DE3207988A1 - Verlustarme koppelanordnung fuer optische komponenten mit nur einer mikrolinse - Google Patents
Verlustarme koppelanordnung fuer optische komponenten mit nur einer mikrolinseInfo
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Description
Deutsche Bundespost 2447
Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines astigmatischen
Linsensystems mit nur einer Mikrolinse gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Die Übertragung großer Informationsmengen über große Entfernungen ist nach dem Stand der Technik praktisch nur mit
einwelligen Glasfasern möglich. Als Strahlungsquellen in einem solchen System sind einwellige Halbleiterlaser vorgesehen.
Bei direkter Ankopplung der Glasfaser an solche Laser können jedoch nur Kopplungswirkungsgrade von wenigen Prozent
erreicht werden. Auch besteht die Gefahr, daß die Wirkungsweise des Lasers selbst durch Reflexionen vom Eingang der
Glasfaser verändert wird. Durch Einfügen optischer Koppelnetzwerke
zwischen Laser und Glasfaser kann der Wirkungsgrad vergrößert und der Reflexionsfaktor verkleinert werden.
Weiterhin entstehen bei der Kopplung zwischen Glasfasern und optischen Bauteilen Verluste, wenn der Ausgangsstrahl der
Strahlungsquelle nicht denselben Öffnungswinkel und denselben Fleckradius hat wie die Senke. Ein elliptischer Ausgangsstrahl
hat quer zur Strahlrichtung verschiedene Fleckradien und Öffnungswinkel.
Durch den Einsatz von astigmatischen Linsen können solche Koppelverluste verringert werden.
Eine in L.G. Cohen "Power Coupling from GaAs Injection Lasers
into Optical Fibers" Bell Syst. Techn. J 51, Seiten 573 bis (1972) beschriebene Linsenanordnung verwendet mindestens zwei
Linsen. Weiterhin sind aus der US-PS 3, 894, 789 Linsenmaterialien bekannt, die in zwei Richtungen verschiedene ortsabhängige
Brechungsindexprofile aufweisen.
Linsensysteme mit zwei und mehr Linsen, beispielsweise zwei gekreuzten Halbzylinderlinsen oder einer Zylinderlinse und einer
sphärischen Linse haben den Nachteil, daß zwei Linsen unabhängig voneinander zu justieren sind und daß zusätzliche Verluste an
Deutsche Bundespost 2447
den Grenzflächen zwischen luft und Linsenmaterial entstehen·
Durch die Veröffentlichung von H. Sakaguchi et al "Power
coupling from laserdiodes into single-mode fibres with quadrangular pyramidshaped hemiellipsiodal ends" in
Electronics letters, VoI 17, No 12, Juni 1981, Seiten 425 "bis 426, ist ein Verfahren zur Herstellung einer elliptischen
Mikrolinse bekannt. Bei diesem Verfahren wird an das Ende der Glasfaser eine Pyramide angeschliffen, die dann durch
Schmelzen eine halbelliptische Form erhält.
Eine andere Herstellungsmöglichkeit besteht in der Ausnutzung der unterschiedlichen Viskosität von Kern und Mantel nach'·
Erwärmung. Übt man auf die Glasfaser nach der Erwärmung einen seitlichen Druck aus, so wird eine halbelliptische Linse aus
der Glasfaserstirnfläche herausgedrückt (G.-D. Khoe wNew
coupling techniques for single-mode optical fibre transmission systems" Optical Communications Conference Amsterdam,
Paper 6.1 (1979)).
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein astigmatisches Linsensystem aus nur einer Mikrolinse für die verlustarme
Kopplung zwischen Glasfaser und Strahlungsquelle herzustellen, wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß hohe Kopplungswirkungsgrade auch bei Strahlungsquellen
mit stark astigmatischem Ausgangslicht erreicht werden. Dabei können die Fleckradien verschieden groß und auch die
Taillen gegeneinander verschoben sein. Weiterhin hat eine erfindungsgemäß hergestellte Mikrolinse gegenüber einer direkt
aus der Glasfaser erzeugten, also ortsfesten Mikrolinse während der Montage hinreichend viele Freiheitsgrade. Dadurch
wird eine gute Feldanpassung erreicht.
