Die Erfindung betrifft ein Steckerteil zum Koppeln mindestens
eines in dem Steckerteil aufgenommenen ersten optischen Bauteils mit
einem zweiten optischen Bauteil.
Das Steckerteil dient dazu, optische Bauteile, beispielsweise
Lichtleitfasern, mit einem anderen optischen Bauteil zu verbinden,
beispielsweise einem Wellenleiter oder einer weiteren Lichtleitfaser.
Im Gegensatz zu elektrischen Steckverbindern ist bei Steckerteilen,
welche optische Bauteile miteinander verbinden, eine hohe Präzision
hinsichtlich der Positionierung und der Winkelausrichtung der zu
koppelnden Bauteile relativ zueinander erforderlich, wenn die
Verbindung eine niedrige optische Dämpfung ergeben soll.
Wenn eines der zu koppelnden optischen Bauteile eine
Lichtleitfaser ist, stellt die Beschaffenheit der Stirnfläche - der im
Steckerteil endenden Lichtleitfaser eine kritische Größe dar. Ist
diese Oberfläche zu rauh, ergeben sich an ihr auch bei ansonsten
perfekter Ausrichtung hinsichtlich Position und Winkel zusätzliche
Streuungen, welche die Koppeldämpfung von dem Lichtwellenleiter zum
anderen optischen Bauteil erhöhen.
Weitere Probleme treten auf, wenn mittels des Steckerteils nicht
nur ein einziges optisches Bauteil angeschlossen werden soll, sondern
mehrere optische Bauteile, beispielsweise ein Array aus bis zu zehn
oder mehr Lichtleitfasern. In diesem Fall muß für jede einzelne
Lichtleitfaser des Arrays die gleiche hohe Präzision erreicht werden.
Aus dem Stand der Technik sind Steckerteile für Glas-
Lichtleitfasern bekannt, die im wesentlichen aus einer mit höchster
Präzision hergestellten Metall- oder Keramikferule bestehen. Die
Lichtleitfaser wird in die Ferule eingeführt und dort fixiert;
anschließend wird die Stirnfläche mit großer Sorgfalt poliert. Die
Ferulen des Steckerteils und des komplementären Buchsenteils werden
über einen sehr präzisen Führungsmechanismus zueinander justiert. Ein
solches Steckerteil ist jedoch sehr aufwendig in der Herstellung, und
auch die auszubildende Steckverbindung ist sehr aufwendig.
Eine günstiger erzielbare Steckverbindung für Lichtleitfaser-
Arrays stellt der sogenannte MT-Stecker dar. Dieser besteht aus einem
Kunststoffträger, in dessen Körper präzise Löcher zur Aufnahme der
Lichtleitfasern eingearbeitet sind. Die Lichtleitfasern werden in
diese Löcher eingeführt, dort verklebt und anschließend stirnseitig
poliert. Die Führung des Steckerteils zu einem komplementären
Buchsenteil erfolgt über zwei seitlich angebrachte Führungsstifte.
Zwar sind auch bei dieser Steckverbindung die Herstellungskosten
vergleichsweise hoch, da der die Lichtleitfasern tragende Kunststoff
körper sehr teuer ist. Allerdings läßt sich die Steckverbindung selber
vergleichsweise einfach erzielen. Dessenungeachtet ist auch bei dieser
Art von Steckverbindungen erforderlich, die Stirnflächen der
Lichtleitfasern zu polieren.
Neuerdings sind auch Steckverbindungen bekannt, welche anisotrop
geätzte Siliziumträger als Führungselemente sowie durch
Siliziumoberflächenmechanik hergestellte Andruckfedern zur Faser
fixierung verwenden. Derartige Ansätze sind außerhalb von Labor
bedingungen allerdings kaum handhabbar. Außerdem handelt es sich hier,
da die Verbindung im Regelfall nicht gelöst wird, eher um eine
Spleißverbindung als um eine Steckverbindung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Steckerteil zum Ausbilden einer Steckverbindung zu schaffen, das
sowohl kostengünstig herstellbar ist als auch eine präzise Kopplung
optischer Bauteile miteinander ermöglicht.
Zu diesem Zweck ist bei einem Steckerteil der eingangs genannten
Art vorgesehen, daß es aus einem Gußmaterial besteht, in welchem das
optische Bauteil eingebettet ist und mikrostrukturierte Gestaltungen
zur seitlichen Positionierung und axialen Justierung des Steckerteils
gebildet sind, wobei die Gestaltungen zur seitlichen Positionierung in
Bereichen des Steckerteils angeordnet sind, die nicht zum Einbetten
des ersten optischen Bauteils verwendet werden. Dieses Steckerteil
beruht also auf dem Grundgedanken, das Material, aus dem das
Steckerteil besteht, sowohl zum Halten des optischen Bauteils als auch
zum Erzielen von Positionier- und Justiergestaltungen zu verwenden.
