DE19722663C1 - Faseroptischer Verzweiger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Verzweiger, der eine konstante Aufteilung von Lichtintensitäten, insbesondere in einem zu hohen Temperaturen erweiterten Einsatzbereich ermöglicht. Derartige faseroptische Verzweiger finden z. B. in faseroptischen Netzwerken, Sensoren und insbesondere in faseroptischen interferometrischen Sensoren Verwendung.

Faseroptische Verzweiger bzw. Koppler, vorzugsweise für monomodige Lichtausbreitung und -aufteilung, werden durch enge Kontaktierung von zwei einseitig bis in Kernnähe abgeschliffenen Lichtleitfaserbereichen (Schliffkoppler) oder durch Verschmelzen und dabei gleichzeitig bewirktes Verjüngen zweier Lichtleitfaserbereiche (Schmelzkoppler) erzeugt.

Die charakteristischen Kopplerparameter sind der Transmissionsgrad, worunter die Summe der Ausgangsintensitäten bezogen auf die eingestrahlte Intensität verstanden wird, und der Kopplungskoeffizient, worunter das Verhältnis der Ausgangsintensitäten zueinander verstanden wird. Diese Kopplerparameter sollen im Anwendungstemperaturbereich konstant bleiben. Der Transmissionsgrad soll bei typischen zulässigen Lichtverlusten 80..99% betragen. Übliche Kopplungskoeffizienten betragen 50 : 50 bis 99 : 1. Desweiteren sollen die Kopplungskoeffizienten von der Polarisation des eingestrahlten Lichtes möglichst unabhängig bleiben und der Polarisationszustand des durchtretenden Lichtes möglichst konstant bleiben. Der Erfindung am nächsten kommende bekannte Schmelzkoppler, wie z. B. in "Optical Fiber Sensors - Principles and Components, Vol. 1, J. Dakin and B. Culshaw, Boston and London 1988, S. 215ff." beschrieben, genügen diesen Anforderungen nur in einem begrenzten Temperaturbereich und versagen bei erhöhten Einsatztemperaturen bspw. in der Größenordnung von 300°C.

Es ist weiterhin bekannt, freischwebende Schweißverbindungen zwischen Lichtleitfasern mit speziellen Überzügen zu schützen (DE 27 29 682 C2; DE 28 05 667 A1). Für quer verschweißte Lichtleitfaserstücke, in denen die Lichtleistung aus einem Ende einer Lichtleitfaser praktisch dämpfungsfrei in eine folgende Lichtleitfaser weitergeleitet werden soll, ist eine solche direkte Einbettung zweckmäßig, da seitliche und längs wirkende mechanische Spannungen unterhalb der Reißgrenze den Kopplungsgrad nicht wesentlich beeinflussen. Es ist aber praktisch nicht realisierbar, den Kopplungsfaktor faseroptischer Verzweiger konstant zu halten, wenn Schutzüberzüge im direkten Kontakt über einen größeren Temperaturbereich mechanische Spannungen auf die längs verschmolzene Koppelstelle zweier Lichtleitfasern übertragen. Der Kopplungsgrad zwischen den längs verschmolzenen Lichtleitfasern ist ursächlich durch die genauen Parameter der Modenfelder in beiden Lichtleitfasern bestimmt, die durch mechanische Spannungen über photoelastische Wechselwirkungen maßgeblich bestimmt werden. Darüber hinaus sind die dort benannten Schutzüberzüge nicht für erhöhte Temperaturen geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Verzweiger anzugeben, der auch bei erhöhten Einsatztemperaturen in der Größenordnung von 300°C konstante Kopplungsparameter aufweist.

Wenn konstante Kopplungsparameter bei erhöhten Temperaturen gefordert werden, bedeutet das, daß temperaturunabhängige geometrische Dimensionen und temperaturunabhängige Brechungsindizes der Medien im Kopplungsbereich zwischen den Lichtleitfaserkernen gewährleistet sein müssen. Darüber hinaus müssen auch konstante mechanische Spannungsfelder in diesem Bereich und in den benachbarten Lichtleitfaserkernbereichen gewährleistet sein, da über photoelastische Wechselwirkungen die Brechungsindizes ebenfalls beeinflußt werden.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte weitere Ausbildungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 in Draufsicht eine erste mögliche Ausgangsform eines Verzweigers vor der Herstellung einer Schmelzkoppelstelle zwischen zwei Lichtleitfasern,

Fig. 2 in Draufsicht eine zweite mögliche Ausgangsform eines Verzweigers, vor der Herstellung einer Schmelzkoppelstelle zwischen zwei Lichtleitfasern,

Fig. 3 eine abschließende Fertigungsstufe eines Verzweigers nach Fig. 1 in Draufsicht und

Fig. 4 eine Seitenansicht nach Fig. 3.

