DE2916999A1 - Ein-auskoppler fuer multimode-lichtleitfasern - Google Patents

Ein-auskoppler fuer multimode-lichtleitfasern

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DE2916999A1
DE2916999A1 DE19792916999 DE2916999A DE2916999A1 DE 2916999 A1 DE2916999 A1 DE 2916999A1 DE 19792916999 DE19792916999 DE 19792916999 DE 2916999 A DE2916999 A DE 2916999A DE 2916999 A1 DE2916999 A1 DE 2916999A1
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DE
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waveguide
fiber
coupler
fibers
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DE19792916999
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English (en)
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Hans-Hermann Dipl Phys D Witte
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • G02B6/28Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Description

  • Ein-Auskoppler für Multimode-Lichtleitfasern.
  • Die Erfindung betrifft einen Ein-Auskoppler in Planartechnik für Multimode-Lichtleitfasern, bei dem die Verbindung zwischen zwei ausgangsseitigen Mantelfasern und mindestens einer eingangsseitigen Mantelfaser durch ein Verbindungselement erfolgt, das zumindest teilweise aus einem planaren Wellenleiter besteht, und bei dem die Stirnflächen des Verbindungselementes an Koppelstellen stumpf an die Stirnflächen der Mantelfasern anstoßen.
  • Ein derartiger Ein-Auskoppler ist beispielsweise aus der DE-OS 26 09 134 oder der DE-OS 26 25 855 bekannt.
  • Die Höhe und die maximale Breite der verwendeten Wellenleiter sind dabei gleich dem Gesamtdurchmesser der Mantelfaser oder zumindest gleich dem Kerndurchmesser dieser Faser plus der Mantelstärke. Gleichzeitig liegen die Grundflächen der Mantelfasern und des Wellenleiters in einer Ebene. Mantelfasern und Wellenleiter liegen auf einem Substrat auf. Bei dieser Anordnung wird eingangsseitig verlustfrei in das Verbindungselement eingekoppelt - zumindest was die geometrisch bedingten Einfügeverluste betrifft -, ausgangsseitig wird aber mit wachsender Mantelstärke ein zunehmender Teil des Lichtes aus dem Verbindungselement in den oder die Mäntel der ausgangsseitigen Mantelfasern übergekoppelt.
  • Dieser Teil ist für die weitere Übertragung praktisch verloren.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Ein-Auskoppler der eingangs genannten Art die geometrisch bedingten Einfügeverluste auf einfache Art und Weise weiter zu verringern und damit den Einsatzbereich dieser Koppler zu erweitern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Höhe und die maximale Gesamtbreite des Wellenleiters im Bereich einer Koppelstelle annähernd gleich'dem Kerndurchmesser der Mantelfasern sind und daß sich die Stirnflächen des Verbindungselementes mit den entsprechenden Kernflächen der Mantelfasern optimal überlappen. In die verkleinerte Fläche des Wellenleiters wird eingangsseitig weiterhin ohne geometrisch bedingte Einfügeverluste eingekoppelt. Ausgangsseitig hingegen werden die Flächen des Wellenleiters, die sich mit den Mantelflächen der ausgangsseitigen Mantelfasern überlappen, stark reduziert. Gleichermaßen werden auch die Einfügeverluste geringer.
  • Von entscheidender Bedeutung für die Verringerung der Einfügeverluste ist neben der Verkleinerung der Querschnittsfläche des Wellenleiters die optimale Anpassung der Flächen an den Koppelstellen. Im Hinblick auf eine konstruktiv vorteilhafte Ausgestaltung empfiehlt es sich, daß die Mantelfasern um ihre Mantelstärke rela- tiv zum Verbindungselement abgesenkt sind. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Achsen der Wartellssern und des Verbindungselementes in einer Ebenso @@egen. Verwendet man beispielsweise als Trägersubstrat für den Koppler Silizium, so lassen sich entsprechende Nuten zur Aufnahme der einzelnen Mantelfasern besonders einfach durch Vorzugsätzen herstellen. Mit dieser Technik lassen sich Gräben unterschiedlicher @rei und Tiefe sehr genau erzeugen. Ebenso ist es möglich, den Wellenleiter durch Unterlegen einer geeignsten Folie um die Mantelstärke der Mantelfasern anzuheben.
