DE19927167A1 - Coupler element and layout of elements for coupling highly intensive light radiation, feeds light via a lens system into opposite side of GRIN lens for positioning - Google Patents
Coupler element and layout of elements for coupling highly intensive light radiation, feeds light via a lens system into opposite side of GRIN lens for positioningInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Koppelelement zur Kopplung hochintensiver Lichtstrahlung und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie eine Anordnung aus Koppelelementen zur Kopplung hochintensiver Lichtstrahlung.The invention relates to a coupling element for coupling high-intensity light radiation and a Process for its production and an arrangement of coupling elements for coupling high-intensity light radiation.
Die Erfindung findet überall dort Anwendung, wo Lichtstrahlung sehr hoher Intensität über Lichtleitfasern übertragen werden muß und eine Verbindung über Steckverbinder notwendig ist, um einen flexiblen Systemaufbau zu ermöglichen. Unter anderem ist die Erfindung in Singlemode-Fasersystemen der Nachrichtentechnik anwendbar, da hier vor allem auf lang reichweitigen Übertragungsstrecken immer höhere Lichtintensitäten und damit verbundenen höheren Leistungsdichten zum Einsatz kommen.The invention is used wherever very high intensity light radiation is used Optical fibers must be transmitted and a connection via plug connector is necessary is to enable a flexible system structure. Among other things, the invention is in Singlemode fiber systems of telecommunications can be used, especially here for a long time long transmission distances and ever higher light intensities and the associated higher power densities are used.
Die erfindungsgemäße Anordnung von Koppelelementen und die Koppelelemente selbst finden ihren Einsatz in der Telekommunikation, Elektronik/Elektrotechnik, Sensorik, Optik, Biologie und Medizin. The arrangement of coupling elements according to the invention and the coupling elements themselves are used in telecommunications, electronics / electrical engineering, sensors, optics, Biology and medicine.
Bisherige Anordnungen zur Kopplung hochintensiver Lichtstrahlung durch Steckverbinder und Verfahren zu deren Herstellung beschränken sich darauf, die Faserendflächen, die sich in Steckern oder Buchsen befinden, unter strengster Vermeidung von Verschmutzungen hoch präzise gegeneinander zu positionieren und gegebenenfalls mit Druck aneinanderzupressen. Die dabei erreichte hohe Positioniergenauigkeit liegt im Sub-µm-Bereich und hat die techno logische Grenze erreicht.Previous arrangements for coupling high-intensity light radiation through connectors and methods of making them are limited to the fiber end faces found in Plugs or sockets are high, with the strictest avoidance of contamination to position precisely against each other and, if necessary, to press them together. The high positioning accuracy achieved is in the sub-µm range and has the techno logical limit reached.
Besonders in der Singlemode-Technik bei Kernquerschnittsdurchmessern der Lichtleitfasern von nur ca. 8,0 µm und darunter werden bereits ab 200 mW Lichtleistung kritische Lei stungsdichten von 1 MW/cm2 und mehr in der Nähe der Zerstörungsschwelle von Glasober flächen erreicht. Bereits leichteste Verunreinigungen oder Fehler der Glasfaserendflächen führen unmittelbar zur Zerstörung der Endflächen. Die Steckverbindungen werden un brauchbar.Particularly in single-mode technology with core cross-sectional diameters of the optical fibers of only approx.8.0 µm and below, critical power densities of 1 MW / cm 2 and more are achieved near the destruction threshold of glass surfaces from a light output of 200 mW. Even the slightest contamination or defects in the glass fiber end faces immediately destroy the end faces. The connectors are unusable.
Ausgehend von dem dargelegten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Koppelelement zur Kopplung hochintensiver Lichtstrahlung aus einer oder in eine Lichtleitfaser sowie eine Anordnung aus lichtzuführenden und lichtaufnehmenden Koppelelementen zur Kopplung hochintensiver Lichtstrahlung und ein Verfahren zur Her stellung eines Koppelelementes zur Kopplung hochintensiver Strahlung anzugeben.Based on the prior art set out, it is the task of the present Invention, a coupling element for coupling high-intensity light radiation from or in an optical fiber and an arrangement of light-supplying and light-receiving Coupling elements for coupling high-intensity light radiation and a method for producing them Specify the position of a coupling element for coupling high-intensity radiation.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Koppelelement nach An spruch 1, einer Anordnung von Koppelelementen nach Anspruch 14, einem Verfahren zur Herstellung eines Koppelelementes nach Anspruch 30 sowie einem Koppelelement nach An spruch 57. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen aufgeführt.The inventive solution to this problem consists in a coupling element according to An claim 1, an arrangement of coupling elements according to claim 14, a method for Manufacture of a coupling element according to claim 30 and a coupling element according to An Proverb 57. Preferred further developments are listed in the respective subclaims.
Das erfindungsgemäße Koppelelement enthält eine Lichtleitfaser und ein strahlformendes Element mit einer ersten Koppel- und einer zweiten Koppelfläche, wobei der Kernbereich einer Faserendfläche der Lichtleitfaser durch Verschweißung (Fusion) mit der ersten Koppel fläche des strahlformenden Elements stoffschlüssig verbunden ist, und daß die Lichtstrah lungsquerschnittsfläche in der ersten Koppelfläche des strahlformenden Elements größer ist als die Lichtstrahlungsquerschnittsfläche in der zweiten Koppelfläche des strahlformenden Elements. Eine stoffschlüssige Verbindung zeichnet sich dadurch aus, daß sie keine Grenzflä chen aufweist. Dadurch wird erstens erreicht, daß die Glas-schlüssige Verbindungsstelle zwi schen dem Kern der Lichtleitfaser und der ersten Koppelfläche des strahlformenden Elements durch die hohe in der Lichtleitfaser geführte Lichtstrahlung nicht zerstört wird. Denn auf grund des stoffschlüssigen Übergangs von der Lichtleitfaser in das strahlformende Element, der deutlich verringerten Anzahl von Gefügefehlern im Glasübergang im Vergleich zu einer Glas-Luft-Grenzfläche kommt es zu keinem nennenswerten Energieeintrag durch Streuung sowie Absorption in die Verbindungsstelle und dadurch auch nicht zu deren Zerstörung. Die erfindungsgemäßen Verbindungen widerstehen so den durchstrahlenden hohen Leistungen. Durch die Erfindung werden hohe Strahlungsleistungsdichten an Glas-Luft-Grenzflächen und Glas-Glas-Grenzflächen vermieden. Sie, die hohen Strahlungsleistungsdichten, treten nur an Flächen auf, wo das Material in zumindest der überwiegenden Zahl von Flächenpunkten ste tige oder lokal homogene optische Eigenschaften aufweist. Der Lichtstrahlungsquerschnitts durchmesser im jeweiligen optischen Element wird durch dessen optische Eigenschaften, vornehmlich durch das Brechzahlprofil bestimmt. Das Brechzahlprofil selbst resultiert aus der Art, der Menge und der örtlichen Verteilung der in das Glasgrundmaterial des optischen Elements zugesetzten Dotierungsstoffe. Bekanntermaßen hängt die Lichtstrahlungsquer schnittsfläche in einem derartigen optischen Element auch von der numerischen Apertur ab, mit welcher das Licht in dieses optische Element eingekoppelt worden ist. Generell genügt das Produkt aus Strahlquerschnittsfläche und numerischer Apertur bei einem verlustlosem optischen Element einem Erhaltungssatz, wobei dieses Produkt eine Konstante ist, die von der Wellenlänge des Lichtes und der Brechzahl des durchstrahlten Mediums abhängt.The coupling element according to the invention contains an optical fiber and a beam-shaping one Element with a first coupling and a second coupling surface, the core area a fiber end face of the optical fiber by welding (fusion) to the first coupling Surface of the beam-shaping element is integrally connected, and that the light beam Lungs cross-sectional area in the first coupling surface of the beam-shaping element is larger than the light radiation cross-sectional area in the second coupling surface of the beam-shaping Elements. A cohesive connection is characterized in that it has no boundary surface Chen has. This firstly ensures that the glass-fit connection point between the core of the optical fiber and the first coupling surface of the beam-shaping element is not destroyed by the high light radiation guided in the optical fiber. Because on due to the integral transition from the optical fiber to the beam-shaping element, the significantly reduced number of structural defects in the glass transition compared to one Glass-air interface there is no significant energy input due to scattering as well as absorption in the connection point and therefore not to destroy it. The Compounds according to the invention thus resist the radiating high powers. The invention enables high radiant power densities at glass-air interfaces and Glass-glass interfaces avoided. They, the high radiant power densities, only appear Surfaces where the material is in at least the majority of surface points term or locally homogeneous optical properties. The light radiation cross section diameter in the respective optical element is determined by its optical properties, primarily determined by the refractive index profile. The refractive index profile itself results from the Type, the amount and the local distribution of the optical base material in the glass Elements added dopants. As is known, the light radiation cross depends cut surface in such an optical element also from the numerical aperture, with which the light has been coupled into this optical element. Generally enough the product of the beam cross-sectional area and the numerical aperture with a lossless one optical element a conservation theorem, this product being a constant of the wavelength of the light and the refractive index of the irradiated medium.
