DE2345273A1

DE2345273A1 - Verfahren zum verbinden von lichtleitern, sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2345273A1
Application number: DE19732345273
Authority: DE
Inventors: Louis Philippe Boivin
Original assignee: Bell Northern Research Ltd
Current assignee: Nortel Networks Technology Corp
Priority date: 1972-09-08
Filing date: 1973-09-07
Publication date: 1974-03-21
Also published as: GB1449156A; SE391588B; JPS50112050A; FR2199129A1; FR2199129B1; CA969744A; NL7312353A

Description

24398 s/ba

Bell-Northern Research Ltd., Ottawa, Ontario / Kanada

'Verfahren zum Verbinden von Lichtleitern sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von Lichtleitern sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, so wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 gekennzeichnet ist.

Kupplungen für Lichtleiter muß große Beachtung geschenkt werden. Es ist nämlich beabsichtigt, Lichtleiter für optische Nachrichtensysteme zu verwenden, wobei im Hinblick auf die Verbindung derartiger Lichtleiter erhebliche Forschungen notwendig sind. Derartige Lichtleiter können,je nach Verwendungszweck ,entweder einen Kern aufweisen oder nicht.

Die für derartige Verv/endungs zwecke in Betracht gezogenen Lichtleiter v/eisen einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 75 u auf, wobei der Kern einen Durchmesser von etwa 3 - 1o u besitzt. Das Licht wird innerhalb des Kernes mit Hilfe von Reflektion geleitet. Eine gute Ausrichtung der

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Kerne int derznfolge sehr wichtig. Bei vollkommener axialer Ausrichtung können Lichtwirkungsgrade der Lichtübertragung über 9o % erreicht werden. Aufgrund der Schwierigkeit der Erreichung einer guten axialen Ausrichtung ergeben sich jedoch wesentlich niedrigere Wirkungsgrade. Der Wirkungsgrad kann beispielsweise auf 5o I oder weniger abfallen, wenn eine Fehlausrichtung von ungefähr der Hälfte des Durchmesser des Kernes bei Laserkupplungen auftreten. Bei Verwendung von 4 Kupplungen hintereinander ergibt sich ein Gesamt-V/irkungsgrad dann von nur ungefähr 1o %. Diese verringerten Wirkungsgrade ergeben sich bei jeder Kupplung, sodaß bei der Notwendigere it von einer Verwendung von mehreren Kupplungen innerhalb eines beliebigen Kreises die Verluste sich akkumulativ vergrößern, sodaß am Ende das Ausgangssignal nur einen sehr kleinen Teil des ursprünglichen Einganssignals darstellt. Selbst bei Verwendung einer einzigen Kupplung ist es somit wünschenswert, einen maximalen Wirkungsgrad des Lichtübergangs zu erreichen.

Es wurden bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um die einzelnen Lichtleiter miteinander zu verbinden. Die Enden von Lichtleitern wurden beispielsweise sehr vorsichtig ausgerichtet und dann zusammengeschmolzen. Dieses Verfahren ist jedoch nicht sehr leicht durchzuführen. Bei Nachrichtensystemen, bei v;elchen eine große Anzahl von Lichtleitern in einem Kabel angeordnet sind, ergeben sich somit erhebliche Zeit-und Kosten, um eine gute Qualität der Verbindung von jeweils 2 Paaren von Lichtleitern zu erreichen. Bei anderen Verfahren wurden Hülsen permanent . an die gegenüberliegenden Enden der Lichtleiter befestigt, sodaß sich lösbare Stecker ergeben. Alle diese Verfahren führen jedoch zu bestimmten Schwierigkeiten und zwar insbesondere dann, wenn die Abmessungen sehr klein sind und geringe Toleranzen eingehalten werden müssen.

Demzufolge ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden von Lichtleitern sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahi-ens zu schaffen, welches sehr leicht herstellbar ist und welches die Verbindung von zwei

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Lichtleitern r<it geringen Toleranzen erlaubt.

