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Koppelelement zum Auskoppeln eines Lichtanteiis aus
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einem optischen Wellenleiter und Wiedereinkoppeln desselben in einen
abzweigenden optischen Wellenleiter sowie Verfahren zur Herstellung des Elementes
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Koppelelement zum Auskoppeln eines
Lichtanteils aus einem optischen Wellenleiter und Wiedereinkoppeln desselben in
einen abzweigenden optischen Wellenleiter und/oder zum Auskoppeln von Licht aus
dem abzweigenden Wellenleiter und Wiedereinkoppeln desselben in den optischen Wellenleiter
sowie Verfahren zur Herstellung des Elementes.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein besonders einfach aufgebautes
sowie besonders einfach herzustellendes Koppelelement der eingangs genannten Art
anzugeben.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der auf oder in einem Tragkörper
befestigte Wellenleiter durch eine
Lücke unterbrochen ist, in welcher
nur ein schichtförmiges Strahlteilerelement schief zur Achse des unterbrochenen
Wellenleitsrs angeordnet ist, an den die beiden Teile des unterbrochenen Wellenleiters
zumindest im wesentlichen heranreichen, daß der auf oder in einem weiteren Tragkörper
befestigte abzweigende Wellenleiter so angeordnet ist, daß er mit einer seiner beiden
Stirnflächen bis an einen freiliegenden längsseitigen Anteil des einen Teils des
Wellenleiters, der im Bereich des von diesem Teil des Wellenleiters ausgekoppelten
und vom Strahlteilerelement reflektierten Lichtanteils liegt, zumindest im wesentlichen
heranreicht und daß der weitere Tragkörper mit dem Tragkörper fest verbunden ist.
"Im wesentlichen" soll dabei bedeuten, daß zwischen der Stirnfläche eines Teiles
bzw.
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des abzweigenden Wellenleiters und dem Strahlteilerelement bzw. dem
freiliegenden Anteil des Wellenleiters noch ein Abstand von höchstens einigen 100/um
sein kann, in dem vorzugsweise eine transparente Zwischenschicht vorhanden ist,
beispielsweise eine zum Befestigen dienende transparente Kleber- oder Kittschicht.
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Günstiger ist es jedenfalls, wenn kein solcher Abstand vorhanden ist.
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Eine erste bevorzugte Ausführungsform des Koppelelementes ist so ausgebildet,
daß zumindest der eine der beiden Teile des Wellenleiters in einer Nut befestigt
ist, die in eine ebene Oberfläche des Tragkörpers eingebracht ist und daß der weitere
Tragkörper auf der ebenen Oberfläche befestigt ist.
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Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des vorgeschlagenen Koppelelementes
ist so arsgebildet, daß zumindest der eine der beiden Teile des Wellenleiters im
Inneren des Tragkörpers befestigt ist, daß in den Tragkör-
körper
eine Ausnehmung eingebracht ist, in welcher ein Anteil des einen Teils des Wellenleiters
freigelegt ist und daß der weitere Tragkörper zusammen mit dem abzweigenden Wellenleiter
in dieser Ausnehmung aufgenommen und befestigt ist. Diese zweite Ausführungsform
ist bevorzugterweise so ausgebildet, daß die Wand der Ausnehmung einen Anteil der
Oberfläche einer Kugel bildet und daß die Oberfläche des aufgenommenen Teils des
weiteren Tragkörpers zusammen mit dem abzweigenden Wellenleiter entsprechend geformt,
aber kleiner bemessen ist. Eine besonders vorteilhafte Realisierungsmöglichkeit
der zweiten Ausführungsform geht aus Anspruch 5 hervor.
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Für den Fall, daß der eine Teil des Wellenleiters eine gewöhnliche
Kern-Mantel-Glasfaser ist, ist es zweckmäßig, wenn die Faser im freiliegenden Anteil
bis auf den Faserkern freigelegt ist.
