtung für einseitig gerichtete Lichtleitersignale mit einer Lichtleitfaser 1 gezeigt, die als gepufferte Lichtleitfaser mit einer Kunst stoff ummantelung aufgebaut sein kann und in einem Leckbereich 2 übermäßig stark gebogen ist, um einenTeil des in Richtung des Pfeiles 3 sich ausbreitenden Lichtleiter signals durch die Mantelfläche der Lichtleitfaser radial austreten zu lassen. Von dem geradlinigen Abschnitt 4 der Lichtleitfaser, welche an den Leckbereich 2 anschließt, ist die Pufferschicht abgezogen und dieser Abschnitt von einem rohrförmigen Lichtleiter 5 ummantelt. Dieser rohrformige Lichtleiter 5 geht in einen gekrümmten Abschnitt 6 über, der an den geradlinigen Abschnitt 4 anschließt und führt von der Lichtleitfaser 1 weg in einen optischen Koppler, der einen optischen Signaldetektor umfaßt.

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Die durch den Leckbereich 2 ausgelösten und aus der Lichtleitfaser 1 austretenden Lecksignale dringen in den rohrförmigen Lichtleiter 5 ein, der diese Lecksignale zum optischen Detektor 7 weiterleitet. Die im Leckbereich 2 vorgesehene Krümmung der Lichtleitfaser wird derart ausgewählt, daß das Lecksignal über der Empfindlichkeitsschwelle des optischen Signaldetektors liegt, wobei jedoch das sich über die Lichtleitfaser 1 ausbreitende Hauptsignal nicht unzulässig stark gedämpft werden darf.

im Interesse einer verwertbaren Signalprobe sollte der Brechungsindex N des rohrförmigen Lichtleiters 5 einen Werte gleich oder geringfügig größer als der Brechungsindex N₀ der Mantelschicht der Lichtleitfaser 1 haben. Die Abzweigung von sich nicht ausbreitenden Strahlen aus der Lichtleitfaser 1 in den rohrförmigen Lichtleiter 5 ist in Fig. 2 dargestellt, wobei sich dieser Vorgang in dem geradlinigen Abschnitt 4 abspielt, der unmittelbar an den Leckbereich 2 anschließt. Man kann erkennen, daß die den Lichtstrahlen eigene Ausbreitungsrichtung auch für das in den rohrförmigen Lichtleiter 5 eingekoppelte Lecksignal erhalten bleibt. Der Einfachheit halber werden meridionale Strahlen dargestellt, jedoch verhalten sich auch schräge Strahlen in derselben Weise. Die gestrichelten Linien kennzeichnen Partialreflexionen der Lichtstrahlen an den Grenzschichten, an welchen keine exakte Anpassung der Brechungsindices gegeben ist. Diese Partialreflexionen treten schließlich aus der Lichtleitfaser 1 aus und werden in dem rohrförmigen Lichtleiter 5 eingefangen und gehalten.

Ein in den geradlinigen Abschnitt 4 der Lichtleitfaser 1 von links eintretendes optisches Signal wird schwach durch eine Aufwärts - Moden Wandlung in den rohrförmigen Lichtleiter 5 eingekoppelt. Diese

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Energie kann jedoch im wesentlichen durch eine optisch schwarze Endfläche 10 neben dem Leckbereich 2 der Lichtleitfaser 1 absorbiertwerden. Die Lecksignalanteile durch die Aufwärts-Moden-Wandlung tendieren dazu die Lichtleitfaser 1 im Leckbereich 2 zu verlassen, jedoch werden sie von der in dies em Bereich auf der Lichtleitfaser angebrachten Pufferschicht absorbiert. Die Richtwirkung der Signalabzweigvorrichtung wird in einem solchen Umfang verstärkt, daß Streueffekte auf ein Minimum verringert werden und von links eindringende Energie im wesentlichen frei von Mantelschichtmoden ist. Die letztere Betrachtung wird wichtiger mit zunehmender Signalstärke, so daß es wünschenswert sein kann, ein nicht dargestelltes Modenfilter unmittelbar vor der Eintrittsstelle der Lichtleitfaser 1 in den rohrförmigen Lichtleiter 5 auf der linken Seite des geradlinigen Abschnittes 4 vorzusehen, wenn die Signalstärke verhältnismäßig groß ist.