Erfindung^gemäß wird dies durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 erreicht.

Bei Kupplungen für zwei Lichtleiter mit denselben Durchmesser wird eine einzige Rinne eingeätzt, in welche zwei Lichtleiter mit ihren Enden eingelegt werden. Bei Lichtleiter verschiedenen DurchmenserR wird ebenfalls eine Rinne eingeätzt, wobei jedoch in einem Bereich diese Rinne einen größeren Querschnitt aufweist. HIt Hilfe von crystallografischen Atzvorgängen können V-förmige Pannen sehr einfach und billig hergestellt werden, wobei während des ÄtzVorgangs Kontrollvorgänge vermieden werden. Ein im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbares Material für die Herstellung der Kupplung ist Silizium. Andere Materialien sind Gallium-Phosphat (GaP) und Gallium-Arsenid (GaAs).

Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben v/erden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht entlang der Linie 11 von Fig. 2 der erfindungsgemäßen Kupplung mit eingelegtem Lichtleiter,

Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht entlang der Linie 22 von Fig. 1 der Kupplung, in welche zwei Lichtleiter gleichen Durchmessers eingelegt sind,

Fig. 3 eine Schnittansicht ähnlich Fig.1 mit Darstellung der Deck platte ,

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Achse von zwei Lichtleitern mit verschiedenen Durchmessern,

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Fig. 5 und 6

Schnittansichten entlang der Linien 55 und 66 der in Fig. 4 dargestollten Kupplung und

Fig. 7

eine Draufsicht auf die in Fig. 4 dargestellte Kupplung.

So wie dies bereits erwähnt worden ist, hat Silizium die Eigenschaft, daß es sehr leicht kristallografisch geätzt werden kann. Silizium ist ferner als Substratmaterial sehr geeignet, v/eil es in Einkristallstruktur als Blättchen erhältlich ist. Der Ausdruck kristallografisches Ätzen bedeutet einen Ätzvorgang, welcher vorzugsweise in einer Richtung in Bezug auf die Kristallebenen durchgeführt ist, wobei mit Hilfe eines derartigen Ätzvorgangs V-förmige Rinnen hergestellt werden können.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen einen Träger 1o in Form eines Siliziumblättchens, in welchen kristallografisch eine V-förmige Rinne 11 eingesätzt worden ist. In diese Rinne 11 werden die entgegengesetzten Enden von zwei Lichtleitern 12 und 13 eingelegt. Jeder Lichtleiter besitzt einen Kern 14 und eine äußere Schicht 15. Die durch kristallografisches Ätzen hergestellte Rinne 11 weist geneigte Wandungen auf, welche durch die kristallografischen Ebenen,das Substratmaterial und den Schneidvorgang festgelegt sind. Die Breite der Rinne 14 im Bereich der oberen Oberfläche wird im wesentlichen durch Maske bestimmt, welche den Ätzbereich begrenzt. Der Ätzvorgang wird in Abwärtsrichtung wesentlich schneller als inoseitlicher Richtung durchgeführt. Die Zeitdauer der Ätzung ist nicht kritisch, da die Rinne 11 in Längsrichtung mit einer konstanten Geschwindigkeit geätzt wird, wobei die kritische Ausrichtung nicht von der Tiefe der Ätzung abhängt. Die Tiefe der Rinne 11 kann wie gewünscht verändert werden. Eine Begrenzung für die Rinne 11 ergibt sich aufgrund der

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Tatsache, daß am Schluß ein spitzer Winkel an der Basis auftritt, worauf bei Erreichung dieses Zustandes ein weiteres Ätzen nur noch sehr langsam vor sich geht.

