DE10044568A1 - Faserkoppler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Faserkoppler, bevorzugt zur Ankopplung einer Lichtleitfaser an eine Laserdiode, wobei die in einer Fassung (2) aufgenommene Laserdiode (1) über eine Koppeloptik (14, 15, 16) mit der in einem axial verschiebbaren Faserstecker (5) geführten Faser (6) optisch in Verbindung steht, die Fassung (2), die Koppeloptik (14, 15, 16) sowie der Faserstecker (5) von einem gemeinsamen Gehäuse (3) umschlossen sind und zum Zwecke der Justierung Verstellelemente (8, 10, 19, 22, 23) vorhanden sind. DOLLAR A Die Lagepositionierung zwischen der Laserdiode (1) und der Faser (6) wird erreicht, indem über die Verstellelemente (8, 10, 19, 22, 23) die im Faserstecker (5) geführte Faser (6) sowie die Koppeloptik (14, 15, 16) in Richtung der optischen Achse verschiebbar sowie um die senkrecht dazu orientierte X- und Y-Richtung verkippbar angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Faserkoppler zur An­ kopplung einer Lichtleitfaser an eine Laserdiode, wobei die in einer Fassung aufgenommene Laserdiode über eine Koppel­ optik mit der in einem axial verschiebbaren Faserstecker geführten Faser optisch in Verbindung steht, ein die Fas­ sung, die Koppeloptik und den Faserstecker umschließendes Gehäuse vorgesehen ist und Verstellelemente zum Zwecke der Justierung der Laserdiode, der Koppeloptik und des Faser­ steckers zueinander vorhanden sind.

Bekannt sind Faserkoppler nach Prospektmaterialien der Fir­ ma Schäfter & Kirchhoff "OPTO-SENSORIK UND MESSTECHNIK", bei denen Komponenten eines umfangreichen Systems aus bei­ spielsweise einer Lichtquelle, einem Kollimator, einer Kop­ peloptik sowie einem Faseranschluß für Laboraufbauten zu einer Baugruppe kombiniert werden. Derartige Kombinationen sind zwar sehr stabil, aber nur für spezielle Anwendungs­ fälle entwickelt worden. Dadurch sind sie meist sehr mate­ rial- und kostenaufwendig.

Ferner sind Faserkoppler der Firma OZ OPTICS LTD. bekannt, die in ihrem Aufbau relativ einfach sind. Zur Justierung der optischen Übertragung wird keine Lichtquelle verwendet. Die zur Ausrichtung eines Fasersteckers auf die optische Achse der verwendeten Koppeloptik erforderliche Verkippung wird durch Verwendung eines flexiblen Zwischenstückes rea­ lisiert. Aufgrund von Erfahrungen ist anzunehmen, daß in­ folge der Verwendung eines flexiblen Elementes der Justier­ zustand derartiger Anordnungen über einen längeren Zeitraum instabil wird.

Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Faserkoppler der eingangs be­ schriebenen Art so weiter zu entwickeln, daß eine in ihrem Aufbau einfache, sehr genau justierbare sowie langzeitsta­ bile Kopplung einer Lichtleitfaser an eine Laserdiode er­ zielt wird.

Erfindungsgemäß besteht die Koppeloptik aus einer Kolli­ matorlinse, einem Polarisator sowie einer Fokussierlinse, wobei das von der Laserdiode ausgehende Licht durch die Kollimatorlinse kollimiert und nach dem Passieren des Pola­ risators durch die Fokuslinse auf den Kernpunkt des Faser­ endes fokussiert wird und die Lagepositionierung zwischen der Laserdiode und dem Faserstecker durch die Abbildung des Emitters der Laserdiode auf den Kern der im Faserstecker geführten Faser definiert ist.

Aufgrund des geringen Durchmessers des Faserkerns (wenige µm) bedarf es zur Abbildung des Emitters der Laserdiode auf den Kern der Faser mit einer Genauigkeit im Bereich von 1/10 µm einer sehr feinfühligen und stabilen Justierung.

