DE4243057A1 - Fibre=optic power divider and combiner with hyperbolic lens - provides bidirectional plane wave transmission between plane faces of single lens and array of aligned microlenses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft faseroptische Systeme. Mehr im einzel­ nen betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zum Verteilen von Licht in faseroptischen Systemen.

Obzwar die Erfindung hier anhand beispielhafter Ausführungs­ formen für besondere Anwendungen beschrieben wird, versteht es sich, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Die Fachleute und diejenigen, die Zugang zu den hier gelieferten Lehren haben, werden zusätzliche Abwandlungen, Anwendungen und Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung erkennen und zusätzliche Gebiete, in welchen die Erfindung von bedeutender Nützlichkeit wäre.

Optische Technik findet breite Anwendung in Digital- und Hochfrequenz-Nachrichtensystemen. Ein faseroptisches Vertei­ lungsnetz kann die Kanalkapazität wesentlich erhöhen und sei­ nen Gewichts- und Größenbedarf vermindern. Faseroptische Ver­ teilungsnetze umfassen typisch einen optischen Leistungstei­ ler oder -vereiniger als Schlüsselkomponente.

Optische Leistungsteiler und -vereiniger koppeln Lichtwellen zwischen Verteilungsfasern und Bündeln von Fasern. In der Vergangenheit gewöhnlich verwendete Lichtwellenkopplungssy­ steme umfassen Serien- und Parallelkonstruktionen zum Über­ tragen optischer Information auf einem optischen Träger. Ein Beispiel eines Serien-Lichtwellenkopplers ist die serienge­ speiste Seitenwandkopplungsvorrichtung. Diese Lichtwellen- Leistungsverteilungsvorrichtung umfaßt einen Serienlichtlei­ ter mit einer Mehrzahl von Lichtabgriffspunkten über die Länge des Lichtleiters. In der Praxis wird die optische Ener­ gie entlang dem Lichtleiter oder optischen Wellenleiter se­ quentiell abgegriffen.

Wegen der Serienkonstruktion hängt die optische Energie am Ausgangsende des Lichtleiters ab von der optischen Energie am Eingang des Lichtleiters und der Anzahl von dazwischengelege­ nen Abgriffspunkten. Ferner ist das von einem bestimmten Ab­ griffspunkt abgezogene optische Signal phasenverschoben gegen das von jedem anderem Abgriffspunkt abgezogene Signal. Eine Phasenverzögerung zwischen den Abgriffspunkten ist vorhanden, da es typisch eine diskrete Zeitverzögerung gibt, die mit dem Abgreifen optische Energie an jeden individuellen Abgriffs­ punkt aufgrund der Serienkonstruktion verknüpft ist. Infolge­ dessen erzeugt die seriengespeiste Seitenwandkopplungsvor­ richtung optische Ausgangssignale mit ungleicher Amplitude und Phase aufgrund von Dämpfung und Wechselwirkung entlang der Abgriffspunkte des Lichtleiters.

Ein Beispiel für einen parallelen Lichtwellenkoppler umfaßt ein Doppelphasengitter für Sternkoppler. Das Gitter kann ge­ bildet sein aus einem geordnetem periodischen Muster von Strichen auf einer oder beiden Seiten eines planaren opti­ schen Transmissionsmediums. In jedem Fall erzeugen die Gitter ein Streuen oder Zerstreuen des durch das Transmissionsmedium durchgelassenen Lichtes oder von ihm reflektierten Licht an periodischen Punkten. Die Lichtstreuung bildet Streumuster, welche abwechselnde helle und dunkle Flecken erzeugen. Ein optischer Empfänger wie zum Beispiel ein Faserbündel ist ty­ pisch so positioniert, daß er die hellen Flecken auffängt.

Zwei Doppelphasengitter können unter rechtem Winkel gekreuzt sein, um einen Lichtstrahl in ein zweidimensionales Beugungs­ muster von Gitterstrahlungszipfeln zu streuen. Die Beugungs­ muster von Gitterstrahlungszipfeln werden durch eine Linse fokussiert, um ein Punktmuster zu bilden. Das Punktmuster wird kollektiv bestimmt durch die periodische Struktur des Phasengitters, dessen Geometrie sorgfältig konstruiert werden muß, um das gewünschte Gittermuster zu erhalten. Leider be­ schränkt die starre und komplexe Konstruktion den Abstand und den Gitteraufbau der Faseranordnung. Ferner kann die Phasen­ gittermethode nicht die Leistungsverteilung über die Faseran­ ordnung unabhängig steuern. Obwohl diese Methode eine gemein­ same Parallelstruktur zeigt, verläßt sich die Phasengitterme­ thode auf das Streuen und Wiedersammeln von Licht. Wegen der kollektiven Wirkung der Gitter gibt es keine Kontrolle über das resultierende optische Punktmuster. Also ist für jede spezielle Gitterkonstruktion die resultierende Punktkonfigu­ ration beschränkt, zum Beispiel auf ein Rechteckmuster. Die resultierende Punktkonfiguration kann modifiziert werden durch Verändern des geordneten periodischen Musters von Ker­ ben und Ritzen auf dem Gitter. Leider ist die resultierende Punktkonfiguration wiederum beschränkt durch das modifizierte periodische Muster auf dem Gitter.

Also besteht ein technischer Bedarf für eine Verbesserung in Lichtwellen-Kopplungsvorrichtungen in herkömmlichen faserop­ tischen Systemen.

