DE2805358A1

DE2805358A1 - Aperturwandler zur ankopplung eines optischen senders verhaeltnismaessiger kleiner kreisfoermiger koppelflaeche, insbesondere einer lichtemittierenden diode, an eine gradientenfaser

Info

Publication number: DE2805358A1
Application number: DE19782805358
Authority: DE
Inventors: Alfons Haehnlein
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1978-02-09
Filing date: 1978-02-09
Publication date: 1979-08-23
Also published as: DE2805358C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Aperturwandler zur Ankopplung
eines optischen Senders verhältnismäßiger kleiner kreisförmiger Koppelfläche, insbesondere einer lichtemittierenden Diode an eine Gradientenfaser.
Die numerische Apertur eines optischen Faserwellenleiters begrenzt in der Regel die von einem optischen Sender aufgenommene Leistung. Bei einer lichtemittierenden Diode mit Lambert'scher Abatrahlung, im nachfolgenden mit der Abkürzung LED bezeichnet, die aufgenommene Leistung roportional dem Quadrat der numerischen Apertur. Bei Lichtwellerileitern hoher Bandbreite, insbesondere Gradientenfasern, die bekanntlich numeische Aperturen kleiner 0,2 aufweisen, bedeutet dies eine beträchtliche Einschränkung der Einsatzmöglichkeiten der LED.
Um die einkoppelbare Leistung zu steigern, sind neben der Verbesserung des äußeren Wirkungsgrades der optischen wender auch Verbesserungen durch die Verwendung eines sogenannten Tapers vorgeschlagen worden. Unter dem angelsächsischen Ausdruck Taper versteht man ein im wesentlichen kegelstumpfförmig verlaufendes Anpassungsglied von einem größeren auf einen kleineren kreisförmigen Querschnitt. Im folgenden soll jedoch in Anlehnung an die Arbeiten von Ozeki u.a. in Electronics Letters, Band 12 (1976), Nr. 23, S. 607-608 und Cloge in Electronics Leiters, Band 13 (1977) Nr. 14, S. 399-400 auch eine Querschnib'anpassung von dem kleineren Querschnitt einer LED auf den größeren Querschnitt einer Gradientenfaser verstanden werden.
Eine Anordnung zur Anpassung eines optischen Senders an eine Gradientenfaser ist weiter durch die DE-OS 25 54 705 bekannt. Dort wird ein lang gestreckter uebergang in Form eines Horn-Reflektors mit linearer Kontur verwendet, der die Struktur einer Gradienten- oder Kern-Mantel-Faser hat und Neigungswinkeff«1 gegen die Achse sowie eine hohe numerische Apertur aufweist.
Mit diesem uebergang, den man nach den vorerwähnten Literaturstellen aus Electronics Letters ebenfalls als Taper bezeichnen kann, sollen vorzugsweise Halbleiterlaser mit einer rechteckigen Koppelfläche an eine Gradientenfaser angepasst werden, in den der zunächst rotationasymmetrische Querschnitt des Tapers einer zusätzlichen Verformung zur Erzielung eines elliptischen oder annähernd rechteckigen Querschnitts unterworfen wird.
Dem Ankopplungs-Wirkungsgrad beider bekannter Taperarten sind aus dem im folgenden dargelegten physikalischen Gründen jedoch Grenzen gesetzt. Bei der Verwendung eines Tapers zur Ankopplung eines Lambert'schen Strahlers ,z.B.
einer LED,soll für eine optimale Leistungsübertragung der Durchmesser der Lichtquelle gleich dem Durchmesser a des einen Taperendes sein. Der Taper ist umso wirksamer, je größer der Durchmesser a2 des an die Gradientenfaser grenzenden Endes des Tapers ist. Der Wirkungsgrad ist dann proportional dem Produkt des Quadrates der numerischen Apertur der Gradientenfaser selbst und dem Quadrat des 82 Quotienten R = a2 des Tapers. Dieser Quotient kann jedoch a1 wegen des vorgegebenen Kerndurchmessers a2 einer Gradientenfaser nur auf Kosten der aktiven Fläche des Lichtsenders groß gemacht werden. Da dieser Quotient in die Leistungsbilanz jedoch umgekehrt proportional zur aktiven Fläche eingeht, bleibt der effektive Wirkungsgrad einer derartigen Koppelanordnung nur verhältnismäßig klein.
Die Erfindung hat die Aufgabe, einen optischen Sender verhältnismäßig kleiner kreisförmiger Koppelfläche an eine Gradientenfaser anzukoppeln. Sie besteht, wie der Übergang nach der vorbekannten DE-OS 25 54 705, aus einem sich von der Koppelfläche auf den Querschnitt der Gradientenfaser stetig erweiterinden Übergang (Taper), der auf der dem optischen Sender zugewandten Seite eine hohe numerische Apertur mit großer Brechzahldifferenz zwischen Faserachse und Mantel und an der zur Gradientenfaser weisenden Seite deren Apertur aufweist.
Ausgehend von einer solchen Anordnung, wird die vorstehend aufgeführte Aufgabe nun dadurch gelöst, daß der Übergang an der zur Gradientenfaser weisenden Seite aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten, sich gleichermaßen verjüngenden Zonen aufgebaut ist, wobei die das Brechzahlprofil einen Gradientenfaser aufweisende Kernzone in der eine geringere Brechzahl aufweisenden Mantelzone als angenäherter Rotationsparaboloid endet und die Mantelzone die Kernzone um einen annähernd kegelstumpfförmig ausgebildeten Fortsatz überragt. Als weiteres wesentliches Lösungsmerkmal weist die Brechzahl der Mantelzone neben dem radialen Gradienten einen Gradienten in axialer Richtung auf, derart, daß die Brechzahl mit dem Durchmesser der Mantelzone anwächst, während die über den kegelstumpfförmigen Fortsatz annähernd konstante Brechzehldifferenz zwischen Faserachse und Mantel mit Beginn der Kernzone kontinuierlich auf den durch die numerische Apertur der anzukoppelnden Gradientenfaser vorgegebenen Wert abnimmt.
Die Verjüngung beider Zonen, das heißt, die Neigung der beiden axialsymmetrischen Grenzflächen zur Faserachse, ist dabei im Rahmen der beim Fertigungsprozeß offenbleibenden Möglichkeiten so zu wählen, daß mit einer möglichst geringen Anzahl von Reflexionen der von der LED übernommenen Strahlungsmoden der kleinere Aperturwinkel der Gradientenfaser erreicht wird.
Zur Aufnahme einer möglichst großen Sendeleistung gilt für die numerische Apertur an der dem optischen Sender zugewandten Seite des Übergangs die Bedingung, daß die normierte Differenz a der größten Brechzahl in der Faser achse n0 und im Mantel na des kegelstumpfförmigen Fortsatzes bzw. der Mantelzone # = no² -na² 2no2 sich dabei im Verlauf des Übergangs mit Beginn der Kernzone zu den kleineren Werten der Kernzone ändert, wobei für die Kernzone die bekannte Bedingung für das Brechzahlprofil 2 von Gradientenfasern n2 (r) = no²(1-2#fdr) )£ür o c r -' a mit a als Kernradius weitergelten soll.
Die erforderlichen höheren numerischen Aperturen an der Stirnfläche des kegelstumpfförmigen Fortsatzes können durch lonenimplantation und/oder Diffusion erreicht werden, soweit sie nicht bereits durch den Herstellungsprozeß der Gradientenfaser vorgegeben sind, die als Ausgang material für die Herstellung des Übergangs dient.
Index Figur wird die Wirkungsweise der Erfindung an Hand symmetrischer meridionaler Strahlungsmoden bei geringem Unterschied der Brechzahlen im Ämperturwandler verdeutlicht.
der Nach Bigur endet die Kernzone 1 in der Mantelzone 2 in einem Rotationsparaboloid 4, während die Mantelzone den Rotationspsraboloid 4 in einen kegelstumpfförmiegen Fortsatz 3 überragt.
Der Abstand h der Stirnfläche des kegelstumpfförmigen Fortsatzes 3 vom Ende des Rotationsparaboloids 4 lässt sich bei der Ausführung des kegelstumpfförmigen Fortsatzes verschieden groß gestalten. Damit ist eine Einstellungsmöglichkeit für die Wahl des kleineren Aperturwinkels der Kernzone gegeben. In der Figur wird die äußere numerische Apertur etwa mit 0,7 angenommen. Die von der LED ausgehende Strahlung tritt unter einem großen Winkel über die Stirnfläche des kegelstumpfförmigen Fortsatzes 3 der Mantelzone 2 in den Übergang ein und wirt nach ein bzw. zweimaliger Reflexion unter einem kleinen Winkel zur Faserachse des Gradientenwellenleiters weitergeleitet. Bei einer Länge des Übergangs von etwa 250µ /u kann ein Winkel der weitergeleiteten Strahlen gegenüber der Faserachse von 5 erreicht werden. Wegen der Kürze des Übergangs tritt dabei keine Verschlechterung der Übertragungsbandbreite der angeschlossenen Gradientenfaser ein.
Leerseite

