DE102009028559B4

DE102009028559B4 - Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach dem Prinzip der wellenlängenselektiven Totalreflexion für die Polymerfaserübertragung, Verfahren zum Demultiplexen/Multiplexen auf der Basis der wellenlängen-selektiven Totalreflexion für die Polymerfaserübertragung sowie Herstellungsverfahren eines optischen Demultiplexer/Multiplexers für die Polymerfaserübertragung

Info

Publication number: DE102009028559B4
Application number: DE102009028559A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Hillrichs Georg; Prof. Dr. Fischer-Hirchert Ulrich
Original assignee: HOCHSCHULE HARZ; HOCHSCHULE MERSEBURG
Current assignee: HOCHSCHULE HARZ; HOCHSCHULE MERSEBURG
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2029-08-15
Also published as: DE102009028559A1

Abstract

Optischer Demultiplexer/Multiplexer für die Polymerfaserübertragung nach dem Prinzip der Abtrennung/Zusammenführung von Signalen unter wellenlängenselektiver Totalreflexion, umfassend: ein Polymergrundkörper (1); mindestens ein Mittel zum Anschluss (12; 13) einer Einkoppelpolymerfaser (2; 7, 8, 9) für die Einkopplung eines einzigen Lichtstrahls mit unterschiedlichen Wellenlängenbestandteilen in den Demultiplexer bzw. mehrerer Lichtstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen in den Multiplexer; mindestens ein Mittel zum Anschluss (13; 12) eines Auskoppelelementes (7, 8, 9; 2) für die Auskopplung mindestens eines Bestandteils des eingekoppelten Lichtstrahls aus dem Demultiplexer/Multiplexer; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) im Strahlengang des Lichts im Polymergrundkörper (1) ausgebildet und vom Polymergrundkörper (1) umschlossen ist, welches ein Medium mit einer Brechzahl umfasst, die kleiner ist als die Brechzahl des Polymergrundkörpers (1), wobei das mindestens eine Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14): ein Polymerkörper (5, 14) ist, bestehend aus einem Polymer mit einer Brechzahl,...

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Demultiplexer/Multiplexer für die nach dem Prinzip der wellenlängenselektiven Totalreflexion erfolgende Abtrennung von Signalen einer Lichtwellenlänge aus einem Lichtstrahl für die Polymerfaserübertragung sowie ein Verfahren zum Demultiplexen/Multiplexen von Lichtsignalen unterschiedlicher Lichtwellenlänge auf der Basis der wellenlangen-selektiven Totalreflexion für die Polymerfaserübertragung. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Demultiplexer/Multiplexers beschrieben. Die Erfindung betrifft insbesondere einen optischen Demultiplexer/Multiplexer für Polymerfaserübertragung mit einem Eingangs- und mehreren Ausgangskanälen für den Anschluss von polymeroptischer Fasern.
Optische Technologien besitzen in der Kommunikationstechnik breite Anwendungsfelder von großen Teilen des bestehenden Telekommunikationsnetzes über Multimediaübertragung im Automobil bis hin zur Datenübertragung im Büro- und im Heimbereich. Optische Datenübertragung bietet eine hohe Übertragungskapazität, ist wenig empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und bietet gleichzeitig elektrische Isolierung zwischen Sender und Empfänger. Auch sind optische Fasern, insbesondere Kunststofffasern, billiger und wesentlich leichter als Kupferkabel bei gleicher Kapazität und decken zudem einen größeren Entfernungsbereich ab.
Die Mitte der 90er Jahre aufgekommene Wellenlängenmultiplex-Technik (Wavelength Division Multiplex, WDM) erlaubte es, die Übertragungskapazität der damals hauptsächlich verwendeten Glasfasern deutlich zu steigern. Mit diesem Verfahren werden die einzelnen zu übertragenden Daten nicht mehr in einer zeitlichen Anordnung hintereinander auf dem Fasermedium übertragen, sondern gleichzeitig auf dem Lichtwellenleiter geführt. Derzeit wird daran gearbeitet, die im optischen Fernbereichsübertragungssystemen (Wellenlänge λ = 1,3...1,7 μm) erfolgreiche WDM-Technik in den Bereich der Nahbereichsnetze mit Übertragungslängen unter 2000 m einzuführen. Bei der Datenübertragung über lange Strecken werden vor allem Single Mode Glasfasern eingesetzt. Die dabei verwendeten physikalisch-technischen Lösungen für WDM lassen sich nicht auf die optische Datenübertragung über kurze und mittlere Strecken mit Dickkern-Multimode-Lichtwellenleitern übertragen.
Hier arbeitet man mit Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich und benutzt als Übertragungsmedium Dickkern-Multimode-Polymerfasern (POF), da in dieser Anwendungsebene die Bauteile möglichst kostengünstig für den Endanwender hergestellt werden müssen.
Besondere Bedeutung für die POF-Technologie erhält der Bereich der mobilen Multimedia-Anwendungen. Neben der höheren Datenrate und der damit verbesserten Integration multimedialer Anwendungen in Bussen oder Automobilen werden zudem erhebliche Gewichtsreduzierungen des Kabelbaums zu erwarten sein.
Optische Wellenlangenaufspaltung im sichtbaren Bereich des optischen Spektrums wurde bisher in Einzelbauweise genutzt durch die Verwendung von Dispersionsprismen, Beugungs-Transmissions- oder Reflexionsgittern oder von in Dünnschichttechnologie hergestellten wellenlängenselektiven Spiegeln.
Neben solchen allgemein bekannten Einzelbausteinen, die zumeist in großen Spektrometeraufbauten realisiert sind, existiert z. B. eine Lösung des Fraunhofer Instituts IIS in Erlangen: In der Patentanmeldung DE 102 40 057 A1 wird eine Anordnung vorgeschlagen, welche mit Hilfe von wellenlängenabhängigen Spiegeln Licht in seine Farbanteile aufspalten und auf einzelne Polymerfasern räumlich trennend verteilen kann. Allerdings ist der mechanische Aufbau dieser Lösung sehr anspruchsvoll und damit kostenaufwendig, so dass ein solcher Aufbau für den low-cost-Bereich des Konsumentenmarktes (Heim – und Automobil) nicht geeignet ist.
Zudem existiert z. B. eine Losung des Hochschule Harz in Wernigerode: In der PCT-Patentanmeldung WO 2007/098731 A1 wird eine Anordnung vorgeschlagen, die jedoch durch die komplexe Anordnung von optischen Einzelfunktionsteilen trotz Spritzgusstechnik sehr aufwändig in der Herstellung ist.
Ferner offenbart US 6 775 432 B2 eine Vorrichtung zum Multiplexen und Demulitplexen mittels eines optischen „Slabs”, der eine geneigte Eingangs- und Ausgangsseite aufweist. Dem nachgeschaltet ist eine Optik oder ein Gitter zur Aufteilung der Strahlen. WO 2007/098731 A1 zeigt einen Multiplexer unter Verwendung eines Prismas. WO 2005 019 971 A2 zeigt einen Multiplexer mit Strahlteilern. EP 0 117 112 A2 offenbart einen Multiplexer mit einer planparallelen Platte.
Eine Vereinfachung der Herstellung von Modulen der optischen Datentechnik im Sinne kostengünstigerer Massenfertigung wird durch die Anwendung der Spritzgusstechnik erreicht. Hier existieren aus den Lösungen der DE 41 09 651 A1 , der DE 100 43 324 A1 , der DE 600 05 018 T2 , der DE 10 2005 050 747 A1 sowie der bereits erwähnten DE 102 40 057 A1 Hinweise zur Anwendung dieser Technologie. Das Spritzgießen wird dabei allerdings nur für die Herstellung von Einzelteilen der optischen Module vorgeschlagen, wodurch der aufwandsminimierende Effekt der Anwendung des Spritzgießens begrenzt ist.
