CN105452922A - 用于多芯纤维的光学耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种光学耦合器(6)，其用于将具有多个光芯(10)的多芯纤维(2)光学联接在多个单纤维(4)上，并且光学耦合器包括载体(16)，在该载体中嵌入有多芯纤维(2)，并且芯(10)在抛光的端面(18)上伸出，其中，芯(10)沿着线(34A、34B、34C)整合成组，各个组沿着线(34A、34B、34C)定向。多个平面的载体元件(22A、22B、22C)利用引入其表面(28)中的波导管(30)连接在端面(18)上，其中，芯(10)的每一个组耦合到各一个载体元件(22A、22B、22C)中。由此，在应用平面波导技术的情况下可以实现将多芯纤维(2)连接在单纤维(4)上。

Description

用于多芯纤维的光学耦合器
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分特征的光学耦合器，其用于使带有多个光芯的多芯纤维与多个单纤维光学联接。
背景技术
这种光学耦合器例如参引US2011/0176776A1。
在光学信号传输中，除了通常使用的单纤维也会使用多芯纤维，其中多个光学的、也就是引导光波的芯共同地整合在纤维内。经常需要将这种多芯纤维与单纤维相连，也就是与分别仅具有唯一一个引导光波的芯的纤维相连。
这种耦合器例如还参引US2013/0051729A1。耦合器包括载体板，各个光学波导管安装在该载体板上，相应地在端侧，大致棱柱形的镜子元件连接在载体板上。镜子元件相应于多芯纤维的芯的分布样式地布置在载体板上。多芯纤维以端侧也就是相对于载体板成直角地与耦合器相连。多芯纤维的各个芯与各个镜子对齐，从而各个芯的光学信号通过镜子以90°的偏转相应地导入施加到载体板上的波导管中。
在波导技术领域中，已知所谓的平面光学波导技术，其中，波导管引入到平面载体的表面中。基于平面波导技术可以构造如下的光学结构元件，即，具有整合功能性的所谓的光芯片例如分配器(分离器)。这种光学结构元件参引WO2011/057811A2以及WO2011/057812A2。在此，光学结构元件包括优选由玻璃制成的平整的载体元件，通过适当加工使光波导轨迹整合在该平整的载体元件内。在此，尤其是该引导轨迹通过离子扩散过程生成。引导轨迹样式的结构化在此优选以已知方式借助光刻法来实施。为了将纤维连接在这种光学构件上，将多个纤维彼此平行地嵌入优选同样由玻璃制成的连接载体中，尤其嵌入所谓的V形凹槽中，以确保各个纤维的精确取向和定位。于是，连接载体以适当的方式例如通过粘合或其他键合工艺联接到光学元件上，从而结构元件的波导管与连接载体的纤维对齐。
原则上，平面波导技术呈现高光学品质，从而波导技术原则上以高质量要求适用于光学结构元件。基于其基本原理，即，在载体元件的表面上的波导轨迹的结构化，各个波导管布置在平坦平面内。为了将多芯纤维连接在根据平面波导技术的这种光学结构元件上，90°偏转如在US2013/0051729A1中所述是一种连接可能性。然而与此相关的90°偏转有缺点。
在US2011/0176776A1中描述了一种用于连接多芯纤维的光学耦合器。在此，该光学耦合器在实施变形方案中具有多个彼此平行且分层布置的平面光波导元件，多芯纤维的相应的芯组连接在其上。在此，各组对应于载体元件地彼此平行地延伸。为了在连接范围内增大多芯纤维的各个芯之间的格栅大小，多芯纤维在其连接范围内扩展。
此外，从JP2013-076893A获知一种光学耦合器，其中，多层的光波导元件连接在多芯纤维上。芯的由多芯纤维形成的光学连接样式借助多层的光学元件转化成针对各个芯的线形连接样式。为此的前提是，多芯纤维的各个芯布置在不同高度上。每一个芯通过在相应的层内延伸的光波导结构引导到在输出侧布置的线形样式上。
发明内容