Der technische Bedarf wird angegangen durch den faseropti­ schen gemeinsamen (corporate) Leistungsteiler und -vereiniger der Erfindung. Bei Funktion als optischer Teiler umfaßt die Erfindung eine dielektrische Linse zum Umwandeln ankommender optischer Energie aus einer divergenten sphärischen Welle in eine ebene Welle. Eine Mikrolinsenanordnung in optischer Aus­ richtung auf die dielektrische Linse hat die Funktion, die ebene Welle zu unterteilen und zu fokussieren, um ein Phasen­ kohärentes optisches Punktmuster zu bilden. Ein Faserbündel ist vorgesehen, um das phasenkohärente optische Punktmuster zu empfangen und gleichförmig zu verteilen. Bei Funktion als optischer Vereiniger (combiner) umfaßt die Erfindung die Mi­ krolinsenanordnung, um ein ankommendes phasenkohärentes opti­ sches Punktmuster aus einer Mehrzahl divergenter sphärischer Wellen in eine ebene Welle umzuwandeln. Die dielektrische Linse, die auf die Mikrolinsenanordnung optisch ausgerichtet ist, empfängt die ebene Welle und wandelt sie um in eine kon­ vergente sphärische Welle, und eine einzelne optische Faser empfängt und transformiert die konvergente sphärische Welle in parallele Strahlen zur Übertragung.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die dielektrische Linse eine einzelne hyperbolische Linse, welche neben einer Mehrzahl hyperbolischer Linsen angeordnet ist, welche die Mikrolinsenanordnung bilden. Die Anzahl von Linsen in der Mikrolinsenanordnung ist gleich der Anzahl von Fasern in dem Bündel, um eine optimale Übertragung optischer Energie zuzu­ lassen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1a eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels für den faseroptischen Leistungsteiler und -vereiniger der Erfindung, welche die hyperbolische Hauptlinse und eine Mikrolinsenanordnung zeigt;

Fig. 1b eine Stirnansicht des faseroptischen gemeinsamen Leistungsteilers und -vereinigers von Fig. 1a, welche eine beispielhafte Konfiguration der Mikro­ linsenanordnung und des Faserbündels erläutert, die eine gleichförmige konzentrische Anordnung zeigen;

Fig. 1c eine Vorderansicht der in Fig. 1a dargestellten Mikrolinsenanordnung, welche neunzehn in einer Dreieckgitterkonfiguration angeordnete Mikrolinsen zeigt;

Fig. 1d eine Vorderansicht der in Fig. 1a dargestellten hyperbolischen Hauptlinse;

Fig. 2 eine Stirnansicht des faseroptischen gemeinsamen Leistungsteilers und -verbinders von Fig. 1a, die eine andere beispielhafte Konfiguration der Mikro­ linsenanordnung und dem darauf teilweise überlager­ ten Faserbündel darstellt und eine konzentrische Anordnung von Mikrolinsen unterschiedlicher Größe zeigt zum Ausgleichen radialer Leistungsverringe­ rung, die durch ungleichförmige Leistungsdichte verursacht wird;

Fig. 3 eine grafische Wiedergabe der Koordinaten einer ex­ emplarischen hyperbolischen Linse, die zur Verwen­ dung in dem faseroptischen gemeinsamen Leistungs­ teiler und -vereiniger von Fig. 1a geeignet ist; und

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Fresnelzonenplatte zur Er­ läuterung ihres konzentrischen Aufbaus und ihrer Radien, welche geeignet ist zur Verwendung bei der Herstellung der hyperbolischen Hauptlinse oder der Mikrolinsenanordnung der Erfindung.

Wie in Fig. 1a zum Zweck der Erläuterung gezeigt, ist die Erfindung verkörpert in einem faseroptischen gemeinsamen Lei­ stungsteiler und -vereiniger 100 (corporate power divider/combiner) des Typs, welcher eine hyperbolische Linse 102 auf­ weist, die neben einer Mikrolinsenanordnung 104 angebracht ist, von denen jede die Funktion hat, optische Lichtstrahlen zum Teilen oder Kombinieren der Lichtstrahlen in faseropti­ schen Systemen zu handhaben.

Optische Leistungsteiler und -vereiniger werden dazu verwen­ det, Lichtwellen zwischen Verteilungsfasern zu koppeln. Bekannte Lichtwellenkopplungssysteme umfassen Serien- und Parallelkonstruktionen zum Übertragen optischer Information auf einem optischen Träger. Serien-Lichtwellenkoppler können einen Lichtleiter mit einer Mehrzahl von Lichtabgriffspunkten entlang seiner Länge umfassen zum sequentiellen Abgreifen op­ tischer Energie. Die optische Energie an dem Abschlußende des Lichtleiters hängt ab von der optischen Energie an dem Ein­ gangsende und der Anzahl von Abgriffspunkten dazwischen. Fer­ ner ist die von den individuellen Abgriffspunkten abgezogene optische Energie außer Phase, wobei sie entlang den Lichtlei­ terabgriffspunkten optische Ausgangssignale mit ungleicher Amplitude und Phase aufgrund von Dämpfung und Wechselwirkung erzeugt. Ein Parallel-Lichtwellenkoppler kann ein Doppelpha­ sengitter für Sternkoppler umfassen, welches ein Beugungsmu­ ster von Gitterstrahlungszipfeln des durchgelassenen Lichtes erzeugt. Das Beugungsmuster wird durch eine Linse fokussiert, um ein Punktmuster zu bilden, welches kollektiv bestimmt wird durch die periodische Struktur des Phasengitters. Die starre und komplexe Konstruktion des Phasengitters beschränkt den Abstand und den Gitteraufbau der Faseranordnung. Ferner kann die Phasengittermethode nicht die Leistungsverteilung über die Faseranordnung unabhängig kontrollieren und verläßt sich auf das Streuen und das Wiedersammeln des Lichtes. Wegen der kollektiven Wirkung der Gitter gibt es keine Kontrolle über das resultierende Lichtpunktmuster, wobei die resultierende Konfiguration beschränkt ist, zum Beispiel auf ein Rechteck­ muster.

