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Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Richt-
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kopplers ~ Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
faseroptischen Richtkopplers, insbesondere eines Monomode-Richtkoppers, nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen
Monomode-Richtkopplers der genannten Art (siehe Bergh, Kotler, Shaw: "Single-mode
fibre optic directional coupler", Electron. Lett. 1980, 1o, S. 260 - 261 und Parriaux,
Gidon, Kuznetov: "Distributed coupling on polishin single-mode optical fibers",
Appl. Opt., 1981, 20, S. 2420 - 242D) werden die abgeflachten Seitenflächen der
zu verbindenden Fasern durch Abschleifen oder auch Abpolieren des Mantels erzeugt.
Da der Kerndurchmesser einer Monomode-Faser nur einige wenige Mikrometer beträgt
und beim fertigen Richtkoppler der Abstand zwischen den Kernen eenfalls nur einige
Mikrometer betragen darf, ist bei der Herstellung der abgeflachten Fasern und beim
Zusammenfügen dieser beiden Fasern zum Richtkoppler eine sehr hohe Jenauigkeit t~forderlich.
Insbesondere ist darauf zu achten, daß beim Zusammenfügen der Fasern die Kerne parallel
verlaufen und der Abstand zwischen den Kernen ausreichend klein ist. Dies erfordert
bei den äußerst geringen zulässigen Toleranzen einen hohen Justieraufwand und erschwert
die Herstellung.
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Bei einem anderen Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Monomode-Richtkopplers
(siehe Çheem, Giallorenzi: "Single mode fiber-optical power devider: encapsulated
etching technique", Opt. Lett., 1979, Ed 1 Sti/20.4.1982
4, S. 29
- 31 und Villarruell, Moeller: !?Fused single mode fibre access couplers", Electron.
Lett., 1981, 17, S. 243 - 244) wird der Mantel der Faser abgeätzt, bis er ausreichend
dünn ist. Der Abtrag erfolgt hierbei über den ganzen Umfang der Faser. Bei diesem
Verfahren muß bis auf Parallelität nicht auf eine besondere Orientierung der zu
verbindenden Fasern geachtet werden, dafür sind aber die abgeätzten Fasern äußerst
dünn und empfindlich gegen mechanische Beschädigungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines
faseroptischen Richtkopplers, insbesondere eines Monomode-Richtkopplers bereitzustellen,
das eine besonders einfache und billige Herstellung dieser Koppler gestattet, und
das insbesondere auch eine Eignung zur seriermäßigen Herstellung solcher Koppler
aufweist.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten
Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale
gelöst Diese Lösung weist folgende Vorteile auf: Bei den aus einer stabförmigen,
abgeflachten Kern-Mantel-Vorform gezogenen Fasern ist die abgeflachte Seitenfläche
und die ausreichend dünne geringste Manteldicke von vorneherein vorhanden und die
Fasern können sehr stabil sein, weil die Manteldicke außerhalb des abgeflachten
Bereiches relativ groß sein kann. Die geringste Manteldicke kann bereits in der
Vorform sehr genau vorausbestimmt werden, wobei eine hohe Genauigkeit wegen der
vergleichsweise großen Abmessungen der Vorform errecht werden kann. Ein weiterer
Vorteil liegt darin, daß bei derart hergestellten Fasern der Querschnitt nach Form
und Größe ihrer die ganze Länge der Faser beibehalten werden kann. Das Einführen
zweier solcher Fasern1 in eine Kapillare, deren lichter Durch-
messer
D so gewählt ist, daß die beiden Fasern nebeneinander nur mit einander zugekehrten
abgeflachten Seitenflächen passen, bewirkt, daß die eingeführten Fasern von selbst
die richtige Lage zueinander einnehmen. Dies gilt dann auch für aus einem Ende der
Kapillare paarig herausstehende Faserabschnitte, zumindest in der näheren Umgebung
der Kapillare.
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Die richtige Orientierung der Fasern mit einander zugekehrten abgeflachten
Seiten gelingt besonders leicht, wenn gemäß Anspruch 2 eine einzelne abgeflachte
Faser zu einer Schleife gebogen wird, deren beide Enden vorzugsweise gemäß Anspruch
3 nacheinander in die Kapillare eingeführt werden.
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Zweckmäßigerweise wird gemäß Anspruch 4 der Richtkoppler so fertiggestellt,
daß aus einem Ende der Kapillare herausstehende Abschnitte der eingeführten Fasern
eie bestimmte Strecke lang durch ein Verbindungsmittel miteinander verbunden werden,
das die Abschnitte aneinanderdrückt.
