AT397442B

AT397442B - Bearbeitungsverfahren für mit kapillarkanal ausgeführte lichtleiter und mit einem solchen lichtleiter ausgestattetes optisches bauelement

Info

Publication number: AT397442B
Application number: AT39489A
Authority: AT
Original assignee: Zehetner Johann; Haberl Friedrich; Hochreiter Johann
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1989-02-21
Publication date: 1994-04-25
Also published as: ATA39489A

Description

AT397442B

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bearbeitung von Lichtleitern, die innerhalb ihres Mantelbereiches mindestens einen in Längsrichtung verlaufenden Kapillarkanal aufweisen, sowie optische Bauelemente, insbesondere Lichtmodulatoren, mit einem gemäß dem obigen Verfahren bearbeiteten Lichtleiter.

Bisher war es üblich, für diese Bearbeitung den Lichtleiter gekrümmt in Epoxy einzugießen, oder in einen Substratblock einzukleben. Anschließend wurde der Lichtleiter am Scheitelpunkt der Krümmung mittels einer Planscheibe aufgeschliffen und im darauffolgenden Poliervorgang wurde die so entstandene Oberfläche auf optische Güte gebracht Diese Methode ist in OPTICS LEITERS" März 1987 Vol. 12 No. 3 sowie in der EP-OS 289 332 und US-PS 4 721 352 beschrieben. Ein Ätzverfahren, um Zugang zum Kern des Lichtleiters zu erhalten, ist in der DE-OS 3 615 305 dargelegt. Lichtleiter mit gefüllten und ungefüllten Kapillarkanälen sind bereits in den Druckschriften GB-OS 2189 900 und GB-OS 2192 289 beschrieben. Aus der GB-OS 2 057160 ist weiters ein Lichtleiter mit schlüssellochförmigem Kem, der teilweise bis an die Oberfläche des Lichtleiters reicht, bekannt. Durch diese Geometrie ist zwar ein leichter und direkter Zugang zum Lichtldterkem gegeben, für optische Sensoren, Modulatoren etc., wie sie auch Gegenstand dieser Erfindung sind, ist ein derartiger Lichtleiter unbrauchbar, da in ihm Licht nur multimodal geführt werden kann. Lichtleiter mit monomodiger Lichtausbreitung sind mit einer derartigen Geometrie in praktisch handhabbaren Dimensionen nicht erzielbar. Ziel der gegenständlichen Erfindung ist es, einerseits Vereinfachungen bei der Herstellung solcher Bauelemente zu erreichen, andererseits soll sich dadurch auch der Umfang der Möglichkeiten, neue optische Lichüeiteibauteile zu gestalten, erhöhen. In all jenen Fällen, wo bereits bei derzeitigem Stand der Technik nur ein geringer Bearbeitungsaufwand nötig ist, soll durch das erfindungsgemäße Verfahren eine höhere Betriebssicherheit und erweiterte Einsatzmöglichkeit der damit realisierten optischen Bauteile erreicht werden. Im Konkreten soll mechanische Spannung im Lichtleiter weitestgehend vermieden werden. Die Stirnfläche eines Lichtleiters darf nicht von der in den Kapillarkanal eingefüllten Flüssigkeit benetzt werden; dadurch würde das Einkoppeln von Licht gestört Aus diesem Grund muß der Kapillarkanal in einer Richtung abgedichtet werden, und es muß möglich sein, unmittelbar nebeneinander liegende Bohrungen setzen zu können. Durch die stimseitig liegende Bohrung kann der Kapillarkanal z. B. mit Epoxy, einseitig verklebt werden, die Nachbarbohrung zum Füllen des Lichtleiters hingegen bleibt offen. Die Bearbeitungstechnik muß geeignet sein, selbst bei kurzen Lichtleitern wenigstens zwei Flansche anzubringen, damit der Kapillarkanal nicht nur gefüllt, sondern über einen angelegten Gegendruck auch wieder entleert werden kann. Die Bearbeitung selbst darf für den Lichtleiter nahezu keine Gefährdung darstellen und soll weiters möglichst rationell sein, um auch eine größere Anzahl von Bohrungen mit beherrschbarem Bearbeitungsrisiko in einer vertretbaren Zeit am Lichtleiter anbringen zu können.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Lichtleiter geradlinig und vor mechanischer Biege- und Zugbeanspruchung geschützt in einer Nut eines Halteblocks fixiert wird, wobei der Kapillarkanal zur Öffnung der Nut hin ausgerichtet wird, und daß anschließend der Lichtleiter an einer oder mehreren Stellen quer zu seiner Längsachse mittels eines rotierenden Fräsers bis in den Bereich des Kapillarkanals aufgefräst wird, wodurch der Kapillaikanal mit Querbohrungen zum Befüllen und Entleeren mit einer Flüssigkeit bzw. zum Einbringen von Dichtungsharz mit niedrigerem Brechungsindex als jener des Kems des Lichtleiters versehen wird.

