DE2805358C2

DE2805358C2 - Aperturwandler zur Ankopplung eines optischen Senders verhältnismäßiger kleiner kreisförmiger Koppelfläche, insbesondere einer lichtemittierenden Diode, an eine Gradientenfaser

Info

Publication number: DE2805358C2
Application number: DE19782805358
Authority: DE
Inventors: Alfons 6109 Mühltal Hähnlein
Original assignee: AEG Telefunken AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1978-02-09
Filing date: 1978-02-09
Publication date: 1982-04-08
Also published as: DE2805358A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Aperturwandler zur Ankopplung eines optischen Senders verhältnismäßig kleiner kreisförmiger Koppelfläche, insbesondere einer lichtemittierenden Diode, an eine Gradientenfaser, bestehend aus einem sich vor der Koppelfläche auf den Querschnitt der Gradientenfaser stetig erweiternden Übergang (Taper), der auf der dem optischen Sender zugewandten Seite eine hohe numerische Apertur mit großs:r Brechzahldifferenz zwischen Faserachse und Mantel und an der zur Gradientenfaser weisenden Seite deren numerische Apertur aufweist.

Die numerische Apertur eines optischen Faserwellenleiters begrenzt in der Regel die von einem optischen Sender aufgenommene Leistung. Bei einer lichtemittierenden Diode mit Lambert'scher Abstrahlung, die im nachfolgenden mit der Abkürzung LED bezeichnet ist, die aufgenommene Leistung proportional dem Quadrat der numerischen Apertur. Bei Lichtwellenleitern hoher Bandbreite, insbesondere Gradientenfasern, die bekanntlich numerische 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 Sender 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 bis 608 und Cloge in Electronics Letters, Band 13 (1977) Nr. 14, S. 399 bis 400 auch eine Querschnittsanpassung von dem kleineren Querschnitt einer LED auf den größeren Querschnitt einer Gradientenfaser verstanden werden.

In der DE-OS 19 49 029 ist ein Taper und dessen Herstellungsverfahren beschrieben, der in axialer und radialer Richtung e>ne ganze bestimmte Brechzahlverteilung besitzt, um damit gewünschte Fokussierungseffekte zu erzielen. Die Brechzahlverteilung ist hier aber nicht darauf ausgerichtet, um Licht von einem optischen Sender mit Lambert'scher Abstrahlung mit möglichst hohem Wirkungsgrad in eine Gradientenfaser umzukoppeln.

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 Übergang in Form eines Horn-Reflektors mit linearer Kontur verwendet, der die Struktur einer Gradienten- oder Kern-Mantel-Faser hat und Neigungswinkel φ < 1 gegen die Achse sowie eine hohe numerische Apertur aufweist.

Mit diesem Übergang, 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 dem der zunächst rotationssymmetrische 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 aj 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 Quotienten

des Tapers. Dieser Quotient kann jedoch wegen des vorgegebenen Kerndurchmessers ε& 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 Koppel-

fläche 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 erweiternden übergang (Taper), der i.uf 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 einer Gradientenfaser aufweisende Kernzone in Richtung des Senders in der eine geringere Brechzahl aufweisenden Mantelzone als angenäherter Rotationsparaboloid endet und die Mantelzone die Kernzone ir. Richtung des Senders um einen annähernd kegelstumpfförmig ausgebildeten Fortsatz überragt, daß der Brechzahl der Mantelzone neben einem 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 Brechzahldifferenz 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 Δ der größten Brechzahl in der Faserachse n₀ und im Mantel n_a des kegelstumpfförmigen Fortsatzes bzw. der Mantelzone

Δ =

no- - na'
2 no 2

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 von Gradientenfasern

_]0 nZ(r)=n_o ²(i-2Af(r))füT OSrSa

mit a als Kernradius weitergelten soll.

Die erforderlichen höheren numerischen Aperturen A_n=n_o^2Ä an der Stirnfläche des kegelstumpfförmigen Fortsatzes können durch Ionenimplantation und/oder Diffusion erreicht werden, soweit sie nicht bereits durch den Herstellungsprozeß der Gradientenfaser vorgegeben sind, die als Ausgangsmaterial für die Herstellung des Übergangs dient

In der Figur wird die Wirkungsweise der Erfindung an Hand symmetrischer meridionaler Strahlungsmoden bei geringem Unterschied der Brechzahlen im Amperturwandler verdeutlicht

Nach der Figur endet die Kernzone 1 in der Mantelzone 2 in einem Rotationsparaboloid 4, während die Mantelzone den Rotationsparaboloid 4 in einen kegelstumpfförmigen 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 wird nach ein bzw. zweimaliger Reflexion unter einem kleinen Winkel zur Faserachse des Gradientenwellenleiters weitergeleitet. Bei einer Länge des Übergangs von etwa 250 μ 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aperturwandler zur Ankopplung eines optischen Senders verhältnismäßig kleiner kreisförmiger Koppelfläche, insbesondere einer lichtemittierenden Diode, an eine Gradientenfaser, bestehend aus einem sich von der Koppelfläche auf den Querschnitt der Gradientenfaser stetig erweiternden 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 numerische Apertur aufweist,dadurch gekennzeichnet, 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 Richtung des Senders in der eine geringere Brechzahl aufweisenden Mantelzone (2) als angenäherter Rotationsparaboloid (4) endet und die Mantelzone (2) die Kernzone in Richtung des Senders um einen annähernd kegelstumpfförmig ausgebildeten Fortsatz (3) überragt, daß die Brechzahl der Mantelzone neben einem 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 Aperturwandlers 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.