DD234304A1

DD234304A1 - METHOD FOR PRODUCING AN OPTICAL COUPLING ELEMENT

Info

Publication number: DD234304A1
Application number: DD27288085A
Authority: DD
Inventors: Steffen Lochmann; Juergen-Michael Labs
Original assignee: Inst Prueffeld Elekt
Priority date: 1985-01-30
Filing date: 1985-01-30
Publication date: 1986-03-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Koppelelementes fuer optische Daten- und/oder Nachrichtenuebertragungssysteme durch Schmelzen von Glasmantel-Lichtwellenleitern. Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur oekonomischen Herstellung eines optischen Koppelelementes mit verbesserten Gebrauchswerteigenschaften anzugeben. Aufgabe ist es, ein Verfahren zu schaffen, wonach ein gleichzeitiges Ein-, Aus- sowie Ueberkoppeln von Lichtenergie am hergestellten Koppelelement ermoeglicht wird und geringere optische Verluste auftreten. Erfindungsgemaess werden zwei sich gegenueberstehende, stirnflaechig beruehrende, axial um einen Mindestbetrag versetzte Lichtwellenleiterenden innerhalb eines schmalen Bereiches geschmolzen und die im wesentlichen lichtfuehrenden Kerne mit einem definierten Radius bogenfoermig an die Lichtwellenleiteroberflaeche gefuehrt, wo eine direkte plane Ankopplung eines Diodenchips, Lichtwellenleiters oder aehnliches erfolgen kann. Fig. 2The invention relates to a method for producing an optical coupling element for optical data and / or communication systems by melting glass-clad optical fibers. The aim of the invention is to provide a method for the economic production of an optical coupling element with improved utility properties. The object is to provide a method according to which a simultaneous input, output as well as overcoupling of light energy on the manufactured coupling element is made possible and lower optical losses occur. According to the invention, two optical waveguide ends which lie opposite one another and are in contact with the end face are melted within a narrow range and the essentially light-guiding cores are guided with a defined radius to the optical waveguide surface, where a direct plane coupling of a diode chip, optical waveguide or the like can take place. Fig. 2

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Koppelelementes, daß an Stelle der herkömmlichen Verzweigerelemente ein gleichzeitiges Aus-, Ein- sowie Überkoppeln von Lichtenergie gestattet und in einfacher Weise an jeder beliebigen Stelle eines Gradienten- oder Stufenprofil-Lichtwellenleiters mit optischem Glasmantel realisierbar ist.The invention relates to a method for producing an optical coupling element, that in place of the conventional branch elements a simultaneous output, input and over coupling of light energy allowed and in a simple manner at any point of a gradient or step profile optical waveguide with optical glass jacket can be realized.

Characteristic of the known technical solutions

Optische Verzweigungselemente können bei Verwendung von Hilfsmitteln und -medien als indirekte Koppler bzw. bei unmittelbarer Lichtüberkopplung zwischen den Lichtwellenleitern als direkte Koppler ausgeführt werden. Indirekte Koppler bedingen hierbei durch den Einsatz spezifischer Hilfsmittel wie z. B. miniaturistische Linsen /US-OS 4111522/ bzw. Spiegelbaugruppen /US-OS 3977764/, Gradientenlinsen /DE-OS 2840493/ oder Mischerelemente /DE-OS 4072399/ einen sehr hohen Justageaufwand, so daß in der Regel die optischen Kopplerparameter hinter denen von direktem Verzweigungselementen zurückbleiben und implizieren zumeist thermische und Alterungsprobleme. Bei der Herstellng von direkten Kopplern kommen als Fügeverfahren das Kleben, das mechanische Fixieren sowie das Schmelzschweißen zur Anwendung /Lochmann, St. u. a.: „Passive optische Verzweigungselemente" Nachrichtentechnik Elektronik 33 (1983) 11 S.444—449/. Auch hier ist bei mechanisch fixierten bzw. geklebten Verzweigungselementen mit Problemen hinsichtlich der Langzeitstabilität und des Temperaturverhaltens zu rechnen /Tran, D. C. u.a.: „Single — mode fibre directional couplers fabricated by twisting etching techniques"Optical branching elements can be implemented as indirect couplers or direct light cross-coupling between the optical waveguides as direct couplers when using aids and media. Indirect couplers require this by the use of specific aids such. As miniaturistic lenses / US-OS 4,111,522 / or mirror assemblies / US-OS 3977764 /, gradient lenses / DE-OS 2840493 / or mixer elements / DE-OS 4072399 / a very high adjustment effort, so that usually the optical coupler parameters behind which are left behind by direct branching elements and mostly imply thermal and aging problems. When manufacturing direct couplers, bonding, mechanical fixing and fusion welding are used as joining methods / Lochmann, St. u. a .: "Passive optical branching elements" Nachrichtentechnik Elektronik 33 (1983) 11 pp. 444-449 / In this case too, problems with regard to long-term stability and temperature behavior can be expected with mechanically fixed or glued branch elements / Tran, DC et al .: "Single - fashion fiber directional couplers fabricated by twisting etching techniques "

