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Die vorliegende Erfindung betrifft Koppeleinrichtungen
mit einem optoelektronischen Element in Form eines Chips aus
Halbleitermaterial, das in einem Gehäuse montiert und optisch
mit einem Ende einer die Wand des Gehäuses durchquerenden
Lichtfaser verbunden ist.
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Die optische Kopplung zwischen dem optoelektronischen
Element und dem Ende der Lichtfaser erfordert eine sehr genaue
Positionierung des Endes der Lichtfaser relativ zum
Halbleiterchip des optoelektronischen Elementes, wobei ein Abstand in
der Größenordnung von 1 um einen Kopplungsverlust verursachen
kann, der im Falle einer Monomodefaser über 3 dB liegen kann.
Weiter muß die einmal erzielte Einstellung von den im Inneren
des Gehäuses befindlichen Befestigungsmitteln des Elementes
und des Endes der Lichtfaser eingehalten und beibehalten
werden.
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Allgemein beginnt man zunächst mit der Befestigung des
zuvor auf einem Sockel angeordneten Halbleiterchips des
optoelektronischen Elementes auf dem Boden des Gehäuses und
justiert dann die Einstellung des Endes des Lichtfaserendes
relativ zum Halbleiterchip durch Benutzung eines
Mikromanipulators, wobei man sich durch die Leistungsänderungen der
erzielten optischen Kopplung leiten läßt.
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Im Anschluß daran erfolgt die Befestigung des
Faserendes. Es handelt um eine heikle Operation, da ihre Durchführung
möglichst geringe Änderungen der Einstellung des Endes der
Faser relativ zum Halbleiterchip des optoelektronischen
Elementes verursachen darf. Eine Möglichkeit, die in der unter
der Nummer 85 07793 registrierten französischen
Patentanmeldung beschrieben ist, besteht darin, das Faserende zunächst an
einem ersten Punkt, hinterer Fixpunkt genannt, zu befestigen,
der sich in der Nähe des dem Halbleiterchip gegenüberstehenden
Faserendes befindet, und ihn dann an einem zweiten Punkt,
vorderer Fixpunkt genannt, zu befestigen, der sich im Bereich
der Durchführung der Wand des Gehäuses befindet. Der erste,
hintere Fixpunkt wird durch eine Lötung mit niedrigem
Schmelzpunkt gebildet, die wiederholt erfolgen kann und zu einer
Endpositionierung führt, die der Anfangspositionierung
nahekommt, aber nur eine wenig dauerhafte, unzureichend steife
Halterung ergibt, die elastische oder plastische
Verschiebungen zuläßt, welche das Faserende von der optimalen
Kopplungszone entfernen, sobald das Faserende auch nur der
geringsten Beanspruchung ausgesetzt ist. Der zweite, vordere
Fixpunkt ist dazu bestimmt, den auf die Faser von außerhalb
des Gehäuses her ausgeübten Zugbelastungen standzuhalten. Er
wird fester als der erste Punkt hergestellt, nämlich durch
Verlöten der Faser in ihrem Durchtrittsbereich durch eine
Durchführungshülse, die mit der Wand des Gehäuses verschweißt
ist.
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Diese Befestigungsart ermöglicht die Aufrechterhaltung
einer wirksamen optischen Kopplung zwischen dem
optoelektronischen Element und dem Faserende, sofern im Inneren des
Gehäuses keine auf den Lichtfaserende ausgeübten Beanspruchungen
auftreten.
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Leider treten aber solche Belastungen unter den
üblichen Benutzungsbedingungen der Einrichtung aufgrund von
Dehnungsunterschieden zwischen dem Faserende im Inneren des
Gehäuses und dem Boden des Gehäuses bei Temperaturänderungen,
von mechanischen Verformungen des Gehäuses vor allem bei
seiner Befestigung, und von Zugbeanspruchungen des Faserendes von
außerhalb des Gehäuses her auf.