Die stoffschlüssige Verbindung ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein in ihren optischen Eigenschaften stetiges Stoffsystem. Durch den stetigen Übergang von der Lichtleitfaser in das strahlformende Element wird der Energieeintrag durch Absorption und Streuung vom Lichtstrahl in das Glasmedium noch weiter reduziert und somit jede nachtei lige Veränderung oder Zerstörung verhindert.In another embodiment of the invention, the integral connection is an in constant optical system due to its optical properties. Due to the constant transition from the Optical fiber in the beam-shaping element is the energy input through absorption and Scattering from the light beam into the glass medium is reduced even further and thus every disadvantage change or destruction.
In einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher sich das Licht von der Lichtleitfaser in Richtung des strahlformenden Elementes ausbreitet, ist die erste Koppelfläche des strahlfor menden Elements auch als Einkoppelfläche, die zweite Koppelfläche auch als Auskoppelflä che zu bezeichnen. Bei umgekehrter Ausbreitungsrichtung des Lichts ist die zweite Koppel fläche die Einkoppelfläche für das licht in das strahlformende Element und die erste Koppel fläche die Auskoppelfläche. Bei kreisförmigem Strahlquerschnittsprofil, z. B. bei Gauß-förmi ger Strahlung, im strahlformenden Element, ist zur eindeutigen Charakterisierung der Strahl querschnittsfläche auch der Strahlquerschnittsdurchmesser verwendbar. In gängiger Weise wird dieser Durchmesser an der Stelle gemessen, wo die Strahlleistung auf 1/e-tel ihres ma ximalen Wertes abgesunken ist.In one embodiment of the invention, in which the light from the optical fiber in Spreads direction of the beam-shaping element, the first coupling surface of the beam is menden elements as a coupling surface, the second coupling surface also as a coupling surface to designate. If the direction of light propagation is reversed, the second coupling is area the coupling surface for the light into the beam-shaping element and the first coupling area the decoupling surface. With a circular beam cross-sectional profile, e.g. B. in Gaussian ger radiation, in the beam-shaping element, is for unambiguous characterization of the beam cross-sectional area, the beam cross-sectional diameter can also be used. In the usual way this diameter is measured at the point where the beam power is 1 / e-th of its ma maximum value has decreased.
Als Lichtleitfaser eines Koppelelements wird vorzugsweise eine Singlemode-Lichtleitfaser oder eine Multimode-Lichtleitfaser verwendet. In einer Singlemode-Lichtleitfaser wird bei vorbestimmter Wellenlänge genau eine Lichtwelle entlang der Lichtleitfaser transportiert; typische Kerndurchmesser liegen im Bereich von ca. 2 µm bis 10 µm, die Mantelaußen durchmesser weisen 125 µm auf. In einer Multimode-Lichtleitfaser breiten sich mehrere Lichtwellen aus; typische Kerndurchmesser liegen bei ca. 50 bis 100 µm, Mantelaußen durchmesser liegen bei ca. 125 bis 140 µm.A singlemode optical fiber is preferably used as the optical fiber of a coupling element or a multimode optical fiber is used. In a single-mode optical fiber, at predetermined wavelength carries exactly one light wave along the optical fiber; typical core diameters are in the range of approx. 2 µm to 10 µm, the outer shell diameters are 125 µm. Several spread in a multimode optical fiber Light waves off; typical core diameters are approx. 50 to 100 µm, outer shell diameters are around 125 to 140 µm.
Neben rein passiven Lichtleitfasern werden in einer Ausführungsform auch aktive Lichtwel lenleiter eingesetzt. Diese aktiven Lichtwellenleiter sind durch spezielle Dotierungsstoffe, z. B. Erbium, Neodym, Praseodym, im Faserkernbereich in der Lage, das in die Lichtleitfaser einge koppelte Licht nicht nur zu leiten, sondern auch zu verstärken.In addition to purely passive optical fibers, active light waves are also used in one embodiment lenleiter used. These active optical fibers are through special dopants, eg. B. Erbium, neodymium, praseodymium, in the fiber core area capable of being inserted into the optical fiber not only to couple coupled light, but also to amplify it.
In bevorzugten Ausführungsformen enthält das erfindungsgemäße Koppelelement als strahl formendes Element eine Gradienten-Index-Multimode-Lichtleitfaser oder eine Gradienten- Index-Linse. Diese strahlformenden Elemente bewirken durch ihre spezielle Dotierung und/oder durch ihre gewählte Länge, daß das eingekoppelte Licht einer Transformation un terzogen wird, in der Weise daß aus einer kleinen Strahlquerschnittsfläche mit numerischer Apertur von 0,05 bis 0,25 eine größere Strahlquerschnittsfläche mit kleinerer Apertur ge macht wird bzw. umgekehrt. In einer besonderen Ausführungsform enthält das Koppelele ment als strahlformendes Element eine oder mehrere Gradienten-Index-Linsen und/oder eine oder mehrere Gradienten-Index-Multimode-Lichtleitfasern.In preferred embodiments, the coupling element according to the invention contains a beam forming element a gradient index multimode optical fiber or a gradient Index lens. These beam-shaping elements have a special doping effect and / or by their chosen length that the coupled light of a transformation un is trained in such a way that from a small beam cross-sectional area with numerical Aperture from 0.05 to 0.25 a larger beam cross-sectional area with a smaller aperture is made or vice versa. In a special embodiment, the coupling element contains ment as a beam-shaping element one or more gradient index lenses and / or one or multiple gradient index multimode optical fibers.
Das in einem erfindungsgemäßen Koppelelement enthaltene strahlformende Element ist derart gestaltet, daß es den mit kleiner Strahlquerschnittsfläche in der Lichtleitfaser propagie renden Lichtstrahl in einen kollimierten Lichtstrahl mit größerer Strahlquerschnittsfläche transformiert. Diese Lichtstrahltransformation ist durch das Profil des Brechungsindex und/oder die Länge des strahlformenden Elementes eingestellt.The beam-shaping element contained in a coupling element according to the invention is designed in such a way that it propagates with a small beam cross-sectional area in the optical fiber beam into a collimated light beam with a larger beam cross-sectional area transformed. This light beam transformation is due to the profile of the refractive index and / or the length of the beam-shaping element is set.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Verbund aus Lichtleitfaser und strahlformendem Element eines Koppelelementes in einer Ferrule für Stecker oder gegebenenfalls für Buchsen befestigt. Dies erhöht die mechanische Stabilität des Verbundes und erleichtert somit auch die Handhabung und Montage. In einer besonderen Ausführungsform ist der Verbund aus Lichtleitfaser und strahlformendem Element eines Koppelelements in einer innen speziell nach den geometrischen Abmessungen des Verbunds aus Lichtleitfaser und strahlformen dem Element geformten Ferrule befestigt ist. Dies garantiert eine noch bessere mechanische Fixierung des Verbundes in der Ferrule. Ferner ist die Lichtleitfaser zur Zugentlastung an meh reren Stellen befestigt. Zur Befestigung wird vorzugsweise Kleber eingesetzt, der zufolge Wärmeeintrag oder UV-Bestrahlung oder aufgrund der besonderen Klebermischung schon bei Raumtemperatur aushärtet.In a further embodiment, the composite is made of optical fiber and beam-shaping Element of a coupling element in a ferrule for plugs or if necessary for sockets attached. This increases the mechanical stability of the composite and thus also makes it easier handling and assembly. In a special embodiment, the composite is made of Optical fiber and beam-shaping element of a coupling element in a special inside according to the geometric dimensions of the composite of optical fiber and beam shapes the element shaped ferrule is attached. This guarantees an even better mechanical Fixing the bond in the ferrule. Furthermore, the optical fiber for strain relief is meh other places attached. Glue is preferably used for attachment, according to Heat input or UV radiation or due to the special adhesive mixture cures at room temperature.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtleitfaser entlang ihrer gesamten Länge in Kle ber eingelagert. Dies garantiert höchstmögliche Zugentlastung und mechanische Stabilität.In a further embodiment, the optical fiber is in Kle along its entire length stored over. This guarantees the highest possible strain relief and mechanical stability.