IEEE — J. of Quantum Electronics QE —17(1981) 6, S. 988/. Demgegenüber schließt das Schmelzschweißen als Fügeverfahren bei der Kopplerherstellung derartiger Problematiken aus und bietet durch die Aufhebung der Grenzflächen und die Ausbildung stetiger geometrischer Übergänge innerhalb der Fügezone die Möglichkeit, niedrigste Koppelverluste zu erreichen. Allerdings bedarf es dazu einer sehr präzisen Steuerung der verschmelzungskinetischen Prozesse. 'IEEE - J. of Quantum Electronics QE -17 (1981) 6, p. 988 /. By contrast, fusion welding as a joining method in the production of couplers excludes such problems and offers the possibility of achieving the lowest coupling losses by eliminating the boundary surfaces and forming continuous geometric transitions within the joining zone. However, this requires a very precise control of the fusion kinetic processes. '

Auch kommen bei schmelzgeschweißten Kopplern z. B. Taperkopplern immer mehrere Lichtwellenleiter zur Anwendung, die genau zueinander ausgerichtet und gehaltert werden müssen /DE-OS 2937580, DE-OS 2942318/. Die oftmals vorteilhafte Verwendung nur eines Lichtwellenleiters, bei dem eine unmittelbare Lichtaus- oder -einkopplung aus bzw. in ein Diodenchip erfolgt, wird nur bei dem sogenannten „Bulk"-Koppler /Castro, C. J.: „Passive fibre optic access coupler systems" Elektronic Engineering (1980) 4, S.34-36/ oder dem Strahlteilerkoppler /Weidel, E.: „Verzweiger für Rückstreumessungen" NTG-Fachberichte(1981) S. 182/erwähnt. Beim Bulk-Koppler wird durch Mikrokrümmungen, die durch ein Anpressen eines Lichtwellenleiters an eine in definierter Weise sinusförmig strukturierten Untergrund erzeugt werden, ein geringer Lichtanteil ausgekoppelt und über einen Hohlspiegel auf ein Empfängerelement gerichtet. Durch Verwendung eines derartigen, mit hohem zusätzlichen Aufwand zu fertigenden Koppelelementes werden einerseits die minimal erreichbaren geometrischen Abmaße begrenzt sowie zusätzliche Verluste hervorgerufen. Beim Strahlteilerkoppler, der durch äußerst genaues Anschleifen und Polieren eines in einer Kapillare o.a. eingeklebten Lichtwellenleiters und anschließendes Bedampfen hergestellt wird, ist der fertigungstechnische Aufwand für einen breiteren kommerziellen Einsatz unverhältnismäßig hoch.Also come with melt-welded couplers z. B. Taperkopplern always multiple optical fibers for use that must be aligned and held exactly to each other / DE-OS 2937580, DE-OS 2942318 /. The often advantageous use of only one optical waveguide, in which an immediate Lichtaus- or -einkopplung from or into a diode chip, is only in the so-called "bulk" coupler / Castro, CJ: "Passive fiber optic access coupler systems" Electronic Engineering (1980) 4, p.34-36 / or the beam splitter coupler / Weidel, E .: "branching for backscatter measurements" NTG technical reports (1981) p 182 / mentioned in the bulk coupler by microbending, which by pressing a By using such a coupling element to be manufactured with a high additional outlay, on the one hand the minimally achievable geometric dimensions are limited and additional losses are produced. In the beam splitter coupler, which by extremely accurate grinding and Pol One in a capillary o.a. glued optical waveguide and subsequent vapor deposition is produced, the manufacturing effort for a wider commercial use disproportionately high.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur ökonomischen Herstellung eines optischen Koppelelementes aus Glasmantel-Lichtwellenleitem anzugeben, das gegenüber bekannten Schmelzverfahren die Herstellung von optischen Koppelelementen auch mit verbesserten Gebrauchswerteigenschaften sichert.The aim of the invention is to provide a method for the economical production of an optical coupling element made of glass-clad optical waveguides, which ensures the production of optical coupling elements also with improved utility properties compared to known melting methods.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Koppelelementes aus Glasmantel-The invention is based on the object of a method for producing an optical coupling element of glass jacket