Die wichtigsten Nachteile des bekannten Standes der Technik bestehen in der Baugröße und in der aufwändigen Herstellungsweise, die nicht für eine konsequente Massenproduktion wirklich kostengünstiger Module geeignet ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen einfachen und kostengünstig herzustellenden Demultiplexer/Multiplexer für Polymerfaserübertragung zu entwickeln. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Demultiplexer/Multiplexer bereitzustellen, der ohne Einbußen an Übertragungs- und Signalverarbeitungsquatität eine einfache und kostenminimierte Gestaltung komplexer optischer Übertragungssysteme gestattet. Außerdem wird ein Herstellungsverfahren zur einfachen und kostengünstigen Herstellung optischer Module vorgeschlagen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Gestaltung eines Demultiplexer/Multiplexers für Polymerfaserübertragung gemäß den Merkmalen des Vorrichtungsanspruchs 1, ein Verfahren zum Demultiplexen/Multiplexen nach Anspruch 18 und 19 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Demultiplexer/Multiplexers für Polymerfaserübertragung nach den Merkmalen eines weiteren unabhängigen Verfahrensanspruches, wobei in Unteransprüchen weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen beansprucht werden.
Das Wesen der Erfindung liegt in der einfachen Trennung der Wellenlängen durch geneigte optische Grenzflächen zwischen zwei polymeroptischen Bauteilen oder zwischen einem polymeroptischen Bauteil und einem Hohlraum. Dabei wird die Dispersionseigenschaft, also die Abhängigkeit der Brechzahl von der Wellenlänge, dahingehend genutzt, dass die Totalreflexion beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium, insbesondere an einer Polymer-Luft-Grenzfläche oder an einer Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Polymeren wellenlängenabhängig und damit selektiv für die einzelnen Übertragungswellenlängen ist. So wird an einer Oberfläche ein Teil des Lichtspektrums und damit ein Übertragungskanal zur Seite reflektiert und so vorteilhaft zur Ausgangsfaser geleitet.
Der erfindungsgemäße integrierte optische Demultiplexer/Multiplexer kann aus Polymerwerkstoffen in Spritzgusstechnik hergestellt werden und sämtliche Aufnahmen für die POF oder optoelektronische Empfängerelemente enthalten.
Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des optischen Demultiplexer/Multiplexers für Polymerfaserübertragung zeigt sich in der vorteilhaften einfachen Anwendung der Spritzgusstechnik in den Verfahrensschritten zur Herstellung des Grundkörpers des optischen Demultiplexer/Multiplexers für Polymerfaserübertragung sowie der gleichzeitigen Einlagerung wesentlicher Elemente des integriert-optischen Demultiplexer/Multiplexers für Polymerfaserübertragung in den Grundkörper ebenfalls durch Spritzgusstechnik. Insbesondere müssen keine wellenlängenselektiven Spiegel auf der Basis von dielektrischen dünnen optischen Schichten in den hier vorgeschlagenen Demultiplexer/Multiplexer integriert werden. Ebenso sind keine beugenden Strukturen, etwa in Form eines optischen Gitters, die durch aufwändige Mikrostrukturierungstechniken in das Polymerbauteil integriert werden müssten, erforderlich.
Entsprechend wird ein optischer Demultiplexer/Multiplexer für die Polymerfaserübertragung mit Abtrennung/Zusammenführung von Signalen unter wellenlängenselektiver Totalreflexion vorgeschlagen, wobei der Demultiplexer/Multiplexer umfasst: einen Polymergrundkörper; mindestens ein Mittel zum Anschluss einer Einkoppelpolymerfaser für die Einkopplung eines einzigen einfallenden Lichtstrahls mit unterschiedlichen Wellenlängenbestandteilchen in den Demultiplexer bzw. mehrerer Lichtstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen in den Multiplexer, ausgebildet als Aussparung in der Oberfläche einer ersten Seite des Polymergrundkörpers; mindestens ein Mittel zum Anschluss eines Auskoppelelementes für die Auskopplung eines Bestandteils des Lichtstrahls aus dem Demultiplexer/Multiplexer, ausgebildet als Aussparung in der Oberfläche einer zweiten Seite des Polymergrundkörpers; mindestens ein im Strahlengang des Lichts im Polymergrundkörper integriert ausgebildetes Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion, welches vom Polymergrundkörper umschlossen ist und ein Medium mit einer Brechzahl umfasst, die für alle Wellenlängen kleiner ist als die Brechzahl des Polymergrundkörpers, wobei das mindestens eine Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion ein Polymerkörper ist, bestehend aus einem Polymer mit einer Brechzahl, die für alle Wellenlängen kleiner ist als die erste Brechzahl des Polymergrundkörpers, oder ein Hohlraum ist, der mit einem Medium mit einer Brechzahl, die für alle Wellenlängen kleiner ist als die erste Brechzahl des Polymergrundkörpers, gefüllt ist. Das mindestens eine Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion weist eine zur optischen Achse des einfallenden Lichtstrahls geneigte Grenzfläche auf. Diese Ebene ist derart geneigt, dass beim Übergang des Lichts aus dem Polymergrundkörper in das Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion ein Wellenlängenbestandteil des einfallenden Lichtstrahls unter Totalreflexion in ein entsprechendes Mittel zum Anschluss eines Auskoppelelementes reflektiert wird.
Der gesamte Demultiplexer/Multiplexer kann im Spritzgussverfahren, bevorzugt mehrstufig hergestellt werden.
Für das Demultiplexen sind ein Mittel zum Anschluss einer Einkoppelpolymerfaser, bevorzugt genau ein Mittel, und mindestens zwei Mittel zum Anschluss eines Auskoppelelements vorgesehen.
Für das Multiplexen sind mindestens zwei Mittel zum Anschluss zweier Einkoppelpolymerfasern und ein Mittel zum Anschluss eines Auskoppelelementes ausgebildet, bevorzugt genau ein Mittel zum Anschluss einer Auskoppelelementes.
Das Mittel zum Anschluss einer Einkoppelpolymerfaser kann als selbstjustierender Anschluss für Polymerfasern ausgebildet sein, und das mindestens eine Mittel zum Anschluss von Auskoppelelementen kann als selbstjustierender Anschluss für Polymerfasern ausgebildet sein, oder als ein Anschluss für optoelektronische Empfangselemente, bevorzugt Photodioden, ausgebildet sein.
Der Hohlraum kann mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt sein. Das Gas kann bevorzugt Luft sein. Die Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion können im Strahlengang zueinander beabstandet ausgebildet sein, wobei der Zwischenraum durch den Polymergrundkörper gebildet wird. Die Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion können die gleiche Brechzahl aufweisen oder eine verschiedene Brechzahl. Bevorzugt sind Werkstoffe mit solchen Brechzahlverläufen zu wählen, die zu möglichst großen Unterschieden für die Totalreflexion führen. Es können zwei oder mehrere Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion im Strahlengang hintereinander beabstandet im Polymergrundkörper integriert sein und die Neigungswinkel der jeweiligen Grenzflächen bezüglich des dort einfallenden Lichtstrahls beim Übergang vom Polymergrundkörper zum mindestens einen Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion können sich zwischen 0,2° und 4°, bevorzugt zwischen 0,3° und 4° voneinander unterscheiden.