Dies ermöglicht, in einem einzigen Arbeitsschritt das optische Bauteil
in das Steckerteil einzugießen und die gewünschten Positionier- und
Justiergestaltungen abzuformen. Weiterhin ist vorgesehen, daß die
Gestaltungen zur seitlichen Positionierung des Steckerteils in
Bereichen angeordnet sind, die nicht zum Einbetten des ersten
optischen Bauteils verwendet werden. Die Positioniergestaltungen sind
somit in Bereichen des Steckerteils angeordnet, die von der
Lichtaustrittsfläche des optischen Bauteils entfernt sind. Dies
ermöglicht eine einfachere Reinigung der Positioniergestaltungen und
der komplementären Gestaltungen an dem zur Aufnahme des Steckerteils
dienenden Aufnahmeteil. In der Nähe der Lichtaustrittsfläche des im
Steckerteil angeordneten optischen Bauteils befindet sich nämlich das
mit diesem Bauteil zu koppelnde zweite optische Bauteil, von welchem
Verschmutzungen ausgehen können, beispielsweise Klebstoffe, wenn es
sich um eine in das Aufnahmeteil eingeklebte Lichtleitfaser handelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, daß das Gußmaterial optisch transparent ist und den
Lichtaustrittsbereich des ersten optischen Bauteils zumindest
teilweise abdeckt. Dies ist insbesondere dann, wenn es sich bei dem
ersten optischen Bauteil um eine Lichtleitfaser handelt, vorteilhaft,
da das Gußmaterial eventuell vorhandene Unebenheiten der Stirnfläche
der Lichtleitfaser ausfüllt, so daß dort andernfalls auftretende
Streuungen vermieden werden. Zu diesem Zweck kann insbesondere
vorgesehen sein, daß das Gußmaterial einen Brechungsindex hat, der an
den Brechungsindex des Kerns der Lichtleitfaser angepaßt ist.
Falls ein Steckerteil gewünscht ist, das im hohen Maße
reflexionsfrei ist, kann vorzugsweise vorgesehen sein, daß die
Stirnfläche der Lichtleitfaser schräg zur Längsachse der
Lichtleitfaser verläuft. Auch eine derart gestaltete Lichtleitfaser
kann in einfacher Weise in das Steckerteil eingegossen werden. Die
schräg angeordnete Stirnfläche führt dazu, daß an der Austrittsstelle
reflektiertes Licht nicht in die Lichtleitfaser zurückgeleitet wird,
sondern schräg abgestrahlt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorge
sehen, daß die Lichtleitfaser eine Polymerfaser ist, die an der von
ihrer Stirnfläche abgewandten Seite des Steckerteils einen runden
Querschnitt hat und an der Stirnseite einen polygonalen Querschnitt,
wobei der Querschnitt kontinuierlich von einer Querschnittsform in die
andere übergeht. Diese Gestaltung ermöglicht es, eine Lichtleitfaser,
die üblicherweise einen kreisförmigen Querschnitt hat, an einen
Wellenleiter eines integriert-optischen Bauteils anzuschließen, der
üblicherweise, weil er mittels einer Abformtechnik hergestellt wurde,
einen hinterschneidungsfreien und insbesondere polygonalen Querschnitt
aufweist. Falls die Lichtleitfaser direkt mittels ihrer üblicherweise
kreisförmigen Stirnfläche mit dem Wellenleiter gekoppelt wird, kommt
es zu Abstrahlverlusten, da die einander gegenüberliegenden
Stirnflächen nicht deckungsgleich sind. Ein Steckerteil gemäß dieser
Ausführungsform der Erfindung kann mittels eines Verfahrens
hergestellt werden, bei dem eine Polymer-Lichtleitfaser mit rundem
Querschnitt in ein mikrostrukturiertes Werkzeug eingelegt wird, das
eine Aufnahme für die Lichtleitfaser hat, wobei die Aufnahme im
Bereich der Stirnfläche der Lichtleitfaser einen polygonalen
Querschnitt hat. Anschließend wird die Lichtleitfaser auf eine
Temperatur oberhalb ihrer Erweichungstemperatur gebracht und in die
Aufnahmegestaltung eingedrückt. Dabei paßt sich der Querschnitt der
Lichtleitfaser an den Querschnitt der Aufnahmegestaltung an.
Bei diesem thermoplastischen Verformen der Polymer-Lichtleitfaser
kann es zu einer Beschädigung des niederbrechenden Mantelmaterials der
Lichtleitfaser kommen. Es ist daher vorzugsweise vorgesehen, daß das
Gußmaterial einen Brechungsindex hat, der kleiner oder gleich dem
Brechungsindex des Mantels der Lichtleitfaser ist. Auf diese Weise
wirkt das Gußmaterial des Steckerteils als Ersatzmaterial an den
beschädigten Stellen des Mantels der Polymer-Lichtleitfaser.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, daß das Steckerteil zur seitlichen Positionierung mit
mindestens zwei parallel zur Richtung des Lichtaustritts aus dem
ersten Bauteil verlaufenden Positionierflächen versehen ist. Solche
Flächen können beim Gießen des Steckerteils besonders einfach
abgeformt werden und dienen zur zuverlässigen Positionierung des
Steckerteils.
Die Positionietflächen können beispielsweise durch die Außenkanten
des Steckerteils gebildet sein. Diese können in besonders präziser
Weise durch Abformen von einem mikrostrukturierten Werkzeug in einem
Arbeitsgang mit dem Gießen des Steckerteils erhalten werden, ohne daß
Endbearbeitungsschritte erforderlich sind.
Die Positionierflächen können auch nach Art von Einführschrägen
schräg zur Richtung des Einsetzens des Steckerteils beim Koppeln mit
dem zweiten optischen Bauteil verlaufen. Dies erleichtert das
Einsetzen des Steckerteils, was aufgrund der unter Umständen sehr
kleinen Abmessungen des Steckerteils ein großer Vorteil ist.
Um eine vollständige Steckverbindung zu erhalten, kann zusätzlich
ein komplementäres Aufnahmeteil vorgesehen sein, das mit zwei schräg
angeordneten Anlageflächen versehen ist, an denen die
Positionierflächen des Steckerteils anliegen. Die seitliche
Positionierung des Steckerteils erfolgt im Zusammenwirken mit den
schräg angeordneten Anlageflächen quasi automatisch beim Einsetzen,
ohne daß zusätzliche Positionierungsmaßnahmen erforderlich sind, da
die Anlageflächen zusammen mit den Positionierflächen als Einführ
schrägen wirken.