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Das vorgeschlagene Koppelelement zeichnet sich durch seinen besonders
einfachen Aufbau aus. Es benötigt keine optischen Zwischenelemente, wie bespielsweise
abbildende Optiken oder dgl.. Es läßt sich als nicht selektiver oder auch als selektiver
Abzweig ausbilden, wobei im ersteren Fall ein gewöhnlicher teildurchläs siger Spiegel
und im zweiten Fall ein frequenzselektives Filter, beispielsweise ein dichroitischer
Spiegel als Strahlteilerelement zu verwenden ist. Es läßt sich dabei als Grundelement
zu einer Reihe bereits vorgeschlagener Elemente erweitern, beispielsweise zu einem
frequenzselektiven optischen Lichtverteilerelement nach der älteren Patentanmeldung
P 28 40 493.5 (VPA 78 P 7124) wobei dort die Gradientenlinse 7 durch die abzweigende
Faser und den weiteren Tragkörper ersetzt ist, sowie zu einem Abzweigelement nach
der älteren Patentanmeldung
P 28 40 602.2 (VPA 78 P 7123), wobei
der dortige Detektor 10 auf dem weiteren Tragkörper aufgebracht ist. Das Element
nach der Patentanmeldung P 28 42 535.6 (V'PA 78 P 7154) läßt sich durch das vorgeschlagene
Element ersetzen. Das vorgeschlagene Element ist je nach verwendetem Strahlteilerelement
für Demultiplexer in Verbund mit nichtselektiven Abzweigen sowie mit selektiven
Abzweigen in gleicher Weise verwendbar.
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Das vorgeschlagene Koppelelement zeichnet sich aber nicht nur durch
einfachen Aufbau und vielseitige Verwenbarkeit, sondern auch durch die besonders
einfache Herstellungsmöglichkeit aus. Ein solches besonders einfaches Herstellungsverfahren
ist so ausgebildet, daß ein zylinderischer Ausgangskörper, auf oder in welchem ein
optischer Wellenleiter parallel zur Zylinderachse angeordnet ist, durch einen schräg
zur Wellenleiterachse geftShrten Schnitt in zwei Teile zerlegt wird, daß die beiden
Schnittflächen auf optische Qualität gebracht werden, daß auf einer der Schnittflächen
das schichtförmige Strahlteilerelement aufgebracht wird, daß beide Zylinderhälften
auf die obere Oberfläche eines mit einem geradlinig verlaufenden Anschlag versehenen
Justierkörpers so gelagert werden, daß sie am Anschlag anliegen und die Schnittflächen
parallel zueinander liegen, daß sie dann durch Verschieben längs des Anschlags zusammengebracht
und miteinander verbunden werden, daß danach ein längsseitiger Anteil bei zumindest
einem der beiden Teile des Wellenleiters freigelegt wird, und daß danach der auf
oder in einem weiteren Tragkörper befestigte abzweigende Wellenleiter in die richtige
Lage zum Strahlteilerelement und dem einen Teil des Wellenleiters gebracht wird
und dann der weitere Tragkörper mit dem Tragkörper unter Beibehaltung der Lage des
abzweigenden
Wellenleiters fest verbunden wird.
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Bei der ersten Ausfübrungsform wird dabei so vorgegangen, daß in eine
Oberfläche eines Siliziumkörpers durch Vorzugsätzen eine V-formige Nut eingebracht
wird, daß in die Nut der optische Wellenleiter eingelegt und darin mit optischem
Kleber unter Zuhilfenahme eines aufliegenden Deckplättchens befestigt wird, wodurch
der Ausgangskörper entsteht und daß nach Schrägschnitt, Politur der Schnittflächen,
Aufbringen des Strahlteilerelementes und Zusammenfügen und Verbinden der beiden
Körperteile das so entstandene Element von der Oberfläche des Deckplättchens her
bis zum optischen Wellenleiter plan abgeschliffen und poliert wird und daß auf die
Planfläche unmittelbar der abzweigende Wellenleiter aufgekittet wird.
