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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtkopplung an zumindest einer optischen Faser, insbesondere zur lichtgekoppelten Verbindung von optischen Fasern. Das Verfahren stellt eine neue Methode für die Lichtkopplung solcher optischer Wellenleiter mit Hilfe eines Effektes der Selbstorganisation innerhalb des Photopolymers dar, um optische Faserankopplungen, beispielsweise Faserverbindungen untereinander oder von Fasern zu anderen optischen Elementen, zu bewirken.
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Die Selbstorganisation dieser Lichtkopplung erscheint nicht nur interessant für das optische Ankoppeln und Verbindung von Fasern, sondern auch für deren Reparatur, insbesondere, wenn diese bei Kabelunterbrechungen an unzugänglichen Stellen der Faserverlegung, beispielsweise bei See- oder anders verlegten optischen Kabeln, erforderlich werden und – sofern überhaupt möglich – dadurch besonders aufwendig sind.
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Von allen für die optische Kommunikation genutzten Materialien spielen Polymere eine wichtige Rolle, da diese extrem günstig, aber dennoch mit hoher Präzision gefertigt werden können. In den letzten Jahrzehnten wurden Telekommunikationssysteme für den Datentransfer zwischen Landmassen, die durch Wasser getrennt sind (beispielsweise
US 6,496,626 B2 ;
US 2007/0036550 A1 ), und Netzwerke für transozeanische Telekommunikationskabel (z. B.
US 1,551,797 ) entwickelt. Der größte Teil der optischen Kommunikation beruht dabei auf der Lichtübertragung durch optische Wellenleiter/Fasern (z. B.
US 7,221,846 B2 ;
US 5,416,881 A ].
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Das Hauptproblem transozeanischer Kabel von mehreren Tausend Kilometer Länge ist das große Gewicht und der hohe Dämpfungswert (gewöhnlich werden 8 bis 12 Faserpaare in einem Kabel installiert, wodurch sich der Effekt summiert). Unter Hinzunahme der Umwelteinflüsse (Salzwasser, Druck, Temperaturunterschiede, Bewegung kontinentaler Platten) führt dies zu regelmäßigen Beschädigungen und Brüchen der Kabel. Eine Wiederverbindung der Fasern führt im Allgemeinen zu einer weiteren Steigerung der Faserdämpfung und somit zur Verminderung der Signalqualität. Somit ist eines der wichtigsten Ziele der Faserverbindung, die optischen Wellenleiter mit einem Minimum an zusätzlichen Dämpfungsverlusten zu verbinden (z. B.
US 4,561,719 A ).
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Übliche Geräte zum Verbinden von Wellenleitern sind groß, unhandlich und aufwändig in der Handhabung, sowie in ihrer Produktion. Meist werden außerdem Druck, Hitze oder mechanische Energie für den jeweiligen Prozess benötigt (
US 4,416,506 A ;
US 4,865,413 A ).
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Einige der Geräte, um Wellenleiter zu verbinden, beruhen auf der Methode, beide Enden der Wellenleiter aneinander zu pressen und anschließend ihre Kerne mit Hilfe eines Schmelzgerätes zu verschweißen (z. B.
US 4,548,669 A ).
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Eine weitere Methode zur Kopplung optischer Wellenleiter, basiert auf der Verglasung von Silikon-Gel, welches jedoch ebenfalls mittels Wärme oder durch chemische Prozesse erreicht werden muss (beispielsweise
US 5.347.606 A ).
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Ebenfalls wurde eine Vielzahl von mechanischen Klebe- und Glasschmelztechniken für Faserverbindungen entwickelt (
US 2007/0036550 A1 ). Zusammenfassend lässt sich allerdings feststellen, dass Geräte, die auf Schmelztechniken basieren, eine sehr präzise Ausrichtung der beiden Faserenden gegenüber der Schweißposition erfordern [z. B.
US 4,326,870 A ]. Es wurden hierfür auch Adapter/Stecker mit variabler Positionierung der Faserenden in der optischen Transmissionsachse, welche die Fasern anhand der transmittierten Lichtintensität ausrichten, entwickelt (z. B.
