CH616241A5

CH616241A5 -

Info

Publication number: CH616241A5
Application number: CH580877A
Authority: CH
Inventors: Norman Derek Leggett; Richard Edward Epworth
Original assignee: Int Standard Electric Corp
Priority date: 1976-05-11
Filing date: 1977-05-10
Publication date: 1980-03-14
Also published as: GB1544241A; AU2503877A; FR2351519A1; NL7705054A; FR2351519B1; AU506033B2; US4144504A

Description

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PATENTANSPRÜCHE 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

1. Kopplungsanordnung zum optischen Ankoppeln von dass die erste Oberfläche (50a) der Platte (50) des Faserend-Laser-Lichtquellen an Lichtleitfasern, mit einer Halterungsvor- stücks maskiert wird, dass nachfolgend eine Schicht auf die richtung für die Lichtquelle (Fig. 1-4) und einem Faserendstück zweite Oberfläche (50b) dieser Platte aufplattiert oder aufge-(Fig. 5-9), in welchem die Faser gehaltert wird, dadurch 5 dampft wird, und dass schliesslich die Maske entfernt wird, um gekennzeichnet, dass die Halterungsvorrichtung folgende Eie- einen Abstand der ersten von der zweiten Oberfläche der mente enthält : ein Gehäuse (1) aus elektrisch leitendem Mate- Faserendstücksplatte zu erhalten.

rial, welches Gehäuse scheibenförmige, parallele, ebene Stirnflächen aufweist, wobei in der obern Stirnfläche eine zentrale

Vertief ung (5) ausgebildet ist ; einen Sockel (6) aus elektrisch 10

leitendem Material, welcher am Boden der Vertiefung ange- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kopplungsanord-

bracht und dessen obere Fläche praktisch bündig mit der obern nung zum optischen Ankoppeln von Laserlichtquellen an Licht-

Stirnfläche des Gehäuses ist und welcher zusammen mit dem leitfasern mit einer Halterungsvorrichtung für die Lichtquelle

Gehäuse einen elektrischen Anschluss für die Laser-Lichtquelle und einem Faserendstück zur Halterung der Faser, sowie ein

(7) bildet, die an einer Seitenwand des Sockels so befestigt ist, 15 Verfahren zur Herstellung der Anordnung.

dass die Laserachse senkrecht zur untern Stirnfläche des Gehau- Derartige Kopplungsanordnungen sind bereits bekannt. So ses verläuft ; eine Streifenleitung (14) in einem Schlitz (8), der z.B. kann eine schaftförmige Halterungsvorrichtung für Laser sich von der Gehäuse-Seitenwand (2) bis in die zentrale Vertie- nach dem CH-Patent Nr. 593 574 und eine Steckverbinder-

fung (5) erstreckt, welche Steifenleitung den zweiten elektri- Anordnung für Lichtleitfasern gemäss CH-Patent Nr. 608 625

sehen Anschluss für die Laser-Lichtquelle bildet und so ausge- 20 kombiniert werden, um eine optische Kopplung zwischen Laser legt ist, dass sie sich praktisch parallel zur untern Stirnfläche des . und Faser zu erreichen.

. Gehäuses erstreckt bis zu einem Knie, wonach sie parallel zu Die vorliegende Erfindung ist eine Weiterbildung der Vor-

jener Seitenwand des Sockels verläuft, an welcher die Laser- richtung gemäss CH-Patent Nr. 593 574. Die schaftförmige

Lichtquelle befestigt ist ; und ein Fenster (4) in der untern Hälterung der Lichtquelle wurde weggelassen, wodurch sich die

Gehäusefläche, durch welches die aus dem Laser austretende 25 Verwendung eines optischen Leiters, über welchen das Lichtsi-

Strahlung übertragen wird ; und dass in dem Faserendstück (Fig. gnal aus der Halterung geführt wurde, erübrigt. Das Resultat ist