Der Erfindung liegen sogenannte Schmelzkoppler vom X- oder Y-Typ zugrunde, die durch eine materialschlüssige partielle Vereinigung von Lichtleitfasern aus Quarzglas gebildet sind. Fig. 1 zeigt zunächst eine Ausgangsform des Verzweigers, bei dem auf einem Substrat 1, bestehend aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der den Lichtleitfasern angepaßt ist, vier Kapillarröhrchen 2 aufgelegt sind. Weiterhin sind zwei Lichtleitfasern 3 vorgesehen, die jeweils in einem Bereich 31 von ihrem Sekundärschutz 34 befreit sind. Diese Lichtleitfasern 3 sollen im Beispiel aus Quarzglas bestehen. In diesem Fall wird für das Material der Kapillarröhrchen 2 ebenfalls eins mit einem ähnlichen thermischen Ausdehungskoeffizienten gewählt, nämlich Quarz, Borosilikatglas o. ä. Der in den Figuren überzogen dargestellte verbleibende Hohlraum zwischen der Innenwandung der Kapillarröhrchen und den jeweiligen Faserstücken ist mit einem thermisch, UV-Licht o.a. verfestigbaren flüssigen Klebstoff 4, im Beispiel einem polymeren Siloxanharz, derart verfüllt, daß beidseitig der Kapillarröhrchenenden ein tropfenförmiger Überhang 41 entsteht. Auswahlkriterien für diesen Klebstoff 4 sind ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Elastizitätsmodul und Biegefestigkeit im verfestigten Zustand, eine hohe Zugfestigkeit bei geringerer Druckfestigkeit und ein Volumenzuwachs beim Aushärten von < 1 Vol%. Wesentlich ist, daß von den Kapillarröhrchen 2 jeweils etwa gleichlange Faserabschnitte 32, 33 der Kopplereingänge bzw. -ausgänge 30 erfaßt werden, die vom Sekundärschutz 34 befreit 32 sind bzw. diesen noch aufweisen 33. Danach wird der Klebstoff 4 durch Erwärmung vorverfestigt, wobei sich eine zirkular symmetrische Fassung der Lichtleitfaserabschnitte 32, 33 innerhalb der Kapillarröhrchen 2 ausbildet. Anschließend wird in bekannter Weise durch Verschmelzen die Koppelstelle 5, vgl. Fig. 3, erzeugt, wobei unter Kontrolle der Intensitätsaufteilung eingestrahlter Lichtleistung die gewünschten Koppelparameter einstellbar sind. Anschließend werden die Kapillaren 2 vermittels eines thermisch aushärtenden extrem harten Keramikklebstoffs 6 auf dem Substrat 1 fixiert. Die Auswahlkriterien für den zum Einsatz gelangenden harten Keramikklebstoffs sind sein geringer, an das Substrat 1 und Kapillarröhrchen 2 angepaßter thermischer Ausdehnungskoeffizient, der bei Auswahl eines Klebstoffs auf SiO₂-Basis bei etwa 0,5≐10^-6/K liegt und seine hohe Druckfestigkeit. Ein derart gefertigter faseroptischer Verzweiger weist als Maß für eine ausreichende Stabilität der mechanischen Spannungen eine Konstanz von Transmissionsgrad und Kopplungskoeffizienten im Bereich von etwa ±1 bis ±5%, sowie maximale Änderungen der Polarisation durchtretenden Lichtes im Bereich von etwa < 1..10° auf. Ein solcherart gefertigter faseroptischer Verzweiger ist unter Einsatzbedingungen kurzzeitig, bis zu einem Monat, bis zu 400°C, langzeitig, größer ein Jahr, bis 300°C belastbar, ohne nachweisbare Änderungen der Koppelparameter aufzuweisen.

Fig. 2 zeigt eine zweite mögliche Ausführungsform, bei der identische Verhältnisse wie in Fig. 1 vorliegen, mit dem einzigen Unterschied, daß hier je zwei Faserendabschnitte von je einen gemeinsamen Kapillarröhrchen 2 umfaßt sind. Auch bei dieser Ausführung sind jeweils zwei Kopplereingänge bzw. -ausgänge vom Kapillarröhrchen 2 derart umfaßt, daß jeweils etwa gleichlange Faserabschnitte 32, 33 erfaßt werden, die vom Sekundärschutz 34 befreit 32 sind bzw. diesen noch aufweisen 33. Mit einer solchen Ausführungsform ist eine sicherere Handhabe bei der Erzeugung der Koppelstelle 5 gegeben.