Bei einer weiteren Ausführungsform zur Herstellung eines Koppelelementes wird ein Präge verfahren benutzt, bei dem die Faser oder der Verbund aus Faser und strahlformendem Ele ment justiert und fixiert wird. Die Justage erfolgt dadurch, daß ein die Faser oder den Ver bund aus Faser und strahlformendem Element umhüllendes formbares Material so geprägt wird, daß die Faser bzw. der Verbund aus Faser und strahlformendem Element von diesem Material ganz eng umschlossen wird, so daß ein exakte Führung der Faser bzw. dem Ver bund aus Faser und strahlformendem Element erzielt wird.In a further embodiment for producing a coupling element, an embossing used process in which the fiber or the composite of fiber and beam-shaping ele ment is adjusted and fixed. The adjustment takes place in that the fiber or the Ver This is how embossed formable material encased in fiber and jet-forming element is shaped is that the fiber or the composite of fiber and beam-shaping element of this Material is very tightly enclosed, so that an exact guidance of the fiber or the Ver bundle of fiber and beam-shaping element is achieved.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird durch ein Nachprägeverfahren und mittels akti ver Positionierung der Faserkern bzw. die optische Achse des strahlformenden Elements mit tig in Bezug auf die Ferrule ausgerichtet; ein etabliertes Verfahren dafür ist das Faserkernzen trierverfahren der Firma DIAMOND. Nach der Justage folgt die Fixierung, wozu bervorzug termaßen Kleber verwendet wird. Dabei wird verfahrensmäßig so vorgegangen, daß auf der Stirnfläche des Koppelelementes keine Kleberreste zurückbleiben. Ferner befindet sich nach der erfolgten Fixierung auf den an die Stirnfläche angrenzenden Mantelaußenflächen des strahlformenden Elements auch kein Kleber. Dadurch ist sichergestellt, daß aufgrund der hohen Leistungen bzw. aufgrund von in den Mantelbereich abgestrahltem Licht, etwa in folge von Überstrahlung oder Dejustage in einer Anordnung von Koppelelementen, kein Kle ber verdampfen und sich auf der Stirnfläche niederschlagen kann, was letztlich die Zerstö rung der Stirnfläche zur Folge hätte.In an additional embodiment, an embossing process and by means of acti ver positioning of the fiber core or the optical axis of the beam-shaping element aligned with the ferrule; An established process for this is fiber coreing DIAMOND process. After the adjustment, the fixation follows, which is preferable adhesive is used. The procedure is that the No adhesive residues remain on the end face of the coupling element. Also located after the fixation on the outer surface adjacent to the front surface of the jet-shaping element also no glue. This ensures that due to the high powers or due to light radiated into the cladding area, for example in follow from overexposure or misalignment in an arrangement of coupling elements, no Kle Vaporize and deposit on the face, which ultimately destroys end face.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Kopplung hochintensiver Lichtstrahlung enthält licht zuführende und lichtaufnehmende Koppelelemente, wobei ein Koppelelement eine Lichtleit faser und ein strahlformendes Element mit einer ersten und einer zweiten Koppelfläche ent hält, und wobei der Kernbereich einer Faserendfläche der Lichtleitfaser durch Verschweißung mit der ersten Koppelfläche des strahlformenden Elements stoffschlüssig verbunden ist, und ferner die Lichtstrahlungsquerschnittsfläche in der zweiten Koppelfläche des strahlformenden Element größer ist als die Lichtstrahlungsquerschnittsfläche in der ersten Koppelfläche des strahlformenden Elements.The arrangement according to the invention for coupling high-intensity light radiation contains light feeding and light-receiving coupling elements, wherein a coupling element is a light guide fiber and a beam-shaping element with a first and a second coupling surface ent holds, and wherein the core portion of a fiber end face of the optical fiber by welding is integrally connected to the first coupling surface of the beam-shaping element, and also the light radiation cross-sectional area in the second coupling surface of the beam-shaping Element is larger than the light radiation cross-sectional area in the first coupling area of the beam-shaping element.
In einer Ausführungsform der Anordnung ist die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Lichtleitfaser und der ersten Koppelfläche des strahlformenden Elements in ihren optischen Eigenschaften als ein stetiges Stoffsystem ausgebildet.In one embodiment of the arrangement, the integral connection between the Optical fiber and the first coupling surface of the beam-shaping element in their optical Properties formed as a continuous material system.
In einem lichtzuführenden Koppelelement wird Lichtstrahlung durch die Lichtleitfaser in Rich tung auf das strahlformende Element transportiert, an der Verbindungsstelle zu diesem wird die Lichtstrahlung von der Lichtleitfaser in das strahlformende Element an der Einkoppelflä che eingekoppelt und dort der Strahldurchmesser aufgeweitet, so daß es zu einer Verringe rung der Strahlleistungsdichte kommt. Schließlich verläßt die Lichtstrahlung das strahlfor mende Element des lichtzuführenden Koppelelements an der Auskoppelfläche. Dieses aus einem lichtzuführenden Koppelelement ausgetretene Licht wird in ein lichtaufnehmendes Koppelelement eingekoppelt. Genauer gesprochen wird das Licht in das strahlformende Element des lichtaufnehmenden Koppelelementes eingekoppelt. In diesem strahlformenden Element wird die eingekoppelte Lichtstrahlung auf den Kernbereich der mit diesem strahl formenden Element verbundenen Lichtleitfaser fokussiert, wo die Lichtstrahlung in diese das Licht abführende Lichtleitfaser eingekoppelt wird.In a light-feeding coupling element, light radiation is directed through the optical fiber in Rich device is transported to the beam-shaping element at the connection point to it the light radiation from the optical fiber into the beam-shaping element on the coupling surface che coupled in and there expanded the beam diameter, so that it to a ring beam power density comes. Finally, the light radiation leaves the beam mende element of the light-feeding coupling element on the decoupling surface. This out A light-feeding coupling element is converted into a light-receiving Coupling element coupled. More precisely, the light is transformed into the beam-shaping one Coupled element of the light-receiving coupling element. In this beam-shaping Element is the coupled light radiation on the core area with this beam optical fiber forming element focused where the light radiation into this the Light-dissipating optical fiber is coupled.
In einer Ausführungsform der Erfindung enthalten die lichtzuführenden und die lichtauf nehmenden Koppelelemente Singlemode-Lichtleitfasern. In einer anderen Ausführungsform enthalten die lichtzuführenden und die lichtaufnehmenden Koppelelemente Multimode- Lichtleitfasern. Ferner enthalten die lichtzuführenden und die lichtaufnehmenden Koppele lemente als strahlformendes Element vorzugsweise Gradienten-Index-Multimode-Lichtleitfa sern oder Gradienten-Index-Linsen.In one embodiment of the invention, the light supply and the light contain taking coupling elements singlemode optical fibers. In another embodiment contain the light-feeding and light-receiving coupling elements multimode Optical fibers. Also contain the light-feeding and light-receiving couplers elements as a beam-shaping element, preferably gradient index multimode light guide or gradient index lenses.
Weiterhin ist das in einem lichtzuführenden Koppelelement enthaltene strahlformende Ele ment derart gestaltet, daß eine Strahlquerschnittsaufweitung und Kollimierung des von der lichtzuführenden Lichtleitfaser in das strahlformende Element eingekoppelten Lichtes erfolgt. Furthermore, the beam-forming element contained in a light-feeding coupling element ment designed such that a beam cross-section expansion and collimation of the light-feeding optical fiber is coupled into the beam-shaping element.
Die kollimierte Lichtstrahlung ist in besonderer Weise dazu geeignet, die Justiertoleranzen zwischen lichtzuführendem und lichtaufnehmendem Koppelelement zu verbessern und die Lichtstrahlungsverluste an diesem Kopplungsübergang zu verringern.The collimated light radiation is particularly suitable for adjusting tolerances to improve between light-supplying and light-receiving coupling element and the To reduce light radiation losses at this coupling transition.
Weiter ist das in einem lichtaufnehmenden Koppelelement enthaltene strahlformende Ele ment derart gestaltet, daß eine Fokussierung des eingekoppelten, kollimierten und aufgewei teten Lichtstrahles auf die Lichtleitfaser im lichtaufnehmenden Koppelelement erfolgt. Dies erfolgt durch bestimmte Einstellung des Profils des Brechungsindex oder/und die Länge des strahlformenden Elementes.Next is the beam-forming element contained in a light-receiving coupling element ment designed so that a focus of the coupled, collimated and evidenced teten light beam on the optical fiber in the light-receiving coupling element. This is done by setting the profile of the refractive index or / and the length of the beam-shaping element.