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Dazu werden zweckmäßigerweise die heraus stehenden Abschnitte mit
einem flüssigen aushärtenden Stoff umgeben, durch dessen Oberflächenspannung die
beiden Abschnitte gegeneinander gedrückt werden (Anspruch 5).
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Als geeigneter aushärtender Stoff hat sich Polysiloxan erwiesen (Anspruch
6).
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Vorzugsweise werden die herausstehenden Abschnitte über einer Länge
von 1 bis 2 cm miteinander verbunden (Anspruch 7).
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Gemäß einer zweckmäßigen Herstellungsvariante werden die Strecke,
in der die herausstehenden Abschnitte miteinander verbunden worden sind, und die
Kapillare voneinander entfernt (Anspruch 8).
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Vorteilhafterweise wird bei dieser Verfahrensvariante zwischen der
Strecke, in der die Abschnitte verbunden worden sind, und der Kapillare eine Faserdurchtrennung
vorgenommen (Anspruch 9).
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Gemäß einer anderen zweckmäßigen Verfahrensvariante verbleibt die
Kapillare über einer Strecke, längs der die beiden Fasern zusammenzuhalten sind,
oder sie wird über eine solche Strecke geschoben (Anspruch 10).
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Die Kapillare kann dann als Schutz gegen Umwelteinflüsse oder Beschädigungen
dienen.
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Zweckmäßig kann es auch sein, den fertigen Richtkoppler zum Schutz
gegen Umwelteinflüsse in ein geeignetes Medium einzubetten (Anspruch 11).
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Vorteilhaft ist es, wenn in einer Koppelstrecke, in der-die'abgeflachten
Fasern zusammengehalten sind und wo eine Uberkopplung zwischen den Fasern auftritt,
die Brechzahlverteilung durch. Ionenimplantation so beeinflußt wird, daß eine verstärkte
Kopplung auftritt (Anspruch 12). In diesem Fall kann man weniger stark abgeflachte
Fasern verwenden, was insgesamt Vorteile hat.
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Die Fasern können in der Koppelstrecke auch miteinander verschweißt
werden. Durch Biegen kann man den fertiggestellten Koppler abstimmen.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Von den Figuren zeigen: Figur 1 einen Querschnitt durch eine stabförmige
Kern-Mantel-Vorform, aus welcher eine einseitig
abgeflachte Kern-Mantel-Glasfaser
zu ziehen ist, Figur 2 einen Querschnitt durch eine aus der Vorform nach Figur 1
gezogene Kern-Mantel-Glasfaser, Figur 3 einen Längsschnitt durch eine Kapillare,
in welche zwei abgeflachte Kern-Mantel-Glasfasern von rechts her gerade eingeführt
worden sind, Figur 4 eine Darstellung gemäß Figur 3, bei welcher die Endabschnitte
einer zu einer Schleife gebogenen einzelnen abgeflachten Faser ih die Kapillare
eingeführt worden sind, Figur 5 einen Querschnitt durch die Kapillare gemäß Figur
3 bzw. 4 entlang der Schnittlinie I - I, aus der die Lage der eingeführten, abgeflachten
Fasern relativ zueinander hervorgeht, Figur 6 in einer der Figur 3 entsprechenden
Darstellung eine Kapillare mit eingeführten Fasern, die auf der linken Seite der
Kapillare herausstehen, und Figur 7 den Gegenstand nach Figur 5 in der gleichen
Darstellung, wobei die auf der linken Seite hera.sstehende.. Faserabschnitte eine
Strecke lang durch minen umhüllenden Stoff miteinander verbunden sind.
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Die Figuren sind nicht maßstäblich.
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Zur Herstellung der auf einer Seite abgeflachten Fasern wird eine
stabförmige Kern-Mantel-Vorform verwendet, die einen annähernd halbkreisförmigen
Querschnitt aufweist, wie er in Figur 1 dargestellt ist. Der Kern dieser Vorform
muß nahe bei der abgeflachten. Seite angeordnet
sein und sein Abstand
von dieser Seite ist so zu wählen, daß nach dem Ziehen der Faser die geringste Manteldicke
im abgeflachten Bereich ausreichend klein ist. Bei der Herstellung der abgeflachten
Vorform kann man von einer kreiszylindrischen Vorform mit koaxialem Kern ausgehen,
bei der auf einer Seite durch Mantelabtrag eine achsparallele plane Fläche erzeugt
wird.
