DE2159327B2 - Vorrichtung zur Justierung zweier optischer Bauelemente - Google Patents

Vorrichtung zur Justierung zweier optischer Bauelemente

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Justierung zweier optischer Bauelemente, von denen mindestens eines eine einzige Lichtleitfaser ist, auf einer gemeinsamen optischen Achse, zur Verwendung als Koppelglied in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem.
Die Einkopplung von Lichtenergie in optische Bauelemente, in denen nur eine geringe Anzahl von Moden ausbreitungsfähig ist, beispielsweise in Lichtleitfasern, bereitet bekanntlich große Schwierigkeiten, da die wirksame Eintritts- oder Austrittsöffnung für Lichtstrahlen bei solchen Fasern äußerst klein ist. Es ist vorgeschlagen worden, solche Kopplungen mit Hilfe von Linsenanordnungen durchzuführen, jedoch treten hierbei Modenfehlanpassungen auf, welche zu Übertragungsverlusten führen. Weiterhin ist vorgeschlagen worden, die Kopplung mittels eines Hologrammes oder eines optischen Resonators vorzunehmen, jedoch erhöhen diese zusätzlichen Koppelelemente die Gesamtkosten der Koppelanordnung. Die wirksame Eintritts- oder Austrittsöffnung von Lichtleitfasern kann zwar einem weiteren Vorschlag entsprechend durch eine Änderung des Brechungsindexverlaufs in der Lichtleitfaser im Bereich der Koppelstelle vergrößert werden, jedoch ist eine genaue Justierung der zu koppelnden Faser auch hierbei nicht zu umgehen.
Es ist ein Verfahren zur Herstellung einer faseroptischen Lichtübertragungsleitung bekannt (USA.-Patentschrift 3 004 368), die aus einer Vielzahl von Einzelfasern besteht, um ein großes Auflösungsvermögen zu erreichen. Dem Verfahren liegt die Aufgabe zugründe, eine aus vielen Einzelfasern bestehende Lichtleitanordnung, die für eine Verwendung als Gastroskop bestimmt ist und deshalb an sich flexibel sein muß, derart auszubilden, daß die Einzelfasern am Endbzw. Anfangsteil der Lichtübertragungseinrichtung unverrückbar in identischer Lage zueinander angeordnet sind, um ein am Eingang aufgenommenes Bild am Ausgang wirklichkeitsgetreu wiederzugeben. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vielzahl von Einzeifasern in ein Glasrohr eingeführt, zusammen mit diesem erhitzt und zu einem aus einer Vielzahl von gegeneinander unverrückbar festgelegten Einzelfasern bestehenden Lichtleitkabel ausgezogen. Dieses bereits bekannte Verfahren bietet jedoch keinen Hinweis zur
Lösung des der Erfindung zugrundeliegenden Problems.
Es ist ein optisches Verbindungsglied bekannt (britische Patentschrift 1017 354 und österreichische Patentschrift 244 626), das zur Kopplung lichtleitender und/oder lichtspendender Elemente unterschiedlicher Querschnitte dient. Dieses Verbindungsglied hat eine rotationssymmetrisch zu den miteinander zu koppelnden Elementen angeordnete Reflexionsfläche, die mindestens teilweise im wesentlichen die Form eines koaxial zu dem ersten und dem zweiten Element angeordneten Ellipsoides hat, dessen einer Brennpunkt in einer Stirnfläche des zweiten Elementes liegt. Ein derartiges Verbindungsglied ist zunächst ein zusätzliches teures optisches Bauelement. Wenngleich dieses Verbindungsglied offensichtlich zur Kopplung von Elementen mit relativ großer Lichteintrittsfläche, beispielsweise von aus einer Vielzahl von Einzelfasern bestehenden Lichtleitern geeignet ist, dürfte eine Herstellung eines derartigen Verbindungsgliedes in den für die Verbindung von Einzelfasern, beispielsweise Monomodefasern, erforderlichen Abmessungen nicht möglich sein. Eine Anwendung eines derartigen Verbindungsgliedes in einem breitbandigen optischen Nachrichtenübertragungssystem ist weiterhin deshalb nicht angebracht, weil sich durch unterschiedliche Lichtausbreitungswege in diesem Verbindungsglied Signalverzerrungen ergeben können.
