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Unser Zeichen
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Verfahren zur Herstellung eines optischen Sternkopplers Die vorliegende
Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ein Verfahren zur
Herstellung eines optischen Sternkopplers mit einem als Wellenleiter ausgebildeten
Koppelbereich.
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In der optischen Nachrichtentechnik werden zum leistungsmäßigen Verteilen
optischer Signale Koppler benötigt, die das zugeführte Licht auf mehrere Fasern
verteilen.
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Dabei kann das Licht dem Koppler durch eine oder mehrere Fasern oder
von einer Lichtquelle selbst zugeführt sein.
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Derartige Koppler, die unter dem Namen Sternkoppler bekannt sind,
sollen möglichst modenunabhängig arbeiten und die Leistung, wenn verlangt, möglichst
gleichmäßig und verlustarm verteilen.
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Die bisher bekannten Sternkoppler lassen sich in zwei Gruppen unterteilen:
a) Taper-Koppler, wie sie beispielsweise in B.S. Kawasaki, K.O. Hill: Appl. Opt.
16 (1977) S. 1794 beschrieben sind, und b) Wellenleiter-Koppier, wie sie beispielsweise
aus der DE-OS 29 15 114 (=VPA 79 P 7051 BRD) und K. Kaede, R. Ishikawa: A Ten-Port
Graded-Index Waveguide Star Coupler Fabricated by Dry Ion Diffusion Process, 9th
ECOC, Genf 23.-26. Okt. 1983, bekannt sind.
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Bei einem Taper-Koppler gemäß a) sind die Fasern in innigem mechanischem
Kontakt und in der eigentlichen Koppelzone getapert, so daß das in einer Faser geführte
Licht dort diese Faser verlassen kann. Die so hergestellten Koppler arbeiten modenabhängig,
und man erzielt nur schwer reduzierbare Ergebnisse.
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Bei einem Wellenleiterkoppler gemäß b) ist der eigentliche Koppelbereich
als Wellenleiter ausgebildet, in dem das Licht räumlich auffächert oder verteilt
wird. Diese Wellenleiter können durch ein vorgefertigtes Plättchen hergestellt werden,
das von einem geeigneten Material als Mantel umgeben ist (siehe DE-OS 29 15 114).
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Sie können auch durch Ionen-Diffusions-Prozesse erzeugt werden, wobei
zwei an der Oberfläceh befindliche Wellenleiter mit rechteckigem Profil aufeinandergelegt
werden und so einen vergrabenen Wellenleiter bilden (siehe 9th ECOC, Genf, 23.-26.
Okt. 1983).
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Bei den herkömmlichen Wellenleiter-Sternkopplern sind die einzelnen
Fasern an den Wellenleiter stoßgekoppelt, wodurch es viele kritische Klebestellen
gibt. Der Herstellungsprozeß verlangt viele Einzelschritte.
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Es ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Wellenleitern bekannt,
bei dem Vertiefungen erzeugt und mit wellenleitendem Material aufgefüllt werden
(siehe R.
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Ulrich et al: Embossed Optical Waveguides, Appl. Phys.
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Lett., Vol. 20, No.6, 15. März 1972, S. 213-215 und J.T. Boyd, S.
Siram: Optical coupling from fibers to channel waveguide formed on silica, Appl.
Opt., Vol. 17, No. 6, S. 895-898).
