DE3409641A1

DE3409641A1 - Steckverbindung fuer lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE3409641A1
Application number: DE19843409641
Authority: DE
Inventors: Günter Dr.rer.nat. 7000 Stuttgart Domann
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1984-03-16
Filing date: 1984-03-16
Publication date: 1985-09-19

Description

Steckverbindung für Lichtwellenleiter
Steckverbindungen für Lichtwellenleiter werden allgemein für den Aufbau optischer Nachrichten-Ubertragungssysteme verwendet, in denen z.B. eine Lichtwellen emittierende Strahlungsquelle und der Lichtwellen empfangende Wandler voneinander entfernt angeordnet sind. Die übertragung der gesendeten Signale erfolgt mittels Lichtleitkabeln, von denen häufig mehrere Abschnitte erforderlich sind, deren Enden mit entsprechenden Verbindungsanordnungen optisch miteinander gekoppelt werden müssen.
Ein aus der DE-PS 26 40 973 bekannter Steckverbinder, mit dem Monomodefasern gekoppelt werden können, benötigt aufgrund der erforderlichen Präzision eine relativ teure Mechanik, zu deren Herstellung aufwendige Verfahren nötig sind. Alternative Verfahren zur Herstellung von Präzisionsteilen wurden bereits in der Druckschrift "Ann.Rev.Mater.
Sci. 1979.9, S. 373 - 403" vorgeschlagen.
Die Erfindung geht aus von einer Steckverbindung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Ausführung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steckverbindung für Lichtwellenleiter zu schaffen, deren Verbindungshälften Zentrierelemente enthalten, mit denen die Stirnflächen der Faserenden mit so hoher Präzision zur Deckung bringbar sind, daß damit auch Monomodefasern dämpfungsa rm miteinander gekoppelt werden können. Bestandteil der Aufgabe ist außerdem, ein Verfahren zur Herstellung derartiger Zentrierelemente anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen konstruktiven Maßnahmen gelöst. Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in Anspruch 2 angegeben. Das Verfahren zur Herstellung von Zentrierelementen für die Steckverbindung ist im Anspruch 13 genannt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Gegenstände nach den Ansprüchen 1 und 2 sowie vorteilhafte Fertigungsschritte zur Ausübung des Herstellungsverfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren wird die mechanische Führung der Verbinderhälften in vorteilhafter Weise mit Hilfe der Photolithographie-Technik hergestellt. Dieses sehr genaue, relativ gut beherrschbare Verfahren eignet sich auch zur Massenfertigung. Daher können die zeitaufwendigen Vorgänge des Schleifens und Polierens der Faserstirnflächen für eine größere Anzahl Fasern gleichzeitig durchgeführt werden. Koppelverluste, die sonst dadurch entstehen, daß der Faserkern bezogen auf den Fasermantel eine exzentrische Lage aufweist, werden eliminiert. Eine Fixierung der Lichtleitfaser bezüglich einer Rotation um die Längsachse ist z.B. bei polarisationserhaltenden Fasern möglich. Der zum Anbringen der mechanischen Führung erforderliche Justiervorgang läßt sich effektiv automatisieren.
Schließlich lassen sich auch Ankopplungen an Laser mit definiertem Abstand der Fasern realisieren.
Die Erfindung wird anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen wie folgt näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 Den Ausschnitt eines Materialstreifens mit in Löchern fixierten Faserenden, teilweise längsgeschnitten und während der Bearbeitung des Streifens in einer Seitenansicht dargestellt; Fig. 2 eine Maske für die Herstellung von Zentriermarkierungen in der Draufsicht; Fig. 3 zwei Zentrierelemente für die Verwendung als Hermaphroditstecker bzw. für als Stecker- und Buchsenteil dienende Verbindungshälften, teilweise geschnitten und in Seitenansicht dargestellt; Fig. 4 das Ausführungsbeispiel eines nach einem anderen Verfahren hergestellten, als Steckerteil dienenden Zentrierelementes, teilweise geschnitten und in einer Seitenansicht dargestellt; Fig. 5 die Herstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles eines als Steckerteil dienenden Zentrierelementes, teilweise geschnitten und in Seitenansicht dargestellt.
In Fig. 1 ist eine aus kristalfinem Werkstoff hergestellte, relativ dünne Materialscheibe oder -Streifen mit 1 bezeichnet. Scheibe oder Streifen bestehen vorzugsweise aus Silizium bestimmter Orientierung. Als Ausgangsmaterial hierfür können auch andere Werkstoffe verwendet werden, sofern diese die-Anwendung des anisotropen Xtzens gestatten. Dieses, kurz Vorzugsätzen genannte Bearbeitungsverfahren ist z.8. auch bei aus Indiumphosphit hergestellten Materialstreifen möglich.
Der Materialstreifen 1 enthält mehrere, in einer Reihe mit Abstand zueinander angeordnete Löcher 2, die im Durchmesser ausreichend groß sind, um jeweils das blanke Faserende 3 eines Lichtwellenleiters aufzunehmen. Die Faserenden 3 sind in den Löchern 2 z.B. durch Einbringen eines Klebers 4 oder mitteles Löten fixiert. Aus diesem Grunde ist der Durchmesser und die Querschnittsgeometrie der Löcher 2 unkritisch. Sie können geätzt, durch Anwendung von Laserstrahlen oder in anderer geeigneter Weise hergestellt werden.
Sobald die Faserenden 3 in den Löchern 2 befestigt sind, werden die herausragenden überstände 5 abgetrennt und die Kopplungsseite 6 des Materialstreifens 1 geschliffen und so lange poliert, bis die Stirnflächen der Faserenden 3 optische Qualität aufweisen. Danach wird auf die kopplungsseitige Fläche ein lichtempfindlicher Lack aufgebracht und der Materialstreifen 1 einer Justiervorrichtung (nicht dargestellt) zugeführt, in welcher ein erstes Faserende 3 vor einer Maske 7 positioniert wird.
Wie Fig. 2 zeigt, weist die vorzugsweise aus einem Glassubstrat bestehende Maske 7 in der Mitte ihrer mit Chrom oder Eisenoxid beschichteten Oberfläche 8 ein Loch 9 auf, dessen Durchmesser in etwa dem Kern der Faser entspricht. In der Beschichtung sind mit Abstand zu dem als Blende wirkenden zentrischen Loch 9 wenigstens zwei öffnungen 10 vorgesehen, die zweckmäßigerweise in einer Linie mit der Blende in der Mitte angeordnet sind.
Nachdem Licht in das rückwärtige Faserende 3 eingekoppelt wurde, wird dessen kopplungsseitiges Ende auf das zentrische Loch 9 der Maske 7 justiert und zwar derart, daß das aus der Faser durch das Loch 9 fallende Licht einen Maximalwert erreicht. Hierbei werden zugleich die Abstände der weiteren öffnungen 10 der Maske 7 bezüglich des Faserkernes automatisch und präzise mitbestimmt und zwar unabhängig davon, ob der Faserkern eine Exzentrizität bezüglich des Fasermantels aufweist, oder ob das Faserende 3 exzentrisch im Loch 2 des Materialstreifens 1 befestigt wurde.