Um eine genaue Positionierung der Lichtleiter 12, 13 zu erreichen und über längere Zeiträume aufrecht erhalten zu können, kann eine Deckplatte 16 über den Lichtleiter 12, 13 befestigt werden. Fig. 13 zeigt eine derartige Form einer Deckplatte 16, welche auf einem Träger 1o gemäß Fig. 1 und 2 aufgesetzt ist. In diesem Fall sind der Träger 1o, die Lichtleiter 13 mit dem Kern 14 und die Rinne 11 ähnlich wie in Fig. 1 ausgebildet, mit der Ausnahme, daß die Rinne 11 nicht so weit v/ie die von Fig. 1 ist. In die Deckplatte 16 wird ebenfalls auch durch kristallografisches Ätzen eine V-förmige ' Rinne 17 eingeätzt. Die Deckplatte 16 kann au· demselben Material wie der Träger 1o bestehen oder aus einem anderen Material hergestellt sein. Die Deckplatte 16 wird auf beliebige Weise, beispielsweise mit Hilfe von Klammern, auf dem Träger 1o gehalten.

Die Genauigkeit der Ausrichtung der beiden Lichtleiter 12, ist sehr hoch, v/eil die gesamte Rinne 11 gleichzeitig hergestellt worden ist und eine Genauigkeit bezüglich des Querschnitts leicht erreichbar ist. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß die Genauigkeit ebenfalls von der Konzentrizität des Kernes 14 in Bezug auf die Periferie des Lichtleiters abhängt. Dies ist jedoch im allgemeinen der Fall, sodaß sich dadurch keine Ausrichtungsschwierigkeiten ergeben. Eine derartige Kupplung ist somit sehr wirksam, jedoch auf der anderen Seite sehr einfach, und billig herzustellen. Falls dies gewünscht sein sollte, kann die Kupplung gelöst werden, worauf ein erneuter Verschluß mit sehr hohem Wirkungsgrad erneut erreichbar ist.

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Fig. 4-7 zeigen eine angewandelte Ausführung von der erfindungsgonviPen Kupplung. In der Praxis ist es oftwünschensv/ert, einen Lnner mit einem Lichtleiter zu vorbinden. Dabei sind verschiedene Verfahren bereits vorgeschlagen worden, wobei viele nur für Laboratoriumszwecke verwendbar sind, weil sie gegenüber Vibrationen-nicht beständig sind und eine genaue Ausrichtung erfordern. Die in Fig. 4 bis 6 dargestellte Ausführungsform stellt eine Möglichkeit dar, einen Laser mit einem Lichtleiter zu verbinden, wobei ein Zwischenstück eines Lichtleiters vorgesehen ist, daß zur Focussierung dient. Lichtleiter haben nämlich bestimmte Brechungsindexes, wobei dieselben je nach Material sich sprunghaft verändern. Der Brechungsindex ist demzufolge imBereich der Mitte hoch und im Bereich der Periferie niedrig. Ein derartiger Lichtleiter wird unter der Bezeichnung "Selfoc" vertrieben. Diese Art von Lichtleiter weist eine parabolische Brechungsindexanderung auf. Ein paralleler Lichtstrahl, welcher an einem Ende des Lichtleiters eintritt, wird dadurch auf einen kleinen Punkt auf der anderen Seite focussiert, sobald der betreffende Lichtleiter eine geeignete Länge aufweist. Die richtige Länge ist dabei eine Funktion der Brechungsindexverteilung. Die gewünschte Länge kann dabei durch L=p/K bzw. ein ungerades Vielfach desselben ausgedrückt v/erden. Dabei ist K eine Konstante; die unter der Bezeichnung "Selfoc" vertriebenen Lichtleiter v/eisen eine konstante K auf, die durch den Ausdruck Quadratwurzel aus A entspricht, wobei A als Konstante der Brechungsindexveränderung definiert ist. Dieser Wert ändert sich somit für verschiedene Arten von derartigen Lichtleitern. Unter anderen Bezeichnungen vertriebene Lichtleiter dieser Art haben ähnliche Eigenschaften, wobei jedoch die Konstante verschiedene Werte einnehmen.