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Es ist aus der unter der Nummer 85 10479 registrierten
französischen Patentanmeldung bekannt, daß die bei thermischer
Dehnung oder Zusammenziehung des Gehäuses in Richtung der
Achse des Faserendes auf dieses Faserende im Inneren des
Gehäuses ausgeübten Zug- oder Kompressionsbelastungen dadurch
vermieden werden können, daß der vordere Fixpunkt in der
Durchführung der Wand des Gehäuses als Wärmekompensationsarm
ausgebildet wird, der die Dehnungsunterschiede zwischen dem
Faserende im Inneren des Gehäuses und dem Boden des Gehäuses
kompensiert. Außer der Tatsache, daß die Herstellung des
Wärmeausgleichsarms schwierig ist, weist diese Befestigungsart
den Nachteil auf, daß sie andere, durch das Faserende im
Inneren des Gehäuses auf den hinteren Fixpunkt ausgeübte Kräfte
bestehen läßt, beispielsweise jene, die auf
Wärmebeanspruchungen durch Bimetallwirkung oder auf Gehäuseverformungen rein
mechanischen Ursprungs beruhen.
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Darüber hinaus ist es durch das Dokument GB-A-2 131
971 bekannt, am Gehäuse eine zusätzliche Befestigung des
Faserendes an einem sogenannten Zwischenfixpunkt vorzunehmen,
der sich zwischen dem vorderen Fixpunkt und dem hinteren
Fixpunkt befindet. Allerdings sind gemäß dieser Druckschrift die
Fixpunkte auf einem Rohr angebracht, das das genannte
Faserende einspannt, und nicht auf der Faser selber.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die unter den
üblichen Lagerungs- und Benutzungsbedingungen des Gehäuses
über das Faserende auf den hinteren Fixpunkt ausgeübten
Beanspruchungen zu verringern, um während der gesamten
Benutzungsdauer der Anschlußeinrichtung die Beibehaltung einer
optimalen optischen Kopplung des Faserendes mit dem
optoelektronischen Element zu gewährleisten.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anschlußeinrichtung
zum Koppeln einer Lichtfaser mit einem optoelektronischen
Element in Form eines Chips aus Halbleitermaterial, die außer
der Lichtfaser und dem optoelektronischen Element ein Gehäuse,
das das Element umschließt und in das die Lichtfaser durch
eine Wand und parallel zum Boden des Gehäuses eintritt, wobei
ein Ende der Faser in optischer Kopplungsverbindung mit dem
Chip aus Halbleitermaterial steht, und Mittel zur Befestigung
der Lichtfaser am Gehäuse aufweist, die ein auf der Lichtfaser
in der Nähe ihres an den Chip aus Halbleitermaterial optisch
angekoppelten Endes angeordnetes "hinteres"
Befestigungsmittel, um dieses Ende in der Kopplungsstellung zu blockieren,
und ein "vorderes" Befestigungsmittel enthalten, das auf der
Lichtfaser im Bereich ihrer Durchführung durch die Wand des
Gehäuses angeordnet ist, um den auf die Lichtfaser von der
Außenseite des Gehäuses her ausgeübten Belastungen zu
widerstehen, wobei die Lichtfaser zwischen dem hinteren und dem
vorderen Befestigungsmittel nackt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Befestigungsmittel mindestens ein weiteres
Befestigungsmittel, Zwischenbefestigungsmittel genannt, umfassen, das
auf der Lichtfaser zwischen dem hinteren und dem vorderen
Befestigungsmittel angeordnet ist, um die Weiterleitung der am
vorderen Befestigungsmittel durch Verformungen des Gehäuses
auf die Lichtfaser ausgeübten Kräfte auf das hintere
Befestigungsmittel abzuschwächen.
