CH664024A5 - OPTICAL COUPLER. - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Koppler mit einem Beugungsgitter, insbesondere zur Multiplex-Bildung und -Auflösung. DESCRIPTION The present invention relates to an optical coupler with a diffraction grating, in particular for multiplex formation and resolution.
Koppler der oben erwähnten Art, die als optische Einrichtungen zur Multiplex-Bildung und -Auflösung verwendet werden, empfangen Licht aus mindestens einer Eingangsfaser und koppeln es in mindestens eine Ausgangsfaser. Das verwendete Beugungsgitter ist eine winkelstreuende Vorrichtung, welche einfallendes, kollimiertes Licht in einem Winkel beugt, der vom Einfallwinkel und von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängig ist. Auf diese Weise kann das Licht nach Wellenlängen getrennt und wunschge-mäss weitergekoppelt werden. Couplers of the type mentioned above, which are used as optical devices for multiplex formation and resolution, receive light from at least one input fiber and couple it into at least one output fiber. The diffraction grating used is an angle-scattering device which diffracts incident, collimated light at an angle which is dependent on the angle of incidence and on the wavelength of the incident light. In this way, the light can be separated according to wavelengths and further coupled as required.
Es gibt verschiedene Arten von Kopplern mit einem Beugungsgitter, wobei eine von ihnen ein konkaves Beugungsgitter und eine andere eine Linse mit sich radial änderndem Brechungsindex und mit einem flachen Beugungsgitter verwendet.Bei der Einrichtung mit einem konkaven Beugungsgitter muss keine Lichtkollimierung und/oder Nachfokussie-rungsoptik verwendet werden. Diesem Vorteil stehen die There are different types of couplers with a diffraction grating, one of which uses a concave diffraction grating and another uses a lens with a radially changing refractive index and with a flat diffraction grating be used. They have this advantage
Nachteile einer gründlichen Kontrolle bei der Bildung der sphärisch konkaven Oberfläche sowie des Gitters entgegen. Daraus ergibt sich, dass das gitterbildende Werkzeug in einem Bogen geschwungen werden muss,während es die sphärische Oberfläche durchquert. Zusätzlich weisen die Koppler mit konkaven Gittern einen niedrigen Beugungs-Wirkungsgrad auf und können an Bildastigmatismus leiden. Der Nachteil des oben erwähnten Kopplers mit einer Linse besteht darin, dass eine zusätzliche Vorrichtung zur Kolli-mierung und Fokussierung des Lichts nötig ist. Disadvantages of a thorough control in the formation of the spherically concave surface and the grid. As a result, the grid-forming tool must be swung in an arc as it traverses the spherical surface. In addition, the couplers with concave gratings have a low diffraction efficiency and can suffer from image astigmatism. The disadvantage of the above-mentioned coupler with a lens is that an additional device for collimating and focusing the light is necessary.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der beiden oben erwähnten Arten von Kopplern zu beseitigen und einen neuen Kopplertyp zu zeigen, dessen charakteristische Merkmale dem Wortlaut des Patentanspruchs 1 zu entnehmen sind, The purpose of the present invention is to eliminate the disadvantages of the two types of couplers mentioned above and to show a new type of coupler, the characteristic features of which can be found in the wording of patent claim 1,
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: Embodiments of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsge-mässen Kopplers mit Beugungsgitter, 1 is a perspective view of a coupler according to the invention with a diffraction grating,
Fig. 2 eine schematische Ansicht dieses Kopplers und Fig. 2 is a schematic view of this coupler and
Fig. 3 ein Schema einer andern Ausführung des erfin-dungsgemässen Kopplers. Fig. 3 is a diagram of another embodiment of the coupler according to the invention.