Ist die Justage beendet, wird das eingekoppelte Licht abgeschaltet, das Loch 9 vor der Stirnfläche des Faserendes 3 abgedeckt und die Maske 7 mit UV-Licht angestrahlt, wobei der unter den öffnungen 10 befindliche Photolack belichtet wird. Das Justieren und Belichten erfolgt nacheinander bei allen Faserenden 3 eines Streifens, wodurch die Fasern mehrere, jeweils dem Faserkern zugeordnete Zentriermarkierungen erhalten. Nach dem Entfernen des Photolackes an den unbelichteten Stellen, z.B. in einem Laugenbad, wird eine Passivierungsschicht aufgetragen und diese anschließend an den belichteten Lackstellen entfernt. Danach wird der so behandelte Materialstreifen 1 geätzt, so daß Vertiefungen entstehen.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Maske 7 vier symmetrisch um die Lochblende 9 verteilte öffnungen 10 mit jeweils quadratischem Querschnitt auf. Diese Querschnittsgeometrie läßt beim Vorzugsätzen pyramidenförmige Vertiefungen entstehen. Die öffnungen 10 können aber auch als Rechtecke bzw. Schlitze ausgebildet sein, wodurch beim Atzen V-Nut-artige Vertiefungen entstehen. Sind die Vertiefungen fertig geätzt, wird die Passivierungsschicht entfernt und der Materialstreifen bzw. die Materialscheibe 1 durch Ritzen und Abbrechen in einzelne Plättchen separiert.
Fig. 3 zeigt zwei auf die zuvor beschriebene Weise hergestellte Plättchen 11, 12, die jeweils ein senkrecht zur Plättchenebene fixiertes Faserende 3 mit mehreren, dem Faserkern zugeordneten Vertiefungen 13 aufweisen. Sind die Vertiefungen 13 pyramidenförmig ausgebildet, wird in jede Vertiefung des einen Plättchens 11 eine Kugel 14 eingebracht und beispielsweise mittels Kleben darin befestigt.
Sind die Vertiefungen jedoch V-Nut-artig ausgebildet, so wird in jeder dieser Vertiefungen eine zylindrische Nadel fixiert, die beispielsweise aus einem Faserabschnitt eines Lichtwellenleiters bestehen kann (nicht dargestellt). Die über die ebene Kopplungsseite 6 des Plättchens 11 hervorstehenden Teile der Kugeln 14 oder Nadeln bilden Erhebungen 15, welche beim Zusammenfügen in die komplementär angeordneten Vertiefungen 13 des anderen Plättchens 12 eingreifen.
Die Plättchen 11, 12 wirken hierbei als Zentrierelemente, deren Erhebungen 15 und Vertiefungen 13 sowohl die laterale Führung, als auch den Abstand der Stirnflächen 16 beider Faserenden 3 mit hoher Präzision bestimmen.
Ist ein Plättchen 11 nur mit Erhebungen 15 versehen und weist das andere Plättchen 12 ausschließlich Vertiefungen 13 auf, wirken die beiden Zentrierelemente wie die Verbindungshälften einer aus Stecker- und Buchsenteil bestehenden Steckverbindung. Natürlich können die Vertiefungen 13 von beiden Plättchen 11, 12 jeweils auch nur zur Hälfte mit Kugeln 14 bzw. Nadeln bestückt sein, welche beim Zusammenfügen der Plättchen in die entsprechenden offenen Vertiefungen des jeweils anderen Plättchens eingreifen, wodurch die Zentrierelemente die Funktion von Hermaphrodit-Steckern ausüben.
In Fig. 4 ist ein nach einem abweichenden Verfahren hergestelltes Zentrierelement dargestellt. Es besteht aus einem Plättchen 17, das ebenfalls aus dem Abschnitt eines längeren Materialstreifens bestehen kann, bei dem aber die lackbeschichtete Fläche durch eine Art Negativ der photolithographischen Maske 7 (Fig. 2) belichtet wird, wobei das aus dem Faserende 3 fallende Licht zuvor so auf die zentrische Kreisfläche der Negativmaske justiert wird, bis das Licht einen Minimalwert erreicht bzw. vollständig abgedeckt ist. Für die Justierung ist es jedoch zweckmäßiger, kein vollständiges Maskennegativ zu verwenden, sondern eine lichtdurchlässige Kreisfläche zu haben, die z.B. mittels eines belichteten Kreisringes definiert sein kann. Beim Atzen entstehen dann je nach Konfiguration der passivierten Markierungsflächen, die z.B. einem Pyramidenstumpfoder einer Rippe mit trapezförmigem Querschnitt entsprechenden Erhebungen 15. Der hierbei entstehende überstand 18 des Faserendes 3 wird entweder gleichzeitig oder in einem separaten Verfahrensschritt mechanisch oder chemisch entfernt und poliert.
Ein das Entfernen des Faserüberstandes 18 vermeidendes Verfahren veranschaulicht Fig. 5,Bei diesem Zentrierelement wird an der mechanisch polierten Kopplungsseite 6 des Plättchens 19 mittels Kleber 20 ein weiteres aus kristallinem Werkstoff bestehendes Plättchen 21 fixiert, das ungefähr zentrisch einen Ausschnitt 22 aufweist (Fig. 5a). Aus dem aufgeklebten Plättchen 21 werden nach dem Auftragen von Photolack mit anschließender Belichtung die Erhebungen 15 in der durch die Negativmaske festgelegten Form freigeätzt (Fig. 5b).
Ein hierzu alternativ anwendbares Verfahren besteht darin, daß nach dem Fixieren des Faserendes 3 und Polieren der Kopplungsseite 6 des Plättchens 19, der Fixierbereich re-Lativ großflächig abgedeckt und dann eine weitere kristalline Schicht aufgewachsen wird, aus welcher die Erhebungen 15 dann wieder wie anhand der Fig. 5 beschrieben, unter Verwendung eines entsprechenden Maskennegativs freigeätzt werden.
Die ausschließlich Erhebungen 15 aufweisenden Zentrierelemente bzw. Plättchen sind unabhängig von den verschiedenen Möglichkeiten der Realisierung ihrer Erhebungen sämtlich mit dem nur Vertiefungen 13 enthaltenden Zentrierelement zusammenfügbar. Die Genauigkeit, mit der die die Zentrierelemente aufnehmenden Gehäuse der Steckverbindung (nicht dargestellt) gefertigt werden müssen, reduziert sich damit auf den Fangbereich der Erhebungen 15. Weisen die vorzugsweise aus Glas bestehenden Kugeln 14 z.B. einen Durchmesser von 100 1um auf und sind diese Kugeln 14 maximal bis zur Hälfte in die Vertiefungen 13 eingebettet, was einer Atztiefe von 123 /um entspricht, so beträgt der Fangbereich der Zentrierelemente 50 /um. Für pyramidenförmige Zentrierstrukturen in Silizium vergrößert sich der Fangbereich bis auf das zufache der Tiefe der geätzten Struktur, d.h.
bei vorliegendem Beispiel auf 173 /um. Dieser, im Verhältnis zum Durchmesser des Kernes einer Monomodefaser relativ große Fangbereich der Zentrierelemente gestattet es, in jeder Verbindungshälfte mehrere, je ein Faserende 3 enthaltende Plättchen 11, 12, 17, 19 in eine elastische Matrix einzubetten.
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Claims

