DE4308554A1

DE4308554A1 - Koppelanordnung für bidirektionale optische Nachrichtenübertragung unter Verwendung doppelbrechender Prismen

Info

Publication number: DE4308554A1
Application number: DE4308554A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Bolze
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1994-09-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Koppelanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Optische Signale, die auf zwei verschiedenen Glasfasern lau fen, können mit Hilfe von sogenannten 2 : 1-Kopplern auf einer Glasfaser vereinigt werden. Derartige 2 : 1-Koppler, die die Kopplung zwischen zwei Signalwegen auf der einen und einen Signalweg auf der anderen Seite bewirken, werden häufig mit tels symmetrischer Faserschmelzkoppler realisiert, bei denen über eine bestimmte Strecke zwei Glasfasern aneinander geschmolzen sind. Bei der 2 : 1-Kopplung werden dabei auf der einen Seite beide Faserenden als Eingänge verwendet, während auf der anderen Seite der Ausgangsanschluß nur mit einem der Faserenden verbunden ist. Die Leistung der Signale beider Fasern verteilt sich dabei - vollkommene Symmetrie vorausge setzt - gleichmäßig auf beide Ausgangsanschlüsse, da aber nur einer der Ausgangsanschlüsse beschaltet ist, geht die Hälfte der Eingangsleistung am nichtbeschalteten Anschluß verloren. Die beschriebenen 2 : 1-Koppler werden beim bidirektionalen Betrieb unter Verwendung der nominell gleichen Wellenlänge und beliebiger Polarisation empfangsseitig zur Auftrennung und sendeseitig zur Zusammenführung des Sende- und Empfangs signals, also des Signals der lokalen Laserdiode und des der Photodiode zuzuführenden Signals verwendet. Auch in diesem Falle halbiert sich die Leistung der jeweiligen Signale beim Durchgang durch einen symmetrischen 2:1-Koppler. Diese Leistungsminderung wurde beim Stande der Technik mittels stärkerer Laser und empfindlicherer Photodioden kompensiert, bei verzweigten optischen Netzen wurde auch eine Verminderung der Teilnehmerzahl und damit der Zahl der Leistungsverzwei gungen vorgenommen, um insbesondere mit geringeren Anforde rungen an die Empfängerempfindlichkeit auszukommen.

Die Aufgabe bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Koppelanordnung für bidirektionale optische Nachrichten übertragung mit der Wirkung eines 2 : 1-Kopplers anzugeben, die vergleichsweise geringe Verluste aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Koppelanordnung der eingangs erwähnten Art gelöst, die entsprechend dem Kenn zeichen des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.

Eine bevorzugte Ausbildung der erfindungsgemäßen Koppelanord nung ist im Patentanspruch 3 beschrieben, vorteilhafte Wei terbildungen enthalten die Patentansprüche 4 bis 7, die in vorteilhaft einfacher Weise auch Polarisationsmultiplex- oder Wellenlängenmultiplexbetrieb ermöglichen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Dabei zeigt:

Fig. 1 die Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Koppel anordnung,

Fig. 2 eine erste detaillierte Darstellung der erfindungsge mäßen Koppelanordnung mit dem Strahlenverlauf für das vom Lichtwellenleiter an die Koppelanordnung abgege bene Licht

Fig. 3 eine zweite detaillierte Darstellung der erfindungs gemäßen Koppelanordnung mit dem Strahlenverlauf für das von der Koppelanordnung an den Lichtwellenleiter abgegebene Licht,

Fig. 4 die Darstellung der erfindungsgemäßen Koppelanordnung mit zwei Laserdioden.

Die Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Koppelanordnung KA mit einem kombinierten Eingangs- und Ausgangsanschluß EA an einen Lichtwellenleiter von dem Licht mit einer ersten Leistung P₁ aufgenommen und an den Licht mit einer zweiten Leistung P₂ abgegeben wird. Die Koppelanordnung KA verfügt über zwei uni direktionale Anschlüsse, über den einen wird das vom Licht wellenleiter aufgenommene Licht mit der ersten Leistung P₁ an eine Photodiode PD abgegeben, über den zweiten unidirektiona len Anschluß wird das Licht einer ersten lokalen Laserdiode LD1 mit der Leistung P₂ von der Koppelanordnung KA aufgenom men. Für die weitere Betrachtung wird vorausgesetzt, daß die beiden Lichtsignale wenigstens angenähert gleiche Wellenlänge aufweisen, die Wellenlängen liegen also im gleichen optischen Fenster des Lichtwellenleiters, sie unterscheiden sich also nur im Rahmen der Exemplarstreuungen der verwendeten Laser dioden, beim Ausführungsbeispiel sind das einige 10 nm.