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Hier werden die Vertiefungen entweder durch Druck eines Stempels,
beispielsweise einer Faser, auf thermoplasti-
sches Material oder
durch Vorzugsätzen in Silizium erzeugt und anschließend mit Poly-Cyklohexyl-Metacrylat
aufgefüllt. Es werden hohe Absorptionsdämpfungen von 2 bis 4 dB/cm bei einer Wellenlänge
= 0,633 pm mitgeteilt. Problematisch ist es, die Dicke des füllenden wellenleitenden
Materials dem Faserdurchmesser anzupassen. Weiterhin ist es schwierig, Blasen- und
Rißfreiheit im Wellenleiter zu erzielen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
eines optischen Sternkopplers der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem
die als Wellenleiter ausgebildeten Koppelbereiche reproduzierbar und in weiten Grenzen
beliebig geformt und störstellenfrei hergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 dadurch gelöst, daß der als Wellenleiter ausgebildete Koppelbereich mittels einer
gasfreien, transparenten Spritzmasse formgespritzt wird oder aus einem massiven
Stück aus transparentem Material geformt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich gezielt so führen, daß Blasen-
und Rißfreiheit der das wellenleitende Material des Koppelbereichs bildenden Spritzmasse
gewährleistet ist. Die Spritzhohlformen sind wiederverwendbar und/oder können jeweils
an die zu koppelnde Faserzahl angepaßt werden. Dadurch, daß die als Wellenleiter
ausgebildeten Koppelbereiche, die auch als wellenführende Mischer bezeichnet werden
können, reproduzierbar und in weiten Grenzen beliebig geformt werden können, lassen
sich von einer oder einigen wenigen Fasern bis hinauf zu praktisch beliebig vielen
Fasern koppeln.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsge mäßen Verfahrens
wird nach Anspruch 2 so vorgegangen, daß der Spritzvorgang, der mit einer Spritzhohlform
erfolgt, die an zumindest einem Ende eine Öffnung aufweist, in die Endabschnitte
von zu koppelnden Fasern eingesteckt sind, die nach dem Füllen der Spritzhohlform
mit der Spritzmasse und nach deren Aushärtung in der den Koppelbereich bildenden
gehärteten Spritzmasse eingebettet sind. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß die
gekoppelten Fasern, beispielsweise Faserbündel oder -zeilen, mit dem als Wellenleiter
ausgebildeten Koppelbereich eine Einheit bilden. Dabei ist ein besonderer Vorteil
noch darin zu sehen, daß Bruchqualität der Faserstirnflächen ausreicht, um keine
nicht geführten Wellen beim Ubergang von den Fasern in den Koppelbereich zu erzeugen,
weil die Fasern, in der das wellenleitende Material des Koppelbereichs bildenden
ausgehärteten Spritzmasse eingebettet sind.
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Zweckmäßig bei dem Verfahren nach Anspruch 2 ist es, gemäß Anspruch
3 so vorzugehen, daß die Spritzmasse durch eine außerhalb des den Koppelbereich
formenden Hohlraums der Spritzhohlform liegende Einspritzöffnung in die Hohlform
eingespritzt.
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Bevorzugterweise wird dabei gemäß Anspruch 4 so vorgegangen, daß die
Spritzmasse durch eine nahe bei einer endseitigen Öffnung zum Einstecken der Faser
im Bereich der eingesteckten Endabschnitte dieser Fasern angeordnete Einspritzöffnung
eingespritzt wird.
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Bevorzugterweise wird im Hinblick auf eine zu erzielende Blasen- und
Rißfreiheit der ausgehärteten Spritzmasse das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch
5 so durchgeführt, daß die Spritzhohlform während des Spritzvorganges so angeordnet
wird, daß die Einspritzöffnung
tief liegt, so daß sich die Spritzhohlform
zumindest im wesentlichen von unten nach oben mit Spritzmasse füllt.
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Weitere besondere und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens, die insbesondere die Herstellung rotationssymetrischer Sternkoppler
und planarer Sternkoppler betreffen, gehen aus den weiteren Unteransprüchen hervor.
Die Ansprüche 17 und 18 betreffen dabei Verfahren, bei denen der Koppelbereich aus
einem massiven Stück geformt wird.
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Die Erfindung wird am Beispiel der Herstellung eines rotationssymetrischen
Sternkopplers und der Herstellung eines planaren Sternkopplers in der folgenden
Beschreibung und anhand der Figuren näher erläutert. Von den Figuren zeigen: Fig
1 einen Längsschnitt durch eine beidseitig offene Spritzhohlform mit den Koppelbereich
formen dem konischem Hohlraum, in dessen endseitige Öffnungen Endabschnitte von
Fasern eingesteckt sind; und Fig. 2 einen Querschnitt durch eine kompliziertere
Spritzhohlform zu Herstellung eines Sternkopplers mit planarem Koppelbereich.