Claims

Aperturwandler zur Ankopplung eines optischen Senders d verhältnismäßiger kleiner kreisförmiger Koppelfläche, insbesondere einer lichtemittierenden Diode,an eine Gradientenfaser (2) Patentansprüche Aperturwandler zur Ankopplung eines optischen Senders verhältnismäßiger kleiner kreisförmiger Koppelfläche, insbesondere einer lichtemittierenden Drode,an eine Gradientenfaser, bestehend aus eines sich von der Koppeifläche auf den Querschnitt der Gradientenfeser stetig erweiterenden Übergang (Taper), der auf der dem optischen Sender zugewandten Seit eine hohe numerische Apertur mit großer Brechzahldifferenz zwischen Fasei achse und Mantel und an der zur Gradientenfaser weisenden Seite deren numerische Apertur aufweist, da durch g e ke n zeichnet, daß der Übergang an der zur Gradientenfaser weisenden Seite aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten, sich gleichermaßen verJüngenden Zonen aufgebaut ist, wobei die das Brechzahlprofil einer Gradientenfaser aufweisende Kernzone (1) in der eine geringere Brechzahl aufweisenden Mantelzone (2) als angenäherter Rotationspsraboloid (4) endet und die Mantelzone (2) die Kernzone um einen annähernd kegelstumpfförmig ausgebildeten Fortsatz (3) übertragt, daß die brechzahl der Mantelzone neben dem radialen Gradienten einen Gradienten in axialer Richtung aufweist, derart, daß die Brechzahl mit dem Durchmesser der Mantelzone anwächst, während die über den kegelstumpfförmigen Fortsatz (3) annähernd konstante Brechzahldifferenz zwischen Faserachse und Mantel mit Beginn der Kernzone (4) kontinuierlich auf den durch die numerische Apertur der anzukoppelnden Gradientenfaser vorgegebenen Wert abnimmt.
2. Verfahren zur Herstellung eines Aperturwalldlers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Gradient der Brechzahl bzw. Brechzahldifferenz zwischen Faserachse und Mantel durch Ionenimplantation und/oder Diffusion an den nach bekannten Methoden aus einer Gradientenfaser gezogenen Übergang erreicht wird.