Um eine Verwendung des Steckerteils in Verbindung mit dem weit
verbreiteten MT-Stecker zu ermöglichen, ist gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß das Aufnahmeteil mit
zwei Führungsstiften gemäß MT-Standard versehen ist, so daß das erste
optische Bauteil über das Aufnahmeteil an eine MT-Buchse angeschlossen
werden kann. Das Aufnahmeteil wirkt also nach Art eines Adapters.
Wenn das Steckerteil dazu dient, mehrere optische Bauteile
anzuschließen und dementsprechend größere Abmessungen hat, kann es
vorteilhaft sein, daß das Steckerteil mit mindestens einer
Abstützfläche versehen ist und daß zusätzlich ein Aufnahmeteil
vorgesehen ist, an dem Abstützfläche anliegt. Die Abstützfläche dient
dann als mechanischer Anschlag, der eine übermäßige Durchbiegung des
Steckerteils, die zu einer verschlechterten Kopplung der beiden
optischen Bauteile führen würde, verhindert.
Es kann vorgesehen sein, daß das Aufnahmeteil mit mindestens einem
Abstützvorsprung versehen ist, an dem die Abstützfläche anliegt. Diese
Gestaltung bietet eine Abstützung vorzugsweise zwischen
nebeneinanderliegenden optischen Bauteilen, beispielsweise zwischen
den einzelnen Lichtleitfasern eines Faser-Arrays.
Es kann auch vorgesehen sein, daß die Abstützfläche in der
Richtung des Lichtaustritts aus dem ersten optischen Bauteil hinter
dem Bereich des Lichtaustritts angeordnet ist und an dem Aufnahmeteil
anliegt. Bei dieser Gestaltung sind keine zusätzlichen
Abstützvorsprünge am Aufnahmeteil erforderlich; die Abstützfläche kann
an dem Bereich des Aufnahmeteils anliegen, an dem auch das
anzuschließende zweite optische Bauteil angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgese
hen, daß das Steckerteil zur axialen Justierung mit mindestens einer
Justierfläche versehen ist, die sich quer zur Richtung des Lichtaus
tritts aus dem ersten Bauteil erstreckt. Diese Justierfläche wird ge
trennt von den zur seitlichen Positionierung des Steckerteils vorgese
henen Positioniergestaltungen abgeformt. Die Justierflächen können
entweder durch präzise strukturierte Außenkanten des Steckerteils oder
durch die Flächen an zusätzlichen Justiergestaltungen gebildet sein.
Vorzugsweise ist die Justierfläche an einem Justiersteg
ausgebildet, und zustätzlich ist ein Aufnahmeteil vorgesehen, das mit
einer Justiernut zur Aufnahme des Justiersteges versehen ist. Die
Justierflächen befinden sich dann an den quer zur Richtung des
Lichtaustritts aus dem ersten Bauteil ausgerichteten Seiten des
Justiersteges. Im Vergleich zu einer Justierung mittels der
Außenkanten des Steckerteils ergibt sich der Vorteil, daß die in der
einen und der anderen axialen Richtung wirkenden Justierflächen
räumlich nahe beieinander sind, weshalb sie mit sehr großer Präzision
abgeformt werden können.
Es kann vorgesehen sein, daß der Justiersteg bündig mit einer
Außenseite des Steckerteils endet und einen rechteckigen Querschnitt
hat. Der Justiersteg kann dann zusammen mit der Außenfläche, die auch
die Stirnseite für eine in dem Steckerteil aufgenommene Lichtleitfaser
bildet, sehr präzise und eben durch Abformen der entsprechenden Wand
des Werkzeugs erhalten werden.
Es kann auch vorgsehen sein, daß der Justiersteg etwa in der Mitte
des Steckerteils angeordnet ist und einen dreieckigen Querschnitt hat.