Dies erfolgt erfindungsgemäß, indem die Kollimatorlinse, der Polarisator, die Fokussierlinse sowie der Faserstecker in einem Aufnahmeflansch fixiert sind, so daß zwischen der Kollimatorlinse, dem Polarisator und der Fokuslinse eine feste Lagepositionierung besteht. Der Faserstecker ist zum Zwecke der Anpassung des Faserendes an die Lage des Fokus im Aufnahmeflansch in Z-Richtung (entspricht hier der Richtung der optischen Achse) verschiebbar. Die Diodenfas­ sung ist im Gehäuse fest positioniert, und der Aufnah­ meflansch ist zur Lage der Laserdiode in X- und Y-Richtung veränderlich sowie außerdem um einen auf der optischen Ach­ se in unmittelbarer Nähe des Emitters der Laserdiode lie­ genden Drehpunkt kippbar angeordnet.

Aufgrund des Unendlich-Strahlenganges zwischen dem Kolli­ mator und dem Polarisator sind relativ große Lagetoleranzen der einzelnen Elemente der Koppeloptik zueinander zulässig, so daß diese zunächst auf verhältnismäßig einfache Weise zu integrieren sind.

Bevorzugt sind zum Zwecke der festen Lagepositionierung die Kollimatorlinse, der Polarisator und die Fokussierlinse im Aufnahmeflansch eingeklebt, wodurch über einen langen Zeit­ raum ein stabiler Justierzustand gesichert ist.

Um den fertigungs- sowie montagetechnischen Aufwand gering zu halten, ist es zweckmäßig, wenn das Einkleben der Kolli­ matorlinse und des Polarisators in eine in den Aufnah­ meflansch kraft- und formschlüssig eingebrachte Fassung vorgesehen ist und hierbei die Fokussierlinse über eine Klebeverbindung mit den Aufnahmeflächen des Aufnahmeflan­ sches verbunden ist.

Zum Zwecke der Grobjustierung der Koppeloptik sowie des Fa­ sersteckers in X- und Y- Richtung relativ zur Laserdiode ist es vorteilhaft, eine mit Verstellschrauben versehene, den Aufnahmeflansch abdeckende Kappe vorzusehen.

Zur einfachen Bewerkstelligung der Lageveränderung des Auf­ nahmeflansches in X- bzw. Y-Richtung weisen die Verstell­ schrauben kegelförmige Endstücke auf, die bei unterschied­ licher Betätigung auf eine an die Kegelflächen der Ver­ stellschrauben angepaßte Kontur am Aufnahmeflansch wirken und diesen entsprechend positionieren.

Um eine Feinjustierung der Koppeloptik sowie des Faserstec­ kers zur Lage der Laserdiode vornehmen zu können, befindet sich zwischen dem Aufnahmeflansch und dem Gehäuse ein scheibenförmiges Element, wobei die Verbindung zwischen dem scheibenförmigen Element und dem Gehäuse als Kugelkalotten­ lagerung ausgebildet ist, deren Kugelmittelpunkt im dem auf der optischen Achse liegenden Drehpunkt des Aufnahmeflan­ sches liegt.

Zur Ausbildung der Kalottenlagerung ist zweckmäßigerweise am Gehäuse und am scheibenförmigen Element ein nach außen und ein nach innen gewölbter Kugelflächenabschnitt vorgese­ hen.

Um dabei die zur Justierung erforderlichen Verkippbewegun­ gen des Aufnahmeflansches gegenüber der X- und Y-Richtung zu ermöglichen, ist das Gehäuse mit einem Flansch verbun­ den, in welchem in Umfangsrichtung um jeweils 90 Grad zu­ einander versetzt angeordnete Kombinationen von Justier­ schrauben und Druckfedern aufgenommen sind, wobei sich die Druckfedern den Justierschrauben gegenüberliegen, alle Ele­ mente zur optischen Achse den gleichen Abstand aufweisen und bei Betätigung der Justierschrauben eine Krafteinwir­ kung auf das scheibenförmige Element bewirkt.

Je weiter die Abstände zwischen den Justierschrauben bzw. Druckfedern zur optischen Achse gewählt werden, desto fein­ fühliger sind die Verkippbewegungen, so daß durch Variation dieser Abstände die Genauigkeit der Justierung beeinflußt wird.

Entsprechend der Einstellung der Justierschrauben kann die Neigung des scheibenförmigen Elementes und somit auch die des Aufnahmeflansches solange feinfühlig verändert werden, bis die Fokussierung im Faserkern erreicht ist.