In der Fig. 2 ist die Koppelanordnung KA nach der Fig. 1 zusammen mit dem Strahlenverlauf für das vom Lichtwellenlei ter abgegebene Licht detaillierter dargestellt. Die Koppler anordnung enthält ein erstes und ein zweites handelsübliches doppelbrechendes Prisma PR1, PR2, zwischen denen ein handels üblicher Faraday-Rotierer FR angebracht ist. Die Prismen PR1, PR2 sind so angeordnet, daß deren brechende Kanten K1, K2 in entgegengesetzte Richtungen weisen, außerdem sind jeweils die dem Faraday-Rotierer zugewandten Seitenflächen der Prismen zueinander und zu den Stirnflächen des Faraday-Rotierers angenähert planparallel. An der dem Faraday-Rotierer FR abge wandten Seitenfläche des ersten Prismas PR1, die an die erste brechende Kante K1 angrenzt, ist über den Eingangs- und Aus gangsanschluß EA der Koppelanordnung der Lichtwellenleiter LWL angekoppelt. Entsprechend sind an der dem Faraday-Rotie rer FR abgewandten Seitenfläche des zweiten Prismas PR2, die an die zweite brechende Kante K2 angrenzt, die unidirektiona len Anschlüsse für die Photodiode PD und benachbart für die erste Laserdiode LD1 angekoppelt, wobei die zur Ankopplung verwendete polarisationserhaltende Faser um wahlweise etwa +5° oder etwa -5° zur x-Achse geneigt ist.

In der Fig. 2a sind die Polarisationsrichtungen a, b bzw. A, B für die sich aus dem vom Lichtwellenleiter abgegebenen Licht ergebenden beiden Komponenten in einem Koordinaten system dargestellt, in dem die x-, y- und z-Achse senkrecht aufeinanderstehen.

Die kristallografischen Achsen des ersten Prismas PR1 sind so ausgerichtet, daß bei der Aufteilung des vom Lichtwellenlei ter abgegebenen Lichtes in einen außerordentlichen und in einen ordentlichen Strahl die Komponente mit der ersten Pola risationsrichtung a der außerordentliche (ao) und die zweite Komponente mit der zweiten Polarisationsrichtung b der ordentliche (o) Strahl sind. Im Faraday-Rotierer FR werden die Polarisationsrichtungen a, b beider Komponenten um

45° + n·180° mit n = 0, 1, 2, . . . oder

135° + n·180° mit n = 0, 1, 2, . . .

gleichsinnig zu den Polarisationsrichtungen A bzw. B ver dreht.

Die Brechung an den Grenzflächen des Faraday-Rotierer FR führt außerdem zu einer Parallelverschiebung der beiden Kom ponenten a, b, die aber im vorliegenden Falle unwesentlich ist und deshalb nicht mit dargestellt wurde. Das zweite Pris ma PR2 ist nun so geschnitten, daß die Ausrichtung dessen kristallografischer Achsen dazu führt, daß die erste Kompo nente mit der ersten verdrehten Polarisationsrichtung A wie derum der außerordentliche Strahl und die zweite Komponente mit der zweiten nunmehr verdrehten Polarisationsrichtung B wiederum der ordentliche Strahl ist. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß für die erste und zweite Komponente mit den Polarisationsrichtungen a, b; A, B beide Prismen den gleichen Brechungsindex aufweisen. Bei Verwendung von Calcit- Prismen ergibt sich für die erste Komponente mit den ersten Polarisationsrichtungen a, A für beide Prismen ein Brechungs index von 1,45, während sich für die zweite Komponente mit den Polarisationsrichtungen b, B für beide Prismen der Bre chungsindex 1,62 ergibt. Damit ergibt sich aber insgesamt keine Richtungsänderung für das vom Lichtwellenleiter abgege bene Licht sondern nur eine Parallelverschiebung beider Kom ponenten.