Es ist eine optische Kopplung für faserartige transparente Lichtleiter, insbesondere konvergente Lichtleiter, deren Brechungsindex von der Achse radial zur Oberfläche abnimmt, bekannt (deutsche Offenlegungsschrift 1 941 923). Die optische Kopplung besteht aus einer Linse, die den gleichen Brechungsindexgradienten aufweist wie die Lichtleiter und die in bestimmten beiderseitigen Abständen gegenüber den benachbarten rindflächen zweier Lichtleiter angeordnet ist, deren optische Achse in der optischen Achse der Linse liegt. Diese Kopplung eignet sich offensichtlich nur zur Verbindung der sehr speziellen Klasse von konvergenten Lichtleitern. Über die Möglichkeit einer Kopplung von Lichtleitern mit beispielsweise abruptem Übergang zwischen Kern- und Mantelbereich ist in dieser Druckschrift nichts ausgesagt. Die für die Kopplung erforderliche Linse ist wiederum ein sehr spezielles und teures optisches Bauelement. Für die beabsichtigte Wirkungsweise dieser Kopplung ist weiterhin eine genau vorgeschriebene Justierung zwischen der Linse und den angekoppelten. Lichtleitern wesentlich. Die Druckschrift enthält keine Lehre, auf welche Weise 5c eine derartig genaue Justierung auf einfache Weise erzielt werden könnte.
Es ist ein flexibles Verbindungsstück zur Verwendung in einer optischen Nachrichtenübertragungsstrecke mit kohärentem Licht bekannt (USA.-Patent- schrift 3 454 330). Die Übertragungsstrecke bestellt dabei aus Hohlrohren, durch die ein kohärenter Lichtstrahl geleitet wird, und die im allgemeinen möglichst geradlinig ausgerichtet sind. Um das kohärente Licht auch bei Versetzungen oder Krümmungen der Rohrleitung weiterleiten zu können, wird eine Anordnung von Flüssigkeitsprisrnen vorgesehen. Beim Passieren dieser Prismenanordinung wird der kohärente Lichtstrahl in die gewünschte neue Richtung abgelenkt. Diese Patentschrift gibt keinen Hinweis zur Lösung des der Erfindung zugrundeliegenden Problems.
Es ist eine Kopplungsvorrichtung zur Verbindung von Teilstücken eines aus einer Vielzahl von Einzelfasern bestehenden Lichtleitkabels bekannt (USA.-Patentschrift 3 455 625), bei der jeweils die Enden der Teilstücke mit Außengewinde- tragende Hülsen umgeben sind. Durch eine auf die Hülsen aufschraubbare Überwurfmutter können jeweils zwei Teilstücke miteinander verbunden werden. Durch eine mit einer Schraube verschließbare Bohrung in der Überwurfmutter kann zusätzlich eine reflexvermindernde Flüssigkeit zwischen die Stirnflächen der angekoppelten Lichtleiterstücke eingebracht werden. Diese Kopplungsvorrichtung dient zur Kopplung eines Kabels aus einer Vielzahl von Einzelfasern; sie ist nicht geeignet zur Kopplung von Einzelfasern. Zudem ist offensichtlich nur eine Justierungsmöglichkeit in Richtung der Längsachsen der Kabel gegeben, während eine für die Ankopplung von Einzelfasern unbedingt erforderliche Justierungsmögüchkeit in radialer Richtung ausgeschlossen ist.
Weiterhin ist eine Vorrichtung zum Einführen einer Buchse in eine zur Mittelachse exzentrisch liegende Bohrung bekannt (deutsches Gebrauchsmuster 1 924 190), wodurch beispielsweise im Turbinenbau ein Vorsatz zwischen Gehäuseober- und -unterteil ausgeglichen werden kann.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe eine einfache und sichere Justierung zweier optischer Bauelemente auf einer gemeinsamen optischen Achse möglich ist und die in Nachrichtenübertragungssystemen als billig herzustellendes Koppelglied eingebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die optischen Bauelemente in einem festen Abstand (T1, r2) um räumlich gegeneinander versetzte Achsen (o,, ab), deren gegenseitiger konstanter Abstand d innerhalb der durch die Randbedingung I rx — /"2 ! < d < ί rx + r2 I festgelegten Grenzen liegt, drehbar angeordnet sind und daß Mittel vorgesehen sind, die optischen Bauelemente in der durch die Justierung herbeigeführten optimalen gegenseitigen Ausrichtung fest einzustellen.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind darin zu sehen, daß die Justierung der beiden optischen Bauelemente auf einer gemeinsamen optischen Achse mit einer nahezu beliebig hohen Genauigkeit und einem verhältnismäßig geringen Zeitaufwand erreicht werden kann. Durch die im Hauptanspruch festgelegte Randbedingung wird zudem erreicht, daß die optimale Justierungsposition mit Sicherheit einstellbar ist.
Die Erfindung soll im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Fig. 1 bis näher erläutert werden.
