DE2751915A1

DE2751915A1 - Lichtleitfaser mit einer anordnung zum seitlichen ein- und auskoppeln vonlicht

Info

Publication number: DE2751915A1
Application number: DE19772751915
Authority: DE
Inventors: Jun Daniel John Stigliani
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-11-21
Publication date: 1978-07-06
Also published as: US4092061A; JPS5392148A; CA1099967A; FR2376424B1; GB1544747A; IT1114448B; FR2376424A1

Description

Anmelderin: International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y., 10504

pr-cn

Lichtleitfaser mit einer Anordnung zum seitlichen Ein- und Auskoppeln von Licht

Optische Lichtleitfasern sind seit langem für die übertragung von Licht bekannt. Das Ein- und Auskoppeln des Lichts in und aus einer Lichtleitfaser erfolgt im allgemeinen dadurch, daß das Faserende, um einen unmittelbaren Lichteintritt in Richtung der Faserachse sicherzustellen, entsprechend ausgerichtet mit einer Lichtquelle oder einem Lichtsensor in Berührung gebracht bzw. an diese angenähert wird. In der Praxis kommt es jedoch sehr oft vor, daß eine unmittelbare Annäherung oder ein Inberührungbringen der das Licht aufnehmenden oder das Licht abgebenden Faserbündelenden an die oder mit den Lichtquellen bzw. Lichtsensoren nicht möglich ist. Dieser Fall liegt beispielsweise dann vor, wenn die das in die Lichtleitfaser einzukoppelde Licht erzeugende Lichtquelle aus einer in einer Anordnung mit hoher Packungsdichte untergebrachten, das Licht aus ihrer oberen Fläche emittierenden Leuchtdiode besteht, wie das beispielsweise bei den heute vielfach verwendeten elektronischen Anordnungen der Fall ist, die aus einer Vielzahl von eng nebeneinander angeordneten, eine Vielzahl von elektrischen und optischen Komponenten tragenden Karten bestehen. Es ist zwar möglich, die Lichtleitfasern in unmittelbarer Nachbarschaft des lichtaufnehmenden oder lichtabgebenden Endes um 90° zu biegen, so daß die Stirnfläche des Faserendes mit dex Lichtquelle oder dem Sensor in Berührung gebracht werden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß in der Lichtleitfaser bei einei Biegung um 90° Verluste auftreten, die insbesondere bei hochwertigen, extrem niedrige Verluste aufweisenden Lichtleitfaser! besonders hoch sind. Eine andere Möglichkeit, Licht seitlich in eine Lichtleitfaser einzukoppeln oder aus einer Lichtleitfaser auszukoppeln, besteht darin, einen Spiegel in der Nähe

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des Faserendes anzuordnen. Eine zwischen Spiegel und Lichtquelle bzw. Lichtsensor angeordnete Linse dient dabei zur Kollimierung des einzukoppelnden bzw. zur Fokussierung des auzukoppelnden Lichtes. Es hat sich jedoch gezeigt, daß derartige Anordnungen wegen ihres hohen Platzbedarfs in Vorrichtungen mit hoher Packungsdichte, beispielsweise integrierten Schaltungen, nicht verwendet werden können.

Die Erfindung geht von der Ausgabe aus, die obengenannten Nachteile zu vermeiden und eine Lichtleitfaser mit einer Anordnung zum seitlichen Ein- und Auskoppeln von Licht anzugeben, bei der keine komplizierten und zusätzlichen Platz benötigenden Elemente, wie zusätzliche Spiegel und Linsen, erforderlich sind. Auch sollen Krümmungen der Lichtleitfasern um 90° nicht erforderlich sein. Insbesondere sollen diese Lichtleitfasern zur Verwendung im Zusammenhang mit Vorrichtungen mit hoher Packungsdichte, beispielsweise integrierten elektronischen, elektrooptischen oder optischen Schaltungen verwendbar sein.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen, mit einer Anordnung zum seitlichen Ein- und Auskoppeln von Licht versehenen Lichtleitfasern besteht darin, daß, im Gegensatz zu den bisher bekannten derartigen Vorrichtungen, eine Krümmung der Lichtleitfaser um 90° in unmittelbarer Nähe des lichtaufnehmenden

oder lichtaussendenden Endes oder zusätzliche Linsen- und I Spiegelvorrichtungen nicht erforderlich sind, da die besondere Ausgestaltung der das Faserende bildenden Schnittfläche sowie deren Ausrichtung in bezug auf die zugeordneten Lichtquellen oder Lichtsensoren einen die seitlich eintretende Strahlung in Richtung der optischen Achse oder umgekehrt ablenkenden Spiegel unnötig macht. Der dieser Schnittfläche gegenüberliegende, gekrümmt belassene Bereich der Faserwandung wirkt dabei für eine einzukoppelnde Strahlung als Kollimatorlinse und für eine auszukoppelnde Strahlung als Fokussierlinse.