5-9) eine Lichtleitfaser (52,72) befestigt ist, deren eines Ende sowohl eine verbesserte Lichtübertragung zum Faserende als bündig mit einer ersten Oberfläche (50a) einer Platte (50) auch eine bessere Wärmeabfuhr.

endet, welche erste Oberfläche durch die Rille (57) von einer Die Kopplungsanordnung gemäss der Erfindung ist durch zweiten Oberfläche (50b) getrennt ist, wobei die Platte so 30 die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet,

ausgebildet und am Gehäuse (1) angeordnet ist, dass die zweite Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nun anhand der

Oberfläche (50b) der Platte (50) satt auf der obern Stirnfläche Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen :

des Gehäuses aufliegt, während die erste Oberfläche (50a) Fig. 1 und 2 eine Seiten- bzw. Endansicht der Halterungs-einen definierten Abstand von der obern Fläche des Sockels (6) Vorrichtung vor dem Anbringen des Lasers und seines Streifenaufweist, um einen optimalen Lichtübergang von der Licht- 3s leitungsanschlusses quelle in das Faserende zu gewährleisten. Fig. 3 einen Schnitt durch die Halterungsvorrichtung,

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Halterungsvorrich-dass das der Seitenwand des Sockels (6) benachbarte Ende der tung mit dem bereits montierten Laser und seinem Streifenlei-Streifenleitung (14) gegabelt ist und dass zwischen jedem tungsanschluss,

Gabelende und der Laser-Lichtquelle (7) eine elektrische Ver- 40 Fig. 5 und 6 eine End- bzw. Schnittansicht einer Ausfüh-

bindung (13) vorgesehen ist. rungsform des Faserendstücks, welche sich zum Anbringen an

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Halterungsvorrichtung gemäss den Fig. 1 bis 4 eignet, und dass das Faserendstück einen aus der Platte (50) herausragen- Fig. 7, 8 und 9 eine Seiten- bzw. End- bzw. Schnittansicht den und mit dieser einen rechten Winkel einschliessenden höh- einer weitern Ausführungsform des Faserendstückes, welches len Stiel (51) aufweist, durch welchen die Lichtleitfaser (52) 45 gleichfalls an die Halterungsvorrichtung gemäss den Fig. 1 bis 4 durchgezogen ist. angebracht werden kann.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, Das Material des beispielsweise in Fig. 4 gezeigten Sockels 6 dass mindestens in einem Ende des Stiels ein mit einer Bohrung und des Gehäuses 1 weisen vorzugsweise unterschiedliche versehener Uhrenstein (56 ;73) befestigt ist. Wäremausdehnungszahlen auf. Die obere Fläche des Sockels

5. Verfahren zur Herstellung der Anordnung gemäss 50 und diejenige des Gehäuses werden bei einer bestimmten Tem-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockel (6) in die peratur maschinell so bearbeitet, dass sie bündig in einer Vertiefung (5) eingesetzt und die obere Fläche des Sockels (6) gemeinsamen Ebene liegen. Die Temperatur während der und die obere Stirnfläche des Gehäuses (1), ebenso wie die erste erwähnten Bearbeitung wird in Bezug auf die Einzelteile der (50a) und die zweite (50b) Oberfläche der Faserendstück-Platte Halterungsvorrichtung so gewählt, dass bei Betriebstemperatur (50) in jeweils einer Ebene plangeschliffen und poliert werden. 55 der Halterungsvorrichtung die verschiedenen Wärmeausdeh-

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, nungen des Gehäuses und des Sockels eine geringe Höhendiffe-dass der Sockel (6) aus einem Material mit einer grösseren renz zwischen Sockel und Halterungsvorrichtung zur Folge Wärmeausdehnungszahl als jener des Materials des Gehäuses haben, derart, dass die obere Sockelfläche ganz wenig unter hergestellt wird, und dass Sockel und Gehäuse (1) vor dem jener des Gehäuses liegt. Die Frontfläche des Lasers kann dann Planschleifen erwärmt und danach abgekühlt werden, um einen 60 unter Berücksichtigung einer guten Wärmeabführung so nahe Abstand der oberen Fläche des Sockels von der oberen Stirnflä- an die obere Sockelfläche montiert werden, dass das aus dem che des Gehäuses zu erhalten. Laser tretende Licht mit einem hohen Wirkungsgrad in das