由现有技术出发本发明的任务在于，提供一种用于尤其是借助平面波导技术来光学地联接多芯纤维的光学耦合器。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1特征的光学耦合器解决。在此，光学耦合器包括载体，具有多个沿纵向方向延伸的光芯的多芯纤维嵌入到该载体中。为此尤其规定，多芯纤维放置在载体的V形凹槽中并在其中进行灌注。各个芯通到载体的端面处。芯可以划分为具有多个组的芯，其中，各个组的芯都沿直线定向。因而，限定了多芯纤维的至少分为两个组的芯，它们沿第一线和沿第二线定向。耦合器还具有第一以及第二耦合元件，第一以及第二组单纤维连接或能连接在耦合元件上。在此，耦合元件分别包括按照平面波导技术方式构造的光学载体元件，所述光学载体元件具有引入到其中的波导管，其中，波导管在端侧的连接侧又沿着线延伸。为了将多芯纤维的各个芯与载体元件的波导管相连，现在规定，多个载体元件以其连接侧共同连接在载体的端侧上。第一组多芯纤维的芯与第一载体元件的波导管对齐，第二组多芯纤维的芯与第二载体元件的波导管对齐。来自各个芯的光学信号由此在运行时耦入到相应载体元件的配属的波导管中。
至少两个载体元件共同连接在载体的端侧上，其中，每个载体元件都连接沿着线延伸的芯组。以这种方式可以实现多芯纤维借助平面波导技术以简单的方式连接在单纤维上。根据合乎目的的设计方案，波导管尤其借助离子扩散过程和优选光刻法也相应地引入到载体元件的表面中。
在此，原则上多芯纤维关于参考平面的精确取向具有重要意义，这是因为必须确保多芯纤维的线与载体元件的相应表面的精确定向。相应地，根据合乎目的的设计方案，多芯纤维如下方式地嵌入载体之内，即，各个芯相对于参考平面精确地取向。在此，参考平面优选由载体的侧面构成。芯组的各条线现在以合乎目的的方式相对于参考平面平行或以限定的角度定向。
因此，载体通常优选具有带有矩形横截面的平面设计方案，其中，各条线平行于载体的相应侧面地延伸。通过该措施可以实现载体和多芯纤维相对于多个载体元件尽可能精确地定向。
一般而言，这种连接原则适用于两组或多组的芯，它们可沿着线取向。在优选设计方案中，限定另一组的芯，其沿着另一条线定向并能够通过另一光学耦合元件连接在另一组单纤维上。
各个芯组的线以及与之相对应地载体元件以一个角度尤其是直角地彼此定向。通过各个载体元件彼此成角度尤其是成直角地定向可以实现以特别适当的方式连接到芯上。
各个载体元件彼此平面式地贴靠，以便仿制由多芯纤维预给定的间距尺寸以及进而多芯纤维的分布或连接样式。
因而相应地，在第二载体元件的情况下在合乎目的的设计方案中波导管布置在角区域中，其中，波导管相对于载体元件的侧面的边缘间距小于或等于芯组的第一线与第二线的最近的芯之间的芯间距。
为了尽量避免在从载体过渡到载体元件中时的反射，载体的端侧以及与之相对应地载体元件的连接侧均是倾斜的。因此，相应载体元件的整个连接侧以及优选整个端侧关于载体或者说相应的载体元件的表面整体上倾斜地定向。该倾斜关于相对于表面的垂直定向以优选约7至11度的倾斜角定向。
为了确保尽可能良好的光学过渡，载体的端侧连同嵌入的多芯纤维被抛光，从而各个芯位于由端侧构成的限定的平坦平面中。为了使多芯纤维能够连接在标准化的光学结构元件(例如光学插头等)上，在合乎目的的改进方案中，载体元件的波导管从连接侧朝向耦合侧地发散，单纤维连接或能连接在其上。因此，多芯纤维中的各个芯的间距尺寸(例如为仅30μm)扩展到所期望的格栅尺寸和间距尺寸，例如以127μm、250μm的数量级或是这些值的数倍。
在合乎目的的改进方案中，载体元件上还连接有连接载体，在该连接载体中相应的单纤维组尤其是嵌入V形凹槽中。因此，耦合元件除了载体元件之外还包括连接载体，该连接载体与载体元件以适当方式光耦合尤其是粘合。各个纤维与载体元件的相应的波导管在耦合侧对齐。为此，连接载体同样又具有配属的、尤其是抛光的连接侧。
在与连接载体对置的端部上，单纤维在合乎目的的改进方案中连接在光学插塞相连器上，经由该光学插塞相连器可以通过常见的光学标准相连器来连接其他光学纤维。嵌入连接载体中的单纤维相应地也比较短并且例如仅在几个厘米上延伸，以便可以实现将一个或多个光学相连器联接到耦合元件上。
附图说明
下面结合附图详细描述本发明的实施例。其分别在局部明显简化的视图中示出：
图1以侧视图示出具有用于将多芯纤维与多个单纤维相连的光学耦合器的布置方案；
