DE2723972C2 - Optisches Kopplungselement sowie Positioniervorrichtungen für derartige Elemente - Google Patents

Optisches Kopplungselement sowie Positioniervorrichtungen für derartige Elemente

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DE2723972C2 DE2723972A DE2723972A DE2723972C2 DE 2723972 C2 DE2723972 C2 DE 2723972C2 DE 2723972 A DE2723972 A DE 2723972A DE 2723972 A DE2723972 A DE 2723972A DE 2723972 C2 DE2723972 C2 DE 2723972C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Kopplungselement, bestehend aus einer kugelförmigen Linse und einer Halterung, durch die eine Wellenleiterfaser und die kugelförmige Linse auf einer gemeinsamen optischen Achse ausgerichtet sind
Die Erfindung betrifft weiter eine Kopplungsvorrichtung bzw. Positioniervorrichtung für derartige Kopplungselemente
Ein Kopplunpselement der genannien Art ist bereits aus der US !1S 3« SO 075 bekannt.
Mit ihm ist eine exakte Postionierung der Kugellinse in be«ug /ur Wellenleiterfaser möglich. Das Kopplungselement besiut iedoch einen relativ komplizierten mechanischen Aufbau und ist somit schwierig herzustellen b/w teuer t'.s eignet sich daher nicht besonders gut für eme Vlissenanwendung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Kupplungselement der genannten Art anzugeben, das einen erheblich vereinfachten mechanischen Aufbau besitzt und zur Massenanwendung geeignet ist.
Ausgehend Vom Oberbegriff des Häuptanspruchs wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Brechungsindex des Linsenmaterials vom Zentrum der Linse in radialer Richtung abnimmt, daß der Durchmesser der Linse und der Wellenleiterfaser wenigstens annähernd gleich groß sind, und daß die Halterung eine durchgehende Kapillare mit einem dem Durchmesser der Linse bzw. der Wellenleiterfaser entsprechenden Durchmesser besitzt, in der die Linse und ein Ende der Wellenleiterfaser fixiert sind.
Eine kugelförmige Linse ist in bezug auf jede Achse
ίο durch ihren Mittelpunkt rotationssymmetrisch, so daß die Positionierung einer solchen Linse vor einem Faserende relativ einfach ist, wenn eine derartige Linse sowie die Wellenleiterfaser in eine Kapillare eingeführt werden. Sowohl die Linse als auch die Wellenleiterfaser können dabei mit der Kapillarenwand verklebt sein. Der Durchmesser der Linse bzw. der der Wellenleiterfaser entspricht dabei dem Durchmesser der Kapillare, so daß die Linse und die Wellenleiterfaser einander auf einer gemeinsamen optischen Achse gegenüberliegend angeordnet sind.
Es hat sich gezeigt, daß beim Einsatz der kugelförmigen Linse neben einer Verbesserung des Kopplungswirkungsgrades auch eine Verringerung der in der Faser auftretenden Dispersion erreicht wird. Dies läßt sich dadurch erklären, daß die kugelförmige Linse eine konvergierende Wirkung hat, so daß z. B. das von einer Lichtquelle ausgehende, divergierende Licht in einen Strahl paralleler Lichtstrahlen umgeset.it wird. Hierdurch tritt z. B. in einer Mehrfachwellenleiterfaser
so (Multimodefaser) eine geringere Anzahl von Schwingungsformen auf, wodurch der Dispersion entgegengewirkt wird.
Die erwähnten vorteilhaften Eigenschaften der Linse lassen sich noch weiter verbessern, wenn sich der
J5 Brechungsindex der Linse gemäß der Gleichung
/V=A/, ■ (2-(r/RoYy>2
verläuft, wobei
Ro der Durchmesser der Linse,
r der Abstand zur Mitte der Linse und
N\ der Brechungsindex in der Mitte
der Faser ist.