Diese Gestaltung unterstützt das Einführen der Justiergestaltung in
die Justiernut nach der Art der von den Positioniergestaltungen
bekannten Einführschrägen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, daß das Aufnahmeteil zwei zu dem Justiersteg komplementäre
Justiernuten aufweist, so daß ein weiteres Steckerteil eingesteckt
werden kann, das mit dem zweiten optischen Bauteil versehen ist. Wenn
sowohl das erste als auch das zweite optische Bauteil Lichtleitfasern
sind, wird auf diese Weise eine sehr einfach auszubildende Verbindung
von zwei Lichtleitfasern geschaffen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, daß mindestens ein Permanentmagnet in das Gußmaterial
eingebettet ist. Wenn zusätzlich ein Aufnahmeteil vorgesehen ist, das
mindestens teilweise ferromagnetisch ist, wird das Steckerteil von dem
Permanentmagneten an das Aufnahmeteil angezogen. Dies ermöglicht eine
dauerhafte und vibrationssichere Befestigung des Steckerteils an dem
Aufnahmeteil, so daß zusätzliche Befestigungsmittel nicht erforderlich
sind. Wenn ein zweiter Steckverbinder vorgesehen ist, der ebenfalls
mit einem Permanentmagneten versehen ist, werden die beiden
Steckerteile bei geeigneter Polarisierung der Magnete aneinander
gezogen. Auf diese Weise werden die beiden Lichtaustrittsflächen der
zu koppelnden optischen Bauteile in einer fest definierten Position
relativ zueinander gehalten, ohne daß Spannvorrichtungen erforderlich
sind, welche die beiden Steckerteile in Anlage aneinander halten.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf verschiedene
Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt sind. In diesen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt entlang der Ebene I-I von Fig. 3
durch ein erfindungsgemäßes Steckerteil mit zugehörigem Aufnahmeteil,
bevor die beiden Teile miteinander verbunden sind;
Fig. 2 das Steckerteil und das Aufnahmeteil von Fig. 1 im
miteinander verbundenen Zustand;
Fig. 3 in einer Seitenansicht das Steckerteil und das
Aufnahmeteil von Fig. 2;
Fig. 4 eine Variante des Steckerteils der Fig. 1 bis 3 mit
zugehörigem Aufnahmeteil in einer Ansicht entsprechend Fig. 2;
Fig. 5 in einer Seitenansicht zwei Steckerteile gemäß einer
weiteren Ausführungsform mit zugehörigem Aufnahmeteil in montiertem
Zustand;
Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Ebene VI-VI von Fig. 5;
Fig. 7 in einer Seitenansicht eine Variante der in Fig. 5
gezeigten Steckerteile mit zugehörigem Aufnahmeteil;
Fig. 8 in einer schematischen Draufsicht eine Weiterentwicklung
der in Fig. 7 gezeigten Steckerteile mit zugehörigem Aufnahmeteil;
Fig. 9 in einer Seitenansicht die Steckerteile und das
Aufnahmeteil von Fig. 8;
Fig. 10 einen Querschnitt entlang der Ebene X-X von Fig. 11
durch ein erfindungsgemäßes Steckerteil mit zugehörigem Aufnahmeteil
gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 11 in einer Draufsicht das Steckerteil und das
Aufnahmeteil von Fig. 10;
Fig. 12 in einer Draufsicht ein zum Aufnahmeteil von Fig. 11
komplementäres Buchsenteil;
Fig. 13 in einer Ansicht entsprechend derjenigen von Fig. 10
eine Variante des Steckerteils mit zugehörigem Aufnahmeteil gemäß der
Ausführungsform der Fig. 10 bis 12;
Fig. 14 in einer Ansicht entsprechend derjenigen von Fig. 10
eine weitere Variante des Steckerteils mit zugehörigem Aufnahmeteil
gemäß der Ausführungsform der Fig. 10 bis 12;
Fig. 14 in einer Ansicht entsprechend derjenigen von Fig. 10
eine weitere Variante des Steckerteils mit zugehörigem Aufnahmeteil
gemäß der Ausführungsform der Fig. 10 bis 12;
Fig. 15 in einer schematischen Seitenansicht ein
erfindungsgemäßes Steckerteil mit zugehörigem Aufnahmeteil gemäß einer
weiteren Ausführungsform;
Fig. 16 eine Kombination des in Fig. 15 gezeigten Steckerteils
mit dem Aufnahmeteil und dem Buchsenteil gemäß der Ausführungsform der
Fig. 10 bis 12;
Fig. 17 in einer schematischen Darstellung die
Streuungsverluste, die sich bei rauher Stirnfläche einer
Lichtleitfaser ergeben können;
Fig. 18 in einer schematischen Darstellung verringerte
Streuungsverluste, wie sie mit einem Steckerteil gemäß der vorliegenden
Erfindung erzielt werden können,
Fig. 19 schematisch in einem Querschnitt eine Lichtleitfaser
und einen Wellenleiter, die mittels eines erfindungsgemäßen
Steckerteils miteinander gekoppelt werden können;
Fig. 20 eine Gegenüberstellung der in Fig. 19 gezeigten
Querschnitte;
Fig. 21 schematisch eine Lichtleitfaser und ein Werkzeug zur
Herstellung eines Steckerteils gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
Fig. 22 schematisch die Lichtleitfaser und das Werkzeug zur
Herstellung eines Steckerteils gemäß der weiteren Ausführungsform nach
einem ersten Schritt bei dessen Herstellung;
Fig. 23 schematisch einen weiteren Schritt bei der Herstellung
eines Steckerteils gemäß der weiteren Ausführungsform; und
Fig. 24 das fertige Steckerteil beim Abheben von dem zu seiner
Herstellung verwendeten Werkzeug.
In den Fig. 1, 2 und 3 ist schematisch ein erfindungsgemäßes
Steckerteil 10 mit zugehörigem Aufnahmeteil 50 gezeigt. Das
Steckerteil 10 dient zum Anschließen von ersten optischen Bauteilen
12, die im Steckerteil 10 aufgenommen sind, an zweite optische
Bauteile 52, die am Aufnahmeteil 50 angeordnet sind. Nachfolgend wird
die Erfindung beschrieben für Lichtleitfasern, welche die ersten
optischen Bauteile 12 bilden. Als zweite optische Bauteile 52 werden
entweder Wellenleiter oder ebenfalls Lichtleitfasern beschrieben. Es
wird jedoch darauf hingewiesen, daß grundsätzlich andere optische
Bauteile mittels des beschriebenen Steckverbinders angeschlossen
werden können, beispielsweise Laserdioden oder ähnliche Bauteile, bei
denen es auf eine sehr präzise Ausrichtung einer Lichtaustrittsfläche
relativ zu einem anderen optischen Bauteil ankommt, um eine geringe
Koppeldämpfung zu erzielen.