Durch die Idee, eine Fräsbearbeitung an einem Lichtleiter mit Kapillarkanal durchzuführen, dessen Grenzbereich zwischen lichtleitendem Kem und Kapillarkanal von vornherein eine hohe optische Oberflächengüte aufweist, ist es möglich, gegenüber den in "OPTICS LEITERS" März 1987 Vol. 12 No. 3, EP-OS 289 332, US-PS 4 721 352 beschriebenen Verfahren einen sehr aufwendigen Verfahrensschritt, nämlich das Polieren der Oberfläche auf optische Güte, einzusparen. Da dieser Poliervorgang auch noch mit einer Maßhaltigkeit von maximal 1 |im Toleranz durchgeführt werden müßte, erübrigt sich bei der Erfindung eine zeitaufwendige Messung während der Bearbeitung, da der Abstand vom lichtieitenden Kem zum Kapillarkanal ohnehin durch die Lichtleitergeometrie mit hoher Genauigkeit festgelegt ist Durch die Verwendung eines Fräsers von nur 1 bis 2 mm Durchmesser anstelle einer Planscheibe und der geradlinigen Fixierung des Lichtleiters im Block erlaubt es das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren, auch mehrere Bohrungen unmittelbar nebeneinander vorzusehen, ohne die optische Qualität des Lichtleiters zu beeinträchtigen. Dadurch wird über den aufgebohrten Kapillarkanal das Anbringen von Anschlußflanschen für Druckluft, Flüssigkeiten und elektrische Kontaktierungen ermöglicht. Diese in den Kapillarkanal des Lichtleiters eingebrachten Substanzen beeinflussen dann direkt oder über ein zusätzliches elektrisches bzw. magnetisches Feld die Ausbreitung des Lichtes im Kem des Lichtleiters. Bei allen bis jetzt, einschließlich der in DE-OS 3 615 305 genannten Verfahren ist nur eine sehr kurze Interaktionslänge zur Wechselwirkung des sich im Lichtleiter ausbreitenden Lichtes mit den oben erwähnten Substanzen möglich.

Bauelemente, die eine besonders ausge-dehnte Interaktionslänge benötigen, sind lediglich mit jenen Verfahren, wie sie in den GB-OS 2 189 900 und GB-OS 2192 289 aufgezeigt werden, möglich. Aber gegenüb»' diesen bietet die gegenständliche Erfindung den großen Vorteil, diesen Interaktionsbereich nach Belieben in seiner Länge justieren zu können. Dies ist selbst dann noch möglich, wenn ein Lichtleiterbauelement mit anderen Lichtleitern oder Lichtleiterbauelementen verspleißt wird. Somit sind durch die Erfindung komplexe Systeme realisierbar, die auch während des Betriebes laufend justiert und auf die jeweiligen Erfordernisse abgestimmt werden können. Außerdem können die eingebrachten Substanzen auch bei verspleißten Lichtleitern -2-

AT397442B wieder abgesaugt und durch solche mit anderen optischen Eigenschaften ersetzt werden. Das zum Einstellen der Länge der Flüssigkeitssäule verwendetet Justierelement besteht im Prinzip aus ein«· Kolbennadel, die durch eine Mikrometerschraube bewegt werden kann und dadurch die Flüssigkeit aus einem Zylinder mehr oder weniger weit in den Kapillarkanal einpreßt. 5 Im Unterschied zu den bekannten Bearbeitungsmethoden wird der Lichtleiter nicht gekrümmt, sondern geradlinig und daher frei von Biegespannungen in einem Halteblock aus Glas oder Keramik fixiert. Dadurch ist der Lichtleiter an der Bearbeitungsstelle weniger bruchgefährdet und außerdem wird die Fortpflanzung des Lichtes im Kern des Lichtleiters durch die Biegespannung nicht störend beeinflußt Für die Bearbeitung wird der rotierende Fräser mittels eines dreiachsigen Feintriebes in die gewünschte Arbeitsposition gebracht und 10 behutsam auf den Halteblock aufgesetzt.