Ansprüche 1. Steckverbindung für Lichtwellenleiter, bei der im Gehäuse jeder Verbindungshälfte wenigstens ein, ein Faserende enthaltendes Zentrierelement angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Zentrierelemente aus kristallinen Plättchen (11) bestehen, in denen die Faserenden (3) senkrecht zur Plättchenebene fixiert sind, und daß jedes Plättchen (11) auf seiner im wesentlichen ebenen Kopp-Lungsseite (6) wenigstens eine Vertiefung C13) und im Abstand dazu wenigstens eine Erhebung (15) aufweist, welche bei gesteckter Verbindung in die Vertiefung (13) des jeweils anderen Plättchens eingreift 2. Steckverbindung für Lichtwellenleiter, bei der im Gehäuse jeder Verbindungshälfte wenigstens ein, ein Faserende enthaltendes Zentrierelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierelemente aus kristallinen Plättchen (11, 12, 17, 19) bestehen, in denen die Faserenden (3) senkrecht zur Plättchenebene fixiert sind, und daß die im wesentlichen ebene Kopplungsseite (6) des Plättchens (11, 17, 19) der einen Verbindungshälfte wenigstens zwei mit Abstand zueinander angeordnete Erhebungen (15) aufweist, die bei gesteckter Verbindung in komplementär angeordnete Vertiefungen (13) des Plättchens (12) der anderen Verbindungshälfte eingreifen.

3. Steckverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (13) der Plättchen (11, 12) pyramidenförmig ausgebildet sind.

4. Steckverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (13) der Plättchen Cli, 12) V-Nut-artig ausgebildet sind.

5. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (15) der Plättchen (11, 12) aus in pyramidenförmigen Vertiefungen fixierten Kugeln (14) bestehen.

6. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (15) der Plättchen (11, 12) aus in V-Nut-artigen Vertiefungen (13) fixierten zylindrischen Nadeln bestehen.

7. Steckverbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels zylindrischer Nadeln gebildeten Erhebungen (15) Faserabschnitte eines Lichtwellenleiters sind.

8. Steckverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (15) der Plättchen (17, 19) pyramidenförmig ausgebildet sind.

9. Steckverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (15) der Plättchen (17, 19) aus Rippen dreieckigen Querschnitts bestehen.

10. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 2, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (15) der Plättchen (17, 19) aus kristallinem Werkstoff bestehen.

11. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 2, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (15) einstückiger Bestandteil der Plättchen (17) sind.

12. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Verbindungshälfte mehrere, je ein Faserende (3) enthaltende Plättchen (z.B. 12, 17) in eine elastische Matrix eingebettet sind.

13. Verfahren zur Herstellung von Zentrierelementen für optische Steckverbindungen nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Anwendung der Photolithographie-Technik zum Erzeugen von den Faserkernen der Lichtwellenleiter präzise zugeordneten Zentriermarkierungen auf den kristalline Plättchen (11, 12, 17, 19) und Anwendung der Technik des anisotropen Atzens zur Ausbildung der markierten Zentrierelemente.