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Es ist von Vorteil, die Lichtfaser sowohl am
Zwischenbefestigungsmittel, als auch am hinteren Befestigungsmittel
durch eine Lötung mit niedrigem Schmelzpunkt am Gehäuse zu
befestigen, und das Zwischenbefestigungsmittel in einem
Abstand vom vorderen Fixpunkt anzubringen, der im wesentlichen
zwei Dritteln des Abstandes entspricht, der das hintere und
das vordere Befestigungsmittel voneinander trennt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus
der nachfolgenden Beschreibung einer beispielshalber
wiedergegebenen Ausführungsform hervor. Die Beschreibung erfolgt unter
Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Fig. 1 zeigt das Grundschema einer Befestigung des
Lichtfaserendes an zwei Fixpunkten bei einer optischen
Kopplungseinrichtung des Standes der Technik;
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Fig. 2 zeigt ein mechanisches Äquivalenzschema, das
eine formelmäßige Beschreibung des mechanischen Systems,
bestehend aus der in Fig. 1 dargestellten Befestigung des
Lichtfaserendes, ermöglicht;
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Fig. 3 zeigt ein Prinzipschema einer Befestigung des
Lichtfaserendes an drei Fixpunkten bei einer optischen
Kopplungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
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Fig. 4 zeigt ein mechanisches Äquivalenzschema, das
eine formelmäßige Beschreibung des mechanischen Systems,
bestehend aus der in Fig. 3 dargestellten Befestigung des
Lichtfaserendes an drei Fixpunkten, ermöglicht;
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Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf ein Gehäuse einer
Anschlußeinrichtung gemäß der Erfindung, mit einem im Inneren
angeordneten Halbleiterchip eines optoelektronischen
Elementes, das an ein Lichtfaserende angekoppelt ist, der an drei
Fixpunkten, einem hinteren, einem mittleren und einem vorderen
Fixpunkt, befestigt ist.
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Fig. 6 zeigt eine Ansicht des in Fig. 5 dargestellten
Gehäuses im Senkrechtschnitt entlang einer Linie VI-VI der
Fig. 5;
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Figuren 7A bis 7G zeigen ein einen hinteren oder
mittleren Lichtfaserfixpunkt bildendes Klötzchen während der
aufeinanderfolgenden Schritte zur Herstellung eines Widerstands
auf seiner Oberfläche, wobei die Figuren 7A, 7C, 7E und 7F
Senkrechtschnitte, und die Figuren 7B, 7D und 7G Draufsichten
darstellen;
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Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer auf
einem Halteklötzchen des Lichtfaserendes angebrachten
Haftfläche für das Lot, die jeweils im Schnitt und in der
Draufsicht in den Figuren 7F und 7G dargestellt ist; und
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Fig. 9 zeigt eine Ansicht eines Halteklötzchens des
Lichtfaserendes nach der Herstellung der Befestigung des Endes
durch Löten, entsprechend den in Fig. 8 dargestellten
Vorbereitungsmaßnahmen.
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Fig. 1 stellt das Basisschema einer Befestigung des
Lichtfaserendes an zwei Fixpunkten dar, wie sie üblicherweise
bei Anschlußeinrichtungen des Standes der Technik angewandt
wird. Sie weist eine waagrechte Grundplatte 10 auf, die den
Boden eines Gehäuses einer im Schnitt dargestellten
Anschlußeinrichtung in einem Bereich darstellt, der den in das Gehäuse
eintretenden Abschnitt des Lichtfaserendes 11 enthält. Die
Grundplatte 10 trägt auf einer Seite auf einem Untersatz 12
den Halbleiterchip 13 eines optoelektronischen Elementes. Sie
setzt sich an der anderen Seite in einer senkrechten Kante 14
fort, die die Seitenwand des Gehäuses darstellt, die vom
Lichtfaserende 11 durchquert wird. Die Faser verläuft im
Gehäuses parallel zur Grundplatte 10, wobei ihr Ende 15 in der
Nähe des Halbleiterchips 13 in einer optimalen optischen
Koppelposition positioniert ist. Sie ist am Gehäuse, d.h. an der
Grundplatte 10, in der Nähe ihres Endes 15, an einem Fixpunkt,
hinterer Fixpunkt genannt, befestigt, während sie in ihrer
Durchführung durch die Seitenwand des Gehäuses an einem als
vorderer Fixpunkt bezeichneten Fixpunkt befestigt ist.
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Am hinteren Fixpunkt sitzt das Lichtfaserende 11,
unter Abstützung auf einem Klötzchen 16, auf dem es durch eine
Lötkuppe 17 mit niedrigem Schmelzpunkt befestigt ist, auf der
Grundplatte 10 auf. Am vorderen Fixpunkt ist das
Lichtfaserende 11 in einer Durchführungshülse 18 angelötet, die quer durch
die Seitenwand des Gehäuses verläuft und an dieser
angeschweißt ist.