Gemeinsam mit diesem wird dann der Lichtleiter angefräst, bis der Kapillarkanal geöffnet ist Bei der herkömmlichen Methode führt ein Zerkratzen des Lichtleiters, besonders an den Rändern der Halteblöcke, zu erhöhter Bruchgefahr. Diese Gefährdung des Lichtleiters durch Schleifmittel und Schleifabrieb, wie dies bei Verwendung einer Planscheibe geschieht, wird hier vermieden. Günstig ist ebenfalls der geringere Zeitaufwand 15 des erfindungsgemäßen Verfahrens, da der nötige Materialabtrag zum öffnen des Kapillarkanals erheblich geringer ist Somit sind auch sehr komplexe Bauteilsysteme mit vertretbarem Aufwand zu realisieren.

Das optische Bauelement, insbesondere Lichtmodulator, mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Lichtleiter, ist gemäß der vorliegenden Erfindung derart ausgebildet, daß der Lichtleiter an zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen jeweils zwischen einem Halteblock und einer mit zwei 20 benachbarten Bohrungen versehenen Anschlußplatte mittels eines Klebers fixiert ist, wobei die beiden Halteblöcke auf einem Träger befestigt sind, daß der Lichtleiter im Bereich jedes Halteblockes mit je einer Dichtungsbohrung zum Abdichten des Kapillarkanals gegen das Lichtleiterende hin mit Kunstharz und mit je einer Anschlußbohrung versehen ist, wobei diese Bohrungen mit den entsprechenden Bohrungen dm beiden Anschlußplatten fluchtend ausgerichtet sind, und daß eine der Anschlußbohrungen mit einem Justierelement 25 und die andere der Anschlußbohrungen mit einem Druckanschluß dichtend verbunden sind, wodurch über das Justierelement die Länge der in den Kapillarkanal eingebrachten Flüssigkeitssäule gegen den Federdruck der über den Druckanschluß zugeführten Druckluft eingestellt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist in den Kapillarkanal flüssiges Metall mit komplexen Brechungsindex eingefüllt, wodurch sich im Lichtleiter nur Licht mit einer bestimmten Polarisationsrichtung 30 ausbreitet und alle anderen davon abweichenden Polarisationsrichtungen in Abhängigkeit von der eingestellten Füllänge des Kapillarkanals gedämpft sind.

Gemäß einer anderen Ausführungsform ist im Kapillarkanal eine Flüssigkeit mit reellem Brechungsindex eingefüllt und in Abhängigkeit von der Füllänge des Kapillarkanals ist der Grad der Doppelbrechung des Lichtleiters eingestellt 35 Grundsätzlich erfolgt die Einflußnahme dadurch, daß sich das Licht in einem optischen Lichtleiter nicht nur im Kern, sondern zu einem geringen Teil auch noch im Nahbereich um den Kern ausbreitet. Dies» geringfügige Lichtanteil wird üblicherweise "evaneszentes Feld" genannt Im Kapillarkanal wird nun dieses evaneszente Feld durch die spezifischen optischen Eigenschaften der eingefüllten Substanzen einerseits und durch die Einfüllänge andererseits unterschiedlich beeinflußt. Dadurch kommt es rückwirkend auch zu einer 40 Beeinflußung der Lichtausbreitung im Kern. Durch eine geeignete Wahl der Lichtleitergeometrie sowie der eingefüllten Substanzen sind die unterschiedlichsten optischen Effekte erzielbar und zu steuern.

Der Brechungsindex der benutzten Substanzen bestimmt die Ausbreitungskonstanten des evaneszenten Lichtes und muß daher für den jeweils gewünschten optischen Effekt auf den Brechungsindex des Kernes abgestimmt sein. Fehlanpassungen durch zu hohen Brechungsindex der eingefüllten Substanz verringern oder 45 unterbinden überhaupt die Lichtausbreitung im Lichtleiter, da dann allmählich das ganze Licht aus dem Kon in den Kapillarkanal ausgekoppelt wird.

Zusätzlich ist es bei einigen Bauelementen noch möglich, die optischen Eigenschaften und somit die Witkung der eingefüllten Substanzen auf die Lichtausbreitung im Lichtleiter über ein elektrisches Feld zu beeinflussen. Hierzu ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß der Lichtleiter im Bereich 50 zwischen den beiden Halteblöcken auf einem Stützblock mit einer vorzugsweise aufgedampften Elektrode zwischen zwei isolierenden seitlichen Abstandsplättchen mittels Kunstharz fixiert und mit einer Abdeckung, die ebenfalls eine Elektrode trägt, versehen ist und daß die über das Justierelement in den Kapillaikanal eingefüllte Flüssigkeit eine Flüssigkeit mit hohem Kerrkoeffizienten, vorzugsweise Nitrobenzol ist, wobei durch Anlegen einer Wechselspannung an die beiden Elektroden das im Kern des Lichtleiters sich ausbreitende 55 Licht entsprechend der angelegten Wechselspannung und der Füllänge des Kapillarkanals in seinem Polarisationszustand moduliert wird.