In Fig. 1 und 2 ist eine Vorrichtung zur Justierung der beiden optischen Bauelemente 1, 2 dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse3, vorzugsweise in Form eines Kreiszylinders, in das voneinander gegenüberliegenden Seiten her gegeneinander versetzte Bohrungen eingebracht sind. In diese Bohrungen sind die Führungsstifte 4 und 5 eingeführt, welche zumindest um ihre Drehachse a4 und O5 während des Justiervorgangs frei beweglich sind. Durch Drehen der Führungsstifte 4 und 5 können die optischen Bauelemente 1, 2 entsprechend F i g. 2 auf Kreisen mit den Radien i\ und r2 um die Achsen α, und a5 geführt werden. Die Mittelpunkte der Kreise müssen dabei einen Abstand voneinander aufweisen, der innerhalb der durch die Randbedingung j ι\ — r21 S d s | rx + r2 j festgelegten Grenzen liegt. Aus den Fig. 3 bis 5 läßt sich anschau-
[ich erkennen, in weichen Positionen eine Überdeckung der optischen Bauelemente 1, 2 in der Zeichenebene, d. h. also eine Justierung auf einer gemeinsamen optischen Achse, möglich ist. dmn in Fig. 3 ist beispielsweise der kleinste, dmax in Fig. 5 der größte Abstand, den die beiden Achsen o., und ab voneinander noch einnehmen dürfen. Die Verhältnisse für einen zwischen diesen Extremen liegenden Fall {d = C1) sind in der dazwischen liegenden Fig. 4 dargestellt.
Die Justierung kann sowohl durch Drehen beider Führungsstifte in einem fest gehaltenen Gehäuse als auch durch Drehen des Gehäuses um die Drehachse eines fest gehaltenen Führungsstiftes im Zusammenwirken mit einer Drehung des anderen Führungsstiftes um dessen Achse erfolgen. Im letzteren Fall ist es vorteilhaft, das Gehäuse schnell rotieren zu lassen und den anderen Führungsstift währenddessen langsam um seine Achse zu drehen.
Zum Abschluß des Justiervorganges müssen die optischen Bauelemente noch in ihrer optimalen gegenseitigen Ausrichtung arretiert werden. Dies kann beispielsweise durch mechanischen Andruck erfolgen, etwa in der Weise, daß das Gehäuse während des Justiervorgangs kurzzeitig durch eine Heizvorrichtung erwärmt wird. 1st die Justierung abgeschlossen, wird die Heizvorrichtung entfernt und das Gehäuse schrumpft mit zunehmender Abkühlung so weit zusammen, bis die beiden Führungsstifte fest eingespannt sind. Neben dieser Schrumpfanpassung sind jedoch auch noch andere Verfahren wie z. B. Löten, Schweißen, Klemmen oder Kleben zum Befestigen der Führungsstifte im Gehäuse zu erwähnen.
Unter den optischen Bauelementen sind in erster Linie solche zu verstehen, die eine kleine Eintritts- oder Austrittsöffnung für Lichtstrahlen aufweisen. Hierunter fallen Laserdioden oder Fotodioden oder auch Lichtleitfasern, d. h. also Bauelemente, die vorteilhaft in optischen Nachrichtenübertragungssystemen eingesetzt werden können. Die erfindungsgemäße Justiervorrichtung läßt sich in optischen Übertragungssystemen auch zugleich als Koppelglied verwenden, wobei insbesondere hervorzuheben ist, daß eine solche Verbindung jederzeit wieder gelöst und das Koppelglied auch jederzeit wieder verwendet werden kann.
Weist ein optisches Bauelement einen sehr kleinen Durchmesser auf, beispielsweise etwa 100 μ, so ist es schwierig, eine zur Aufnahme dieses Bauelementes dienende Bohrung mit entsprechendem Innendurchmesser in den Führungsstift einzubringen. Hier kann aber dadurch Abhilfe geschaffen werden, daß eine Bohrung größeren Durchmessers in den Führungsstift eingebracht und das optische Bauelement, beispielsweise eine Lichtleitfaser, zumindest in der Nähe des: zu koppelnden Endteils der Faser durch einen Kleber in der Bohrung befestigt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Faser in eine Kapillare einzuführen und die Bohrung im Führungsstift auf den Außendurchmesser dieser Kapillare abzustimmen.
