DE19705043A1 - Verfahren zur Endflächenpräparation eines Lichtwellenleiters - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Herstellung und Be­ handlung von Lichtwellenleiterendflächen (Endflächenpräparation) mit hoher optischer Güte und betrifft ein Verfahren zur Endflächenpräparation eines Lichtwellenlei­ ters, bei dem ein Ende des Lichtwellenleiters fixiert wird und bei dem der Stirnbereich des Lichtwellenleiterendes zur Erzeugung einer gewünschten Endflächengeometrie bearbeitet wird.

Es sind Verfahren bekannt, mit denen eine als Kontaktfläche für einen Kopplungspartner dienende Stirnfläche eines Licht­ wellenleiterendes physikalisch bearbeitet oder geformt werden kann. Die DE 41 42 845 A1 offenbart in diesem Zusammenhang ein Verfahren, mit dem der Endbereich eines in eine Bohrung eines Kopplungsteils eingeführten Lichtwellenleiters ange­ schmolzen wird. Dies erlaubt einen Verzicht auf spanabhebende mechanische Bearbeitungsverfahren und ermöglicht eine berüh­ rungslose Herstellung einer balligen Kontaktfläche.

Um besonders präzise und mit hoher Wiederholbarkeit ge­ wünschte Stirnflächenkonturen bei Lichtwellenleiteranschluß­ stücken zu erzeugen, werden an sich bekannte Schleifverfahren angewendet. Die DE 42 42 127 C2 offenbart ein derartiges Schleifverfahren, bei dem der Lichtwellenleiter beispiels­ leise mittels einer mit ihm fest verbundenen Hülse für die physikalischen Bearbeitungsvorgänge fixiert wird. Die Stirn­ fläche der Hülse wird schrittweise entlang einer bogenförmi­ gen Bahn von einem Schleifwerkzeug geschliffen, das auf einer drehangetriebenen Grundplatte befestigt ist. Um verschiedene Schleifvorgänge (Grob-, Mittel- und Feinschleifen) rascher aufeinanderfolgend durchführen zu können, ist ein Abstands­ ring aus abriebfestem Material an der dem Schleifwerkzeug zu­ gekehrten Unterfläche des Lichtwellenleiters angeordnet und die Verwendung von Grundplatten mit unterschiedlicher Härte vorgesehen.

Aus der DE 37 34 741 A1 ist ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art bekannt, mit dem Stecker- oder Lichtwellenlei­ terenden ballig geschliffen werden können. Dazu wird das Lichtwellenleiterende stabilisiert, gegen eine schleifmittel­ beschichtete Membran gedrückt und senkrecht zur Anpreßrich­ tung bewegt. Die Membran enthält eine Federstahlfolie, die auf einer im Schleifbereich vorzugsweise mit einer Ausnehmung versehenen Grundplatte angeordnet ist.

Um dem wachsenden Bedarf nach höheren Datenübertragungsraten auf optischen Datenverbindungen gerecht zu werden, werden zu­ nehmend Halbleiterlaser als optische Sender verwendet, die in hohen Frequenzen modulierbar sind. Damit tritt aber die Pro­ blematik auf, daß das ausgesandte Signal durch in dem Licht­ wellenleiternetzwerk reflektierte eigene Strahlungen beein­ flußt werden kann. Daraus resultiert die grundsätzliche For­ derung an alle Komponenten eines Lichtwellenleiter-Datenüber­ tragungssystems nach einer hohen Rückflexionsdämpfung. Bei Lichtwellenleitersteckern sind systemabhängig Rückreflexions­ dämpfungen von 30 dB bis zu mehr als 55 dB gefordert.

Um diesen Forderungen mit den bekannten Endflächenpräpara­ tionsverfahren gerecht zu werden, müßten spezielle und sehr aufwendige Polierverfahren angewendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in besonders einfa­ cher Weise äußerst hohe Rückreflexionsdämpfungen zu realisie­ ren, wobei auf spezielle und fertigungstechnisch aufwendige Spezialpolierverfahren verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß anschließend die oberste Stirnschicht des Lichtwellenleiterendes von einem Lösungsmedium chemisch entfernt wird. Der Erfindung liegen die aus der intensiven Beschäftigung mit bei Oberflächenpo­ lierverfahren an Lichtwellenleitern auftretenden Effekten ge­ wonnenen Erkenntnisse zugrunde. Insbesondere ist zu beobach­ ten, daß Polierverfahren aufgrund einer lokalen, mikroskopi­ schen Belastung die oberste, vergleichsweise dünne stirnsei­ tige Schicht des Lichtwellenleitermaterials in ihren opti­ schen Eigenschaften stark verändern. Diese Schicht weist nach dem Polierprozeß einen erhöhten Brechungsindex auf, der eine Ursache für die eingangs geschilderten, unerwünschten Rückre­ flexionen bildet. Die Rückreflexionen treten auch bei einem engen physikalischen Kontakt, wie beispielsweise dem Kontakt von zwei Lichtwellenleitersteckern, auf.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die unerwünschterweise durch den mechanischen Polierprozeß modifizierte stirnseitige Schicht des Lichtwel­ lenleitermaterials entfernt wird, ohne erneut auf ein mecha­ nisches oder physikalisches Verfahren zurückgreifen zu müssen. Das Entfernen erfolgt vielmehr durch Abtrag der obersten Schicht mit Hilfe eines Lösungsmittels; dies wird nachfolgend auch als chemisches Entfernen bezeichnet. Mit der Erfindung gelingt in vorteilhafter Weise ein Entfernen der obersten Schicht, ohne die darunter liegenden Material­ schichten zu beeinträchtigen und ohne die optische Oberflä­ chenqualität, wie z. B. die Rauheit, merklich zu verschlech­ tern.

