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Kopplung für Lichtleitfasern
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Die Erfindung betrifft eine Kopplung für Lichtleitfasern.
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In optischen Übertragungssystemen !müssen einzelne Elemente miteinander
optisch verkoppelt werden, z.B. müssen Llchtleitfaser mitelnander verbunden werden.
Angestrebt wird dabei, ein möglichst verlustfrei er Lichtübergang. Die derzeitigen
Kopplungen zweier Lichtleit.fasern verlangen sehr enge Justiertoleranzen und damit
sehr hohe Anforderungen an die Präzision der verwendeten mechanischen Teile.
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Gemäß der US-Patentschrift 3 864 018 sind für Kopplungen tleitfaser-Träger
vorgesehen, die parallele Rillen aufweisen.
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In diesen Rillen liegen die Enden der Lichtleitfasern, die miteinander
verbunden werden sollen. Da die Rillen mit hoher Genauigkeit. gefertigt sind, stoßen
die Stirnflächen der Enden der Lichtleitfasern ohne seitliche Versetzung aufeinander.
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Aufgabe der Erfindung ist es, für Lichtleitfasern Kopplungen anzugeben,
die in Planartechnik hergestellt werden können und wesentlich verringerte Justieranforderungen
stellen.
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Diese Aufgabe wird durch Kopplungen gelöst, die die Merkmale des Kennzeichens
des Anspruches 1 aufweisen.
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Das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Kopplungen besteht also darin,
dkß die zwei zu koppelnden Lichtleitfasern nicht unmittelbar Stoß auf Stoß gekoppelt
werden, sondern daß der lichtführende Querschnitt der Lichtleitfasern in den Teilsystemen
aufgeweitet wird, dadurch werden vorteilhafterweise die erlaubten Justiertoleranzen
zwischen den Teilsystemen um den Faktor der Querschnittsaufweitung vergrößert.
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Vorteilhafterweise lassen sich die erfindungsgemäßen Kopplungen in
Planartechnik mittels Photolithographie herstellen, wie weiter unten ausgeführt
wird. Dabei ist es möglich, das Abbildungssystem und die zum Festhalten der Lichtleitfasern
nötigen Führungsnuten in einem einzigen Prozeß herzustellen.
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Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Figuren erläutert. Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Teilsysteme des Abbildungssystemes sogenannte Taper sind. Die Figuren
3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Abbildungssystem aus Linsen
besteht. Die Figuren 6 und 7 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Teilsysteme
Spiegel sind.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel liegen gemäß der Figur 1 auf zwei
Substraten 1, 10, die mit plangeschliffenen Stoßflächen aneinander stoßen, photolithographisch
strukturierte Kunststofffolien 2, 20. Diese Kunststoffolien weisen jeweils mindestens
eine Nut zur Aufnahme von Lichtleitfasern 3, 30 auf. Diese Nuten erweitern sich
trichterförmig in Richtung auf die Stoßflächen der Substrate. Dieser trichterförmige
Raum ist mit einem transparenten Material ausgegossen, damit formt dieses Material
die Taper 4, 40.
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Die beiden Taper müssen an den Stoßflächen der Substrate einen zueinander
deckungsgleichen Querschnitt besitzen.
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Ein Lichtstrahl, der beispielsweise durch die Lichtleitfaser 3 in
den Taper gelangt, wird in diesem Taper aufgefächert, gelangt in den Taper 40, wo
der auf die Lichtleitfaser 30 gebündelt wird.
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Wichtig ist, daß an den Grenzflächen der Taper zum Substrat und zu
einem eventuell vorgesehenen Deckel auf den Tapern für alle Lichtstrahlen, die durch
eine der Lichtleitfasern in die Taper gelangen, Totalreflexion gegeben ist. Diese
Grenzflächen können z.B. verspiegelt sein, eine andere Möglichkeit ist dadurch gegeben,
daß das Tapermaterial einen hinreichend größeren Brechungsindex als die angrenzenden
Materialien aufweist.
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Aus Gründen der einfacheren Herstellung ist es zweckmäßig, wenn die
beiden Taper die gleiche Form aufweisen.
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Die Fig. 2 zeigt nun ein Schnittbild der in Fig. 1 dargestellten Anordnung
entsprechend der Schnittlinie II-II in Fig. 1. Dabei ist die Schnittlinie entlang
der Längsachse der Lichtleitfaser geführt. Einander entsprechende Elemente weisen
die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1 auf. Bei dem dargestellten Beispiel
handelt es sich um ummantelte Lichtleitfasern, deshalb liegen die Taper 4, 40 auf
dünnen Unterlagen 41, 42, die die gleiche Dicke wie der Lichtleitfasermantel besitzen.
Die Höhe der Taper entspricht dem Durchmesser des Lichtleitfaserkerns.
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Zur Herstellung dieser Kopplungen kann man so verfahren: Über eine
entsprechende Maske wird das mit einem lichtempfindlichen Kunststoff beschichtete
Substrat belichtet und danach entwickelt.
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Als lichtempfindlicher Kunststoff kann beispielsweise eine für UV-Licht
empfindliche Ristocetin-Folie (Riston) benutzt werden.
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In die so hergestellte Negativform des Tapers wird zuerst eine dünne
Folie, deren Dicke der Dicke des Lichtleitfasermantels entspricht, eingelegt. Dann
wird in die Negativform ein optisches Material in flüssiger oder plastischer Form
eingebracht, z.B.
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Plexid 55, und mittels eines optisch planen Deckels in die Negativform
gedrückt bzw. gepreßt. Nach dem Aushärten kann der Deckel wieder entfernt werden.
Hat er gegenüber dem Tapermaterial einen ausrechend kleinen Brechungsindex, so kann
er auch dauernd auf dem Taper verbleiben. Bei Lichtleitfasern ohne Mantel oder mit
sehr dünnem Mantel vereinfacht sich dieses Herstellungsverfahren, da in diesem Falle
die Taper direkt auf den zugehörigen Substraten liegen.
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Die Stoßflächen zwischen den Tapern und den beiden Substraten sollten
optisch plan geschliffen und poliert sein. Dadurch werden Streuverluste des Lichtes
beim Übergang zwischen den Tapern vermieden.
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Der Strahlengang des Lichtes durch die beiden Taper ist nicht symmetrisch.
Das bedingt Koppelverluste. Jedoch sind diese Koppelverluste um so geringer, je
geringer der Öffnungswinkel der Taper ist. Besitzt der Taper eine Länge von ca.
10 cm, wobei er sich von anfänglich z.B. 50 /um Breite, entsprechend dem Kerndurchmesser
der Lichtleitfasern, auf eine Breite von ca. 1 mm
verbreitert, so
betragen die Kõppelverluste weniger als 3dB.
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Man kann auch den Taper selbst photolithographisch herstellen.
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Dazu wird die lichtempfindliche Kunststoffschicht mit einer solchen
Maske belichtet, daß nach der Entwicklung eine Positivform des Tapers stehen bleibt.
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In der Fig. 3 ist nun eine Kopplung dargestellt, bei der die optische
Abbildung der Lichtleitfaserenden aufeinander durch Linsen 100, 101 erfolgt. Dabei
liegen die Faserenden im Brennpunkt der jeweiligen Linse. Auf der der Lichtleitfaser
zugewandten Seite besitzen die Linsen eine Wölbung, wie aus der Fig ersichtlich
ist. Auf der gegenüberliegenden Seite besitzen die Linsen Planschliff.
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Bei Verwendung von Glas- oder Plastiklinsen besitzen die Kunststoffschichten
2, 20 zur Aufnahme der Linsen entsprechende Aussparungen, die photolithographisch
hergestellt werden können, wie weiter oben erläutert wurde.
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Auch die Linsen können photlithographisch hergestellt werden, und
zwar können sie aus dem gleichen Material bestehen wie die Kunst stoffolien 2, 20.
Dabei erfolgt zweckmäßigerweise die Herstellung der Linsen in dem gleichen Bearbeitungsschritt
wie die. Ausbildung der Nuten zur Aufnahme der Lichtleitfasern.
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Das Medium zwischen den Lichtleitfasern und den Linsen kann Luft sein,
in diesem Falle muß über der Aussparung ein Spiegel angeordnet sein, die Grundfläche.
der Aussparung muß ebenfalls verspiegelt sein.
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Man kann aber den Zwischenraum zwischen Lichtleitfaserenden und den
Linsen auch mit einem optischen Kleber ausfüllen, dessen Brechungsindex hinreichend
größer als der Brechungsindex der an der Unterseite und der Oberseite der Aussparung
angrenzenden Materialien ist, so daß für alle die Lichtleitfasern verlassenden Lichtstrahlen
Totalreflexion gegeben ist. Dieser Kleber kann in der gleichen Weise eingebracht
werden, wie das Tapermaterial beim weiter oben beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Im folgenden werden anhand der Fig. 4 die Abmessungen der Teilsysteme
der Kopplung berechnet. Bedeuten R der Krummungsradius, d die Breite der Linse,
f der Abstand Brennpunkt-Scheitelpunkt der Linse, h die Dicke der Linse, oder Brechungsindex
der Linse n der Brechungsindex des Materials zwischen Linse und I.ichtleifaser in
der Aussparung und 2 der Abstrahlwinkel der Lichtlel.tfaser, so gilt: R = (-1 +
nL/n)f, d = 2f tans , h = R - (R2 - d2/4)1/2.
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Für den Radius R können diese Formeln auch negative Werte ergeben,
dies bedeutet, daß die Linsen konkav gewölbt sein müssen. Das ist immer dann der
Fall, wenn zwischen Linse und Lichtleitfaser ein Material liegt, dessen Brechungsindex
n größer als der Brechurgsindex nL der Linse ist.
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Liegt zwischen Linse und Lichtleitfaser ein Material, dessen Brechungsindex
n kleiner als der Brechungsindex nL der Linse ist, so müssen die Linsen konvex gewölbt
sein. Liegt zwischen Linse und Lichtleitfaser Luft, so ist n = 1, und die obige
Formel vereinfacht sich zu: R tnL 1)f.
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Soll das die Lichtleitfaser verlassende Licht auf die Breite d = lmm
aufgeweitet werden, so ergibt sich, wenn beispielsweise i den Wert 80 und nL den
Wert 1,5 hat und zwischen Linse und Lichtleitfaser Luft liegt: f = 3,5 mm ; R =
1,75 mm; h = 0,07 mm.
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Soll das die Lichtleitfaser verlassende Licht auf 2 mm aufgeweitet
werden, Z und nL haben z.B. die gleichen Werte wie oben, so ergibt sich: f = 7mm;
R = 3,5 mm; h = 0,05 mm.
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Aus herstellLlngstechni schen Gründen kann man die Linse bei gleichem
Krümmungsradius R auch dicker machen. Der jeweils angegebene Wert für h ist die
untere Grenze. Wie man sieht, kann die Dicke der Linsen so extrem klein sein, daß-man
die Absorptionsverluste des Linsenmaterials völlig vernachlässigen kann, Acrylglas
hat z.B. einen Absorptionsverlust von 24 96 pro cm.
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Die Justierung der Teilsysteme zueinander ist bei beiden dargestellten
Ausführungsbeispielen äußerst einfach, man kann z.B., wie in Fig. 5 dargestellt
ist, die beiden Teilsysteme auf gemeinsame plane Abstandshalter 200, 2001 legen.
Bei einer Breite der Linsen bzw. der Taperöffnung von 2 mm bzw. 3mm ist nur noch
eine Justiergenauigkeit der beiden Koppelelemente zueinander von 100 1um bzw. 150
um erforderlich.
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Die Lichtleitfasern können fest mit den jeweiligen Teilsystemen verbunden
sein, es ist auch möglich, die Lichtleitfasern nachträglich in die Koppelsysteme
einzulegen.
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In den Figuren 6 und 7 ist eine Kopplung dargestellt5 bei der jedes
Teilsystem als flacher Parabolspiegel ausgebildet ist. Dabei zeigt die Fig. 7 ein
Schnittbild entsprechend der Schnittlinie VII-VII in der Fig. 6, die eine Draufsicht
zeigt. Entsprechende Elemente haben die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig.
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Jede Lichtleitfaser 3, 30 endet im Brennpunkt des zugehörigen Spiegels
300, 3000. Diese Spiegel sind parabelförmige Aussparungen in der Kunststoffolie
2, 20, die auf dem Substrat 1, 10 liegt. Diese Aussparungen können photolithographisch
hergestellt sein, wie oben erläutert wurde. Die Ränder der Aussparungen in den Kunststoffolien
2, 20 müssen verspiegelt sein. Zweckmäßig ist, daß die ganze Aussparung verspiegelt
ist und einen verspiegelten Deckel (nicht dargestellt) besitzt.
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Um die Enden der Lichtleitfasern auf einfache Weise genau im Brennpunkt
der Parabolspiegel zu fixieren, ist es azeckmäßig, die Aussparungen mit einem optischen
Kleber auszufüllen. Die Lichtleitfasern müssen nach oben, wie in Fig. 7 dargestellt,
oder nach unten weggeführt sein, um den Strahlengang zwischen den Spiegeln nicht
zu stören.
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In der Fig. 6 ist die ankommende Lichtleitfaser mit 3, die abgehende
Lichtleitfaser mit 30 bezeichnet, die Lichtstrahlen zwischen den Enden der Lichtleitfasern
weisen eine dementsprechende Pfeilrichtung auf. Man erkennt, daß der Strahlenverlauf
symmetrisch zur Stoßfläche der Teilsysteme ist.
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Statt Parabolspiegel können auch ellipsenförmige Spiegel verwendet
werden, jedoch ist dann der Strahlenverlauf nicht mehr symmetrisch zur Stoßfläche.
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8 Patentansprüche 7 Figuren