Von einer an eine derartige Linse gestellten punktförmigen Lichtquelle, wie beispielsweise in Journal of Applied Physics, Volume 45, Nr. 11«, Seiten 4899 bis 4906, November 197 beschrieben ist, wird die divergierende Ausstrahlung vollständig in ein Bündel parallel verlaufender Lichtstrahlen umgesetzt. Bei einer
M Mehrfachwellenleiterfaser wird dann nahezu alles von der Quelle ausgestrahlte Licht im Kern weitergeleitet. Wird eine Faser mit einem sprunghaften Brechungsindexverlauf über eine derartige Linse angestrahlt, wrden nur eine verhältnismäßig geringe Anzahl von Schwingungsformen in der Faser auftreten.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Ks zeigt
Fig. I einen Schnitt durch ein Ende einer optischen Wellenleiterfaser sowie ihre Aufnahmewinkel,
Fig. 2 einen Schnitt durch einp Faser mit einem sich kontinuierlich ändernden Brechungsindex sowie ihre Aufnahmewinkel.
Fig.3 ein schcmatisches Bild dier Brechung von Lichtstrahlen in der kugelförmigen Linse,
Fig.4 einen skizzenhaften Schnitt durch ein Kopplungselement und eine Faser,
Figi5 eine weitere Ausführungsform eines Kopplüngselementes,
Fig. 6 eine Ausführung einer optischen Faser-Halbleiterlaser-Kopplungsvorrichtung,
Fig.7 eine bevorzugte Ausführungsform einer derartigen Kopplungsvorrichtung,
F i g. 8 ein Ende einer Einfachwellenleiterfaser in einem Kupplungselement für die Faser,
F i g. 9 eine Kopplungsvorrichtung zum Positionieren zweier Koppelelemente zueinander und
Fig. 10 eine Kopplungsvorrichtung zum Positionieren von vier Kopplungselementen zueinander. ι ο
In Fig. 1 is., ein Schnitt durch eine optische Wellenleiterfaser ftt. dargestellt, die eine sprunghafte Brechungsindexvariation aufweist Diese sprunghafte Variation ist schematisch rechts von der Faser 61 dargestellt Der Außenmantel 62 der Faser 6J. besitzt einen Brechungsindex Afe und der Kern 63 einen Brechungsindex N\. Der Annahmewinkel Θ, unter dem der Kern 63 Licht annimmt das sich danach im Kern 63 fortpflanzt wird durch das Verhältnis der Brechungsindizes N\ und M bestimmt Der Aufnahmewinkel θ ist am Rande 64 des Kernes 63 genau so groß wie in der Mitte 65 des Kernes 63. Wird beim Anstrahlen des Kernes 63 der Aufnahmewinkei θ vollständig benutzt, so ist dip übertragbare Lichtenergiemenge maximal. Es werden jedoch verschiedene Fortpflanzungsrichtungen des Lichtes auftreten, wie schematisch die eingezeichneten Lichtwege zeigen, wodurch eine verhältnismäßig große Dispersion auftritt Zumal in der Fernmeldetechnik wird dies als unerwünscht betrachtet
In Fig.2 ist ein Schnitt durch eine optische Wellenleiterfaser 70 dargestellt die im Kern 73 einen als Funktion des Radius abnehmenden Brechungsindex besitzt Dieser Index ist schematisch rechts von der Faser 70 dargestellt Der Aufnahmewinkel der Faser 70 ist nicht an allen Stellen gleich. Im Zentrum 75 des Kernes 73 wird der Aufnahmev/inkel sehr groß sein, wenn der Brechungsindex in der Mitte der Faser 70 gleich N\ ist Der Aufnahmewinkel wird jedoch allmählich kleiner und sinkt auf 0°, je weiter man sich dem Rand 74 mit einem Brechungsindex Λ/2 nähert Am Rande 74 werden nur senkrecht einfallende Lichtstrahlen angenommen. Es ist also vorteilhaft, optische wellenleitende Fasern mit einem Bünde! paralleler Lichtstrahlen anzuregen. Im Kern 73 der Faser 70 wird das Licht sich wellenartig fortpflanzen, wie schematisch « durch Lichtwege angedeutet ist
In F i g. 3 ist eine kugelförmige Linse 1 dargestellt, die vom Zentrum aus zur Wand 3 gemessen einen abnehmenden Brechungsindex besitzt. Wird die Linse 1 an einer Seite im Punkt f mit einer nahezu punktförmigen Lichtquelle 2 durchstrahlt, so wird das aus der Linse 1 heraustretende Licht ein schmales, nur wenig divergierendes Lichtbündel bilden. Das von der Lichtquelle ausgestrahlte divergente Lichtbündel wird durch Ablenkung in der Linse 1 in ein Bündel nahezu parallel verlaufender Lichtstrahlen 4 umgesetzt Wird über die Linse 1 eine optische Wellenleiterfaser angestrahlt, so werden bei einer Faser mit einem sprunghaften Brechungsindexverlauf nur eine beschränkte Anzahl von Fortpflanzungsrichtungen in der Faser auftreten, da die Divergenz des Lichtstrahles nahezu vollständig vermie den ist.