Es können mindestens zwei Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion im Strahlengang hintereinander beabstandet im Polymergrundkörper integriert sein und an der ersten Grenzfläche beim Übergang vom Polymergrundkörper zum ersten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion kann eine erste abzutrennende Wellenlänge λ₁ total reflektiert werden. Der Reflexionsgrad für eine zweite abzutrennende Wellenlänge λ₂ ist dabei kleiner 100% und liegt typischerweise unter 60%, wobei die Auswahl der Werkstoffe für den Polymergrundkörper und für die Mittel der Totalreflexion so zu treffen ist, dass der Reflexionsgrad für die Wellenlänge λ₂ möglichst klein ist. In einem Ausführungsbeispiel kann dieser Reflexionsgrad für λ₂ zwischen 10% und 60% und/oder zwischen 10% und 40% liegen. An der zweiten Grenzfläche beim Übergang vom Polymergrundkörper zum zweiten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion kann die zweite abzutrennende Wellenlänge λ₂ total reflektiert werden. Der Reflexionsgrad für eine dritte abzutrennende Wellenlänge λ₃ ist dabei kleiner 100% sein und liegt typischerweise unter 60%.
Die jeweiligen abzutrennenden Wellenlängen können sich um mindestens 25 nm unterscheiden, bevorzugt um mindestens 50 nm oder ein Vielfaches von 25 nm. Zwischen dem Mittel zum Anschluss einer Einkoppelpolymerfaser und dem mindestens einem Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion können Strahlformungselemente und/oder Strahlbegrenzungen zur Parallelisierung, Formung und/oder Begrenzung der Einkoppelstrahlung integriert im Polymergrundkörper angeordnet sein.
Zwischen dem mindestens einem Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion und dem Mittel zum Anschluss eines Auskoppelelementes können Strahlformungselemente ausgebildet sein.
Im Strahlengang vor dem Auskoppeln der getrennten Wellenlängen können optische Farbfilter zur Reduzierung eines Übersprechens zwischen den getrennten Wellenlängen in den Polymerkörper integriert sein. Die Farbfilter können als diskrete Filter oder als lokale Dotierung des Polymers mit Farbstoffen ausgebildet sein.
Die verwendeten Polymere des Polymergrundkörpers und/oder des mindestens einen Mittels zur Ausbildung einer Totalreflexion können durch Dotierung mit Zusatzstoffen derart in ihren Dispersionseigenschaften verändert werden, dass die Wellenlangenselektivität der zu erzeugenden Totalreflexion gesteigert wird.
Die Brechzahlen von Polymergrundkörper und dem mindestens einen Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion können sich für alle abzutrennenden Lichtwellenlängen um einen Wert von mindestes 0,05, bevorzugt um einen Wert von mindestens 0,08 unterscheiden.
Ferner wird ein Verfahren zum Demultiplexen/Multiplexen von Lichtsignalen unterschiedlicher Lichtwellenlänge auf der Basis der wellenlängen-selektiven Totalreflexion vorgeschlagen, umfassend die Schritte: Einspeisen eines Lichtstrahls in einen Polymergrundkörper bestehend aus einem Polymer; Führen des Lichtstrahls auf mindestens eine im Strahlengang des Lichts im Polymergrundkörper integriert ausgebildete und vom Polymergrundkörper umschlossene, relativ zur Strahlrichtung geneigte Grenzfläche zwischen dem Polymergrundkörper und mindestens einem Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion, welches ein Medium mit einer Brechzahl umfasst, die für alle Wellenlängen kleiner ist als die Brechzahl des Polymergrundkörpers; Totalreflexion an der Grenzfläche beim Übergang vom Polymergrundkörper zum Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion für eine abzutrennende Wellenlänge, wobei mindestens ein Bestandteil des Lichtstrahls einer anderen Wellenlänge das Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion durchdringt; und Auskopplung des totalreflektierten Wellenlängenbestandteils aus dem Polymergrundkörper.
Bevorzugt kann auch der nicht-totalreflektierte Bestandteil des Lichtstrahls aus dem Polymergrundkörper ausgekoppelt werden, noch bevorzugter in eine erste Auskoppelpolymerfaser.
Das Einkoppeln des Lichts kann über einen selbstjustierenden Anschluss für eine Polymerfaser und eine daran angeschlossene Einkoppelpolymerfaser erfolgen.
Die abgetrennte Wellenlänge kann über einen selbstjustierenden Anschluss für eine Polymerfaser und eine daran angeschlossene Auskoppelpolymerfaser erfolgen oder über ein optoelektronisches Empfangselement erfolgen.
Die Schritte der Totalreflexion können unter Verwendung der gleichen Brechzahl oder verschiedener Brechzahlen erfolge.
Es können zwei oder mehrere Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion im Strahlengang hintereinander beabstandet im Polymergrundkörper integriert sein. Dabei können sich die Neigungswinkel der jeweiligen Grenzflächen bezüglich des einfallenden Lichtstrahls beim Übergang vom Polymergrundkörper zum mindestens einen Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion zwischen 0,2° und 4°, und/oder zwischen 0,3° und 4° voneinander unterscheiden; und/oder an der ersten Grenzfläche beim Übergang vom Polymergrundkörper zum ersten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion wird eine erste abzutrennende Wellenlänge total reflektiert, wobei dort der Reflexionsgrad für eine zweite und dritte abzutrennende Wellenlänge kleiner 100% ist, bevorzugt kleiner 60%, noch bevorzugter zwischen 10% und 60%, noch bevorzugter zwischen 10% und 40%, und an der zweiten Grenzfläche beim Übergang vom Polymergrundkörper zum zweiten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion wird die zweite abzutrennende Wellenlänge total reflektiert, wobei der Reflexionsgrad für eine dritte abzutrennende Wellenlänge kleiner 100% ist, bevorzugt kleiner 60%, noch bevorzugter zwischen 10% und 60%, noch weiter bevorzugt zwischen 10% und 40%; und/oder sich die jeweiligen abzutrennenden Wellenlängen um mindestens 25 nm unterscheiden, bevorzugt mindestens 50 nm; und/oder wobei sich die Brechzahlen von Polymergrundkörper und dem mindestens einen Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion für alle abzutrennenden Lichtwellenlängen um einen Wert von mindestes 0,05, bevorzugt um einen Wert von mindestens 0,08 unterscheiden.
Analog wird ein Verfahren zum Multiplexen von Lichtsignalen unterschiedlicher Lichtwellenlänge in einem Lichtstrahl vorgeschlagen, umfassend: Einkoppeln eines ersten Lichtstrahls umfassend Licht einer ersten Wellenlänge in einen Polymergrundkörper bestehend aus einem Polymer; Einkoppeln eines zweiten Lichtstrahls umfassend Licht einer zweiten Wellenlänge in den Polymergrundkörper; Führen des eingekoppelten ersten Lichtstrahls auf mindestens eine im Strahlengang des Lichts im Polymergrundkörper integriert ausgebildete Grenzfläche zwischen dem Polymergrundkörper und einem Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion, welches ein Medium mit einer Brechzahl umfasst, die kleiner ist als die Brechzahl des Polymergrundkörpers; Führen des eingekoppelten zweiten Lichtstrahls auf mindestens eine im Strahlengang des Lichts im Polymergrundkörper integriert ausgebildete, relativ zur Strahlrichtung geneigte Grenzfläche zwischen dem Polymergrundkörper und besagtem Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion, welches ein Medium mit einer Brechzahl umfasst, die kleiner ist als die Brechzahl des Polymergrundkörpers; Transmission des ersten Lichtstrahls durch das Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion hindurch; und Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Polymergrundkörper und Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion für die zweite Wellenlänge; und Auskopplung des totalreflektierten Lichts der zweiten Wellenlänge zusammen mit dem Transmittierten ersten Lichtstrahl aus dem Polymergrundkörper.
Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung eines Demultiplexers/Multiplexers für Polymerfaserübertragung auf Basis von Totalreflexionen an geneigten Grenzflächen zwischen zwei Materialien mit bevorzugt unterschiedlichen Brechzahlen, umfassend den folgenden Schritt vorgeschlagen: Spritzgießen eines Polymergrundkörpers aus einem Polymer mit Aussparungen in der Oberfläche geeignet zum Anschluss von Einkoppelpolymerfasern und Auskoppelelementen, wobei während des Spritzgießens mindestens ein Hohlraum im Inneren des Polymergrundkörpers ausgebildet wird, der relativ zur optischen Achse eines einzukoppelnden Lichtstrahls eine geneigte Grenzfläche aufweist, die derart ausgebildet ist, dass für eine erste abzutrennende Lichtwellenlänge Totalreflexion auftritt.
Der mindestens eine Hohlraum im Inneren des Polymergrundkörpers kann in einem weiteren Spritzgussverfahrensschritt mit einem zweiten Polymer gefüllt werden, wobei dieses zweite Polymer für alle Wellenlängen eine niedrigere Brechzahl als der Polymergrundkörper aufweist.
Es können mehrere mit einem Polymer auszuformende Hohlräume im Strahlengang hintereinander und beabstandet voneinander ausgebildet werden, die jeweils eine Grenzfläche beim Übergang vom Polymergrundkörper zum mit einem Polymer auszuformenden Hohlraum aufweisen, die derart zum abzutrennenden Lichtstrahl ausgebildet sind, dass Totalreflexion für eine erste abzutrennende Wellenlänge auftritt.
Die Aussparungen für die Einkoppelfaser und Auskoppelelemente im Spritzgussprozess des Polymergrundkörpers können integriert werden und als selbstjustierende Polymerfaserhalterungen ausgebildet sein.
Während des Spritzgießens des Polymergrundkörpers können Hohlräume für weitere optische Elemente, bevorzugt für Linsen, Linsensysteme, Blenden, und optische Filter, ausgebildet werden, die dann in einem weiteren Verfahrensschritt durch Spritzgießen direkt im Polymergrundkörper integriert ausgebildet werden.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Demultiplexer/Multiplexer-Konzept nutzt zur Trennung der Übertragungskanäle die wellenlängenabhängige Totalreflexion an optischen Grenzflächen.
Es werden dazu weder optische Mikrostrukturen (Gitter) auf planen oder gewölbten Flächen, noch spezielle wellenlängenselektive Schichten auf der Oberfläche des Mittels benötigt.
Die Wellenlängentrennung erfolgt weder durch den Einsatz eines optischen Gitters bzw. optischen Mikrostrukturen noch durch die Nutzung der Dispersion eines Prismas noch durch wellenlängenselektiv reflektierende Dünnschicht-Spiegel noch alleine durch schmalbandige Farb- oder Interferenzfilter, sondern nach dem Prinzip der wellenlängenabhängigen Totalreflexion.
Da keine wellenlängenselektiv reflektierenden Spiegelschichten benötigt werden kann auf Verfahren der Dünnschichttechnologie zur Spiegelherstellung verzichtet werden.
Beim Herstellungsprozess werden keine kostenintensiven Mikroabformtechniken benötigt.
Der Herstellungsprozess lässt sich also durch das Entfallen von komplexen optisch wirksamen Strukturen gegenüber anderen Lösungen, die dem Stand der Technik entsprechen, vereinfachen und kostengünstiger gestalten.
Die Erfindungen werden im folgenden Anhang einiger Ausführungsbeispiele unter Bezug auf beigefügte Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sind lediglich erläuternder Art.
Es zeigen:
1: Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Multiplexers/Demulitplexers in einer schematischen Darstellung.
2: Reflexionsgrad vs. Einfallswinkel für ein Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion.
3: Transmissionsgrad vs. Einfallswinkel für ein Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion.
4: Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Multiplexers/Demulitplexers in einer schematischen Darstellung.
Die Erfindungen werden nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen der 1 und 4 näher erläutert, in dem sowohl die erfindungsgemäßen Anordnungsmerkmale des optischen Demultiplexer/Multiplexers für Polymerfaserübertragung als auch die Verfahrensschritte zu seiner Herstellung verdeutlich werden. Die Darstellung hier erfolgt mit drei Übertragungswellenlängen λ1, λ2, λ3. Das Prinzip kann sinngemäß für eine höhere Anzahl von Übertragungswellenlängen angewendet werden. Andererseits kann der Demultiplexer/Multiplexer auch für zwei Wellenlängen ausgelegt werden. In desem Fall entfällt die Trennung der Wellenlängen λ2 und λ3.
Im Folgenden wird zunächst der Demultiplexer/Multiplexer in seiner Funktion als Demultiplexer eines Lichtstrahls erläutert.
Gemäß 1 weist ein erfindungsgemäßer integriert-optischer Demultiplexer/Multiplexer für Polymerfaserübertragung folgende Bestandteile auf:
Einen Polymergrundkörper 1, eine Einkoppel-Polymerfaser 2, Strahlformungselemente 3 für die Einkoppel-Polymerfaser 2 und Auskoppel-Polymerfasern 7, 8, 9, optional Strahlbegrenzungen 4 zur Einschränkung von Strahldurchmesser und Strahldivergenz; ein erstes Mittel zur Bildung der optischen Grenzflächen für Totalreflexion einer Wellenlänge und Weiterleitung der übrigen Wellenlängen 5; ein zweites Mittel zur Bildung der optischen Grenzflächen für Totalreflexion einer Wellenlänge und Weiterleitung der übrigen Wellenlängen 14, optionale Farbfilter 6, 10, 11 zur Reduzierung von Übersprechen, und Halterungen 12, 13 für Einkoppel- und Auskoppel-Polymerfasern, bevorzugt selbstjustierend.
Der Polymergrundkörper 1 kann auch als erster Polymerkörper 1 bezeichnet werden. An einer Seite des Polymergrundkörpers 1 ist ein Mittel zur Einkopplung von Lichtwellen 2 angeordnet. Bevorzugt wird ein Strahl senkrecht in den Polymergrundkörper 1 eingekoppelt. Es folgt im Strahlengang ein im Polymergrundkörper 1 angeordnetes erstes Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5. In Richtung des am ersten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5 total-reflektierten Lichtanteils ist am Polymergrundkörper 1 ein erstes Mittel zum Anschluss 13 eines Auskoppelelements 9 angeordnet, welches den total-reflektierten Anteil auskoppelt. Die nicht total-reflektierten Wellenlängen werden entweder direkt über ein zweites Mittel zum Anschluss 13 eines Auskoppelelements 7 aus dem Polymergrundkörper 1 ausgekoppelt oder treffen auf ein zweites Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 14. Bevorzugt ist das zweite Mittel zum Anschluss 13 eines Auskoppelelements 7 gegenüber der Seite am Polymergrundkörper 1 angeordnet, an der das Einkoppelelement 2 angeordnet ist. Im Strahlengang des am zweiten Mittel zur Totalreflexion total-reflektierten Lichtanteils ist am Polymergrundkörper 1 ein drittes Mittel zum Anschluss 13 eines Auskoppelelements 8 angeordnet. In der 1 ist das Mittel 12 zum Anschluss eine Einkoppelelementes 2 auf der linken Seite am Polymergrundkörper 1 angeordnet, das erste und dritte Mittel zum Anschluss eines Auskoppelelementes zur Auskopplung der totalreflektierten Strahlenanteile sind an der unteren Seite angeordnet und das zweite Mittel zum Anschluss eines Auskoppelelementes zur Auskopplung der durch die Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5, 14 durchgelassenen Strahlenanteile befindet sich an der rechte Seite des Polymergrundkörpers 1.