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In der Fig. 1 bildet die Spritzhohlform 1 ein Drehteil, und der den
Koppelbereich 11' formende Hohlraum 11 ist rotationsymmetrisch und konisch bzw.getapert
ausgebildet. Die Hohlform 1 ist an beiden Enden offen und durch beide Öffnungen
12 und 13 sind die Endabschnitte von gebündelten Fasern 2 bzw. 3 eingesteckt. Das
in die engere linke Öffnung 12 ragende Faserbündel 2 enthält eine geringere Anzahl
von Fasern als das in die weitere Öffnung 13 ragende Faserbündel 3. Wenn das Faserbündel
2
beispielsweise n Fasern enthält und das Faserbündel 3 m n-Fasern,
dann entsteht aus der Anordnung nach Fig. 1 ein Sternkoppler zum Koppeln von n auf
m-Fasern.
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Anstelle von Fasern könnte auf einer Seite, beispielsweise der linken
Seite mit der Öffnung 12 auch eine Lichtquelle, beispielsweise eine lichtemittierende
Diode (LED) oder Laserdiode (LD) angeordnet sein, wenn man das Licht dieser Quelle
auf mehrere Fasern aufteilen möchte.
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Der Hohlraum 11 kann auch anders geformt sein. Er kann auch ein Zylinder
konstanten Querschnitts sein. Er muß auch nicht unbedingt in einem geraden Stück
auslaufen.
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Einen Sternkoppler, der von einer Anzahl von Fasern auf die gleiche
Anzahl von Fasern koppelt, kann man auch dadurch herstellen, daß man zwei konische
bzw. taperförmige Koppelbereiche 11' mit einem faserfreien Ende an der Stelle des
geringsten Querschnitts verkoppelt. Wegen der verstärkten Vermischung durch die
Taperform hat ein derartiger Sternkoppler im allgemeinen eine geringere Länge als
der entsprechende Sternkoppler, dessen Koppelbereich konstanten Querschnitt aufweist.
Die Vorform nach Fig.1 stellt man aus einem Material her, von dem sich die ausgehärtete
Spritzmasse trennen läßt. Polytetrafluoräthylen (Teflon) ist beispielsweise ein
geeignetes Material für die Spritzhohlform.
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Die Einspritzöffnung 14 zum Einspritzen der Spritzmasse ist am linken
Ende der Spritzhohlform 1 außerhalb des den Koppelbereich 11' formenden konischen
Hohlraums 11 im Bereich des Faserbündels 2 angeordnet. Die Einspritzöffnung 14 ist
durch ein Loch in der Umfangswand der Spritzhohlform 1 definiert, durch das die
Spritzkanüle eingeführt wird. Damit sich die durch die Einspritzöffnung 14 eingespritzte
Spritzmasse in der Fig. 1 nur nach rechts
in den Hohlraum 11 ausbreitet,
ist die linke Öffnung 12, durch welches das Faserbündel 2 in die Spritzhohlform
1 ragt, bzw. dieses Faserbündel selbst an seinem Ende versiegelt.
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urch die Einspritzöffnung 14 eintretende Spitzmasse füllt den Hohlraum
11 auf und gelangt in ausreichender Menge in den Bereich des anderen Faserbündels
3. Um Blasenfreiheit zu gewährleisten, wird die Spritzhohlform während des Spritzvorganges
aufrecht gestellt, d. h.
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so, daß ihre Längsachse 15 vertikal oder annähernd vertikal verläuft
und die Einspritzöffnung 14 unten liegen, so daß die Spritzmasse wird von unten
eingespritzt, d.h. die Einspritzöffnung 14 liegt in dieser Stellung tief.
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In einem Ausführungsbeispiel wurde entgastes Epoxydharz, mit Amin
gehärtet, verwendet. Das in die Spritzhohlform 1 eingefüllte Harz wurde von unten
auf etwa 80-100 0C erwärmt. Dadurch härtet die Spitzmasse unten früher als oben.
Eine eventuelle Volumenschrumpfung während der Aushärtung wird über die Schwerkraft
durch die von oben her lastende Masse ausgeglichen. Durch ein abschließendes Tempern
im Ofen bei etwa 100 0C wurde ein vollständiges Aushärten der Spritzmasse erreicht.
Zum Schluß wurde der blasen- und rißfreie Koppelbereich des auf diese Weise hergestellten
Sternkopplers aus der Spritzhohlform 1 genommen.