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, Ende einer Lichtleitfaser gekoppelt werden kann, die in einem dass die obere Sockelfläche maskiert wird, dass eine Schicht auf Faserendstück an der oberen Gehäuse-Stirnfläche befestigt ist. die oberen Flächen des Sockels und des Gehäuses aufplattiert 65 Die Bodenfläche des Gehäuses kann vorzugsweise an einem oder aufgedampft wird, und dass schliesslich die Maske entfernt Kühlkörper befestigt sein.

wird, um einen Abstand der oberen Sockelfläche von der obe- In den Fig. 1,2 und 3 wird ein scheibenförmiges Gehäuse 1

ren Gehäusefläche zu erhalten. der Laserlichtquellen-Halterungsvorrichtung gezeigt. Ein Teil

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der bogenförmigen Gehäusefläche wird beseitigt und es bleibt ein flacher Oberflächenteil 2 übrig. Das Gehäuse besteht aus Flusseisen, welches sich für Glasmetallverschlüsse eignet. Eine durchgehende Bohrung 3 in der Gehäuseachse weist an ihren Enden Gegenbohrungen auf. Die Gegenbohrung am untern Ende bildet eine Vertiefung 4 in der Bodenfläche des Gehäuses, während die Gegenbohrung am obern Ende der Öffnung eine weitere, grössere Vertiefung 5 in der obern Fläche des Gehäuses bildet. Diese Vertiefung 5 nimmt den Sockel 6 auf. Der Sockel besteht aus sauerstofffreiem, hochleitendem Kupfer und ist durch Silberlötung oder durch ein anderes zweckmässiges Verfahren, wie z.B. durch Schmelzschweissung, am Boden der Vertiefung 5 befestigt. Im Querschnitt ist der Sockel «D»-Förmig und ist so befestigt, dass die flache Seite des Buchstaben D parallel mit dem flachen Oberflächenteil 2 des Gehäuses 1 verläuft. Schliesslich wird ein Injektionslaser 7, Fig. 4, an der flachen Seite des Buchstaben D angebracht und der Sockel wird um eine solche Entfernung von der Gehäuseachse montiert,

dass die Laser-Ausstrahlungsachse in der Gehäuseachse liegt.

Zwischen dem flachen Oberflächenteil 2 und der grössern Vertiefung 5 befindet sich ein Schlitz 8, in welchem eine in den Fig. 1-3 nicht gezeigte Streifenleitung des Lasers untergebracht wird. 9 sind ein Paar blinde Gewindelöcher, welche zum Anschrauben des nicht gezeigten Kühlkörpers dienen. Weitere blinde Gewindelöcher 10 dienen zur Befestigung eines Faserendstückes der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform.

Die obere Fläche des Sockels 6 muss, wie bereits erwähnt, ein wenig unter der oberen Stirnfläche des den Sockel umgebenden Gehäuses 11 liegen, damit nach dem Zusammenmontieren des Gehäuses mit dem Faserendstück der Sockel nicht mit der Lichtleitfaser in Berührung kommt. Auf der andern Seite muss natürlich die Höhendifferenz zwischen der oberen Sockelfläche und der Gehäusestirnfläche so klein als nur möglich sein, damit die grösstmögliche aus dem Laser austretende Lichtmenge in die Faser gekoppelt werden kann. Es wurde auch bereits gesagt, dass zum Erlangen der kleinen Höhendifferenz (normalerweise einige (im) die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem Kupfersockel und dem Stahlgehäuse ausgenutzt wird: Die obere Fläche des Sockels und die diesen Sockel umgebende obere Stirnfläche des Gehäuses werden bei einer erhöhten, die beabsichtigte maximale Betriebstemperatur der kompletten Halterungsvorrichtung übersteigenden Temperatur maschinell so bearbeitet, dass sie in einer gemeinsamen Ebene liegen. Bei Abkühlung der Einzelteile schrumpft der Kupfersockel etwas mehr zusammen als das Gehäuse, wodurch die gewünschte kleine Höhendifferenz erreicht wird. Die erwähnte maschinelle Bearbeitung der zwei Oberflächen kann vorzugsweise in Schleifen und Polieren bei Raumtemperatur bestehen; danach wird die ganze Anordnung erhitzt und die oberen Flächen nochmals bei erhöhter Temperatur unter Verwendung von Polierrot poliert. Diese Endpolierung mit Polierrot ist normalerweise ein schneller Vorgang, der nur einige Sekunden in Anspruch nimmt. Bei einem 2,8 mm hohen Sockel und einer Endpolie-rungstemperatur von 60° C wurde bei Betriebstemperaturen von 20° C eine Höhendifferenz von 0,5 (im gemessen. Nach der Endpolierung wird die ganze Anordnung goldplattiert.