Auskoppelelemente 7, 8, 9 und das Einkoppelelement 2 sind bevorzugt Polymerfasern, noch bevorzugter Dickkern-Multimode-Polymerfasern.
Zwischen Mittel zum Anschluss 12 eines Einkoppelelementes 2 und den ersten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5 können zusätzlich Strahlenformungselemente 3 und Strahlbegrenzungen 4 angeordnet sein. Zwischen den Mitteln zur Ausbildung Totalreflexion 5, 14 und den Auskoppelelementen 7, 8, 9 können weitere Strahlenformungselemente 3 im Strahlengang angeordnet sein. Ferner können vor den Auskoppelelementen 7, 8, 9 Farbfilter 6, 10, 11 angeordnet sein.
Die Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5, 14 können selbst aus einem Polymer bestehen, wie z. B. Polymethylmethacrylat können aber auch durch einen Hohlraum gefüllt mit einem Gas, bevorzugt Luft, oder einer Flüssigkeit realisiert sein.
Der Polymergrundkörper 1 ist bevorzugt als Spritzgussteil aus einem Polymer, wie z. B. Polycarbonat mit guten optischen Eigenschaften, wie hoher Transmission und hoher Homogenität gefertigt. Am Übergang aus dem Einkoppelelement 2 in den Polymergrundkörper 1 erfolgt kein oder nur ein kleiner Brechzahlsprung, so dass die numerische Apertur an dieser Stelle gegenüber einer Auskopplung in Luft reduziert wird. Die Strahlformungsoptik 3 kann in den Polymergrundkörper 1 integriert werden, bestehend aus Polymeren geeigneter Brechzahl, und wird ebenfalls im Spritzgussverfahren hergestellt und so ausgelegt, dass für alle Wellenlängen ein Strahl mit möglichst kleiner Divergenz entsteht.
Der Strahl kann durch in den Polymergrundkörper 1 integrierte Strahlbegrenzungen 4 in seiner Divergenz weiter reduziert werden, bevor er auf die geneigte Grenzfläche zu einem Gas, bevorzugt Luft, oder zum Polymerkörper 5 trifft.
Diese Grenzfläche ist so gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl geneigt, dass dort Totalreflexion für Licht der Wellenlänge λ1 erfolgt. Dieses Licht wird über ein ebenfalls in den Polymergrundkörper 1 integriertes Strahlformungselement 3 in das Ausgangselement 9 eingekoppelt.
Zur Reduzierung von Übersprechen kann in den Polymergrundkörper 1 vor der Einkoppelfläche des Auskoppelelementes 9 ein Farbfilter 11 integriert werden, das z. B. aus einer mit einem Farbstoff dotierten Polymerschicht besteht und der die Wellenlängen λ2 und λ3 unterdrückt.
Anstelle des Auskoppelelementes 9 kann an dieser Stelle auch direkt ein optoelektronisches Empfangselement, z. B. eine Photodiode eingesetzt werden.
Zur Trennung der Wellenlänge λ2 von der Wellenlänge λ3 wird wieder das Prinzip der wellenlängenabhängigen Totalreflexion genutzt. Nach Durchlaufen des Hohlraums/Polymerkörpers bzw. des ersten Mittels zur Ausbildung einer Totalreflexion 5 tritt der Strahl durch eine senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung orientierte Grenzfläche wieder in den Polymergrundkörper 1 ein. Die nächste Grenzfläche zum Hohlraum/Polymerkörper oder zum ersten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5 ist so orientiert, dass an dieser Stelle Totalreflexion für die Wellenlänge λ2 eintritt, während Licht der Wellenlänge λ3 möglichst wenig reflektiert wird.
Das Licht der Wellenlänge λ2 wird über ein ebenfalls in den Polymergrundkörper 1 integriertes Strahlformungselement in das Auskoppelelement 8 eingekoppelt.
Zur Reduzierung von Übersprechen kann in den Polymergrundkörper 1 vor der Einkoppelfläche des Auskoppelelementes 8 ein Farbfilter 10 integriert werden, das z. B. aus einer mit einem Farbstoff dotierten Polymerschicht besteht und der die Wellenlängen λ1 und λ3 zusätzlich unterdrückt.
Anstelle des Auskoppelelementes 8 kann an dieser Stelle auch direkt ein optoelektronisches Empfangselement, z. B. eine Photodiode eingesetzt werden.
Das verbleibende Licht der Wellenlänge λ3 wird über ein optionales Strahlformungselement 3 und über ein optionales integriertes Farbfilter 6, das z. B. aus einer mit einem Farbstoff dotierten Polymerschicht besteht und der die Wellenlängen λ1 und λ2 unterdrückt, zum Auskoppelelement 7 geführt.
Anstelle des Auskoppelelementes 7 kann an dieser Stelle auch direkt ein optoelektronisches Empfangselement, z. B. eine Photodiode eingesetzt werden.
Bedeutend ist die Wahl des Polymers für den Polymergrundkörper 1 und ggf. auch für das Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5, 14. Neben einer hohen Transmission, hoher Homogenität und hoher Kratzfestigkeit sollte die Polymere mit einer solchen Abhängigkeit der Brechzahl n von der Wellenlänge λ, also einer Dispersion n(λ) gewählt werden, dass sich möglichst große Unterschiede für die Grenzwinkel der Totalreflexion bei den Wellenlängen λ1, λ2, λ3 ergeben. Damit wird eine hohe Wellenlängenselektivität der Totalreflexion erreicht.

Als Beispiel sei ein Demultiplexer/Multiplexer genannt, bei dem der Polymergrundkörper 1 aus Polycarbonat (PC) und der Polymerkörper 5 aus PMMA besteht. Für diesen Demultiplexer/Multiplexer ergeben sich folgende Wellenlängenabhängigen Grenzwinkel der Totalreflexion:

Wellenlänge	Brechzahl Polymergrundkörper 1 (Polycarbonat)	Brechzahl erstes Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5 (PMMA)	Grenzwinkel der Totalreflexion
λ1 = 405 nm	1,62974	1,51557	68,43°
λ2 = 580 nm	1,58580	1,49184	70,18°
λ3 = 670 nm	1,57711	1,48741	70,58°

In diesem Beispiel ergibt sich rechnerisch an der ersten Grenzfläche zwischen Polymergrundkörper 1 und Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion bzw. Polymerkörper 5 Reflexionsgrade von 100% für λ1, 26% für λ2 und 21% für λ3, wenn diese Grenzfläche gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl unter einem Einfallswinkel von 69,0° geneigt ist.
Im Beispiel ergibt sich werter an der zweiten geneigten Grenzfläche zwischen Polymergrundkörper 1 und Polymerkörper 5 ein Reflexionsgrad von 100% für λ2 und von 50% für λ3, wenn diese Grenzfläche gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl um 70,3° geneigt ist.
Bei Einhaltung von engen Winkeltoleranzen unter 0,2° für die geneigten Grenzflächen können also durch wellenlängenselektive Totalreflexion die Übertragungskanäle getrennt werden.
Die folgenden 2 und 3 verdeutllchen die wellenlängenselektive Totalreflexion an den geneigten Grenzflächen. Dargestellt ist der berechnete Reflexionsgrad ρ (2) bzw. der Transmissionsgrad τ (3) an einer PC-PMMA-Grenzfläche als Funktion des Neigungswinkels zwischen Lichtstrahl und Oberflächennormale der Grenzfläche dargestellt.
Für diese Rechnungen wurde über die Lichtpolarisationen TE und TM gemittelt.
Die Neigungswinkel der jeweiligen Grenzflächen zur Ausbildung einer Totalreflexion unterscheiden sich bevorzugt um 0,2° bis 4°, noch bevorzugter um 0,3° bis 4°.
