DE3831322A1

DE3831322A1 - Detachable connection for optical fibres

Info

Publication number: DE3831322A1
Application number: DE19883831322
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Ing Heitmann
Original assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1988-09-15
Filing date: 1988-09-15
Publication date: 1990-03-29

Abstract

The invention relates to a detachable connection for single-mode fibres (monomode fibres) (1). Short pieces of a graded fibre (3) are spliced to the single-mode fibres (1). As a result, the light bundle at the coupling point has a larger diameter and the fibre ends are therefore easier to adjust. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine lösbare Verbindung für optische Fasern nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a detachable connection for optical Fibers according to the preamble of the main claim.

Eine wichtige Komponente der optischen Nachrichtentechnik sind optische Stecker, mit denen lösbare Verbindungen zwischen Lichtwellenleitern oder zwischen optischen Sendern bzw. Empfängern und einem Lichtwellenleiter hergestellt werden.An important component of optical communications technology are optical plugs with which detachable connections between Optical fibers or between optical transmitters or Receivers and an optical fiber are manufactured.

Eine solche realisierte Verbindung mit bekannten Steckern ist in der Fig. 1 dargestellt.Such a realized connection with known plugs is shown in FIG. 1.

Der zur Zeit hauptsächlich verwendete optische Standardstecker ist nach dem in Fig. 1 dargestellten Prinzip aufgebaut.The standard optical connector currently mainly used is constructed according to the principle shown in FIG. 1.

Die beiden Einmodenfasern (1) werden zentrisch in zylindrischen Steckerstiften (5) gehaltert und diese Stifte in einer Steckerkupplung (6) zusammengeschoben, bis sich die Stirnflächen auf einige µm genähert haben oder berühren. Bei Einmodenfasern (1), die heute fast ausschließlich in der optischen Nachrichtentechnik eingesetzt werden, hat der Modenfelddurchmesser - der etwa dem Kerndurchmesser der Faser entspricht - und damit der im wesentlichen lichtführende Bereich einen Durchmesser von etwa 10 µm. Damit im Stecker eine Verbindung mit geringer Dämpfung zwischen den Faserenden erreicht wird - typische Forderung sind Verluste unter 1 dB - müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. Die Zusammen führung der Faserendflächen muß mit hoher Präzision erfolgen. Die zulässigen Toleranzen liegen im Bereich von Zehntel µm, beim Abstand der Endflächen im µm-Bereich. Diese Toleranzen liegen an der Grenze der heutigen Fertigungstechnologie und müssen zudem über lange Zeiträume - möglichst 30 Jahre - und weite Temperaturbereiche etwa - 20°C bis 70°C - eingehalten werden. Weiter müssen die Faserendflächen frei von Verunreini gungen wie Fettfilmen und Staub gehalten werden und dürfen be sonders im Kernbereich nicht zerkratzt werden. Dabei können schon winzige, nur unter dem Mikroskop sichtbare Kratzer eine beträchtliche Dämpfungserhöhung verursachen. In beachtlichem Umfang treten an Steckern hohe Zusatzverluste auf (bis zu 3 dB und mehr). Ursachen sind sowohl Beschädigungen der Faserend flächen als auch mechanische Verschiebungen. Man kann davon ausgehen, daß die optische Steckverbindung in der jetzigen Form eine Schwachstelle in der optischen Nachrichtentechnik bilden wird, die zahlreiche Betriebsstörungen verursachen könnte.The two single-mode fibers ( 1 ) are held centrally in cylindrical connector pins ( 5 ) and these pins are pushed together in a connector coupling ( 6 ) until the end faces have approached or touch a few µm. In the case of single-mode fibers ( 1 ), which are used almost exclusively in optical communications today, the mode field diameter - which corresponds approximately to the core diameter of the fiber - and thus the essentially light-guiding region has a diameter of approximately 10 μm. In order for a connection with low attenuation between the fiber ends to be achieved in the connector - typical requirements are losses below 1 dB - certain requirements must be met. The fiber end faces must be brought together with high precision. The permissible tolerances are in the range of tenths of a µm, with the distance of the end faces in the µm range. These tolerances lie at the limit of today's production technology and must also be maintained over long periods - preferably 30 years - and wide temperature ranges of around - 20 ° C to 70 ° C. Furthermore, the fiber end surfaces must be kept free of impurities such as grease films and dust and must not be scratched, especially in the core area. Even tiny scratches that are only visible under the microscope can cause a considerable increase in damping. There are considerable additional losses on connectors to a considerable extent (up to 3 dB and more). The causes are both damage to the fiber end faces and mechanical displacements. It can be assumed that the optical connector in its current form will form a weak point in optical communications technology, which could cause numerous malfunctions.