Die Fig. 3 zeigt wiederum die erfindungsgemäße Koppelanord nung, der dargestellte Strahlenverlauf bezieht sich aber auf das von der lokalen Laserdiode erzeugte und in den Lichtwel lenleiter einzukoppelnde Licht. Die erste Laserdiode LD1 ist dazu über einen Polarisationsstrahlteiler PST und 2 polarisa tionserhaltende Fasern PEF1, PEF2 an das zweite Prisma PR2 angekoppelt. Dabei wird das Licht der Laserdiode vom Polari sationsstrahlteiler in eine dritte und in eine vierte Kompo nente mit einer dritten und einer vierten Polarisationsrich tung c, d aufgespaltet. Wie aus den Darstellungen der Polari sationsrichtung in Fig. 3a erkennbar, soll die dritte Kompo nente mit der dritten Polarisationsrichtung c im zweiten Prisma PR2 der ordentliche Strahl sein, während entsprechend die vierte Komponente mit der vierten Polarisationsrichtung d der außerordentliche Strahl a.o. ist. Die Polarisationsrich tungen der dritten und der vierten Komponente werden beim Durchlaufen durch den Faraday-Rotierer FR in die dritte und in die vierte verdrehte Polarisationsrichtung C, D verändert. Beim Durchlaufen durch das erste Prisma PR1 ist nun aber, wie auch aus der Fig. 3a ersichtlich die dritte Komponente mit der dritten verdrehten Polarisationsrichtung C der außeror dentliche Strahl a.o., während die vierte Komponente mit der vierten verdrehten Polarisationsrichtung D den ordentlichen Strahl o. darstellt.

Beim Ausführungsbeispiel ergibt sich unter Verwendung der erwähnten Calcit-Prismen für die dritte Komponente mit der Polarisationsrichtung c im zweiten Prisma PR2 ein Brechungs index von 1,62 und entsprechend für die vierte Komponente mit der Polarisationsrichtung d ein Brechungsindex von 1,45. Um gekehrt hat das erste Prisma PR1 für die dritte Komponente mit der dritten verdrehten Polarisationsrichtung C den Bre chungsindex 1,45, während sich für die vierte Komponente der Brechungsindex 1,62 ergibt. Im Gegensatz zum Strahlenverlauf nach Fig. 2, bei dem sich nur eine Parallelverschiebung ergab, werden die von rechts nach links verlaufenden Strahlen nach unten bzw. oben abgelenkt. Die Umlenkung ergibt sich dabei für einen Einfallswinkel von beispielsweise 30° bei einem Brechungsindex n=1,62 zu 18,6° und mit einem Brechungs index von n=1,45 zu 13,5°. Beim Strahlenverlauf nach Fig. 3 ergibt sich für den gewählten Winkel von 30° zunächst eine Ablenkung der dritten Komponente mit der Polarisationsrich tung c um 18,6 nach oben und dann im ersten Prisma PR1 um 13,5° nach unten, die Ablenkung insgesamt beträgt also 5° nach oben. Für die vierte Komponente mit der vierten Polari sationsrichtung d ergibt sich zunächst im zweiten Prisma PR2 eine Ablenkung um 13,5° nach oben und dann im ersten Prisma PR1 um 18,6 nach unten, so daß eine Ablenkung von 5° nach unten übrig bleibt. Am kombinierten Eingangs-Ausgangsanschluß EA weichen also die beiden Komponenten zueinander um etwa 10° ab.

Damit die beiden Komponenten mit den verdrehten Polarisa tionsrichtungen C und D verlustfrei in den Lichtwellenleiter gelangen, müssen die vom Polarisationsstrahlteiler abgegebe nen Komponenten c und d an der Seitenfläche des zweiten Prismas PR2 eine Neigung von etwa 5° nach oben bzw. nach unten aufweisen, so daß die Komponenten mit den verdrehten Polarisationsrichtungen C und D zueinander parallel aus dem Prisma PR1 austreten.