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Vorteilhaft ist auch, daß die Anforderungen an die Herstellungstoleranzen mit vertretbarem Aufwand erfüllbar sind, da die
Mikrolinse nur aus Tiomogenen Materialien besteht und mit einfachen Werkzeugen (Manipulator, Flamme, Mikroskop) herstellbar
ist. Die Linsenoberfläche ist glatt und erzeugt somit kein diffuses Streulicht.
Da die erfindungsgemäß erzeugte Mikrolinse unabhängig von den
Materialien der anzukoppelnden Glasfaser ist, unterliegt diese bezüglich Kern- und Mantelmaterial keinen Einschränkungen hinsichtlich
der Schmelztemeratur und des Ätzverhaltens.
Die Erfindung wird anhand eines in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 eine an einer Glasfaser befestigte gemäß der Erfindung
hergestellte Mikrolinse mit Hilfsfaser, Fig. 2 einen Querschnitt und
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Mikrolinse.
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Mikrolinse.
Fig. 1 zeigt den Einsatz einer Mikrolinse 1 nach der Erfindung. Die Mikrolinse 1 wird so auf das ebene Ende einer Glasfaser 2
aufgebracht, daß die Rotationsachse yy' einer Hilfsfaser 4 rechtwinklig zur Längsachse zz1 der Glasfaser 2 und parallel
zur Längs-Mittelachse ww' der Lichtaustrittsfläche der Strahlungsquelle
3 liegt.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen je einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß
hergestellte Mikrolinse 1, die mittels eines Klebers 6, dessen Brechungsindex kleiner als der der Mikrolinse
1 ist, auf die Glasfaser 2 im Glasfaserkernbereich 7 aufgebracht ist.
Zur Herstellung der Mikrolinse 1 wird auf eine Hilfsfaser 4 aus Glas oder einem entsprechenden Material mit einem Durchmesser
d ein Tropfen 5 aus Epoxidharz aufgebracht. Die Größe
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des Tropfens 5 ist abhängig von der erforderlichen Größe der Mikrolinse 1·
Für ein vorgegebenes Volumen des Tropfens 5 und einen vorgegebenen
Durchmesser d der Hilfsfaser 4 ergibt sich die Form der Mikrolinse 1 aus der Bedingung, daß die Oberflächenspannung
minimal wird (Isoperimetrisches Problem der Variationsrechnung, s. z.B. Bronstein-Semendjajew, Taschenbuch
der Mathematik, Verlag Harri Deutsch, Frankfurt und Zürich 1956, S. 501).
Das Volumen und der Durchmesser d werden so lange verändert, bis die Linse die gewünschten Krümmungsradien hat.
Das Epoxidharz des Tropfens 5 weist vorzugsweise folgende Eigenschaften auf:
- Durchsichtigkeit bei Betriebswellenlänge
- bei der Betriebswellenlänge entspricht der Brechungsindex dem der Hilfsfaser 4
- während der Aufbringung auf die Hilfsfaser 4 bleibt die Viskosität gleich
- die Kapillarität des Epoxidharzes auf Glas ist bekannt (sie ist meßbar durch den Winkel θ zwischen den Flächen:
Glas - Tropfen und Tropfen - Luft) - bei der Aushärtung verändert sich die Form des Epoxidharzes
nicht.