Die Fig. 1 zeigt einen Beugungsgitter-Koppler 10 und eine Mehrfaser-Anordnung 12. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt der Koppler 10 als Multiplexer, so dass folglich die mehrfaserige Anordnung 12 eine Anzahl von Fasern I4a,b,c,d,e,f,g,h enthält,wobei jede von ihnen mit einer nichtgezeigten Lichtquelle, z.B. einem Laser oder einer lichtemittierenden Diode, verbunden ist. Die Faseranordnung 12 kann eine beliebige Anzahl von Fasern enthalten. Jede der Lichtquellen liefert Licht von unterschiedlicher Wellenlänge. Beim Licht aus der Faser handelt es sich um das einfallende Licht, welches durch den Koppler kombiniert und in eine Ausgangs- oder Vielfachleitungs-Faser 16 gekoppelt wird ; diese Faser 16 ist dann an ein optisches Fasersystem angeschlossen.Wenn der Koppler 10 als Démultiplexer verwendet wird, würde das einfallende Licht alle Wellenlängen enthalten und entlang der Faser 16 an den Koppler weitergeleitet werden, wobei dieser das Licht je nach Wellenlänge an die zuständigen Fasern 14a bis 14h verteilen würde. In diesem Falle würde jede der Fasern 14a bis 14h an einen entsprechenden Lichtdetektor angeschlossen sein, z.B. an eine Avalanche-Photodiode oder an eine PIN-Diode. In den Fig. 1 und 2 ist der Koppler ein länglicher optischer Körper 18 aus einem Material, welches gute Lichtübertragungseigenschaften aufweist. Im erwähnten Fall handelt es sich um Glas, vorzugsweise um reines Quarzglas. Es kann jedoch ein beliebiges Material verwendet werden, jedoch sollte der Brechungsindex des Materials einheitlich sein. Der Körper 18 in Fig. 1 weisst einen praktisch rechteckigen Querschnitt auf, wobei auch andere Querschnittsformen denkbar sind. 1 shows a diffraction grating coupler 10 and a multi-fiber arrangement 12. In this exemplary embodiment, the coupler 10 acts as a multiplexer, so that consequently the multi-fiber arrangement 12 has a number of fibers I4a, b, c, d, e, f, g, h contains, each of them with a light source not shown, e.g. a laser or a light emitting diode. The fiber assembly 12 can contain any number of fibers. Each of the light sources provides light of different wavelengths. The light from the fiber is the incident light, which is combined by the coupler and coupled into an output or multi-line fiber 16; this fiber 16 is then connected to an optical fiber system. If the coupler 10 is used as a demultiplexer, the incident light would contain all wavelengths and would be passed along the fiber 16 to the coupler, which, depending on the wavelength, sends the light to the responsible fibers 14a would distribute until 14h. In this case each of the fibers 14a to 14h would be connected to a corresponding light detector, e.g. to an avalanche photodiode or to a PIN diode. 1 and 2, the coupler is an elongated optical body 18 made of a material which has good light transmission properties. In the case mentioned, it is glass, preferably pure quartz glass. However, any material can be used, however the refractive index of the material should be uniform. The body 18 in FIG. 1 has a practically rectangular cross section, although other cross-sectional shapes are also conceivable.
Aus Fig. 1 ist auch ersichtlich, dass der Körper 18 eigentlich aus zwei Blöcken (aus reinem Quarzglas) 18a und 18b gebildet ist, welche Blöcke plane, aneinander stossende Kopplungsflächen aufweisen. Nach der Stumpfverbindung werden die Blöcke 18a und 18b zu einer Einheit zusammengefügt, vorzugsweise durch ein qualitativ hochstehendes optisches Epoxyharz 20, d.h. durch ein Harz, welches gute Licht-übertragungs-Eigenschaften aufweist. Die Bildung des Körpers 18 aus zwei Siliziumdioxid-Blöcken erleichtert in manchen Fällen die Herstellung des Kopplers 10, wie aus der weitern Beschreibung ersichtlich sein wird. Natürlich kann der Körper 18 auch aus einem einzigen Block bestehen, siehe die Fig. 2 und 3. It can also be seen from FIG. 1 that the body 18 is actually formed from two blocks (made of pure quartz glass) 18a and 18b, which blocks have flat, abutting coupling surfaces. After the butt joint, blocks 18a and 18b are joined together, preferably by a high quality optical epoxy resin 20, i.e. by a resin that has good light transmission properties. Forming the body 18 from two blocks of silicon dioxide in some cases facilitates the manufacture of the coupler 10, as will be apparent from the further description. Of course, the body 18 can also consist of a single block, see FIGS. 2 and 3.