Gemäß Fig. 1a der Erfindung arbeiten die hyperbolische Linse 102 und die Mikrolinsenanordnung 104 des optischen Verteilers und -vereinigers 100 zusammen, um die Apertur 106 zu unter­ teilen und damit ein erwünschtes Gittermuster zu erzeugen, wobei jeder Gitterpunkt unabhängig gebildet wird, und gleiche Amplituden und Weglängen und somit eine kohärente Phase des modulierenden Signals an allen optischen Ausgängen zu bilden. Außerdem sorgt der Verteiler und Vereiniger 100 für einen flexiblen Gitteraufbau und eine einfache klare Linsenkon­ struktion und steuert die Leistungsverteilung unabhängig durch Variieren des Einfangbereichs jeder Mikrolinse 107 in der Anordnung 104.

Der gemeinsame (baumartige) optische Leistungsteiler und -vereiniger 100 der Erfindung ist im wesentlichen ein paralle­ ler Aufbau von Fasern, die dazu verwendet werden, Lichtwellen zwischen einer Faser und N Fasern in einem Bündel zu koppeln. Eine einzelne optische Faser 108 ist in optischer Verbindung mit der hyperbolischen Linse 102 in Fig. 1a gezeigt. Die op­ tische Faser 108 umfaßt einen Kern 110, welcher als ein Lichtleiter für die optische Energie oder das optische Signal arbeitet. Der Kern 110 weist vorzugsweise einen hohen Bre­ chungsindex n auf, welcher definiert ist als die Lichtge­ schwindigkeit in freiem Raum (C₀), geteilt durch die Lichtge­ schwindigkeit in einem dielektrischen Material (CZ_in) wie folgt:

n = C₀/C_in [1]

Der Kern 110 ist umgeben von einer Ummantelung 112, welche dazu verwendet wird, die optische Energie gegen Austreten zu halten, und kann eine weitere Glasschicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante sein. Es ist die große Veränderung der Dielektrizitätskonstante zwischen dem Kern 110 und der Ummantelung 112, welche verhindert, daß die optische Energie die Grenzfläche zwischen dem Kern und der Ummantelung durch­ quert.

Die in Fig. 1a offenbarte einzelne optische Faser 108 um­ faßt, wie jede der nachfolgend beschriebenen anderen opti­ schen Fasern, ein konkaves sphärisches Ende 114, das an dem Kern 110 ausgebildet ist. Im allgemeinen veranlaßt das kon­ kave sphärische Ende 114 ein Divergieren des übertragenen Lichtstrahls. Wenn der Teiler und Vereiniger 100 als Teiler arbeitet, dient die einzelne optische Faser 108 als Einga­ beende für die optische Energie. Wenn die einzelne optische Faser 108 als Eingabeende arbeitet, breiten sich die Licht­ strahlen zu einer divergenten sphärischen Welle 116 auf die hyperbolische Linse 102 aus. Wenn jedoch der Verteiler und Vereiniger 100 als Vereiniger arbeitet, dient die einzelne optische Faser 108 als Ausgabeende, und das konkave sphäri­ sche Ende 114 dient zum Empfangen und Transformieren einer konvergenten sphärischen Welle von der hyperbolischen Linse 102 in Parallelstrahlen.

Die hyperbolische Linse 102 ist eine dielektrische Linse mit einer gekrümmten Seite 118 und einer flachen Seite 120, wie in den Fig. 1a und 1d gezeigt. Die gekrümmte Seite 118 weist eine parabolische Kontur auf, und die flache Seite 120 wirkt als die Apertur 106 der hyperbolischen Linse 102. Wenn sie als Teiler arbeitet, wandelt die gekrümmte Seite 118 der hyperbolischen Linse 102 die divergente sphärische Welle 116 in eine ebene Welle 122 um. Nach der Korrektur umfaßt die ebene Welle 122 eine Mehrzahl paralleler Lichtstrahlen, von denen jeder in der Zeit gleich verzögert ist. Wenn die Linse 102 jedoch in dem Vereinigermodus arbeitet, dient sie dazu, die parallelen Strahlen der ebenen Welle 122 umzuwandeln in eine konvergente sphärische Welle 124 zum Empfang durch die einzelne optische Faser 110, wie in Fig. 1a gezeigt.

Eine grafische Beschreibung der hyperbolischen Linse 102 er­ scheint in Fig. 3. Die Linse 102 ist so gezeichnet, daß sie die gekrümmte Seite 118 und die flache Seite 120 auf­ weist. Durch das Zentrum der gekrümmten und der flachen Seite geht ein zentraler Strahl x hindurch, der als die zentrale Achse 126 bezeichnet ist. Ferner ist ein Strahl y, der als Linie 128 bezeichnet ist, die Tangente an die gekrümmte Flä­ che 118 und schneidet die Mittelachse 126 an dem Punkt o. Der Punkt o definiert den Scheitelpunkt der hyperbolischen Linse 102. Die zentrale Dicke der Linse 102 ist definiert durch den in Fig. 3 gezeigten Abstand oT, während der Durchmesser der Linse 102 zu der Länge der flachen Seite 120 äquivalent ist und durch den Buchstaben D bezeichnet ist. Die Strecke F ist die Brennweite von der hyperbolischen Linse 102 zu der ein­ zelnen optischen Faser 108. Mit der Definition von n als Bre­ chungsindex in Gleichung [1] ist die Dielektrizitätskonstante ε gleich:

ε = n² [2]

so daß der Brechungsindex n auch als ε1/2 definiert werden kann.

Die hyperbolische Linse 102 ist eine der einfachsten dielek­ trischen Linsen, die dazu verwendet werden kann, die diver­ gente sphärische Welle 116 in die ebene Welle 122 umzuwandeln und umgekehrt die ebene Welle 122 auf einen Punkt oder Fleck zu fokussieren. Die Oberflächenkontur der in Fig. 3 gezeig­ ten hyperbolischen Linse 102 ist durch die folgende Gleichung gegeben:

y = [(n² - 1) (x - F)² + 2(n - 1)F(x - F)]^1/2 [3]

worin die Parameter y, n, x und F die oben definierten sind. Für einen gegebenen Durchmesser D, Dielektrizitätskonstante n und Brennweite F wird die zentrale Dicke oT der hyperboli­ schen Linse 102 bestimmt durch

oT = [{F² + (n + 1)D²/4(n - 1)}^1/2 - F]/(n + 1) [4]

Dieser Ausdruck kann für jeden der Parameter durch die ande­ ren Parameter gelöst werden.