图2示出沿着根据图1的朝向两个光学耦合元件的观察方向A-A的视图，这两个光学耦合元件连接在具有多芯纤维的载体上；
图3A示出第一耦合元件的俯视图，其连接在根据图2的载体上；
图3B示出第二耦合元件的俯视图，其连接在根据图2的载体上；
图4A以侧视图示出根据图3A的第一耦合元件；
图4B以侧视图示出根据图3B的第二耦合元件；
图5以侧视图示出根据图2的载体，其包括嵌入其内的多芯纤维；
图6示出与图2类似的视图，然而具有总共三个连接在载体上的载体元件；以及
图7A至7C示出连接在根据图7的载体上的耦合元件的俯视图。
附图中相同作用的部件具有相同的附图标记。
具体实施方式
为了将光学多芯纤维2连接在多个单纤维4上，构造了光学耦合器6，如其简化且一般性地在图1中以侧视图示出的那样。其他细节参见其他附图。
多芯纤维2沿纵向方向8延伸。光学耦合器6以及伸出的单纤维4沿纵向方向8连接在多芯纤维2上。
光学多芯纤维2具有多个光芯10，其嵌入在纤维外皮12中(为此例如参阅图2)。而单纤维4具有相应各自地嵌入在纤维外皮中的光芯(未示出)。
图1中，补充地于端侧在单纤维4上还连接有光学插塞相连器14，经由该光学插塞相连器14可以将其他单纤维通过标准插塞连接件来连接。相应地，多芯纤维2优选连接在此处未进一步示出的光学插塞相连器上。在此情况下，整个布置方案构成预制的适配器结构单元，以便通过标准插塞连接件从多芯纤维系统切换到单纤维系统。
光学耦合器6包括载体16，多芯纤维2嵌入在该载体中。多个耦合元件连接在载体16的倾斜端面18上。在图2的实施例中，在载体16上连接有第一耦合元件20A和第二耦合元件20B以及在根据图6的实施变形方案情况下还连接有附加的第三耦合元件20C。
在这些实施例中，各个耦合元件20A、20B、20C在此由载体元件22A、22B、22C和连接在其上的连接载体24A、24B、24C构成。载体元件22A、22B、22C根据平面波导技术相应地构造为光学结构元件并且也被称为所谓的光芯片。载体元件22A、22B、22C相应地利用端侧的连接侧26贴靠在载体16的端面18上。载体元件22A、22B、22C由适当的光学载体材料例如玻璃或塑料制成，并且通常在横截面中呈矩形地构造。它们相应地具有表面28，至少一个波导管30(对此尤其参阅图3A、3B以及图7A至7C)分别引入到该表面中。在此，各个波导管30与多芯纤维2的相应的芯10精确对齐。于背侧在各个载体元件(26A、26B、26C)上联接有相应的连接载体24A、24B、24C，单纤维4(类似于在载体16的情况)嵌入到连接载体中。单纤维4同样在另一抛光端面31上终止，单纤维利用该端面联接在相应的载体元件22A、22B、22C的耦合侧32上。单纤维4的各个芯10在此又与耦合侧32上的波导管30精确对齐。
尤其根据图1可知，各个元件沿纵向方向8彼此连接，因而多芯纤维2的芯10至载体元件22A、22B、22C的波导管30之间的各个过渡部沿纵向方向8对齐。同样适用于波导管30与单纤维4的芯之间的随后的过渡部。
基于应用平面波导技术，在载体元件22A、22B、22C中，仅在表面28处提供波导管30。这是由于特殊制造工艺所造成的，其中，波导管30尤其通过离子扩散过程引入到载体元件22A、22B、22C的载体基底中。在此，为了波导管模型的结构化，优选参考光刻法。因而波导管30直接构造在表面28处。
而多芯纤维2的芯10以在垂直于纵向方向8的平面中分布的方式布置，如结合图2和7可知。载体元件22A、22B、22C连同其引入到其表面28中的波导管30通常如下地布置，即，各个芯10与波导管30在表面28处精确对齐，具体而言以如下方式，即，整个芯10通过适当的芯的分组沿着线34A、34B、34C取向，它们相对于载体元件22A、22B、22C的相应的表面28平面平行地对齐。
在图2的实施例中，总共四个芯10沿第一线34A以及与之垂直定向的第二线34B定向。因为必须进行朝着波导管30的精确取向，所以多芯纤维2在载体16之内已经受限定地取向。载体16同载体元件22A、22B、22C一样具有矩形的横截面，该呈矩形的横截面具有相对置的底侧36以及相对置的侧面37。在载体元件22A、22B、22C中，表面28构成其中一个底侧36。
