DE2951020A1 - Mikrostrahlteiler zur aufteilung von lichtenergie - Google Patents

Description

• Mikrostrahlteiler zur Aufteilung von Lichtenergie
• Die Erfindung betrifft einen Mikrostrahlteiler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• In den letzten Jahren wurden in der Entwicklung von optischen Nachrichtensystemen große Fortschritte erzielt.
• Erste optische Versuchsstrecken über Längen von mehreren Kilometern wurden bereits an vielen Stellen installiert.
• Neben diesen Leitverbindungen zur Ubertragung von Nachrichten (Telefon, Bildtelefon, usw.) gibt es eine Reihe von Anwendungen über kürzere Distanzen: Meßeinrichtungen zur Steuerung von Prozessen in Fabriken oder Elektrizitätswerken, Datenübertragung auf Schiffen oder Flugzeugen oder zwischen Rechnereinheiten (Datenbussysteme). Sowohl für die Weitverbindungen als auch in besonderem Maße für Datenbussysteme sind optische Bauteile von erheblichem Interesse, mit denen Licht aus einzelnen ffbertragungsleitungen ineinander übergekoppelt werden kann.
• In der konventionellen Optik werden zum Aufteilen oder Zusammenfügen von Lichtbündeln Strahlteiler verwendet. Dabei handelt es sich meistens um zwei rechtwinklige Prismen, die mit ihren Hypotenusen verkittet sind. Eine der Hypotenusenflächen ist in der Regel mit einer dielektrischen oder metalliscnen, teilweise reflektierenden Spiegelschicht versehen. Es gibt eine Reihe von Versuchen, dieses Strahlteilerprinzip auch für die Aufteilung von Licht aus Glasfaser-Lichtwellenleitern anzuwenden.
• Eine Möglichkeit ist in der Druckschrift: T. Uchida, S. Sugimoto: Microoptic Devices for Optical Communications, 4. Eur. Conf. on Opt. Commun., Genova, Sept. 1978, Proceedings pp 374-382 in Abb. 3b und 3c gezeigt. Dabei wird das aus der Lichtleitfaser austretende Lichtbündel mit Hilfe einer ersten Gradientenindex-Linse aufgeweitet, im nachfolgenden Strahlteiler (hier integriert in die erste Linse) aufgeteilt und mit weiteren Gradientenindex-Linsen in die Ausgangsformen eingekoppelt.
• Eine weitere Möglichkeit ist in der DE-OS 27 48 921 beschrieben. Hierbei ist die Lichtleitfaser in eine Glaskapillare eingebettet, unter 450 zur Achse geschnitten, die Schnittfläche poliert und mit einer teildurchlässigen Spiegelschicht versehen. Der aus der Faser herausgespiegelte Anteil des Lichtes fällt hier auf eine Photodiode.
• Eine ähnliche Anordnung ist in der folgenden Druckschrift beschrieben: A. Reichelt, G. Winzer, H. Michel, F. Auracher, F. Heyer, W. Rauscher: Improved Optical Tapping Elements for Graded-Index Optical Fibers. Siemens Forsch. und Entwicklungsbereichte 8 (1979), pp. 130-135.
• In einer anderen Druckschrift: Y. Suzuki and H. Kashiwagi: Concentrated-type directional coupler for optical fibers, Appl. Opt., 15, (1976), pp. 2032-2033, wird ein Mikroprisma mit einer Kantenlänge von 180/um zur Aufteilung des Lichtes verwendet.
• Bei allen diesen Beispielen ist als Hauptschwierigkeit zu sehen, daß das in den Fasern geführte Lichtbündei nur einen kleinen Durchmesser hat. Im Falle einer typischen Gradientenfaser beträgt der Kerndurchmesser, in dem das Lichtbündel geführt wird, typischerweise 50 bis 80/um.
• Ohne Abbildungsoptik liegen dann die zulässigen Abstände zwischen zwei Fasern für Verluste unter 0,5 dB zwischen 75/um und 120/um. Die Kantenlänge eines Strahlteilerprismas darf dann ebenfalls nur 75/um bis 120um betragen.
