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Anordnung mit fester Halterung einer Glasfaser an wenig-
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stens zwei Befestigungsstellen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit fester Halterung
eines als Glasfaser ausgebildeten Lichtwellenleiters an wenigstens zwei Befestigungsstellen
mit Hilfe eines aus Lot und/oder Klebestof bestehenden Befestigungsmittels, insbesondere
für Sende- oder Empfangsvorrichtungen der elektrooptischen Nachrichtenübertragungstechnik.
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Eine derartige Anordnung ist bereits aus der DE-OS 32 44 867 bekannt.
Bei der bekannten Anordnung ist ein Empfangsmodul in einem hermetisch dichten metallenen
Gehäuse untergebracht. Das Metallgehäuse ist mit einer hermetisch dichten Glasfaserdurchführung
versehen, so daß sich ein sogenannter Pigtail-Anschluß für die optische Übertragung
ergibt. Im Innern des Metallgehäuses befindet sich eine PIN-Fotodiode, mit der die
Glasfaser optisch gekoppelt ist. Der Lichtwellenleiter ist vor dem optischen Fenster
der optischen PIN-Fotodiode exakt justiert und anschließend auf einem neben dem
Diodenträger angeordneten Klotz fixiert. Die Durchführung enthält ein Verbindungsstück,
das die Form einer Muffe hat. Um eine hermetische Dichtung zu erreichen, wird die
Glasfaser in das Verbindungsstück eingelötet.
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Im Hinblick auf die allgemein angestrebte Miniaturisierung derartiger
Vorrichtungen liegt es nahe, den Abstand der Befestigungsstellen so klein wie möglich
zu machen.
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Der Gesichtspunkt eines mechanisch stabilen Aufbaus weist in dieselbe
Richtung.
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Untersuchungen im Rahmen der Erfindung haben allerdings
ergeben,
daß bei den in Betracht zu ziehenden Abmessungen der Anordnung an den Befestigungsstellen
Knickkräfte auftreten können, die außerhalb des Dauerfestigkeitsbereiches liegende
Spannungen im Befestigungsmittel erzeugen, insbesondere dann, wenn die Herstellung
der Verbindungen zur Vermeidung unerwünscht großer Zugspannungen an der Glasfaser
bei vergleichsweise hoher Temperatur der Anordnung vorgenommen wird. Hierdurch können
sich Spannungen in der Glasfaser und im Verbindungsmittel aufbauen, die im Laufe
der Betriebsdauer Dejustierungen der Glasfaser hervorrufen und die mechanische Stabilität
des Aufbaus gefährden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung der eingangs genannten
Art derart auszubilden, daß die Glasfaser mit möglichst großer Zuverlässigkeit dauerhaft
fixiert ist.
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Gemäß der Erfindung wird die Anordnung zur Lösung dieser Aufgabe derart
ausgebildet, daß die Befestigung der Glasfaser an den Befestigungsstellen bei einer
Temperatur der Anordnung durchgeführt ist, die wenigstens annähernd gleich der vorgesehenen
maximalen Betriebstemperatur ist und daß der Abstand zweier einander benachbarter
Befestigungsstellen größer bemessen ist als die Länge, bei der die Glasfaser bei
der minimal zugelassenen Langzeittemperatur - ggf. an der weniger beanspruchten
Befestigungsstelle - auf das Befestigungsmittel eine Kraft ausübt, die innerhalb
des Dauerfestigkeitsbereiches des Befestigungsmittels liegt. Dabei ist unter Langzeittemperatur
eine Temperatur zu verstehen, die nicht nur kurzzeitig, sondern über einen längeren
Zeitraum, in dem Fließerscheinungen eines Material auftreten können, wirksam ist.
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Durch diese Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß an der Glasfaser
zugleich keine Zugkräfte als auch keine unzulässig großen Knickkräfte auftreten
können und somit bei
der Lagerung und/oder Verwendung keine bleibenden
Veränderungen der Befestigungsstellen auftreten, die die Zuverlässigkeit der Anordnung
beeinträchtigen können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden auf die Glasfaser einwirkende
Zugspannungen dadurch völlig eliminiert, daß die Temperatur, bei der die Befestigung
der Glasfaser an den beiden Befestigungsstellen vorgenommen ist, wenigstens gleich
der maximalen Betriebstemperatur ist.
