DE2852744A1 - Verfahren zum verbinden von lichtleitfaserbuendeln und nach diesem verfahren hergestellte lichtleitfaserbuendelverbindungen - Google Patents

Description

-H-

INSTRUMENTS S.A., Paris Frankreich

Verfahren zum Verbinden von Lichtleitfaserbündeln und nach diesem Verfahren hergestellte Lichtleitfaserbündelverbindungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Lichtleitfasern und insbesondere zum Verbinden von Lichtleitfaserbündeln, wie sie in Pernmeldeeinrichtungen mit optischen Kanälen zum Einsatz kommen.

Lichtleitfasern finden heute vielfach und in sehr vielen Einrichtungen zur Fernübertragung von Informationen auf optischem Wege Anwendung. Diese Lichtleitfasern liegen in der Form von Fäden mit einer Seele aus transpar entern Material vor, die als Lichtleiter zu dienen vermag und von einer Hülle aus einem Material umgeben ist, dessen Brechungsindex größer ist als der des Seelenmaterials. Das in die Seele eines solchen Lichtleiters eingeführte Licht ist darin praktisch eingefangen und kann sich - mit einem Minimum an Verlusten - nur längs der Seele fortpflanzen, bis es am anderen Ende der Lichtleitfaser von einem Empfänger aufgefangen wird.

909824/0788

Derartige Lichtleitfasern sind notwendigerweise von nur begrenzter Länge, und es ist daher für eine übertragung über größere Entfernungen notwendig, solche Lichtleitfasern ohne wesentliche Lichtverluste miteinander verbinden zu können. Die Vermeidung von Verbindungsverlusten setzt eine vollkommene Ausrichtung der Lichtleitfasern aufeinander und ein vollkommenes Polieren der einander gegenüberstehenden und miteinander in Berührung kommenden Oberflächen voraus.

Die Erfüllung dieser Forderungen erweist sich mit den üblichen Mitteln als sehr heikel, ja sogar als vollkommen unmöglich, wenn man berücksichtigt, daß der Durchmesser dieser Lichtleitfasern einige 10 bis einige 100 Mikron beträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie sich zum einen ein vollkommenes optisches Polieren der Lichtleitfaserenden und zum anderen eine strenge Ausrichtung der einander gegenüberstehenden Lichtleitfaserbündel aufeinander erhalten läßt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, wie es im Patentanspruch 1 angegeben ist; vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus<. den Unteransprüchen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine neuartige Anwendung der Techniken, die bisher für die Herstellung von Beugungsgittern üblich sind.

Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden von Lichtleitfaserbündeln lassen sich die folgenden Schritte unterscheiden:

a) Die Herstellung einer Matrix durch Abscheiden einer dünnen Metallschicht auf eine optisch polierte, ebene Unterlage und Eingravieren von parallelen Rillen in diese Metall-

9098 24/078 8

schicht unter Verwendung der zum Gravieren von Beugungsgittern üblichen Techniken,

b) die Herstellung von Verbindungsträgern durch Kopieren der Matrix unter Verwendung der für die Reproduktion von Beugungsgittern üblichen Techniken,

c) das Aufbringen jedes der beiden miteinander zu verbindenden Lichtleitfaserbündelenden auf einen Verbindungsträger unter Einlegen jeder einzelnen Bündelfaser in eine Rille oder einen Kanal im Träger und Festlegen aller Bündelfasern in den Rillen oder Kanälen durch Abdecken mit einem auf die Kanäle oder Rillen aufgepreßten Klotz unter Zwischenlage eines polymerisierbaren Materials, das die freien Zwischenräume zwischen dem Träger, den Pasern und dem Klotz ausfüllt,

d) das Absägen jedes so erhaltenen verklebten Blockes senkrecht zu den Kanälen oder Rillen und den Pasern mit anschließendem optischen Polieren der Schnittebene zur Gewinnung eines ein Halbelement der gesamten Verbindungseinrichtung bildenden Verbindungselements und

e) das Verbinden der beiden Lichtleitfaserbündel durch gegenseitiges Aneinanderfügen der beiden Verbindungselemente mit ihren polierten Schnittflächen unter Überwachung der Koinzidenz der einander gegenüberstehenden Paserpaare.

Weiter erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Verbindungselement zum Verbinden von Lichtleitfaserbündeln, das nach den oben unter a) bis d) angegebenen Schritten erhalten wird.