In einer bevorzugten Ausführung enthält die erfindungsgemäße Anordnung ein einziges lichtzuführendes Koppelelement und ein einziges lichtaufnehmendes Koppelelement. In einer weiteren Ausführungsform enthält das lichtzuführende und das lichtaufnehmende Koppele lement die gleichen strahlformenden Elemente.In a preferred embodiment, the arrangement according to the invention contains a single one light-feeding coupling element and a single light-receiving coupling element. In a Another embodiment contains the light-feeding and the light-receiving coupling element the same beam-shaping elements.
Ferner sind bevorzugtermaßen die strahlformenden Elemente des lichtzuführenden Koppe lelementes und des lichtaufnehmenden Koppelelementes zur Erlangung hoher Kopplungs grade entlang ihrer optischen Achse ausgerichtet; wobei sich die jeweiligen Auskoppelflä chen der Koppelelemente in unmittelbarer Nähe gegenüberstehen oder berühren. Die berüh rende Kopplung ("physical contact") bewirkt höhere Kopplungsgrade und damit geringe Dämpfungswerte, stellt jedoch noch höhere Anforderungen an die Sauberkeit der sich be rührenden Kopplungsflächen. Bevorzugtermaßen sind die Kopplungsflächen leicht ballig po liert, wodurch gewährleistet ist, daß die Berührung der Kopplungsflächen auf und in der Umgebung der optischen Achse sicher erreicht wird.Furthermore, the beam-shaping elements of the light-feeding coupling are preferred lelementes and the light-receiving coupling element to achieve high coupling just aligned along its optical axis; where the respective Auskoppelflä face or touch the coupling elements in the immediate vicinity. The touch rende coupling ("physical contact") causes higher coupling levels and thus low Damping values, however, places even higher demands on the cleanliness of the be moving coupling surfaces. The coupling surfaces are preferably slightly convex liert, which ensures that the contact of the coupling surfaces on and in the Environment of the optical axis is safely reached.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind das lichtzuführende Koppelelement und das lichtaufnehmende Koppelelement jeweils in einen Stecker integriert. Die beiden Stecker sind ferner über ein Zwischenstück lösbar verbunden.In a preferred embodiment, the light-feeding coupling element and light-absorbing coupling element integrated into a connector. The two plugs are further releasably connected via an intermediate piece.
In einer weiteren Erfindung ist das lichtzuführende Koppelelement oder das lichtaufneh mende Koppelelement in einem Stecker integriert. Das jeweils andere Koppelelement ist da gegen in eine Buchse eingebaut. Stecker und Buchse sind dabei so aufeinander abgestimmt ausgestaltet, daß durch eine lösbare Verbindung von Stecker mit Buchse die gewünschte Kopplung von lichtzuführendem Koppelelement in das lichtaufnehmende Koppelelement hergestellt wird.In a further invention, the light-feeding coupling element or the light-receiving element mende coupling element integrated in a connector. The other coupling element is there against installed in a socket. The plug and socket are matched to each other designed that the desired by a releasable connection of plug with socket Coupling of the light-feeding coupling element into the light-receiving coupling element will be produced.
Eine andere erfindungsgemäße Anordnung enthält ein einziges lichtzuführendes Koppelele ment und mehrere lichtaufnehmende Koppelelemente. Vorzugsweise sind je nach Geometrie der Koppelelemente diese so angeordnet, daß die Kopplungsgrade möglichst hoch sind.Another arrangement according to the invention contains a single light-feeding coupling element ment and several light-absorbing coupling elements. Are preferred depending on the geometry the coupling elements arranged so that the coupling degrees are as high as possible.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Koppelelementes wird der Kernbereich einer End fläche der Lichtleitfaser mit einer ersten Koppelfläche des strahlformenden Elements stoff schlüssig verschweißt. Die so erzeugte Verbindung ist zudem mechanisch fest und stabil.To produce a coupling element according to the invention, the core area becomes an end surface of the optical fiber with a first coupling surface of the beam-forming element fabric welded conclusively. The connection created in this way is also mechanically strong and stable.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kernbereich einer Endfläche der Lichtleitfaser mit der ersten Koppelfläche des strahlformenden Elements zu einem in seinen optischen Eigenschaften stetigen Stoffsystem stoffschlüssig verschweißt.In a further embodiment of the method according to the invention, the core area an end face of the optical fiber with the first coupling face of the beam-shaping element welded to a material system that is constant in its optical properties.
Die Energie zur Verschweißung durch Verschmelzung wird in einer Ausführungsform der Erfindung durch eine Glimmentladung an die Verbindungsstelle zwischen dem Kernbereich der Lichtleitfaser und der ersten Koppelfläche des strahlformenden Elements gebracht.The energy for welding by fusion is in one embodiment of the Invention by a glow discharge at the junction between the core area the optical fiber and the first coupling surface of the beam-shaping element.
Bevorzugtermaßen wird die Glimmentladung von außen durch ein konventionelles Faser- Spleißgerät bereitgestellt.The glow discharge is preferably carried out from the outside by a conventional fiber Splicer provided.
In einer anderen Ausführungsform, wird ein strahlformendes Element verwendet, wobei die ses den gleichen Außendurchmesser wie die lichtzuführende Lichtleitfaser aufweist. Beide Komponenten werden durch ein konventionelles Faser-Spleiß-Gerät gegeneinander justiert und verschweißt. Von Vorteil bei einem erfindungsgemäßen Koppelelement ist insbesondere die Verwendung einer Gradienten-Index-Multimode-Lichtleitfaser oder einer Gradienten-In dex-Linse als strahlformendes Element.In another embodiment, a beam-shaping element is used, the it has the same outer diameter as the light-feeding optical fiber. Both Components are adjusted against each other using a conventional fiber splicer and welded. A coupling element according to the invention is particularly advantageous the use of a gradient index multimode optical fiber or a gradient in dex lens as a beam-shaping element.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird die Energie zur Ver schweißung durch Verschmelzen durch einen Laserstrahl von außen an die Verbindungsstelle zwischen dem Kernbereich der Lichtleitfaser und der ersten Koppelfläche des strahlformen den Elements gebracht. Der Laserstrahl wird vorzugsweise durch einen CO2-Laser erzeugt, da dessen ausgesandtes Licht aufgrund seiner Wellenlänge auf das Absorptionsverhalten des Glases von Lichtwellenleitern abgestimmt ist. Der CO2-Laser wird im CW-Betrieb mit Leistun gen zwischen 0,1 und 1,0 W betrieben. Die durch die Laserstrahlung in die Verbindungsstelle eingebrachte Energie bewirkt eine gleichmäßige Durchwärmung und ein definiertes Errei chen des Phasenübergangs des Glases in diesem Bereich.In a preferred embodiment of the production method, the energy for welding is brought from the outside by fusion by a laser beam to the connection point between the core region of the optical fiber and the first coupling surface of the beam-shaped element. The laser beam is preferably generated by a CO 2 laser, since its emitted light is matched to the absorption behavior of the glass by optical fibers due to its wavelength. The CO 2 laser is operated in CW mode with powers between 0.1 and 1.0 W. The energy introduced into the connection point by the laser radiation causes uniform heating and a defined achievement of the phase transition of the glass in this area.
Die Lichtleitfaser und das strahlformende Element werden vorzugsweise durch Piezo-Positi onssteller gegeneinander justiert. In einer besonderen Ausführungsform dient die Positionie rung mit Piezo-Positionsstellern der Vorpositionierung aufgrund bekannter geometrischer Abmessungen. Die Feinpositionierung erfolgt dadurch, daß die Lichtleitfaser und das strahl formende Element aktiv gegeneinander justiert werden, indem die Lichtleitfaser auf ein In tensitätsmaximum positioniert wird. Dabei wird in das strahlformende Element Licht einge koppelt, welches das eingekoppelte Licht auf den Kernbereich der angeschweißten Lichtleit faser fokkusiert und dadurch Licht in diese Lichtleitfaser einkoppelt. Dieses in die Lichtleitfa ser eingekoppelte Licht wird am offenen Ende der Lichtleitfaser detektiert. Nun werden die Lichtleitfaser und das strahlformende Element derart gegeneinander justiert, daß das in die Lichtleitfaser eingekoppelte Licht einen maximalen Wert erreicht.The optical fiber and the beam-shaping element are preferably made by piezo positi adjuster adjusted against each other. In a special embodiment, the position serves tion with piezo positioners for prepositioning based on known geometric Dimensions. The fine positioning takes place in that the optical fiber and the beam forming element can be actively adjusted against each other by the optical fiber on an In intensity maximum is positioned. In doing so, light is introduced into the beam-shaping element couples the coupled light to the core area of the welded light guide fiber focuses and thereby couples light into this optical fiber. This in the Lichtleitfa This coupled light is detected at the open end of the optical fiber. Now the Optical fiber and the beam-shaping element adjusted against each other in such a way that the Optical fiber coupled light reaches a maximum value.