Das Steckerteil 10 besteht aus einem Gußmaterial, in das die
Lichtleitfasern 12 eingebettet sind. Beim Gießen des Steckerteils 10
werden Gestaltungen zur seitlichen Positionierung des Steckerteils 10
abgeformt, die hier als Positionierflächen 14 ausgestaltet sind. Die
Positionierflächen sind schräg zu der durch den Pfeil P dargestellten
Richtung angeordnet, in der das Steckerteil 10 mit dem Aufnahmeteil 50
verbunden wird.
Zur Justierung des Steckerteils in axialer Richtung ist das
Steckerteil mit einem Justiersteg 16 versehen, der sich quer zur
Richtung des Lichtaustritts aus den Stirnflächen der Lichtleitfasern
12 erstreckt. Der Justiersteg 16 hat einen rechteckigen Querschnitt
und weist auf seinen in axialer Richtung ausgerichteten Seiten eine
Justierfläche 18 bzw. 20 auf.
Das Aufnahmeteil 50 kann aus einem nahezu beliebigen Material
hergestellt sein. Es besteht bei der hier gezeigten Ausführungform aus
einem optisch transparenten Material und enthält als zweites optisches
Bauteil einen Wellenleiter 52, der aus einem geeigneten Material
gebildet ist, das in einem Graben des Aufnahmeteils 50 angeordnet ist.
Das Aufnahmeteil 50 ist mit zwei Anlageflächen 54 versehen, die
hier als die außenliegenden Flächen von Vorsprüngen 56 ausgestaltet
sind, sowie mit einer Justiernut 57 (siehe Fig. 3). Sowohl das
Steckerteil 10 als auch das Aufnahmeteil 50 können durch Abformen von
Werkzeugen hergestellt werden, die mittels der galvanischen Umkopier
technik erhalten wurden. Ein solches Abformen ist aus dem Bereich der
integrierten optischen Bauteile bekannt. Beim Abformen der Werkzeuge
lassen sich beispielsweise die Positionierflächen 14, die Justierflä
chen 18, 20, die Anlageflächen 54 und die Justiernut 57 als mikro
strukturierte Gestaltungen mit der gewünschten Präzision herstellen.
Das Steckerteil 10 wird durch Abformen von einem Werkzeug
erhalten, das mit Führungsnuten zur Aufnahme der Lichtleitfasern 12
versehen ist. Die Lichtleitfasern 12 werden in diese Führungsnuten
eingelegt, wodurch sie automatisch präzise ausgerichtet werden.
Anschließend wird ein Gußmaterial aufgebracht, in welchem die
Lichtleitfasern eingebettet werden. Nach Aushärten des Gußmaterials
und Abnehmen von dem Werkzeug ist das Steckerteil 10 mit den
eingebetteten Lichtleitfasern 12 fertig, wobei keine zusätzlichen
Bearbeitungsschritte erforderlich sind, um die Positionierflächen und
die Justierflächen zu erhalten, da diese durch Abformen von geeigneten
mikrostrukturierten Gestaltungen des Werkzeugs erhalten wurden.
Das Aufnahmeteil 50, das bei dieser Ausführungsform ein
integriert-optisches Wellenleitersubstrat ist, kann ebenfalls durch
Abformen von einem geeigneten Werkzeug erzielt werden. Bei diesem
Schritt werden insbesondere die Anlagefläche 54 sowie die Justiernut
57 als mikrostrukturierte Gestaltungen abgeformt. Zusätzlich werden
mehrere Gräben abgeformt, die dann in einem weiteren
Bearbeitungsschritt mit einem Material mit geeigneten optischen
Eigenschaften ausgefüllt werden. Nach Aushärten dieses Materials sind
in den Gräben die Wellenleiter 52 gebildet.
Die Lichtwellenleiter 12 werden mit den Wellenleitern 52 dadurch
gekoppelt, daß das Steckerteil 10 in der vom Pfeil P angedeuteten
Richtung auf das Aufnahmeteil aufgesetzt wird, also senkrecht zur
Richtung des Lichtaustritts aus den Stirnflächen der Lichtleitfasern
12. Dabei sorgen die Positionierflächen 14 zusammen mit den
Anlageflächen 54 für die Positionierung des Steckerteils 10 relativ
zum Aufnahmeteil 50 in seitlicher Richtung, während die Justierflächen
18, 20 durch Anlage an den Seitenwänden der Justiernut 57 für die
axiale Justierung des Steckerteils 10 relativ zum Aufnahmeteil 50
sorgen. Durch geeignete Ausgestaltung der Vorsprünge 56 wird außerdem
sichergestellt, daß sich der Steckerteil 10 im richtigen Abstand vom
Aufnahmeteil 50 befindet. Nun liegen die Stirnflächen der
Lichtleitfasern 12 den Stirnflächen der Wellenleiter 52 präzise
ausgerichtet gegenüber, so daß in den Lichtleitfasern 12 geleitete
Signale mit geringen Verlusten in die Wellenleiter 52 eingekoppelt
werden können, und umgekehrt.
Das in das Aufnahmeteil 50 eingesetzte Steckerteil 10 wird in der
gezeigten Stellung von einem geeigneten (nicht dargestellten)
Spannmittel gehalten.
Ein wichtiger Aspekt des erfindungsgemäßen Steckerteils besteht
darin, daß die Positionierung des Steckerteils 10 relativ zum
Aufnahmeteil 50 in Bereichen geschieht, die seitlich außerhalb der
Bereiche liegen, an denen die Kopplung zwischen den Lichtleitfasern 12
und den Wellenleitern 52 erfolgt. Im Bereich der Wellenleiter 52
besteht nämlich aufgrund der Herstellung der Wellenleiter am
Aufnahmeteil 50 die erhöhte Gefahr von Verschmutzungen, beispielsweise
durch Materialrückstände. Außerdem können aufgrund der Empfindlichkeit
des Wellenleiters 52 diese Bereiche nur sehr schwer gereinigt werden.