Pur die weitere. Erläuterung der Erfindung wird nun mehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der bevorzugte Aus-

909824/0788

führungsbeispiele veranschaulicht sind;· es zeigen:

Fig. 1 und 2 eine erste Ausführungsform für die Herstellung einer Verbindung gemäß der Erfindung, wobei Fig. 1 das Einlegen der Lichtleitfasern in den Verbindungsträger und Fig. 2 ein Verbindungselement nach dem Absägen veranschaulicht und

Fig. 3 und H eine zweite Ausführungsvariante der Erfindung, bei der die beiden miteinander zu verbindenden Lichtleitfaserbündelenden einander in den Kanälen oder Rillen ein und desselben Verbindungsträgers gegenüber gestellt werden, wobei in Fig. 3 der Zustand vor dem Absägen der Verbindungselemente wiedergegeben ist, während Fig. die Führung der beiden Verbindungselemente zu ihrer gegenseitigen Ausrichtung veranschaulicht.

Zum besseren Verständnis der Erfindung seien zunächst kurz die bekannten Methoden für die Herstellung von ebenen Beugungsgittern ins Gedächtnis gerufen, wie sie beispielsweise für Spektralapparate zum Einsatz kommen. Dabei wird ganz allgemein eine Matrix auf einer ebenen Unterlage aus transparentem Material oder aus Metall hergestellt, die optisch poliert ist. Auf dieser Unterlage wird beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum eine dünne Schicht aus einem weichen Metall, wie beispielsweise eine Aluminiumschicht von 200 Mikron. Dicke aufgebracht. In diese Metallschicht werden dann mit Hilfe einer Schneidmaschine mit einem Diamanten untereinander parallele Rillen eingraviert,

909824/0788

wobei die Maschine mit einem Nachführsystem auf interferometrischer Basis ausgerüstet ist, das es gestattet, vollkommen gleiche, parallele und in gleichem gegenseitigem Abstand angeordnete Rillen zu erhalten, wobei 3000 Rillen je mm eingraviert werden können.

Selbstverständlich sind derartige Gitter sehr kostspielig, und der weitaua· größte Teil der in den Spektralapparaten verwendeten Gitter sind daher Kopien eines solchen Muttergitters. Zur Herstellung solcher Kopien wird in bekannter Weise auf dem Original ein nicht haftender metallischer Film abgeschieden, der sich anschließend wieder abheben läßt, worauf dann ein Kleber oder ein polymerisierbares Harz aufgebracht und das Ganze mit einem Träger für die Kopie abgedeckt wird, wobei für eine Entfernung sämtlicher Luftbläschen gesorgt werden muß. Nach dem Polymerisationsvorgang werden das Original und die Kopie, die entsprechend ein Negativ darstellt, voneinander getrennt; ausgehend von diesem Negativ werden dann in analoger Weise weitere Kopien hergestellt, die dementsprechend genaue Reproduktionen des Muttergitters mit vertieften Rillen sind.

In Fig. 1 und 2 ist nun ein Verbindungsträger 1 dargestellt, der in der gleichen Weise wie eine Kopie eines Beugungsgitters aus einem eigentlichen Träger 2 besteht, der mit einer Schicht 3 aus Klebstoff oder Harz überzogen ist, in die untereinander identische, zueinander parallele und in gleichem Abstand voneinander liegende Rillen 4 eingraviert sind. Der Verbindungsträger 1 ist durch Kopieren einer Originalmatrix erhalten, die ihrerseits mit Hilfe einer Maschine zum Gravieren von Beugungsgittern erhalten wird, jedoch sind in diesem Falle die Rillen 4 erheblich

909824/0788

größer als die bei einem Beugungsgitter, und sie haben beispielsweise eine Tiefe von 150 Mikron mit einem gegenseitigen Abstand in der Größenordnung mm. Dessen ungeachtet sind die Genauigkeit hinsichtlich der Parallelität der Rillen 4 und die Regelmäßigkeit ihres Abstandes immer noch die gleiche, wie man sie bei Gittern mit einigen 1000 Rillen pro mm beobachten kann.