In Fig. 4 bildet der Sockel 6 einen Anschluss des Lasers 7, während der andere Anschluss über ein feines, goldenes Flechtband 13 erfolgt, welches am Ende einer Streifenleitung 14 befestigt ist. Die Streifenleitung besteht aus einer goldplattierten, eine niedrige Wärmeausdehnungszahl aufweisenden Nik-kel-Eisen-Legierung, die für Metall-Glas-Verschlüsse geeignet ist.

Die Streifenleitung ist gegabelt und weist in der Nähe des gegabelten Endes ein rechtwinkliges Knie auf, so dass sich der Hauptteil der Streifenleitung parallel zu der Stirn- bzw. Bodenfläche des Gehäuses 1 erstreckt, während das aus zwei Zungen ausgebildete Ende parallel zu der flachen Sockelseite verläuft und die zum Anbringen des Lasers vorgesehene Region umschliesst. Im vorliegenden Fall wird lediglich eine der Zungen verwendet. Die beiden vorhandenen Zungen können jedoch zur Herabsetzung des Wellenwiderstandes des Anschlus-s ses verwendet werden, indem ein längeres Flechtband 13 an die beiden Zungen angeschlossen und der Mittelpunkt desselben mit dem Laser verbunden wird. Jede Zunge kann auch ihr eigenes Flechtband aufweisen, welches dann je mit dem Laser verbunden wird.

io Ein mit einer Harzschicht versehenes, klebbares Mattengeflecht wird unter der Streifenleitung angebracht, um diese in einer vorausbestimmten Entfernung von der Grundfläche der grössern Vertiefung 5 zu halten. Zwei klebbare Matten 15 aus demselben Material wie das Mattengeflecht werden an die 15 rückwärtigen Flächen der Streifenleitungszungen angeklebt, um eine vorausbestimmte Distanz vom Sockel zu gewährleisten. Das nicht gegabelte Ende der Streifenleitung wird durch den Schlitz 8 im Gehäuse 1 durchgezogen und so angebracht, dass die Zungen am andern Streifenleitungsende knapp (ca. 0,2 mm) 2o unter der oberen Sockelfläche enden. Aus den Fig. 1 und 3 ist ersichtlich, dass der Schlitz teilweise über und teilweise unter der Grundfläche der grössern Vertiefung 5 liegt. Über das nicht gegabelte Ende der Streifenleitung wird nun eine Glasfritte bis in den Schlitz hineingezogen. Die Kante 8a verhindert das 2s Durchrutschen der Fritte durch den Schlitz und hält sie, während sie durch Erhitzung einen Glasmetallverschluss der Streifenleitung bildet. Der letzte Schritt vor dem Anbringen des Lasers im Gehäuse besteht in der Befestigung eines Glasfensters in der kleinern Vertiefung 4. Zu diesem Zweck kann z.B. das 30 Fenster mit einem Metallisierungsüberzug versehen werden, welcher dann ein ganz übliches Anlöten des Fensters an die Vertiefung 4 ermöglicht.