Das in Figi4 dargestellte Kupplungselement 22 enthält eine kugelförmige Linse 11 mit einem vom Zentrum der Linse aus gemessenen, abnehmenden Brechungsindex und eine optische wellenleitende Faser 7, die eine optische Achst? 6 gemeinsam haben, Dies ist durch die Bildung eines Kapillarhohlraüms in einem Halter 8 verwirklicht in welchem Hohlraum an einer Seite die Faser 7 und an der anderen Seite die Linse 11 eingeschoben wird. Durch die kugelförmige Linse 11 ist eine weiter*: Orientierung dieser Linse 11 in bezug auf die Faser 7 überflüssig. Zwischen der Linse 11 und der Faser 7 wird ein durchsichtiger Kopplungsstoff 9 angebracht z.B. optischer Zement mit dem das »Brechen« des von der Lichtquelle 20 erregten Lichtes beim Austreten aus der Linse 11 und Reflektionen an der Eingangsoberfläche 10 der Faser 7 vermieden werden. Bei der Verwendung eines Kopplungsstoffes 9 besitzt dieser einen Brechungsindex, der vorzugsweise gleich dem Brechungsindex in der Mitte der optischen Faser 7 ist.
Eine weitere Ausführungsform eines Kopplungselements ist in Fig.5 dargestellt In einem Halter 30 sind eine Faser 31 und eine kugelförmige Linse 32 mit einem vom Zentrum der Linse aus in radialer Richtung abnehmenden Brechungsindex befestigt Dazu ist der Halter 30 mit einer Kapillare 33 versehen, in der die Faser 31 und die Linse 32 angebracht sind. Erforderlich dabei ist, daß die Faser 31 und die '.inse 32 nahezu gleichen Durchmesser aufweisen niüssni. Mil dem erwähnten optischen Zement werden die Faser 31 und die Linse 32 in der Kapillare 33 festgeklebt. Das dargestellte Kopplungselement kann sehr gut als Basis für eine Faser-Halbleiterlaser-Kopplungsvorrichtung dienen. Dazu wird der Halter 30 mit einer V-förmigen Rille 34 versehen, die senkrecht auf die Kapillare 33 gerichtet ist die darin mündet In die Rille 34 wird ein zylindrischer Träger 35 gebracht -*uf dem ein Halbleiterlaser 36 befestigt ist. Durch Verschieben und Verdrehen des zylindrischen Trägers 35 kann der Halbleiterlaser 36 auf der optischen Achse 25 der Linse 32 und der Faser 31 angeordnet werden.
