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Ein-Auskoppler für Multimode-Lichtleitfasern.
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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.
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Ein derartiger Ein-Auskoppler ist beispielsweise aus der DE-OS 26
09 134 oder der DE-OS 26 25 855 bekannt.
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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.
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Dieser Teil ist für die weitere Übertragung praktisch verloren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein weiterer Vorteil dieser Koppler besteht darin, daß der Ein- und
Auskoppelfaktor unabhängig voneinander vorgegeben werden kann.
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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.
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Fig.2 zeigt einen nicht @@ @@@ getreuten Längsschnit durch die Fig.1
entlang der @@@@ A-B.
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Fig.3 zeigt Querschnitte durch der Koppler gemäß Fig.
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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.
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Fig.5 zeigt einen Koppler bei von im Verbindungselement ein Teil des
planaren Wellenteilers durch eine Glasfaser ersetzt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Die Kurven im Diagramm gemäß der Fig.4 sind für Mantelfasern mit einem
Kerndurchmesser von 100/um angegeben.
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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%.
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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.
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Die Fig.6 zeigt eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels gemäß der
Fig.1 zu einer Ein-Auskoppel-Struktur.
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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.
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3 Patentansprüche 6 Figuren