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Der Buchstabe A bezeichnet das Angriffszentrum der vom
Gehäuse über das Lichtfaserende 11 auf den vorderen Fixpunkt
ausgeübten Kräfte, während B das Angriffszentrum der vom
Lichtfaserende 11 auf seinen hinteren Fixpunkt ausgeübten
Kräfte bezeichnet. Der Buchstabe x bezeichnet die Richtung der
Achse des Faserendes im Inneren des Gehäuses, wenn keine
Verformungskräfte des Gehäuses vorhanden sind, die die relativen
Positionen des vorderen und des hinteren Fixpunktes verändern,
während y die in der Ebene der Figur senkrecht zur Richtung x
verlaufende Richtung bezeichnet.
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Bei mechanischen Verformungen des Gehäuses, die eine
Verschiebung des vorderen Fixpunkts in Richtung x sowie einer
Verschiebung in Richtung y herbeiführen und eine Änderung der
relativen Positionen des vorderen und des hinteren Fixpunktes
verursachen, ergibt sich einerseits eine Verlängerung bzw.
Zusammenziehung, und andererseits eine Durchbiegung des
zwischen dem vorderen und dem hinteren Fixpunkt befindlichen
Abschnittes des Faserendes 11. In erster Näherung kann man die
Wirkung der Verschiebung des vorderen Fixpunktes in
x-Richtung,
und die Wirkung einer Verschiebung dieses Punktes in
y-Richtung getrennt betrachten. Es sei weiter bemerkt, daß
wegen der zylindrischen Symmetrie des Systems das Verhalten
desselben bei Verschiebung des vorderen Fixpunktes in
y-Richtung auch das Verhalten bei Verschiebung des vorderen
Fixpunktes entlang einer beliebigen Richtung senkrecht zur x-Richtung
wiedergibt.
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Eine Verschiebung X in der Richtung x des vorderen
Fixpunkts erzeugt eine Verschiebung Xb des hinteren Fixpunkts
entlang der gleichen Richtung x, wobei die Verschiebung Xb die
Ursache einer Verschlechterung der Kopplung ist. In diesem
Fall wirkt auf das Lichtfaserende im Punkt A eine Kraft F
parallel zu Richtung x ein, wobei dann im Bereich der
elastischen Verformungen das aus der Befestigung des Lichtfaserendes
an zwei Punkten bestehende mechanische System gemäß Fig. 2
einem System äquivalent ist, das aus zwei Federn, nämlich
einer Zugfeder 20 und einer Druckfeder 21 besteht, die
hintereinander an der Grundplatte 10 befestigt und einer Kraft F
ausgesetzt sind, wobei die Feder 20 mit der Steifigkeit K den
Sockel 10 im Punkte B festhält und dabei die Zug- und
Kompressionselastizität der Befestigung am hinteren Fixpunkt
simuliert, während die andere Feder 21 mit der Steifigkeit k die
Punkte B und A miteinander verbindet und die dabei Zug- und
Kompressionselastizität des zwischen dem vorderen und dem
hinteren Fixpunkt befindlichen Abschnittes des Lichtfaserendes
simuliert. Im Gleichgewichtszustand erfüllt das System die
Beziehung:
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KXb = k (X - Xb),
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die wie folgt umgeschrieben werden kann:
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Xb = X/(1 + K/k);
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Diese letzte Beziehung zeigt an, daß wenn Xb relativ
zu X klein sein soll, der Steifigkeitskoeffizient der
Befestigung am hinteren Fixpunkt im Vergleich zum
Steifigkeitskoeffizienten k des Abschnittes des Lichtfaserendes groß sein muß,
was man intuitiv erwarten kann, so daß Xb im wesentlichen den
Wert: Xb = (k/K).X annimmt.