Jede Mikrolinse 107 der Mikrolinsenanordnung 104 ist eben­ falls eine hyperbolische Linse mit einer gekrümmten Fläche 130 und einer flachen Fläche 132, identisch zu der hyperboli­ schen Hauptlinse 102. Die flache Fläche 132 jeder der Mikro­ linsen 107 der Mikrolinsenanordnung 104 weist zu der flachen Fläche 120 der hyperbolischen Linse 102 in einer Rücken-an- Rücken-Anordnung hin. Der Abstand zwischen der hyperbolischen Linse 102 und der Mikrolinsenanordnung 104 in Fig. 1a ist übertrieben, um die parallelen Strahlen der ebenen Welle 122 zu zeigen. In der Praxis sind die beiden Elemente miteinander vereinigt, können aber auch einen finiten Abstand voneinander aufweisen. Ob die Linse 102 und die Linsen 107 der Anordnung 104 verschmolzen oder getrennt sind, ist nicht kritisch.

Diese Stellung ist praktisch zum Einführen eines konstanten Weglängenausgleichs wie beispielsweise einer Verzögerung, welche jedem Parallelstrahl gemeinsam ist. Die Anzahl von Mi­ krolinsen 107 in der Anordnung 104, wie in Fig. 1a gezeigt, muß die gleiche sein wie die Anzahl optischer Fasern 134 in einem in den Fig. 1a und 1b gezeigten Faserbündel 136. Die Äquivalenz in der Anzahl von Mikrolinsen 107 zu der Anzahl von Fasern 134 stellt einen hohen optischen Kopplungswir­ kungsgrad sicher. Daher wird die Konfiguration der Mikrolin­ sen 107 in der Anordnung 104 durch die Konfiguration opti­ scher Fasern 134 in dem Faserbündel 136 diktiert. Eine geeignete Konfiguration des Faserbündels 136, das in Fig. 1b als Stirnansicht gezeigt ist, diktiert die Konfiguration der Mikrolinsen 107 der in Fig. 1c gezeigten Mikrolinsenanord­ nung 104. Wenn eine im Zentrum positionierte vertikale Schnittansicht von der Stirnansicht des Faserbündels 136 ge­ nommen würde, würden also die fünf Mikrolinsen 107 der Anord­ nung 104 und die fünf optischen Fasern 134 so erscheinen, wie sie in Fig. 1a gezeigt sind.

Die Funktion der Mikrolinsenanordnung 104 besteht darin, ein gewünschtes Punktmuster zu erzeugen, um die ebene Lichtwelle 122 von der hyperbolischen Linse 102 in die optischen Fasern 134 des Faserbündels 136 zu koppeln. Die Mikrolinsenanordnung 104 kann so konstruiert werden, daß sie eine geeignete Unter­ teilung der Apertur 106 bildet, um irgendein gewünschtes Git­ termuster von Punkten zu erzeugen. Die Punkte werden jeweils unabhängig von den unterteilten Lichtwellen gebildet und wer­ den auf die individuellen optischen Fasern 134 zur Lichtver­ teilung fokussiert. Ferner ist der Gitterwerkaufbau der Mikrolinsenanordnung 104 flexibel, und die Konstruktion der Mikrolinsen 107 ist klar und einfach. Zusätzlich kann durch Verändern der Größe oder des Einfangbereichs jeder Mikrolinse 107 die Energieverteilung über das Faserbündel 136 unabhängig gesteuert werden.

Da die ebene Welle 122 in die flache Fläche 132 eintritt, ar­ beitet jede der Mikrolinsen 107 der Anordnung 104 so, daß sie die lokalen Lichtstrahlen dieses Abschnitts der unterteilten ebenen Welle 122 in einen Punkt oder Fleck konvergiert. Jeder Punkt wird unabhängig auf die entsprechende optische Faser 134 fokussiert, die geeignet in dem Faserbündel 136 positio­ niert ist. Auf diese Weise wird das gewünschte Punktmuster geschaffen, das der Konfiguration des Faserbündels 136 ent­ spricht, zur Verteilung der Lichtwellen in einem faseropti­ schen System. Jeder der unabhängig fokussierten Punkte in dem gewünschten Muster enthält die gleiche optische Information wie die ursprüngliche divergente sphärische Welle 116. Jedoch wird die Intensität der in jedem Punkt enthaltenen optischen Energie vermindert im Verhältnis zu dem Teilerverhältnis, das durch die Konstruktion des Teilers und Vereinigers 100 ge­ steuert wird. Die Größe und Stellung der Mikrolinsenanordnung 104 steuert also die Intensität der optischen Energie in je­ dem Punkt.

Aufgrund der innewohnenden Gauß′schen Strahlencharakteristik am Eingang des Teilers und Vereinigers 100 zeigt der optische Teiler eine Gauß′sche (glockenförmige) Leistungsverteilung über die Apertur 140 der Mikrolinsenanordnung in der Radial­ richtung. Die Gauß′sche Leistungsverteilung bewirkt, daß das Licht bei dem Zentrum hell ist und an den Kanten dunkel ist, was anzeigt, daß die Leistungsverteilung ungleichförmig ist. Die Lichtenergie verringert sich tatsächlich an den Kanten. Also ist die Intensität der optischen Energie in den zentral gelegenen Punkten des Musters und folglich in den zentralen Fasern höher als die Intensität der optischen Energie in den äußeren Punkten des Musters und in den äußeren Fasern.