Der durch Verschweißung entstandene Verbund Lichtleitfaser und strahlformendes Element wird in einer anderen Ausführungsform in eine Ferrule eingebracht und fixiert. Dies bewirkt insbesondere eine mechanische Stabilisierung und den Schutz der Verbindungsstelle und der einzelnen Komponenten. Geeigneterweise weist die Ferrule eine speziell nach den geometri schen Abmessungen des Verbundes Lichtleitfaser und strahlformendes Element geformte Kavität für die Aufnahme des Verbundes auf.The combination of optical fiber and beam-shaping element created by welding is inserted and fixed in a ferrule in another embodiment. this causes in particular mechanical stabilization and protection of the connection point and the individual components. Suitably, the ferrule has a special geometry The dimensions of the composite optical fiber and beam-shaping element shaped Cavity for receiving the composite.
Die Fixierung erfolgt am besten mit Kleber, der durch eingebrachte Wärme oder UV-Licht oder allein aufgrund seiner Zusammensetzung bei Raumtemperatur aushärtet.The fixation is best done with glue, which is brought in by heat or UV light or cures at room temperature solely due to its composition.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Stirnfläche des Verbundes Fer rule/strahlformendes Element/Lichtleitfaser durch Polieren nachbearbeitet.In a further embodiment, the end face of the composite Fer rule / beam-shaping element / optical fiber reworked by polishing.
Durch das Polieren wird bei einer anderen Ausführungsform zusätzlich die Länge des strahl formenden Elementes so eingestellt, daß ein definiert kollimierter Lichtstrahl am Ausgang des strahlformenden Elementes entsteht oder der in das strahlformende Element eingekop pelte kollimierte Lichtstrahl auf den Kernbereich der angeschweißten Lichtleitfaser fokussiert wird, je nachdem, ob ein lichtzuführendes Koppelelement oder ein lichtaufnehmendes Kop pelelement hergestellt wird.In another embodiment, the polishing also increases the length of the beam shaping element set so that a defined collimated light beam at the exit of the beam-shaping element arises or that is coupled into the beam-shaping element collimated light beam focused on the core area of the welded optical fiber is, depending on whether a light-feeding coupling element or a light-receiving Kop pelelement is manufactured.
Bei einer anderen Ausführungsform zur Herstellung eines Koppelelements wird als Lichtleit faser eine Singlemode-Lichtleitfaser verwendet, die in einem ersten Schritt in einer Positio nierhülse mit einem Befestigungsmittel befestigt wird, wobei ein schutzumhüllungsfreies Teilstück der Lichtleitfaser aus der Positionierhülse herausragt und ein schutzumhüllungsbe haftetes Teilstück der Lichtleitfaser einen direkten Kontakt oder einen indirekten Kontakt über das Befestigungsmittel mit der Positionierhülse aufweist. Als Befestigungsmittel wird ein aushärtbarer Kleber verwendet. In einem weiteren Schritt wird die Positionierhülse mit befe stigter Singlemode-Lichtleitfaser in eine erste Brecheinrichtung mit definiertem Anschlag für die Positionierhülse eingelegt und das schutzumhüllungsfreie Teilstück der Lichtleiterfaser, das aus der Positionierhülse herausragt, auf eine vorbestimmte erste Länge mit Spiegelbru chendffäche zugeschnitten. Anschließend wird diese Singlemode-Lichtleitfaser an der Spie gelbruchendfläche mit einer Spiegelbruchendfläche einer Gradienten-Index-Multimodenfaser stoffschlüssig verschweißt. Vorzugsweise wird hierzu ein konventionelles Faserspleißgerät eingesetzt. Die Spiegelbruchendfläche der Gradienten-Index-Multimodenfaser ist zuvor durch eine andere Brecheinrichtung erzeugt worden. Die bevorzugte Verwendung einer Single mode-Lichtleitfaser und einer Gradienten-Index-Multimodenfaser mit gleichem Mantelau ßendurchmesser erzeugt Schweißverbindungen mit einer außerordentlich hohen Zuverlässig keit. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Positionierhülse mit daran befestigter Singlemode-Lichtleitfaser und daran angespleißter Gradienten-Index-Multimodenfaser in eine zweite Brecheinrichtung mit definiertem Anschlag für die Positionierhülse eingelegt und an schließend eine vorbestimmte zweite Länge, die größer als die erste Länge ist, zugeschnitten. Aufgrund der Anschläge bei der ersten und der zweiten Brecheinrichtung für die Positionier hülse ist sichergestellt, daß bei vorbestimmter Länge l2 der Zuschnitt mit der zweiten Brecheinrichtung im Bereich der angespleißten Gradienten-Index-Multimodenfaser erfolgt. Die vorbestimmte Länge l2 wird so gewählt, daß die nach dem Zuschnitt verbleibende Länge der angespleißten Gradienten-Index-Multimodenfaser so bemessen ist, daß der aus ihr aus tretende Lichtstahl kollimiert ist. In einem nächsten Schritt wird der Verbund aus Positionier hülse mit befestigter Singlemode-Lichtleitfaser und daran angespleißter und zugeschnittener Gradienten-Index-Multimodenfaser in eine Ferrule derart eingebracht, daß die Spiegelbru chendfläche der Gradienten-Index-Multimodenfaser in der Ebene der Stirnfläche der Ferrule liegt. Anschließend wird der Verbund in der Ferrule fixiert wird. Die Fixierung erfolgt im Be reich der schutzumhüllungsbehafteten Singlemode-Lichtleitfaser mit Kleber; die Fixierung der Gradienten-Index-Multimodenfaser nahe der Spiegelbruchendfläche der Gradienten-Index- Multimodenfaser erfolgt durch Prägung. Neben der Fixierung ist mit der Prägung auch eine Zentrierung der Spiegelbruchendfläche der Gradienten-Index-Multimodenfaser relativ zu den Ferrulenstirnabmessungen durchführbar.In another embodiment for the production of a coupling element, a single-mode optical fiber is used as the optical fiber, which is fastened in a first step in a positioning sleeve with a fastening means, with a portion of the optical fiber that does not have a protective jacket protruding from the positioning sleeve and a portion of the optical fiber that is subject to protective coverings has a direct contact or an indirect contact via the fastening means with the positioning sleeve. A hardenable adhesive is used as the fastening means. In a further step, the positioning sleeve with attached single-mode optical fiber is inserted into a first breaking device with a defined stop for the positioning sleeve, and the portion of the optical fiber that does not have a protective jacket and protrudes from the positioning sleeve is cut to a predetermined first length with mirror-breaking surface. This single-mode optical fiber is then integrally welded to the mirror-fracture end surface with a mirror-fracture end surface of a gradient index multimode fiber. A conventional fiber splicer is preferably used for this. The mirror breaking end surface of the gradient index multimode fiber has previously been generated by another breaking device. The preferred use of a single mode optical fiber and a gradient index multimode fiber with the same sheath outer diameter produces welded connections with an extremely high reliability. In a further method step, the positioning sleeve with attached singlemode optical fiber and spliced gradient index multimode fiber is inserted into a second breaking device with a defined stop for the positioning sleeve and then a predetermined second length, which is greater than the first length, is cut to size. Due to the stops in the first and the second breaking device for the positioning sleeve, it is ensured that, with a predetermined length l 2, the cutting with the second breaking device takes place in the region of the spliced gradient index multimode fiber. The predetermined length l 2 is chosen so that the length of the spliced gradient index multimode fiber remaining after cutting is dimensioned such that the light steel emerging from it is collimated. In a next step, the composite of positioning sleeve with attached single-mode optical fiber and spliced and cut gradient index multimode fiber is introduced into a ferrule such that the Spiegelbru end surface of the gradient index multimode fiber lies in the plane of the end face of the ferrule. The composite is then fixed in the ferrule. It is fixed in the area of the protective single-mode optical fiber with adhesive; the gradient index multimode fiber is fixed by embossing near the mirror breaking end surface of the gradient index multimode fiber. In addition to the fixation, the embossing can also be used to center the mirror breaking end surface of the gradient index multimode fiber relative to the ferrule end dimensions.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt die Stirn fläche des Verbundes Ferrule/Singlemode-Lichtleitfaser/Gradienten-Index-Multimodenfaser durch Polieren nachbearbeitet.In a further embodiment, the forehead is in an additional process step area of the composite ferrule / singlemode optical fiber / gradient index multimode fiber reworked by polishing.