In einem ersten Arbeitsschritt werden nun mehr Lichtleitfasern 7 eines zu verbindenden Bündels einzeln in die Rillen 4 des Verbindungsträgers 1 eingelegt. Rückholstangen 9» die durch Federn 10 an den Verbindungsträger angepreßt werden, sorgen für eine provisorische Pestlegung der Lichtleitfasern 7 in den Rillen 4 des Verbindungsträgers 1. Nach dem Einbringen aller Lichtleitfasern 7 wird ein Klebstoff oder ein polymerisierbares Harz aufgegossen, das alle freien Zwischenräume ausfüllt, und anschließend wird ein Klotz 12 aufgesetzt, wobei für eine Verdrängungklier Luftbläschen gesorgt wird. Nach dem Polymerisieren ergibt dieses Gebilde einen verklebten Block, und die in das polymerisierte Harz eingebetteten Lichtleitfasern 7 sind in ihrer Lage in den einzelnen Rillen 4 festgelegt.

In einem anschließenden Schritt wird der so erhaltene Block entlang einer zu den Rillen 4 und damit zu den in diesen Rillen 4 festgelegten Lichtleitfasern 7 senkrechten Ebene 14 abgesägt. Die so erhaltene und in Fig. 2 sichtbare Schnittfläche wird sodann gemäß einer vollkommen bestimmten Ebene optisch poliert.

Auf diese Weise erhält man am Ende des einen der miteinander zu verbindenden Lichtleitfaserbündel ein ausgezeichnetes Verbindungselement mit einer vollkommen ebenen und polierten Verbindungsfläche, das die eine Hälfte einer

90982A/0788

Verbindungseinrichtung bilden kann. In entsprechender Weise wird sodann am Ende des zweiten der miteinander zu verbindenden Lichtleitfaserbündel ein gleiches Verbindungselement ausgebildet, indem als die Kanäle enthaltender Verbindungsträger eine Kopie der gleichen Matrix wie für den ersten Verbindungsträger verwendet wird. Auf diese Weise erhält man zwei Verbindungselemente, in denen einander entsprechende Lichtleitfasern jedes Bündels in einander vollkommen entsprechenden Stellungen festgelegt sind. Die Zusammenfügung der beiden Lichtleitfaserbündel vollzieht sich dann unter optimalen Bedingungen für eine Berührung der beiden optisch polierten Flächen der beiden Verbindungselemente und gegebenenfalls sogar durch molekulare Haftung.

Beim Zusammenfügen müssen die beiden Verbindungselemente selbstverständlich genau aufeinander ausgerichtet werden, indem die polierten Enden der einander gegenüberstehenden Lichtleitfasern zu gegenseitigem Fluchten gebracht werden.

Eine erste Möglichkeit für die Erzielung eines solchen genauen Fluchtens ist in Fig .3 und U veranschaulicht. In Fig. 3 ist in vereinfachter Darstellung gezeigt, wie zwei Bündel von miteinander zu verbindenden Lichtleitfasern 7 und 17 in die gleichen Rillen 24 in einem einzigen Verbindungsträger 21 eingelegt werden. Zum Festlegen der Lichtleitfasern 7 bzw. 17 werden jedoch zwei verschiedene Klötze 12 und 22 verwendet, die in der oben bereits beschriebenen Weise aufgeklebt werden. Die beiden Verbindungselemente lassen sich dann durch Absägen entlang von Schnittebenen 14 und 26 erhalten, die untereinander parallel

909824/0788

2k

und senkrecht zu den Rillen/und damit zu den Lichtleitfasern 7 und 17 verlaufen.

Vor dem Absägen entlang der Schnittebenen 14 und 26 wird das aus dem einzigen Verbindungsträger 21 und den beiden Klötzen 12 und 22 bestehende Gebilde jedoch zum einen entlang seiner einen Seitenfläche und zum anderen entlang seiner dazu senkrechten Unterseite optisch poliert, wodurch sich eine zu den Rillen 2k genau parallel verlaufende seitliche Fläche 28 und eine dazu senkrechte untere Fläche 29 ergibt. Diese beiden polierten und ebenen Flächen und 29 bilden dann Bezugsflächen für die weitere Verarbeitung und insbesondere für das Absägen entlang der Schnittebenen Ik und 26, durch das zwei Verbindungselemente entstehen, von denen das eine am Ende der Lichtleitfasern und das andere am Ende der Lichtleitfasern 17 liegt. Zum Erzielen einer Koinzidenz der Enden dieser Lichtleitfasern und|l7 genügt es dann, die beiden Verbindungselemente auf ein Bezugswinkelmaß mit vollkommen ebenen und polierten Innenflächen aufzusetzen, in^dem in der in Fig.¹! gezeigten Weise für jedes Verbindungselement die Bezugsfläche 28 an eine Bezugsfläche 30 des Winkelmaßes und die Bezugsfläche 29 an eine Bezugsfläche 31 des Winkelmaßes angelegt wird. Eine Annäherung der beiden Verbindungselemente aneinander unter Verschieben entlang der Bezugsflächen und 31 läßt dann die Lichtleitfasern 7 und 17 zu genauem Fluchten kommen.