Dies wird in Fig. 4 verdeutlicht, in der der Strahlengang in der erfindungsgemäßen Koppleranordnung für beide Übertra gungsrichtungen in Form von Mittenstrahlen von parallelen Strahlenbündeln dargestellt ist. Während im Lichtwellenleiter und damit auch am Eingangs- und Ausgangsanschluß EA der Kop pelanordnung sämtliche Lichtstrahlen parallel laufen, ist nur das aus dem zweiten Prisma PR2 in Richtung auf die Photodiode PD austretende Strahlenbündel parallel. Der erste und der zweite Anschluß für die Laserdiode sind demgegenüber, je nach Polarisationsrichtung um einen bestimmten Winkel gegen die x- Achse geneigt anzuordnen. Das Licht muß dazu nach Stand der Technik mit einem entsprechend ausgerichteten Polarisations strahlteiler z. B. einem Glan-Thompson-Polarisator in die Kom ponenten c und d aufgeteilt und beispielsweise mit polarisa tionserhaltenden Fasern mit dem entsprechenden Winkel von +5,9° und -5,6° beim Ausführungsbeispiel gegen die x-Achse geneigt zum Prisma PR2 geführt werden. Da die Laserdiode linear polarisiertes Licht aussendet, ist es zweckmäßig, die LD so auszurichten, daß mit einer polarisationserhaltenden Faser nur Licht mit der Polarisationsrichtung c an die Kopp leranordnung und damit an das zweite Prisma angekoppelt wird. Somit ist nur ein Eingang in Fig. 4 belegt; an den zweiten Eingang kann eine zweite Laserdiode angeschlossen werden.

Unter der Voraussetzung, daß beide Laserdioden Licht mit annähernd gleicher Wellenlänge abgeben, kann die zweite Laserdiode beispielsweise als Ersatzlaser oder zur Kontrolle des Lichtwellenleiters verwendet werden. Weil die beiden Laserdioden so angeordnet werden, daß die Polarisation das Licht des einen Lasers orthogonal zu der des Lichts des ande ren Lasers ist, könnte durch entsprechende Ansteuerung eine derartige Anordnung für die Signalübertragung im Polarisa tionsmultiplex verwendet werden. Bei der Ansteuerung der bei den Laserdioden mit dem gleichen Signal ist eine Verdoppelung der Lichtleistung im Lichtwellenleiter und damit beispiels weise eine höhere Reichweite möglich. Es ist auch möglich, Laserdioden mit zueinander unterschiedlicher Wellenlänge aus zusuchen, die dann auch nicht im gleichen "optischen Fenster" bzw. spektralen Durchlaßbereich des Lichtwellenleiters liegen muß. Durch entsprechende Ansteuerung der beiden Laserdioden ergibt sich dann eine einfache Möglichkeit zur Signalübertra gung im Wellenlängenmultiplex.

Die beschriebene Vorrichtung dient für die Laserdiode gleich zeitig als optischer Isolator. Neben der verlustfreien Kopp lung verhindert die Vorrichtung somit, daß die Laserdiode durch Reflexionen aus dem Lichtwellenleiter gestört wird.

Von der Laserdiode und der Photodiode kann keine Strahlung in den Lichtwellenleiter reflektiert werden, das optische Fern nebensprechen läßt sich somit drastisch reduzieren.

Eine weitere Möglichkeit zur Ausnutzung der Koppelanordnung nach Fig. 4 ergibt sich durch Vertauschen der Anschlüsse von Photodiode PD einerseits und Laserdioden LD1, LD2 anderer seits. Die Anschlüsse für die beiden Laserdioden LD1, LD2 würden dann auf 2 kleinflächig oder eine großflächige Photo diode geführt. Da das vom Lichtwellenleiter stammende Licht beim Austritt aus dem zweiten Prisma PR2 eine Neigung von ca. 5° nach oben und nach unten aufweist, sind die beiden Photo dioden-Anschlußfasern entsprechend zu neigen.

Bei der Verwendung von 2 Photodioden, denen jeweils eine Kom ponente mit einer der beiden zueinander orthogonalen Pola risationsrichtungen zugeführt wird, ergibt sich in einfacher Weise ein Demultiplexer für im Polarisationsmultiplex auftre tendes Empfangslicht. Damit das von der Laserdiode stammende Licht vollständig in den Lichtwellenleiter gelangt, ist in diesem Fall ein Faraday-Rotierer mit einem Verdrehwinkel von

135° + n·180° mit n = 0, 1, 2, . . .

zu verwenden. Bei Weiterverwendung des Faraday-Rotierers mit dem Ver drehwinkel von

45° + n·180° mit n = 0, 1, 2, . . .

ist als zweites
Prisma PR2 ein in anderen kristallographischen Richtungen geschnittenes (Calcit-) Prisma zu verwenden.