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Bei -der zweiten Ausfcihrungsform wird von einem Ausgangskörper ausgegangen,
bei welchem der optische Wellenleiter im Inneren eines Tragkörpers befestigt ist
und nach Schrägschnitt, Politur der Schnittflächen, Aufbringen des Strahlteilerelementes
und Zusammenfügen und Verbinden der so entstandenen Körperteile wird in den Tragkörper
eine Ausnehmung beim Strahlteilerelement eingebracht, so daß ein Anteil eines der
beiden Teile des Wellenleiters freigelegt wird und in die Ausnehmung wird der weitere
Tragkörper mit dem abzweigenden Wellenleiter eingeklebt.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre Herstellung werden
anhand der Figuren im folgenden näher erläutert. Es zeigen Figur -1 eine Seitenansicht
eines als Ausgangskörper bei der Herstellung der Ausführungsform dienenden Körpers
aus Silizium, bei dem ein eine Oberfläche eine in Blickrichtung verlaufende
V-Nut
eingebracht ist, Figur 2 den Körper nach Figur 1, in dessen V-Nut eine Kern-Mantel-Glasfaser
mittels eines Klebers eingeklebt ist und die mit einem Deckplättchen abgedeckt ist,
Figur 3 in einem vertikalen Längsschnitt (siehe Schnittlinie II -II in Figur 2)
durch die Faserachse eine Herstellungszwischenstufe, bei welcher bereits das in
der Faser ur,d schräg zur Faserachse angeordnete Strahlteilerelement hergestellt.
ist, Figur 4 in einem Längsschnitt durch die Faserachse (Schnittlinie II - II in
Figur 2) ein fertiggestelltes Koppelelement, welches der ersten Ausführungsform
entspricht, Figur 5a und b in einem Längs schnitt durch die Faserachse und in einem
Querschnitt senkrecht dazu eine Kern-Mantel-Glasfaser, deren Mantel wesentlich dicker
als der Kern ist und in der schräg zur Achse bereits das Strahlteilerelement vorhanden
ist, wobei der Längsschnitt längs der Schnittflinie V - V in Figur 5b und der Querschnitt
längs der Schnittlinie V' -in Figur 5a geführt ist, Figur 6 den in Figur 5a gezeigten
Längsschnitt, wobei im Mantel eine Ausnehmung eingebracht ist, die einen längsseitigen
Anteil des Kerns der Faser freilegt und Figur 7 in einem längs der Faserachse und
längs der Schnittlinie V - V in Figur 5b geführten Längsschnitt das fertiggestellte
Koppelelement, welches der zweiten Ausführungsform entspricht.
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Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu dargestellt.
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Die erste beispielhafte Ausführungsform des vorgeschlagenen Koppelelementes
wird anhand eines vorteilhaften Herstellungsverfahrens näher erläutert. Als -Ausgangsstufe
dient ein Siliziumkörper 1, bei dem in eine Oberfläche 10 durch Vorzugsätzen, auch
unter dem Namen anisotropes Ätzen bekannt, mit Hilfe einer Maske 10, beispielsweise
aus Fotoiack, eine V-Nut 11 eingebracht wird (Figur 1).
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In diese V-Nut wird eine Kern-Mantel-Glasfaser 2 eingelegt, welche
mittels einem optischen Kleber unter Zuhilfenahme eines äuf die Faser aufgelegten
Deckplättchens 20 eingeklebt (Figur 2). Das Deckplättchen 20 und der Kleber sollen
lichtdurchlässig sein und den gleichen Brechungsindex wie der Mantel der Glasfaser
2 haben.
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-Nach dem Hartwerden des Klebers 21 dient der Körper nach Figur 2
als der Ausgangskörper, aus dem das Koppelelement fertiggestellt wird. Dazu wird
zunächst der Ausgangskörper nach Figur 2 durch einen schräg zur-Achse A der Faser
2 gefthrten Schnitt in zwei Teile zerlegt.
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Der Schnitt wird dabei vorzugsweise so gefuhrt, daß die Flächennormalen
N bzw. N' der Schnittflächen mit der Achse A einen Winkel von 450 einschließen und
diese Flächennormalen in einer Ebene liegen, die in der Figur 2 vertikal verläuft
und in welcher die Achse A liegt.