Für einige Anwendungen kann es wünschenswert sein, eine gleichförmige Verteilung für alle N Ausgänge der Mikrolinsen­ anordnung 104 zu erhalten. In diesem Fall können die Mikro­ linsen 107 in konzentrischen Ringen angeordnet werden, wie in Fig. 2 gezeigt. Es ist zu beachten, daß in Fig. 2 zum Zweck der Erläuterung einige der optischen Fasern 134 des Faserbün­ dels 136 der Konfiguration der Mikrolinsenanordnung 104 über­ lagert sind. Die in Fig. 2 gezeigten Mikrolinsen 107 sind in den äußeren Ringen angeordnet, die aus größeren Linsen beste­ hen, um die Leistungsverringerung auszugleichen. Der Licht­ einfangbereich jeder Mikrolinse 107 bestimmt die Energie­ menge, die in eine optische Faser 134 des Faserbündels 136 einzukoppeln ist. Also werden die äußeren Mikrolinsen 107 fortschreitend größer gemacht, um mehr Lichtenergie einzufan­ gen und damit die Leistungsverteilung auszugleichen und eine Intensität zu zeigen, die der der zentral gelegenen Mikrolin­ sen 107 äquivalent ist. Also wird mehr Lichtenergie auf die entsprechenden äußeren optischen Fasern 134 fokussiert, um ein gewünschtes Punktmuster mit annähernd gleichförmiger Ver­ teilung zu bilden.

Verschiedene andere Anordnungen für die Mikrolinsen 107 sind möglich, um eine angemessene Unterteilung der ebenen Welle vorzusehen, die von der hyperbolischen Linse 102 empfangen wird. Zum Beispiel könnte eine große Mikrolinse von einem Ring kleinerer Mikrolinsen umgeben sein. Die große Mikrolinse würde mehr Licht einfangen und eine stärkere Leistung auf einen einzelnen Punkt fokussieren. Andere in die Anordnung integrierte große Mikrolinsen würden proportionale Mengen von Licht auf spezifische Bereiche des Faserbündels 136 fokussie­ ren, die der eingefangenen Lichtenergiemenge entsprechen. Ebenso würden kleinere Mikrolinsen, welche weniger Lichtener­ gie einfangen, weniger Lichtenergie auf das Faserbündel 136 fokussieren.

Es versteht sich, daß die Konfiguration des Faserbündels 136 der gewählten Konfiguration der Mikrolinsenanordnung 104 ent­ spricht. In der Praxis kann das Faserbündelgitter in jeder Form angeordnet werden, die zu einer gewünschten Konfigura­ tion oder Leistungsverteilung in dem optischen Teiler und Vereiniger 100 der Erfindung paßt. Jedoch können die Fasern 134 nach Wunsch stromab von der Kopplungsvorrichtung zur wirtschaftlichen Verteilung umgeordnet werden. In Fig. 1b sind die optischen Fasern 134 in einem dreieckigen Gitterwerk angeordnet, um der Konfiguration der Mikrolinsenanordnung 104 zu entsprechen. Jede der optischen Fasern 134 des Faserbün­ dels 136 ist gezeigt mit einem zentralen Kern 142 und einer Glasummantelung 144 ähnlich der anhand der einzelnen opti­ schen Faser 108 beschriebenen. Die Durchmesser des zentralen Kernes 142 und der Ummantelung 144 sind sehr klein. Daher wird eine Abstandshülse 136, die zum Beispiel aus einer wei­ teren Glasschicht besteht, angewendet, um jede optische Faser 134 zu umgeben und damit die Faser in ihrer Position inner­ halb des Bündels 136 zu halten, wie in Fig. 1b gezeigt. Ab­ standshülsen können auch in der Mikrolinsenanordnung 4 ver­ wendet werden, um die Ausrichtung und den Abstand des Brenn­ punktes jeder Mikrolinse 107 auf die entsprechende Faser 134 in dem Bündel 136 zu bewahren.

Die konzentrische Konfiguration der in Fig. 2 gezeigten und oben erwähnten Mikrolinsenanordnung 104 trifft auch auf die entsprechende Konfiguration des Faserbündels 136 zu. Wenn Fig. 2 die Konfiguration der Mikrolinsenanordnung 104 wieder­ gibt, dann gibt sie notwendigerweise auch die Konfiguration des Faserbündels 136 wieder. Wenn Fig. 2 die Konfiguration der Mikrolinsenanordnung 104 repräsentiert, zeigen die fort­ schreitend größeren konzentrischen Kreise den Umfang der grö­ ßeren Mikrolinsen 107 an. Wenn jedoch der überlagerte Ab­ schnitt von Fig. 2 die Konfiguration des Faserbündels 136 wiedergibt, zeigen die fortschreitend größeren konzentrischen Kreise die Position der Abstandshülse 146 an, welche die Glasummantelung 144 jeder optischen Faser 134 umgibt. Die Glasummantelung 144 kapselt ihrerseits den zentralen Kern 142 auf die gleiche Weise ein, wie oben anhand von Fig. 1b be­ schrieben. Es ist zu beachten, daß die Größe der optischen Fasern 134 (zentraler Kern 142 plus Ummantelung 144) in Fig. 2 die gleichen bleiben wie die in Fig. 1a und 1b gezeigten.

Jedoch sind zum Zweck der allgemeinen Erläuterung die Ab­ standshülsen 146 für größere äußere konzentrische Ringe ein­ gestellt, die zum Ausgleichen der radialen Leistungsverringe­ rung konstruiert sind. In Fig. 2 werden die Abstandshülsen 146 verwendet, um zuzulassen, daß die Brennpunkte der indivi­ duellen Mikrolinsen 107 auf eine entsprechende Konfiguration optischer Fasern 134 des Faserbündels 136 auszurichten sind.