Ein Ende des länglichen optischen Körpers 18 ist als konvexe Oberfläche 22 ausgebildet, die mit einem lichtreflektie2 One end of the elongated optical body 18 is formed as a convex surface 22, which has a light reflection 2
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
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3 3rd
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renden Material beschichtet ist. Als bevorzugtes Schichtmaterial der Oberfläche 22 wird Gold oder Silber verwendet und die Herstellung der konvexen Oberfläche erfolgt durch herkömmliche Methoden. Die Oberfläche 22 ist vorzugsweise sphärisch ausgebildet, wobei der Krümmungshalbmesser so ist, dass sich das aus der Mehrfaser-Anordnung 12 in den Körper 18 ausgesandte Licht entlang einem Pfad bis zur Oberfläche 22 fortbewegt, dessen Länge ungefähr der Brennweite entspricht. Auf diese Weise wird das Licht durch die sphärische Oberfläche 22 kollimiert. Manchmal ist es vorteilhaft, die Oberfläche 22 asphärisch auszubilden, d.h. eine Oberfläche zu schaffen, die durch mehr als eine Gleichung definiert ist, um eine Abweichung zu minimisieren. Der Ausdruck «sphärisch» schliesst folglich auch eine asphärische Oberfläche ein. material is coated. Gold or silver is used as the preferred layer material of the surface 22 and the convex surface is produced by conventional methods. The surface 22 is preferably spherical, the radius of curvature being such that the light emitted from the multi-fiber arrangement 12 into the body 18 travels along a path to the surface 22, the length of which approximately corresponds to the focal length. In this way, the light is collimated by the spherical surface 22. Sometimes it is advantageous to make the surface 22 aspherical, i.e. to create a surface that is defined by more than one equation to minimize deviation. The expression "spherical" therefore also includes an aspherical surface.
Das andere Ende des optischen Körpers 18 ist eine plane Oberfläche 24, deren ein Teil als Beugungsgitter 26 ausgebildet ist. Dieses besteht aus einer grossen Anzahl von Rillen, siehe hierzu Fig. 2, wobei natürlich die Abmessung der Rillen in dieser Figur stark vergrössert ist. Auch das Beugungsgitter 26 wird mit einem Überzug aus lichtreflektierendem Material, wie z.B. Gold oder Silber, versehen. Auf den restlichen Teil der planen Oberfläche 24 wird die Mehr-faser-Anordnung 12 befestigt, wobei gleichfalls ein entsprechendes optisches Epoxyharz verwendet werden kann. The other end of the optical body 18 is a flat surface 24, part of which is designed as a diffraction grating 26. This consists of a large number of grooves, see FIG. 2, the size of the grooves in this figure, of course, being greatly enlarged. The diffraction grating 26 is also covered with a coating of light reflecting material, e.g. Gold or silver. The multi-fiber arrangement 12 is attached to the remaining part of the flat surface 24, it also being possible to use a corresponding optical epoxy resin.
Das Beugungsgitter 26 kann mittels eines herkömmlichen Werkzeugs, üblicherweise eine Diamantklinge, auf der Oberfläche 24 gebildet werden. Das Gitter kann jedoch auch an einem Keil geformt werden, wobei dieser Keil mittels eines optischen Epoxyharzes 20 an die plane Oberfläche des Blocks 18b befestigt wird, siehe Fig. 1. Vorzugsweise erfolgt jedoch die Ausbildung des Gitters an der Endfläche 24, wie oben erwähnt. Dies kann stattfinden, dass der erwähnte andere Teil der planen Oberfläche 24 mit einer Schicht aus optischem Harz überzogen wird, wonach eine Matrize mit dem Beugungsgitter-Muster an die Oberfläche in das Harz gepresst wird, während es noch genügend weich ist, um geformt werden zu können. Nachfolgend wird das Harz ausgehärtet und mit einem reflektierendem Material in herkömmlicher Weise beschichtet. Die Herstellung des Gitters Diffraction grating 26 can be formed on surface 24 using a conventional tool, typically a diamond blade. However, the grid can also be formed on a wedge, which wedge is attached to the flat surface of the block 18b by means of an optical epoxy resin 20, see FIG. 1. However, the grid is preferably formed on the end face 24, as mentioned above. This can take place by coating the other part of the flat surface 24 mentioned with an optical resin layer, after which a matrix with the diffraction grating pattern is pressed against the surface into the resin while it is still sufficiently soft to be molded can. The resin is then cured and coated with a reflective material in a conventional manner. The making of the grid
26 wird durch die Verwendung zweier Blöcke 18a und 18b vereinfacht. 26 is simplified by using two blocks 18a and 18b.