Entsprechend den Gesetzen von der Erhaltung der Oberflächenspannung
nimmt der abgelagerte Tropfen 5 spontan die Form eines zur Ebens xz spiegelsymmetrischen (Fig. 2) und zur
Achse yy' rotationssymmetrischen (Fig. 3) Ellipsoids an. Die Oberfläche hat konstante mittlere Krümmungsradien rlx und
rly. Das Wertepaar der mittleren Krümmungsradien rlx, rly korrespondiert nach den Gesetzen der Oberflächenspannung mit
dem Wertepaar Durchmesser d der Hilfsfaser 4 und Länge L des Tropfens 5. Durch entsprechende Bemessung des Durchmessers d
der Hilfsfaser 4 und der Länge L des Tropfens 5 kann folglich
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eine Mikrolinse 1 mit einem beliebigen gewünschten Wertepaar
der Krümmungsradien rlx, rly hergestellt werden. Letztere können zur Optimierung des Kopplungswirkungsgrades numerisch
berechnet werden.
Das folgende Beispiel soll die "Vorteile der erfindungsgemäßen
Mikrolinse erläutern.
Gegeben ist ein Halbleiterlaser mit einer Ausgangswellenlänge von 1,3 Mm. Sein Ausgangslicht ist durch einen Gauß'sehen
Strahl mit den Fleckradien wox = 0,78yUm und woy = 2,35 Alm
gekennzeichnet, die Fleckradien liegen beide in der ausgangsseitigen Spiegelebene. Das Licht dieses Lasers soll in eine
rotationssymmetrische Monomode-Faser eingekoppelt werden. Für eine maximale Einkopplung benötige diese Faser einen Gauß-schen
Lichtstrahl mit einem Fleckradius woF = 4,20 Um, dessen Taille in der Faseranfangsebene liegen muß.
Für die erfindungsgemäße Mikrolinse 1 steht ein Material mit einem Brechungsindex nL = 1,5 zur Verfügung.
20
Eine der Einfachheit halber in paraxialer Näherung durchgeführte Rechnung ergibt eine Linse, deren Oberfläche im Schnittpunkt
mit der optischen Achse (z-Richtung) durch die Krümmungsradien
rLxopt = 4,5 Alm
rLyopt = 13,6 μια
und den Abstand Laser 3 - Mikrolinse 1
und den Abstand Laser 3 - Mikrolinse 1
zopt = 8,3 J/m
beschrieben werden kann (Bild 2 und 3). Das Koppelverlustmaß beträgt 1,47 dB.
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Läßt man zu, daß der Koppelwirkungsgrad nur 99% des maximalen
Koppelwirkungsgrades betragen muß, sind folgende Greometrieabweichungen erlaubt
3,8 fm £ rLx ^ 5,2
oder 10,5 μια 4. rLy^.19,3
oder 10,5 μια 4. rLy^.19,3
oder 1,8 fm ^ ζ & 8,8 pn
10
10
Für einen Koppelwirkungsgrad von 90% des maximalen Koppel wirkungsgrades ist sogar erlaubt
2,7 um έ rLx -£■ 7,4 um
oder 6,7 um £ rLy «έ. oo (Zylinderlinse!)
oder 6,6 ^un ^- ζ ^=. 9»9
Weitere Einzelheiten zur Berechnung des Koppelwirkungsgrades sind beschrieben in Pierre Lecoy, Hartwig Richter "Berechnung
der Transmission von elliptischen Mikrolinsen zur Optimierung der Kopplung zwischen Halbleiterlaser und Monomodefaser"
Technischer Bericht 455 TBr 72, Forschungsinstitute der Deutschen Bundespost, Nov. 1981.
Die Materialmenge des Tropfens 5 kann mit genügender Genauigkeit durch die Verwendung einer zweiten dünnen Hilfsfaser
gesteuert werden. Nach einem bekannten Verfahren (P.D. Bear, "Microlenses for coupling single.-mode fibers to single-mode
thin film waveguides", Appl. Opt. 19, 1980, Seiten 2906 bis 2909) wird die entsprechende Materialmenge durch wiederholten
Kontakt der zweiten Hilfsfaser mit der herzustellenden Mikrolinse 1 aufgebracht.