Eine weitere Ausführungsform einer solchen Kopplungsvorrichtung ist in F i g. 6 dargestellt Statt der gesonderten Befestigung der Faser 31 und der Linse 32 in einer Kapillare 33 des Halters 30 nach F i g. 5 wird auf einem Halter 50 ein Kopplungselement 2Q r.ach F ig. 4 in einer V-förmigen Rille 37 befestigt Die Kopplungsvorrichtung ist in bezug auf die in Fig. 5 dargestellte Vor ichtung weiter verbessert Dazu ist an einem Laser 38 eine zusätzliche Einstellmöglichkeit vorgesehen. Der Laser 38 ist auf einem Hilfsstück 39 befestigt, das eine dem Laser abgewandte konvexe Seite aufweist. Mit der konvexen Form ruht das Hilfsstück 39 in einer V-förmigen Rille 40 eines zylindrischen Trägers 41, der selbst wieder in der V-förmigen Rille 42 des Halters 50 ruht. Durch die zusätzliche Einstellmöglichkeit brauchen sowohl die Rille 37 als auch der Winkel zwischen den Rillen 37 und 42 weniger strenge Maßanforderungen zu erfüllen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer derartigen optischen Kopplungsvorrichtung ist in F i g. 7 dargestellt Der Halter 50 nach F i g. 6 ist mit dem Laser 36 sowie derr Träger 35 nach F i g. 5 kombinier». Eine zusätzliche Einstellmöglichkeit ist dadurch verwirklicht, daß die Linse 11 und die Faser 7 in einer exzentrisch in einem Halter 80 gebildeten Kapillare befestigt sind. Durc.i die Verdrehung des Halters 80 um deren Achse 81 ist die Position der Linse 11 und der Faser 7 an die Position des Lasers 36 anzupassen.
In Fig,8 ist ein Teil eines Koppiulngselements dargestellt, in dem eine kugelförmige Linse 77 mit einem bevorzugten Brechuhgsindexverlauf befestigt ist Die Linse 77 und die üßtische Faser 70 sind in einer Kapillare eines Halters 78 angebracht Die Linse 77 hat
einen Brechungsindexverlauf der der Formel
N" Ni .(2
entspricht Λ/ι ist der Brechungsindex des Oberflächenwerkstoffes im Außenmantel der Linse 77, d. h. gleich dem Brechungsindex des Kernes 75 der Faser 70, R0 ist der Radius der Linse 77 und r ist eine Variable, die die Kugelschale mit dem Radius r in der Linse 77 bezeichnet. Der Verlauf verschiedener Lichtstrahlen ist in Fig.8 dargestellt. Üie Lichtstrahlen 72 und 73 divergieren von einem »Brennpunkt« am Rande der Linse 77 aus und folgen einer elliptischen Bahn. Hierdurch verlaufen die Lichtstrahlen parallel, wenn die gegenüber dem »Brennpunkt« liegende Seite der Linse 77 erreicht ist. Ist die Linse 77 von einem (durchsichtigen) Kopplungsstoff 79 mit einem Brechungsindex N, umgeben, so werden am Rand der Linse 77 die Lichtstrahlen 72 und 73 keine weitere Brechung erfahren. Die parallel verlaufenden Lichtstrahlen bleiben also nach wie vor parallel. Der Halter 78 wird vorzugsweise mit einem durchsichtigen Deckel 74 abgeschlossen. Gegebenenfalls kann der Deckel 74 an der Außenseite mit einer antireflektierenden Schicht 76 versehen werden. Der Halter 78 und die Linse 77 bilden ein Kopplungselement.
Zum Herstellen einer Linse für ein Kopplungselement nach der Erfindung kann von einem kugelförmigen Körper aus Glas mit einer hohen Brechungszahl ausgegangen werden, in welchem Glas mittels eines Diffusionsvorgangs eine Komponente durch eine andere Komponente ersetzt wird, wodurch ein Gradient in der Brechungszahl vom ursprünglichen hohen Wert in einem Kernteil zu einem niedrigeren Wert in der äußeren Kugelschale entsteht.