  • Um die Verluste im planaren Wellenleiter moglichst klein zu halten, sollte die numerische Aparatur des Wellenleiter-Materials zumindest nicht kleiner sein als die der Faser. Je größer sie ist, umso kleiner sind die Verluste. Das Material des planaren Wellenleiters soll im optischen, besonders jedoch im infraroten Bereich möglichst transparent sein. Es kann z.B. aus alterungsbeständigem Kunststoff oder aus Glas bestehen.
  • Wie sich allein aus entsprechenden geometrischen Überlegungen, wie sie bereits in der DE-OS 26 25 655 angegeben sind, ableiten läßt, sind die geometrisch bedingten Einfügeverluste bei einer 3 dB-Leistungsaufteilung mit etwa 4% am geringsten. Sie steigen zu niedrigeren Auskopplungen an. Der erfindungsgemäße Ein-Auskoppler eignet sich daher besonders für hohe Auskopplungen.
  • Wird als Verbindungselement ausschließlich ein planarer Wellenleiter verwendet, so besteht eine einfachs Möglichkeit zur Herstellung in fotolithografischer Verfahren. Da der Wellenleiter überall die gleich Höhe aufweist, kann er in einem Arbeitsschritt he@@gs@sllt @er- den. Dazu wird eine entsprechende lichtempfindliche Kunststoffolie, z.B. eine Folie auf Ristocytin-Basis (Riston-Folie), durch eine der gewünschten Wellenleiterform entsprechende Maske belichtet. Unter Umständen kann es dabei wegen mangelhaften Auflösungsvermögens des Materials im Bereich des Zwiskels, d.h. in dem Bereich, an dem sich der Wellenleiter aufspaltet in einen Teil, der zu der eiterführenden Mantelfaser geht und in einen Teil, der zu der auskoppelnden Mantelfaser abzweigt, dazu kommen, daß die gewollte scharfe Spitze verrundet und damit zu zusätzlichen Abstrahlungsverlusten Anlaß gibt. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, daß ein Teil des planaren Wellenleiters durch eine Glasfaser ersetzbar ist. Der Wellenleiter verringert dann entsprechend dem gewünschten Auskoppelverhältnis an einer Stelle sprunghaft seine Breite. An der so entstehenden Kante wird die Glasfaser angesetzt.
  • Der erfindungsgemäße Koppler ist nicht auf einen Abzweig beschränkt, bei dem des Licht von einer ankommenden Faser zu einer weiterführenden Faser und zusätzlich zu einem Abzweig gekoppelt wird, sondern er eignet sich ebenso für eine erweiterte Ein-Auskoppel-Struktur, bei der neben der ankommenden Faser eine zusätzliche Einkoppelfaser vorgesehen ist, deren Licht über einen weiteren Wellenleiter beispielsweise in die weiterführende Faser eingekoppelt werden kann.
  • Ein weiterer Vorteil dieser Koppler besteht darin, daß der Ein- und Auskoppelfaktor unabhängig voneinander vorgegeben werden kann.
  • Im folgenden werden anhand von sechs Figuren drei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erc Dabei zeigt Fig.1 einen Koppler mit einer ankommenden, einer weiterführenden, einer Auskoppelfaser und einem Verbindungselement, der ausschläßlich aus einem planeren Wellenleiter besteht.
  • Fig.2 zeigt einen nicht @@ @@@ getreuten Längsschnit durch die Fig.1 entlang der @@@@ A-B.
  • Fig.3 zeigt Querschnitte durch der Koppler gemäß Fig.
  • an den Stellen S, T und Y Fig.4 zeigt die Transmissions-Koeffizienten zwischen der einzelnen Mantelfasern und die geometrisch bedingten Einfügeverluste für einer Koppler gemäß der Fig.1.
  • Fig.5 zeigt einen Koppler bei von im Verbindungselement ein Teil des planaren Wellenteilers durch eine Glasfaser ersetzt ist.