Daher ist es von Vorteil, wenn das Steckerteil 10 und das Aufnahmeteil
50 im Bereich der Koppelstellen zwischen den ersten und zweiten
optischen Bauteilen einander zwar an den Stirnseiten berühren, aber
nicht aufeinander aufsitzen. Dies ist durch den Freiraum zwischen den
Vorsprüngen 56 des Aufnahmeteils 50 gewährleistet. Eventuell in diesem
Bereich vorhandene Verschmutzungen haben dann keine Auswirkung auf die
präzise Anordnung der ersten und der zweiten optischen Bauteile
relativ zueinander.
Um eine Durchbiegung des Steckerteils 10 zwischen den
Positionierflächen 14 zu verhindern, ist die den Wellenleitern 52
zugewandte Seite des Steckerteils 10 mit einer Abstützfläche 22
versehen, die auf der Oberseite des Aufnahmeteils 50 aufliegt. Eine
Durchbiegung des Steckerteils 10 ist somit verhindert.
In Fig. 4 ist eine Weiterbildung des Aufnahmeteils 50 gezeigt. Es
sind zusätzlich zwei Abstützvorsprünge 58 vorgesehen, die zwischen den
Materialvorsprüngen mit dreieckigem Querschnitt, in deren Bereich die
Lichtleitfasern 12 eingebettet sind, an Abstützflächen 22 des
Steckerteils 10 anliegen. Im Bereich um die eingebetteten
Lichtleitfasern 12 herum ist auch bei dieser Ausführungsform
vorgesehen, daß die entsprechenden Bereiche des Steckerteils 10 frei
in entsprechenden Aussparungen des Aufnahmeteils 50 angeordnet sind;
eine Berührung liegt nur an den Stirnseiten und nicht in den
Materialbereichen vor, in denen die Lichtleitfasern eingebettet sind.
In den Fig. 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform der
Erfindung gezeigt, die zur Kopplung von Lichtleitfasern untereinander
dient. Hier werden zwei zueinander gleiche Steckerteile 10, 10'
verwendet, in die jeweils drei Lichtleitfasern 12 bzw. 52 eingebettet
sind. Das Aufnahmeteil 50 ist hier als Führungsschiene mit den
Vorsprüngen 56 ausgebildet, deren Anlageflächen 54 zur seitlichen
Positionierung der Steckerteile 10 dienen. Als Justierflächen 18, 20
dienen bei dieser Ausführungsform die präzisen mikrostrukturierten
Außenkanten der Steckerteile 10, 10'. Diese liegen an zwei
Anlageleisten 60 des Aufnahmeteils 50 an.
Um die Lichtleitfasern 12, 52 der beiden Steckerteile 10, 10'
miteinander zu verbinden, werden die Steckerteile in das Aufnahmeteil
50 eingesetzt. Die Positionier- und die Justierflächen sorgen für die
prazise Ausrichtung der beiden Steckerteile zueinander, so daß die
Stirnflächen der Lichtleitfasern einander optimal gegenüberliegen. Die
Steckerteile 10, 10' werden an dem Aufnahmeteil 50 von einer
geeigneten (nicht dargestellten) Spannvorrichtung gehalten. Wenn das
Steckerteil 10' fest mit der Aufnahme 50 verbunden wird,
beispielsweise verklebt, ergibt sich eine Art Buchse, in die das
ersten Steckerteil 10 eingesetzt werden kann. Es müssen dann bei der
konkreten Anwendung nur noch zwei Teile miteinander verbunden werden
und nicht mehr drei Teile.
In Fig. 7 ist eine Variante der in den Fig. 5 und 6 gezeigten
Ausführungsform dargestellt. Zusätzlich werden hier Justierstege 16
mit dreieckigem Querschnitt verwendet, die in komplementäre
Justiernuten im Aufnahmeteil 50 eingreifen. Die Seiten der
Justierstege bilden zusätzliche Justierflächen 18, 20, welche die
Ausrichtung der beiden Steckerteile 10, 10' im Aufnahmeteil 50 in
axialer Richtung unterstützen.
In den Fig. 8 und 9 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform
der Fig. 5 und 6 gezeigt. Im Gußmaterial der Steckerteile 10, 10'
sind kleine Permanentmagnete 70 eingebettet. Die Polarisierung ist so
gewählt, daß die Permanentmagnete 70 der Steckerteile 10, 10' diese
aneinander anziehen. Aufgrund der Polarisierung werden beliebige Teile
immer aneinander angezogen; eine Differenzierung in Stecker/Buchse
erfolgt nicht.
Ferner ist das Aufnahmeteil 50 aus einem ferromagnetischen
Material hergestellt, beispielsweise Nickel. Die auf der Unterseite
der Steckerteile 10, 10' angeordneten Permanentmagnete 70 ziehen daher
die Steckerteile auch an das Aufnahmeteil 50 an. Somit wird ohne eine
weitere Spannvorrichtung eine lösbare, jedoch extrem vibrationsfeste
Verbindung zwischen den Lichtleitfasern 12, 52 der beiden Steckerteile
10, 10' erzielt.
Gemäß einer nicht dargestellten Weiterbildung können die
Permanentmagnete auch als Bügelmagnete ausgeführt werden, welche quer
zur Erstreckungsrichtung der Lichtleitfasern angeordnet sind. Die
Bügelmagnete dienen dann beim Vergießen der Lichtleitfasern im
Gußmaterial zur Fixierung der Lichtleitfasern.