US 3,800,388 A ).
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Leicht nutzbare Quellen für Wärme sind elektrische Kabel (Widerstandsheizung), welche für Silizium allerdings aufgrund der erforderlichen hohen Temperaturen nicht einsetzbar sind, Lichtbogen- oder Plasmafackeln (benötigen Hochspannung zum Betrieb) (z. B.
US 3,960,531 A ). In
DE 199 60 370 A wird ein Temperatursensor beschrieben, der dazu Lichtwellenleiter nutzt, die an einen optischen Resonator gekoppelt sind. Die Messung der Temperatur erfolgt über die entsprechenden Resonanzen der Wellenlängen. Für die Lichtwellenleiter wird ein UV-härtendes Polymer, bei dem die UV-Bestrahlung eine schnelle Polymerisationsreaktion initiiert, eingesetzt. Nachdem das Photopolymer mit Mikropartikeln ausgehärtet ist, erhält man ideal kreisförmige Querschnitte mit Durchmessern von 10 μm bis 100 μm. Allerdings werden für diesen Prozess zusätzliche Halterungen oder Nuten (U-groove) benötigt, weil das Medium in flüssiger Form vorliegen muss.
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Das Ausnutzen der Photopolymerisation zur Verbindung von Fasern ohne genaue Justage wird in
GB 2 143 650 A ) beschrieben. Dazu werden die zu verbindenden optischen Fasern in eine U-Nut (U-groove) eingelegt, die anschließend wieder mit einem flüssigen Polymer gefüllt wird. Der aufgefüllte Bereich wird dann auch von oben abgedeckt. Das Material wird dann durch Licht in dieser U-Nut polymerisiert und die Faserenden auf diese Weise verbunden. Nachteilig ist, dass die Polymerisation des Materials in dem gesamten Bereich der U-Nut erfolgt, was zu zusätzlichen Dämpfungsverlusten beim späteren Betrieb der Fasern führt.
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Zwei Lichtwellenleiter können auch mit Kieselgel („Silica gel”) gekoppelt werden (
US 5,347,606 A ), das als Flüssigkeit wieder in eine die Faserenden aufnehmende U-Nut gegossen werden muss. Unter höherer Temperatur (100°C) oder durch chemische Reaktionen wird wieder ein Polymerisationsprozess aktiviert, der ein festes Polymermaterial zwischen den zwei Lichtwellenleiterenden erzeugt. Durch die erforderliche U-Nut und das spezielle, flüssige Kieselgel ist dieser Prozess ebenfalls sehr aufwändig.
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Eine Möglichkeit zur Herstellung eines optischen Wellenleiters in einem Monomer auf Basis einer mit Licht aushärtbaren Harzlösung wird in
EP 1 271 195 B1 beschrieben. Durch die Selbstfokussierung des Lichts im Material entsteht ein Wellenleiter. Das um den Wellenleiter herum verbleibende Material muss dann entfernt werden, damit nur der lichtführende Kern übrig bleibt. Dann wird der Bereich um diesen Welleiterkern mit einem Material mit niedriger Brechzahl gefüllt, um den kompletten Polymerwellenleiter zu erhalten. Dafür braucht man einen direkten Zugriff auf den wellenleitenden Bereich. Der ganze Prozess erfordert mehrere chemische Komponenten und dauert lange.