Nun wird der Laser 7 an den Sockel 6 befestigt und mittels des Goldflechtbandes 13 mit der Streifenleitung verbunden. 35 Beim Anbringen des Lasers muss darauf geachtet werden, dass er um ungefähr 18 |xm unter der obern Fläche des Sockels sitzt. Diese 18 (im bilden einen Kompromiss, welcher einerseits eine gute Wäremabfuhr und andererseits eine minimale Behinderung der Vorwärtsemission von Laserstrahlen gestattet. Auch 40 muss die unmittelbare Nähe zwischen Laserfront und Faserende gewährleistet sein, um einen guten optischen Wirkungsgrad der Lichtübertragung erreichen zu können.

Zweck der bisher beschriebenen Konstruktion ist es, Laserstrahlen aus der Laser-Lichtquelle in das Ende einer Faser 45 aussenden zu können, welche an einem Faserendstück befestigt ist. Eine Platte 50, vorzugsweise aus Stahl, wird an der obern Gehäusefläche durch Anschrauben befestigt. Eine Ausbildung eines derartigen Faserendstücks soll nun anhand der Fig. 5 und 6 beschrieben werden. Das Faserendstück besteht im allgemei-5o nen aus der bereits erwähnten Stahlplatte 50 mit einem mit dieser Platte einen Teil bildenden, hohlen Stiel 51, durch welchen eine Lichtleitfaser 52 durchgezogen wird. Diese Lichtleitfaser endet in einem mit einer Öffnung versehenen Uhrenstein 53. Das Faserende muss mit der Frontfläche der Platte bündig 55 sein. Die Faser selbst ist durch einen Kunststoffmantel 54 geschützt, dessen Endteil von der Faser abgeschält wird, um das Faserende zu entblössen. Dieses Faserende wird mit Gleitsitz durch die Öffnung des Uhrensteins 53 geschoben. Der Edelstein selbst sitzt in einer Bohrung des Stiels 51, der eine Gegenboh-6o rang aufweist, in welcher der Kunststoffmantel 54 Platz hat. Die dem gegenüberliegenden Stielende zugewandte Fläche des Uhrensteins ist schalenförmig aufgeweitet, um das Einfädeln der Faser in die Edelsteinöffnung zu erleichtern. Die Faser wird im Stiel 51 durch ein Harz 55 befestigt.

65 Ursprünglich ragt das nackte Faserende eine kurze Distanz über die Frontfläche der Stahlplatte 50 hinaus. Dieses hinausragende Ende wird jedoch weggeschliffen, wodurch das Faserende mit der Frontfläche der Stahlplatte bündig wird. Damit man

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nicht das harte Uhrensteinmaterial schleifen muss, wird dieser zurückgesetzt und mit einer Schicht 56 versehen, die aus einem härtbaren Material, wie Cyanacrylklebstoff bestehen kann.

Um die zu polierende Fläche reduzieren zu können, wird eine ringförmige Rille 57 in der Frontfläche gebildet, welche Rille diese in zwei Flächen 50a und 50b teilt ; ein Flansch 58, durch welchen die Platte an das Gehäuse befestigt werden kann ist in Bezug auf die Frontfläche zurückgesetzt. Die Frontfläche kann auch mit einer weitern, nicht gezeigten, ringförmigen Fläche versehen werden, in welche ein O-Ringhineingepasst wird, so dass die Platte 50 dann mittels dieses O-Ringes dicht an das Laser-Gehäuse 1 angeschlossen werden kann. Die Platte 50 weist drei Öffnungen 59 auf, welche den blinden Gewindelöchern 10 entsprechen und zum Anschrauben der Platte an das Gehäuse dienen. Der Flansch 58 weist weitere vier Löcher 60 auf, die zur Befestigung an eine andere Konstruktion dienen.