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Besonders günstige Verhältnisse für eine hermetisch dichte Durchführung
der Glasfaser ergeben sich, wenn die hermetisch dichte Lötstelle nicht in der Gehäusewand
selbst angeordnet, sondern in das Innere des Gehäuses hineinverlegt ist. In Weiterbildung
der Erfindung wird auch in diesem Fall eine sichere und dauerhafte Fixierung der
Glasfaser dadurch erreicht, daß eine der beiden Befestigungsstellen eine Vorrichtung
zur Durchführung der Glasfaser durch eine Außenwand eines Gehäuses ist, bei der
die Befestigungsstelle nur so weit in den Innenraum hineinragt, daß der vorgegebene
Mindestabstand der beiden Befestigungsstellen eingehalten ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Anordnung derart
ausgebildet, daß der Abstand L der einand-er benachbarten Befestigungsstellen wenigstens
beträgt, wobei E der Elastizitätsmodul des Glasfaserwerkstoffes, I das Flächenträgheitsmoment
für den Glasfaserquerschnitt, d der Durchmesser der Glasfaser, rzul die maximal
zulässige Schubspannung in der Befestigungsstelle, die bei Langzeitbelastung ein
Kaltfließen des Befestigungsmittels ausschließt,
1 die Länge des
Glasfaserstückes, das vom Befestigungsmittel umschlossen ist, und wobeilDzul und
1 für die weniger beanspruchbare Befestigungsstelle gelten.
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Insbesondere beträgt der Abstand der einander benachbarten Befestigungsstellen
bei einer Glasfaser mit einem Durchmesser von 0,125 Millimeter und Lot als Befestigungsmittel
wenigstens sechs Millimeter. Zweckmäßigerweise beträgt der Abstand der einander
benachbarten Befestigungsstellen bei einer Glasfaser mit einem Durchmesser von 0,125
Millimeter und Lot als Befestigungsmittel höchstens etwa 10 Millimeter.
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Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 ein Lasermodul, bei dem eine Glasfaser an zwei Befestigungsstellen
10 und 22, insbesondere durch Löten, befestigt ist und Fig. 2 einen Glasfaserträger
des Lasermoduls nach Fig. 1.
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Fig. 1 zeigt ein Lasermodul für Einrichtungen der elektrooptischen
Nachrichtenübertragungstechnik. Das Lasermodul besitzt das Gehäuse 1, das sich mit
Hilfe des Deckels 13 hermetisch dicht verschließen läßt und das dann vorzugsweise
mit Gas gefüllt ist. Die als Lichtwellenleiter dienende Glasfaser 8 ist an die Laserdiode
9 optisch angekoppelt. Die Glasfaser 8 ist im Bereich zwischen der Seitenwand 11
und der Laserdiode 9 nicht mit einem Schutzrohr versehen. Sie verläuft von der Laserdiode
9 über die Befestigungsstelle 10 zum Durchführungselement 2, das in der Seitenwand
11 des Gehäuses 1 angebracht ist. An der Befestigungsstelle 10 ist die Glasfaser
8 mit dem Träger 12 durch Löten, Kleben, Klemmen fest verbunden.
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Das Durchführungselement 2 ist mit dem Flansch 24 in die
Seitenwand
11 eingesetzt. An den Flansch 24 schließt sich ein konusförmig zulaufender Hohlkörper
23 an, dessen Ende mit einer Öffnung 21 versehen ist. Der konusförmige und dünnwandige
Hohlkörper 33 ragt in den Innenraum des Gehäuses 1 hinein. Er hat einen hohen Wärmewiderstand.
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Die Glasfaser 8 ist an zwei Befestigungsstellen, nämlich an der der
Laserdiode 9 benachbarten Befestigungsstelle 10 und in der öffnung 21 fest gehaltert.
Die Glasfaser ist im Bereich der Öffnung 21 metallisiert und mit Hilfe einer Lötverbindung
an der Befestigungsstelle 22 befestigt und hermetisch dicht durchgeführt. Dabei
ergibt sich ein sehr kleiner Lötspalt mit einem besonders guten Wärmeübergang von
der Durchführung zu der Glasfaser 8.
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Außerdem besitzt die in den Innenraum des Gehäuses 1 hineinragende
Befestigungsstelle 22 eine gute Zugänglichkeit, was für die Herstellung der flußmittelfreien
Lötstelle vorteilhaft ist.