Die abgetrennten Wellenlängen unterscheiden sich bevorzugt um mindestens 25 nm, noch bevorzugter um mindestens 50 nm.
Gemäß der Verfahrenserfindung erfolgt die Herstellung des Demultiplexer/Multiplexers für Polymerfaserübertragung in spezieller Spritzgusstechnik.
Es wird nun im Folgenden der erfindungsgemäße Demultiplexer/Multiplexer in seiner Funktion als Multiplexer kurz beschrieben.
Während beim Demultiplexen ein Lichtstrahl in Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge aufgeteilt wird, wird beim Multiplexen Licht unterschiedlicher Wellenlänge zu einem Lichtstrahl zusammengeführt. Dem Fachmann ist dabei klar, dass sich hier der Verlauf des Lichtstrahls gegenüber dem Verlauf in 1 oder 4 umkehrt. Während beim Demultiplexen der Lichtstrahl in 1 von links nach rechts verläuft, wird beim Multiplexen ein Lichtstrahl von rechts eingekoppelt und links ausgekoppelt. Es wird daher auf die oberen Absätze zum Aufbau und den Ausbildungen der Bestandteile des Demultiplexer/Multiplexers verwiesen und lediglich auf die Unterschiede der Funktion kurz Bezug genommen.
Gemäß 1 weist dann ein erfindungsgemäßer integriert-optischer Multiplexer für Polymerfaserübertragung folgende Bestandteile auf:
Einen Polymergrundkörper 1, drei Einkoppel-Polymerfasern 7, 8, und 9, Strahlformungselemente 3 für die Einkoppel-Polymerfaser 7, 8 und 9 und eine Auskoppel-Polymerfasern 2, optional Strahlbegrenzungen 4 zur Einschränkung von Strahldurchmesser und Strahldivergenz; ein erstes Mittel zur Bildung der optischen Grenzflächen für Totalreflexion einer Wellenlänge und Weiterleitung der übrigen Wellenlängen 5; ein zweites Mittel zur Bildung der optischen Grenzflächen für Totalreflexion einer Wellenlänge und Weiterleitung der übrigen Wellenlängen 14, und Halterungen 12, 13 für Einkoppel- und Auskoppel-Polymerfasern, bevorzugt selbstjustierend.
Ein erster Lichtstrahl umfassend eine ersten Wellenlänge wird über eine erste Einkoppelpolymerfaser 7 in den Polymerkörper 1 eingekoppelt. Dieser erste Lichtstrahl wird durch das erste und zweite Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5, 14 transmittiert, gegebenenfalls unter Beugung, und in die Auskoppelpolymerfaser 2 ausgekoppelt.
Ein zweiter Lichtstrahl umfassend eine zweite Wellenlänge wird über eine zweite Einkoppelpolymerfaser 8 in den Polymerkörper 1 eingekoppelt. Der Wellenlängenbestandteil der zweiten Wellenlänge des zweiten Lichtstrahls wird an der oben beschriebenen geneigten Grenzfläche zwischen Polymerkörper 1 und Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 14 total-reflektiert und zusammen mit dem ersten Lichtstrahl durch das weitere Mittel zur Ausbildung einer Totalreflektion 5 oder direkt zur Auskoppelpolymerfaser 2 transmittiert.
Ein dritter Lichtstrahl umfassend eine dritte Wellenlänge wird über eine dritte Einkoppelpolymerfaser 9 in den Polymerkörper 1 eingekoppelt. Der Wellenlängenbestandteil der dritten Wellenlänge des dritte Lichtstrahls wird an der oben beschriebenen geneigten Grenzfläche zwischen Polymerkörper 1 und dem weiteren Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5 total-reflektiert und zusammen mit dem ersten Lichtstrahl und dem Licht der zweiten Wellenlänge zur Auskoppelpolymerfaser 2 in einem Lichtstrahl gelenkt. Dabei treffen die zu reflektierenden Bestandteile genau an der Stelle auf dem ersten und zweiten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5, 14 auf, an der der transmittierte erste Lichtstrahl die Mittel zur Totalreflexion 5, 14 verlässt.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Multiplexers/Demultiplexer.
Hier ist der Polymergrundkörper 1 von einer Ummantelung 15 umgeben, die bevorzugt als eine Röhre 15 ausgebildet ist. Die Ummantelung 15 besteht bevorzugt aus einem lichtabsorbierenden und/oder diffus streuendem Material, noch bevorzugter einem lichtabsorbierenden und/oder diffus streuendem Polymer.
Zum Demultiplexen wird der Lichtstrahl in dem Bereich der Anordnung mit dem lichtdurchlässigen Material des Polymergrundkörpers 5 eingekoppelt. Jedoch kann auf Strahlbegrenzungen 4 verzichtet werden, da die Ummantelung 15, die den Polymergrundkörper 1 umgibt, die Strahlen 16 in ihrer Ausdehnung begrenzt. Die Ummantelung 15 weist an den Stellen, an denen die total reflektierten Strahlenanteile ausgekoppelt werden, Seitenarme auf. Sie besteht also im geraden Strahlengang der 4 aus einer Röhre 15 mit Seitenarmen nach oben und/oder unten.
In der 4 wird das zu trennende Licht über ein Einkoppelelement 2 in den Polymergrundkörper 1 eingekoppelt, der von der Röhre 15 umgeben ist. Das eingekoppelte Licht wird durch Strahlenformungselemente 3 geformt und trifft auf ein erstes Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5. Dort wird ein Teil des Lichtes totalreflektiert, dessen Anteil in ein Mittel zum Anschluss 13 eines Auskoppelelementes über weitere Strahlenformungselemente 3 aus dem Polymergrundkörper 1 ausgekoppelt wird. In 4 geschieht dies mittels eines sich an der Röhre 15 befindlichen unteren Seitenarmes. Nachfolgend trifft der durch das erste Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5 durchgehende Strahlteil auf ein zweites Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 14, welches bevorzugt in die entgegengesetzte Richtung wie das erste Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5 geneigt ist. Ist das erste Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 5 nach links geneigt wie in 4 gezeigt, ist das zweite Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 14 bevorzugt nach rechts geneigt. Der am Übergang zwischen Polymergrundkörper 1 und zweiten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion 14 totalreflektierte Strahlteil wird dann über einen oberen Seitenarm ausgekoppelt. Der hindurchgehende Strahlenteil wird wieder durch ein Strahlenformungselement 3 geformt und ausgekoppelt. Der Weg von der Einkoppelung in den Polymergrundkörper 1 bis zur Auskopplung des durchgehenden Strahlanteils aus dem Polymergrundkörper 1 erfolgt hierbei entlang der Achse der Röhre 15.
Die Strahlformungselemente 3 sind in dem zweiten Ausführungsbeispiel als Sammellinsen realisiert, die in dieser Ausführungsform als konkaver Hohlraum ausgebildet sind. Durch die umgekehrten Brechzahlverhältnisse (Polymer-Luft-Polymer) führt die konkave Form zur Wirkung als Sammellinse. Die Hohlräume können auch durch andere Polymer mit geeigneter Brechzahl, die niedriger ist als die vom Polymergrundkörper 1, gefüllt werden.
Je nach Brechzahlverhältnissen können konkave oder konvexe Linsenformen 3 erforderlich sein.
Für das Multiplexen wird entsprechend auf die Beschreibung bei 1 verwiesen.
Der Demulitplexer/Multiplexer des zweiten Ausführungsbeispiels wird wiederum bevorzugt durch ein ein- oder mehrstufiges Spritzgussverfahren hergestellt.
