DE19936187A1

DE19936187A1 - Vorrichtung zur Umlenkung optischer Signale in Wellenleitern

Info

Publication number: DE19936187A1
Application number: DE1999136187
Authority: DE
Inventors: Joerg Moisel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1999-07-31
Filing date: 1999-07-31
Publication date: 2001-02-01

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine Verringerung der Lichtverluste in einer mit einem Spiegel versehenen Umlenkvorrichtung für Lichtwellenleiter. Diese besteht aus einem ersten optischen Wellenleiter mit der Breite D und einer lichtumlenkende Spiegelfläche, die das Licht in einen zweiten, üblicherweise rechtwinklig dazu angeordneten Wellenleiter mit der Breite D' umlenkt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umlenkung von Licht in Wellenleitern nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Da sich optische Signale im Wellenleiter geradlinig ausbreiten, sind bei der Anordnung von Wellenleitern auf engem Raum für die Umlenkung des Lichts natürliche Grenzen gesetzt. Für die Umlenkung werden üblicherweise gekrümmte Wellenleiter oder verspiegelte Facetten verwendet. Gekrümmte Wellenleiter haben den Nachteil, daß ein minimaler Krümmungsradius nicht unterschritten werden kann, ohne hohe Lichtleistungsverluste in Kauf nehmen zu müssen. Die Vorgaben für den Krümmungsradius hängen von der numerischen Apertur und von der Breite des Wellenleiters ab, wodurch in den meisten Fällen zu viel Platz benötigt wird. Für kompakte Lösungen besser geeignet, sind spiegelnde Facetten. Aber auch an Umlenkfacetten treten einerseits durch Überschreiten des Grenzwinkels für die Totalreflexion, andererseits aus geometrischen Gründen Verluste auf. Verluste durch Überschreiten des Grenzwinkels können durch eine Spiegelschicht beispielsweise eine Metallschicht gelöst werden. Geometrische Verluste wirken sich besonders bei den Lichtanteilen in einer Faser aus, die sich im Wellenleiter unter einem großen Winkel zur Längsachse ausbreiten.

Besonders betroffen davon ist der Lichtanteil bei Multimode Wellenleitern bei entsprechend hoher Modenzahl.

Aus der Druckschrift DE 195 01 285 C1 ist eine Anordnung zur Umsetzung optischer in elektrische Signale bekannt, bei denen das in Lichtleitfasern geführte Licht über einen Spiegel rechtwinklig umgelenkt und mit Empfangsdioden in elektrische Signale umgewandelt wird.

Zudem ist aus der Druckschrift DE 33 15 861 A1 eine Anordnung mit teildurch lässigem Spiegel bekannt, der dazu benutzt wird, das in einer Faser geführte Licht in Teilstrahlen aufzuteilen.

In Fig. 1 ist der Nachteil aller im Stand der Technik beschriebenen Anordnungen schematisch dargestellt. Das sich unter einem Winkel ϕ zur Längsachse aus breitende Licht wird ein Teil vom Spiegel so reflektiert, daß dieser Lichtanteil aus dem Wellenleiter herausgeführt wird und damit verloren geht. In Fig. 1 betrifft das beispielsweise Lichtanteile, die in der Figur als gestrichelte Pfeile dargestellt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Umlenkung optischer Signale in Wellenleitern mit minimalen Intensitätsverlusten anzugeben.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung verhindert die geometrisch bedingten Lichtverluste in einer mit einem Spiegel versehenen Umlenkvorrichtung für Lichtwellenleiter. Diese besteht aus einem ersten optischen Wellenleiter mit der Breite D und einer lichtumlenkenden Spiegelfläche, die das Licht in einen zweiten, üblicherweise rechtwinklig dazu angeordneten Wellenleiter mit der Breite D' umgelenkt. Hierzu sind die Stirnflächen des ersten und zweiten Wellenleiters unter einem Winkel 90°-ϕ zur jeweiligen Längsachse abgeschrägt. Diese Stirnflächen bilden in der von den Längsachsen aufgespannten Projektionsebene die Katheten eines rechtwinkligen Dreiecks, wobei die Spiegelfläche in diesem Dreieck die Hypotenuse darstellt. Dabei liegen die Flächennormalen beider Stirnflächen ebenfalls in der Projektionsebene. Das Verhältnis der Wellenleiterbreiten D'/D ergibt sich aus der Beziehung D'/D = (1+tanϕ)/(1-tanϕ), wobei ϕ der maximale Ausbreitungswinkel der Lichtstrahlen im Wellenleiter ist, der durch die numerische Apertur N. A. = n sinϕ des Wellenleiters gegeben ist.