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In der Praxis ist die Zug-/Kompressionssteifigkeit des
Faserendes größenordnungsmäßig einhundertmal kleiner als
diejenige der Befestigung am hinteren Fixpunkt, derart, daß
die Verschiebung Xb einhundertmal kleiner als die Verschiebung
X ist, d.h., das sie im wesentlichen einhundertmal kleiner als
die Längenänderung des Lichtfaserendes zwischen dem vorderen
und dem hinteren Befestigungspunkt ist. Dies reicht jedenfalls
nicht aus, um zu verhindern, daß die Verformungen des Gehäuses
bei normaler Benutzung keine erheblichen Änderungen der
optischen Kopplung zur Folge haben.
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Eine Verschiebung Y in y-Richtung des vorderen
Fixpunktes verursacht eine Durchbiegung des zwischen dem vorderen
und dem hinteren Fixpunkt befindlichen Abschnittes des
Lichtfaserendes. Auf die Befestigung des hinteren Fixpunktes wirken
in diesem Falle zwei Belastungen ein: einerseits eine parallel
zur y-Richtung verlaufende Kraft F', die der Rückstellkraft
der Biegefeder entspricht, welche durch den zwischen dem
vorderen Fixpunkt und dem hinteren Fixpunkt befindlichen
Abschnitt des Lichtfaserendes gebildet wird, und andererseits
ein durch das Durchbiegemoment verursachtes Moment M.
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In der Praxis kann die Kraft F' vernachlässigt werden.
Bei einer Siliziumoxidfaser mit einem Durchmesser von 125 um
und einem Abstand d zwischen den Punkten A und B von etwa
10 mm (wobei es sich um die üblicherweise angetroffenen Werte
handelt) erreicht die Biegesteifigkeit des zwischen dem
vorderen und dem hinteren Fixpunkt befindlichen Faserabschnitts
etwa das 10&supmin;&sup4;-fache der Zug-/ Kompressionssteifigkeit des
Faserendes zwischen den beiden genannten Punkten. Um diese
Belastung nicht zu vernachlässigen, muß man die Situation im
Rahmen einer theoretischen Verschiebung Y betrachten, die
diejenige Grenze erheblich überschreitet, bei der der Faserende
brechen würde.
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Das aus der Befestigung der Lichtfaser an zwei Punkten
bestehende mechanische System kann also modellhaft durch ein
System zweier analoger Federn simuliert werden, das dem in
Fig. 2 dargestellten System entspricht, wobei aber in diesem
Falle die Federn Torsionsfedern sind, die unter der Wirkung
des Momentes M stehen. Im Gleichgewichtszustand erfüllt das
System die Beziehung:
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GΘb = g(Θ - Θb);
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dabei ist G die Torsionsfederkonstante, welche die
Biegungselastizität der Befestigung im hinteren Fixpunkt simuliert; g
die entsprechende Konstante der Torsionsfeder, die die
Biegeelastizität des zwischen dem vorderen Fixpunkt und dem
hinteren Fixpunkt befindlichen Abschnitts des Lichtfaserendes
simuliert; Θ ist das Verhältnis zwischen Y und d, das in der
Praxis klein gegen 1 ist und der Winkelabweichung des
Lichtfaserendes am vorderen Fixpunkt gleichgesetzt werden kann; und Θb
ist die durch die Verschiebung Y verursachte Winkelabweichung
des Lichtfaserendes im hinteren Fixpunkt.
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Die letztgenannte Beziehung kann wie folgt geschrieben
werden:
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Θb = Θ/(1 + G/g);
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woraus sich ergibt, daß, wenn Θb im Verhältnis zu Θ klein sein
soll, die Konstante G groß im Vergleich zur Konstanten g sein
muß, so daß sich für Θb im wesentlichen ergibt:
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Θb = (g/G)Θ = gY/Gd.
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In der Praxis ist die Konstante G etwa einhundertmal
größer als die Konstante g, so daß die Winkelabweichung Θb
etwa einhundertmal kleiner als das Verhältnis Y/d ist. Dies
reicht nicht aus um zu verhindern, daß die eine Durchbiegung
des Faserendes verursachenden Verformungen des Gehäuses, die
insbesondere beim Anschrauben des Gehäuses an einen Träger
entstehen, erhebliche Änderungen der optischen Kopplungen zur
Folgen haben.