Eine bestimmte Art von "Selfoc"-Lichtleiter weist einen Radius

-2 von o,2 mm und einen Wert von A=o,o5mm auf. Ein derartiger Lichtleiter kann mit einem Laser verbunden v/erden, welcher einen Strahl von 4oo ,u _ ,messer abgibt. In diesem Fall muß der Lichtleiter eine Länge von 8 mm bzw. eine ungerad-

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zahlige Vielfache davon aufweisen. Der maximale Einfallswinkel auf der Ausgangsseite des Lichtleiters beträgt dabei nur 3°, v/eil innerhalb des möglichen Winkels von Einfachmod -Lichtleitern ist. Das Ende des Focussier-LIchtleiters muß jedoch genau ■ mit einem anderen Lichtleiter ausgerichtet werden.

Der Focassier-Lichtleiter v/eist einen größeren Durchmesser als der transportierende Lichtleiter auf. Der focussierende Lichtleiter besitzt dabei Durchmesser in der Größenordnung von 3oo u, während der Transport-Lichtleiter einen Durchmesser von 75 u ' aufweist. Letzterer besitzt einen Kern mit einem Durchmesser von

1o bis 15 u.
/

Wie dies in den Fig.4 bis 7 dargestellt ist, ist in ein Siliziumsubstrat 2o kristallografisch eine Rinne eingeätzt, welche zwei gegeneinander fluchtende Bereiche 21, 22 aufweist. Der Bereich 21 ist weiter und tiefer als der Bereich 22. Die zwei Bereiche 21, 22 der Rinne können gleichzeitig geätzt werden, wobei die verschiedenen Abmessungen durch Masken mit verschiedenen Breiten erreicht v/erden kann. Während des Ätzens des Bereiches 22 der Rinne ergibt sich ein daLeckförmiger Querschnitt mit einem Winkel im Bodenbereich. Eine anschließende Zunahme der Breite dieses Teiles ist jedoch dann sehr gering. Dagegen wird in dem Bereich 21 der normale yitzvorgang mit normaler Geschwindigkeit fortgeführt.

Der durch die Seitenwandungen der Rinne gebildete Winkel ist für beide Bereiche 21, 22 dasselbe. Bei Kenntnis der Außendurchmesser des Focussier-Lichtleiters 2 3 und des Übertragungslichtleiters 24 ist es sehr einfach, die gewünschte Breite der beiden Bereiche 21, 22 festzulegen, damit die Achsen der beiden Lichtleiter 23, 24 in vertikaler Richtung in Bezug auf das Substrat 2o ausgerichtet werden. Die seitliche Ausrichtung hängt hingegen von der Genauigkeit der Toleranzen der Maske ab, welche zur Verv/endung der Ätzung der Rinnen verwendet wird.

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Das von der Kupplung abliegende Ende des Lichtleiters 23 v/ird an der Außenfläche des Lasers angesetzt. Dies kann auf konventionelle Weise erfolgen. Derartige Lichtleiter, beispielsweise des Typs "Selfoc" haben dabei prabolische Veränderungen des Drechungsinde . Dadurch wird keine perfekte Focussierung dos Lichtstrahles erreicht, jedoch ist die Qualität dar Focussierung ausreichend, um eine zufriedenstellende Kupplung von Lichtleitern bzw. eines Lasers mit einem Lichtleiter, insbesondere bei Multimod-Lichtleitern, zu erreichen.

Eine genaue Kupplung des Focussier-Lichtleiters mit dem Laser ist wichtig, insbesondere im Hinblick auf winekämäßige Ausrichtung. Veränderungen der genauen winkelmäßigen Ausrichtung beeinflussen die Position des Focussierpunktes am Ende des Focussierlichtleiters.Durch Abschneiden der Enden aller Lichtleiter senkrecht zu der Lichtleiterachse kann ein* hohes Maß an winkelmäßiger Ausrichtung erreicht v/erden. Die Endflächen eines Lasers ist dabei senkrecht zu der Achse ausgerichtet.

Um den Wirkungsgrad der Lichtübertragung im Bereich der Kupplung noch zu verbessern, können die Verbindungsflächen in eine Brechungsindexanpassungs-Flüssigkeit eingetaucht werden.