Ebenso umfaßt die Erfindung eine Vorrichtung, bei der im Übergang zur Spiegelfläche SF zwischen dem ersten und zweiten Wellenleiter WL sog. adiabatische Taper AT zwischengeschaltet sind. Diese Vorgehensweise ergibt sich aus dem grundsätzlichen Zusammenhang, bei dem das Produkt der Wellenleiterbreite und dem Winkel ϕ bzw. der numerischen Apertur eine Konstante ist. Diese Beziehung hat also bei einer Aufweitung des Wellenleiters zur Folge, daß der Winkel ϕ einen geringeren Wert annimmt, wodurch dann ein geringerer Umlenkverlust resultiert. Die bevorzugte Abfolge der einzelnen Komponenten ist WL - AT - SF - AT - WL.

Ebenso können weitere Komponenten wie beispielsweise zwischen adiabatischen Taper AT und Spiegel noch verbreiterte Wellenleiter VWL angeordnet werden. Die bevorzugte Abfolge ist WL - AT - VWL - SF - VWL - AT - WL. Für eine 180° Umlenkung ist die Abfolge einer entsprechenden Kombination der Komponenten WL - AT - VWL - SF - VWL - SF - VWL - AT - WL.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auch bei besonders klei nen Krümmungsradien ein verlustfreier Übergang optischer Signale bezüglich der geometrischen Anordnung gewährleistet ist. Dies ist für die Realisierung von Wellenleiteranordnungen auf geringem Raum von Bedeutung, wie beispielsweise bei optischen backplanes, da dort optische Wellenleiter, ähnlich wie elektrische Leiterbahnen, zwischen verschiedenen Bauteilen plaziert werden müssen. Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, daß bei komplexen Schaltungsanord nungen eine mehrfache Lichtumlenkung bedenkenlos verwendet werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von vorteilhaften Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Umlenkvorrichtung ihr Lichtwellenleiter mittels einer Spiegelfläche (Stand der Technik),

Fig. 2 Erfindungsgemäße Lösung der Umlenkvorrichtung,

Fig. 3 Umlenkvorrichtung mit zwischengeschalteten adiabatischen Tapern,

Fig. 4 Umlenkvorrichtung mit zwischengeschalteten adiabatischen Tapern und verbreiterten Wellenleitern.

Die den Stand der Technik bildende prinzipielle Anordnung der Lichtumlenkung mit Spiegel ist in Fig. 1 dargestellt.

In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Anordnung des Spiegel dargestellt. Hierzu sind die Stirnflächen 4 des ersten und zweiten Wellenleiters unter einem Winkel 90°-ϕ zur jeweiligen Längsachse abgeschrägt. Damit wird bewirkt, daß sich die unter einem Winkel ϕ ausbreiten den Lichtanteile im ersten Wellenleiter in den Randbereichen des Wellenleiters in der Weise gespiegelt werden, daß diese auch nach der Richtungsänderung in den zweiten Wellenleiter gelangen. Selbstverständlich enthält der von den Stirn flächen 4 und der Spiegelfläche 2 eingeschlossene Raum dieselben Materialien wie die Wellenleiter selbst. Als Spiegelflächen 2 werden Materialien verwendet, die das auftreffende Licht totalreflektieren. Sollte der Auftreffwinkel des Lichtes den Grenzwinkel der Totalreflexion überschreiten, werden dünne Metallspiegel flächen eingesetzt.