Einen weiteren bekannten Stecker für optische Fasern zeigt Fig. 2. Bei diesem Stecker enthält jede Steckerhälfte eine Sammellinse von etwa 1 mm Durchmesser, in deren Brennpunkt die Faserendfläche angeordnet ist. Das Licht verläßt die eine Steckerhälfte als Parallelbündel von ca. 1 mm Durchmesser, wird von der zweiten Linse aufgefangen und auf den Faser eingang fokussiert. Vorteile des Linsensteckers sind wesentlich geringere mechanische Toleranzanforderungen der Steckerhälften gegeneinander. Der Abstand der Linsenendflächen ist unkritisch und kann so groß gewählt werden, daß ein Zerkratzen praktisch ausgeschlossen ist. Ein Staubkorn, das im Kernbereich einer Faser im Standardstecker völlige Undurchlässigkeit verur sachen würde, beeinflußt die Transmission bei 1 mm Licht bündelquerschnitt kaum. Nachteilig an diesem Stecker ist, daß zwei von der Herstellung her teuere Linsen benötigt werden, die sehr stabil gehaltert und präzise gegen die Faserend flächen justiert werden müssen. An diese Justierung werden hohe Anforderungen in Bezug auf Langzeit- und Temperatur stabilität gestellt. FIG. 2 shows another known connector for optical fibers . In this connector, each connector half contains a converging lens of approximately 1 mm in diameter, in the focal point of which the fiber end face is arranged. The light leaves one connector half as a parallel bundle of about 1 mm in diameter, is caught by the second lens and focused on the fiber input. Advantages of the lens connector are significantly lower mechanical tolerance requirements of the connector halves against each other. The distance between the lens end surfaces is not critical and can be chosen so large that scratching is practically impossible. A speck of dust, which would cause complete impermeability in the core area of a fiber in the standard connector, hardly influences the transmission with a 1 mm light beam cross section. The disadvantage of this connector is that two lenses are expensive to manufacture, which are held very stable and must be precisely adjusted against the fiber end surfaces. This adjustment places high demands on long-term and temperature stability.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, die Dämpfung bei Übergang von einer Faser in eine andere zu verringern und die Steckerjustierung zu vereinfachen, wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst. Weitere Ausge staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet.The problem underlying the invention, the damping Reduce transition from one fiber to another and The plug adjustment is simplified by the im Main claim characterized invention solved. Further Ausge Events of the invention are characterized in the subclaims draws.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is in the drawing shown and is described in more detail below.

Es zeigenShow it

Fig. 1 einen bekannten Standardstecker; Fig. 1 shows a known standard plug;

Fig. 2 einen bekannten Linsenstecker; Fig. 2 shows a known beam connector;

Fig. 3 einen Stecker gemäß der Erfindung. Fig. 3 shows a connector according to the invention.

Der prinzipielle Aufbau eines Gradientensteckers nach der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt.The basic structure of a gradient connector according to the invention is shown in Fig. 3.

An die beiden Endflächen (2) der Einmodenfaser (1) ist je ein kurzes Stück Gradientenfaser (3) mit gleichem Außendurchmesser angespleißt, angeklebt oder durch direkten physikalischen Kontakt angesetzt, welches das divergente Lichtbündel, das aus dem 10 µm Kerndurchmesser der Einmodenfaser austritt, in ein Parallelbündel mit erheblich größerem Durchmesser transfor miert. Es lassen sich dazu übliche Gradientenfasern mit 125 µm Außen- und 50 µm Kerndurchmesser verwenden. Vorteilhaft ist es jedoch, spezielle Gradientenfasern für die Gradientenstecker herzustellen. Diese Gradientenfasern dürfen keine zentrale Brechzahleinsenkung ("dip") in der Faserachse aufweisen, können also z. B. nach dem VAD-(Vapor Axial Deposition) Verfahren hergestellt sein. Der Kerndurchmesser beträgt 100 µm, der maximale Brechzahlunterschied zwischen Kern und Mantel ist etwa 0,5 bis 1%. Die Länge der angespleißten Gradientenfa sern (3) ist so gewählt, daß das Lichtbündel an der Ein- bzw. Austrittsstelle seinen größten Querschnitt hat und dazwischen parallel verläuft. Durch entsprechende Wahl der Brechzahldiffe renz zwischen Kern und Mantel ist die Länge des angespleißten Gradientenfaserstücks so festgelegt (z. B. 20-50 mm), daß die Einhaltung von Längentoleranzen unkritisch ist. Das Ab schneiden eines kurzen Faserstücks (einige cm mit parallelen Endflächen) ist schwierig. Wenn man jedoch zunächst ein längeres Stück Gradientenfaser anspleißt, läßt sich ohne Probleme ein zweiter Schnitt kurz hinter der Spleißstelle durchführen. A short piece of gradient fiber ( 3 ) with the same outside diameter is spliced, glued or attached by direct physical contact to the two end faces ( 2 ) of the single-mode fiber ( 1 ), which in the divergent light beam that emerges from the 10 µm core diameter of the single-mode fiber transformed a parallel bundle with a much larger diameter. Conventional gradient fibers with an outside diameter of 125 µm and a core diameter of 50 µm can be used. However, it is advantageous to produce special gradient fibers for the gradient connectors. These gradient fibers must not have a central dip in the fiber axis. B. by the VAD (Vapor Axial Deposition) process. The core diameter is 100 µm, the maximum difference in refractive index between core and cladding is about 0.5 to 1%. The length of the spliced gradient fibers ( 3 ) is chosen so that the light beam has its largest cross-section at the entry and exit points and runs parallel between them. By appropriate choice of the refractive index difference between the core and the cladding, the length of the spliced-on gradient fiber piece is determined (for example 20-50 mm) in such a way that compliance with length tolerances is not critical. Cutting off a short piece of fiber (a few cm with parallel end faces) is difficult. However, if you first spliced a longer piece of gradient fiber, you can easily make a second cut just behind the splice.