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In dem als Wellenleiter ausgebildeten Koppelbereich sollten die Fasern
möglichst bündig ausgerichtet sein. Dazu steckt man grundsätzlich die Fasern in
eine eventuell konisch zulaufende Hülse, die auch ein Schrumpfschlauch sein kann,
deren wellenleiterseitiger Durchmesser gleich dem des kleinsten Durchmessers des
Hohlraums in der Spritzhohlform ist. Man läßt das Faserbündel etwas über das Hülsenende
überstehen, damit es in den Hohlraum ein-
führt werden kann. Es
besteht die Möglichkeit, die Faserstirnflächen erst in der Hülsenfassung zu bearbeiten.
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Anstelle der aus dem Drehteil ausgebildeten Spritzhohlform 1 kann
auch eine getaperte oder ungetaperte Glaskapillare mit geeignetem Brechungsindex
verwendet werden.
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Das Einführen der Faserbündel und die Spritztechnik können wie oben
beschrieben erfolgen. Das Rohr dient jetzt als Mantel des Koppelbereichs oder Mischers.
Im Falle eines getaperten Mischers ist zu beachten, daß durch den geringeren Brechungsindex-Sprung
zwischen der füllenden Spritzmasse und dem Rohr, im Gegensatz zu dem oben be-schriebenen
Fall, bei dem die Spritzhohlform 1 entfernt wird und die den Koppelbereich bildende
ausgehärtete Spritzmasse in Form des Hohlraums 11 direkt an Luft grenzt, die Lichtstrahlen
unter weniger steilen Winkeln auf die Innenwandung des Rohres auffallen müssen,
um noch geführt zu werden. Andererseits ist das Kernmaterial des Wellenleiters in
dem Falle, daß das Rohr die Spritzform ist, optisch besser geschützt. Zwar ist das
Rohr natürlich nur einmal verwendbar, man hat jedoch nicht die zusätzliche Aufgabe,
die gehärtete Spritzmasse von der Spritzform zu trennen, was im Falle eines Wellenleiters
konstanten Querschnitts schwieriger ist, als bei einem getaperten Wellenleiter.
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Die oben beschriebenen rotationssymmetrischen Sternkoppler sind für
eine große Zahl von Fasern, in der Größenordnung von 100, geeignet. Das liegt darin,
daß die Faserstirnfläche klein gegenüber der Querschnittsfläche am Ende des als
Wellenleiter ausgebildeten Koppelbereichs des Sternkopplers ist. Vielfach möchte
man aber die Leistung von einer Lichtquelle auf nur wenige bzw.
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von nur wenigen - Größenordnung 10 - auf wenige Fasern aufteilen.
In diesem Fall bietet sich ein planarer Wellenteil an.
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Dazu kann man auch den Querschnitt der Spritzform mit beliebigem Seitenverhältnis
rechteckig ausbilden, und so beispielsweise einen Wellenleiter erhalten, dessen
Höhe der Dicke der Faserlagen angepaßt ist. Um wiederum die Spritztechnik zu verwenden,
muß die Spritzhohlform allseitig geschlossen sein.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Spritzhohlform 1' zur Herstellung
eines Sternkopplers mit einem Koppelbereich in Form eines planaren Wellenleiters
ist in der Fig. 2 im Querschnitt dargestellt. Diese Spritzhohlform 1' kann einfach
wie folgt hergestellt werden: Man fixiert das Glasplättchen oder den Glasblock 21,
auf den man den Glasblock 22 legt. Dann wird der Block 23 an den Block 21 gelegt
und der Block 24 aus Deckel an die Blöcke 22 und 23 positioniert. Der so zwischen
den Blöcken 21 bis 24 entstandene flach quaderförmige Hohlraum 25 wird in der Breite
b etwas größer als die Summe der Faserdurchmesser einer Faserzeile und in der Höhe
h etwas größer als die Ausdehnung der übereinander geschichteten Faserlagen gewählt.
Bei nur einer Faserlage wählt man die Höhe h zweckmäßigerweise zwischen einem und
zwei Faserdurchmessern.
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Der Hohlraum 25 ist an den stirnseitigen Enden, die über und unter
der Zeichenebene der Figur 2 liegen, jeweils offen. In diesen offenen Enden positioniert
man die Faserzeilen bündig ausgerichtet.
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Über die sechs in den Trägerkörper 20 eingeschraubten Schrauben 61
bis 66 kann der Hohlraum 25 in der Breite b der jeweiligen Summe der Faserdurchmesser
und in der Höhe h der Dicke der übereinandergeschichteten Faserlagen angepaßt werden.