Die Röhre 15 kann als zwei „Halbschalen” entsprechend dem Schnitt der 4 angefertigt werden. In die Halbschalen werden dann die separat hergestellten anderen Komponenten wie Strahlenformungselemente 3, Mittel zur Totalreflexion 5, 14, Mittel zum Anschluss von Einkoppel- und Auskoppelelementen 12, 13 eingesetzt. Anschließend wird dann die obere und untere Halbschale zusammengesetzt.
Die Röhrenkonstruktion kann ferner mit internen Anschlägen im Spritzgussverfahren hergestellt werden, in die dann die anderen Komponenten eingeschoben und fixiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Polymergrundkörper
2: Einkoppel-/Auskoppelelement (Demultiplexer/Multiplexer)
3: Strahlenformungselemente
4: Strahlbegrenzungen
5: Erstes Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion
6: Erster Farbfilter
7: Erstes Auskoppel-/Einkoppelelement (Demultiplexer/Multiplexer)
8: Zweites Auskoppel-/Einkoppelelement (Demultiplexer/Multiplexer)
9: Drittes Auskoppel-/Einkoppelelement (Demultiplexer/Multiplexer)
10: Zweiter Farbfilter
11: Dritter Farbfilter
12: Mittel zum Anschluss eines Einkoppel-/Auskoppelelementes (Demultiplexer/Multiplexer)
13: Mittel zum Anschluss eines Auskoppel-/Einkoppelelementes (Demultiplexer/Multiplexer)
14: Zweites Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion
15: Ummantelung
16: Strahlengang

Claims

Optischer Demultiplexer/Multiplexer für die Polymerfaserübertragung nach dem Prinzip der Abtrennung/Zusammenführung von Signalen unter wellenlängenselektiver Totalreflexion, umfassend: ein Polymergrundkörper (1); mindestens ein Mittel zum Anschluss (12; 13) einer Einkoppelpolymerfaser (2; 7, 8, 9) für die Einkopplung eines einzigen Lichtstrahls mit unterschiedlichen Wellenlängenbestandteilen in den Demultiplexer bzw. mehrerer Lichtstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen in den Multiplexer; mindestens ein Mittel zum Anschluss (13; 12) eines Auskoppelelementes (7, 8, 9; 2) für die Auskopplung mindestens eines Bestandteils des eingekoppelten Lichtstrahls aus dem Demultiplexer/Multiplexer; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) im Strahlengang des Lichts im Polymergrundkörper (1) ausgebildet und vom Polymergrundkörper (1) umschlossen ist, welches ein Medium mit einer Brechzahl umfasst, die kleiner ist als die Brechzahl des Polymergrundkörpers (1), wobei das mindestens eine Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14): ein Polymerkörper (5, 14) ist, bestehend aus einem Polymer mit einer Brechzahl, die für alle Wellenlängen kleiner ist als die erste Brechzahl des Polymergrundkörpers (1), oder ein Hohlraum (5, 14) ist, der mit einem Medium mit einer Brechzahl, die für alle Wellenlängen kleiner ist als die erste Brechzahl des Polymergrundkörpers (1), gefüllt ist, und das mindestens eine Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) eine zur optischen Achse des einfallenden Lichtstrahls geneigte Grenzfläche aufweist, die derart geneigt ist, dass beim Übergang des Lichts zwischen Polymergrundkörper (1) und dem Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) Licht einer Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls unter Totalreflexion in ein Mittel zum Anschluss (13; 12) eines Auskoppelelementes (8, 9; 2) zur Auskopplung des total-reflektierten Wellenlängenbestandteils reflektiert wird.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach Anspruch 1, wobei für das Demultiplexen ein Mittel zum Anschluss (12) eines Einkoppelpolymerfaser (1) und mindestens zwei Mittel zum Anschluss (13) eines Auskoppelelements (7, 8, 9) ausgebildet sind; und für das Multiplexen mindestens zwei Mittel zum Anschluss (13) zweier Einkoppelpolymerfasern (7, 8, 9) und ein Mittel zum Anschluss (12) einer Auskoppelpolymerfaser (1) ausgebildet sind.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach Anspruch 1 oder 2, wobei der gesamte Demultiplexer/Multiplexer im Spritzguss erfahren, bevorzugt mehrstufig hergestellt wird.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Mittel zum Anschluss (12; 13) einer Einkoppelpolymerfaser (2, 7, 8, 9) als selbstjustierender Anschluss für Polymerfasern als Aussparung im Polymergrundkörper (1) ausgebildet ist, und das mindestens eine Mittel zum Anschluss (13; 12) von Auskoppelelementen als selbstjustierender Anschluss für Polymerfasern als Aussparung im Polymergrundkörper (1) ausgebildet ist, oder als ein Anschluss für optoelektronische Empfangselemente, bevorzugt Photodioden, ausgebildet ist.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach Anspruch 1, wobei das Medium Luft ist.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) im Strahlengang zueinander beabstandet ausgebildet sind, wobei der Zwischenraum durch den Polymergrundkörper (1) gebildet wird.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) die gleiche Brechzahl aufweisen oder eine verschiedene Brechzahl.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) im Strahlengang hintereinander beabstandet im Polymergrundkörper (1) integriert sind und sich die Neigungswinkel der jeweiligen Grenzflächen bezüglich des dort einfallenden Lichtstrahls beim Übergang vom Polymergrundkörper (1) zum mindestens einen Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) zwischen 0,2° und 4°, bevorzugt zwischen 0,3° und 4° voneinander unterscheiden.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Mitte! zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) im Strahlengang hintereinander beabstandet im Polymergrundkörper (1) integriert sind; und an der ersten Grenzfläche beim Übergang vom Polymergrundkörper (1) zum ersten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5) eine erste abzutrennende Wellenlänge (λ₁) total reflektiert wird, der Reflexionsgrad für eine zweite abzutrennende Wellenlänge (λ₂) kleiner 100% ist und/oder zwischen 10% und 60% liegt und/oder zwischen 10% und 40% Liegt; an der zweiten Grenzfläche beim Übergang vorn Polymergrundkörper (1) zum zweiten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (14) die zweite abzutrennende Wellenlänge (λ₂) total reflektiert wird, der Reflexionsgrad für eine dritte abzutrennende Wellenlänge (λ₃) kleiner 100% ist und/oder zwischen 10% und 60% liegt und/oder zwischen 10% und 40% liegt.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die jeweiligen abzutrennenden Wellenlängen um mindestens 25 nm unterscheiden, bevorzugt um mindestens 50 nm.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen Mittel zum Anschluss (12; 13) eines Einkoppelelements (2; 7) und dem mindestens einem Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) Strahlformungselemente (3) und/oder Strahlbegrenzungen (4) zur Parallelisierung, Formung und/oder Begrenzung der Einkoppelstrahlung integriert im Polymergrundkörper (1) angeordnet sind.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem mindestens einem Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) und dem Mittel zum Anschluss (13; 12) eines Auskoppelelementes Strahlformungselemente (3) ausgebildet sind.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Strahlengang vor dem Auskoppeln der getrennten Wellenlängen optische Farbfilter (6, 10, 11) zur Reduzierung eines Übersprechens zwischen den getrennten Wellenlängen in den Polymerkörper (1) integriert sind.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach Anspruch 13, wobei die Farbfilter (6, 10, 11) als diskrete Filter oder als lokale Dotierung des Polymers mit Farbstoffen ausgebildet sind.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die verwendeten Polymere des Polymergrundkörpers (1) und/oder des mindestens einen Mittels zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) durch Dotierung mit Zusatzstoffen derart in ihren Dispersionseigenschaften verändert werden, dass die Wellenlangenselektivität der zu erzeugenden Totalreflexion gesteigert wird
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Brechzahlen von Polymergrundkörper (1) und dem mindestens einen Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) für um einen Wert von mindestes 0,5, bevorzugt um einen Wert von mindestens 0,8 unterscheiden.