第一线34A现在优选平行于底侧36地延伸，而第二线34B与之垂直地延伸。载体16优选具有两个载体半部16A、16B，其中，下载体半部16A在初始状态下具有V形切口38，多芯纤维2放置在其中。在多芯纤维2固定在该下载体半部16A上时，已经执行了对多芯纤维2的调整和取向。如果多芯纤维2处于所期望的定向中，那么固定和嵌入多芯纤维2，从而构造成载体16，载体在其内部完全地包围多芯纤维2。在最后的步骤中，还进行对倾斜端面18的构造，尤其是通过抛光。该倾斜端面关于垂直于纵向方向8定向的竖直平面以大约在7至11度范围中的且优选在大约8度范围中的倾斜角α倾斜(为此参阅图4A、4B以及图5)。如根据图4A、4B可知，倾斜角α相一致地也在载体元件22A、22B中优选同样通过抛光过程来构造。通过这种倾斜至少降低干扰性的反射。
以与载体16相同的方式，优选也构成具有嵌入的单纤维4的相应的连接载体24A、24B、24C。在此，相应的连接载体24A、24B、24C也具有下载体半部，其设有V形凹槽，各个单纤维4在限定的位置放置在该V形凹槽中。单纤维4同样完整地嵌入在相应的连接载体24A、24B、24C的容积中。
为了各个载体元件22A、22B、22C在相应的载体16上精确取向，优选将光学信号馈入到各个光学信号路径中，其中，一直进行对相应载体元件22A、22B、22C关于载体16的取向，直至信号强度最大为止。一旦实现了精确的取向位置，载体元件22A、22B、22C在该位置处尤其借助粘胶剂紧固在载体16上。
尤其根据图2和7可以看到，载体元件22A、22B、22C相应于芯10的各个组的线34A、34B、34C的取向地成角度，尤其彼此成直角地定向。因而各个表面28相应于线34A、34B、34C的定向地彼此垂直地定向。在此，彼此间直角地取向的载体元件22A、22B、22C利用其平坦侧彼此贴靠。
在图7的实施变形方案中，构造有两条彼此平行定向的线34B、34C，它们分别包括芯的一个组。彼此平行定向的载体元件22B、22C彼此相间隔，其中，该间距略微小于平行的线34B、34C之间的间距。
各个芯10在多芯纤维2中以间距尺寸a彼此相间隔，其例如在30μm的范围内。这种多芯纤维的整个直径例如为125μm。
各个芯10的这种相对较小的间距尺寸a借助相应的载体元件22A、22B、22C和安装在其上的波导管结构在耦合侧26扩展成限定的格栅尺寸r。该格栅尺寸r例如为127μm、250μm或是这些值的多倍。因而波导管30从连接侧26出发朝着耦合侧32发散。相应波导管30优选对称地于耦合侧32终止并关于中心纵轴线取向。
相反，波导管30在连接侧26处，尤其是在竖直定向的载体元件22B、22C的情况下非对称地在角区域中起始。最靠外的波导管30相对于侧面37(相应的载体元件22B、22C利用该侧面贴靠在水平延伸的载体元件22A上)的边缘间距d1(参阅图3B)因而非常小，并且例如仅处于5μm至25μm之间的范围内，优选仅在10μm的范围内。因而该边缘间距d1小于第一线34A和与第二或第三线34B、34C的最接近的芯之间的芯间距d2(参阅图2)。
因此，通过光学耦合器6的此处所描述的特殊设计方案实现一种在平面波导技术辅助下将多芯纤维2连接在单纤维4上的连接可能性。前提是，多芯纤维2的芯10如下地分组，即，每个组的芯10精确地沿预给定的线34A、34B、34C延伸。在此，仅提供有限数量的这种组，这是因为每个组都分配有各自的载体元件22A、22B、22C。因而组以及进而线34A、34B、34C的数量通常受限制，尤其最多可以构造三个组，以便可以实现手动操作载体元件22A、22B、22C。
附图标记列表
2光学多芯纤维
4单纤维
6光学耦合器
8纵向方向
10光芯
12纤维外皮
14光学插塞相连器
16载体
16A、16B载体半部
18端面
20A第一耦合元件
20B第二耦合元件
20C第三耦合元件
22A第一载体元件
22B第二载体元件
22C第三载体元件
24A第一连接载体
24B第二连接载体