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Die Schnittflächen werden poliert und dadurch auf optische Qualität
gebracht. Auf einer der beiden polierten Schnittflächen wird nun das schichtförmige
Strahlteilerelement aufgebracht. Wenn das Strahlteilerelement aus einem teildurchlässigen
Spiegel besteht, erfolgtdies vorzugsweise durch Aufdampfen. Wie bereits erwähnt,
kann
aber auch ein frequenzselektives Strahlteilerelement, beispielsweise ein dielektrisches
Vielfachschichtsystem, aufgedampft werden.
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Die beiden Körperteile werden anschließend so zusammengebracht und
miteinander verklebt, daß bis auf das jetzt vorhandene Strahlteilerelement und einer
dünnen Kleberschicht der ursprüngliche Körper nach Figur 2 wieder entsteht. Um dies
ohne Justierprobleme durchführen zu können, wird der Ausgangskörper zylinderisch
gewählt, wobei der Zylindermantel parallel zur'Achse A verläuft.
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Zylinder ist dabei im allgemeinen Sinn von Profilstab zu verstehen.
In dem hier beschriebenen Fall besitzt der Ausgangskörper rechteckförmigen Querschnitt,
was aus der Figur 2 zu ersehen ist. Zum Zusammenbringen der beiden Körperteile werden
diese auf die ebene Oberfläche eines mit einem geradlinig verlaufenden Anschlag
versehenen Justierkörpers so gelagert, daß sie am Anschlag anliegen und die Schnittflächen
parallel zueinander verlaufen. Dann werden sie durch Verschieben längs des Anschlags
zusammengebracht und mittels eines optischen Klebers miteinander verbunden. So ist
der Körper nach Figur 3 entstanden, welcher in selbstjustierender Weise hergestellt
worden ist. Die beiden Körperteile sind mit 3 bzw. 3', die polierten Schnittflächen
mit 30 bzw. 30', das schichtförmige Strahlteilerelement, das auf die Schnittflächen
30 aufgebracht ist, mit 31 und die zum Verbinden dienende Kleberschicht zwischen
der Schnittfläche 30' und dem Strahlteilerelement 31 mit 32 bezeichnet. Das Klebermaterial
muß für die in der Faser geführten Wellenlängen transparent sein und sollte den
gleichen Brechungsindex wie der Faserkern besitzen.
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Anschließend wird die Herstellungszwischenstufe nach
Figur
3 von der Oberfläche des Deckplättchens her bis zum Fasermantel, besser noch bis
zum Faserkern der Glasfaser 2, plan abgeschliffen und poliert, wodurch der Tragkörper
entsteht. Der freiliegende Anteil der Glasfaser 2 erstreckt sich in diesem Fall
über die ganze Länge der Faser. Auf der polierten Planfläche wird nun der abzweigende
Wellenleiter mit dem weiteren Tragkörper unmittelbar befestigt. Der abzweigende
Wellenleiter besteht ebenfalls aus einer Kern-Mantel-Glasfaser 4, -vorzugsweise
aus der gleichen Faser wie die Faser 2, die in der Öffnung einer Glaskapillare 4'
als weiterer Tragkörper befestigt ist. Die Kapillare 4' und die abzweigende Faser
4 schließen gemeinsamen mit einer Stirnfläche 40 ab, auf welcher die Achse A' der
Glasfaser 4 senkrecht steht. Diese Stirnfläche 40 wird auf der Planfläche 33 unmittelbar
mittels eines optischen Kitts 41 befestigt. Die Stirnfläche 40 und die Planfläche
33 sind dabei parallel' zueinander angeordnet. Die Stirn--fläche 40 wird so angeordnet,
daß die Achse A' der Faser 4 die Achse A der Faser 2 auf der reflektierenden Fläche
des Strahlteilerelements 31 nach Möglichkeit schneidet. Dies ist der optimale Fall.
