DD217906A1 - Koppelanordnung fuer licht emittierende strahlungsquellen asymmetrischer strahlungscharakteristik - Google Patents

Abstract

Ziel der Erfindung ist es, Licht aus Strahlungsquellen mit asymmetrischer Strahlungscharakteristik mit einem Wirkungsgrad von ca. 100 % in Multimodelichtleiter einzukoppeln. Die Aufgabe besteht darin, eine Koppelanordnung zu schaffen, die sich mit Technologien der integrierten Optik realisieren laesst. Hierbei ist im Fernfeld einer Licht emittierenden Strahlungsquelle mit asymmetrischer Strahlungscharakteristik eine Anzahl diskreter in ein Substrat eingebetteter Lichtleiterstuecke derart angeordnet, dass die einen Enden der benachbarten Lichtleiterstuecke sich in der Weise beruehren, dass die anzuregenden Stirnflaechen der Kerne der Lichtleiterstuecke eine Gesamtflaeche bilden, die der von der Strahlung der Strahlungsquelle in einem definierten Abstand durchsetzten Flaeche entspricht und dass die optischen Achsen der Lichtleiterstuecke auf das Zentrum der Strahlungsquelle ausgerichtet sind und der Abstand zwischen der emittierenden Flaeche der Strahlungsquelle und der mit Strahlung durchsetzten Flaeche 20 bis 100 Wellenlaengen betraegt. Fig. 1

Description

Berlin, den 13. 9. 1983 ze-kb 29170/503

Anmelder Bernd Forbrig, Dr.-Ing.

Gert Leidenberger, Dr.-Ing,

Koppelanordhung für Licht emittierende Strahlungsquellen mit asymmetrischer»Strahlungscharakteristik

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur effizienten Kopplung von Licht emittierenden Strahlungsquellen mit asymmetrischer Strahlungscharakteristik, insbesondere an Multimodenlichtleiter, die in mikrooptischen Modulen der Lichtleiternachrichtentechnik integriert sind.

Charakteristik bekannter technischer Lösungen

Strahlungsquellen mit asymmetrischer Strahlungscharakteristik, zum Beispiel Laserdioden, strahlen im allgemeinen senkrecht zur emittierenden Fläche in einem größeren Winkelbereich als parallel zur emittierenden Fläche. Dieser Effekt bringt bei der Einkopplung von Licht in Multi-

modenlichtleiter einen schlechten Wirkungsgrad mit sich, da in senkrechter Richtung der Akzeptanzwinkel des Multimodenlichtleiters überschritten wird. Es ist daher üblich, vor die Stirnfläche eines MuItimodenlichtleiters mehr oder weniger aufwendige optische Systeme anzuordnen, um den niedrigen Koppe!wirkungsgrad von 20 bis 30 % mindestens zu verdoppeln, vgl, Applied Optics 21 (1982) 11, S, 1933 ff. Als optische Systeme eignen sich auch unter anderem sogenannte Taper, vgl. DE-OS 2 805 358, G 02 B / 5.14, sphärische oder zylindrische Mikrolinsen, vgl. OE-OS 2 743 013, G 02 B / 5.14, oder deren Kombinationen, mit denen ein ähnlich guter Wirkungsgrad erzielt wird. Bei einer anderen bekannten Kopplungsart wird vom Dachkantenanschliff der Stirnfläche des MuItimodenlichtleiters Gebrauch gemacht, wodurch ein Koppelwirkungsgrad bis zu 80 % erreicht werden kann, vgl. SEL Presseinformation 57/81 "Glasfaser-Lichteinkppplung mit hohem Wirkungsgrad". Es ist erkennbar, daß die Grenze des Koppelwirkungsgrades zur Zeit bei ca. 80 % liegt. Alle bekannten Anordnungen werden jedoch mit Technologien realisiert, die einen relativ hohen teilweise ökonomisch nicht vertretbaren Aufwand erfordern.