Die oben beschriebene Arbeitsweise fühp^allerdings zu einer blockweisen Verbindung, bei der es keine Möglichkeit für einen vollkommenen Austausch zwischen den Verbindungselementen gibt.

90982A/0788

Eine Vereinfachung der Verbindungselemente, die eine indifferente Verbindung erlaubt, läßt sich jedoch nach einer ebenso genauen AusfuhrungsVariante erhalten, die ebenfalls die Verwendung von Verbindungsträgern mit Kanälen voraussetzt, die ausgehend von einer Kopie ein und derselben Matrix erhalten sind. Dazu wird mit einem Bezugsverbindungselement gearbeitet, dad an seiner polierten Schnittfläche mit wenigstens zwei Bezugsstiften versehen ist. Von diesen Bezugsstiften wird vorzugsweise der eine in dem Verbindungsträger 1 und der andere in dem aufgeklebten Block 12 festgelegt. Die weiteren Verbindungselemente werden dann der Reihe nach mit konjugierten Bezugsstiften versehen, indem sie mit dem Bezugsverbindungselement verbunden werden. Dabei wird ein einzustellendes Verbindungselement mit noch nicht vollkommen festgelegten Stiften mit dem Bezugsverbindungselement in Berührung gebracht, worauf dann eine Einstellung in der Weise erfolgt, daß zwei Lichtleitfaserpaare wie beispielsweise die beiden äußersten Lichtleitfasern beider Bündel zu gegenseitiger Koinzidenz gebracht werden. Diese Koinzidenz läßt sich dadurch überprüfen, daß auf eine der Lichtleitfasern ein sehr genauer Laserstrahl gerichtet und am Ausgang der entsprechenden Lichtleitfaser in dem anderen Bündel das hindurchgegangene Licht mit Hilfe einer dort angeordneten Empfängerzelle aufgefangen wird. Auf diese Weise kann man auf eine genaue Koinzidenz der beiden äußersten. Lichtleitfasern einstellen, was mit Rücksicht auf die vollkommene Regelmäßigkeit der Lage der dazwischen liegenden Lichtleitfasern eine Koinzidenz aller Lichtleitfasern mit sich bringt. Sobald diese Koinzidenz erreicht ist, werden die konjugierten Stifte des zweiten Verbindungselementes auf

90982A/0788

dem Verbindungsträger festgelegt. Offensichtlich stehen dann alle in dieser Weise in Bezug auf das gleiche Bezugsverbindungselement ausgerichteten Verbindungselemente automatisch in Koinzidenz auch zueinander.

Ebenso läßt sich Koinzidenz zwischen zwei wie oben erhaltenen Verbindungselementen auch in folgender Weise einstellen. Für diese weitere Verfahrensweise ist Voraussetzung, daß sowohl der Verbindungsträger mit den Kanälen als auch der Pestlegeklotz für die Lichtleitfasern aus Metall bestehen. In diesem Falle kann eine Ausrichteinrichtung auf der Basis von Stichstäben in Anwendung kommen, die in öffnungen eingreifen, die in den einander gegenüberstehenden polierten Oberflächen der beiden Verbindungselemente vorgesehen sind. Zur Erzielung der notwendigen Genauigkeit bei der Herstellung der für die Aufnahme der einjustierten Stichstäbe bestimmten Ausnehmungen werden diese Ausnehmungen mit Hilfe einer Körnmaschine gebohrt, die als Bezugspunkt die Lage von Rillen in jedem der beiden Verbindungselemente wie beispielsweise die Lage der äußersten dieser Rillen nimmt. Eine solche Körnmaschine gestattet die Erzielung einer Genauigkeit in der Größenordnung von 5 Mikron, wae zur Erzielung einer befriedigenden Koinzidenz der Ausnehmungen für die Stichstäbe und demzufolge einer befriedigenden Koinzidenz für die polierten Flächen der einander gegenüberstehenden Lichtleitfasern ausreicht.