Claims

1. Koppelanordnung für bidirektionale optische Nachrichten übertragung mit einem bidirektionalen Anschluß an einen Lichtwellenleiter und unidirektionalen Anschlüssen an eine Laserdiode und eine Photodiode, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erstes und ein zweites doppelbrechendes Prisma (PR1, PR2) vorgesehen sind, die parallel zueinander und im Abstand von einander so angeordnet sind, daß deren brechende Kanten (K1, K2) in entgegengesetzte Richtungen weisen, daß zwischen bei den Prismen (PR1, RP2) ein Faraday-Rotierer (FR) angeordnet ist, daß die dem Faraday-Rotierer (FR) unmittelbar benach barten Seitenflächen der Prismen zueinander planparallel sind und
daß an der dem Faraday-Rotierer (FR) abgewandten und an die erste brechende Kante (K1) angrenzenden Seitenfläche des einen Prismas (PR1) der Lichtwellenleiter (LWL) und an der entsprechenden Seite des anderen Prismas (PR2) eine erste Laserdiode (LD1) und die Photodiode (PD) angekoppelt sind.

2. Koppelanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Laserdiode (LD1) linear polarisiertes Licht aussendet und mit einer ersten polarisationserhaltenden Faser (PEF) an das zweite Prisma (PR2) angekoppelt ist.

3. Koppelanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei unbekannter oder frei wählbarer Polarisation des von der ersten Laserdiode (LD1) erzeugten Lichtes die erste Laserdiode (LD1) über einen Polarisationsstrahlteiler und 2 mit diesem gekoppelten polarisationserhaltende Fasern (PEF1, PEF2) an das zweite Prisma (PR2) angekoppelt ist.

4. Koppelanordnung nach Patentansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter an das erste Prisma (PR1) angekop pelt ist, daß die kristallographischen Achsen dieses Prismas (PR1) so ausgerichtet sind, daß die erste Komponente mit der ersten Polarisationsrichtung (a) des vom Lichtwellenleiter stammenden Lichtes der außerordentliche und die zweite Kompo nente mit der zweiten Polarisationsrichtung (b) der ordentli che Strahl für dieses Prisma sind, daß die Polarisationsrich tungen (a, b) beider Komponenten im Faraday-Rotierer (FR) eine gleichsinnige Drehung um 45° + n·180° oder 135° + n·180° mit n = 0, 1, 2, . . .erfahren und daß die kristallographischen Achsen des zweiten Prismas (PR2) so ausgerichtet sind, daß die erste Komponente mit der ersten verdrehten Polarisationsrichtung (A) der außerordentliche und die zweite Komponente mit der zweiten verdrehten Polarisationsrichtung (B) der ordentliche Strahl sind.

5. Koppelanordnung nach Patentansprüchen 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an das zweite Prisma (PR2) über eine zweite polarisa tionserhaltende Faser eine zweite Laserdiode LD2 angekoppelt ist, deren Licht annähernd die gleiche Wellenlänge wie das Licht der ersten Laserdiode (LD1) hat.

6. Koppelanordnung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der zweiten Laserdiode (LD2) gegenüber dem Licht der ersten Laserdiode (LD1) orthogonal polarisiert ist.

7. Koppelanordnung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Laserdioden (LD1, LD2) mit der gleichen Datensi gnalquelle verbunden sind.

8. Koppelanordnung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal so auf beide Laserdioden (LD1, LD2) aufgeteilt ist, daß sich im Lichtwellenleiter (LWL) im Pola risationsmultiplex moduliertes Licht ergibt.

9. Koppelanordnung nach Patentansprüchen 1, 2, oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an das zweite Prisma (PR2) über eine zweite Faser eine zweite Photodiode oder ein zweiter Teil der ersten Photodiode so angekoppelt ist, daß der Mittenstrahl das Licht der ersten Laserdiode (LD1) darstellt, während die beiden Komponenten des vom Lichtwellenleiter (LWL) stammenden Lichtes um +5° und um -5° gegenüber der x-Achse bzw. der Ebene geneigt aus dem zweiten Prisma (PR2) austreten.