Die erfindungsgemäß hergestellte Mikrolinse 1 wird auf das Ende der Glasfaser 2 aufgebracht (Fig. 1) und erfindungsgemäß
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mit Hilfe eines Klebers 6 befestigt, dessen Brechungsindex bei Betriebswellenlänge vorzugsweise dem der Mikrolinse 1
gleich oder kleiner ist. Dabei ist es für die optischen Verhältnisse unerheblich, ob und in welcher Länge die
Hilfsfaser 4 an der Mikrolinse 1 belassen wird. Im Gegenteil
kann eine totale Entfernung der Hilfsfaser 4 zu einem Bruch der Mikrolinse 1 führen.
Die Ausrichtung der Achsen von Mikrolinse 1, lichtemitierender
Strahlungsquelle 3 und Glasfaser 2 wird während der Montage der Mikrolinse 1 durch Ausmessen des Strahlungsfeldes am
Ausgang der Glasfaser 2 gesteuert; in gleicher Weise wird der optimale Abstand zwischen der Strahlungsquelle 3 und der
Mikrolinse 1 eingestellt.
Dasselbe Problem wie bei der Ankopplung einer Glasfaser an einen Laser tritt auf, wenn das Licht aus einer Glasfaser
in eine integrierte optische Schaltung (beispielsweise einen Pilm-Wellenleiter) eingekoppelt werden soll. Der Unterschied,
daß hier die Lichtintensität der Quelle eine Rotationssymmetrie
um die optische Achse aufweist, während die Senke zur optimalen Kopplung meist eine elliptische Intensitätsverteilung
erfordert, ist wegen der Reziprozität der Schaltung unerheblich.
Ganz allgemein kann die Anordnung gemäß dem Hauptanspruch immer dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Lichtintensität
der Quelle eine andere Exentrizität als die Senke aufweist.
Während bei einwelligen Senken die Koppelverluste verringert werden können, ist bei mehrwelligen Senken der Hauptvorteil,
daß die Leistungsverteilung auf die einzelnen Eigenwellen der Senke beeinflußt werden kann. Hierdurch kann beispielsweise
bei Multimode-Glasfasern eine Verringerung der Dispersion des Lichtes bei Durchgang durch die Paser erreicht werden. Auch
bei mehrwelligen integrierten optischen Schaltungen kann eine solche Leistungsumverteilung vorteilhaft sind.
Claims (6)
1. Anordnung eines astigmatischen Linsensystems bestehend
aus nur einer Kikrolinse (1) zur Verringerung der Koppelverluste
zwischen einer lichtemitierenden Strahlungsquelle (3) mit elliptischem Ausgangsfeld einerseits und
optischen Komponenten, beispielsweise einer Glasfaser (2), andererseits,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Tropfen (5) aus Epoxidharz eine Hilfsfaser (4) ·
aus Glas oder gleichwertigem Material rotationssymmetrisch in Form eines Ellipsoids umschließt und daß die so hergestellte
und ausgehärtete Mikrolinse an der der lichtemitUerenden
Strahlungsquelle (3) gegenüberstehenden Endfläche der Glasfaser (2) im Glasfaserkernbereich (7) mit
einem Kleber (6) derart befestigt ist, daß die Rotationsachse (yy1) der Hilfsfaser (4) rechtwinklig zur
Längsachse (zz') der Glasfaser (2) und parallel zur Länge-Mittelachse (ww1) der Lichtaustrittsfläche der
Strahlungsquelle (3) liegt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungskoeffizient des Klebers (6) bei Betriebswellenlänge dem der Mikrolinse (1) gleich ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Klebers (6) kleiner als der
der Mikrolinse (1) ist.
4» Anordnung nach Ansprueh 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Epoxidharz des Tropfens (5) während der Zeit seiner Aufbringung auf die Hilfsfaser (4) seine Viskosität
im wesentlichen beibehält.
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5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Form des Tropfens (5) "bei der Aushärtung des Epoxidharzes nicht verändert.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe des Tropfens (5) unter Verwendung einer zweiten dünnen Hilfsfaser gesteuert wird.
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