DE3605659A1 - Ankoppeloptik fuer lichtwellenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ankoppeloptik gemäß dem Ober­ begriff der Ansprüche 1 oder 2 und ein Verfahren zur Her­ stellung derselben.

Eine derartige Ankoppeloptik ist durch die DE-PS 31 01 378 bekannt. Das freie Ende des an den Licht­ wellenleiter angespleißten transparenten Stabes gleichen Durchmessers ist zu einer halbkugelförmigen und damit sphärischen Linse verrundet. Über diese Linse wird die divergente Strahlung einer Laserdiode auf die Kernquer­ schnittsfläche des Lichtwellenleiters abgebildet.

Die Licht abstrahlende Fläche einer Laserdiode ist klein gegenüber der Kernquerschnittsfläche des Lichtwellen­ leiters und die Abstrahlung ist stark divergent. Die Intensitätsverteilung über dem Raumwinkel folgt nähe­ rungsweise einer Gaußfunktion (Gaußscher Strahl).

Sphärische Linsen haben den Nachteil, daß Lichtstrahlen, die achsenfern auf die Linse auftreffen, einen anderen Brennpunkt besitzen als achsennahe Strahlen (sphärische Aberration). Dieses führt bei Ankoppeloptiken der vorge­ nannten Art zu Abbildungsfehlern bei der Abbildung der Licht emittierenden Fläche der Laserdiode auf die Stirn­ fläche des Kerns des angespleißten Lichtwellenleiters.

Eine andere Art einer Ankoppeloptik stellen die soge­ nannten Taper dar, wie sie z. B. auf den Seiten 284 bis 288 des Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichts, Band 13 (1984), Nr. 6, Springer Verlag, Berlin, be­ schrieben ist. In diesem Fall bildet das verjüngte Ende des Lichtwellenleiters die Ankoppeloptik, dessen Stirn­ fläche zu einer sphärischen Linse verschmolzen ist. Der im gleichen Maß wie der Mantel verjüngte Kern des Licht­ wellenleiters reicht bis vor zur Linse, deren wirksamer Durchmesser wesentlich größer ist als der Kerndurchmesser an dieser Stelle. In diesem Fall wirkt sich der Abbil­ dungsfehler der sphärischen Linse nicht so gravierend aus. Dagegen verursachen die Reflexionsverluste, die am Übergang zwischen Mantel- und Kernmaterial auftreten, eine Verringerung des Einkoppelwirkungsgrades.

Zum Vermeiden von Abbildungsfehlern ist es durch die DE-OS 34 07 413 bekannt, das freie Ende einer stabförmi­ gen Ankoppeloptik als asphärische Linse auszubilden. Der transparente, zylindrische Stab hat einen mehrfach größe­ ren Durchmesser als der Lichtwellenleiter, während die Linse in Form einer Kugel einen größeren Durchmesser als der Stab hat. Die Linse erhält die asphärische Form durch das Aufbringen und Verschmelzen einer geringen Glasmenge mit dem kugelförmigen Linsenkörper. Es hat sich gezeigt, daß ein übergangsfreies Verschmelzen zur asphärischen Linse nicht mit ausreichender Sicherheit gewährleistet ist. Bei großem Linsendurchmesser treten bei derart her­ gestellten Linsen Linsenfehler auf, die zu einer Ver­ ringerung des Einkoppelwirkungsgrades führen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine An­ koppeloptik zu schaffen, die aus einem an das Ende eines Lichtwellenleiters angespleißten transparenten, zylin­ drischen Stab mit frontseitiger Linse besteht, die eine optimale Einkopplung der Lichtleistung von Laserdioden mit typischer Abstrahlcharakteristik gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 oder 2 ange­ gebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche zeigen vor­ teilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes und ein Verfahren zur Herstellung einer Ankoppeloptik auf.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß die asphärische Linse nach dem Her­ stellungsverfahren optimal ausgebildet werden kann, daß durch eine Verringerung des Stabdurchmessers die Linse in ihrer Größe optimiert und gleichzeitig der Linsenfehler reduziert werden kann, daß durch die Zusammensetzung des Stabes aus Materialien unterschiedlicher Brechzahl einer­ seits der Akzeptanzwinkel der Linse vergrößert und damit der Einkoppelwirkungsgrad erhöht wird und andererseits verhindert wird, daß Reflexionen auf die Laserdiode zu­ rückwirken und daß durch das Vergüten der Linsenober­ fläche der Einkoppelwirkungsgrad weiter erhöht und die Reflexion entsprechend verringert wird.

