DE3407413A1

DE3407413A1 - Lichtwellenleiter mit ankopplungsoptik

Info

Publication number: DE3407413A1
Application number: DE19843407413
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.rer.nat. 7000 Stuttgart Bludau; Rolf Dipl.-Phys. 7141 Schwieberdingen Roßberg
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1984-02-29
Filing date: 1984-02-29
Publication date: 1985-08-29
Also published as: DE3407413C2

Description

Lichtwellenleiter mit Ankopplungsoptik
Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtwellenleiter mit fest verbundener Ankopplungsoptik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie auf ein Verfahren'zur Herstellung einer solchen Ankopplungsoptik.
In einer älteren Patentanmeldung (P 31 01378) wurde bereits eine Optik zur Ankopplung eines Lichtwellenleiters an eine Strahlungsquelle vorgeschlagen, die aus einem homogenen zylindrischen Glasstück besteht, das an der Ankopplungsseite linsenförmig ausgebildet und an der anderen Seite mit dem Lichtwellenleiter verbunden ist. Die Linse am Ende des zylindrischen Stabes ist dadurch gebildet, daß dieser vollständig verrundet ist. Die Länge des Stabes von der Verrundungsfläche bis zu seinem mit dem Lichtwellenleiter verschmolzenen Ende ist dabei so bemessen, daß eine vor der Verrundung angeordnete lichtemittierende Fläche auf den Kern des anzukoppelnden Lichtwellenleiters abgebildet, und damit das Licht von der Strahlungsquelle auf den Kern des Lichtwellenleiters fokussiert wird. Die so mit dem Lichtwellenleiter verbundene Ankopplungsoptik hat den Vorteil, daß eine dauernde exakte L'age zwischen der durch die Verrundung gebildeten Linse und dem Anfang des Lichtwellenleiters besteht, so daß bei der Ausrichtung Strahlungsquelle - Linse - Lichtwellenleiter keinerlei Justier- und Fixierprobleme bezüglich der Position von Linse und Lichtwellenleiter auftreten. Auch der Einfluß von Temperaturänderungen ist vernachlässigbar klein. Weiterhin ist der Abstand zwischen Lichtquelle und Linsenfrontfläche relativ groß, so daß wegen des im allgemeinen divergierenden Lichtes und der gekrümmten Linsenfläche nur ein sehr kleiner Anteil des emittierten Lichtes auf die Strahlungsquelle reflektiert wird, wodurch die Rückwirkung auf die Lichtquelle äußerst gering ist. Als Lichtwellenleiter wird vorzugsweise eine Monomodefaser verwendet. Als Strahlungs-oder Lichtquelle kommen vorzugsweise Halbleiter-Laser infrage.
Bei der bekannten Ausführungsform hat der mit dem Lichtwellenleiter verbundene Stab den gleichen Durchmesser wie der Lichtwellenleiter selbst und die Linse, die am freien Ende des Stabes durch die Verrundung gebildet ist, hat ebenfalls den gleichen Durchmesser wie der Stab. Da sich die Verrundung durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Glasmaterials am Ende des Stabes bildet, ist die Krümmung der Verrundung kugelflächenförmig. Bei dieser Linsenausfuhrung wird nur dann eine gute Ankopplung der Strahlungsquelle an den Lichtwellenleiter erzielt, wenn der Abstrahlwinkel der Lichtquelle hinreichend klein ist (paraxiale Strahlen). Dies trifft nur bei einigen ausgewählten Halbleiter-Lasertypen zu. Im allgemeinen ist die Strahldivergenz so groß, daß die Randstrahlen nicht auf den Kern am Anfang des Lichtwellenleiters fokussiert werden, sondern noch im Zylinder vor dem Lichtwellenleiter (sphärische Aberration). Bei noch größerer Divergenz des Lichtes wird die Kugelfläche überstrahlt, d. h. ein Teil des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes geht an der Linsenfrontfläche vorbei.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine weitere wesentliche Verbesserung der genannten Anordnung.
Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, für Laser mit heute üblichem Abstrahlwinkel den Kopplungsgrad wesentlich zu erhöhen. Außerdem soll ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer solchen Ankopplungsoptik angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Ankopplungsoptik können den Unteransprüchen entnommen werden.
Die Erfindung soll nun anhand der Figuren näher beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Lichtwellenleiter mit Ankopplungsoptik gemäß der Erfindung und Fig. 2 zeigt verschiedene Herstellungsstadien einer Ankopplungsoptik gemäß der Erfindung.
Der lichtwellenleiter mit Ankopplungsoptik, wie er im Schnitt in Fig. 1 dargestellt ist, besteht aus dem eigentlichen Lichtwellenleiter 1, beispielsweise einer Monomodefaser, mit einem Kern 2. Der Lichtwellenleiter 1 ist in einer genau senkrechten Ebene mit dem Stab 3 verschmolzen.