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Silikonkautschuk kann auch als Kopplungsmaterial für zwei Lichtwellenleiterenden dienen (
DE 29 06 104 C3 ). Dazu wird vorgeschlagen, die Lichtwellenleiter in einem Steckerstift axial sehr gut auszurichten und zentrisch anzuordnen. Beim Ankoppeln der Faserenden müssen die beiden Silikonflächen mechanisch fest aufeinander gepresst werden. Auch bei dieser Art der Kopplung ist ein direkter Zugriff auf die lichtführende, hochbrechende Region im Lichtwellenleiter erforderlich. Außerdem muss der Lichtwellenleiter exakt zur Gradientenlinse, die zur Fokussierung notwendig ist, zentriert werden. Das alles macht auch dieses System kompliziert hinsichtlich der Justierung und des Einsatzes unter Feldbedingungen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine möglichst aufwandgeringe und höchst thermostabile optische Faserankopplung zu schaffen, ohne dass das oder die Enden optischer Fasern für die Lichtkopplung zwingend exakt ausgerichtet sein müssen, ohne dass zur Wiederherstellung einer Lichtkopplung bei Faserreparaturen die Schadensstelle zugänglich sein muss und ohne erforderliche zusätzliche Elemente, wie Halterungen, Deckgläser oder Nuten, für eine Fixierung, Faserankopplung und Reparatur.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtkopplung an zumindest einer optischen Faser, insbesondere zur lichtgekoppelten Verbindung von optischen Fasern gelöst, bei welchem das Faserende der zumindest einen optischen Faser in ein refraktives Photopolymer eingebettet wird und nach Aushärtung des refraktiven Photopolymers in diesem durch über die zumindest eine optische Faser zur Koppelstelle geführtes Licht ein die Lichtkopplung bewirkender Kopplungskanal geschaffen wird, wobei sich dieser Kopplungskanal zum Zweck der Erzeugung eines selbstinduzierten Wellenleiters von oder zu dem Ende der zumindest einen optischen Faser im refraktiven Photopolymer selbstfokussierend ausbildet.
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In den Unteransprüchen sind Ausführungsmöglichkeiten zur selbstfokussierenden Lichtkopplung aufgeführt.
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Durch die Erfindung wird vorschlagsgemäß eine Lichtkopplung optischer Wellenleiter mit Hilfe einer Selbstorganisation eines zu generierenden Kopplungskanals in einem refraktiven Photopolymer geschaffen, wobei der besagte Kopplungskanal durch die Strahl-Selbstfokussierung des Lichts in das refraktive Photopolymer zwischen den zu koppelnden optischen Elementen geschrieben wird. Die Kopplungselemente können dabei zu verbindende Faserenden sein oder jeweils das Ende einer oder mehrerer Fasern und andere optische Bauelemente.
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Der infolge der Strahl-Selbstfokussierung des Lichts entstehende Kopplungskanal kann als dämpfungsarmer Lichtweg beispielsweise für den Transport von Kommunikationssignalen genutzt werden.
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Vorteilhaft ist bei dem Verfahren, dass die Kopplungselemente (beispielsweise die zu verbindenden Faserenden für die Herstellung der Lichtverbindung) nicht exakt zueinander ausgerichtet sein müssen, sondern lediglich in das refraktive Photopolymer eingebettet werden, in welchem sich der Kopplungskanal durch die Strahl-Selbstfokussierung des Faserlichtes ohne zwingend erforderliche zusätzliche Hilfselemente sowie Arbeitsschritte zur Halterung und Lichtkopplung an sich nur durch das über die Faser eingekoppelte Licht an dieser Verbindungsstelle ausbildet. Der selbstinduzierte Kanal generiert sich durch Licht im refraktiven Photopolymer (Phenanthrenchinon dotiertes Polymethylmethakrylat, kurz PQ-PMMA) aufgrund der photochemischen Reaktion zwischen einem lichtempfindlichen Farbstoff (PQ-Moleküle) zu dem ausgehärteten Polymer (PMMA), wobei durch diese photochemische Reaktion eine Brechzahländerung erfolgt.
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Mit dieser Selbstausbildung des Lichtkanals im refraktiven Photopolymer ist die Lichtkopplung sehr aufwandgering zu generieren. Es bildet sich in dem Verbindungspolymer eine thermisch bis in hohe Temperaturbereiche stabile und dämpfungsarme Lichtkopplung aus.