Es sind jedoch Versatztoleranzen zulässig, die kleiner als der Kerndurchmesser einer
der Glasfasern 2 oder 3 sind. Es ist aber zu erwähnen, daß der Wirkungsgrad des
Koppelelementes mit zunehmendem Versatz sich verschlechtert.
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Anstelle der Kern-Mantel-Glasfaser 4, die in eine Kapillare 4' eingebettet
ist, kann auch eine einzige Kern-Mantel-Glasfaser ersetzt werden, deren Manteldurchmesser
mindestens 1 mm beträgt, bei der also der Mantel wesentlich größer als der Kern
ist, der beispielsweise denselben Durchmesser wie der Kern der Faser 2 aufweisen
kann und in der Größenordnung von einigen zehn bis einigen hundert Mikrometern liegt.
Eine solche
Faser kann als Stufenprofilfaser unproblematisch mittels
der Doppeltiegel- oder Stabmethode gezogen werden und besitzt eine ausreichende
Festigkeit für Schneiden und Polieren der Stirn- oder Schnittflächen, was auch bei
der Stirnfläche 40 ausgeführt werden muß.-Auch die zweite Ausführungsform des Koppelelementes
wird anhand ihres Herstellungsverfahrens näher beschrieben. Hier wird von einer
Kern-Mantel-Glasfaser mit relativ zum Kern sehr aicken Mantel ausgegangen, wie sie
soben beschrieben wurde. Wie bei der ersten Ausführungsform wird die Ausgangsfaser
durch einen 0 schräg im Winkel von 45 zur Achse. A'' der Faser geführten Schnitt
in zwei Teile 5 und 5' zerlegt, die Schnittflächen poliert, auf eine der beiden
Schnttflächen, im vorliegenden Fall die Schnittfläche 50 des Teils 5, das schichtförmige
Strahlteilerelement 51 aufgebracht und die beiden Teile nach dem bereits zur ersten
Ausführungsform beschriebenen selbstjustierenden Verfahren wieder zusammengebracht
und mittels eines Klebers 52, der transparent sein muß und denselben Brechungsindex
wie der Faserkern besitzen sollte, miteinander verbunden. Es entsteht so der Ausgangskörper,
wie er in den Figuren 3a und b im Längs- und Querschnitt dargestellt ist. Wie aus
der Figur 3b zu entnehmen ist, sind an den Mantel planparallele Flächen angeschliffen
worden, was das selbstjustierende Zusammenfügen erleichtert. Der Schrägschnitt ist
dabei so geführt worden, daß die Flächennormalen der Schnittflächen in einer Ebene
liegen, die vertikal auf den planparallelen Flächen steht.
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Mittels einer Schleif- und Polierwalze wird nun aus dem Mantel des
Ausgangskörpers nach den Figuren 3a und b eine Ausnehmung 6 herausgearbeitet, die
bis zum Kern
der Faser reicht und einen längsseitigen Anteil 60
des Kerns freilegt. Die Wand der Ausnehmung bildet vorzugsweise einen Teil der Oberfläche
einer Kugel. Die so erhaltene Herstellungszwischenstufe ist in der Figur 6 im Längsschnitt
dargestellt. In der Figur 5 b ist die Lage der Ausnehmung 6 noch einmal gestrichelt
angedeutet.
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In die Ausnehmung 6 wird nun eine Kern-Mantel-Glasfaser 7 mit ebenfalls
relativ zum Kern sehr dicken Mantel 72 eingefügt und darin befestigt. Die Stirnfläche
70- dieser Faser 7 wird dazu so gestaltet, daß sie der Wandform der Ausnehmung entspricht,
aber etwas kleiner bemessen ist. Im vorliegenden Fall wird also das Ende der Glasfaser
7 rund poliert, so daß die Oberfläche einen Teil der Oberfläche einer Kugel bildet,
die aber einen kleineren Radius besitzt, als die Kugel für die Ausnehmung. Es ist
dabei günstig, wenn die Radiendifferenz möglichst gering ist. Die Befestigung der
Faser 7 erfolgt mittels optischem Kleber,71, welcher denselben Brechungsindex wie
der Faserkern besitzen sollte. Die Faser 7 wird so angeordnet, daß ihre Achse A"'
die Achse A" auf der spiegelnden Fläche des Strahlteilerelementes senkrecht schneidet
und die FlEchennormale der Schnittfläche 50 in der durch diese beiden Achsen aufgespannten
Ebene liegt.