Spleißverluste zwischen Einmodenfasern liegen zur Zeit unter 0,1 dB. Eine Spleißverbindung zwischen einer Einmoden faser und einer Gradientenfaser mit 100 µm Kerndurchmesser läßt sich mit noch geringeren Verlusten herstellen. Gleiches gilt für Verbindungen über einen geeigneten optischen Kleber oder über direkten physikalischen Kontakt.There are currently splice losses between single-mode fibers below 0.1 dB. A splice connection between a single mode fiber and a gradient fiber with a core diameter of 100 µm can be produced with even lower losses. Same thing applies to connections using a suitable optical adhesive or via direct physical contact.

Die Gradientenfasern (3) werden wie beim Standardstecker über Stifte und Hülse auf eine Achse justiert, wobei der Abstand der Endflächen so groß gewählt wird, daß mechanische Beschädigungen sicher vermieden werden können.As with the standard connector, the gradient fibers ( 3 ) are adjusted on one axis using pins and a sleeve, the distance between the end faces being chosen so large that mechanical damage can be reliably avoided.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Apertur der austretenden Strahlung auf das 10-fache vergrößert. Deshalb sind die Toleranzanforderungen beim Zusammenfügen der Steckerhälften im Vergleich zum Standardstecker um den Faktor 10 vermindert. Die Endflächen der Fasern im Stecker nach der Erfindung können soweit voneinander entfernt sein, daß mechanische Beschädigungen durch Zerkratzen praktisch ausgeschlossen sind. Die Aperturfläche im Stecker nach der Erfindung beträgt das 100-fache im Vergleich zum Standardstecker - entsprechend geringer ist die Empfindlichkeit gegen Verschmutzung. Bei ideal zueinander justierten Stecker endflächen verbleiben im Gradientenstecker noch die Reflexions verluste (Fresnelverluste) an den beiden Endflächen von je etwa 0,15 dB. Diese Verluste lassen sich durch Entspiegelungs schichten noch deutlich verringern. Der Stecker nach der Erfindung ist auch für optische Systeme mit Wellenlängenmulti plex-Übertragung einsetzbar: Im Spektralbereich zwischen 1200-1700 nm ist die Brechzahländerung von Quarzglas (bzw. leicht dotiertem Quarzglas), aus dem sowohl die zur Zeit üblicherweise verwendeten Einmoden- als auch Gradientenfasern bestehen, gering. Deshalb sind auch die optischen Eigenschaften der Gradientenfasern 3 nur wenig von der Wellenlänge abhängig. Wenn man den Stecker nach der Erfindung für eine Wellenlänge in der Mitte des beabsichtigten Einsatzbereichs optimiert und die Reflexion mit einer Breitband-Entspiege lungsschicht vermindert, hat man einen Stecker zur Verfügung, der in einem breiten Wellenlängenbereich geringe Verluste aufweist.In the embodiment of the invention shown in FIG. 3, the aperture of the emerging radiation is enlarged 10 times. Therefore, the tolerance requirements when joining the connector halves are reduced by a factor of 10 compared to the standard connector. The end faces of the fibers in the connector according to the invention can be so far apart that mechanical damage due to scratching is practically excluded. The aperture area in the connector according to the invention is 100 times that of the standard connector - the sensitivity to contamination is correspondingly lower. If the connector end faces are ideally adjusted to one another, the reflection losses (Fresnel losses) of about 0.15 dB each remain in the gradient connector. These losses can be significantly reduced by anti-reflective coatings. The connector according to the invention can also be used for optical systems with wavelength multiplex transmission: in the spectral range between 1200-1700 nm is the change in the refractive index of quartz glass (or lightly doped quartz glass), from which both the single-mode and gradient fibers usually currently used exist, low. Therefore, the optical properties of the gradient fibers 3 are only slightly dependent on the wavelength. If one optimizes the plug according to the invention for a wavelength in the middle of the intended area of application and reduces the reflection with a broadband anti-reflection coating layer, one has a plug which has low losses over a wide wavelength range.