Ziel der Erfindung - . .} '

Ziel der Erfindung'ist es. Licht von emittierenden Strahlungsquellen mit asymmetrischer Strahlungscharakteristik, insbesondere in Multimodenlichtleiter, die in mikrooptischön Modulen integriert sind, derart einzukoppeln, daß der Kopplungsgrad möglichst gleich 1 ist.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur effizienten Kopplung von Licht emittierenden Strah-

lungsquellen an Multimodenlichtleiter zu schaffen, die sich für eine Technologie der integrierten Optik eignet und ohne zusätzliche optische Systeme auskommt» * Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Fernfeld der Licht emittierenden Strahlungsquelle mit asymmetrischer Strahlungscharakteristik eine. Anzahl diskreter in ein Substrat eingebettete Lichtleiterstücke derart angeordnet ist, daß die einen Enden der benachbarten Lichtleiterstücke sich in der Weise berühren, daß die anzuregenden Stirnflächen der Kerne der Lichtleiterstücke eine Gesamtfläche bilden, die der von der Strahlung der Strahlungsquelle in einem definierten Abstand durchsetzten Fläche entspricht und daß die optischen Achsen der Lichtleiterstücke auf das Zentrum der Strahlungsquelle ausgerichtet sind und der Abstand zwischen der emittierenden Fläche der Strahlungsquelle und der mit Strahlung durchsetzten Fläche 20 bis 1.00 Wellenlängen beträgt· Die anderen Enden der Lichtleiterstücke gehen im Substrat Übergangs los in einen Multimode licht leiter über, dessen Querschnittfläche der Summe der einzelnen Querschnittsflächen der Lichtleiterstücke entspricht. Die von den anzuregenden Stirnflächen der Lichtleiterstücke gebildete Gesamtfläche, die transversal zur Ausbreitungsebene der Strahlung liegt, kann sowohl plan als auch konkav ausgebildet sein· Die Länge der Lichtleiterstücke beträgt einige 1000 We Ilen längen «

Als Lichtleiterstücke^eignen sich sowohl Monomode lichtleiterstücke als auch Multimode lichtleiterstücke kleiner Geometrie und geringer Modenzahl.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung.wird anhand von in der Zeichnung wiederge· gebenen Einzelheiten näher erläutert· In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Koppelanordnung in einem

Substrat, Fig. 2 eine Prinzipskizze des Strahlenganges in der Ebene senkrecht zur emittierenden Fläche der

Strahlungsquelle, Fig* 3 eine Prinzipskizze des Strahlenganges in der Ebene parallel zur emittierenden Fläche der

Strahlungsquelle und , Fig. 4 eine Prinzipskizze eines Verlaufs¹ von Monomodelichtleiterstücken im Substrat.

In Fig. 1 bildet der aus einer Strahlungsquelle 1. zum Beispiel einer Laserdiode austretende Lichtkegel im Abstand A im Querschnitt eine Fläche, die eine für Laserdioden charakteristische elliptische Fläche aufweist. Der Lichtkegel trifft auf die Kernstirnflächen einer Anzahl diskreter Monomodelicht leiterstücke 2, im weiteren Lichtleiterstücke genannt, deren Anordnung der mit Licht durchsetzten elliptischen Fläche angepaßt ist. Der Abstand A wird so gewählt, daß er einmal proportional zum Kerndurchmesser eines an die Lichtleiterstücke 2 sich anschließenden MuItimodelichtleiters 3 ist und zum anderen umgekehrt proportional zum Akzeptanzwinkel der Laserdiode 1 und dies sowohl senkrecht als auch parallel zur emittierenden Fläche der Laserdiode 1. Die genaue Berechnung des Abstandes A geschieht nach an sich bekannten Berechnungsmethoden.

Die Lichtleiterstücke sind in ein Substrat 4 eingebettet ebenso der Multimodenlichtleiter 3. Die Verbindung der Lichtleiterstücke 2 mit dem MuItimodenlicht leiter 3 kann zum Beispiel durch gewöhnliche Stirnflächenkopplung realisiert werden.

Anhand des in Fig. 2 angedeuteten Strahlenganges ist erkennbar, daß der Akzeptanzwinkel der einzelnen Lichtleiterstücke 2 nicht überschritten wird, da alle Strahlen nahezu achsenparallel eingekoppelt werden.

Fig. 3 zeigt den Strahlengang in der zu Fig. 2 orthogonal liegenden Ebene· Es ist auch hier ersichtlich» daß der Grenzwinkel der in den Lichtleiterstücken 2 geführten Moden nicht überschritten wird. Die achsenparallele Einkopplung in die Lichtleiterstücke 2 wird dadurch erreicht, daß ihre optischen Achsen auf das Zentrum der Strahlungsquelle 1 ausgerichtet sind.