Fig. 4 zeigt schließlich eine Seitenansicht des vollständigen Verzweigers nach Fig. 3, der entsprechend Fig. 1 oder Fig. 2 gefertigt worden ist. Zusätzlich zur durch den Keramikkleber 6 vorgesehenen Fixierungsstelle können die Kapillarröhrchen 2 weiterhin allseitig durch einen Keramikkleberüberzug 61 gleichen Materials umfaßt sein.

Mit beiden Ausführungsformen nach den Vorstufen nach Fig. 1 und 2 wird eine mechanisch stabile Fixierung der Lichtleitfasern erreicht, die im gewünschten Temperaturbereich und bei Bearbeitung der freien Faserenden keine Änderung der mechanischen Spannungen gegenüber den Bedingungen bei der Kopplerherstellung bewirken. Weiterhin hegt es im Rahmen der Erfindung, abschließend in an sich bekannter Weise über den verschmolzenen und fixierten Faserverzweiger ein nicht dargestelltes Schutzrohr zu führen, das vorzugsweise einseitig mit einen vorzugsweise elastischen Klebemittel (Silikonkautschuk) am Substrat 1 befestigt wird. Die Faserkopplerein- und -ausgänge können in diesem Schutzrohr ebenfalls nochmals elastisch abgefangen werden.

Ebenso beschränkt der vorgesehene besonders kritische Verwendungszweck, hohe Einsatztemperaturen, die Erfindung nicht ausschließlich darauf. Erst recht unter üblichen Einsatzbedingungen bei Raumtemperatur, weist der vorgeschlagene faseroptische Verzweiger die beschriebenen Vorteile auf.

Bezugszeichenliste

1

- Substrat

2

- Kapillarröhrchen

3

- Lichtleitfasern

30

- Kopplereingang bzw. -ausgang

31

- vom Sekundärschutz befreiter Lichtleitfaserbereich

32

- vom Sekundärschutz befreiter Lichtleitfaserbereich, der vom Kapillarröhrchen erfaßt wird

33

- vom Sekundärschutz nicht befreiter Lichtleitfaserbereich, der vom Kapillarröhrchen erfaßt wird

34

- Sekundärschutz

4

- Klebstoff hoher Zugfestigkeit und geringer Druckfestigkeit (oder Siloxanharz)

41

- tropfenförmiger Überhang

5

- Verzweigerstelle

6

- Keramikkleber

61

- Keramikkleberüberzug

Claims (6)

1. Faseroptischer Verzweiger mit einer Kopplerschmelzverbindung, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (1) Kapillarröhrchen (2) vermittels eines Klebstoffs (6) mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und hoher Druckfestigkeit derart fixiert sind, daß sie freie Faserabschnitte (32, 33) des Verzweigers weitestgehend gleichmäßig beabstandet umfassen, der zwischen der Innenwandung der Kapillarröhrchen (2) und den Faserabschnitten (32, 33) verbleibende Hohlraum mit einem zweiten, im ausgehärteten Zustand elastischen Klebstoff (4) mit hohem Elastizitätsmodul und hoher Zugfestigkeit derart verfällt ist, daß dieser an den Kapillarenenden einen tropfenförmigen Überhang (41) bildet und die Verzweigerstelle (5) freischwebend über dem Substrat (1) fixiert ist.

2. Faseroptischer Verzweiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) annähernd den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Lichtleitfasern (3) des Verzweigers aufweist.

3. Faseroptischer Verzweiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarröhrchen (2) annähernd den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Lichtleitfasern (3) des Verzweigers aufweisen.

4. Faseroptischer Verzweiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtleitfaserabschnitt am Kopplerausgang bzw. -eingang (30) von je einem Kapillarröhrchen (2) umfaßt ist.

5. Faseroptischer Verzweiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Lichtleitfaserabschnitte am Kopplerausgang bzw. -eingang (30) von einem gemeinsamen Kapillarröhrchen (2) umfaßt sind.

6. Faseroptischer Verzweiger nach Anspruch 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß von den Kapillarröhrchen (2) jeweils etwa gleichlange Faserabschnitte (32, 33) erfaßt werden, die vom Sekundärschutz (34) befreit (32) sind bzw. diesen noch aufweisen (33).