Durch die Verwendung von Nitrobenzol, einer Flüssigkeit mit besonders hohem Kenkoeffizienten, erreicht man eine feldabhängige Änderung des Brechnungsindexes der Flüssigkeit Das evaneszente Feld findet dann für jede Polarisationsrichtung geänderte Ausbreitungsbedingungen vor. Im Kern des Lichtleiters wird damit der 60 Polarisationszustand des Lichtes ebenfalls geändert. So ist es z. B. möglich, auf diese Weise zirkular polarisiertes in linear polarisiertes Licht überzuführen.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher -3-

Claims

AT 397 442 B erläutert. Es zeigen: Fig. 1: die zur Bearbeitung in einen Halteblock eingeklebte Faser, senkrecht zur Faserachse geschnitten. Hg. 2: die zur Bearbeitung in einen Halteblock eingeklebte Faser, parallel zur Faserachse geschnitten. Fig. 3: ein erfindungsgemäßes Bauelement, parallel zur Faserachse geschnitten. Fig. 4: ein weiteres erfindungsgemäßes Bauelement mit Elektroden in Seitenansicht. Fig. 5: einen vergrößerten Schnitt entlang der Linie (A · A) des in Fig. 4 dargestellten Bauelementes, senkrecht zur Faserachse. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zeigt den mit einem Kapillarkanal (3) versehenen Lichtleit» (2) im Halteblock (1), welcher mit einer V-Nut versehen ist, eingeklebt. Die Tiefe der Nut ist dabei so bemessen, daß die Oberkante des Lichtleiters (2) bündig mit der Oberfläche des Block (1) abschließt. Der Kapillarkanal (3) wird so ausgerichtet, daß er senkrecht oberhalb des Kernes (4) liegt Dadurch ist es möglich, den Kapillarkanal (3) aufzufräsen, ohne den Kern (4) des Lichtleiters (2) zu zerstören. Ein rotierender Fräsdom (6) wird behutsam auf den Block (1) aufgesetzt und dieser dann gemeinsam mit dem Lichtleiter (2) aufgefräst, bis der Kapillarkanal (3) geöffnet ist In Fig. 1 und Fig. 2 ist die Fräsrichtung strichliert angedeutet Ein Großteil des Fräsdruckes wird dabei vom Block (1) aufgenommen und der Lichtleiter (2) daher beim Fräsen nur wenig beansprucht Zu beachten ist, daß der Fräsdom (6) nur so tief geführt wird, daß der Grenzbereich zwischen Kapillarkanal (3) und Kern (4) nicht beeinträchtigt wird. Fig. 3 zeigt ein justierbares optisches Bauelement gemäß einer ersten Ausführungsform nach der Erfindung. Auf einem Glas träger (7) sind zwei beabstandete keramische Blöcke (1) aufgeklebt Der ausgerichtete Lichtleiter (2) ist in der V-Nut der Blöcke mit gut durchhärtendem Material (5) fixiert und mit aufgeklebten Anschlußplatten (11) abgedeckt. Diese Anschlußplatten (11) dienen zur Aufnahme eines Justierelementes (12) und eines Druckanschlußes (13), welche nur schematisch dargestellt sind. Pro Block sind je zwei unmittelbar benachbarte Bohrungen (9) und (8) vorhanden, die gemäß den anhand der Fig. 1 und Fig. 3 erläuterten Verfahren hergestellt wurden. Über die zu den Stirnflächen des Lichtleiters (2) gerichteten Bohrungen (9) ist der äußere Teil des Kapillarkanals (3) verklebt. Dazu wird vorzugsweise Epoxydharz verwendet. Die Viskosität dieses Harzes (10) muß so beschaffen sein, daß einerseits der Kapillarkanal (3) sicher veiklebt wird, andererseits darf das Harz nicht zu weit eindringen, da sonst die Bohrung (8) unzulässig verstopft werden würde. Eine der beiden verbliebenen Bohrungen (8) ist mit dem Druckanschluß (13) zum Anschließen von Druckluft versehen. Die andere Bohrung (8) ist mit dem Justierelement (12) ausgestattet, über welches die Länge einer in den Kapillarkanal (3) eingebrachten Flüssigkeitssäule gegen die Federwirkung der Druckluft eingestellt werden kann. Die Ausführung des in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellten optischen Bauelementes unterscheidet sich von jenem in Fig. 3 durch die zusätzliche Möglichkeit, ein Hochspannungswechselfeld am Lichtleiter anlegen zu können. Zu diesem Zweck ist ein Stützblock (14) mit einer als Elektrode (18) dienenden, dünnen leitenden Schicht (18) belegt Der Stützblock (14) ist zwischen den beiden Halteblöcken (1) angeordnet. Über dieser Elektrode (18) ist der Lichtleiter (2) angeordnet und zwischen zwei Abstandsplättchen (15) mit Harz (19) fixiert Darauf ist ein Abdeckplättchen (16) mit hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit geklebt und mit ein» weiteren Elektrode (17) belegt Durch das Anlegen einer Wechselspannung lassen sich damit im Kapillarkanal (3) Feldstärken von größenordnungsmäßig 100 V/pm erzeugen. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Bearbeiten von Lichtleitern, die innerhalb ihres Mantelbereiches mindestens einen in Längsrichtung verlaufenden Kapillarkanal aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (2) geradlinig und vor mechanischer Biege- und Zugbeanspruchung geschützt in einer Nut eines Halteblockes (1) fixiert wird, wobei der Kapillarkanal (3) zur Öffnung der Nut hin ausgerichtet wird, und daß anschließend der Lichtleiter (2) an einer oder mehreren Stellen quer zu seiner Längsachse mittels eines rotierenden Fräsers (6) bis in den Bereich des Kapillarkanals (3) aufgefräst wird, wodurch der Kapillarkanal (3) mit Querbohrungen zum Befüllen und Entleeren mit einer Flüssigkeit bzw. zum Einbringen von Dichtungsharz mit niedriger»» Brechungsindex als jener des Kerns (4) des Lichtleiters (2) versehen wird.
2. Optisches Bauelement, insbesondere Lichtmodulator, mit einem nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bearbeiteten Lichtleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (2) an zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen jeweils zwischen einem Halteblock (1) und einer mit zwei benachbarten Bohrungen versehenen Anschlußplatte (11) mittels eines Klebers fixiert ist, wobei die beiden Halteblöcke (1) auf einem Träger (7) befestigt sind, daß der Lichtleiter (2) im Bereich jedes Halteblockes (1) mit je einer Dichtungsbohrung (9) zum Abdichten des Kapillarkanals (3) gegen das Lichtleiterende hin mit Kunstharz (10) -4- AT 397 442 B und mit je einer Anschlußbohrung (S) versehen ist, wobei diese Bohrungen (8, 9) mit den entsprechenden Bohrungen der beiden Anschlußplatten (11) fluchtend ausgerichtet sind, und daß eine der Anschlußbohrungen (8) mit einem Justierelement (12) und die andere der Anschlußbohrungen (8) mit einem Druckanschluß (13) dichtend verbunden sind, wodurch über das Justierelement (12) die Länge der in den Kapillarkanal (3) 5 eingebrachten Flüssigkeitssäule gegen den Federdruck der über den Druckanschluß (13) zugeftihrten Druckluft eingestellt werden kann.
3. Optisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kapillarkanal (3) flüssiges Metall mit einem komplexen Brechungsindex eingefüllt ist, wodurch sich im Lichtleiter (2) nur Licht mit 10 einer bestimmten Polarisationsrichtung ausbreitet und alle anderen davon abweichenden Polarisationsrichtungen in Abhängigkeit von der eingestellten Füllänge des Kapillarkanals (3) gedämpft sind.
4. Optisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Kapillarkanal (3) eine Flüssigkeit mit reellem Brechungsindex eingefüllt ist und in Abhängigkeit von der Füllänge des Kapillarkanals (3) der 15 Grad der Doppelbrechung des Lichtleiters (2) eingestellt ist.
5. Optisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (2) im Bereich zwischen den beiden Halteblücken (1) auf einem Stützblock (14) mit einer vorzugsweise aufgedampften Elektrode (18) zwischen zwei isolierenden seitlichen Abstandsplättchen (15) mittels Kunstharz (19) fixiert 20 und mit einer Abdeckung (16), die ebenfalls eine Elektrode (17) trägt, versehen ist, und daß die über das Justierelement (12) in den Kapillarkanal (3) eingefüllte Flüssigkeit eine Flüssigkeit mit hohem Kerrkoeffizienten, vorzugsweise Nitrobenzol, ist, wobei durch Anlegen einer Wechselspannung an die beiden Elektroden (17,18) das im Kern (4) des Lichtleiters (2) sich ausbreitende Licht entsprechend der angelegten Wechselspannung und der Füllänge des Kapillarkanals (3) in seinem Polarisationszustand moduliert wird. 25 Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 30 -5-