Optischer Demultiplexer/Multiplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Polymergrundkörper (1) von einer lichtabsorbierenden oder diffus streuenden Ummantelung (15) umgeben ist.
Verfahren zum Demultiplexen von Lichtsignalen unterschiedlicher Lichtwellenlänge unter Verwendung eines optischen Demultiplexers/Multiplexers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, die in einem Lichtstrahl enthalten sind, umfassend: Einspeisen eines Lichtstrahls in einen Polymergrundkörper (1) bestehend aus einem Polymer; Führen des Lichtstrahls auf mindestens eine im Strahlengang des Lichts im Polymergrundkörper (1) integriert ausgebildete und vom Polymergrundkörper (1) umschlossene, relativ zur Strahlrichtung geneigte Grenzfläche zwischen dem Polymergrundkörper (1) und einem Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14), welches ein Medium mit einer Brechzahl umfasst, die kleiner ist als die Brechzahl des Polymergrundkörpers (1), Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Polymergrundkörper (1) und dem zum Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) für eine abzutrennende Wellenlänge, wobei mindestens ein Bestandteil des Lichtstrahls einer anderen Wellenlänge das Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) durchdringt; und Auskopplung des totalreflektierten Wellenlängenbestandteils aus dem Polymergrundkörper (1).
Verfahren zum Multiplexen von Lichtsignalen unterschiedlicher Lichtwellenlänge in einem Lichtstrahl unter Verwendung eines optischen Demultiplexers/Multiplexers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, umfassend: Einkoppeln eines ersten Lichtstrahls umfassend Licht einer ersten Wellenlänge in einen Polymergrundkörper (1) bestehend aus einem Polymer; Einkoppeln eines zweiten Lichtstrahls umfassend Licht einer zweiten Wellenlänge in den Polymergrundkörper (1); Führen des eingekoppelten ersten Lichtstrahls auf mindestens eine im Strahlengang des Lichts im Polymergrundkörper (1) integriert ausgebildete und vom Polymergrundkörper (1) umschlossene Grenzfläche zwischen dem Polymergrundkörper (1) und einem Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14), welches ein Medium mit einer Brechzahl umfasst, die kleiner ist als die Brechzahl des Polymergrundkörpers (1); Führen des eingekoppelten zweiten Lichtstrahls auf mindestens eine im Strahlengang des Lichts im Polymergrundkörper (1) integriert ausgebildete, relativ zur Strahlrichtung geneigte Grenzfläche zwischen dem Polymergrundkörper (1) und besagtem Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14), welches ein Medium mit einer Brechzahl umfasst, die kleiner ist als die Brechzahl des Polymergrundkörpers (1); Transmission des ersten Lichtstrahls durch das Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) hindurch; und Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Polymergrundkörper (1) und Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) für die zweite Wellenlänge; und Auskopplung des totalreflektierten Lichts der zweiten Wellenlänge zusammen mit dem Transmittierten ersten Lichtstrahl aus dem Polymergrundkörper (1).
Verfahren nach Anspruch 18, wobei auch der nicht-totalreflektierte Bestandteil des Lichtstrahls aus dem Polymergrundkörper (1) ausgekoppelt wird, bevorzugt in eine erste Auskoppelpolymerfaser (7).
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Einkoppeln des Licht über einen selbstjustierenden Anschluss (12; 13) für eine Polymerfaser und eine daran angeschlossene Einkoppelpolymerfaser (2; 7, 8, 9) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei das Auskoppeln über einen selbstjustierenden Anschluss (13; 12) für eine Polymerfaser und eine daran angeschlossene Auskoppelpolymerfaser (7, 8; 2) erfolgt oder über ein optoelektronisches Empfangselement erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die Schritte der Totalreflexion (5, 14) unter Verwendung der gleichen Brechzahl oder verschiedener Brechzahlen erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 oder 19, wobei mindestens zwei Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) im Strahlengang hintereinander beabstandet im Polymergrundkörper (1) integriert sind, und sich die Neigungswinkel der jeweiligen Grenzflächen bezüglich des einfallenden Lichtstrahls beim Übergang vom Polymergrundkörper (1) zum mindestens einen Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) zwischen 0,2° und 4°, und/oder zwischen 0,3° und 4° voneinander unterscheiden; und/oder an der ersten Grenzfläche beim Übergang vom Polymergrundkörper (1) zum ersten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5) eine erste abzutrennende Wellenlänge (λ₁) total reflektiert wird, dort der Reflexionsgrad für eine zweite abzutrennende Wellenlänge (λ₂) kleiner 100% ist, bevorzugt zwischen 10% und 60% liegt, noch bevorzugter zwischen 10% und 40% liegt, und an der zweiten Grenzfläche beim Übergang vom Polymergrundkörper (1) zum zweiten Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (14) die zweite abzutrennende Wellenlänge (λ₂) total reflektiert wird, der Reflexionsgrad für eine dritte abzutrennende Wellenlänge (λ₃) kleiner 100% ist, bevorzugt zwischen 10% und 60% liegt, noch bevorzugter zwischen 10% und 40% liegt; und/oder sich die jeweiligen abzutrennenden Wellenlängen um mindestens 25 nm unterscheiden, bevorzugt mindestens 50 nm; und/oder wobei sich die Brechzahlen von Polymergrundkörper (1) und dem mindestens einen Mittel zur Ausbildung einer Totalreflexion (5, 14) für alle abzutrennenden Lichtwellenlängen um einen Wert von mindestes 0,05, bevorzugt um einen Wert von mindestens 0,08 unterscheiden.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Demultiplexers/Multiplexers für Polymerfaserübertragung auf Basis von Totalreflexionen an geneigten Grenzflächen zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, umfassend den folgenden Schritt: Spritzgießen eines Polymergrundkörpers (1) aus einem Polymer mit Aussparungen in der Oberfläche geeignet zum Anschluss von Einkoppelpolymerfasern (2; 7, 8, 9) und Auskoppelelementen (7, 8, 9; 2), wobei während des Spritzgießens mindestens ein Hohlraum im Inneren des Polymergrundkörpers (1) ausgebildet wird, der relativ zur optischen Achse eines einzukoppelnden Lichtstrahls eine geneigte Grenzfläche aufweist, die derart ausgebildet ist, dass für eine erste abzutrennende Lichtwellenlänge Totalreflexion auftritt.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der mindestens eine Hohlraum im Inneren des Polymergrundkörpers (1) in einem weiteren Spritzgussverfahrensschritt mit einem zweiten Polymer gefüllt wird, wobei dieses zweite Polymer für alle Wellenlängen eine niedrigere Brechzahl als der Polymergrundkörper (1) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei mehrere mit einem Polymer auszuformende Hohlräume im Strahlengang hintereinander und beabstandet voneinander ausgebildet werden, die jeweils eine Grenzfläche beim Übergang vom Polymergrundkörper (1) zum mit einem Polymer auszuformenden Hohlraum aufweisen, die derart zum abzutrennenden Lichtstrahl ausgebildet ist, dass Totalreflexion für eine erste abzutrennende Wellenlänge auftritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei die Aussparungen für die Einkoppelfaser (2; 7, 8, 9) und Auskoppelelemente (7, 8, 9; 2) im Spritzgussprozess des Polymergrundkörpers (1) integriert werden und als selbstjustierende Polymerfaserhalterungen ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei im Spritzgießen der Polymergrundkörpers (1) Hohlräume für weitere optische Elemente, bevorzugt für Linsen, Linsensysteme, Blenden, und optische Filter, ausgebildet werden, die dann in einem weiteren Verfahrensschritt durch Spritzgießen direkt im Polymergrundkörper (1) integriert ausgebildet werden.