In Fig. 3 sind zwischen dem ersten und zweiten Wellenleiter WL 1, 3 im Über gang zur Spiegelfläche SF 2 adiabatische Taper AT 5 zwischengeschaltet. Durch die Aufweitung des Wellenleiters verringert sich der Winkel ϕ des ausbreitenden Lichts in Bezug auf die Längsachse. Dies stellt eine zusätzliche Variante zur Verringerung des Umlenkverlust dar. Die in der Figur bevorzugte Abfolge der einzelnen Komponenten ist: Erster Wellenleiter 1, adiabatischer Taper 5, Spiegelfläche 2, adiabatischer Taper 5 und zweiter Wellenleiter 3. In Fig. 4 ist zwischen den beiden adiabatischen Tapern 5 jeweils ein weiteres verbreitertes Wellenleiterstück 1' und 3' eingesetzt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer 180° Umlenkung ergibt sich aus der Kombination, bei der der erste und zweite Wellenleiter WL im Übergang zur Spiegelfläche SF je einen adiabatischen Taper AT enthält, der in je einen verbreiterten Wellenleiter VWL übergeht und, daß die Spiegelflächen SF mit einem weiteren verbreiterten Wellenleiter VWL miteinander verbunden sind, mit der Abfolge WL - AT - VWL - SF - VWL - SF - VWL - AT - WL.

Aus konstruktiven Gegebenheiten können auch geringe Abweichungen des Verhältnisses D'/D der mathematischen Beziehung D'/D = (1+tanϕ)/(1-tanϕ) entstehen, die jedoch von der Erfindung mit umfaßt sind.

Claims

1. Umlenkvorrichtung für Lichtwellenleiter, die aus einem ersten optischen Wellenleiter (1) mit der Breite D über eine lichtumlenkende Spiegelfläche (2) das Licht in einen zweiten Wellenleiter (3) mit der Breite D' umgelenkt, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Stirnflächen (4) des ersten und zweiten Wellenleiters (1, 3) unter einem Winkel 90°-ϕ zur jeweiligen Längsachse abgeschrägt sind und in der von den Längsachsen aufgespannten Projektionsebene die Katheten eines rechtwinkligen Dreiecks bilden und die Spiegelfläche (2) die Hypotenuse und
- daß sich das Verhältnis der Wellenleiterbreiten D'/D aus der Beziehung D'/D = (1+tanϕ)/(1-tanϕ) ergibt, wobei ϕ der maximale Ausbreitungswinkel der Lichtstrahlen im Wellenleiter ist, der durch die numerische Apertur N. A. = n sinϕ des Wellenleiters gegeben ist.

2. Umlenkvorrichtung für Lichtwellenleiter, die aus einem ersten optischen Wellenleiter (1) mit der Breite D über eine lichtumlenkende Spiegelfläche (2) das Licht in einen zweiten Wellenleiter (3) mit derselben Breite D umgelenkt, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Wellenleiter WL (1, 3) im Übergang zur Spiegelfläche SF (2) je einen adiabatischen Taper AT (5) enthält und eine Abfolge WL - AT - SF - AT - WL ausbildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Wellenleiter WL (1, 3) im Übergang zur Spiegelfläche SF (2) einen adiabatischen Taper AT (5) enthält, der in jeweils einen verbreiterten Wellenleiter VWL (1', 3') übergeht, der in die Spiegelfläche SF (2) führt, mit der Abfolge WL - AT - VWL - SF - VWL - AT - WL.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für eine 180° Umlenkung der erste und zweite Wellenleiter WL im Übergang zur Spiegelfläche SF je einen adiabatischen Taper AT enthält, der in je einen verbreiterten Wellenleiter VWL übergeht, und daß die Spiegelflächen SF mit einem weiteren verbreiterten Wellenleiter VWL verbunden sind, mit der Abfolge WL - AT - VWL - SF - VWL - SF - VWL - AT - WL.