Anhand von drei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen nachfolgend näher er­ läutert. Es zeigt:

Fig. 1 das Strahlungsdiagramm einer handelsüblichen Laserdiode,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer an das Ende eines Lichtwellenleiters angespleißten Ankoppeloptik gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer an das Ende eines Lichtwellenleiters angespleißten Ankoppeloptik gemäß der Erfindung,

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer an das Ende eines Lichtwellenleiters angespleißten Ankoppeloptik gemäß der Erfindung.

Fig. 5 und 6 zwei schematische Darstellungen aus dem Ver­ fahrensablauf zur Herstellung einer Ankoppel­ optik gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt den typischen Intensitätsverlauf der abge­ strahlten Lichtleistung in Prozent einer Halbleiter- Laserdiode über den Abstrahlwinkel α. Bei den nach­ folgend beschriebenen Ausführungsbeispielen von An­ koppeloptiken wird von der Verwendung derartiger Sender­ lichtquellen ausgegangen.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer an einen Lichtwellenleiter 15 angespleißten Ankoppeloptik 21 in vergrößerter, schematischer Darstellung. Die Ankoppel­ optik 21 besteht aus einem transparenten, zylindrischen Stab 22, dessen freies Ende als asphärische Linse 23 aus­ gebildet ist. Der Stab 22 hat den gleichen Durchmesser wie der Lichtwellenleiter 15, mit dem er konzentrisch verspleißt ist (Ebene 18). Der Stab 22 besteht aus einem Material, dessen Brechzahl gleich oder annähernd gleich der des Lichtwellenleiterkerns 17 ist. Die asphärische Krümmung der Linse 23 ist unter Berücksichtigung der Brechzahl des Stabmaterials so gewählt, daß die von einer Laserdiode 10 abgestrahlte Lichtleistung im Bereich des Abstrahlwinkels α₁, z.B. ± 30 Grad, eingekoppelt und exakt auf der Stirnfläche des Kerns 17 in der Spleiß­ ebene 18 abgebildet wird. Randstrahlen 11 lassen den wirksamen Bereich der Linse 23 erkennen. Nur in diesem Teil muß die Linse die vorgeschriebene asphärische Krüm­ mung haben. Dieser Teil ist gegenüber dem Durchmesser des Stabes 22 klein. Linsen dieser Größe lassen sich nach dem noch zu beschreibenden Herstellungsverfahren recht genau ausführen. Aufgrund des geringen Durchmessers des wirk­ samen Linsenbereichs kann die Asphäre mit kleinen Tole­ ranzen hergestellt werden. Dadurch ergeben sich nur ge­ ringe Linsenfehler und ein höherer Einkoppelwirkungs­ grad. Die Maßgabe, ein Stabmaterial mit gleicher Brech­ zahl wie das Kernmaterial des Lichtwellenleiters 15 vor­ zusehen, hat den Vorteil, daß die Einkoppelung der auf die Stirnfläche des Kerns 17 projizierten Lichtleistung reflexionsfrei erfolgt.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer an einen Lichtwellenleiter 15 angespleißten Ankoppeloptik 31 in vergrößerter, schematischer Darstellung. Diese Ankoppel­ optik 31 unterscheidet sich gegenüber der Ausführung ge­ mäß Fig. 1 nur darin, daß ein transparenter, zylindri­ scher Stab 32 vorgesehen ist, dessen Durchmesser kleiner ist als der des Lichtwellenleiters 15. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die asphärische Linse 33 und damit der wirksame Linsenbereich entsprechend kleiner ist und damit genauer und fehlerfreier herzustellen ist. Entsprechend der Verringerung des Stabdurchmessers ändern sich auch alle übrigen Abmessungen der Ankoppeloptik 31, ein­ schließlich des Abstandes zur Laserdiode 10, ohne daß sich an dem zu Fig. 1 beschriebenen Einkoppelvorgang et­ was ändert.

Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform einer am einen Lichtwellenleiter 15 angespleißten Ankoppeloptik 41 in vergrößerter, schematischer Darstellung. Diese Ankoppel­ optik unterscheidet sich gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 1 darin, daß der transparente, zylindrische Stab aus zwei Teilen 42 und 43 zusammengesetzt ist. Der Teil 43 besteht aus einem Material mit hoher Brechzahl, während der Teil 42 aus einem Material besteht, dessen Brechzahl der des Lichtwellenleiterkerns 17 entspricht. Die hohe Brechzahl des vorderen Stabteils 43 gestattet bei einem entsprechend flachen Kurvenverlauf der asphärischen Linse 44 die Einkopplung der von der Laserdiode 10 abgestrahlten Lichtleistung im Bereich des Abstrahlwinkels α₂. Dieser ist größer als der Abstrahlwinkel α₁ der Fig. 2 und 3 und entsprechend der Abstrahlcharakteristik der Laserdiode 10 auch der Einkoppelwirkungsgrad.

Bekannterweise treten an Grenzflächen optisch trans­ parenter Materialien Reflexionen auf, wenn die Brechzahlen der Materialien unterschiedlich sind. Würde im vorliegen­ de Fall der transparente, zylindrische Stab nur aus einem Material mit hoher Brechzahl bestehen, so würde die Grenzfläche mit der Spleißebene 18 zusammenfallen. Re­ flexionen, die an dieser Ebene 18 auftreten, würden un­ mittelbar auf die Laserdiode 10 zurückwirken. Dieses kann zu Leistungsschwankungen der Lichtquelle und zu Ände­ rungen des Wellenspektrums führen. Durch die vorbeschrie­ bene Zweiteilung des Stabes 42/43 befindet sich die Grenzfläche 45 gemäß dem dargestellten Beispiel etwa in der Mitte des Stabes 42/43. Die an dieser Grenzfläche 45 auftretende Reflexionsstrahlung 11 a bleibt ohne Einfluß auf die Laserdiode 10.

Bei allen drei vorbeschriebenen Ausführungsformen können die an der Linsenfront auftretenden Reflexionen durch eine Vergütung der Linsenoberfläche um den Faktor zehn verringert werden.

Anhand der schematischen Darstellungen der Fig. 5 und 6 wird nachfolgend das Verfahren zur Herstellung der vor­ beschriebenen Ankoppeloptiken am Beispiel der Fig. 2 be­ schrieben.