Der Stab 3 besteht vorzugsweise aus einem optischen Material mit dem gleichen Brechungsindex wie der Lichtwellenleiter 1. Am freien Ende des zylindrischen Stabes 3 ist aus dem Material des Stabes 3 eine Linse 4 angeschmolzen, an deren Vorderseite ein weiterer Materialtropfen 5 angeschmolzen wurde, so daß die Linse 4 eine asphärische Linse darstellt. Der Materialtropfen 5 ist dabei von solcher Größe gewählt, daß die Oberfläche der Vorderseite der Linse 4 ein Rotationshyperboloid darstellt. Die Linse 4 hat einen größeren Durchmesser dl als der Stab d2 und dieser wiederum hat einen größeren Durchmesser als der Lichtwellenleiter 1 mit dem Durchmesser d3. Die Länge l des zylindrischen Stabteiles 3 ist so gewählt, daß ein von der Vorderseite der Linse 4 eingestrahlter Laserstrahl an der Verbindungsfläche zwischen dem Stab 3 und dem Lichtwellenleiter 1 genau auf den Kern 2 des Lichtwellenleiters fokussiert wird. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, hat die Linse 4 vorn einen kleineren Krümmungsradius r als der übrige Linsenkörper.
Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel wurde Licht von einem Laser mit der Wellenlänge 1,301,um verwendet, der bei 180C mit einem Strom von 28mA betrieben wurde. Die abstrahlende Fläche hatte einen Durchmesser von 1,15/um.
Es wurde ein Lichtwellenleiter 1 mit einem Durchmesser d3 von 124/um und einem Kerndurchmesser d4 von 8/um verwendet. An diesen Lichtwellenleiter war ein zylindrischer Stab 3 angeschmolzen mit einem Durchmesser d2 von 240/um und einer Länge von 960/um. Der Durchmesser dl der Linse 4 betrug 355/um. Der Krümmungsradius r an der Vorderseite der Linse betrug 55/um. Die Länge des Lichtwellenleiters 1 betrug 2360m. Die Einkoppeldämpfung des eingestrahlten Lichtes betrug (bei einer Wellenlänge von 1,3/um) 2,5dB.
Dies entspricht einem Kopplungswirkungsgrad von 56%. Der Brennpunkt der Linse liegt etwa 150/um vor der vorderen Linsenf läche.
In Fig. 2 sind die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung einer Ankoppeloptik gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.
Zunächst werden der Lichtwellenleiter 1 und der Stab 3 genau senkrecht zur Längsrichtung abgeschnitten und gegebenenfalls poliert. Dann werden die beiden Flächen miteinander verschweißt, so daß die in Fig. 2a dargestellte Anordnung erhalten wird.
Im zweiten Verfahrensschritt, der in Fig. 2b dargestellt ist, wird der Stab 3 an der Vorderseite abgeschnitten, und zwar so, daß die Länge des Stabes 3 größer ist als die Länge l nach Fig. 1 des zylindrischen Teiles bei der endgültigen Anordnung.
Im Verfahrensschritt nach Fig. 2c wird nun das freie Ende des Stabes 3 zu einer Kugel 4 verschmolzen, und zwar vorzugsweise in einer Hochfrequenzentladung mit einer Frequenz von etwa 10 bis 50 Kilohertz.
Dann wird unter weiterer Erhitzung die Vorderseite der Kugel 4, wie in Fig. 2d dargestellt ist, mit einem Stäbchen 6 des gleichen Materials in Beruhrung gebracht. Die Spitze des Stäbchens 6 verschmilzt mit der Vorderseite der Kugel 4 und anschließend wird das Stäbchen 6 wie in Fig. 2e dargestellt von der Kugel 4 abgezogen. Es verbleibt auf der Vorderseite der Kugel 4 ein kleiner Materialtropfen 5.
Nach dem Durchschmelzen des Glasfadens wird die in Fig. Zf dargestellte Anordnung erhalten.
In der Hochfrequenzentladung wird nun das Kügelchen 5 mit der Kugel 4 vorsichtig verschmolzen, so daß die in Fig. 29 dargestellte Anordnung erhalten wird, bei der der Krümmungsradius der Kugel 4 am freien Ende kleiner ist als an den anderen Stellen. Auf diese Weise wird die gewünschte asphärische Linse mit etwa hyperbelförmiger Vorderseite erhalten.
Infolge der asphärischen Form der Linse wird auch bei stärker divergierendem Laserstrahl die eingestrahlte Lichtleistung exakt auf den Beginn des Kernes des Lichtwellenleiters fokussiert. Der von der Linsenfrontfläche auf die Strahlungsquelle reflektierte Anteil des emittierten Lichtes ist wegen des relativ großen Abstandes von Lichtquelle und Frontfläche und wegen des normalerweise divergierenden Lichtes sehr klein, so daß die Rückwirkung auf das Modulationsverhalten des Lasers äußerst gering ist.
Die Herstellung der Ankopplungsoptik gemäß der Erfindung, wie sie anhand der Fig. 2 beschrieben wurde, gestaltet sich dadurch verhältnismäßig einfach, daß die erzeugte Linsenform während ihrer Herstellung kontrolliert werden kann.
Hierzu wird vom freien Ende des Lichtwellenleiters 1, atso von dem der Optik entgegengesetzten Ende, Licht eingestrahlt, und das an der Linse 4 während ihrer Herstellung austretende Licht laufend beobachtet. Auf diese Weise kann die aufgebrachte geringe Menge Material und deren Verschmelzen mit der angeschmolzenen Kugel laufend kontrolliert werden, Llm eine optimale Linsenform zu erhalt en.
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Claims