In den Fig. 10 bis 12 ist gezeigt, wie mittels des aus den
vorangegangenen Figuren bekannten Steckverbinders 10 ein MT-Stecker
erzielt werden kann. Ein MT-Stecker zeichnet sich durch zwei
Führungsstifte 80 aus, die in komplementäre Bohrungen 82 einer MT-
Buchse 84 eingeschoben werden können. Die Führungsstifte 80 zusammen
mit der Bohrung 82 dienen dann zur präzisen Ausrichtung der
miteinander zu koppelnden optischen Bauteile. Bei der in den Fig.
10 bis 12 gezeigten Ausführungsform sind die Führungsstifte seitlich
am Aufnahmeteil 50 angebracht, so daß dieses als Adapter wirkt. Das
Steckerteil 10 wird in das Aufnahmeteil 50 eingesetzt und dort
fixiert. Anschließend kann das Aufnahmeteil 50 zusammen mit dem an ihm
angebrachten Steckerteil 10 an der MT-Buchse angebracht werden. Die in
der MT-Buchse aufgenommenen Lichtleitfasern 52 sind dann mit den in
dem Steckerteil 10 eingebetteten Lichtleitfasern 12 gekoppelt.
In Fig. 13 ist eine Variante des Aufnahmeteils 50 zur Erzielung
eines MT-Steckers gezeigt. Bei dieser Variante sind die Positionier
flächen 14 des Steckerteils 10 nicht innenliegend angeordnet, wie bei
der vorhergehenden Ausführungsform, sondern außenliegend. Bei dieser
Ausführungsform ergibt sich eine etwas kompaktere Gestaltung.
In Fig. 14 ist eine weitere Variante des Aufnahmeteils 50
gezeigt. Bei dieser Variante sind unmittelbar die Außenkanten des
Steckerteils 10 als Positionierflächen 14 ausgebildet. Diese liegen an
den als Justierflächen 54 ausgebildeten Wänden einer trogförmigen
Vertiefung des Aufnahmeteils 50 an. Bei dieser Ausführungsform ergibt
sich eine noch kompaktere Gestaltung; allerdings steigt der
Herstellungsaufwand an.
In Fig. 15 ist ein in die Aufnahme 50 eingesetztes Steckerteil 10
gezeigt, das mit einer Lichtleitfaser 12 versehen ist, deren
Stirnfläche schräg zur Längsrichtung der Lichtleitfaser abgeschnitten
ist. Eine solche Ausgestaltung kann dann erforderlich werden, wenn
mittels der Lichtleitfaser 12 Bauteile angeschlossen werden sollen,
die sehr empfindlich auf zurückreflektiertes Licht reagieren (zum
Beispiel Laserdioden mit hoher Linearität zur Übertragung
breitbandiger analoger Signale). Insbesondere in der Singlemode-
Übertragung sind die Anforderungen an die Reflexionsfreiheit sehr
hoch. Um die Reflexionsfreiheit bei der Kopplung von Lichtleitfasern
mit anderen Lichtleitfasern oder mit einem integriert-optischen
Bauteil zu erreichen, werden die Lichtleitfasern in einem Winkel von
etwa 10° schräg abgeschnitten. Ein an der Koppelstelle entstehender
Reflex wird dadurch nicht zurück in die Lichtleitfaser geleitet,
sondern abgestrahlt.
Die Herstellung eines solchen Steckerteils erfolgt in ähnlicher
Weise wie die Herstellung der im vorangegangenen beschriebenen
Steckerteile. Die geeignet abgeschnittene Lichtleitfaser wird in einem
Werkzeug angeordnet, wobei die Ausrichtung der schrägen Stirnfläche
beachtet werden muß. Die schräge Stirnfläche liegt dabei aufgrund
einer korrekten axialen Anordnung der Lichtleitfaser an der ebenfalls
schrägen Wand des Werkzeugs an. Anschließend wird das Gußmaterial
aufgebracht, in das die Lichtleitfaser eingebettet wird. Zuletzt wird
das Gußmaterial ausgehärtet, so daß das Steckerteil 10 gebildet ist.
Der Wellenleiter 52 im Aufnahmeteil 50 muß, um eine gute Kopplung
zu erreichen, ebenfalls schräg ausgebildet werden. Dies kann mittels
geeigneter, aus der Mikrostrukturtechnik allgemein bekannter Verfahren
geschehen, beispielsweise durch Verwendung eines mikrostrukturierten
StripOff-Deckels.
Mit ähnlichen Steckerteilen können auch Lichtleitfasern
miteinander gekoppelt werden. Es muß lediglich beachtet werden, daß
die Stirnflächen der Lichtleitfasern des einen Steckerteils
entgegengesetzt ausgerichtet werden müssen wie die schrägen
Stirnflächen der Lichtleitfasern im anderen Steckerteil. Zum Gießen
der Steckerteile kann ein mikrostrukturierter StripOff-Deckel
aufgesetzt werden, der die Fasern geeignet positioniert.
Wie in Fig. 16 zu sehen ist, kann auch ein MT-Stecker mit den
erfindungsgemäßen Steckerteilen erzielt werden, bei denen die
Lichtleitfasern schräge Stirnflächen aufweisen. In das hier als
Adapter wirkende Aufnahmeteil 50 wird ein Steckerteil 10 eingesetzt,
wie es aus Fig. 15 bekannt ist. Die MT-Buchse 84 ist, abgesehen von
der anstelle der Führungsstifte 80 ausgebildeten Bohrungen 82, mit dem
Aufnahmeteil 50 identisch. Die MT-Buchse ist lediglich um 180° um die
Längsachse gedreht, so daß die schrägen Stirnflächen der
Lichtleitfasern 12, 52 aneinander bündig anliegen. Es ist dabei
lediglich zu beachten, daß die Führungsstifte und die Bohrungen in
derselben Ebene angeordnet sind wie die Lichtleitfasern.