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Fig. 3 stellt das Prinzipschema einer Befestigung des
Lichtfaserendes an drei Fixpunkten dar, wie sie bei einer
Kopplungseinrichtung gemäß der Erfindung ausgeführt ist. Fig.
3 übernimmt die Elemente der Fig. 1 mit den gleichen
Bezugszeichen
und zeigt darüber hinaus eine zusätzliche Befestigung
des Faserendes 11 an einem Zwischenfixpunkt, bei dem die Faser
durch eine Lötkuppe 25 mit niedrigem Schmelzpunkt auf einem
auf der Grundplatte 10 befestigten Klötzchen 26 befestigt ist.
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Der Buchstabe C kennzeichnet ein neues Angriffszentrum
der vom Lichtfaserende auf seine Befestigung am
Zwischenfixpunkt angreifenden Kräfte.
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Wie im vorherigen Falle der Befestigung des
Lichtfaserendes an zwei Fixpunkten soll jetzt nacheinander die
Wirkung einer Verschiebung des vorderen Fixpunktes in der
x-Richtung, und anschließend die Wirkung einer Verschiebung dieses
Punktes entlang der y-Richtung betrachtet werden.
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Eine Verschiebung X des vorderen Fixpunktes in
Richtung x erzeugt Verschiebungen Xc bzw. Xb des mittleren bzw.
des hinteren Fixpunkts in der gleichen Richtung. In Bezug auf
elastische Verformungen ist das mechanische System, bestehend
aus der Befestigung des Lichtfaserendes in drei Fixpunkten,
nämlich einem vorderen, einem hinteren und einem mittleren
Fixpunkt entsprechend der Fig. 4, einem System äquivalent, das
aus vier Zug-/Kompressionsfedern besteht, die an die
Grundplatte 10 angeschlossen und der Kraft F ausgesetzt sind, wobei
drei von ihnen, nämlich die Federn 30, 31, 32,
hintereinandergeschaltet sind, während die vierte Feder 33 parallel an zwei
vorhergehende Federn 30, 31 angeschlossen ist. Die erste Feder
30 mit der Steifigkeit K1, die die Grundplatte 10 mit dem
Punkt B verbindet, simuliert die Zug-/Kompressionselastizität
der Befestigung am hinteren Fixpunkt. Die zweite Feder 31 mit
der Steifigkeit k1, die die Punkte B und C verbindet,
simuliert die Zug-/Kompressionselastizität des zwischen dem
hinteren Fixpunkt und dem mittleren Fixpunkt befindlichen
Abschnittes des Lichtfaserendes 11. Die dritte Feder 32 mit der
Steifigkeit k2, die die Punkte C und A verbindet, simuliert die
Zug-/Kompressionselastizität des zwischen dem mittleren und
dem vorderen Fixpunkt befindlichen Abschnittes des
Lichtfaserendes 11. Die vierte Feder 33 mit der Steifigkeit K2, die die
Grundplatte 10 mit dem Punkt C verbindet, simuliert die Zug-
/Kompressionselastizität der Befestigung am mittleren
Fixpunkt. Bezeichnet man mit F2 die Komponente der für die
elastische Verformung der Befestigung am mittleren Fixpunkt
verantwortlichen Kraft F und mit F1 die restliche Komponente der
Kraft F, kann im Gleichgewichtszustand des Systems die
Gesamtheit der bestehenden Beziehungen wie folgt beschrieben werden:
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F = k2 (X - Xc)
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F = F1 + F2
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F2 = K2 Xc
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F1 = K1 Xb
-
F1 = k1 (Xc - Xb)
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Eliminiert man die Größen F, F1, F2 und Xc, so ergibt
sich folgende Beziehung:
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X/Xb = 1 + K1K2/k1k2 + (K1 + K2)/k2 + K1/k1.
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Da die Steifigkeiten k1, k2 der Abschnitte des
Lichtfaserendes umgekehrt proportional zur Länge derselben sind,
kann man schreiben:
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k1 = kd/d1 und k2 = kd/d2
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wobei d1 der Abstand zwischen den Punkten B und C, und d2 der
Abstand zwischen den Punkten A und C ist.