Eine andere Möglichkeit zur Ausschaltung der Reflexionsver luste besteht darin, den Raum zwischen den Endflächen 4 der Gradientenfasern 3 mit einem Medium gleicher Brechzahl wie im Kernbereich der Gradientenfaser 3 zu füllen. Dazu können sowohl Flüssigkeiten als auch Gele (gallertartige Pasten) verwendet werden.Another possibility for switching off the Reflexionsver losses is to fill the space between the end faces 4 of the gradient fibers 3 with a medium of the same refractive index as in the core area of the gradient fiber 3 . Both liquids and gels (gelatinous pastes) can be used for this.

Eine weitere Möglichkeit, die Reflexionsverluste zwischen den Endflächen 4 der beiden Gradientenfasern 3 zu reduzieren, besteht darin, daß die Endflächen 4 mit leichtem Druck in direkten physikalischen Kontakt gebracht werden. Zur Verbesse rung dieses Kontaktes ist es vorteilhaft, die Endflächen 4 mit einer leichten konvexen Krümmung (Kugelkalotte) zu versehen.Another possibility of reducing the reflection losses between the end faces 4 of the two gradient fibers 3 is that the end faces 4 are brought into direct physical contact with slight pressure. To improve this contact, it is advantageous to provide the end faces 4 with a slight convex curvature (spherical cap).

Claims

1. Detachable connection of single-mode fibers, preferably in plug form, characterized in that on the end faces ( 2 ) of the single-mode fibers ( 1 ) a piece of gradient fiber ( 3 ) with one of the single-mode fibers ( 1 ) corresponding outer diameter is attached.

2. Detachable connection, characterized in that the length of the gradient fiber ( 3 ) is selected so that the light bundle at the entry or exit point has maximum cross section and runs parallel.

3. Detachable connection according to claim 1, characterized in that the connection between the single-mode fiber ( 1 ) and the gradient fiber ( 3 ) is made by splicing.

4. Detachable connection according to claim 1, characterized in that the connection between the single-mode fiber ( 1 ) and the gradient fiber ( 3 ) is made by gluing.

5. Detachable connection according to claim 1, characterized in that the connection between the single-mode fiber ( 1 ) and the gradient fiber ( 3 ) takes place by physical contact.

6. Detachable connection according to claim 1, characterized in that a fiber with 100 µm core diameter and 125 µm outer diameter is used for the piece of gradient fiber ( 3 ).

7. Detachable connection according to claim 3, characterized in that the piece of gradient fiber ( 3 ) has a smooth course of the refractive index profile over the cross section without a central decrease in refractive index "dip" in the fiber axis.

8. Detachable connection according to one of the preceding claims, characterized in that the end faces ( 4 ) of the two gradient fibers ( 3 ) are non-reflective.

9. Detachable connection according to claim 1 to claim 5, characterized in that the gradient fibers ( 3 ) are optimized for the central wavelength of a spectral range.

10. Detachable connection according to claim 6, characterized in that the two end surfaces ( 4 ) of the gradient fibers ( 3 ) are non-reflective broadband.

11. Detachable connection according to claim 1 to claim 4, characterized in that the end faces ( 4 ) of the two gradient fibers ( 3 ) are interconnected via a medium of corresponding refractive index.

12. Detachable connection according to claim 8, characterized in that that the medium is an immersion liquid.

13. Detachable connection according to claim 8, characterized in that the medium is a gel.

14. Detachable connection according to claim 1 to claim 4, characterized in that the end faces ( 4 ) of the two gradient fibers ( 3 ) are connected to one another by direct physical contact.

15. Detachable connection according to claim 9, characterized in that the end faces ( 4 ) of the two gradient fibers ( 3 ) are provided with a slight convex curvature.