In Fig. 4 ist eine zweiseitig gerichtete Signalabzweigvorrichtung für Lichtleitersignale dargestellt, bei der zwei einseitige Signalabzweigvorrichtungen gegeneinander geschaltet sind. Diese zweiseitige Signalabzweigvorrichtung hat zwei optische Signaldetektoren 7, die entsprechend zwei rohrförmigen Signalleitern 5 zugeordnet sind. Zwischen den beiden geradlinigen Abschnitten 4 der Signalabzweigvorrichtungen ist ein Leckbereich vorgesehen, in welchem die Lichtleitfaser 1 gegenläufig gekrümmt ist. Dadurch entstehen zwei Krümmungsbogen, von denen in einem Krümmungsbogen Lecksignale von dem Lichtleitersignal in der einen Ausbreitungsrichtung und im anderen Krümmungsbogen Lecksignale von Lichtleitersignalen in der entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung austreten. Diese S-förmige Verbiegung der Lichtleitfaser zwischen den Stirnseiten von zwei rohrförmigen Leitern 5 kann man durch eine auf die

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Achsen bezogene radiale Versetzung der beiden rohrförmigen Lichtleiter 5 erreichen, wobei die Lichtleitfaser 1 in den Achsen der beiden rohrförmigen Lichtleiter verläuft. Sowohl bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 als auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 kann die Verbiegung der Lichtleitfaser in dem Leckbereich 2 rückgängig gemacht werden, so daß die Signalausbreitung auf der Lichtleitfaser zu den sonst normalen Wirkungsgradniveaus erfolgt.

InFig. 3 ist eine konstruktive Lösung für den signalabzweigenden Teil dargestellt, bei welchem im rohrförmigen Lichtleiter 5 ein längsverlaufender Schlitz eingebracht ist, der sich von der äußeren Umfangsfläche bis zum Zentrum des rohrförmigen Lichtleiters und über dessen gesamte Länge des geradlinigen Abschnittes 4 erstreckt.

Nachdem die optische Lichtleitfaser 1 mit abgezogener Pufferschicht in den Schlitz eingelegt ist, wird dieser mit einem Material ausgefüllt, dessen Brechungsindex zwischen dem der äußeren Mantelschicht der Lichtleitfaser 1 und der des rohrförmigen Lichtleiters 5 liegt. Eine typische Mantelschicht aus Siliciumdioxid hat einen Brechungsindex von etwa 1,46, wogegen der Brechungsindex eines Borsilikatglases (BK7) für den rohrförmigen Lichtleiter 5 einen Brechungsindex von 1, 5 haben würde. Die Verwendung eines nachgiebigen Koppelmediums 12 mit einem Brechungsindex von 1,48 würde unter diesen Umständen als geeignet erscheinen. Ein solches nachgiebiges Koppelmedium kann ein Aethylen/Vinylacetat-Kunstharz vom Typ Dupont Alvac Xl 50 sein, was in wässriger Lösung aufgebracht werden kann. Dieses Materialhat eine Adhäsionswirkung und hält die Lichteitfaser 1 im Schlitz des rohrförmigen Lichtleiters 5 in der vorgesehenen Position fest. Durch die Nachgiebigkeit (Härtezahl 65) ergibt sich eine federnde Abstützung für den

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Leckbereich 2 der Lichtleitfaser' 1. Das nachgiebige Koppelmedium 12 hat somit den Vorteil, daß es eine extreme Spannungsbeanspruchung im Krümmungsbereich der Lichtleitfaser vermeidet. Dies ist in Fig. 6 zeichnerisch dargestellt, indem in einem Ausschnitt der S-förmige Krümmungsbereich der Lichtleitfaser zwischen den beiden Stirnseiten der rohrförmigen Lichtleiter 5 gezeigt ist. Die rohrförmigen Lichtleiter sind so eingelegt, daß sich der mit dem nachgiebigen Koppelmedium 12 gefüllte Schlitz jeweils in entgegengesetzten Richtungen erstreckt, wobei sich das Koppelmedium auf derjenigen Seite der Lichtleitfaser befindet, welche bei der Krümmung eine Verkürzung erfährt. Die Krümmung wird durch eine radiale Versetzung der beiden rohrförmigen Lichtleiter bewirkt, wobei es auch wünschenswert sein kann, daß eine geringfügige axiale Versetzung zwischen den beiden rohrförmigen Lichtleitern vorgesehen wird, um die in der Lichtleitfaser während einer solchen radialen Versetzung auftretende Spannung zubegrenzen.