Infolge dieser Ausrichtung, die eine effiziente Kopplung ermöglicht, besitzen die einzelnen Lichtleiterstücke 2 einen bestimmten Neigungswinkel zueinander, sie liegen also nicht parallel nebeneinander. Die sich anfangs voneinander entfernenden Lichtleiterstücke 2 sind über eine Länge von einigen 1000 Wellenlängen, das sind wenige Millimeter, in dem Substrat 4 so geführt, daß sich die divergierenden Lichtleiterstücke 2 zu einem Parallelbündel vereinigen und in den MuItimodenlichtleiter 3 übergehen. Da die der Strahlungsquelle 1 gegenüberliegende Gesamtfläche der Kernstirriflachen der Lichtleiterstücke 2 mit der Querschnittsfläche des Multlmodenlicht leite rs 3 nahezu übereinstimmt, ist der Kopplungsgrad ebenso nahezu gleich "Eins", das heißt, er beträgt ca. 100 %·

Den prinzipiellen Verlauf zeigen Fig. 4 und Fig. 5. Die leichte Krümmung der Lichtleiterstücke 2 beeinflußt die optischen Eigenschaften, insbesondere die Lichtleitung, nicht, da die Krümmung sich über einige 1000 Wellenlängen erstreckt. Die sich vereinigenden LichtleiterstückQ 2 führen Licht unter einem kleinen Akzeptanzwinkel (Parallelstrahlen), so daß daher die in.den Lichtleiterstücken 2 geführte optische Leistung vollständig in den Multimoden-. lichtleiter-3 -übergeht, an den zum Beispiel ein Lichtleiterstecker angeschlossen werden kann.

Um den Lichtleiteffekt zu gewährleisten, sind die Kerne der Monomodelicht leiter, die einen großen Brechungsindex besitzen, in einem Substrat mit kleinerem Brechungsindex untergebracht

Die erfindungsgemäße Koppelanordnung gestattet den Einsatz

von Technologien der integrierten Optik, zinn Beispiel Ionenaustausch in Glas,-wodurch große Stückzahlen rationell herstellbar sind. Mikrolinsen oder ähnliche optische Systeme entfallen völlig. ' .

Claims (6)

Erfindungsanspruch

1. Koppelanordnung für Licht emittierende Strahlungsquellen mit,asymmetrischer Strahlungscharakteristik, insbesondere an Multimode lichtleiter, die in mikrooptischen Modulen der Lichtleiternachrichtentechnik integriert sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Fernfeld der Licht emittierenden Strahlungsquelle (1) eine Anzahl diskreter in ein Substrat (4) eingebetteter Lichtleiterstücke (2) derart angeordnet ist, daß die einen Enden der benachbarten Lichtleiterstücke (2) sich in der Weise berühren, daß die anzuregenden Stirnflächen der Kerne der Lichtleiterstücke (2) eine Gesamtfläche bilden, die der von der Strahlung der Strahlungsquelle (1) in einem definierten Abstand (A) durchsetzten Fläche entspricht und daß die optischen Achsen der Lichtleiterstücke (2) auf das Zentrum der Strahlungsquelle (1) ausgerichtet sind und der definierte Abstand (A) zwischen der emittierenden »Fläche der Strahlungsquelle und der mit Strahlung durchsetzten Fläche 20 bis 100 Wellenlängen beträgt und daß die anderen Enden der Lichtleiterstücke (2) im Substrat (4) ubergangslos in einen Multimodelicht leiter (3) übergehen, dessen Querschnittsfläche der Summe der einzelnen Querschnittflächen der Lichtleiterstücke (2) entspricht.

2. Koppelanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ,einen Enden der Lichtleiterstücke (2) derart angeordnet sind, daß die anzuregenden Stirnflächen der Lichtleiterstück'3 (2) in einer Ebene zu liegen kommen, die transversal zur Ausbreitungsebene der Strahlung liegt.

3. Koppelanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Enden der Lichtleiterstücke (2) derart angeordnet sind, daß die von den anzuregenden Stirnflächen der Lichtleiterstücke (2) gebildete Gesamtfläche, die transversal zur Ausbreitungsebene der Strahlung liegt, konkav gewölbt ist.

J¹ 3- -

4. Koppelanordnung nach Punkt I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Lichtleiterstücke (2) einige 1000 Wellenlängen betragt.

.5. Koppelanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtleiterstücke (2) Monomodelichtleiterstücka
vorgesehen sind.

6. Koppelanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtleiterstücke (2) Multimode lichtleiterstücka
kleiner Geometrie und geringer Modenzahl vorgesehen sind.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen