DE2625097C2 - Verfahren zur Anformung einer Linse an eine Lichtleitfaser und nach diesem Verfahren hergestellte Lichtleitfaser - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Anformung einer Linse nur an den lichtleitenden Kern einer aus Kern und Mantel bestehenden Lichtleitfaser nach der Gattung des Hauptanspruchs. Besondere Verfahren zur Ankopplung von Lichtleitfasern an Halbleiterstrahler sind wegen der außerordentlich kleinen Abmessungen der zusammenwirkenden optoelektronischen Einrichtungen mit vielen Unsicherheiten behaftet und die nach diesem Verfahren hergestellten Lichtleiter nur mit mäßigem Wirkungsgrad ausgestattet.

Verfahren zur Ankopplung von optischen Fasern an Halbleiterlaser sind u.a. bekannt aus »Applied Optics«. Vol. 14. Nr. 12. Dez. 1975. S. 2815 bis 2816. Es wird dort angegeben, die Lichileitfaserenden anzuschmelzen, so daß anstelle eines flachen Endabschnittes eine halbkugelförmige Linsenkuppe entsteht. Die nach diesem Verfahren hergestellten Lichtleitfasern weisen jedoch nicht die für die möglichst verlustarme Ankopplung erforderliche halbkugelförmige Gestalt des Faserkerns auf, sondern entweder wird beim Schmelzprozeß das Manlelmaterial früher weichflüssig als das Kernmaterial, so daß es unter Ausbildung einer pupillenartigen Öffnung blenden förrhig einzieht, öder das Kernmälerial wird früher Weichflüssig als das Mantelmaterial Und es kommt unter der Einwirkung der Oberflächenspannung gen nur zu einer flachen Linse großer Brennweite am Faserende. Die erwünschte nahezu halbkugelförmige Ausbildung des Faserendes mit einem Rugelradius, der etwa dem Kernradius entspricht, gelang nur in einem einzigen Fall aufgrund der besonderen Versuchbedingungen, die sich nicht auf andere Lichtleitfasern übertragen lassen.

Eine entsprechend dem genannten Verfahren hergestellte lichtleitende Glasfaser ist auch aus der DE-AS 17 96 241 bekannt, wobei ebenfalls die vorgeschilderten Nachteile auftreten.

Aus der Zeitschrift »Applied Optics«, Jan. 1974, Vol. 13, Nr. 1, S. 89 bis 94 ist ein Verfahren zur

ίο Herstellung halbkugel- oder halbzylinderförmiger Linsen unter Anwendung fototechnischer Ätzprozesse beschrieben. Die Stirnfläche des Lichtleiters wird dazu mit Fotoresist abgedeckt und dieser durch UV-Licht, welches vom freien Ende her den Lichtleiter durchdringt, ausgehärtet. Im Falle der halbzylindrischen Linse wird eine streifenförmige Lichtquelle verwendet. Nach dem Auswaschen des unbelichteten Fotoresists verbleibt die gewünschte Linsenform. Das angewendete Fotoätzverfahren ist durch die erforderliche Anzahl von Arbeitsschritten aufwendig und die Notwendigkeit, die UV-Lichtquelle zur Belichtung am anderen Ende des Lichtleiters einzuspeisen, erschwert die Handhabung des Verfahrens und schränkt wegen der auftretenden Streuung die Anwendung auf verhältnismäßig kurze Faser-Lichtleiter ein.

Aus der Zeitschrift »Optics Communications«, Sept. 1974, Vol. 12. Nr 1, S. 93 bis 97 ist jine Koppelanordnung für einen Glasfaser-Lichtleiter mit einer Laser-Lichtquelle bekannt, bei der entsprechend der Strahlungsfläche der Laser-Lichtquelle das lichtaufnehmende Ende der Glasfzser mit einer Zylinderlinse versehen ist. Die Form der Linse wird aus der Glasfaser mittels eines. Fotoätzprozesses roh herausgearbeitet und danach durch Erhii/en der gewünschten Gestalt angenähert.

^J5 Das angewendete Fotoätzverfahren ist infolge der kleinen Abmessungen der Lichtleiter-Stirnfläche umständlich und erfordert die ständige mikroskopische Betrachtung ebenso wie der Glättungsvorgang und erlaubt auch nur die Herstellung von Zylinderlinsen

ίο unter Einbeziehung des Fasernir-ntels, wodurch der Wirkungsgrad der Übertragung sinkt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeich-^4S nenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die gewünschte Ausbildung des stirnseitigen Endes der Lichtleitfaser ohne den Einsatz eines aus mehreren Schritten bestehenden, aufwendigen. Fotoätzverfahren erreicht wird. Die nach dem 5" erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Lichtleitfaser weist eine stirnseitige Mikrolinse mit hohe·· Brechzahl für den angestrebten hohen Koppel-Wirkungsgrad auf.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich und zweckmäßige Ausgestaltungen der damit hergestellten Lichtleitfasern angegeben.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine nach dem obenbeschriebenen bekannten Verfahren hergestelltes Koppelende einer Kernmantelfaser mit dickem Mantel;

F i g. 2 einer ebenfalls in bekannter Weise hergestellt ter Faser mit dünnem Mantel, dessen Schmelzpunkt

niedriger liegt als der des Kerns.

Fig.3 zeigt eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Koppelende einer Quarz-Kern-Mantel-Faser.

In Fig. I ist eine Kemmantelfaser dargestellt, die einen verhältnismäßig dünnen lichtleitenden Kern 1 in einem verhältnismäßig starken Mantel 2 aufweist. Die Brechungsindizes von Kern und Mantel sind verschieden voneinander, so daß an der Grenzfläche zwischen dem Kern ? und dem Mantel 2 für die im Kern unter geeignetem Winkel geführten Lichtstrahlen Totalreflexion eintritt. Beim Anschmelzen des Faserendes zum Erhalt einer linsenförmigen Kuppe 3 wird zwar im günstigsten Fall eine halbkugelförmige Ausbildung erzielt, auf den Kerndurchmesser entfällt jedoch nur ein verhältnismäßig flacher Kugelabschnitt 4.

In Fig.2 ist eine dünnummantelte Faser dargestellt, bei der der Kern 5 von einem verhältnismäßig dünnen Mantel 6 umgeben ist. Beim Anschmelzen des Faserendes zieht sich der Mantel 6 infolge der herrschenden Oberflächenspannungsverhältnisse blendenartig um die Kernöffnung herum, so daß nur ein kleiner Eintrittsdurchmesser frei bleibt und der Wirkungsgrad der Ankopplung sehr gering wird Außerdem ist auch hier der auf die Eintrittsöffnung fallende Kugelabschnitt nur sehr flach ausgebildet, was als nachteilig anzusehen ist.

In Fig.3 ist eine Kemmantelfaser. ähnlich Fig. 1, dargestellt. Sie enthält im linken Abschnitt einen Kern 11 der von einem Mantel 12 umgeben ist. Infolge der Kleinheit solcher Fasern, bei denen typische Abmessungen bei beispielsweise 80 μ Kerndurchmesser und 130 μ Gesamtdurchmesser liegen, ist es nur unter großen Schwierigkeiten möglich, das Koppelende der Faser mechanisch zu bearbeiten. Infolgedessen hat sich die Methode des Anschmelzens des Faserendes als vorteilhaft erwiesen. Um nun zu vermeiden, daß beim Anschmelzen des Faserendes Konfigurationen entsprechend den Fig. 1 und 2 entstehen, wird erfindungsgemäß in der Nähe des Faserendes über eine gewisse Länge der Mantel fast vollständig abgetragen. Dies kann beispielsweise durch einen Ätzprozeß erfolgen. Es muß jedoch sorgfäUig das vollständige Abtragen des Mantels vermieden werden, da sonst die zur Totalreflexion notwendige Grenzfläche 13 zwischen dem Ken 11 und dem Mantel 12 verlorengeht. Anschließend wird das s Faserende zur Vorbereitung des Anschmelzens einer Halbkugel planbearbeiiet. Wenn man jetzt versucht dem Faserende durch einen einfachen Schmelzprozeß die gewünschte Form zu geben, kommt es infolge der Oberflächenspannungen zu einem ähnlichen Resultat

ίο wie in Fig.2, da der noch verbleibende Mantel sich wenigstens teilweise um die Stirnöffnung des Mantes 11 herumzieht. Nach der Erfindung wird daher ein Verfahren gewählt, bei dem an das vorbereitete flache Faserende 14 eine halbkugelförmige Linse aus ehern niedriger schmelzenden Material al', es der Kern oder der Mantel der eigentlichen Faser darstellt, angeschmolzen wird. Diese halbkugelförmige Linse 15 weist vorteilhaft den gleichen Brechungsindex wie das Kernmaterial auf, so daß es beim Übergang von der Linse auf den Kern 11 zu keinen Reflexion- und Lichtverlusten kommen kann.

Im Falle der Verwendung einer Gradientenfaser rnit von der Mitte zum Rand nach einer bestimmten Funktion abnehmenden Brechungsindex erfolgt die

2) Vorbereitung in gleicher Weise wie vorher bebchrieben. Auch hier wird das Faserende bis zum gewünschten Durchmesser abgeätzt, und an das vorbereitete plangeschliffene Ende eine halbkugelförmige Linse aus niedriger schmelzendem durchsichtigem Material mit

ii> gleichem Brechungsindex wie die Seele der Faser angeschmolzen. Ein einfacher Schmelzvorgang des vorbereiteten Faserendes würde auch hier dazu führen das Schmelzgut aus den Randpartien mit abweichendem Brechungsindex bis annähernd zur Mitte der Eintritts-

j> öffnung vordringen und die optischen Eigenschaften verschlechtern.

Bei einer Lichtleitfaser aus Glas kann die anzuschmelzende halbkugelförmige Linse beispielsweise aus einem Epoxyharz bestehen, bei der Venvendi ng einer Quarzglasfaser kann die Linse aus einem niedriger schmelzenden Glas bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche: b)

1. Verfahren zur Anformung einer Linse nur an den lichtleitenden Kern einer aus Kern und Mantel bestehenden Lichtleiterfaser, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Der Durchmesser der Lichtleitfaser wird durch nahezu vollständiges Abätzen des Mantels verringert.

An die Endfläche des verbleibenden Kerns wird eine Linse aus einem niedriger schmelzenden Material als das Fasermaterial aufgebracht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus niedriger schmelzenden Material an das Faserende angeschmolzen wird.

3. Lichtleitfaser hergestellt nach einem Verfahren entsprechend den Patentansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitfaser im Bereich des Endabschnittes auf einem Teil der Länge durch nahezu vollständiges Abätzen des Mantels verringert ist und daß an der planen Endfläche eine im wesentlichen haibkugeiförmige Linse aus niedrigerschmelzendem Material angeschmolzen ist.

4. Lichtleitfaser nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Materials der angeschmolzenen halbkugelförmigen Linse dem Brechungsindex des Kernes entspricht.

5. Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Lichtleitfaser aus Glas die Linse aus Epoxyharz besteht.

6. Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurcl gekennzeichnet, daß bei einer Quarzlichtleitfaser die halbkupeförmir"; Linse aus einer niedrig schmelzenden Glasmischung besteht.