• Verwendet man Linsen zur Strahlaufweitung, wird der zulässige Abstand, und damit die Kantenlänge des Prismas zwar größer; dies wird jedoch mit zusätzlichem Justieraufwand und erheblich verringerten Winkeltoleranzen erkauft.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mikrostrahlteiler der eingangs genannten Art zu schaffen, der einfach im Aufbau ist, geringe Verluste gewährleistet, und eine mühelose Handhabung zuläßt. Die Lösung dieser Aufgabe ist dem Patentanspruch 1 zu entnehmen. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausführungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung.
• Der erfindungsgemäße Aufbau eines Mikrostrahlteilers wird im folgenden anhand der Figur mit einem Beispiel beschrieben. Als optische Einrichtungen werden hier Gradientenfasern mit einem Kerndurchmesser von 50/um verwendet. Der Außendurchmesser der Fasern sei 60/um. Man ordnet nun drei Fasern 1, 2, 3 gemäß der Figur an (z. B. in V-Nuten), wobei die Stirnflächen 4 plan, z. B. geschnitten sind.
• Als Folge des geringen Außendurchmessers der Faser von 60/um können die Fasern vorteilhafterweise mit einem Abstand A von nur etwa 60/um zueinander fixiert werden, wodurch die Verluste infolge der Aufweitung des Lichtbündels außerhalb des Wellenleiters relativ klein sind. Anstelle einer Faser mit einem Außendurchmesser von nur 60/um kann auch eine Faser mit einem Außendurchmesser von etwa 130/um, wie sie üblicherweise in der optischen Nachrichtentechnik verwendet wird, benutzt werden, diese Faser wird dann im Durchmesser auf etwa 60/um im Bereich der Koppelstelle verkleinert, zum Beispiel durch Abätzen des Fasermantels von 130 auf 60/um. In jedem Falle kann ein Abstand A von etwa 60/um erhalten werden. Aus diesem kleinen Abstand resultieren Verluste für die Uberkopplung von Faser 1 nach Faser 3 von etwa 0,4 dB, wenn sich zwischen den Fasern ein Medium mit etwa gleichem Brechungsindex befindet. Diese bereits geringen Verluste können weiter vermindert werden: a) durch ein Medium mit größerem Brechungsindex im Bereich zwischen Faser 1 und 3; b) durch Mikrolinsen, z. B. durch Rundschmelzen der Faserenden der Fasern 1, 2, 3 bei gleichzeitig höherem Brechungsindex der Fasern gegenüber dem Medium im Raum zwischen den Fasern 1 und 3.
• Zum erfindungsgemäßen Aufbau des Mikrostrahlteilers wird nun in den Bereich zwischen den Fasern 1, 2, 3 eine Platte 5, wie in der Figur gezeigt, eingebracht.
• Bei einen Aufbau des Strahlteilers nach der oben zitierten Arbeit von Y. Suzuki und H. Kashiwagi wäre ein Prisma mit einer Kautenlänge und einer Höhe von 60/um herzustellen und zu handhaben. Von der Größe her ist dies mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.
• Die erfindungsgemäße Lösung benützt eine Platte 5, die in der Dicke etwa den Abmessungen der Glasfasern entspricht, also etwa 60/um bis 200,um dick ist. In den anderen Dimensionen - Länge und Breite - dagegen können die Maße so vergrößert werden, daß das Prisma relativ mühelos gehandhabt werden kann. Verwendet man ein rechtwinklig-gleichschenkliges Prisma, so kann die Kathetenlänge beispielsweise zwischen 5 mm und 1 cm liegen. Dabei werden hohe Anforderungen an die Flächenpolitur der Seiten 6 und 7 und an die Kantenschärfe nur in dem quadratischen Bereich zwischen den Fasern 1, 2, 3 mit den Abmessungen 60/um x 60/um gestellt. Wegen der geringen Dicke können die Teiler-~ Bnzahl Wegen geringen prismen in großer Anzahl zusammen geschliffen und poliert werden. Die Fläche 6 wird im allgemeinen anschließend mit einer dielektrischen oder metallischen, teilweise reflektierenden Spiegeischicht bedampft werden; auch hier kann eine große Anzahl von Prismen gleichzeitig verspiegelt werden.