Die vorliegende Erfindung ergibt ein sehr einfaches wirksames

Verfahren zum Verbinden von Lichtleitern sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. In Fällen, in welchen Paare von Lichtleiter miteinander verbunden werden müssen, so wie dies bei Kabeln der Fall ist, ist es sehr leicht möglich, eine Anzahl von V-förmigen Rinnen in einen Träger einzuätzen, wobei die einzelnen Rinnen sehr nahe nebeneinandergelegt werden können. Eine gemeinsame Deckplatte kann verwendet werden, um die einzelnen Lichtleiter in Position zu halten. So wie dies in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben worden ist, ⁽kann die Deckplatte ebenfalls mit V-förmigen Rinnen versehen sein. Verschiedene Träger bzw.

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Blättchen können übereinander angeordnet nein. Derartige Kupplungen sind sehr viel schneller herzustellen und billiger in der Herstellung als das Verschweißen der Enden von Lichhtleiter oder andere bisher verwandte Verfahren. Die gesamte Anordnung kann in eine Brechungsindexanpassungsflüssigkeit eingetaucht worden, um Reflexionen an den Tronnflachen zu verringern.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung konnten Kupplungswirkungsgrade erreicht werden, die sich dem theoretischen Maximalwert annähern, d.h. in der Größenordnung von 97 % liegen. Derartige Wirkungsgrade ergeben sich sehr einfach und ökonomisch, selbst bejjnormalen Betriebsbedingungen. Das erfindungsgemäße Verfahren zu» Verbinden von Lichtleitern vergleicht sich somit bezüglich ihrer Wirksamkeit sehr stark gegenüber den bisher bekannten, welche in vielen Fällen nur unter Laborbedingungen gute Wirkungsgrade erlaubten.

Claims

Patentansprüche

1.y Verfahren zum Verbinden der Enden von Lichtleitern, dadurch gekennzeichnet , daß innerhalb eines Trägers kristallografisch eine V-förmige Rinne 11 eingeätzt wird, und daß die Lichtleiter 12, 13 mit ihren Enden aufeinanderstoßend in die Rinne 11 gelegt werden.

2. Verfahren*nach Anspruch 1 zum Verbinden von zwei Lichtleiter gleichen Durchmessers, dadurch gekennzeichnet , daß die Rinne 11 für die beiden Lichtleiter 12, 13 auf den selben Querschnitt geätzt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Verbindung von zwei Lichtleitern verschiedenen Durchmessers, dadurch gekennzeichnet , daß eine Rinne mit zwei Bereichen 21, 22 geätzt wird, wobei der Bereich 21 einen V-förmigen Querschnitt aufweist, welcher größer ist als der V-förmiga, Querschnitt des anderen Bereiches 22 und daß der Lichtleiter 23 größeren Durchmessers in den Bereich 21 der Rinne eingelegt wird, während der Lichtleiter 24 kleineren Durchmessers in den Bereich 22 der Rinne eingelegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem eine Deckplatte auf die Lichtleiter gelegt ist, dadurch ge kennzeich net , daß in die Deckplatte 16 eine V-förmige Rinne 17 kristallografisch eingeätzt wird, welche beim Auflegen der Deckplatte 16 über den Lichtleitern 12,13 zu liegen gelangt.

5. Kupplung für Lichtleiter zur Durchführung des VerfahreHS nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß dieselbe aus einem Träger besteht, in welchen eine V-förmige Rinne 11 kristallografisch eingeätzt ist, und daß ein Element 16 vorgesehen ist, mit welchem die Lichtleiter 12, 13 innerhalb der Rinne 11 fixierbar sind.

6. Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Rinne aus zwei Bereichen 21, 22 besteht, wobei der erste Bereich 21 einen größeren Querschnitt als der zweite Bereich 22 aufweist, sodaß in die beiden Bereiche 21, 22 zwei Lichtleiter 23, 24 verschiedenen Durchmessers einlegbar sind.

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