  • Fig.6 zeigt die Erweiterung des Kopplers gemäß der Fig. zu einer Ein-Auskoppel-Struktur Die Fig.1 zeigt in Eraufzeigt@e@@ erstes Ausführungsbeispiel eines Ein-Auskopplers eine erste Lichtleitfaser 1 stößt an einer Koppelstelle 8 regen einen planaren Wellenleiter 4, über den eine @@terführende Faser 2 und ein Auskoppelfaser 3 Angekommelt sind. Die Lichtleitfasern 1, 2 und 3 sind Mantelfasern mit relativ dickem Mantel 1', 2' sowie 3', der Wellenleiter be stehen aus einem transparenten, @@terungsbeständigen Kunststoff.
  • Der dargestellte Koppler ist auf einem Substrat (nicht dargestellt) angeordnet. Zur Lagefixierung der Mantelfasern 1, 2 und 3 auf dem Substrat dienen Anschläge 5 bzw. 6. Anstelle dieser Anschläge können auch Führungsgräben in das Substrat geätzt sein An der Koppelstelle S weist der Wellenleiter 4 einen quadratischen Querschnitt mit einer Kantenlänge auf9 die gleich dem Kerndurchmesser der Mantelfaser o ist Je nach der gewünschten Auskopplung spaltet sich der Wellenleiter 4 in einen Teil 4a und einen Teil 4b auf Der Teil 4a führt zur wefterführenden Mantelfaser 2, der Teil L, zur abzweigenden Faser 3 Fig.2 zeigt einen Längsschnitt durch den Koppler entlang der Linie A-B. Zusätzlich ist das Substrat 7 angedeutet, das beispielsweise aus Glas oder Kunststoff bestehen kann. Auf diesem Substrat liegen die ankommende Mantelfaser 1 und die weiterführende Faser 2. Zwischen beiden befindet sich der Wellenleiter 4. Damit die geometrischen Einfügeverluste möglichst klein sind, muß der Wellenleiter um die Manteldicke der Mantelfasern relativ zu diesen angehoben werden Dias geschieht im vorliegenden Fall durch Unterlegen einer Folie 8.
  • In Fig.3 sind im Querschnitt die Koppelstellen S, T und U zwischen dem planaren Wellenleiter 4 und den Mantelfasern 1, 2 und 3 dargestellt. Fig.3a zeigt dabei den Querschnitt durch die Koppelstelle S zwischen der eingangsseitigen Mantelfaser 1 und dem Wellenleiter 4. Wie dieser Fig.3a zu entnehmen ist, ist die quadratische Querschnittsfläche des Wellenleiters 4 genau so groß und nur so groß gewählt worden, daß sämtliches Licht aus dem Kern der Mantelfaser 1 ohne geometrisch bedingte Einfügeverluste in den Wellenleiter 4 eingekoppelt wird D1e Flächen F5 bzw. Fb geben die Anteile des Lichtes an, die zur weiterführenden Faser 2 bzw. zur abzweigenden Faser 3 geleitet werden. Mit a ist die Breite des Wellenleiters 4a zur weiterführenden Mantelfaser 2 bezeichnet. Zur besseren Kenntlichmachung sind die Flächen F5 und Fb durchgehend schraffiert. Die Fig. 3b zeigt entsprechend den Querschnitt an der Koppelstelle T zwischen der weiterführenden Faser 2 und dem Wellenleiter 4a. Die Fig. 3c zeigt entsprechend den Querschnitt an der Eoppelstelle U zwischen der abzweigenden Mantelfaser 3 und dem Wellenleiter 4b. Wie man diesen Fig. 3b und 3c entnehmen kann, sind die Wellenleiter 4a bzw 4b zu den Mantelfasern 2 bzw. 3 so ausgerichtet, daß sich die Querschnittsflächen dieser Wellenleiter mit den Kernflächen der Mantelfasern optimal überlappen. Anders ausgedrückt kann man auch sagen, die Wellenleiter stoßen derart auf die Mantelfasern, daß ihre Achsen fluchten. Als Achse der Wellenleiter ist dabei die Verbindungslinie zwischen den Schnittpunkten der Querschnittsdiagonalen gemeint.