• Für den Aufbau des Strahlteilers werden zum Beispiel die Fasern 1, 2, 3 auf einer gemeinsamen Ebene fixiert, zum Beispiel in V-Nuten. In den freien Raum zwischen den Fasern wird dann wie in der Figur das Prisma eingeschoben.
• Anschließend wird der freie Raum zwischen den Faserstirnflächen (60/um x 60/um) mit einem durchsichtigen Material ausgefüllt. Verwendbare Materialien: Epoxydharz, Silikonkautschuk, optische Kitte, Glaslote.

Claims (9)

1. Patentansprüche 1. Mikrostrahlteiler zur Aufteilung von Lichtenergie aus optischen Vorrichtungen, insbesondere Glasfaser-Lichtwellenleiter oder Halbleiterlaser, in andere optische Vorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Vorrichtungen (1, 2, 3) zueinander so fixiert sind, daß die optischen Achsen oder Normalen zu lichtemittierenden Flächen in einer Ebene E liegen, daß als Strahlteiler eine Ecke einer optisch planen und mit glatter Oberfläche (8) versehenen daumen Platte (5) verwendet wird, daß die Platte (5) in der Ebene E liegt, daß die zur Aufteilung verwendeten Flächen (6, 7) der Platte (5) auf der Ebene E senkrecht stehen und miteinander einen Winkel von 450 einschließen, und daß eine Fläche (6) mit einer reflektierenden Schicht versehen ist.
2. 2. Mikrostrahlteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (5) 60/um bis 200,um dick ist und die Form eines gleichschenklig rechtwinkligen Dreiecks hat.
3. 3. Mikrostrahlteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (5) eine Kantenlänge (Katheten) von 5 mm bis 10 mm hat, und daß die als Strahlleiter verwendete Ecke etwa 60,um auf 60/um mißt.
4. 4. Mikrostrahlteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufteilung verwendete(n) Fläche(n) (6, 7) der Platte (5) mit metallischen oder dielektrischen Spiegelschichten bedampft ist (sind).
5. 5. Mikrostrahlteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeicnnet, daß die optischen Vorrichtungen und die Platte (5) mit einem durchsichtigen Material, insbesondere Epoxydharz oder Glaslot miteinander vergossen oder verschmolzen sind.
6. 6. Mikrostrahlteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Vorrichtungen Gradientenfasern mit einem Kerndurchmesser von 50/um und einem Außendurchmesser von 60/um verwendet sind, daß die Stirnflächen (4) der Gradientenfasern plan sind, daß die Fasern mit einem Abstand (A) von etwa 60/um zueinander fixiert sind, und daß in den freien Raum zwischen den Fasern die als Strahlteiler verwendete Ecke der Platte (5) geschoben ist.
7. 7. Mikrostrahlteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Vorrichtungen Gradientenfasern mit einem Außendurchmesser von etwa 130/um verwendet sind, daß die Faserdurchmesser im Bereich der Stirnflächen bis auf 60/um verkleinert sind, daß die Fasern mit einem Abstaiid von etwa 60/um zueinander fixiert sind, und daß in den freien Raum zwischen den Fasern die als Strahlteiler verwendete Ecke der Platte geschoben ist.
8. 8. Mikrostrahlteiler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den freien Raum zwischen den Fasern ein Medium mit größerem Brechungsindex als derjenige der Fasern eingebracht ist.
9. 9. Mikrostrahlteiler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Mikrolinsen eingefügt sind, insbesondere durch Rundschmeizen der Stirnflächen (4) und daß die Fasern einen höheren Brechungsindex aufweisen, als das Medium im freien Raum zwischen den Fasern.