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An der Befestigungsstelle 10 ist die Glasfaser 8 in die in Fig. 2
gezeigte Nut 12a des Trägers 12 eingelegt und nach ihrer Fixierung in bezug auf
die Laserdiode 9 ebenfalls mit Hilfe von Lot auf dem Träger 12 befestigt. Anstelle
des Lotes kann gegebenenfalls ein Kleber bzw. eine Klemmvorrichtung Verwendung finden.
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Nach der Justierung und Befestigung am Träger 12 wird die Glasfaser
8 an den in den Innenraum des Gehäuses hineinragenden Konus bzw. Hohlkörper 23 des
als Gehäusedurchführung dienenden Durchführungselementes 2 mit Hilfe des Weichlotes
20 an der Befestigungsstelle 22 festgelötet. Dabei wird die Öffnung 21 hermetisch
abgedichtet.
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Für die Glasfaser 8 ergeben sich somit zwei Festpunkte bzw. Befestigungsstellen
10 und 22.
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Das Gehäuse besteht aus einem Metall, das einen möglichst kleinen
Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Trotzdem beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Gehäusematerials etwa das Zehnfache des Wärmeausdehnungskoeffizien ten der Glasfaser
8. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient der Glasfaser 8 wesentlich kleiner ist
als der des Gehäusematerials, insbesondere 0,5 . 10-6 1 würden sich bei Temperaturerhöhungen
des Gehäuses 1 Zugspannungen in der Glasfaser 8 ergeben. Gegenüber Zugspannungen
ist die Glasfaser jedoch sehr empfindlich. Deswegen wird die Lötung an der Öffnung
21 bei der später auftretenden maximalen Betriebstemperatur des Sendemoduls durchgeführt.
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Kühlt das Sendemodul daraufhin ab, dann wird die Glasfaser 8 auf Druck
beansprucht, und sie knickt aus.
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Für eine Glasfaser, bei der der Elastizitätsmodul 70 kN mm' die Länge
des vom Befestigungsmittel umflossenen Glasfaserstückes 1 = 2 mm, die maximal zulässige
Scherspannung in der Befestigungsstelle zul = 1,3 N/mm2, der Durchmesser der Glasfaser
d = 0,125 mm2 und das Flächenträgheitsmoment für den Glasfaserquerschnitt d4 d4
-6 mm4 64 11,98 betragen, ergibt sich eine minimale Länge L zwischen den Lötstellen
von 6 mm. Die Scherfestigkeit in Abhängigkeit von der Belastungsdauer für Weichlotverbindungen
geht aus H. Zürn und Th. Hesse: Beitrag zum Zeitstandverhalten von Lötverbindungen
aus Zinn-Weichloten bei Raumtemperatur, Sonderdruck aus Schweißen und Schneiden,
Heft 1/66 -Deutscher Verlag für Schweißtechnik GmbH, Düsseldorf, S. 2, Bild 4 hervor.
Bei dem Wert rZul= = 1,3 N ist ein zul mm2
Sicherheitszuschlag
insbesondere für einen Betrieb bei erhöhter Temperatur berücksichtigt.
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Damit die Knickkräfte nicht zu groß werden, besitzt das zwischen den
Befestigungsstellen 10 und 22 liegende Stück der Glasfaser 8 eine Mindestlänge von
etwa 8 mm. Die Knickkraft in der Glasfaser beträgt bei der vorgesehenen Mindestlänge
0,5 N. Dabei ist im vorliegenden Zusammenhang unter Knickkraft diejenige Kraft zu
verstehen, bei der das Ausknicken der Glasfaser 8 beginnt. Aus dieser Kraft resultieren
Schubspannungen in den Befestigungsstellen 10 und 22 von etwa 1N 2. Diese Schubspannung
I liegt im Dauerfestigkeitsbereich, so daß keine Fließerscheinungen des Lotes an
den Befestigungsstellen 10 und 22 auftreten können.
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Werden andere Befestigungsmittel verwendet, so kann die Länge der
Glasfaser 8 zwischen den Befestigungsstellen 10 und 22 und somit die auftretende
Knickkraft geändert und dem Dauerfestigkeitswert des geänderten Befestigungsmittels
angepaßt werden.
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Die Knickkraft nimmt mit zunehmender Länge der Glasfaser hyperbolisch
ab. Dabei hat sich gezeigt, daß oberhalb einer Glasfaserlänge von etwa 10 mm die
Anderung der Knickkraft im Verhältnis zur Änderung der Länge praktisch unbedeutend
ist.
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5 Patentansprüche 2 Figuren
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