In den Fig. 5 und 6 erstreckt sich die Faser über das Stielende hinaus. Eine weitere Ausführungsform des Faserendstücks gemäss den Fig. 7,8 und 9 zeigt das Faserende bündig mit dem Stielende geschliffen. Diese Ausführungsform weist eine Stahlplatte 70 mit einem mit dieser Stahlplatte einen e' zigen Teil bildenden hohlen Stiel 71 auf. Durch den Stici 71 wird eine Lichtleitfaser 72 gezogen und ist an jedem Ende mit einem Uhrenstein 73 versehen. Jeder der Edelsteine weist wiederum eine schalenförmige Endfläche auf, um das Einfädeln der Faser in den Edelstein zu erleichtern.

Die zwei Steine sind in Bezug auf die Stahlplatten-Oberfläche und die Endfläche des Stiels zurückgesetzt, um eine Planpo-lierung der Faserenden mit den erwähnten Flächen der Stahlplatte bzw. des Stiels zu ermöglichen, ohne die harte Edelsteinoberfläche polieren zu müssen. Anfangs ragt die Faser 72 ein wenig über das Endstück hinaus. Nach dem Durchfädeln durch die Edelsteine werden die hinausragenden Enden durch das Auftragen von Schichten 74 aus einem härtbaren Material gesichert. Nach der Aushärtung der Schichten werden die zwei Faserenden planpoliert, um in einer Ebene mit den Endflächen der Endstücke zu liegen.

Die Platte 70 entspricht der Platte 50 aus den Fig. 5 und 6. Lediglich der Stiel 71 weist einen grössern Durchmesser als jener aus den Fig. 5 und 6 auf. Er, d.h. der Stiel 71, ist als Steckverbinder-Positiv ausgebildet, um mit einem Steckverbinder-Negativ eine Lichtleitfaser-Steckverbindung zu bilden, welche bereits im CH-Patent Nr. 608 625 beschrieben wurde. Das 5 Steckverbinder-Positiv entspricht der Fig. 2 des erwähnten CH-Patents und weist zwei Flächen 76, die in den Seiten des Stiels maschinell gebildet wurden, weiter eine um den Stielumfang herum verlaufende Rille 77 und schliesslich eine Abschrägung 78 auf.

m Wie erwähnt, arbeitet dieses Steckverbinder-Positiv mit dem in Fig. 3 des erwähnten Schweizer Patents angegebenen Steckverbinder-Gegenstück zusammen. Beim Zusammenpassen der beiden Steckverbinderteile stossen die Faserenden in der Faserendstück-Platte und im Steckverbinder-Negativ u stumpf aneinander. Es kommt zu einer optischen Kopplung beider Fasern.

Es wurde bereits über die Notwendigkeit gesprochen, zwischen dem Sockel 6 und dem Faserendstück eine gewisse Distanz zu wahren; dies wurde dadurch erreicht, dass die ver-2o schiedenen Wärmeausdehnungszahlen von Sockel und Gehäuse ausgenützt wurden. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, eine Distanzschicht aus plattiertem oder aufgedampftem Material zu verwenden. Es gibt zwei Möglichkeiten, diese Distanzschicht zu schaffen: Man kann entweder die obere Fläche des Sockels 6 -25 nach deren Planpolierung mit der obern Stirnfläche des Gehäuses - mit einer Maske versehen, dann das Schichtmaterial auf der Stirnfläche des Gehäuses durch Plattierung oder Aufdampfung ablagern und schliesslich die Maske von der obern Fläche des Sockels beseitigen; oder man kann das Distanzschicht-30 Material auf die Oberfläche 50b der Faserendstück-Platte 50 auftragen, (wobei vorerst die Fläche 50a mit einer Maske versehen wurde).

Beim ersten Anlegen der Faserendstück-Platte an die Laser-Halterungsvorrichtung wird sie nur schwach ange-35 schraubt. Dann wird der Laser in Betrieb gesetzt und es werden noch kleine Anpassungen seiner Lage vorgenommen, um den besten Lichtübergang vom Laser in das Faserende zu erreichen. Schliesslich wird die Faserendstück-Platte fest an das Gehäuse angeschraubt.

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2 Blatt Zeichnungen