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Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1

Fig. 2

die schematische Darstellung einer aus mehreren, jeweils eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden enthaltenden, mit hoher Packungsdichte angeordneten Karten bestehenden Vorrichtung,

eine schematische Darstellung eines Schnittes durch die in Fig. 1 wiedergegebene Vorrichtung entlang der Linie 2-2,

Fig. 3

eine Seitenansicht der in den Fign. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung zur Veranschaulichung der Lage einer Lichtleitfaser in bezug auf eine lichtemittierende Diode,

Fig. 4

eine Einzelheiten einer Lichtleitfaser darstellende Ansicht eines Schnittes entlang ihrer optischen Achse,

Fig. 4a die Darstellung der Ansicht eines Schnittes

senkrecht zur optischen Achse einer Lichtleit+ faser und deren Wirkung als Kollimatorlinse,

Fig. 5 die Ansicht eines Schnittes entlang der optischen Achse einer Lichtleitfaser zur Veranschaulichung der Verhältnisse bei einer mit der Faserachse einen von 45° verschiedenen Winkel einschließenden Schnittfläche.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einer Viel-

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zahl von Moduln 10, 11, die mit hoher Packungsdichte auf Karten 12 angeordnet sind. Diese Karten sind ihrerseits parallel zueinander auf einem Substrat 14 befestigt. Mindestens ein mit 11 bezeichnetes Modul der Module 10 enthält Ausgänge von lichtemittierenden Dioden, deren Zustände zu einem entfernt liegenden Punkt übertragen werden sollen. Wegen der besonderen Anordnung der Karten und der Module der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung müssen die zur übertragung des von den lichtemittierenden Dioden erzeugten Lichtes dienenden Lichtleitfasern parallel zu den diese Dioden tragenden Karten angeordnet werden. Wegen der hohen Packungsdichte der Vorrichtung reicht der zur Verfügung stehende Platz nicht aus, die Lichtleitfasern unter einem Winkel von 90° zu den Karten verlaufen zu lassen. Die Lichtleitfasern können aber auch bei paralleler Anordnung in bezug zu den Karten nicht mit Biegungen um 90 versehen werden, da, wie oben dargelegt, die dabei auftretenden Lichtverluste nicht in Kauf genommen werden können. Ebenso ist es nicht möglich, zur Einkoppelung von Licht in die Lichtleitfasern erforderliche Spiegel und Linsen unterzubringen. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die optischen Lichtleitfasern 18 parallel zum Modul 11 und daher parallel zur Karte 12 angeordnet sind, so daß der in der Nähe des Faserendes befindliche Bereich der Lichtleitfaser in unmittelbarer Nähe der lichtem! ttierenden Diode 16 liegt. Die lichtemittierenden Dioden 16 werden, wie aus Fig. 2 ersichtlich, über Treiber 19 erregt. Die aus der oberen Fläche dieser Dioden austretende Strahlung weist eine Lambert¹sehe Richtungsverteilung auf.

Wie insbesondere aus den Fign. 3 und 4 ersichtlich, bestehen die Enden der Lichtleitfasern 18 aus schräg zur Faserachse verlaufenden Schnittflächen 17, die vorzugsweise unter Winkeln von 45° in bezug auf die Faserachse liegen und die in bezug auf die Lichtquelle 16 so angeordnet sind, daß das von dieser Lichtquelle ausgehende Licht parallel zur Faserachse in die Lichtleitfaser reflektiert wird. Es wird darauf hingewiesen, daß nur der Anteil des an der unter einem Winkel von 45° in ,

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Bezug auf die Faserachse angeordneten Schnittfläche 17 reflektierte Licht in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird, der innerhalb der numerischen Apertur dieser Faser liegt. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, kann die Schnittfläche 17 auch unter einem von 45° verschiedenen Winkel in bezug auf die Faserachse angeordnet werden, sofern die Lage der Lichtquelle so gewählt wird, daß an der Schnittfläche 17 Totalreflexion auftritt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein Winkel von 45° optimal ist, da in diesem Fall die Fresnel-Reflexion an der Lichtleitfaser ein Minimum ist.

Die in Fig. 4 dargestellte Schnittfläche 17 kann beispielsweise! durch Schneiden der Lichtleitfaser mit Hilfe eines Diamantrades hergestellt werden. Auf diese Weise wird eine sehr glatte und ; gut reflektierende Oberfläche erzielt, die eine innere Total- ] reflexion ermöglicht. Die Fläche 17 kann auch mit einem geeigneten Material überzogen werden, um die erforderliche Reflektivität sicherzustellen. Es hat sich gezeigt, daß ein aus einerj dünnen Aluminiumschicht bestehender Oberzug besonders vorteilhaft ist. Der überzug kann beispielsweise durch Aufdampfen aufgebracht werden und muß eine Dicke aufweisen, durch die eine ausreichende Reflektivität sichergestellt wird. Zur Erzeugung der Schnittfläche kann das Ende der Lichtleitfaser durch eine Epoxidharzschicht eingekapselt werden und der Schnitt gleichzeitig durch diese Schicht und die Lichtleitfaser geführt werden. Auf diese Weise wird eine gute Halte-Irung der Lichtleitfaser während des Schneidevorganges sichergestellt werden. Dieses Verfahren kann sowohl zur Erzeugung Ieiner Schnittfläche an einer einzigen Lichtleitfaser als auch I zur gleichzeitigen Erzeugung von Schnittflächen an mehreren Lichtleitfasern verwendet werden. Es hat sich gezeigt, daß zur seitlichen Einkopplung oder Auskopplung von Licht gemäß der vorliegenden Erfindung eine Lichtleitfaser aus geschmolzenem Quarzglas mit einem Kerndurchmesser von 75 μ und einem Gesamtdurchmesser von 125 μ besonders vorteilhaft ist. Die numerische Apertur dieser Lichtleitfaser betrug 0,14. Der in Fig. 4 PO 976 0Ϊ6 8~Ü 9 8 T%/ Ü 6 U 9