Denkbar ist eine Ausgestaltungsvariante, bei welcher die Verkippbewegungen des Aufnahmeflansches um die X- und Y- Richtungen durch Festkörpergelenke, deren Drehpunkte in un­ mittelbarer Nähe des Emitters der Laserdiode liegen, reali­ siert wird.

Zum Zwecke der feinfühligen Justierung des Fasersteckers ist bevorzugt eine auf den Aufnahmeflansch aufsetzbare, mit einem Exzenterschlüssel versehene Justierklemme vorgesehen, die nach erfolgter axialer Positionierung wieder entfernt wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht so mit relativ einfachen Mitteln eine präzise Justierung und langzeitsta­ bile Lagefixierung einer Faser in Relation zu einer Laser­ diode.

Der erfindungsgemäße Faserkoppler soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die dazugehörige Figur zeigt eine Laserdiode 1, die in ei­ ner Fassung 2 aufgenommen und in einem Gehäuse 3 mit an sich bekannten mechanischen Mitteln zu einer optischen Ach­ se 4 positioniert sowie zu dieser lagefixiert ist.

Eine an die Laserdiode 1 anzukoppelnde, in einem Faserstec­ ker 5 aufgenommene Faser 6 ist über den Faserstecker 5 in einem Aufnahmeflansch 7 axial in Z-Richtung verschiebbar angeordnet. Zur Realisierung der Verschiebebewegung des Fa­ sersteckers 5 im Aufnahmeflansch 7 wird eine Justierklem­ me 8 auf den Aufnahmeflansch 7 aufgesetzt.

Durch radial im Aufnahmeflansch eingebrachte Bohrungen 9 wirkt ein Verstellelement in Form eines Exzenterschlüs­ sels 10 auf eine im Faserstecker 5 eingebrachte Kontur 11 derart, daß die Lage des Fasersteckers 5 in Z-Richtung ver­ ändert wird.

Mit Hilfe eines Feststellelementes 12 erfolgt anschließend die Fixierung der Lage des Fasersteckers 5. Die Justier­ klemme 8 sowie der Exzenterschlüssel 10 sind lediglich Hilfsmittel zur Positionierung des Fasersteckers 5.

Zum Zwecke der präzisen Justierung der Laserdiode 1 zur Fa­ ser 6, das heißt zur Abbildung des Emitters 13 der Laser­ diode 1 auf den Kern der Faser 6, befindet sich zwischen beiden Elementen eine Koppeloptik, die aus einer Kolli­ matorlinse 14, einem Polarisator 15 und einer Fokussierlin­ se 16 besteht.

Die Kollimatorlinse 14, der Polarisator 15 und die Fokus­ linse 16 sind in ihrer Lage zueinander fest positioniert, wobei die Kollimatorlinse 14 und der Polarisator 15 in ei­ ner Fassung 17, deren Lage mit einer Bohrung des Aufnah­ meflansches 7 bestimmt ist, eingeklebt sind. Die Lagefixie­ rung der Fokuslinse 16 erfolgt dabei direkt im Aufnah­ meflansch 7 mittels einer nicht dargestellten Klebeverbin­ dung.

Erfindungsgemäß wird zur Justierung der Lichtleitfaser 5 relativ zur Laserdiode 1 das Licht der Laserdiode 1 durch die Kollimatorlinse 14 kollimiert und nach dem Passieren des Polarisators 15 durch die Fokussierlinse 16 auf den. Kern der Lichtleitfaser 6 fokussiert, das heißt der Emit­ ter 13 der Laserdiode 1 wird im Kern der Lichtleitfaser 6 abgebildet.

Neben dem Verschieben des Fasersteckers 5 in Z-Richtung, wie bereits oben ausgeführt, werden die dazu erforderlichen Verstellbewegungen durch Lageveränderung des Aufnahmeflan­ sches 7 in X- bzw. Y-Richtung sowie durch Verkippungen des scheibenförmigen Elementes 21 um einen auf der optischen Achse 4 in unmittelbarer Nähe des Emitters 13 der Laser­ diode 1 liegenden Drehpunkt 18 realisiert.

Die seitliche Justierung in X- bzw. Y-Richtung der Koppel­ optik sowie des Fasersteckers 5 relativ zur Lage der Laser­ diode 1 erfolgt durch gegensinniges Anziehen bzw. Lösen der Schrauben 19 (seitliches Verschieben des Aufnahmeflan­ sches 7), die in einer Abdeckkappe 20 geführt werden.