Jchtwellenleiter zu schaffen, wonach ein gleichzeitiges Ein-, Aus- sowie Überkoppeln von Lichtenergie am Koppelelement srmöglicht wird und geringere optische Verluste auftreten.To provide Jchtwellenleiter, according to which a simultaneous input, Aus as well as over coupling of light energy at the coupling element srmöglicht and lower optical losses occur.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches Punkt 1 dadurch gelöst, daß die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches genannten Mittel und Verfahrensschritte Anwendung finden. Zur weiteren Vervollkommnung und Ausgestaltung der Erfindung sind die in den Ansprüchen Punkt 2-6 definierten Maßnahmen vorgesehen.According to the invention the object is achieved according to the preamble of claim point 1, characterized in that the means and method steps mentioned in the characterizing part of claim apply. To further improve and embodiment of the invention, the measures defined in the claims 2-6 are provided.

Vorteilhaft werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Ausnutzung eines Selbstzentriereffekes beim Verschweißen zweier sich gegenüberstehender, stirnflächig berührender, axial um einen Mindestbetrag versetzter Lichtwellenleiterenden innerhalb eines schmalen Bereiches, die im wesentlichen lichtführenden Kerne mit einem definierten Radius bogenförmig an die Lichtwellenleiteroberfläche geführt, wo eine direkte plane Ankopplung eines Diodenchips, Lichtwellenleiters oder ähnlichen erfolgen kann.Advantageously, with the method according to the invention by utilizing a Selbstzentriereffekes when welding two opposite, end face touching, axially offset by a minimum amount of optical fiber ends within a narrow range, the substantially light-guiding cores with a defined radius arcuately guided to the optical waveguide surface, where a direct plane coupling a diode chip, optical waveguide or the like can take place.

Vorteilhaft wird ferner erreicht, daß ein gleichzeitiges Ein-, Aus- sowie Überkoppeln von Lichtenergie am selben Koppelelement möglich wird.Advantageously, it is also achieved that a simultaneous input, output and over coupling of light energy on the same coupling element is possible.

Durch den infolge der wirkenden Oberflächenspannung hervorgerufenen Selbstzentrierungseffektes kommt es über einen viskosen Materialfluß zu einem stetigen Ausgleich des axialen Versatzes, wobei überraschenderweise gefunden wurde, daß dieDue to the self-centering effect produced as a result of the acting surface tension, a continuous compensation of the axial offset takes place via a viscous material flow, it being surprisingly found that the

Stirnflächen der Lichtwellenleiter-Kerne an der Glasoberfläche verbleiben.End surfaces of the optical waveguide cores remain on the glass surface.

embodiment

Die Erfindung soll anhand des nachstehenden Beispiels näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to the following example.

Die die Erfindung beschreibenden Abbildungen zeigen:The illustrations describing the invention show:

Figur 1: Stirnflächig berührend axial versetzte Lichtwellenleiter vor dem Schmelzprozeß Figur 2: Verschmolzene Lichtwellenleiter mit angesetztem Diodenchip bzw. eines zusätzlichen Lichtwellenleiters Entsprechend Fig. 1 werden zwei sich gegenüberstehende, um ca. 80/im stirnflächig berührend axial versetzte LichtwellenleiterFIG. 2: Fused optical waveguide with attached diode chip or an additional optical waveguide According to FIG. 1, two optical waveguides, which are in axial contact with each other by approximately 80 °, are contacted