Zweckmäßig ist es, die zu koppelnden optischen Bauelemente bezüglich ihrer numerischen Apparatur einander anzupassen. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß eine Laserdiode oder Fotodiode (Fig. 6) innerhalb ihres Führungsstiftes zunächst optisch an eine· Lichtleitfaser 7 gekoppelt wird und diese Faser dann erst durch die Justiervorrichtung auf eine andere Lichtleitfaser 8, welche beispielsweise zur Weiterleitung der Lichtenergie über eine große Entfernung dienen soll, gekoppelt wird. Zur Verringerung von Kopplungsverlusten können die Lichtleitfasern noch im Bereich ihrer Koppelenden z. B. durch eine thermische Behandlung derart in ihrem Brechungsindexverlauf verändert werden, daß sich hierdurch eine wirksame Eintrkts- oder Austrittsöffnung für die Lichtstrahlen ergibt, die größer ist als der Querschnitt des totalreflcktierenden Kerns im übrigen Teil der Faser. Eine weitere Verbesserung des Koppelwirkungsgrades kann erzielt werden, wenn der zwischen den zu koppelnden optischen Bauelementen liegende Bereich mit einer reflexmindernden Substanz, vorzugsweise einem Immersioiisöl, ausgefüllt ist.
Die Justierung der beiden optischen Bauelemente kann auf einfache Weise dadurch kontrolliert werden, daß ein Lichtstrahl über eines der beiden Bauelemente in die Justiervorrichtung geleitet und die in das andere Bauelement wieder eingekoppelte Lichtintensität gemessen wird. In einem optischen Nachrichtenübertragungssystem läßt sich eine solche Messung beispielsweise in der Weise durchführen, daß die Lichtenergie an einer Verptärkerstation entnommen, dann über ein anderes Kabel, etwa dem Versorgungskabel für die Verstärkerstation zur Justiervorrichtung zurückgeführt und dort mit der Energie des eingestrahlten Lichtsirahls verglichen wird. Es ist aber auch möglich, die Lichtleitfasern durch eine reversible Krümmung lichtdurchlässig zu machen und das dabei austretende Licht beispielsweise schon unmittelbar hinter der Justiervorrichtung zu messen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Justierung zweier optischer Bauelemente, von denen mindestens eines eine einzige Lichtleitfaser ist, auf einer gemeinsamen optischen Achse, zur Verwendung als Koppelglied in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Bauelemente (1, 2) in einem festen Abstand (rx, r») um räumlich gegeneinander versetzte Achsen (α4, α5), deren gegenseitiger konstanter Abstand // innerhalb der durch die Randbedingung Jr1 — r2| S d S I T1 + r2 I festgelegten Grenzen liegt, drehbar angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die optischen Bauelemente (1, 2) in der durch die Justierung herbeigeführten optimalen gegenseitigen Ausrichtung fest einzustellen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der optischen Bauelemente (1,2) kreiszylindrische Führungsstifte vorgesehen sind, die im Abstand (rx oder r2) von ihrer Längsachse (a4, a5) in zumindest einer ihrer beiden Stirnflächen eine öffnung und/oder eine durch den Führungsstift hindurch verlaufende Bohrung aufweisen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Führungsstifte ein Gehäuse vorgesehen ist, in das von zwei einander gegenüberliegenden Seiten her parallel zueinander verlaufende und um den Abstand d gegeneinander versetzte Bohrungen eingebracht sind, deren Durchmesser derart gewählt ist, daß die Führungsstifte während des Justiervorgangs zumindest um ihre Drehachse (a.:, a5) frei beweglich sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der optischen Bauelemente (1, 2) eine Laserdiode ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eines der optischen Bauelemente (1, 2) eine Fotodiode ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser zur Erhöhung der wirksamen Eintritts- oder Austrittsfläche für die Lichtstrahlen in dem zur Justierung verwendeten Endstück der Faser einen vom übrigen Teil der Faser abweichenden Brechungsindexverlauf aufweist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die durch einen Führungsstift hindurch verlaufende Bohrung eine Kapillare zur Aufnahme einer Lichtleitfaser eingesetzt ist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung optischer Bauelemente von im wesentlichen gleicher numerischer Apparatur für die Justierung der optisch wirksame Bereich der Laserdiode oder Fotodiode innerhalb des Führungsstiftes optisch auf eine kurze Lichtleitfaser gekoppelt ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den optischen Bauelementen (1, 2) liegende Bereich mit einer reflexmindernden Substanz, vorzugsweise Immersionsöl, ausgefüllt ist.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstifte nach dem Justiervorgang durch mechanischen Andruck fest mit dem Gehäuse verbunden sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstifte während des Justiervorgangs durch Erwärmung des Gehäuses zumindest um ihre Drehachsen (o4, aä) frei beweglich und nach der Abkühlung fest im Gehäuse eingespannt sind.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zumindest während des Justiervorgangs um eine der beiden Achsen (a4, a5) drehbar angeordnet ist.
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