DD217906A1

DD217906A1 - COUPLING ARRANGEMENT FOR LIGHT EMITTING RADIATION SOURCES ASYMMETRICAL RADIATION CHARACTERISTICS

Info

Publication number: DD217906A1
Application number: DD25529583A
Authority: DD
Inventors: Bernd Forbrig; Gert Leidenberger
Original assignee: Bernd Forbrig; Gert Leidenberger
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1983-09-30
Publication date: 1985-01-23

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. 1The aim of the invention is to couple light from radiation sources with asymmetrical radiation characteristics with an efficiency of about 100% in multimode light guides. The object is to provide a coupling arrangement that can be realized with integrated optics technologies. Herein, in the far field of a light emitting radiation source having asymmetric radiation characteristics, a number of discrete optical conductor pieces embedded in a substrate are arranged such that one ends of the adjacent light conductor pieces contact one another such that the end faces of the light guide pieces to be excited form an overall surface corresponding to that of FIG corresponds to the radiation of the radiation source in a defined distance interspersed surface corresponds and that the optical axes of the Lichtleiterstuecke are aligned with the center of the radiation source and the distance between the emitting surface of the radiation source and the radiated surface occupied 20 to 100 wavelengths. Fig. 1

Description

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

Anmelder Bernd Forbrig, Dr.-Ing.Applicant Bernd Forbrig, Dr.-Ing.

Gert Leidenberger, Dr.-Ing,Gert Leidenberger, Dr.-Ing,

Koppelanordhung für Licht emittierende Strahlungsquellen mit asymmetrischer»StrahlungscharakteristikCoupling arrangement for light-emitting radiation sources with asymmetrical radiation characteristics

Anwendungsgebietfield of use

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.The invention relates to an arrangement for the efficient coupling of light-emitting radiation sources with asymmetrical radiation characteristics, in particular to multimode light guides, which are integrated in micro-optical modules of the optical fiber communications technology.

Charakteristik bekannter technischer LösungenCharacteristic of known technical solutions

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-Radiation sources with asymmetrical radiation characteristics, for example laser diodes, radiate generally perpendicular to the emitting surface in a larger angular range than parallel to the emitting surface. This effect brings in the coupling of light in multiple

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.Mode light conductor with a poor efficiency, since in the vertical direction of the acceptance angle of the multimode light guide is exceeded. It is therefore customary to arrange more or less complicated optical systems in front of the end face of a multi-mode optical waveguide in order to at least double the low coupling efficiency of 20 to 30 % , cf. Applied Optics 21 (1982) 11, S, 1933 et seq Systems are also suitable, inter alia, so-called taper, cf. DE-OS 2 805 358, G 02 B / 5.14, spherical or cylindrical microlenses, cf. OE-OS 2,743,013, G 02 B / 5.14, or combinations thereof, with which a similarly good efficiency is achieved. In another known type of coupling, use is made of the roof edge grinding of the end face of the multi-mode optical waveguide, whereby a coupling efficiency of up to 80 % can be achieved, cf. SEL Press Release 57/81 "High-efficiency fiber-optic light coupling". It can be seen that the limit of the coupling efficiency is currently around 80 % . However, all known arrangements are realized with technologies that require a relatively high cost, partly not economically reasonable.

Ziel der Erfindung - . .} ' Object of the invention . .} '

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.The aim of the invention is. Light from emitting radiation sources with asymmetric radiation characteristics, in particular in multi-mode light guides, which are integrated in micro-optical modules, coupled in such a way that the degree of coupling is equal to 1 as possible.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur effizienten Kopplung von Licht emittierenden Strah-The invention is based on the object of providing an arrangement for the efficient coupling of light-emitting beams.

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 «To create sources of sources of multimode light guide, which is suitable for a technology of integrated optics and manages without additional optical systems »* This object is achieved in that in the far field of the light-emitting radiation source with asymmetric radiation characteristic of a. Number of discrete light guide pieces embedded in a substrate is arranged such that the one ends of the adjacent light guide pieces are in contact in such a way that the surfaces to be excited faces of the cores of the light guide pieces form a total area corresponding to the surface of the radiation of the radiation source penetrated by a defined distance and that the optical axes of the optical fiber pieces are aligned with the center of the radiation source and the distance between the emissive surface of the radiation source and the irradiated surface is 20 to 1.00 wavelengths. The other ends of the optical fiber pieces start transitioning in the substrate into a multimode light guide over, whose cross-sectional area corresponds to the sum of the individual cross-sectional areas of the light guide pieces. The total area formed by the end surfaces of the optical conductor pieces to be excited, which lies transversely to the propagation plane of the radiation, can be both flat and concave. The length of the optical conductor pieces amounts to several thousand lengths.

Als Lichtleiterstücke^eignen sich sowohl Monomode lichtleiterstücke als auch Multimode lichtleiterstücke kleiner Geometrie und geringer Modenzahl.Suitable light guide pieces are both single-mode optical fiber pieces and multi-mode light guide pieces small geometry and low number of modes.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung.wird anhand von in der Zeichnung wiederge· gebenen Einzelheiten näher erläutert· In der Zeichnung zeigen:The invention will be explained in more detail on the basis of details reproduced in the drawing.