Patentansprüche 1. Lichtwellenleiter aus einem Kern und einem den Kern umgebenden Mantel aus optischem Material, an dessen Ende eine Ankopplungsoptik befestigt ist, die aus einem am Lichtwellenleiter befestigten zylindrischen Stab aus optischem Material besteht, dessen freies Ende verrundet ist und bei dem der Abstand der verrundeten Fläche von dem verbundenen Ende des Lichtwellenleiters so bemessen ist, daß eine vor der Verrundung angeordnete, lichtemittierende Fläche auf den Kern des Lichtwellenleiters abgebildet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der zylindrische Stab (3) einen größeren Durchmesser hat als der Lichtwellenleiter (1) und daß am freien Ende des zylindrischen Stabes (3) aus dem Stabmaterial eine asphärische Linse (4) gebildet ist.
2. Lichtwellenleiter mit Ankopplungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zylindrischen Stabes (3) etwa zwei- bis funffach größer ist als der Außerdurchmesser des Lichtwellenleiters (1).
3. Lichtwellenleiter mit Ankopplungsoptik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Stab (3) angeformte Linse (4) einen etwa 1,5 bis 2 mal größeren Durchmesser hat als der zylindrische Stab (3).
4. Lichtwellenleiter mit Ankopplungsoptik nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Linse t4) am freien Ende kleiner ist als der Krümmungsradius der übrigen Linsenteile.
5. Lichtwellenleiter mit Ankopplungsoptik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (4) am freien Ende etwa die Form eines Rotationshyperboloids hat.
6. Verfahren zur Herstellung einer Ankopplungsoptik an einen Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zur Achse verlaufende Stirnfläche eines zylindrischen Stabes (3) aus optischem Glas mit der senkrecht zur Achse verlaufenden Stirnfläche eines L;chtwellenleiters (1) verschweißt wird, daß das freie Ende des'zylindrischen Stabes (3) zu einer Kugel (4) verschmolzen wird, die einen größeren Durchmesser als der Stab (3) hat, daß auf das freie Ende der Kugel (4) eine geringe Menge Glasmasse (5) aufgebracht und diese mit der Kugel (4) so verschmolzen wird, daß eine asphärische Linse erhalten wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der geringen Menge Glasmasse (5) dadurch erfolgt, daß das erweichte Ende eines zylindrischen Stäbchens (6) aus der gleichen Glasmasse wie dem der Kugel (4) mit dieser in Berührung gebracht und danach von der Kugel (4) abgezogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzen des Materials des zylindrischen Stabes (3) mit Hochfrequenzentladung durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entladung mit einer Frequenz von etwa 10 bis 50 Kilohertz verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bildung der asphärischen Linse (4) Licht vom freien Ende des Lichtwellenleiters (1) eingestrahlt wird und daß das am Linsenende (4) austretende Licht beobachtet wird.