24C第三连接载体
26连接侧
28表面
30波导管
31其他端面
32耦合侧
34A第一线
34B第二线
34C第三线
36底侧
37侧面
38V形切口
α倾斜角

Claims (11)

1.一种光学耦合器(6)，其用于将具有多个光芯(10)的多芯纤维(2)光学联接在多个单纤维(4)上，所述光学耦合器具有
-载体(16)，所述多芯纤维(2)以限定的取向嵌入在所述载体中，并且第一组芯(10)沿第一线(34A)定向并且第二组芯沿第二线(34B)定向，
-平整的第一载体元件(22A)，第一组单纤维(4)能够连接在所述平整的第一载体元件上，
-平整的第二载体元件(22B)，第二组单纤维(4)能够连接在所述平整的第二载体元件上，
-其中，波导管(30)引入到所述载体元件(22A、22B、22C)中，
-其中，各个载体元件(22A、22B、22C)以连接侧(26)连接在所述载体(16)的端面(18)上，从而所述多芯纤维(2)的第一组芯(10)与所述第一载体元件(22A)的波导管(30)对齐并且第二组芯(10)与所述第二载体元件(22B)的波导管(30)对齐，其特征在于，各组芯(10)的线(34A、34B、34C)彼此成角度地布置并且与之相对应地所述载体元件(22A、22B、22C)彼此成角度地布置。
2.根据权利要求1所述的光学耦合器(6)，其特征在于，所述波导管(30)引入到相应的载体元件(22A、22B、22C)的表面(28)中。
3.根据权利要求1或2所述的光学耦合器(6)，其特征在于，所述载体(16)以平面上具有矩形横截面的方式构造并且所述线(34A、34B、34C)平行于所述载体(16)的侧(36、37)地延伸。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光学耦合器(6)，其特征在于，所述多芯纤维(2)具有至少另一组沿至少另一条线(34C)定向的芯(10)，并且所述至少另一组芯能够经由另一光学载体元件(22C)连接在另一组单纤维(4)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光学耦合器(6)，其特征在于，所述线(34A、34B、34C)彼此垂直地定向。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光学耦合器(6)，其特征在于，在所述第二载体元件(22B)的情况下，波导管(30)布置在角区域中，并且所述波导管(30)相对于所述第二载体元件(22B)的侧面(37)的边缘间距(d1)小于等于所述第一线(34A)相对于所述第二线(34B)的最接近的芯(10)的芯间距(d2)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光学耦合器(6)，其特征在于，所述连接侧(26)以及所述端侧(18)彼此间相对应地倾斜。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光学耦合器(6)，其特征在于，所述端侧(18)是抛光的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光学耦合器(6)，其特征在于，所述载体元件(22A、22B、22C)的波导管(30)从所述连接侧(26)朝着对置的耦合侧(32)发散，从而所述多芯纤维(2)中的芯(10)的间距尺寸(a)增大到格栅尺寸(r)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光学耦合器(6)，其特征在于，单纤维(4)的相应的组嵌入在连接在相应的载体元件(22A、22B、22C)上的连接载体(24A、24B、24C)中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学耦合器(6)，其特征在于，在所述单纤维(4)上于端侧上布置有光学相连器(14)。
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