Ein einfaches Verfahren besteht darin, daß in der Kugel durch Eintauchen dieser Kugel für eine bestimmte Zeit in ein geschmolzenes Salz ein lon im Glas mit einem großen Beitrag zum Brechungsindex gegen ein Ion mit einem geringen Beitrag zum Brechungsindex, das im geschmolzenen Salz vorhanden ist. ausgetauscht wird.
In Betracht kommen u. a. zweiwertige Ionen, wie
!e !cn°n, biicr*!o!c
TI* im Glas, die gegen zweiwertige wie Mg2*, Ca2* oder Zn2* oder einwertige, z.B. K* oder Na* ausgetauscht werden.
Eine andere Möglichkeit zum Herstellen einer Linse für ein Kopplungselement besteht darin, daß ein glasartiger Keim mit sehr geringem Durchmesser bei erhöhter Temperatur mit Dämpfen aus mindestens zwei einander verwandten Verbindungen in Berührung gebracht werden. -Jie durch Zerlegung Oxide ergeben, die sich auf dem erwähnten Keim ablagern. Auch hier werden wiederum zwei oder mehrere Oxide gewählt, die stark voneinander abweichende Beiträge zum Brechungsindex des abgelagerten Produkts liefern, und während der Ablagerung wird das Konzentrationsverhältnis derart variiert daß die Brechungszahl des abgelagerten Produkts von innen nach außen nach einem bestimmten Profil von oben nach unten verläuft Ein Beispiel enthält die Ablagerung einer Mischung aus ΤΊΟ2 und SiOi aus einer Atmosphäre, die aus SiCU, TiCU und O2 besteht wobei das TiCU/SiCU-Verhältnis beim Ablagern abnimmt
Eine dritte Möglichkeit besteht darin, daß zunächst eine Glaskugel aus einem Natriumborosilikatglas einer Zusammensetzung hergestellt wird, in der durch eine thermische Behandlung Phasentrennung in eine lösliche SiO2-arme Phase und eine unlösliche SiO2-reiche Phase auftritt. Nach diesem Vorgang wird die lösliche Phase ausgelaugt, wonach ein poröses S^^reiches Skelett übrigbleibt. Dieses Skelett wird mit einer Verbindung imprägniert, so daß das gewünschte Brechungszahlprofil erhalten wird, wonach die Kugel zu einem massiven Körper gesintert Wird.
Schließlich kann man auch von einer kugelförmigen Linse aus Glas ausgehen, das mindestens eine Komponente enthält, die einen großen Beitrag zur Brechungszahl liefert und bei hoherTemperatur flüchtig ist (Z. B. TI2O, PbO, GeO2). Die Linse wird für eine bestimmte Zeit einer Erhitzung unterworfen, wodurch die flüchtige(n) Komponente(n) verdampft bzw. verdampfen und eine von der Mitte zur Oberfläche abnehmende Brechungszahl entsteht
In einem Ausführungsbeispiel wurde von vorwiegend aus glasartigem BaTiOj bestehenden Perlen ausgegangen, die unter dem Namen »high density glass beads« im Handei ernäiiiich sind. Diese Ferien wurden iü Stunden lang in ein auf 400° C erhitztes Bad eingetaucht gehalten, das aus geschmolzenem KNOj bestand. Hierdurch wurden mit einem Konzentrationsgradienten von außen nach innen Ba-Ionen gegen K-Ionen ausgetauscht. Es wurden Linsen für Kopplungselemente erhalten, die im Rahmen der Erfindung sich hervorragend bewährten.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wurde ein Glas hergestellt, das neben SiO2, B2O1 und ZnO 18 Mol.-% Tl2O enCiielt Die damit hergestellten Kugeln wurden ebenfalls 10 Stunden in geschmolzenes KNOj von 400°C eingetaucht gehalten. Auch die auf diese Weise hergestellten Linsen für Kopplungselemente erwiesen sich als gut brauchbar.