Vorbereitend ist am Ende des Lichtwellenleiters 15 ein transparentes, zylindrisches Materialstück 20, z.B. aus Quarzglas, in bekannter Weise angespleißt (Ebene 18). Der Lichtleiter 15 ist oberhalb des Materialstücks 20 in nicht dargestellter Weise feststehend vertikal einge­ spannt, während das andere Ende 25 des Materialstücks 20 mit einer Ziehvorrichtung verbunden ist (ebenfalls nicht dargestellt). Quer zum Materialstück 20 sind Elektroden 50 einer Lichtbogenstrecke angeordnet. Die Elektroden sind in Längsrichtung des Materialstücks 20 verstellbar. Sie sind nach empirisch ermittelten Werten zu Beginn des Herstellungsprozesses in einer derartigen Entfernung von der Spleißstelle 18 angeordnet, daß nach Fertigstellen der Linse 23 die vorgegebene Länge der Ankoppeloptik 21 eingehalten ist. Im Bereich des aus Übersichtlichkeits­ gründen nicht dargestellten Lichtbogens zwischen den beiden Elektroden 50 wird das Materialstück 20 unter der Wärmeeinwirkung weich. Gleichzeitig wird am Ende 25 des Materialstücks 20 gezogen. Letzteres schnürt sich dabei im Lichtbogenbereich doppelkegelförmig ein, wie Fig. 5 zeigt. Durch geeignete Bemessung der Lichtbogentempe­ ratur, der zeitlichen Einwirkung und der Ziehgeschwindig­ keit am Ende 25 des Materialstücks 20 erhält der Kegel 23′ am Ende des Stabes 22 eine vorbestimmte Form. An­ schließend wird das Materialstück 20 an der dünnsten Stelle der Einschnürung durchtrennt, das Ende 25 wegge­ zogen oder entfernt und die beiden Elektroden 50 auf die Übergangsstelle zwischen dem Stab 22 und dem Kegel 23′ verschoben, wie Fig. 6 es zeigt. Durch die geeignete Wahl der Temperatur und der richtigen Bemessung des Licht­ bogens bildet sich aufgrund der Oberflächenspannung des fließfähigen Stabmaterials die asphärische Linse 23 (Fig. 2) in der vorgesehenen Form. Durch rückwärtiges Ein­ speisen von Licht in den Lichtwellenleiter 15 kann die Linse 23 bzw. die Ankoppeloptik 21 in an sich bekannter Weise über das aus der Linse austretende Licht während des Herstellungsprozesses geprüft werden.

Die beschriebenen Ankoppeloptiken eignen sich nicht nur für Lichtwellenleiter des beispielsweise verwendeten Ein­ moden-Typs, sondern auch für Mehrmodenfasern. Es ist lediglich erforderlich, die Linsenform an die jeweilige Faserart anzupassen.

Claims (6)

1. Ankoppeloptik für Lichtwellenleiter, bestehend aus einem an den Lichtwellenleiter koaxial angespleißten transparenten, zylindrischen Stab gleichen Durchmessers, dessen freies Ende als Linse ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (23, 43) asphärisch ist.

2. Ankoppeloptik für Lichtenwellenleiter, bestehend aus einem an den Lichtwellenleiter koaxial angespleißten transparenten, zylindrischen Stab, dessen freies Ende als Linse ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Stabes (32) kleiner als der Durchmesser des Lichtwellenleiters (15) ist und daß die Linse (33) asphärisch ist.

3. Ankoppeloptik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der wirksame Durchmesser der Linse (23, 33, 43) kleiner als der Durchmesser des Stabes (22, 32, 42) ist.

4. Ankoppeloptik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stab am freien Ende aus einem Material mit hoher Brechzahl (Teil 43) und am anderen Ende aus einem anderen Material (Teil 42) besteht, dessen Brech­ zahl annähernd oder gleich der des Kernmaterials des Lichtwellenleiters (15) ist.

5. Ankoppeloptik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Linse (23, 33, 43) ober­ flächenvergütet ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Ankoppeloptik nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an das Ende des Lichtwellenleiters (15) ein transparentes, zylindrisches Materialstück (20) angespleißt wird, daß dieses Ende des Lichtwellenleiters (15) feststehend ein­ gespannt wird, daß das Materialstück (20) an einer vor­ bestimmten Stelle durch eine Wärmequelle (Elektroden 50) bis zur Erweichung erwärmt wird, daß gleichzeitig am ent­ gegengesetzten Ende des Materialstückes (20) gezogen wird, wodurch sich das Materialstück (20) an der er­ wärmten Stelle doppelkegelförmig verjüngt, daß bei geeig­ neter Konizität des feststehenden Teils des Material­ stückes (Kegel 23′) das andere Ende (25) des Material­ stückes (20) an der dünnsten Stelle abgetrennt wird, daß gleichzeitig die Wärmequelle (Elektroden 50) relativ zum feststehenden Teil des Materialstückes (Stab 22) auf die Übergangsstelle zwischen dem zylindrischen und dem kegel­ förmigen Bereich verschoben wird und daß anschließend durch ein Erwärmen dieses Bereiches das Ende des fest­ stehenden Materialstücks (Kegel 23′) zu einer asphäri­ schen Linse (23) ausgebildet wird.