Wenn der Teiler und Vereiniger 100 in dem Vereinigermodus ar­ beitet, überträgt jede der optischen Fasern 134, die das Punktmuster des Faserbündels 136 bilden, optische Energie niedriger Intensität zu der entsprechenden Linse der Mikro­ linsenanordnung 104. Jede Faser 134 überträgt optische Ener­ gie, die die gleiche optische Information enthält. Nachdem die optische Energie jeder der einzelnen Fasern 134 kombi­ niert worden ist, nimmt die Intensität der optischen Energie in der einzelnen optischen Faser 108 zu. Ob nun der Teiler und Vereiniger 100 als Teiler oder als Vereiniger arbeitet, werden optische Phasenprobleme auf folgende Art eliminiert. Die flache Seite 120 der hyperbolischen Linse 102 und die flache Seite 132 jeder der Linsen 107 der Mikrolinsenanord­ nung 104 bildet eine gleiche Phasenebene, wie in der Technik bekannt. Also überträgt jede Position entlang den flachen Seiten 120 und 132 der Linsen Licht mit der gleichen opti­ schen Phase unabhängig von der Frequenz (zum Beispiel Farbe). Daher ist durch Positionieren der flachen Seite 120 der hy­ perbolischen Linse 102 in der Art, daß sie zu der flachen Seite 132 jeder Linse 107 der Mikrolinsenanordnung 104 hin­ weist, und durch Wählen jeder der Linsen 107 der Mikrolinsen­ anordnung 104 in der gleichen Größe jeder der Lichtstrahlen phasengleich.

Das oben beschriebene Verfahren zum Eliminieren optischer Phasenprobleme unter Nutzung von Mikrolinsen 107 gleicher Größe ist auf die Konstruktion der in Fig. 1b dargestellten bevorzugten Ausführungsform zugeschnitten. Wenn in der Mikro­ linsenanordnung 4 angewendete Linsen variierende Größen auf­ weisen, wie in Fig. 2 dargestellt, bestehen optische Phasen­ probleme. Unter diesen Bedingungen wird eine Kompensation benötigt. Um die Unterschiede in optischen Weglängen zu kom­ pensieren, die durch unterschiedliche Größen von Mikrolinsen 107 verursacht werden, kann die Dielektrizitätskonstante der kleineren Linsen der Mikrolinsenanordnung 104 modifiziert werden. Das Ausmaß der benötigten Modifikation der Dielektri­ zitätskonstanten wird bestimmt durch die Größe der Phasendif­ ferenz, die durch die Linsen unterschiedlicher Größe einge­ bracht wird. Ferner kann die Brennweite F jeder Mikrolinse 107 gleich gemacht werden, indem die größeren Mikrolinsen 107 so konstruiert werden, daß sie auf die gleiche Ebene wie die kleineren Mikrolinsen 107 fokussieren. Zusätzlich kann die Länge der optischen Fasern 134, die den größeren Mikrolinsen 107 zugeordnet sind, vermindert werden, um die Ausgangsphasen der optischen Energie zwischen den Fasern auszugleichen. Die kürzeren Fasern gleichen die Verzögerung des optischen Si­ gnals von der größeren Mikrolinse 107 aus, wobei sie mit kleineren Mikrolinsen 107 verknüpfte kürzere Brennweiten kom­ pensieren. Also gleicht sich die Ausgangsphase der verteilten optischen Energie aus.

Eine Kompensation durch eines dieser Verfahren ist schwierig. Daher ist ein Hauptvorteil der Erfindung, wie in Fig. 1b ge­ zeigt, die Verwendung gleich groß bemessener Linsen 107 in der Mikrolinsenanordnung 104. Die natürlich auftretende Ver­ ringerung der Intensität der optischen Energie in den äußeren Linsen der gleich groß bemessenen Linsenanordnung von Fig. 1b minimiert die Gitterstrahlungszipfel, wie sie normal durch typische Radaranwendungen benötigt werden.

Die Mehrzahl von Mikrolinsen 107, welche die Mikrolinsenan­ ordnung 104 umfassen, kann individuell gefertigt, poliert und positioniert werden. Die hyperbolische Linse 102 kann zum Beispiel aus Glas, Quarz oder Teflon bestehen. Es können na­ türlich auch andere Arten von Linsenkonfigurationen verwendet werden und können durch den mit der Linsenkonstruktion ver­ trauten Fachmann gewählt werden. Obwohl die vorliegende Er­ findung nicht auf die Herstellung des Linsensystems gerichtet ist, ist es nützlich, eine fotografische Methode zum Erzielen des Linsensystems zu offenbaren, zum Beispiel eine Methode, die den gleichen optischen Effekt approximiert wie die in Fig. 3 offenbarte Linsenkonfiguration. Es ist bekannt, daß eine Fresnelzonenplatte 148, welche von Lord Rayleigh erfun­ den wurde und in Fig. 4 gezeigt ist, ähnlich einer Linse wirkt. Eine Zonenplatte 148 kann in der Praxis leicht herge­ stellt werden durch Zeichnen konzentrischer Kreise 150 in dunkler Tinte auf einen transparenten Film 152. Die verdun­ kelten konzentrischen Kreise 150 und die Zwischenräume dazwi­ schen bilden Zonen auf der Zonenplatte 148. Jede zweite Zone ist verdunkelt, um ein Interferenzmuster zu erzeugen, das dazu dient, die Lichtwellen auf einen Fleck zu konvergieren. Die Größe der Radien der konzentrischen Kreise 150 sind pro­ portional den Quadratwurzeln der ganzen Zahlen der interes­ sierenden Zonen. Das Muster wird dann fotografisch auf den geeigneten Maßstab reduziert.