14. Verfahren zur Herstellung von Zentrierelementen für eine aus Hermaphrodit-Steckern bestehende optische Steckverbindung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Anwendung folgender Verfahrensschritte: a) Einbringen der Löcher (2) in eine Materialscheibe oder einen Materialstreifen (1) und Fixieren der mit überstand (5) in den Löchern (2) steckenden Faserenden (3); b) Abtrennen der Faserüberstände (5) sowie Schleifen und Polieren der Kopplungsseite (6) des Materialstreifens (1), bis die Stirnflächen der Faserenden (3) optische Qualität aufweisen; c) Auftragen von Photolack auf die Kopplungsseite (6) des Materialstreifens (1), rückwärtiges Einkoppeln von Licht in ein erstes Faserende (3) und Justieren des Faserkernes auf das Loch (9) der separat angefertigten Maske (7), bis das durch die Blende fallende Licht einen Maximalwert erreicht; d) Abschalten des eingekoppelten Lichtes, Abdecken des zentrischen Maskenloches (9) und Belichten des Photolackes durch die Maskenöffnungen (10) mit UV-Licht; e) Entfernen der unbelichteten Lackschicht und Aufbringen einer Passivierungsschicht, die an den belichteten Lackstellen wieder abgenommen wird; f) Herstellen der Vertiefungen (13) im Materialstreifen (1) durch Vorzugsätzen der belichteten Zentriermarkierungen, nachdem nacheinander alle Faserenden (3) justiert und die Zentriermarkierungen belichtet wurden; g) Entfernen der Passivierungsschicht vom Materialstreifen (1) und je nach Ausbildung der Vertiefungen (13) Herstellen der Erhebungen (15) durch Fixieren von Kugeln (14) bzw. Nadeln in der Hälfte aller jeweils einem Faserende (3) zugeordneten Vertiefungen (13); h) Trennen des Materialstreifens (1) in einzelne, je ein Faserende (3) sowie Vertiefungen (13) und Erhebungen (15) aufweisende Plättchen (11, 12).

15. Verfahren zur Herstellung von Zentrierelementen für eine Steckverbindung, deren Verbindungshälften aus Buchsen-und Steckerteil bestehen, nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Anwendung folgender Verfahrensschritte: 1bei Buchsen- und Steckerteil a) Einbringen der Löcher (2) in einen Materialstreifen (1) und Fixieren der mit überstand (5) in den Löchern (2) steckenden Faserenden (3); b) Abtrennen der Faserüberstände (5) sowie Schleifen und Polieren der Kopplungsseite (6) des Materialstreifens (1), bis die Stirnflächen der Faserenden (3) optische Qualität aufweisen; c) Auftragen von Photolack auf die Kopplungsseite (6) des Materialstreifens (1) und rückwärtiges Einkoppeln von Licht in ein erstes der Faserenden (3); II. beim Buchsenteil d) Justieren des Faserkernes auf das Loch (9) der separat angefertigten Maske (7), bis das durch die Blende fallende Licht einen Maximalwert erreicht; e) Abschalten des eingekoppelten Lichtes, Abdecken des zentrischen Maskenloches (9) und Belichten des Photolackes durch die Maskenöffnungen (10) mit UV-Licht; f) Entfernen der unbelichteten Lackschicht und Aufbringen einer Passivierungsschicht, die an den belichteten Lackstellen wieder abgenommen wird; g) Herstellen der Vertiefungen (13) im Materialstreifen (1) durch Vorzugsätzen der belichteten Zentriermarkierungen, nachdem nacheinander alle Faserenden (3) justiert und die Zentriermarkierungen belichtet wurden; h) Entfernen der Passivierungsschichtvom Materialstreifen (1) und Trennen des Streifens (1) in einzelne, je ein Faserende (3) und die ihm zugeordneten Vertiefungen (13) aufweisenden Plättchen (11).

III.beim Steckerteil i) Justieren des Faserkernes auf die zentrische Kreisfläche eines von der Maske (7) abgenommenen und separat angefertigten Maskennegativs; j) Abschalten des eingekoppelten Lichtes und Belichten des Photolackes durch die Negativmaske mit UV-Licht; k) Entfernen der unbelichteten Lackschicht und Aufbringen einer Passivierungsschicht, die an den belichteten Lackstellen wieder abgenommen wird; 1) Herstellen der Erhebungen (15) durch Vorzugsätzen des Materialstreifens (1), nachdem nacheinander alle Faserenden (3) justiert und die Negativmaske belichtet wurde; m) Entfernen des Faserüberstandes (18) durch mechanisches oder chemisches Polieren der Faserstirnfläche; n) Trennen des Materialstreifens (1) in einzelne, je ein Faserende (3) und die ihm zugeordneten Erhebungen (15) aufweisenden Plättchen (17).

16. Verfahren zur Herstellung von Zentrierelementen einer als Steckerteil ausgebildeten Verbindungshälfte nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Auftragen von Photolack an der Kopplungsseite (6) des Plättchens (19) ein weiteres, aus kristallinem Werkstoff bestehendes Plättchen (21) fixiert wird, das zuvor mit einem ungefähr zentrischen Ausschnitt (22) versehen wurde.