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Somit ergibt sich:
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X/Xb = 1 + K1K2d1d2/k²d² + (K1 + K2)d2/kd + K1d1/kd (1)
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Da sich weiter der dritte, mittlere Fixpunkt zwischen
dem vorderen und dem hinteren Fixpunkt befindet, also d1 = d -
d2 ist, ergibt sich alternativ:
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X/Xb = K1K2d2²/k²d² + (K1K2/k²d + K2/kd)d2 + K1/k +1.
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Die optimale Position des mittleren Fixpunktes ist
diejenige, für die der Term X/Xb maximal wird, d.h., derjenige
Term, für den die Ableitung der vorstehenden Gleichung nach
d2, also dem Abstand des mittleren Verbindungspunktes relativ
zum vorderen Verbindungspunkt, null wird. Der Wert dieser
Ableitung ist:
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- 2K1K2d2/k²d² + K1K2/k²d + K2/kd
-
oder auch:
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(K1K2/k²d)(-2d2/d + 1 + k/K1).
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Die Ableitung wird null für :
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d2/d = (1 + k/K1)/2.
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Da in der Praxis der Koeffizient k/K1 sehr viel
kleiner als 1 ist, ist die optimale Position des
Zwischenfixpunktes im wesentlichen die Mittelstellung:
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d1 = d2 = d/2.
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Bei in der Mittelstellung befindlichem
Zwischenfixpunkt ergibt sich die elastische Verschiebung Xb des hinteren
Fixpunkts in Abhängigkeit von der Verschiebung X aus der
folgende Näherungsbeziehung:
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Xb = 4(k²/K1K2)X.
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Um den Vergleich mit der üblichen Befestigung an zwei
Fixpunkten zu erleichtern, kann man den Fall einer Befestigung
am Zwischenfixpunkt gleicher Zug-/Kompressionssteifigkeit wie
der der Befestigung im hinteren Fixpunkt herausziehen:
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K2 = K1 = K.
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Dann folgt:
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Xb = 4 (k/K)² X.
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Bei erneuter Übernahme der Praxishypothese eines
Verhältnisses K/k von etwa 100 stellt man fest, daß die
Verschiebung Xb des hinteren Fixpunktes 25 mal kleiner als bei der
Befestigung mit zwei Fixpunkten ist, während man erwarten
konnte, daß das Hinzufügen eines Zwischenfixpunkts die
Verschiebung Xb nur um die Hälfte verringert würde, was übrigens
im wesentlichen dann der Fall ist, wenn der Zwischenfixpunkt
an den hinteren Fixpunkt herangerückt wird, wie auch aus der
Beziehung (1) hervorgeht, wenn d1 nach null und d2 nach d
strebt.
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In der Praxis zeigt die Untersuchung der Beziehung
(1), daß sich das Verhältnis X/Xb nur geringfügig verändert,
sofern der Abstand d2 des Zwischenfixpunktes relativ zum
vorderen Fixpunkt zwischen 0.3 und 0.7d bleibt.
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Wenn man nun bei dieser Befestigung des
Lichtfaserendes an drei Fixpunkten eine Verschiebung Y des vorderen
Fixpunkts
in y-Richtung betrachtet, kann man, wie im Falle der
Befestigung ein zwei Fixpunkten, die parallel zur y-Richtung
verlaufende Kraft, die auf die Befestigung im hinteren
Fixpunkt einwirkt, vernachlässigen. Im Bereich der elastischen
Verformung kann also das mechanische System, bestehend aus der
Befestigung an drei Punkten, modellhaft durch ein System von
vier Federn simuliert werden, das dem in Fig. 4 dargestellten
System entspricht, wobei jedoch die Federn in diesem Falle
Torsionsfedern sind, die unter der Einwirkung des Momentes M
stehen. Bezeichnet man die Komponente des für die elastische
Verformung der Befestigung am Zwischenfixpunkt
verantwortlichen Moments mit M2, die restliche Komponente des Moments M
mit M1, die Winkelabweichung des Faserendes am
Zwischenfixpunkt mit Θc, die Torsionsfederkonstanten, welche die
Biegeelastizität der Befestigungen jeweils am vorderen und am
mittleren Fixpunkt simulieren, mit G1 und G2, und die
Torsionsfederkonstanten, die die Biegeelastizität der jeweils zwischen
dem hinteren und dem mittleren Fixpunkt und zwischen dem
mittleren und dem vorderen Fixpunkt befindlichen Abschnitte des
Lichtfaserendes mit g1 und g2, dann kann man im
Gleichgewichtszustand dieses Systems die Gesamtheit folgender
Beziehungen aufstellen:
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M = g2 (Θ - Θc)
-
M = M1 + M2
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M2 = G2Θc
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M1 = G1Θb
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M1 = g1 (Θc - Θb).