Die vorgeschlagene Versetzung der Lichtleiter bei einer zweiseitig gerichteten Signalabzweigvorrichtung gemäß den Fig. 4 und 6 erfolgt vorzugsweise in einer Vorrichtung, in welcher der eine rohrförmige Lichtleiter starr festgehalten ist und der andere rohrförmige Lichtleiter dazu eine relative Verschiebung ermöglicht. Dies kann mit Hilfe einer Anordnung gemäß Fig. 5 erfolgen, bei der der linksseitige rohrförmige Lichtleiter 5 innerhalb einer zentralen Bohrung 13 eines starren zylindrischen Teiles 14 fixiert ist, wogegen der andere rohrförmige Lichtleiter 5 sowohl in radialer als auch in axialer Richtung innerhalb eines Hohlraumes 15 in dem zylindrischen Teil 14 verschieden positioniert werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Stellschraube 16 vorgesehen, welche auf eine Ausgleichsplatte 17 wirkt und über diese

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den Rohrleiter gegen eine federnd nachgiebige Unterlage drückt. Diese Unterlage 18 kann nach einem Zusammendrücken die ursprüngliche Form wieder annehmen und bringt daher den rechtsseitigen rohrförmigen Lichtleiter 5 wieder in seine Ausgangslage, nämlich in eine auf den anderen Rohrleiter ausgerichtete Position zurück, wenn die Stellschraube 16 nicht mehr auf die Ausgleichsplatte 17 einwirkt. In dieser ausgerichteten Position liegt der rechtsseitige rohrförmige Lichtleiter 5 an einer Verlängerung 19 der Bohrung 13 an. Mit Hilfe von Kontermuttern 20 kann die Stellschraube 16 fixiert werden. Durch eine entsprechende Wahl der Länge der Stellschraube 16 ist es möglich, die maximale radiale Versetzung des rechtsseitigen rohrförmigen Lichtleiters 5 und damit die Krümmung der Lichtleitfaser 1 zu begrenzen, indem nämlich die Stellschraube mit ihrem Kopf an den Kontermuttern 20 zur Anlage kommt. Der optimale anfängliche Abstand der Stirnseiten der Lichtleiter wird hauptsächlich durch mechanische Einflüsse bestimmt. Ein möglichst kleiner Abstand ist wünschenswert, um die optischen Leckverluste aufgrund der kürzeren Faserlänge zwischen den Stirnseiten zu minimalisieren. Es wird vorgeschlagen, die rohrförmigen Lichtleiter mit einem Durchmesser von etwa 2, 5 mm aus einem BK7-Glas herzustellen, das auf der Außenseite im Interesseeiner Totalreflexion für alle Reflexionswinkel metallisiert ist. Bei diesemDurchmesser des rohrförmigen Lichtleiters können Detektoren unter Verwendung von PIN-Dioden bequem angebracht werden, da die empfindlichen Bereiche dieser Diode etwa vergleichbare Durchmesser haben. Der Schlitzen welchem die Lichtleiterfaser 1 verläuft und der mit dem nachgiebigen Koppelmedium 12 ausgefüllt ist, kann mit Hilfe einer Diamantsäge bei verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit eingeschnitten werden, wobei eine Schlitzbreite in der Größenordnung von etwa 0, 3 mm bis etwa

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O, 35 mm Verwendung finden können, um herkömmlich verfügbare Lichtleiterfasern bequem aufzunehmen, die üblicherweise einen Fas er durchmesser in der Größenordnung von etwa 0,12 mm haben.

Es ist auch möglich für die Herstellung einer Signalabzweigung eine Lichtleitfaser mit einer transparenten Pufferschicht zu verwenden, womit die Notwendigkeit entfällt, die Pufferschicht von dem Teil der Lichtleitfaser zu entfernen, der in dem rohrförmigen Lichtleiter verläuft. Ein Schlitz der oben angegebenen Breite ist in der Lage, auch diese Fasern aufzunehmen, wobei derartige Lichtleitfasern den Vorteil haben, daß sie über die ganze Länge einen ungestörten Schutz der Faseroberfläche besitzen.