In einem anderen Ausführungsbeispiel werden die gleichen Schritte wie bei den zwei unmit telbar zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen durchgeführt, mit dem Unterschied, daß die Länge l2 hier länger bleibt. Der Verbund aus Positionierhülse mit befestigter Singlemode- Lichtleitfaser und daran angespleißter und zugeschnittener Gradienten-Index-Multimodenfa ser wird in eine Ferrule derart eingebracht, daß ein Teilstück der Gradienten-Index-Multimo denfaser aus der Ferrule herausragt. Anschließend wird der Verbund in der Ferrule fixiert. Die Fixierung mit der Ferrule erfolgt im gesamten Bereich der Singlemode-Lichtleitfaser und der Gradienten-Index-Muitimodenfaser mit Kleber. In einem letzten Verfahrensschritt wird durch Polieren und/oder Kürzen die Länge der Gradienten-Index-Multimodenfaser so eingestellt wird, daß ein kollimierter Lichtstrahl am Ausgang der Gradienten-Index-Multimodenfaser entsteht oder ein in die Gradienten-Index-Multimodenfaser eingekoppelter kollimierter Licht strahl auf den Kernbereich der angeschweißten Singlemode-Lichtleitfaser fokussiert wird.In another embodiment, the same steps are carried out as in the two embodiments described immediately above, with the difference that the length l 2 remains longer here. The composite of positioning sleeve with attached single-mode optical fiber and spliced and cut gradient index multimode fiber is introduced into a ferrule in such a way that a portion of the gradient index multimode fiber protrudes from the ferrule. The composite is then fixed in the ferrule. The ferrule is fixed in the entire area of the single-mode optical fiber and the gradient index multi-mode fiber with adhesive. In a last process step, the length of the gradient index multimode fiber is adjusted by polishing and / or shortening such that a collimated light beam arises at the output of the gradient index multimode fiber or a collimated light beam coupled into the gradient index multimode fiber the core area of the welded-on single-mode optical fiber is focused.
Das Wesen der erfindungsgemäßen Anordnung zur Kopplung hochintensiver Lichtstrahlung durch Koppelelemente bzw. Steckverbinder und das Verfahren zu deren Herstellung besteht darin, daß die zuführende Faser mit einem Gradienten-Index-Element (z. B. Gradienten-Index- Multimode-Faser oder Gradienten-Index-Linse) über eine Fusionsstelle stoffschlüssig verbun den wird. An der Verbindungsstelle zweier Stecker über ein oder mehrere Zwischenstücke oder der Verbindungsstelle eines Steckers mit einer Buchse fängt das Gradienten-Index-Ele ment des lichtaufnehmenden Koppelelementes das Licht ein und fokussiert es an der Fusi onsstelle in die lichtaufnehmende Faser. Diese Faser leitet das hochintensive Licht weiter. Die stoffschlüssigen Verbindungen zwischen Faser und Gradienten-Index-Element werden durch Fusion (Verschmelzen) mittels CO2-Laser erzeugt. Diese Verbindungen widerstehen den durchstrahlenden hohen Leistungsdichten, da es sich um ein einheitliches Stoffsystem han delt. Die Leistungsdichte an der Verbindungsstelle der Stecker über Zwischenstücke oder an der Verbindungsstelle zwischen Stecker und Buchse verhält sich zur Leistungsdichte am Fa serkernaus- bzw. eintritt wie das Quadrat der reziproken Strahldurchmesser, d. h. (DKern/DVerbindung)2. Das bedeutet, daß sich mit der Gradienten-Index-Anordnung äußerst inten sive Lichtstrahlung übertragen läßt.The essence of the arrangement according to the invention for coupling high-intensity light radiation by means of coupling elements or plug connectors and the method for their production is that the supply fiber is provided with a gradient index element (eg gradient index multimode fiber or gradient index Lens) is cohesively connected via a fusion point. At the junction of two plugs via one or more intermediate pieces or the junction of a plug with a socket, the gradient index element of the light-absorbing coupling element captures the light and focuses it at the fusion point in the light-absorbing fiber. This fiber transmits the high-intensity light. The integral connections between the fiber and the gradient index element are created by fusion (fusion) using a CO 2 laser. These compounds withstand the high power densities that shine through, since it is a uniform material system. The power density at the connection point of the plug via spacers or at the connection point between plug and socket is related to the power density at the fiber core exit or entry as the square of the reciprocal beam diameter, ie (D core / D connection ) 2 . This means that extremely intense light radiation can be transmitted with the gradient index arrangement.
Ein weiterer wichtiger Vorteil bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Kopplung hochin tensiver Lichtstrahlung durch Steckverbinder besteht darin, daß hohe Leistungsdichten an der direkten Koppelstelle zwischen Fasersteckern oder zwischen Faserstecker und Faserbuchse vermieden werden. Ausfälle der Steckverbindungen durch Zerstörungen der Faserendflächen werden vermieden. Diese Kopplungsanordnungen arbeiten daher wesentlich zuverlässiger. Another important advantage with the arrangement for coupling hochin intensive light radiation through connectors is that high power densities at the direct coupling point between fiber connectors or between fiber connector and fiber socket be avoided. Failure of the plug connections due to destruction of the fiber end faces are avoided. These coupling arrangements therefore work much more reliably.
Die genutzte Aufweitung und Kollimierung der Strahlung führt gleichzeitig zu relaxierten Toleranzanforderungen an die Stecker und Zwischenstücke oder Buchsen, so daß die Vor aussetzungen für eine breite Nutzung auch außerhalb des Labor- und Entwicklungsbetriebs durch die Erfindung geschaffen wurden.The used expansion and collimation of the radiation leads to relaxed at the same time Tolerance requirements for the plugs and intermediate pieces or sockets, so that the front Exposures for widespread use outside of laboratory and development operations were created by the invention.
Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Koppelelementes liegt darin, daß durch geeig nete Ausbildung des strahlformenden Elementes der Strahlquerschnitt und die Apertur des Lichtes, das aus dem Koppelelement ausgekoppelt wird (bei einem lichtzuführenden Koppe lelement) oder das in das Koppelelement eingekoppelt wird (bei einem lichtaufnehmenden Koppelelement) einstellbar ist. Dies ist wichtig für Anwendungen, bei denen Lichtstrahlung nur auf eine genau definierte Fläche eingestrahlt werden soll oder bei denen nur Licht aus einem bestimmten Winkelbereich aufgenommen werden soll.Another advantage of a coupling element according to the invention is that by appro nete formation of the beam-shaping element of the beam cross-section and the aperture of the Light that is coupled out of the coupling element (in the case of a light-feeding coupling l element) or that is coupled into the coupling element (in the case of a light-receiving element) Coupling element) is adjustable. This is important for applications where light radiation to be irradiated only on a precisely defined area or where only light is emitted a certain angular range is to be recorded.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen an Ausführungsbeispielen be schrieben. Es zeigen:The invention will be based on drawings of exemplary embodiments wrote. Show it:
Fig. 1 erfindungsgemäße Anordnung, bestehend aus einem lichtaussendenden Koppelele ment und einem lichtaufnehmenden Koppelelement, wobei jedes Koppelelement aus einer Singlemode-Lichtleitfaser und einer Gradienten-Index-Linse besteht. Fig. 1 arrangement according to the invention, consisting of a light-emitting coupling element and a light-receiving coupling element, each coupling element consisting of a single-mode optical fiber and a gradient index lens.
Fig. 2 erfindungsgemäße Anordnung, bestehend aus einem lichtaussendenden Koppelele ment und einem lichtaufnehmenden Koppelelement, wobei jedes Koppelelement aus einer Singlemode-Lichtleitfaser und einer Gradienten-Index-Multimode-Lichtleitfaser besteht. Fig. 2 arrangement according to the invention, consisting of a light-emitting coupling element and a light-receiving coupling element, each coupling element consisting of a single-mode optical fiber and a gradient index multimode optical fiber.
Fig. 3 Steckverbindung, bestehend aus einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem lichtaussendenden Koppelelement und einem lichtaufnehmenden Koppelelement, wobei jedes Koppelelement aus einer Singlemode-Lichtleitfaser und einer Gradienten- Index-Multimode-Lichtleitfaser besteht und eines der Koppelelemente in einem Stec ker und das andere Koppelelement in einer Buchse fixiert ist. Fig. 3 connector, consisting of an arrangement according to the invention with a light-emitting coupling element and a light-receiving coupling element, wherein each coupling element consists of a single-mode optical fiber and a gradient index multimode optical fiber and one of the coupling elements in a plug and the other coupling element in a socket is fixed.