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Über einen mit der Einspritzöffnung 27 verbundenen Kanal
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..1 26 im Block 21 wird wieder außerhalb des Hohlraums 25 im Bereich einer Faserzeile
Spritzmasse zuwelche den Hohlraum 25 wie oben beschrieben, ausfüllt.
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Zur großflächigen Druckübertragung wirken die Schrauben 61 bis 66
zweckmäßigerweise über eine nicht dargestellte Platte auf die Blöcke.
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Die Blöcke 21 bis 24 lassen sich aus käuflichen Glasplatten mit einer
Qualität von Flammenpolitur herausschneiden, wobei nur noch die Schnittkanten nachpoliert
werden müssen.
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Die Fasern mit Bruchqualität auf ihren Stirnflächen können beispielsweise
leicht in den Hohlraum 25 gelegt werden und über einen im Hohlraum 25 vorübergehend
befindlichen Anschlag bündig ausgerichtet und fixiert werden.
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Der große Vorteil der hier beschriebenen Technologie zur Herstellung
eines planaren Mischers mit integrierten Faserzeilen gegenüber einer Ausführung
mit vorgefertigtem Mischer-Plättchen und getrennten Faserzeilen-Einheiten ist folgender:
Es entfällt die Herstellung des Mischerplättchens. Es müssen nicht je nach Zahl
und schwankenden Dimensionen der Fasern individuelle Plättchen-Ereiten, -Höhen,
-Längen hergestellt werden. Über die Schrauben 61 bis 66 kann jede Hohlraumdimension
festgelegt werden. Bei der Methode über ein vorgefertigtes Mischerplättchen'wird
die Herstellung des Plättchens für weniger als 10 Fasern praktisch undurchführbar.
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Es wurden auf vorstehende Weise drei Muster mit je 5x5 Fasern hergestellt
und vermessen. In allen Fällen war der als Wellenleiter ausgebildete Koppelbereich
blasen- und
rißfrei. Der mittlere Durchgangsverlust von irgendeiner
Eingangsfaser auf irgendeine Ausgangsfaser betrug 15 dB mit weniger als + 1 dB Schwankung.
Der Gesamtdurchmesser der Faser betrug 140 ,zum, der Kerndurchmesser 100 um.
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Durch Verkleinerung des Manteldurchmessers auf 110 um werden die Verluste
um 2 dB verringert. Möglicherweise werden die Durchgangsverluste durch eine bessere
Qualität der Kanten der Blöcke 21 bis 24 noch verbessert.
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Ein Sternkoppler mit einem als Wellenleiter ausgebildeten Koppelbereich
läßt sich auch aus einem Massiv-Material, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff,
herstellen.
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Statt ein Rohr mit Material aufzufüllen, kann man auch ein Massiv-Stück
zu einem geeigneten Wellenleiter formen.
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Es können so beispielsweise einfach durch Abdrehen oder durch Auseinanderziehen
aufgeweichten Materials getaperte Stab-Mischer entstehen. Der Vorteil dieser Methode
ist, daß man als Material sehr absorptionsarme Materialien, beispielsweise Glas,
verwenden kann. Allerdings kann man die Fasern nicht direkt in das Wellenleitermaterial
einbetten.
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Auf derartige Weise wurde ein taperförmiger Wellenleiter mit rundem
Querschnitt durch Abdrehen und Polieren hergestellt. Die Durchmesser an den beiden
Enden betrugen 0,2 mm bzw. 3 mm. Die Länge des taperförmigen Wellenleiters betrug
25 mm. Am Anfang des Wellenleiters koppelt die eine LED mit einem Winkelspektrum
von etwa + 600.
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Durch die winkeltransformierende Eigenschaft des taperförmigen Wellenleiters
betrug am Ausgang des Wellenleiters das Winkelspektrum der austretenden Strahlung
nur noch + 8,5° und entsprach damit dem geführten Spektrum der Fasern. Die Austrittsfläche
des taperförmigen Wellenleiters wurde mit einer 300 m langen Faser abge-
tastet.
Daraus ergab sich eine Schwankung der Strahlung über der Austrittsfläche von +0,7
dB. Die Gesamtstrahlung aus der Austrittsfläche des taperförmigen Wellenleiters
lag nur um 1,8 dB unter der Gesamtstrahlung der LED.
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18 Patentansprüche 2 Figuren