Der Druckprozeß auf dem optischen transparenten Film 152 er­ zeugt ein Muster, welches die gleiche optische Wirkung zum Umwandeln von Lichtwellen aus einer Form in eine andere lie­ fert, wie es eine transparente dielektrische Linse tut. Die in Fig. 4 gezeigte Fresnelzonenplatte 148 weist eine Brenn­ weite auf, die zu dem Radius a der ersten Zone folgendermaßen in Beziehung steht:

F = a²/L [5]

worin L die Wellenlänge des durchgelassenen Lichtes ist. Die Radien der übrigen Zonen in der Fesnelzonenplatte 148 werden geliefert durch den Ausdruck:

r_m = m^1/2 × a [6]

worin m gleich der ganzen Zahl des konzentrischen Kreises 150 ist (zum Beispiel m = 2, 3, 4, usw.) bei Zählung der konzen­ trischen Kreise von innen nach außen. In der Praxis wird die Herstellung so erreicht, daß die hyperbolische Linse 102 und alle Mikrolinsen 107 in der Anordnung 104 durch Zonenplatten 148 ersetzt werden können, die auf einen transparenten Film 152 gedruckt sind.

In den in den Fig. 1a, 1c und 2 gezeigten exemplarischen Ausführungsformen werden neunzehn Mikrozonenplatten 148 benö­ tigt, um die Mikrolinsen 107 in der Anordnung 104 zu erset­ zen, und eine einzelne Zonenplatte wird für die hyperbolische Linse 102 benötigt. Die neunzehn getrennten Mikrozonenplatten 148 werden für die gesamte Mikrolinsenanordnung 104 einge­ setzt, und das Erfordernis des Schleifens und Polierens von neunzehn getrennten Linsenflächen wird eliminiert. Die glei­ che Situation trifft auf die hyperbolische Linse 102 zu. In dem Teilermodus besteht die Funktion jeder der neunzehn Mi­ krozonenplatten 148, wie die der Mikrolinsen 107, darin, einen Abschnitt der ebenen Welle 122 auf die individuellen optischen Fasern 134 zu fokussieren. Dies wird erzielt durch Umwandeln des Abschnitts der ebenen Welle 122 in eine konver­ gente sphärische Welle 124, wie in Fig. 1a gezeigt. In dem Vereinigermodus besteht die Funktion jeder der neunzehn Mi­ krozonenplatten 148 darin, eine divergente sphärische Welle 116 aus einer der individuellen optischen Fasern 134 in die ebene Welle 122 umzuwandeln zur Übertragung auf die hyperbo­ lische Linse 102. Also ist die fotografische Methode, welche die Fresnelzonenplatte einbezieht, geeignet zum Herstellen der hyperbolischen Hauptlinse 102 sowie der individuellen Mi­ krolinsen 107 der Mikrolinsenanordnung 104.

Schließlich ist zu beachten, daß zum Verbessern des Kopp­ lungswirkungsgrades das Ende jeder optischen Faser 134 so be­ handelt werden muß, daß es eine konkave sphärische Oberfläche oder ein entsprechendes Ende 114 aufweist. Die konkave sphä­ rische Fläche oder das Ende 114 wirkt wie eine Linse, welche die Lichtwelle von der optischen Faser 134 in eine sphärische Welle zerstreut. Umgekehrt wandelt die konkave sphärische Fläche oder das Ende 114 einen konvergenten Strahl in paral­ lele Strahlen in der optischen Faser 134 um.

Bei Arbeiten als Teiler wird eine Lichtquelle von der einzel­ nen optischen Faser 108 auf die hyperbolische Linse 102 ge­ richtet. Das konkave sphärische Ende 114 der einzelnen Faser 108 wandelt die parallelen Strahlen in der Faser 108 um in eine divergente sphärische Welle 116. Die Linse 102 wandelt die divergente sphärische Welle 116 um in eine ebene Welle 122 mit parallelen Strahlen. Die ebene Welle 122 wird dann über die Mikrolinsenanordnung 104 umgewandelt in eine Mehr­ zahl von konvergenten sphärischen Wellen 124 niedriger Inten­ sität zum Fokussieren auf die optischen Fasern 134 des opti­ schen Bündels 136. Die konkaven sphärischen Enden 114 der Fasern 134 wandeln die Mehrzahl konvergenter sphärischer Wel­ len 124 um in parallele Strahlen zur Verteilung.

Bei Arbeiten als Vereiniger werden die parallelen Strahlen in den Fasern 134 durch die konkaven sphärischen Enden 114 der Fasern umgewandelt in eine Mehrzahl individueller divergenter sphärischer Wellen 116 niedriger Intensität. Die Mehrzahl divergenter sphärischer Wellen wird durch die Mehrzahl von Mikrolinsen 107 zu einer einzelnen ebenen Wellen 122 höherer Intensität kombiniert. Die ebene Welle 122 trifft auf die hy­ perbolische Linse 102 auf und wird durch diese in eine ein­ zelne konvergente Welle 124 umgewandelt. Die einzelne konver­ gente sphärische Welle 124 wird dann durch das konkave sphä­ rische Ende 114 der einzelnen optischen Faser 108 umgewandelt in parallele Strahlen zu Verteilung.

Es ist ein gemeinsamer (baumartiger) optischer Leistungstei­ ler und -vereiniger 100 offenbart worden, welcher angewendet wird, um eine Lichtwelle von einer Faser mit N Fasern zu kop­ peln und in dem umgekehrten Modus Lichtwellen von N Fasern mit einer Faser zu koppeln. Der optische Teiler und Vereini­ ger 100 ist ein Schlüsselelement aller faseroptischen Vertei­ lungsnetze. Der wechselseitige Sternkoppler der Erfindung liefert gleiche Amplituden und gleiche Weglängen. Folglich wird eine kohärente Phase des Modulationssignals an allen op­ tischen Ausgängen geliefert, da jede Faser 134 in dem Bündel 136 eine gemeinsame Modulationssignalverzögerung erfährt. Wel­ che Modulation auch immer an der Punktquelle vorhanden ist, wird also auch in sämtlichen Fasern 134 des Bündels 136 erfahren. Der Teiler und Vereiniger 100 verwendet eine Mikro­ linsenanordnung 104, welche die Apertur 106 unterteilt, um ein gewünschtes Gittermuster zu erzeugen, wobei jeder Gitter­ punkt unabhängig gebildet wird. Die Erfindung steuert die Lichtenergieverteilung über das Faserbündel 136 unabhängig durch Verändern des Einfangbereichs jeder Mikrolinse 107 und schafft auf diese Weise einen Teiler hoher Qualität mit einem hohem Aufspaltungsverhältnis.