Anhand der Fig. 17 und 18 wird nun ein Aspekt der vorliegenden
Erfindung beschrieben, der besonders vorteilhaft ist. Wenn die
Stirnfläche 90 einer Lichtleitfaser 12 nicht perfekt glatt oder
perfekt senkrecht abgeschnitten ist, kommt es zu Streuungen des aus
der Lichtleitfaser austretenden Lichts. Das gestreute Licht wird in
der Regel nicht in die gegenüberliegende Stirnfläche eingekoppelt, so
daß es zu erhöhten Verlusten kommt.
Die Erfindung ermöglicht, diesen Mangel zu beseitigen. Das
Gußmaterial, das zur Herstellung des Steckerteils 10 verwendet wird,
fließt beim Gießen des Steckerteils in alle Freiräume zwischen der
Stirnfläche 90 der Lichtleitfaser und der gegenüberliegenden
Begrenzung des Werkzeugs. Die Freiräume sind aber durch geeignetes
axiales Ausrichtung der Lichtleitfaser so klein wie möglich zu halten.
Da die Begrenzungswände des Werkzeugs durch die Mikrostrukturtechnik
extrem glatt und eben gestaltet werden können, ergibt sich dann eine
fiktive Stirnfläche 92, aus der ein in der Lichtleitfaser geführter
Lichtstrahl nur unwesentlich aufgeweitet austritt. Das Gußmaterial hat
also eine Glättungswirkung auf der unebenen Stirnfläche 90.
Vorzugsweise ist der Brechungsindex des Gußmaterials für das
Steckerteil 10 an den Brechungsindex des Kerns der Lichtleitfaser
angepaßt, da auf diese Weise eine Reflexion an der Übergangsstelle von
der Lichtleitfaser und dem Gußmaterial unterdrückt wird. Ideal wäre,
wenn der Brechungsindex des Kerns der Lichtleitfaser gleich dem
Brechungsindex des Gußmaterials ist. Dann müßten als Gußmaterial
jedoch fluorierte Gußmassen verwendet werden, was zu höheren
Materialkosten führt.
Anhand der Fig. 19 bis 24 wird nun ein weiterer vorteilhafter
Aspekt der Erfindung beschrieben. Wenn eine Lichtleitfaser 12 mit
einem integriert-optischen Wellenleiter 52 gekoppelt werden soll, der
in einem mikrostrukturierten Substrat, beispielsweise dem Aufnahmeteil
50, ausgebildet ist, ergeben sich Probleme aufgrund der
unterschiedlichen Querschnitte der miteinander zu koppelnden Bauteile
(siehe Fig. 19). Der Querschnitt der Lichtleitfaser 12 ist
üblicherweise kreisförmig. Der Querschnitt des Wellenleiters 52 ist
üblicherweise ein gut entformbarer Querschnitt, beispielsweise ein
trapezförmiger oder polygonaler Querschnitt. Ein runder Querschnitt
läßt sich für den Wellenleiter aufgrund der Hinterschneidungen in
Abformtechnik kaum erzielen. In Fig. 20 sind die beiden
unterschiedlichen Querschnitte einander gegenübergestellt, wobei die
Teile der Querschnitte, die einander nicht überlappen und die Ursache
von Abstrahlverlusten sind, schraffiert gekennzeichnet wurden.
Um die Abstrahlverluste möglichst gering zu halten, ist es
wünschenswert, daß die miteinander zu koppelnden Querschnitte
identisch sind. Dies kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung erreicht werden. Hierbei wird eine Polymer-Lichtleitfaser
zur Herstellung des Steckerteils in eine Führungsnut 94 eines
Werkzeugs 96 eingelegt, wobei die Führungsnut 94 wenigstens im Bereich
der Stirnfläche der Lichtleitfaser denselben Querschnitt hat wie der
Wellenleiter, mit dem die Lichtleitfaser später gekoppelt werden soll.
Anschließend wird die eingelegte Lichtleitfaser auf eine Temperatur
oberhalb ihrer Erweichungstemperatur gebracht, so daß sie mittels
eines schematisch dargestellten Druckteils 98 thermoplastisch verformt
werden kann und die Querschnittsform der Führungsnut 94 annimmt (Fig.
22). Die Lichtleitfaser hat dann wenigstens im Bereich ihrer
Stirnfläche einen polygonalen Querschnitt, der im weiteren Verlauf des
Steckerteils kontinuierlich in den kreisförmigen Querschnitt übergeht,
den die Lichtleitfaser am Austritt aus dem Steckerteil 10 hat.
Anschließend wird das Gußmaterial aufgebracht (siehe Fig. 23),
mit dem die Lichtleitfaser zu dem Steckerteil verklebt. Dieses kann
dann vom Werkzeug abgehoben werden (siehe Fig. 24).
Beim thermoplastischen Verformen der Polymer-Lichtleitfaser kann
es zu einer Beschädigung des niederbrechenden Mantels der
Lichtleitfaser kommen. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, den
Brechungsindex des Gußmaterials so zu wählen, daß er nach dem
Aushärten gleich oder kleiner dem Brechungsindex des Mantels der
Lichtleitfaser ist. Das Gußmaterial des Steckerteils wirkt dann als
Ersatz für den Mantel an den beschädigten Stellen.