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Besonders vorteilhaft ist, dass bei Vorhandensein des Polymers an der Koppelstelle dieselbe nicht zwingend von außen zugänglich sein muss, da sich der Lichtkanal im Verbindungspolymer, wie beschrieben, selbst und damit intern in das refraktive Photopolymer 'einschreibt'. Das ist besonders interessant für Faserreparaturen, bei denen beispielsweise eine Bruchstelle in der Tiefsee nicht ohne weiteres erreichbar ist. Zumindest besonders hoher Belastung ausgesetzte Bereiche der Lichtfasern können in das flüssige refraktive Photopolymer eingebettet werden. Im Fall einer Faserbeschädigung oder gar eines Faserbruches fließt dieses Photopolymer in den geschädigten Faserbereich ein und härtet dort aus. Mit Laserstrahlung durch die beschädigte oder getrennte Faser und die mit dem refraktiven Photopolymer geschaffene Koppelstelle hindurch wird der besagte selbstinduzierte Lichtkanal zwischen den beschädigten Faserenden ohne jeglichen erforderlichen externen Eingriff erzeugt, wobei der induzierte Lichtkanal ähnliche optische Eigenschaften zur Lichtleitung aufweist wie die optische Faser selbst.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:
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1: Schematische Darstellung zur erfindungsgemäßen Einbringung der Enden zweier zu koppelnder optischer Fasern in ein refraktives Photopolymer
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2: Erzeugung einer Lichtkopplung, einschließlich holographischem Gitter, zwischen den gemäß 1 zu koppelnden Faserenden im refraktiven Photopolymer
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3: Erzeugung einer Lichtleitverbindung zwischen den Enden zweier Fasern in einem refraktiven Photopolymer, wobei die Faserenden in irgendeinem Winkel zueinander liegen
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4: Schematische Darstellung der Lichteinkopplung einer optischen Faser in das refraktive Photopolymer (PQ-PMMA-Schicht) und Strahlaufweitung des in dieses eingekoppelten Lichts zur Ausbildung eines Kopplungskanals
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5: Schematische Darstellung der Reparatur einer Faserbruchstelle durch Ausbildung eines neuen Verbindungskanals in einem die Faser umgebenden refraktiven Photopolymer
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In 1 sind zwei optische Fasern 1 und 2 dargestellt, deren Enden 3, 4 optisch zur Herstellung einer Lichtkopplung zwischen den Fasern 1, 2 optisch zu verbinden sind. Zu diesem Zweck werden die einander zugewandten Enden 3 und 4 in ein refraktives Photopolymer 5, bestehend aus Phenanthrenchinon dotiertem Polymethylmethakrylat, kurz PQ-PMMA), eingebettet. Vorteilhaft, aber nicht zwingend, sind die Enden 3 und 4 als ebene Oberfläche, senkrecht zur Achse der optischen Fasern 1, 2 ausgebildet. Dazu könnten die Enden 3, 4 der optischen Fasern 1, 2 in einem nicht dargestellten Gehäuse zueinander aufgenommen und fixiert werden, welches auch als Formvorlage für das flüssige Material des refraktiven Photopolymers 5 Verwendung findet. Wird nun die Photopolymerlösung in dieses (nicht in der Zeichnung dargestellte) Gehäuse gefüllt und anschließend getrocknet, entsteht ein fester Polymerkörper um die Enden 3, 4 der optischen Fasern 1, 2 herum. Nach Aushärtung des refraktiven Photopolymers 5 mit den eingebetteten Enden 3, 4 der optischen Fasern 1, 2 wird (vgl. 2) durch zwei Laser 6, 7 jeweils Licht durch die Fasern 1 und 2 eingestrahlt (symbolisiert durch Pfeildarstellungen 8, 9). Durch diese aus den Enden 3, 4 der optischen Fasern 1, 2 in das ausgehärtete refraktive Photopolymer 5 tretende Licht der Laser 6, 7 bildet sich durch photoinitiierte Änderung der Lichtbrechung im refraktiven Photopolymer 5 ein selbstfokussierender Verbindungskanal 10 aus, der eine Lichtkopplung zwischen den Enden 3, 4 der optischen Fasern 1, 2 bewirkt. Die optischen Eigenschaften für die Lichtleitung im Verbindungskanals 10 entsprechen im Wesentlichen den optischen Eigenschaften der Fasern 1, 2.