(1) miteinander z. B. mittels Glimmentladung (2) verschweißt. Durch den infolge der wirkenden Oberflächenspannung hervorgerufenen Selbstzentrierungseffekt kommt es über einen viskosen Materialfluß zu einem stetigen Ausgleich des axial Versatzes, wobei in überraschender Weise gleichzeitig die Stirnflächen der Lichtwellenleiter-Kerne an der Glasoberfläche verbleiben. Da bei diesem Prozeß, wie auch in Fig. 2 angedeutet, die Lichtwellenleiter-Kerne leicht verjüngt werden, liegen besonders günstige Bedingungen zum Ein- und Auskoppeln von Lichtenergie aus Laserdiodenchips 3 und/oder planaren integriert optischen Strukturen vor, wobei auch zusätzlich Lichtwellenleiter 4 angebracht werden können.(1) with each other z. B. by means of glow discharge (2) welded. As a result of the self-centering effect produced as a result of the acting surface tension, a continuous compensation of the axial offset takes place via a viscous material flow, wherein the end faces of the optical waveguide cores surprisingly remain on the glass surface at the same time. Since in this process, as also indicated in Fig. 2, the optical waveguide cores are slightly tapered, are particularly favorable conditions for coupling and decoupling of light energy from laser diode chips 3 and / or planar integrated optical structures before, wherein additionally provided optical waveguide 4 can be.

Die ein- bzw. auszukoppelnde Lichtleistung sowie der geradlinig von Kanal a nach b in Fig. 2 überkoppelnde Lichtanteil können in besonders einfacher Weise durch Veränderung des axialen Versatzes bei Einhaltung eines Mindestversatzes von ca. 80μηπ in Abhängigkeit von den verwendeten Lichtwellenleiter-Geometrie verändert werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durch ein geringfügiges Strecken der Lichtwellenleiter sowie die Wahl von Energiequellen, die eine breitere viskose Zone erzeugen, Einfluß auf den Krümmungsradius und den resultierenden Kernquerschnitt zu nehmen. Ein wesentlicher Vorteil einer derartigen Anordnung besteht neben der äußerst einfachen Realisierbarkeit auch im minimalen Platzbedarf auf Grund der direkten Ankoppelmöglichkeit von Sende- und Empfangsbauelementen z. B. für den Aufbau von Reperaterstationen.The light output coupled in and out as well as the light component over-coupling from channel a to b in FIG. 2 can be changed in a particularly simple manner by changing the axial offset while maintaining a minimum offset of approximately 80μηπ depending on the optical waveguide geometry used. In addition, there is the possibility of influencing the radius of curvature and the resulting core cross-section by slightly stretching the optical waveguides and by selecting energy sources which produce a wider viscous zone. An essential advantage of such an arrangement is in addition to the extremely simple feasibility even in the minimum space requirement due to the direct Ankoppelmöglichkeit of transmitting and receiving devices z. B. for the construction of Reperaterstationen.

Claims

Invention claim:

1. A process for producing an optical coupling element made of glass-clad optical waveguides for optical data and / or communication systems merge, characterized in that two optical waveguides end face touching axially offset and then fused together so that the different with the higher refractive index core areas of the Arcuate protruding connecting plane and the optical waveguides are slightly tapered during the melting process in cross section.

2. The method according to item 1, characterized in that offset for the melting process, the optical fiber ends offset from each other with an offset of a 50 / xm depending on the fiber geometry.

3. The method according to item 1 and 2, characterized in that the information carrying light is coupled over the arcuate curvature of the cores at the junction in the fused optical waveguide.

4. The method according to item 1 and 2, characterized in that the light in the tapered and out of the connection plane arcuate led out cores of a Senderz. B. a light emitting diode or a reader is irradiated.

5. Method according to items 1 and 2, characterized in that a receiver, e.g. a photodiode or a transistor which receives the information carrying and emerging from the out of the connection plane arcuately led out tapered cores light for signal processing and signal processing.

6. The method according to item 1 and 2, characterized in that the information-carrying light in the tapered and out of the connection plane arcuate led out cores by passive elements z. B. optical fiber or integrated optics on or is emitted.

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