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Bei dieser zweiten Ausführungsform bildet der Mantel der speziell
verwendeten Kern-Mantel-Glasfaser zugleich den Tragkörper der Faser. Anstelle einer
solchen Faser könnte auch eine herkömmliche Kern-Mantel-Glasfaser verwendet werden,
die in einer Kapillare befestigt ist, wie es in den eingangs erwähnten älteren Patentanmeldungen
vorgeschlagen wurde. Das Herstellungsverfahren würde sich bis auf die Ausgangsstufe
nicht wesentlich
ändern.
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Allgemein kommen bei dem vorgeschlagenen Koppelelement in erster Linie
Lichtleitfasern mit Stufen- und/oder Gradientenidexprofil zur Anwendung. Für den
abzweigenden Wellenleiter können auch andere Fasertypen verwendet werden.
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Dem hier vorgeschlagenen Koppelelement liegt die Uberlegung zugrunde,
daß der Lichtkegel des aus einem Teil des Wellenleiters ausgekoppelten und vom Strahlteilerelement,
an das er stumpf angrenzt, reflektierten Lichts sich in unmittelbarer Umgebung des
Wellenleiters sich noch unwesentlich ausgeweitet hat, so daß dieses Licht fast vollständig
in einen in unmittelbarer Nähe des Wellenleiters befindlichen abzweigenden Wellenleiter
wieder eingekoppelt werden kann. Dazu muß nur die Lichteintrittsfläche des abzweigenden
Wellenleiters in den Strahlenkegel gebracht werden und die Neigung des Wellenleiters
gegenüber diesem Kegel so gering gehalten werden, daß möglichst viele Strahlen des
Kegels innerhalb des Akzeptanzwinekls des abzweigenden Wellenleiters liegen. Der
günstigste Fall liegt dabei vor, wenn die Achse des Lichtkegels mit der Achse des
abzweigenden Wellenleiters zusammenfällt. Dies ist in den beschriebenen Ausführungsformen
der Fall.
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Das Strahlteilerelement kann auch unter einem anderen Winkel als 450
zur Achse des Wellenleiters geneigt sein.
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Dann verläuft aber die Achse des reflektierten Strahlenkegels nicht
mehr senkrecht zur Achse des Wellenleiters.
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Der Koppelwirkungsgrad wird dadurch verschlechtert. Am günstigsten
ist also der Winkel von 450. Wird ein von 450 abweichender Winkel gewählt, so ist
es zweckmäßig, auch die Achse des abzweigenden Elementes um den ent-
sprechenden
Differenzwinkel zu neigen.
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Das vorgeschlagene Koppelelement ist nicht nur zum Auskoppeln eines
Lichtanteils aus dem Wellenleiter in den abzweigenden Wellenleiter geeignet, sondern
es kann auch Licht aus dem abzweigenden Wellenleiter in den Wellenleiter, allerdings
mit entgegengesetztem Lichtweg, eingekoppelt werden.
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Ein vorgeschlagenes Koppelelement kann auch ohne weiteres mit Hülsen
umgeben und mit Steckerhälften versehen werden, wie es in der eingangs angegebenen
älteren Patentanmeldung P 28 42 535.6 (VPA 78 P 7154) bereits vorgeschlagen worden
ist. Auch mit Detektoren kann ein solches Koppelelement versehen werden. Außerdem
kann ein frequenzselektives Lichtverteilerelement, wie es in der eingangs erwähnten
älteren Patentanmeldung P 28 40 493.5 (VPA 78 P 7124) vorgeschlagen wurde, ohne
weiteres realisiert werden, wenn lediglich die dortige Gradientenlinse durch den
abzweigenden Wellenleiter mit dem weiteren Tragkörper ersetzt wird.
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9 Patentansprüche 7 Figuren.