Vorzugsweise wird die Erfindung bei der Herstellung von Lichtwellenleitersteckern angewendet, wie sie beispielsweise in der DE 37 34 741 A1 beschrieben sind. Dabei durchdringt der Lichtwellenleiter eine enge, auf den Lichtwellenleiterau­ ßendurchmesser abgestimmte Zentralbohrung eines Steckerstif­ tes und wird stirnseitig zusammen mit dem Steckerstift bear­ beitet. In Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in diesem Fall der Lichtwellenleiter und der Steckerstift nach dem üblichen Polierverfahren oder thermisch derart be­ handelt, daß eine gewünschte Geometrie (beispielsweise bal­ lige, glatte Oberfläche) entsteht. Danach wird die Stecker­ stirnfläche mit einem Reagenz in Verbindung gebracht, das die oberste dünne Stirnschicht entfernt. Nach dem Entfernen der obersten Stirnschicht besteht in Längsachsenrichtung ein ho­ mogener Brechungsindex, so daß keine Brechzahlensprünge und damit auch keine unerwünschten Rückreflexionen mehr auftre­ ten, wenn die Lichtwellenleiterstirnfläche mit einem Kopp­ lungspartner in Berührungskontakt steht. In ersten Versuchen hat sich eine erhebliche Verbesserung der Rückreflexions­ dämpfung von üblicherweise 30 dB auf Größenordnungen von bis über 70 dB ergeben. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des er­ findungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die erreichbare Verbesserung der Rückreflexionsdämpfung von dem zur Erzeugung der gewünschten Endflächengeometrie verwendeten Po­ lierverfahren unabhängig ist.

In der Praxis hat sich als besonders vorteilhaft ein Abtrag von bis zu 50 nm Schichtdicke bewährt.

Eine fertigungstechnisch besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß als Lösungsmedium eine Flüssig­ keit verwendet wird, in der das Lichtwellenleitermaterial löslich ist und in die der Stirnbereich eingetaucht wird.

Ein Eintauchen der Lichtwellenleiter- bzw. Steckerstirnfläche in die Flüssigkeit für eine vorgegebene Zeit läßt sich ferti­ gungstechnisch außerordentlich einfach realisieren. Um den Prozeß des chemischen Abtrags zu beenden, kann die Stirnflä­ che vorzugsweise mit einem anderen Medium, vorzugsweise einer Flüssigkeit, behandelt, beispielsweise getaucht oder abge­ spült, werden. In der Praxis hat es sich bewährt, wenn als Flüssigkeit Flußsäure in einer Konzentration von 1% bis 10% verwendet wird.

Eine besonders geeignete Flüssigkeit zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens ist Flußsäure (HF) oder gepufferte Flußsäure (NH₄F/HF) in einer Konzentration von ca. 2%. Bei einer Einwirkungszeit von ca. 2 Minuten wird von der modi­ fizierten Schicht eine Dicke von etwa 30-40 nm abgetragen, woraus sich bereits eine erhöhte Rückreflexionsdämpfung von über 60 dB einstellt. Auch hier kann das Abtragen durch einfaches Abspülen, z. B. mit Wasser, beendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand einer Zeichnung weiter erläutert, in der in z. T. starker Vergröße­ rung zeigen:

Fig. 1A schematisch eine mechanische Bearbeitung eines Lichtwellenleiterendes,

Fig. 1B das Eintauchen des Stirnbereichs eines Lichtwellen­ leitersteckers in eine erste und

Fig. 1C in eine zweite Flüssigkeit.