Eine Vorrichtung zur Kopplung zwischen zwei
S5 optischen, wellenleitenden Fasern ist in Fig.9 dargestellt. Die Kopplungsvorrichtung enthält zwei Fasern 70. je in einem Kopplungselement 78 angeordnet, und einen Träger 44. der mit einer V-förmigen Rille 45 versehen ist. In der Rille 45 werden die Koppiungselefnente 78 befestigt. Die Kopplung eignet sich besonders zum Koppeln von Einfachwellenleiterfasern (Monomode-Fasern). Die zwischen den Fasern 70 angeordneten Ι.ίηςρη 77 erlauben eine senkrechte Verschiebune der Fasern von 3 μιτι ohne zu große Verluste in der Lichlübertragung. Ohne Linsen 77 darf eine derartige Verschiebung nur einige Zehntel von t μτη betragen. Weiter ist der Abstand zwischen den Kopplungselementen 78 unkritisch. Bei einer Kopplung von Einfachwelienleiterfasern 70 bei NichtVerwendung der Linsen 77
so darf bei gleichem Lichtübertragungsverlust der Abstand zwischen den Stirnflächen der Fasern nicht mehr als etwa 3 μη betragen.
Gegebenenfalls kann der Träger mit einer zweiten V-förmigen Rille versehen werden, die die Rille 45 senkrecht kreuzt und in der gleichen Ebene liegt Ein derartiger Träger 46 ist in Fig. 10 dargestellt In den Rillen 47 und 48 sind vier Koppiungselemente 78 angeordnet Wird zwischen den vier Kopplungselementen 78 ein halbdurchlässiger Spiegel 49 derart
w> angeordnet daß er sich am Kreuzungspunkt der optischen Achsen der Koppiungselemente 78 befindet und mit den Achsen einen Winkel von 45° bildet, so ist eine Kopplung einer Einfachwellenleiterfaser mit zwei anderen Einfachwellenleiterfasem verwirklicht So ist
μ beispielsweise die Faser A mit C und D und die Faser C mit A und B gekoppelt Der Spiegel 49 wird durch die Grenzfläche zweier Prismen 49A und 4Sö gebildet die zusammen einen rechteckigen Block bilden.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Optisches Kopplungselement, bestehend aus einer kugelförmigen Linse und einer Halterung, durch die eine Wellenleiterfaser und die kugelförmige Linse auf einer gemeinsamen optischen Achse ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex (N\) des Linsenmaterials vom Zentrum der Linse in radialer Richtung abnimmt, daß der Durchmesser der Linse und der Wellenleiterfaser wenigstens annähernd gleich groß sind, und daß die Halterung eine durchgehende Kapillare mit einem dem Durchmesser der Linse bzw. der Wellenleiterfaser entsprechenden Durchmesser besitzt, in der die Linse und ein Ende der Wellenleiterfaser fixiert sind.
2. Kopplungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Faser (7) an der Linse (11) anliegt, daß die Faser eine Monomode-Weller.leiterfaser ist, und daß der Brechungsindex N der Linse entsprechend der Gleichung
N=N, ■ (2-(r/RoYY'2
verläuft, wobei Ro der Radius der Linse, r der Abstand zum Zentrum der Linse und N\ der Brechungsindex in der Mitte der Faser ist.
3. Kopplungsvorrichtung mit wenigstens zwei Kopplungselementen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsvorrichtung einen Träger mit einer V-förmigen Rille (45) enthält, worin die Kopplungselemente (78) derart befestigt sine" daß die Kugelünsen (77) einander gegenüberliegen (F i g. 9).
4. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Träger zwei V-förmige Rillen (47, 48) gefoimt sind, die sich senkrecht kreuzen und in denen die Kopplungselemente (78) angeordnet sind, und daß ein halbdurchlässiger Spiegel (49) zwischen den Linsen der Kopplungselemente angeordnet ist, der ein Winkel von 45° mit den optischen Achsen der Fasern bildet (Fig. 10).
DE2723972A 1976-05-31 1977-05-27 Optisches Kopplungselement sowie Positioniervorrichtungen für derartige Elemente Expired DE2723972C2 (de)

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