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Koppelanordnung in einemFig. 1 is a schematic diagram of a coupling arrangement in one

Substrat, Fig. 2 eine Prinzipskizze des Strahlenganges in der Ebene senkrecht zur emittierenden Fläche derSubstrate, Fig. 2 is a schematic diagram of the beam path in the plane perpendicular to the emitting surface of

Strahlungsquelle, Fig* 3 eine Prinzipskizze des Strahlenganges in der Ebene parallel zur emittierenden Fläche derRadiation source, Fig * 3 is a schematic diagram of the beam path in the plane parallel to the emitting surface of

Strahlungsquelle und , Fig. 4 eine Prinzipskizze eines Verlaufs¹ von Monomodelichtleiterstücken im Substrat.4 shows a schematic diagram of a course ¹ of single-mode optical conductor pieces in the substrate.

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.In FIG. 1, the cone of light emerging from a radiation source 1, for example a laser diode, forms in cross-section at a distance A a surface which has an elliptical surface characteristic of laser diodes. The cone of light strikes the core end faces of a number of discrete monomode light guide pieces 2, hereinafter called light guide pieces, whose arrangement is adapted to the interspersed with light elliptical surface. The distance A is chosen so that it is once proportional to the core diameter of a MuItimodelichtleiter 3 adjoining the light guide pieces 2 and on the other inversely proportional to the acceptance angle of the laser diode 1 and this both perpendicular and parallel to the emitting surface of the laser diode 1. The exact calculation of the distance A is done according to known calculation methods.

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.The light guide pieces are embedded in a substrate 4 as well as the multi-mode light guide 3. The connection of the light guide pieces 2 with the MuItimodenlicht conductor 3 can be realized for example by ordinary end face coupling.

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.Based on the indicated in Fig. 2 beam path can be seen that the acceptance angle of the individual light guide pieces 2 is not exceeded, since all the rays are coupled almost parallel to the axis.

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.FIG. 3 shows the beam path in the plane orthogonal to FIG. 2. It can also be seen here that the limiting angle of the modes guided in the light guide pieces 2 is not exceeded. The axis-parallel coupling into the light guide pieces 2 is achieved in that their optical axes are aligned with the center of the radiation source 1.

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 %· As a result of this orientation, which allows efficient coupling, the individual light guide pieces 2 have a certain angle of inclination to one another, so they are not parallel to each other. The initially different light guide pieces 2 are over a length of several 1000 wavelengths, which are a few millimeters, guided in the substrate 4 so that the diverging optical fiber pieces 2 unite into a parallel bundle and pass into the MuItimodenlichtleiter 3. Since the total area of the core conductor faces of the light conductor pieces 2 opposite the radiation source 1 almost coincides with the cross-sectional area of the multimode light guide 3, the degree of coupling is also almost equal to "one", that is to say it is approximately 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.The basic curve is shown in FIG. 4 and FIG. 5. The slight curvature of the optical waveguide pieces 2 does not affect the optical properties, in particular the light pipe, since the curvature extends over a few thousand wavelengths. The merging LichtleiterstückQ 2 carry light at a small acceptance angle (parallel rays), so that therefore guided in.den optical fiber pieces 2 optical power completely in the multimode. optical fiber 3 transitions, to which, for example, a fiber optic connector can be connected.

Um den Lichtleiteffekt zu gewährleisten, sind die Kerne der Monomodelicht leiter, die einen großen Brechungsindex besitzen, in einem Substrat mit kleinerem Brechungsindex untergebrachtTo ensure the Lichtleiteffekt, the cores of the single-mode light guide, which have a high refractive index, housed in a substrate with a lower refractive index

Die erfindungsgemäße Koppelanordnung gestattet den Einsatz The coupling arrangement according to the invention allows the use

von Technologien der integrierten Optik, zinn Beispiel Ionenaustausch in Glas,-wodurch große Stückzahlen rationell herstellbar sind. Mikrolinsen oder ähnliche optische Systeme entfallen völlig. ' .of integrated optics technologies, tin For example, ion exchange in glass, whereby large quantities can be produced efficiently. Microlenses or similar optical systems are completely eliminated. '.

Claims

invention claim

1. coupling arrangement for light-emitting radiation sources, asymmetric radiation characteristics, in particular to multimode optical fibers, which are integrated in micro-optical modules of optical fiber communications, characterized in that in the far field of the light emitting radiation source (1) a number of discrete in a substrate (4) embedded light guide pieces (2) is arranged such that the one ends of the adjacent light guide pieces (2) are in contact in such a way that the surfaces to be excited nuclei of the light guide pieces (2) form a total area, that of the radiation of the radiation source (1) in one defined distance (A) and that the optical axes of the optical fiber pieces (2) are aligned with the center of the radiation source (1) and the defined distance (A) between the emitting »surface of the radiation source and the radiated surface 20 to 100 wavelengths t and that the other ends of the light guide pieces (2) in the substrate (4) seamlessly into a multi-mode light conductor (3), whose cross-sectional area corresponds to the sum of the individual cross-sectional areas of the light guide pieces (2).

2. Coupling arrangement according to item 1, characterized in that, one ends of the light guide pieces (2) are arranged such that the surfaces to be excited Lichtleiterstück'3 (2) come to rest in a plane which is transverse to the propagation plane of the radiation.

3. Coupling arrangement according to item 1, characterized in that the one ends of the light guide pieces (2) are arranged such that the surface to be excited by the end faces of the light guide pieces (2) formed overall surface which is transverse to the propagation plane of the radiation is concavely curved.

J ¹ 3- -

4. coupling arrangement according to item I _1, characterized in that the length of the light guide pieces (2) amounts to some 1000 wavelengths.

.5. Coupling arrangement according to item 1, characterized in that the light guide pieces (2) are single mode light conductor pieces
are provided.

6. coupling arrangement according to item 1, characterized in that the light guide pieces (2) multimode lichtleiterstücka
small geometry and low mode number are provided.

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