mit 22 bezeichnete Überzug hat einen vom Glaskern geringfügig verschiedenen Brechungsindex. Die Krümmung des optischen Lichtleiters wirkt wie eine zwischen der Lichtquelle und der Schnittfläche angeordnete Kollimatorlinse. Aus den Fign. 4 und j 4a ergibt sich, daß die richtige Anordnung der Lichtquelle 16 j in bezug auf die Schnittfläche 17 von großer Wichtigkeit ist ■ und daß, wie ebenfalls oben ausgeführt, der vertikale Abstand i zwischen der Lichtleitfaser und der Lichtquelle zur Sicher-

'Stellung einer maximalen Lichtaufnahme und bei Vorliegen mehre* rer, dicht nebeneinander angeordneter, lichtemittierender ; !Dioden ebenfalls sehr wichtig ist. Die Lichtleitfasern werden relativ nahe in bezug auf die Lichtquellen angeordnet, um ! Lichtverluste zu vermeiden und den Einfluß benachbarter Licht-, quellen möglichst herabzusetzen. Die vertikale und seitliche : Lage der Lichtleitfasern kann mit Hilfe von an dem Halbleiter selbst oder an einem an diesem befestigten, als Halteelement ausgebildeten Körper angeordneten Rinnen festgelegt werden. Diese Rinnen weisen eine derartige Höhe und eine derartige Seitenlage auf, daß die in sie gelegten Lichtfaserleiter, wie aus Fig. 2 ersichtlich, die richtige Lage in bezug auf die lichtemittierenden Dioden aufweisen.Wie aus den Fign. 2 und 3 _i ersichtlich, kann ein Halteelement 24 in einem geeigneten Abstand von den Faserenden vorgesehen werden, so daß es an die Modulkante anstößt und die Faserenden unmittelbar über den lichtemittierenden Dioden festlegt.

Es ist aber auch möglich, Licht aus der Lichtleitfaser 18 mit Hilfe der gleichen Schnittfläche 17 auszukoppeln. In dieseip Fall wird ein nicht dargestellter Lichtdetektor in der gleiche^ Lage wie die Lichtquellen in bezug auf die Schittflache 17 angeordnet. Das sich im Inneren der Lichtleitfaser fortpflanzend^ Licht wird an der Schnittfläche auf den Detektor reflektiert.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Lichtleitfaser mit einer Anordnung zum seitlichen Einbind Auskoppeln von Licht, gekennzeichnet durch eine an der der Eintritts- oder Austrittsseite gegenüberliegenden Seite der Lichtleitfaser (18) schräg verlaufende Schnittfläche (17), durch die das durch die gekrümmte Faserwand in die Lichtleitfaser eintretende Licht im wesentlichen parallel zur Faserachse oder das im Innern der Lichtleitfaser im wesentlichen parallel zu ihrer Achse verlaufende Licht durch den gekrümmt belassenen Teil der Faserwandung nach außen reflektiert wird.

2. Lichleitfaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Neigung der Schnittfläche (17) in bezug auf die Faserachse und die Richtung des ein- oder auszukoppelnden Lichtes, daß dieses an der Innenseite der Schnittfläche total reflektiert wird.

3. Lichtleitfaser nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittfläche (17) mit der Faserachse einen Winkel von 45° einschließt.

4. Lichtleitfaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen die Schnittfläche bedeckenden, reflektierenden Belag.

5. Lichtleitfaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schnittfläche (17) bedeckende Schicht aus j Aluminium besteht. ^;

6. Lichtleitfaser nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittfläche (17) durch Schneiden mit einer Diamantsäge und/oder Feinpolieren eine extrem geringe Rauhtiefe aufweist.

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ORIGINAL INSPECTED

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7. Lichtleitfaser nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lichtleitfasern (18) mit gleiche Neigungen aufweisenden Schnittflächen (17) in einer Ebene nebeneinander angeordnet und verschiedenen Lichtquellen oder Lichtdetektoren zugeordnet sind.

8. Lichtleitfaser nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 7, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung in bezug auf die Lage der das einzukoppelnde Licht erzeugenden Lichtquelle oder des das auszukoppelnde Licht empfangenden Sensors, daß der der Schnittfläche (17) gegenüberliegende, gekrümmt belassene Bereich der Faserwandung als Kollimatorlinse bzw. als Fokussierlinse dient.

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