Fig. 4 Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Koppelelementes aus einer Singlemode-Lichtleitfaser und einer Gradienten-Index-Multimodenfaser gleichen Man telaußendurchmessers, das weiter in einer Ferrule derart befestigt wird, daß die freie Auskoppelfläche der Gradienten-Multimodenfaser mit der Frontseite der Ferrule bün dig abschließt. Fig. 4 method for producing a coupling element according to the invention from a single-mode optical fiber and a gradient index multimode fiber the same man telaußmessers, which is further attached in a ferrule such that the free coupling surface of the gradient multimode fiber with the front of the ferrule ends flush .
Fig. 5 Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Koppelelementes aus einer Singlemode-Lichtleitfaser und einer Gradienten-Index-Multimodenfaser gleichen Man telaußendurchmessers, das weiter in einer Ferrule derart befestigt wird, daß ein Stück der Gradienten-Multimodenfaser über die Frontseite der Ferrule hinausragt, welches in nachfolgenden Bearbeitungsschritten durch Kürzen und Polieren auf eine vorbe stimmte Länge gebracht wird. Fig. 5 method for producing a coupling element according to the invention from a single-mode optical fiber and a gradient index multimode fiber same man telaußmessers, which is further attached in a ferrule such that a piece of the gradient multimode fiber protrudes beyond the front of the ferrule, which subsequent processing steps by shortening and polishing is brought to a predetermined length.
In einem ersten Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Koppelelements, bestehend aus Lichtleitfaser (1) und Gradient-Index-Linse (3) (Fig. 1), wird eine Singlemode-Faser (1) mittels Piezo-Positionsstellern aktiv zum Zentrum der Gradienten-Index-Linse (3) an der Stelle (2) positioniert. Die Positionierung erfolgt dabei in der Weise, daß über ein Optiksystem Licht so in die gegenüberliegende Seite (4) der Gradienten-Index-Linse (3) eingekoppelt wird, daß an der mit der Singlemode-Faser (1) durch Fusion zu verbindenden Stelle (2) ein Intensitätsma ximum entsteht, das mit einem Detektor an dieser Steile gemessen wird. Nach Entfernen dieses Detektors wird die anzuschweißende Singlemode-Faser (1) nun durch den Piezo-Posi tionssteller so justiert, daß mit der in der Faser nachgewiesenen Lichtleistung die relative Po sition der Lichtleitfaser gegenüber der Gradienten-Index-Linse auf das Lichtmaximum einge stellt wird. Anschließend wird mittels CO2-Laser die zur Verschmelzung (Fusion) von Faser (1) und Gradienten-Index-Linse (3) erforderliche Lichtenergie von außen auf die Verbindungs stelle (2) eingestrahlt. Nach erfolgter Verschmelzung und Abkühlung der Verbindungsstelle wird zum mechanischen Schutz der Verbindung ein Klebertropfen aufgebracht. Die Gegen seite der Anordnung in Fig. 1: Gradienten-Index-Linse (5), Verbindungsstelle Faser/GRIN (6) und Singlemode-Faser (7) wird in gleicher Weise separat gefertigt (GRIN: Gradienten-Index). Bei der Anordnung in Fig. 1 erfolgt an der Koppelstelle (4) die Übertragung der Lichtstrahlung aus dem lichtzuführenden Koppelelement in das lichtaufnehmende Koppelelement. Die Län gen der Gradienten-Index-Linsen (3) und (5) sind so gewählt, daß an der Aus- bzw. Einkop pelfläche des jeweiligen Koppelelementes kollimierte Strahlen mit verringerter Leistungs dichte übertreten.In a first exemplary embodiment for producing a coupling element consisting of optical fiber ( 1 ) and gradient index lens ( 3 ) ( FIG. 1), a single mode fiber ( 1 ) is actively moved to the center of the gradient index by means of piezo positioners. Lens ( 3 ) positioned at the point ( 2 ). The positioning takes place in such a way that light is coupled into the opposite side ( 4 ) of the gradient index lens ( 3 ) via an optical system in such a way that at the point to be connected to the single-mode fiber ( 1 ) by fusion ( 2 ) an intensity maximum arises, which is measured with a detector at this point. After removing this detector, the single-mode fiber ( 1 ) to be welded on is now adjusted by the piezo positioner so that the relative position of the optical fiber relative to the gradient index lens is set to the light maximum with the light output detected in the fiber . Subsequently, the light energy required for the fusion (fusion) of fiber ( 1 ) and gradient index lens ( 3 ) is radiated from the outside onto the connection point ( 2 ) by means of CO 2 laser. After the fusion and cooling of the connection point, a drop of adhesive is applied to mechanically protect the connection. The opposite side of the arrangement in Fig. 1: gradient index lens ( 5 ), fiber / GRIN ( 6 ) and single-mode fiber ( 7 ) is manufactured separately in the same way (GRIN: gradient index). In the arrangement in FIG. 1, the transmission of the light radiation from the light-feeding coupling element into the light-receiving coupling element takes place at the coupling point ( 4 ). The Län conditions of the gradient index lenses ( 3 ) and ( 5 ) are chosen so that collimated beams with reduced power density pass over at the Auskop or Einkop pelfläche the respective coupling element.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Koppelelementes werden eine Singlemode-Lichtleitfaser (8) und eine Gradienten-Index-Faser (10) (Fig. 2) mit identischem Außenquerschnitt mittels konventionellem Faser-Spleiß-Gerät an der Stelle (9) verschweißt. Eine aktive Justage ist hierbei aufgrund der hohen Präzision des Equipments nicht notwen dig. Der entstandene Faserverbund wird so in eine Ferrule eingebracht und fixiert, so daß die Stirnfläche des Ferrulen/Faser-Verbundes durch Polieren nachbearbeitet werden kann. Durch diese Nachbearbeitung wird die Länge der Gradienten-Index-Faser so eingestellt, daß ein kol limierter Strahl die Gradienten-Index-Faser verläßt. Die Gegenseite der Anordnung in Fig. 2: Gradienten-Index-Faser (12), Verbindungsstelle Faser/GRIN (13) und Singlemode-Faser (14) wird in gleicher Weise gefertigt. Aus dem lichtzuführenden Koppelelement (8, 10) wird das Licht an der Koppelstelle (11) in das lichtaufnehmende Koppelelement übergeleitet.In a second exemplary embodiment for producing a coupling element, a single-mode optical fiber ( 8 ) and a gradient index fiber ( 10 ) ( FIG. 2) with an identical outer cross section are welded at the point ( 9 ) by means of a conventional fiber splicing device. Active adjustment is not necessary due to the high precision of the equipment. The resulting fiber composite is introduced and fixed in a ferrule so that the end face of the ferrule / fiber composite can be reworked by polishing. This post-processing adjusts the length of the gradient index fiber so that a collimated beam leaves the gradient index fiber. The opposite side of the arrangement in FIG. 2: gradient index fiber ( 12 ), connecting point fiber / GRIN ( 13 ) and single-mode fiber ( 14 ) is produced in the same way. The light at the coupling point ( 11 ) is transferred from the light-feeding coupling element ( 8 , 10 ) into the light-receiving coupling element.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel ist das lichtzuführende Koppelelement aus Fig. 2 in einen Stecker (15) (Fig. 3) integriert, während das lichtaufnehmende Koppelelement aus Fig. 2 in einer Buchse (16) (Fig. 3) eingebaut ist. Stecker und Buchse sind dabei so aufeinander ab gestimmt ausgebildet, daß sie eine feste aber lösbare Verbindung gestatten, wobei bei ge schlossener Verbindung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, eine größtmögliche Kopplung der Lichtstrahlung vom lichtzuführenden Koppelelement in das lichtaufnehmende Koppelele ment erzielt wird.In a third exemplary embodiment, the light-feeding coupling element from FIG. 2 is integrated in a plug ( 15 ) ( FIG. 3), while the light-receiving coupling element from FIG. 2 is installed in a socket ( 16 ) ( FIG. 3). Plug and socket are designed to each other so that they allow a firm but detachable connection, with ge closed connection, as shown in Fig. 3, the greatest possible coupling of the light radiation from the light-supplying coupling element in the light-receiving coupling element is achieved .