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Zur Herstellung der abgeflachten Faser wird die stabförmige, abgeflachte
Vorform in eine Halterung vertikal eingespannt und ihr unteres Ende bis zur Erweichungstemperatur
des Glases und auch darüber hinaus erhitzt.
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on der erweichten Zone wird mit vorbestimmter Ziehgeschwindigkeit
die Faser abgezogen. Die abgezogene Faser weits einen Querschnitt auf, wie er in
der Figur 2 dargestellt ist. Dieser Querschnitt ist gegenüber dem annähernd halbkreisförmigen
Querschnitt der Vorform etwas in Richtung einer Ellipse verformt. Die bei der Voform
vorhandenen Kanten beim Aneinanderstoßen der planen Fläche mit der kreiszylindrischen
Mantelfläche haben sich abgerundet. Im allgemeinen hängt die Querschnittsform der
gezogenen Faser von der Ziehtemperatur und der Querschnittsform der Vorform-ab und
ist über diese Größen beeinflußbar. Die Querschnittsform und Größe der gezogenen
Faser kann, erforderlichenfalls durch Uberwachung, sehr genau eingelte werden, so
daß Fasern entstehen, die über ihre ganze Länge eine konstante Querschnittsform
und Fläche aufweisen.
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Zwei derartige abgeflachte Fasern 1 und 2 werden mit einander zugekehrten
abgeflachten Seitenflächen 11 und 12, vorzugsweise nacheinander, in eine Kapillare
3 eingeführt, deren lichter Durchmesser D so gewählt ist, daß die beiden Fasern
nebeneinander nur mit den einander zugekehrten abgeflachten Seitenflächen 11 und
21 in die Kapillare passen. Dadurch wird von selbst die richtige Orientierung der
abgeflachten Fasern zueinander und ein
dichtes Aneinanderliegen
der Fasern erreicht. Der Abstand zwischen den Kernen der beiden Fasern in ihrer
Kapillare ist minimal, weil die Fasern nur dann in diese eingeführt werden können,
wenn die Bereiche geringster Manteldicke der beiden Fasern aneinander grenzen.
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Anstelle zweier getrennter Fasern kann auch eine einzelne Faser verwendet
werden, die zu einer Schleife gebogen wird und deren beide Enden von der gleichen
Seite her aneinander in die Kapillare eingeführt werden. Die Figur 4 zeigt diesen
Fall. Die Endabschnitte dieser zu einer Schleife gebogenen einzelnen Faser entsprechen
den Fasern 1 und 2 in Figur 3 und sind deshalb in der Figur 4 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß die abgeflachten Seiten der
Endabschnitte 1 und 2 dieser Faserschleife sich von selbst zueinander ausrichten.
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Die Lage der beiden abgeflachten Fasern in der Kapillare 3 ist in
der Figur 5 dargestellt, die einen Querschnitt durch die Kapillare 3 und durch die
von einer Seite her eingeführten abgeflachten Fasern 1 und 2 zeigt. Der Schnitt
ist längs der Linie I - I in Figur 3 bzw. 4 geführt. führt. Die Kerne der abgeflachten
Fasern 1 und 2 sind mit 12 r. 22, die abgeflachten Seitenflächen miW 11 bzw. 21
und dje für beide Fasern 1 und 2 gleiche eringste Manteldicke mit d bezeichnet.
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Die richtige Orientierung der in der Kapillare 3 nebeneinander angeordneten
Fasern 1 und 2 Ist bei den aus einem Ende herausragenden Faserabschnitten noch eine
gewisse Strecke lang vorhanden. Dort sind die eingeführten Fasern zugänglich und
können unter Beibehaltung der richtigen Orientierung so miteinander verbunden werden,
daLz sie dicht aneinanderliegen. Es ist dabei
gleichgültig, an
welchem Ende der Kapillare diese Verbindung hergestellt wird. Bei einer Faserschleife
wird sie allerdings zweckmäßigerweise auf der Seite vorgenommen, auf der sich die
Schleife befindet.
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In der Figur 6 ist der Fall dargestellt, bei dem die wie in Figur
3 von rechts eingeführten Fasern 1 und 2 durch die Kapillare 3 hindurchgeschoben
sind, so daß aus dem linken Ende der Kapillare 3 Faserendabschnitte 10 und 20 herausstehen.