Der optische Teiler und Vereiniger 100 ist anwendbar in Radar- und Nachrichtenübertragungsanwendungen. Allgemein ge­ stattet bei Radaranwendungen die Verwendung gleich groß be­ messener Linsen in der Mikrolinsenanordnung 104 die Nutzung der natürlichen Verringerung der optischen Energieintensität zum Beseitigen unerwünschter Gitterstrahlungszipfel. Die Er­ findung ist nützlich in phasengesteuerten Vielfachantennen, in welchen gleiche Leitungslängen benötigt werden, um eine gleichförmige Wellenfront zu erzeugen und damit einen Licht­ strahl zu kollimieren. Der Teiler und Vereiniger 100 ist fer­ ner nützlich in Anwendungen phasengesteuerter Vielfachanten­ nen, da alle strahlenden Punkte gleichzeitig strahlen müssen, um Funktionsprobleme mit dem kollimierten Strahl zu vermei­ den. Andere Anwendungen sind offensichtlich bei der Signal­ übertragungsverteilung. Beispiele umfassen eine Situation, in welcher ein einzelner Strahl in mehrere Strahlen unterteilt werden muß (zum Beispiel in einen Haustrakt verteilte Kabel­ fernsehsignale oder Telefonsignale), oder eine Situation, in welcher mehrfache Signale in einen einzigen Strahl konvergie­ ren müssen (zum Beispiel das Mehrfachkoppeln mehrfacher Tele­ fonsignalleitungen in ein zentrales Fernsprechamt). Es ist offensichtlich, daß der optische Verteiler und Vereiniger 100 der Erfindung sehr flexibel ist im Vergleich zu anderen opti­ schen Sternkopplern nach dem Stand der Technik. Die Erfindung kann auch verwendet werden für zweidimensionale Anordnungen durch Ausbilden der Linsen in einem linearen (rechteckigen) Gitterwerk.

Die Erfindung ist hier also anhand einer besonderen Ausfüh­ rungsform für eine besondere Anwendung beschrieben worden. Die Fachleute und diejenigen, die Zugang zu den vorliegenden Lehren haben, werden zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des Rahmens der Erfindung er­ kennen.

Die Ansprüche sollen daher jegliche und alle solche Modifika­ tionen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des Rah­ mens der Erfindung abdecken.

Claims (7)

1. Optischer Teiler und Vereiniger (100) zum abwechselnden Teilen und Vereinigen eines optischen Strahls, mit einer ein­ zelnen optischen Faser (108) und einem optischen Faserbündel (136), wobei die einzelne optische Faser (108) abwechselnd optische Energie an den Teiler und Vereiniger (100) liefert und optische Energie von diesem erhält und das optische Fa­ serbündel (136) abwechselnd optische Energie von dem Teiler und Vereiniger (100) erhält und optische Energie an diesen liefert, gekennzeichnet durch:
eine hyperbolische Linse (102) in optischer Verbindung mit der einzelnen optischen Faser (108) zum Umwandeln der gelie­ ferten optischen Energie aus einer divergenten sphärischen Welle (116) in eine ebene Welle (122) und eine Mikrolinsenan­ ordnung (104) in optischer Ausrichtung auf die hyperbolische Linse (102) zum Unterteilen und Fokussieren der ebenen Welle (122) zum Liefern eines phasenkohärenten optischen Punktmu­ sters an das optische Faserbündel (136) zur gleichförmigen Verteilung des phasenkohärenten optischen Punktmusters bei Tätigkeit als Teiler,
und die Mikrolinsenanordnung (104) in optischer Verbindung mit dem optischen Faserbündel (136) zum Umwandeln des phasen­ kohärenten optischen Punktmusters aus einer Mehrzahl diver­ genter sphärischer Wellen (116) in eine ebene Welle (122) und die hyperbolische Linse (102) in optischer Ausrichtung auf die Mikrolinsenanordnung (104) zum Empfangen und Umwandeln der ebenen Welle (122) in eine konvergente sphärische Welle (124) zur Übertragung der konvergenten sphärischen Welle (124) bei Tätigkeit als Vereiniger.

2. Teiler und Vereiniger (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hyperbolische Linse (102) eine para­ bolische Fläche (118) auf einer ersten Seite und eine flache Fläche (120) auf einer zweiten Seite umfaßt.

3. Teiler und Vereiniger (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrolinsenanordnung (104) eine Mehr­ zahl von Mikrolinsen (107) mit je einer parabolischen Fläche (130) auf einer ersten Seite und einer flachen Fläche (132) auf einer zweiten Seite umfaßt.

4. Teiler und Vereiniger (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrolinsenanordnung (104) eine Mehr­ zahl konzentrisch positionierter Mikrolinsen (107) gleicher Größe umfaßt.

5. Teiler und Vereiniger (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrolinsenanordnung (104) eine Mehr­ zahl konzentrisch positionierter Mikrolinsen (107) umfaßt, wobei die äußeren konzentrischen Linsen großflächiger sind als die inneren konzentrischen Linsen, um die nichtgleichför­ mige optische Leistungsdichte auszugleichen.

6. Teiler und Vereiniger (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne optische Faser (108) ein konkaves sphärisches Ende (114) zum Divergieren der optischen Energie umfaßt.

7. Teiler und Vereiniger (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Faser (134) des Bündels optischer Fasern (136) ein konkaves sphärisches Ende (114) umfaßt zum Divergieren der optischen Energie des phasenkohärenten opti­ schen Punktmusters.