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Koppelelementes ist in Fig. 4 (a bis e) dargestellt. Eine Singlemode-Faser (18) wird mit einer Positionierhülse (17) versehen und mit dieser verklebt (Fig. 4a). Dabei wird die Singlemode-Faser relativ zur Positionierhülse so pla ziert, daß innerhalb der Positionierhülse ein Teil der Faser ohne Schutzumhüllung und auch ein Teil mit Schutzumhüllung (40) (englisch: coating) zu liegen kommt. Der Verbund Single mode-Faser/Positionierhülse (19) wird gemäß Fig. 4b in eine modifizierte Brecheinrichtung (20), die einen definierten Anschlag (41) für die Positionierhülse besitzt, eingelegt, und die Länge l1 der freien Faser, d. h. des aus der Positionierhülse herausragenden schutzhüllenfreien Singlemode-Faserstücks, wird präzise mit Spiegelbruch an der Stelle (21) zugeschnitten. Da nach (Fig. 4c) werden die Singlemode-Faser (18) und als strahlformendes Element eine Gra dienten-Index-Multimode-Faser (42) nach hochgenauer Justage unter definierten Bedingun gen an der Stelle (22) gespleißt (Spleiß 47), was in einem konventionellen Faserspleißgerät mit Spleißelektroden (43) erfolgt. Durch diesen Spleißvorgang entsteht zwischen der Single mode-Faser (18) und der Gradienten-Index-Multimode-Faser (42) eine stabile, stoffschlüssige Verbindung (47), welche hohen Lichtleistungen standhält. In Fig. 4c ist dabei neben der schutzumhüllungsfreien Gradienten-Index-Multimode-Faser (42) auch noch ein Stück mit Schutzumhüllung (44) gezeichnet. Der Verbund Positionierhülse/Singlemode-Faser/Gradien ten-Index-Multimodenfaser wird anschließend in eine modifizierte Brecheinrichtung (23), die im Vergleich zur Einrichtung (20) einen definierten, jedoch größeren Abstand l2 zwischen Anschlag und Ritzmeißel (45) besitzt (Fig. 4d), eingelegt, und die Länge l2 wird präzise mit Spiegelbruch zugeschnitten. Die Differenz der Längen l2 minus l1 entspricht der Länge der an die Singlemode-Faser (18) angespleißt bleibenden und als strahlformendes Element wirken den Gradienten-Index-Multimodenfaser. Der nach Zuschneiden der Länge l2 entstandene Verbund Positionierhülse/Singlemode-Faser/Gradienten-Index-Multimodenfaser als strahlfor mendes Element wird in eine Ferrule (46) eingebracht (Fig. 4e) und von hinten, d. h. von der Seite der schutzumhüllten Singlemode-Faser (40) her mit Kleber fixiert. Die Frontseite mit dem Spiegelbruch der Gradienten-Index-Multimodenfaser wird mittels Prägung zentriert und fixiert; Prägekerbe (24). Die geometrischen Abmessungen der Bohrungen der Ferrule sind so gewählt, daß an der Frontseite der Ferrule die Endspiegelbruchfläche der Gradienten-Index- Multimode-Faser (42) in einer Ebene mit der Ferrulenfrontfläche bzw. -stirnfläche liegt.Another embodiment for producing a coupling element is shown in Fig. 4 (a to e). A single-mode fiber ( 18 ) is provided with a positioning sleeve ( 17 ) and glued to it ( FIG. 4a). The single-mode fiber is placed relative to the positioning sleeve in such a way that part of the fiber without protective covering and also part with protective covering ( 40 ) comes to lie within the positioning sleeve. The composite single mode fiber / positioning sleeve ( 19 ) is inserted according to FIG. 4b into a modified breaking device ( 20 ), which has a defined stop ( 41 ) for the positioning sleeve, and the length l 1 of the free fiber, ie of The positioning sleeve of the outstanding protective sleeve-free single-mode fiber piece is precisely cut with a broken mirror at point ( 21 ). Since ( Fig. 4c), the singlemode fiber ( 18 ) and as a beam-shaping element, a gradient index multimode fiber ( 42 ) is spliced at point ( 22 ) after highly precise adjustment under defined conditions (splice 47 ), which takes place in a conventional fiber splicer with splice electrodes ( 43 ). This splicing process creates a stable, integral connection ( 47 ) between the single mode fiber ( 18 ) and the gradient index multimode fiber ( 42 ), which withstands high light outputs. In FIG. 4c, in addition to the gradient index multimode fiber ( 42 ) which is free of a protective cover, a piece with a protective cover ( 44 ) is also drawn. The composite positioning sleeve / singlemode fiber / gradient index multimode fiber is then in a modified breaking device ( 23 ), which has a defined, but larger distance l 2 between the stop and scoring tool ( 45 ) compared to the device ( 20 ) ( Fig . 4d), inserted, and the length l 2 is cut precisely with a broken mirror. The difference in lengths l 2 minus l 1 corresponds to the length of the spliced onto the single-mode fiber ( 18 ) and the gradient index multimode fiber acts as a beam-shaping element. The resulting after cutting the length l 2 composite positioning sleeve / single-mode fiber / gradient index multimode fiber as a beam-forming element is introduced into a ferrule ( 46 ) ( Fig. 4e) and from behind, ie from the side of the protective-coated single-mode fiber ( 40 ) fixed with glue. The front with the mirror break of the gradient index multimode fiber is centered and fixed by means of embossing; Embossing notch ( 24 ). The geometrical dimensions of the bores of the ferrule are selected such that the end mirror fracture surface of the gradient index multimode fiber ( 42 ) lies on the front side of the ferrule in one plane with the ferrule front surface or front surface.
In Fig. 5(a bis d) ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines Koppelele mentes dargestellt. Entsprechend Fig. 4a wird in Fig. 5a eine Singlemode-Faser (27) mit einer Positionierhülse (26) versehen und mit dieser verklebt. Dieser Verbund Faser/Positionierhülse (28) wird in eine modifizierte Brecheinrichtung (30), die einen definierten Anschlag für die Positionierhülse besitzt, eingelegt, und die Länge l1 der freien Faser wird präzise mit Spiegel bruch an der Stelle (29) zugeschnitten (Fig. 5b). Danach werden die Singlemode-Faser (27) des Verbundes aus Fig. 5b und eine Gradienten-Index-Multimodenfaser (42) als strahlfor mendes Element nach hochgenauer Justage unter definierten Bedingungen an der Stelle (31) gespleißt (verschweißt), das in einem konventionellen Spleißgerät erfolgt (Fig. 5c). Hierdurch entsteht zwischen der Singlemode-Faser (27) und der Gradienten-Index-Multimodenfaser (42) eine stabile, stoffschlüssige Verbindung (47), die hohen Lichtleistungen standhält. Dieser entstandene Verbund aus Singlemode-Faser/Positionierhülse/Gradienten-Index-Multimode- Faser wird in eine Ferrule (32) eingebracht (Fig. 5d). Der Verbund wird auf seiner gesamten Länge durch Kleber fixiert. Nach bekannten Technologien wird der aus der Ferrule herausra gende Teil der Gradienten-Index-Multimodenfaser (42) durch Kürzen und Polieren bearbei tet, wobei gezielt die Länge des strahlformenden Elementes und die Form der Endfläche der Gradienten-Index-Multimode-Faser (auch für "physical contact") einstellbar ist. Durch das Polieren werden eventuelle Kleberrückstände auf der Endfläche der Gradienten-Index-Multi modenfaser entfernt.In Fig. 5 (a to d) another embodiment for the manufacture of a Koppelele element is shown. According to Fig. 4a in Fig. 5a, a single-mode fiber ( 27 ) is provided with a positioning sleeve ( 26 ) and glued to it. This composite fiber / positioning sleeve ( 28 ) is inserted into a modified breaking device ( 30 ), which has a defined stop for the positioning sleeve, and the length l 1 of the free fiber is cut precisely with a mirror break at point ( 29 ) ( Fig . 5b). Then the single-mode fiber ( 27 ) of the composite from Fig. 5b and a gradient index multimode fiber ( 42 ) as a beam-forming element after high-precision adjustment under defined conditions at location ( 31 ) is spliced (welded), which in a conventional Splicer takes place ( Fig. 5c). This creates a stable, integral connection ( 47 ) between the single-mode fiber ( 27 ) and the gradient index multimode fiber ( 42 ), which withstands high light outputs. This resulting combination of single-mode fiber / positioning sleeve / gradient index multimode fiber is introduced into a ferrule ( 32 ) ( FIG. 5d). The entire length is fixed with glue. According to known technologies, the part of the gradient index multimode fiber ( 42 ) protruding from the ferrule is processed by shortening and polishing, the length of the beam-shaping element and the shape of the end face of the gradient index multimode fiber being targeted (also for "physical contact") is adjustable. The polishing removes any adhesive residues on the end face of the gradient index multimode fiber.
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