Gemäß Fig. 1A wird in einem ersten Verfahrensschritt zur Endflächenpräparation eines Lichtwellenleiters 1 dessen Ende 1a fixiert. Die Fixierung kann wie beispielhaft in Fig. 1A links stark vergrößert dargestellt, mittels einer den Endbe­ reich 1a des Lichtwellenleiters 1 umgebenden Hülse 2 erfol­ gen. Die Hülse 2 verleiht dem Lichtwellenleiter die für den anschließenden, für sich aus der DE 37 34 741 A1 bekannten Poliervorgang notwendige Stabilität und Führbarkeit. Für die physikalische Bearbeitung ist eine eingespannte und mit einem Schleifmittel 4 versehene Folie 5 angedeutet. Alternativ kann der Lichtwellenleiter 1 mit seinem Endbereich 1a auch bereits in einen zur späteren Ankopplung dienenden Steckerstift 10 eingeführt und in diesem fixiert sein, wie in Fig. 1A rechts dargestellt. In der Vergrößerung A ist der Stirnbereich 12 des Lichtwellenleiters zu erkennen, der nach dem Poliervor­ gang eine ballige Endflächengeometrie 13 aufweist. Die obere Stirnschicht 12a des Stirnbereichs 12 ist durch den Polier­ prozeß aufgrund der lokalen, mikroskopischen Belastung stark verändert und weist insbesondere einen gegenüber dem Bre­ chungsindex n₁ des übrigen Materials erhöhten Brechungsindex (Brechzahl) n₁₂ auf. Um diese unerwünschte modifizierte Stirn­ schicht 12a zu entfernen und die Rückreflexionsdämpfung von dem zuvor verwendeten mechanischen Polierverfahren wieder un­ beeinflußt zu machen, wird die Schicht 12a in einer Dicke d von ca. 50 nm entfernt.

Dazu wird gemäß Fig. 1B der Stecker 10 mit seinem Stirnbe­ reich 12 in eine Flüssigkeit 14 getaucht, die die Stirn­ schicht 12a auf chemischen Weg auflöst und dadurch abträgt. Die Zusammensetzung der Flüssigkeit 14 ist so gewählt, daß der Stirnschichtabtrag nicht zu einer zu starken Aufrauhung der Oberfläche führt, die ungünstigstenfalls wieder zu einer Verschlechterung der optischen Eigenschaften des Lichtwellen­ leiters bzw. der entstehenden Kontaktfläche führen könnte. Im Ausführungsbeispiel ist als Flüssigkeit 14 Flußsäure HF in einer Konzentration von ca. 2% gewählt. Nach einer Einwir­ kungszeit von Δt ≈ 2 Min. ist bereits eine Stirnschichtdicke von ca. 30-40 nm entfernt worden.

Um den Abtrag zu stoppen, wird der Stecker 10 gemäß Fig. 1C in ein Wasserbad 20 getaucht oder mit Wasser abgespült. Wie die in Fig. 1C angedeutete außerordentlich starke Vergröße­ rung B des Stirnflächenbereiches 12 zeigt, ist die ursprüng­ liche Stirnschicht 12a vollständig entfernt worden, so daß der Lichtwellenleiter 1 nunmehr an einer neuen Stirnfläche 22 endet, deren Brechungsindex (Brechzahl) n₂₂ dem Brechungsin­ dex n₁ des übrigen Lichtwellenleitermaterials entspricht. Die ballige Stirnflächenkontur ist dabei so zu wählen, daß auch nach Abtrag der Schicht 12a ein physikalischer Kontakt der Stirnfläche mit einer kopplungspartnerseitigen Stirnfläche gewährleistet ist. Durch die Steckerandruckkräfte wird auch das Material des Steckers elastisch deformiert, so daß sogar noch ein Rückstand der Stirnfläche von ca. 0,1 um tolerierbar ist.

Wie Versuche zeigen, zeichnet sich ein derart behandelter Lichtwellenleiterstecker in einem Lichtwellenleiter-Daten­ übertragungssystem durch eine Rückreflexionsdämpfung von bis über 70 dB aus.

Claims (4)

1. Verfahren zur Endflächenpräparation eines Lichtwellen­ leiters, bei dem

• - ein Ende (1a) des Lichtwellenleiters (1) fixiert wird und
• - der Stirnbereich (12) des Lichtwellenleiterendes (1a) zur Erzeugung einer gewünschten Endflächengeometrie (13) bearbeitet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die oberste Stirnschicht (12a) des Lichtwellenleiterendes (1a) von einem Lösungsmedium chemisch entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Stirnschicht (12a) eine Schichtdicke (d) von bis zu 50 nm entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmedium eine Flüssigkeit (HF) verwendet wird, in der das Lichtwellenleitermaterial löslich ist und in die der Stirnbereich (12) eingetaucht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit (HF) 1- bis 10%ige, vorzugsweise 2%ige, Flußsäure verwendet wird.