InFig. 7 ist ein Anwendungsbeispiel für die zweiseitig gerichtete Signalabzweigvorrichtung gemäß Fig. 4 für einen eine Lichtleitfaserverwendenden Entfernungssimulator beschrieben. Ein . optisches Signal wird am eingangs seitigen Ende 25 in die Lichtleitfaser eingekoppelt und verläuft durch diese Lichtleitfaser über den Verzögerungsabschnitt 26 bis zum Spiegel27 undnach einer Reflexion an diesem Spiegel 27 wieder zurück zum eingangs seitigen Ende 25 der Lichtleitfaser. Dadurch werden optische Echoinformationen für Prüfzwecke erzeugt. Mit Hilfe der zweiseitig gerichteten Signalabzweigvorrichtung gemäß Fig. 4 sowie der Lichtleitfaser können sowohl eingegebene als auch reflektierte optische Impulse mit Hilfe der entsprechenden optischen Lichtdetektoren 7 abgetastet werden. Derartige Informationen werden verwendet, um Testeinrichtungen zu eichen. Das gemessene Zeitintervall zwischen dem Auftreten der Aus gangs signale an den Detektoren 7 sowie die Kenntnis der Länge des Leckbereiches zwischen den Stirnseiten der beiden rohrförmigen Lichtleiter ermöglicht eine

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einfache Eichung der aus der Lichtleitfaser bestehenden Verzögerungsleitung 26. Die Möglichkeit, die optische Charakteristik der Verzögerungsleitung abzutasten, kann auch für die Überwachung und die Beurteilung der Charakteristiken der Lichtleitfaser.

z.b. der Impulsdispersion,verwendet werden. Grundsätzlich dieselbe Anordnung für die zweiseitig gerichtete Signalabzweigvorrichtung kann auch für die Lokalisierung von Übertragungsfehlern durch das Impulsreflexionsverfahren bei Lichtleitfasern Verwendung finden. Für die beiden erwähnten Anwendungs fälle würde die Signalabzweigvorrichtung üblicherweise an demjenigen Ende der Lichtleitfaser angebracht werden, an welchem die Abfrageimpulse verhältnismäßig groß sind. Es können daher unerwünschte Mantelschichtmoden bei der Signalausbreitung existieren, jedoch sollten diese durch Modenfilter beseitigt werden.

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Leerseite

Claims

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FLEUCHAUS & WEHSER ^^ Γ

PATENTANWÄLTE ^tmnwm

Professional representatives before Telegramm: Transmarkpatent, München

the European Patent Office _DIPl..,_NG. wulf wehser

3000 Hannover 1
<£· 0511-321449

München, den 25. 01. 1980

Eigenes Zeichen:

WS199P-2072

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation
Westinghouse Building Gateway Center Pittsburgh, PA 15222 V. St. A.

PATENTANSPRÜCHE

1, J Gerichtete Signalabzweigvorrichtung für Lichtleitfasern, mit einem einen Lichtleitfaserabschnitt mit einem transparenten Oberflächenbereich aufnehmenden rohrförmigen Lichtleiter, wobei der rohrförmige Leiter einen von der Lichtleitfaser weggerichteten Streubereich hat, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Lichtleitfaser (i) vor dem transparenten Oberflächenbereich mit einer ein Lecksignal erzeugenden Krümmung versehen ist.
2. Gerichtete Signalabzweigvorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Lichtleitfaser (1) in einem Radialschlitz im rohrförmigen Leiter (5) angeordnet ist, und

- daß der Schlitz mit einem transparenten, die Lichtleitfaser einbettenden Medium ausgefüllt ist.

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Gerichtete Signalabzweigvorrichtung nach Anspruch oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Lichtleitfaser einen weiteren Abschnitt mit einem transparenten Oberflächenbereich hat, neben welchem eine zweite, ein Lecksignal in entgegengesetzter Richtung erzeugende Krümmung angeordnet ist, und

- daß der zweite transparente Oberflächenbereich in einen zweiten rohrförmigen Leiter eingebettet ist.

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