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In 3 sind die Einstrahlung des aus dem Ende 3 der optischen Faser 1 austretenden und in das refraktive Photopolymer 5 gelangenden Lichts des Lasers 6 (Argon-Laser mit 514 nm Wellenlänge des Laserlichts) sowie die damit verbundene Strahlaufweitung im refraktiven Photopolymer 5 veranschaulicht. Bei lokaler Belichtung des refraktiven Photopolymers 5 durch das eingestrahlte Laserlicht (Pfeildarstellung 8) erhöht sich lokal dessen Brechzahl, was zur Selbstfokussierung des Laserlichtbündels im refraktiven Photopolymer 5 führt. Die natürliche Divergenz des Lichtbündels kompensiert diesen Fokussierungseffekt, so dass ein selbstinduzierter Wellenleiter (Verbindungskanal 10) erzeugt wird.
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In 2 erfolgt die Laserlichteinstrahlung in das refraktive Photopolymer 5 beidseitig, d. h. sowohl über die optische Faser 1 (Einstrahlung von links) als auch über die optische Faser 2 (Einstrahlung von rechts). Die Interferenz der aufeinandertreffenden Lichtwellen produziert ein holographisches Gitter, welches außerdem als Wellenlängenfilter für die Signalverarbeitung genutzt werden kann.
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In 4 sind zwei optische Fasern 11, 12 dargestellt, die nicht, wie die Fasern 1, 2 in 1 und 2 in ihrer Faserachse, sondern axial winklig zueinander angeordnet sind. Die optischen Fasern 11, 12 werden mit ihren Enden 13, 14 wiederum in ein refraktives Photopolymer 15 eingebettet. Wie grundsätzlich zu 2 und zu 3 beschrieben wird auch über die zu koppelnden optischen Fasern 11, 12 (nicht explizit in 4 dargestellt) beidseitig Laserlicht in das refraktive Photopolymer 15 eingestrahlt, so dass sich selbstfokussierend ein optischer Verbindungskanal 16 zwischen den Enden 13, 14 der optischen Fasern 11, 12 ausbildet. Durch die nichtlineare Wechselwirkung des Laserlichtes mit dem Polymer kann auch ein gekrümmter Kanal 16 entstehen.
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In 5 ist ein Beispiel für die Möglichkeit der Reparatur eines für Reparaturarbeiten unzugänglichen Faserbruches schematisch dargestellt. Die optische Faser 1 ist dazu wenigstens im Faserbereich der vorsorglichen Schadensbehebung durch das refraktive Photopolymer 15 als fester Photopolymerkörper umhüllt. Bei einem Bruch der Faser 1 wird die Lichtleitung unterbrochen. Durch zwei Laser 6, 7 wird nun jeweils Laserlicht von entgegengesetzten Seiten (symbolisiert durch die Pfeildarstellungen 8, 9) in die Faser 1 eingestrahlt. An der Bruchstelle gelangt dieses Laserlicht in das refraktive Photopolymer 15 und bildet dort durch photoinitiierte Änderung der Lichtbrechung den Verbindungskanal 16 aus, der eine Lichtkopplung über die Bruchstelle hinweg ermöglicht, wodurch der Bruch 'optisch' repariert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2, 11, 12
- optische Faser
- 3, 4, 13, 14
- Ende der optischen Faser 1 bzw. 2
- 5, 15
- refraktives Photopolymer
- 6, 7
- Laser
- 8, 9
- Pfeildarstellung
- 10, 16
- Verbindungskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6496626 B2 [0003]
- US 2007/0036550 A1 [0003, 0008]
- US 1551797 [0003]
- US 7221846 B2 [0003]
- US 5416881 A [0003]
- US 4561719 A [0004]
- US 4416506 A [0005]
- US 4865413 A [0005]
- US 4548669 A [0006]
- US 5347606 A [0007, 0011]
- US 4326870 A [0008]
- US 3800388 A [0008]
- US 3960531 A [0009]
- DE 19960370 A [0009]
- GB 2143650 A [0010]
- EP 1271195 B1 [0012]
- DE 2906104 C3 [0013]