Es können verschiedene Harze verwendet werden, wobei deren Brechungsindex nach der Aushärtung der Harze unge-s fähr jedem des lichtübertragenden Materials gleich sein sollte. Passende Harze werden z.B. durch die Firma Bausch and Lomb, Rochester, New York, USA, hergestellt. Various resins can be used, the refractive index of which should be approximately the same as that of the light-transmitting material after the resins have hardened. Suitable resins are e.g. manufactured by Bausch and Lomb, Rochester, New York, USA.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass das sich durch eine Eingangsfaser fortpflanzende, einfallende Licht durch den io Körper 18 geleitet wird, bis es auf die verspiegelte sphärische Oberfläche 22 stösst; dort wird es kollimiert und durch den Körper 18 zum Beugungsgitter 26 rückgestrahlt. Am Gitter 26 wird das auffallende Licht zurückgebeugt zur verspiegelten Oberfläche 22, von wo es in die Ausgangsfaser reflek-ls tiert und fokussiert wird. From Fig. 2 it can be seen that the incident light propagating through an input fiber is passed through the body 18 until it strikes the mirrored spherical surface 22; there it is collimated and reflected back through the body 18 to the diffraction grating 26. At the grating 26, the incident light is diffracted back to the mirrored surface 22, from where it is reflected and focused into the output fiber.
Weiter ist aus Fig. 2 ersichtlich, dass die konvexe sphärische Oberfläche 22 in bezug auf die optische Achse A des Körpers 18 zentriert ist. Durch diese Zentrierung der Oberfläche 22 bildet die plane Oberfläche 24 mit einer zur opti-20 sehen Achse senkrechten Linie einen Winkel T. Dieser Winkel entspricht ungefähr dem halben Gitter-Einfallwinkel, welcher für eine effiziente Gitterfunktion benötigt wird. 2 that the convex spherical surface 22 is centered with respect to the optical axis A of the body 18. By centering the surface 22, the plane surface 24 forms an angle T with a line perpendicular to the opti-20 axis. This angle corresponds approximately to half the grating angle of incidence which is required for an efficient grating function.
25 In manchen Ausführungen, siehe Fig. 3, kann die plane Oberfläche senkrecht zur optischen Achse des Körpers 18 liegen. Eine derartige senkrechte Oberfläche ist mit 24a bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel sollte die konvexe sphärische Oberfläche 22a dezentriert liegen, so dass der 30 Neigungswinkel der Oberfläche 26 dem halben Einfallwinkel, welcher zur effizienten Gitterfunktion benötigt wird, entspricht. 25 In some versions, see FIG. 3, the flat surface can be perpendicular to the optical axis of the body 18. Such a vertical surface is designated 24a. In this exemplary embodiment, the convex spherical surface 22a should be off-center, so that the angle of inclination of the surface 26 corresponds to half the angle of incidence which is required for the efficient grating function.
Die äussern Oberflächen des Körpers 18, mit Ausnahme der Oberflächen 22 und 24, können einer Glasoberflächen-35 Schleifbehandlung unterworfen werden, um die interne Streuung von der konvexen Oberfläche 22 und vom Beugungsgitter 26 herabzusetzen. Die geschliffenen Glasoberflächen können geschwärzt oder auf eine andere Weise behandelt werden, um deren Lichtfallen-Fähigkeit zu 40 erhöhen. The outer surfaces of the body 18, except for the surfaces 22 and 24, may be subjected to a glass surface 35 grinding treatment to reduce the internal scatter from the convex surface 22 and the diffraction grating 26. The cut glass surfaces can be blackened or otherwise treated to increase their light trapping ability.
B B
2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings
Claims (10)
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