Damit wird zunächst eine Grobjustierung vorgenommen.

Eine sich anschließende feinfühlige Justierung läßt sich durch Verkippung des Aufnahmeflansches 7 um den Dreh­ punkt 18 (Verkippung um die X- bzw. Y-Richtung) erzielen.

Die Verkippbewegungen werden erzeugt über ein scheibenför­ miges Element 21, Justierschrauben 22 sowie Druckfedern 23, wobei die Druckfedern 23, die bei Betätigung der Justier­ schrauben 22 gegenläufig wirkende Kräfte aufbringen.

In der Figur sind aus Gründen der vereinfachten Darstellung nur die Justierschraube 22 und die Druckfeder 23, die eine Verkippung um die X-Richtung bewirken, dargestellt. In Ana­ logie dazu erfolgt durch eine um 90 Grad versetzt angeord­ nete Kombination Justierschraube 22 - Druckfeder 23 die Verkippung des scheibenförmigen Elementes 21 bzw. des Auf­ nahmeflansches 7 um die Y-Richtung.

Die Justierschrauben 22 und die Druckfedern 23 werden dazu in einem Flansch 24, der im Gehäuse 3 fixiert ist, aufge­ nommen und wirken auf das zwischen dem Aufnahmeflansch 7 und dem Gehäuse 3 liegende scheibenförmige Element 21. Die Verbindung zwischen dem Gehäuse 3 und dem scheibenförmigen Element 21 ist als Kalottenlagerung ausgebildet, wobei das Gehäuse 3 ein Anlageflächenelement, welches die Form einer Außenkalotte 25 und das scheibenförmige Element 21 eine An­ lagefläche mit der Form einer Innenkalotte 26 aufweist. Der Kugelmittelpunkt der Kalottenlagerung befindet sich dabei im Drehpunkt 18.

Je nach Einstellung der Justierschrauben 22 ergibt sich ei­ ne unterschiedliche Neigung des scheibenförmigen Elemen­ tes 21 und damit des Aufnahmeflansches 7, die wiederum zur feinfühlig vollziehbaren Relativbewegung zwischen Fokus und dem Ende der Faser 6 führt.

Bezugszeichenliste

1

Laserdiode

2

Fassung

3

Gehäuse

4

optische Achse

5

Faserstecker

6

Faser

7

Aufnahmeflansch

8

Justierklemme

9

Bohrung

10

Verstellelement

11

Kontur.

12

Feststellelement

13

Emitter

14

Kollimatorlinse

15

Polarisator

16

Fokussierlinse

17

Fassung

18

Drehpunkt

19

Schraube

20

Abdeckkappe

21

scheibenförmiges Element

22

Justierschraube

23

Druckfeder

24

Flansch

25

Außenkalotte

26

Innenkalotte

Claims (10)

1. Faserkoppler zur Ankopplung einer Lichtleitfaser an ei­ ne Laserdiode, wobei
die in einer Fassung aufgenommene Laserdiode über eine Koppeloptik mit der in einem axial verschiebbaren Fa­ serstecker geführten Faser optisch in Verbindung steht,
ein die Fassung, die Koppeloptik und den Faserstecker umschließendes Gehäuse vorgesehen ist und Verstellele­ mente zum Zwecke der Justierung der Laserdiode, der Koppeloptik und des Fasersteckers zueinander vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß
die Koppeloptik aus einer Kollimatorlinse (14), einem Polarisator (15) sowie einer Fokuslinse (16) besteht,
wobei das von der Laserdiode (1) ausgehende Licht durch die Kollimatorlinse (14) kollimiert und nach dem Pas­ sieren des Polarisators (15) durch die Fokuslinse (16) auf den Kernpunkt des Faserendes fokussiert wird und die angestrebte Lagepositionierung zwischen der Laser­ diode (1) und dem Faserstecker (5) durch die Abbildung des Emitters (13) der Laserdiode (1) auf den Kern der im Faserstecker (5) geführten Faser (6) definiert ist.

2. Faserkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kollimatorlinse (14), der Polarisator (15), die Fo­ kuslinse (16) sowie der Faserstecker (5) in einem Auf­ nahmeflansch (7) fixiert sind,
zwischen der Kollimatorlinse (14), dem Polarisator (15) und der Fokuslinse (16) eine feste Lagepositionierung besteht,
der Faserstecker (5) zum Zwecke der Anpassung des Fa­ serendes an die Lage des Fokus im Aufnahmeflansch (7) in Richtung der optischen Achse (4) verschiebbar ist,
die Fassung (2) im Gehäuse (3) fest positioniert ist und
der Aufnahmeflansch (7) im Gehäuse (3) zur Lage der La­ serdiode (1) in zwei Koordinaten X, Y senkrecht zur op­ tischen Achse (4) veränderlich und um einen auf der op­ tischen Achse (4) in unmittelbarer Nähe des Emitters (13) der Laserdiode (1) liegenden Drehpunkt (18) kipp­ bar angeordnet ist.

3. Faserkoppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der festen Lagepositionierung der Kolli­ matorlinse (14), des Polarisators (15) und der Fokus­ linse (16) zueinander diese im Aufnahmeflansch (7) ein­ geklebt sind.

4. Faserkoppler nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Kollimatorlinse (14) und der Po­ larisator (15) in einer im Aufnahmeflansch (7) kraft- und formschlüssig eingebrachten Fassung (17) eingeklebt sind und die Fokuslinse (16) direkt über eine Klebever­ bindung mit den Aufnahmeflächen des Aufnahmeflan­ sches (7) verbunden ist.

5. Faserkoppler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Zwecke der Grobjustierung der Koppeloptik (14, 15, 16) sowie des Fasersteckers (5) zur Lage der Laserdiode (1) in X- und Y-Richtung eine mit Verstellschrauben (19) versehene, den Aufnahme­ flansch (7) abdeckende Kappe (20) vorgesehen ist.

6. Faserkoppler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung der Lageveränderung des Aufnah­ meflansches (7) in X- bzw. Y-Richtung die Verstell­ schrauben (19) kegelförmige Endstücke aufweisen, die bei unterschiedlicher Betätigung auf eine an die Kegel­ flächen der Verstellschrauben (19) angepaßte Kontur am Aufnahmeflansch (7) wirken.

7. Faserkoppler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich zum Zwecke der Feinjustierung der Koppeloptik (14, 15, 16) sowie des Faserstec­ kers (5) zur Lage der Laserdiode (1) zwischen dem Auf­ nahmeflansch (7) und dem Gehäuse (3) ein scheibenförmi­ ges Element (21) befindet, wobei die Verbindung zwi­ schen dem scheibenförmigen Element (21) und dem Gehäu­ se (3) als Kugelkallottenlagerung ausgebildet ist, de­ ren Kugelmittelpunkt im dem auf der optischen Achse (4) liegenden Drehpunkt (18) des Aufnahmeflansches (7) liegt und zum Zwecke der Realisierung der Verkippbewe­ gungen des Aufnahmeflansches (7) um die X- sowie Y- Achse ein mit dem Gehäuse (3) verbundener Flansch (24) vorgesehen ist, in welchem in Umfangsrichtung um 90° versetzt angeordnete Kombinationen von Justierschrauben (22) und Druckfedern (23) aufgenommen sind, wobei die Druckfedern (22) den Justierschrauben (23) gegenüber­ liegen, alle Elemente (22, 23) zur optischen Achse (4) den gleichen Abstand aufweisen und bei Betätigung der Justierschrauben (22) eine Krafteinwirkung auf das scheibenförmige Element (21) erfolgt.

8. Faserkoppler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalottenlagerung aus der Verbindung zwischen einem am Gehäuse (3) ausgebildeten konvex gewölbten und einem am scheibenförmigen Element (21) ausgebildeten konkav gewölbten Kugelflächenabschnitt besteht.

9. Faserkoppler nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verkippbewegungen des Aufnah­ meflansches (7) um die X- und Y-Achse durch Festkörper­ gelenke, deren Drehpunkte in unmittelbarer Nähe des Emitters (13) der Laserdiode (1) liegen, realisiert wird.

10. Faserkoppler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Zwecke der feinfühligen Justie­ rung des Fasersteckers (5) in Richtung der optischen Achse (4) eine auf den Aufnahmeflansch (7) aufsetzbare Justierklemme (22) vorgesehen ist, im Aufnahme­ flansch (7) radiale Bohrungen (9) eingebracht sind, durch die ein mit einer Exzenterschraube versehenes Verstellelement (10) in eine am Faserstecker (5) einge­ brachte Kontur (11) eingreift.