Diese Faserendabschnitte werden eine Strecke L lang mit flüssigem Polysiloxan umhüllt,
das man aushärten läßt. Die Oberflächenspannung des flüssigen Polysiloxans drückt
die Faserendabschnitte 10 und 20 aneinander, so daß zwischen den parallel verlaufenden
Kernen der Fasern ein zur Erzielung der Koppelwirkung ausreichend kleiner Abstand
vorhanden ist. Nach dem Aushärten des Polysiloxans sind die Fasern die Strecke L
lang fest miteinander verbunden und der Richtkoppler ist im wesentlichen fertiggestellt.
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Die Koppelstrecke dieses Richtkopplers entspricht etwa der Strecke
L.
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Analog kann man bei dem in Figur 4 gezeigten Fall vorgehen, wobei
man allerdings die Faserendabschnitte 1 und 2 auf der rechten Seite der Kapillare
streckenweise mit Polysiloxan umwickelt.
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Nach dem Aushärten des Polysiloxans kann de Kapillare 3 von der Strecke
L entfernt werden.
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Bei der serienmäßigen Herstellung der Richtkoppler geht man zweckmäßigerweise
so vor, daß die Fasern 1 und 2 beispielsweise von Vorratsrollen her in die Kapillare
3 eingeführt und durch sie hindurchgeschoben werden, so daß auf der anderen Seite
Faserendabschnitte 10, 20 aus der Kapillare 3 herausstehen.
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Diese werden glichst nahe an der Kapillare 3 zu
einem
Richtkoppler miteinander verbunden. Dann werden die Fasern ein bestimmtes Stück
weiter durch die Kapillare 3 gezogen, so daß sich die Strecke L, in der die Faserendabschnitte
10, 20 miteinander verbunden sind, von der Kapillare 3 entfernt. Zwischen der Strecke
L und der Kapillare 3 werden die Fasern durchtrennt, so daß ein Richtkoppler mit
vier Faserschwänzen entsteht. Mit den aus der Kapillare 3 nach dem Durchtrennen
heraus stehenden Faserendabschnitten kann der nächste Richtkoppler hergestellt werden,
usw..
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In dem in der Figur 4 dargestellten Fall der Faserschleife können
Richtkoppler mit vier Faserschwänzen durch Brechen oder durch Trennen der Schleife
erzeugt werden.
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Durch ein vorstehend beschriebenes Verfahren ist ein gute Eigenschaften
aufweisender Monomode-Riöhtkoppler realisiert worden, der folgende Abmessungen aufweist:
Der Kerndurchmesser beträgt 4 /um, der Abstand zwischen den Kernen 7 /um, die Brechungsindexdifferenz
zwischen Mantel und Kern 0,004 und die Länge der Strecke, in der die Fasern miteinander
verbunden sind, 13 m:n.
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Die Kapillare muß nach dem Aushärten des Verbindungsmittels nic: bedingt
entfernt werden, sondern kann auc über die verkleßte Strecke geschoben werden. Sie
kinn daraufhin mit Kleber gefüllt werden. So kann die Kapillare als Schutz der Koppelstrecke
vor UmwelteInflüssen dienen.
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Die Brechzahlverteilung in der Koppelstrecke kann durch Ionenimplantation
so verändert werden, daß ein verstärkte Uberkopplung auftritt.
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Ohne eine solche Koppelverstänkung muß der Kern der abgeflachten Fasern
sehr nahe an der Mantelob er fläche
liegen, um ausreichende Uberkopplung
zu ermöglichen.
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Bei den freien Faserschwänzen oder Zuführungsstücken führt dieser
Umstand zu einer hohen Dämpfung des geführten Lichts. Diese Dämpfung kann zwar durch
Beschichtung der Fasern verringert werden, ist aber trotzdem noch relativ hoch.
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Durch eine Koppelverstärkung mittels Ionenimplantation kann der Abstand
des Kerns von der Mantelfläche -größer gewählt und dadurch die Dämpfung der Faser
stark herabgesetzt werden. Nur in der Koppelstrecke wird die Brechzahlverteilung
so geändert, daß sich das Feld der geführten Welle zur Manteloberfläche hin ausdehnt
und eine überkopplung ermöglicht wird.
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Anstatt die Fasern in der Koppelstrecke zu verkleben, können sie auch
verschweißt werden. Dadurch kann eine höhere Stabilität des Kopplers erreicht werden.
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Dieses Verfahren stellt allerdings an die Justierung der Fasern zueinander
höhere Anforderungen, da es leicht zu einer Deformation der Kerne kommen kann, welche
die Lichtführungseigenschaften der Wellenleiter stark beeinträchtigen.
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Der fertiggestellte Koppler-kann durch Biegung abgestimmt werden.
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1 2 Patentansprüche 7 Figuren