909824/0788

Claims (1)

1. Ansprüche

   1. Verfahren zum Verbinden von Lichtleitfaserbündeln, deren einzelne Pasern jede eine Seele aus transparentem Material aufweisen, die von einer Hülle aus einem Material mit dem Brechungsindex des Seelenmaterials übersteigendem Brechungsindex umgeben ist, bei dem jedes der miteinander zu verbindenden Bündelenden auf einen Verbindungsträger mit Kanälen aufgebracht wird, in dem jede Bündelfaser einzeln in einen Kanal im Träger eingelegt wird und alle Pasern in den Kanälen durch Abdeckung mit einem Klotz, der unter Zwischenlage eines die freien Zwischenräume zwischen Träger, Pasern und Klotz ausfüllenden polymerisierbaren Materials auf die Kanäle aufgesetzt wird, festgelegt werden, jeder so verklebte Block senkrecht zu den Kanälen und den Pasern abgesägt und an der Schnittfläche optisch poliert wird, womit ein eine Hälfte eines Verbindungsaggregats bildendes Verbindungselement erhalten wird, und die beiden Bündel durch gegenseitiges Aneinanderfügen zweier Verbindungselemente mit ihren polierten Schnittflächen unter Überwachung der Koinzidenz der einander gegenüberstehenden Faserpaare verbunden werden, dadurch g ek e η nzeichnet, daß die beiden Verbindungsträger (21) für je eines der beiden miteinander zu verbindenden Bündelenden durch Kopieren einer einzigen Matrix unter Verwendung der für die Reproduktion von Beugungsgittern üblichen Techniken gewonnen werden und daß diese Matrix selbst durch Abscheiden einer dünnen Metallschicht auf einer optisch polierten ebenen Unterlage und Eingravieren von parallelen Rillen

   31O-(77/98)-DfP

   90.9 8.2.4/-0 78 8

   mit gleichem Abstand in die Metallschicht unter Verwendung der für das Gravieren von Beugungsgittern üblichen Techniken hergestellt wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die beiden miteinander zu verbindenden Bündelenden einander in den Kanälen ein und desselben Trägers (21) unfeer Festlegung der Fasern (7₃ 17) jedes Bündels durch zwei unabhängige Klötze (12, 22) gegenübergestellt werden, daß die Kombination aus dem einzigen Träger und den beiden Klötzen vor dem Absägen jedes Blockes entlang zweier zueinander und zu den beiden untereinander parallelen Schnittebenen (14, 26) für die beiden Blöcke senkrechter Bezugsflächen (28, 29) poliert wird und daß die beiden nach dem Absägen und Polieren der beiden Schnittflächen erhaltenen Verbindungselemente sodann einander unter Verschieben ihrer Bezugsflächen entlang ebener und polierter Flächen (30, 3D eines Bezugswinkelmaßes gegenübergestellt werden.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung austauschbarer Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bezugsverbindungselement verwendet wird, das mit fest mit dem Träger und dem Klotz,die das Bezugsverbindungselement bilden, verbundenen Zentrierstiften versehen ist, und daß anschließend jedes mit zu den Zentrierstiften des Bezugsverbindungselements konjugierten Stiften versehene Verbindungselement eingestellt wird, wobei die konjugierten Stifte erst nach einer Koinzidenzkontrolle für die Faserpaare festgelegt werden.

   8 24/0 78 8

   *J. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koinzidenzkontrolle für die Faserpaare mit Hilfe eines Lasers, der ein Lichtbündel auf eine Lichtleitfaser gibt, und unter Lichtüberwachung mit einer Zelle für den Empfang des durch die betreffende Lichtleitfaser übertragenen Lichts durchgeführt wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung austauschbarer Verbindungen für den Fall der Verwendung von Verbindungsträgern und Festlegungsklötzen aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß für das Verbinden der beiden Verbindungselemente ein System von Stichstäben verwendet wird, die in öffnungen eingreifen, die in die einander gegenüberstehenden polierten Oberflächen der beiden Verbindungselemente mit einer Körnmaschine unter Bezugnahme auf die Läge der äußersten Rillen im Träger eingearbeitet sind.

   6. Verbindungselement zum Verbinden von Lichtleitfasern, gekennzeichnet durch seine Herstellung nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5·

   909824/0788