  • Wie man den Fig. 3b und 3c weiterhin deutlich entnehmen kann, wird durch die erfindungsgemäße Größe der Querschnittsfläche der Wellenleiter und durch den relativen Höhenausgleich erreicht, daß nur noch sehr wenig Licht aus den Wellenleitern in die Mäntel der weiterführenden und der abzweigenden Fasern übergekoppelt wird. Die Einfügeverluste an diesen Koppelstellen sind damit stark reduziert worden.
  • Fig.4 zeigt die geometrischen Transmissions-Roeffizienten von der ankommenden Faser 1 sur weiterführenden Faser 2, 712 sowie von der ankommenden Faser 1 zur abzweigenden Faser 3'?13' in Abhängigkeit von der Breite a des Wellenleiters 4a. Weiterhin zeigt dieses Diagramm den geometrisch bedingten Gesamtverlust vg der sich ergibt als vg = 1 - (#12+#13).
  • Die Kurven im Diagramm gemäß der Fig.4 sind für Mantelfasern mit einem Kerndurchmesser von 100/um angegeben.
  • Auf der Abszisse ist die Breite a in /um angegeben, die Werte für die Transmissions-Koeffizienten und den Gesamtverlust sind auf der Ordinate in % aufgetragen. Wie diesem Diagramm zu entnehmen ist, hat dieser erfindungsgemäße Koppler bei 3 dB-Auskopplung die kleinsten Einfügeverluste von etwa 4%.
  • Fig.5 zeigt wiederum einen Ein-Auskoppler mit einer ankommenden Mantelfaser 1, einer weiterführenden Mantelfaser 2 und einer abzweigenden Mantelfaser 3 entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig.1. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. In Abweichung zum Ausführungsbeispiel gemäß der Fig.1 ist bei diesem Ausitihrungabeispiel der Wellenleiter 4b durch eine Glasfaser 9 ersetzt. Der Wellerleiter 4 weist an der Stelle V einen Absatz auf. Zur Fixierung der Glasfaser 9 sind zusätzliche Anschläge 10 und 11 vorgesehen.
  • Die Fig.6 zeigt eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels gemäß der Fig.1 zu einer Ein-Auskoppel-Struktur.
  • Gleiche Teile sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen. In diesem erweiterten Ausführungsbeisplel ist zusätzlich eine Einkoppelfaser 12 vorgesehen - ebenfalls eine Mantelfaser mit einem Mantel 12' -1die durch einen weiteren planaren Wellenleiter 13 mit der weiterführenden Faser 2 in Verbindung steht. Auch die Höhe dieses Wellenleiters 13 ist gleich dem Kerndurchmesser der Mantelfasern. Auch dieser Wellenleiter 13 ist relativ zu den Mantelfasern so angehoben, daß sich seine Querschnittsflächen an den Koppelstellen mit den Kern- flächen der Mantelfasern optimal überlappen. Wie diesem Ausführungsbeispiel zu entnehmen ist, können der Ein- bzw. der Auskoppelfaktor unabhängig voneinander vorgegeben werden.
  • 3 Patentansprüche 6 Figuren

Claims (3)

  1. Patentansprüche: Ein-Auskoppler in Flanartechnik für Multimode-Lichtleitfasern, bei dem die Verbindung zwischen zwei ausgangsseitigen Mantelfasern und mindestens einer eingangsseitigen Mantelfaser durch ein Verbindungselement erfolgt, das zumindest teilweise aus einem planaren Wellenleiter besteht, und bei dem die Stirnflächen des Verbindungselementes an Koppelstellen stumpf an die Stirnflächen der Mantelfasern anstoßen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Höhe und die maximale Breite des Wellenleiters (4) im Bereich einer Koppelstelle (S, T, U) annähernd gleich dem Kerndurchmesser der Mantelfasern (1, 2, 3) sind und daß sich die Stirnflächen des Verbindungselementes mit den entsprechenden Kernflächen der Mantelfasern (1, 2, 3) optimal überlappen.
  2. 2. Ein-Auskoppler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß die Mantelfasern (1, 2, 3) um ihre Mantelstärke relativ zum Verbindungselement abgesenkt sind.
  3. 3. Ein-Auskoppler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch: g ek e n n z e i c h n e t , daß ein Teil des Wellenleiters (4) durch eine Glasfaser (9) ersetzbar ist..
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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