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Eliminiert man die Größen M, M1, M2 und Θc, so erhält
man die Beziehung:
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Θ/Θb = 1 + G1G2/g1g2 + (G1 + G2)/g2 + G1/g1 (2)
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Da die Konstanten g1 und g2 der Länge des Faserabschnitte, auf
die sie sich beziehen, umgekehrt proportional sind, kann man
schreiben:
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g1 = g d/d1 und G2 = g d/d2.
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Ersetzt man in der Beziehung (2) die Konstanten g1 und
g2 durch die vorgenannten Werte, und ersetzt man Θ durch Y/d,
so erhält man:
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Y/Θb = d2 + G1G2d1d2²/g²d² + (G1 + G2)d2²/gd + G1d1d2/gd (3)
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Weiter erhält man unter Berücksichtigung der Beziehung d1 = d
- d2 folgende Gleichung:
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Y/Θb = d2 [ - G1G2d2²/g²d² + (G1G2/g²d + G2/gd) d2 + G1/g + 1]
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Die optimale Position des Zwischenfixpunktes ist
diejenige, für die das Verhältnis Y/Θb maximal wird. Die
Ableitung des rechten Gliedes der vorstehenden Gleichung nach d2
führt zu dem Ausdruck:
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-3(G1G2/g²d²)d2² + 2 (G1G2/g²d + G2/gd) d2 + G1/g + 1
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Bezogen auf d2 besitzt diese Ableitung zwei Wurzeln,
wobei das Verhältnis Y/Θb ein Maximum für diejenige Wurzel
aufweist, die folgenden Wert besitzt:
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d/3 [ 1 + (1 + 2 g/G1 + 3 g/G2 + 3 g²/G1G2 + g²/G1²) + g/G1]
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In der Praxis sind die Terme g/G1 und g/G2 gegenüber 1
sehr klein, so daß die optimale Position des
Zwischenfixpunktes im wesentlichen gegeben ist durch:
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d2 = (2/3)d.
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Für diesen Wert von d2 ergibt sich die
Winkelverschiebung Θb in Abhängigkeit von der Verschiebung Y aus folgender
Näherungsbeziehung:
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Θb = (27/4)(g²/G1G2)(Y/d).
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Um den Vergleich mit der üblichen Befestigung an zwei
Fixpunkten zu erleichtern, kann man den Fall einer Befestigung
am Zwischenfixpunkt gleicher Biegesteifigkeit wie bei der
Befestigung am hinteren Fixpunkt herausziehen:
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G1 = G2 = G.
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Man erhält dann:
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Θb = (27/4)(g/G)² Y/d.
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Nimmt man wieder die Praxishypothese eines
Verhältnisses G/g von etwa 100 an, stellt man fest, daß die
Winkelabweichung Θb des Faserendes am hinteren Fixpunkt im wesentlichen
15 mal kleiner als im Falle der Befestigung an zwei Fixpunkten
ist, während man erwarten konnte, daß das Hinzufügen eines
Zwischenfixpunkts die Winkelabweichung Θb nur um die Hälfte
verringert würde, was übrigens im wesentlichen der Fall ist,
wenn der Zwischenfixpunkt zum hinteren Fixpunkt hin verschoben
wird, wie auch aus Gleichung (3) hervorgeht, wenn d1 nach null
und d2 nach d strebt.
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In der Praxis zeigt die Untersuchen der Gleichung (3),
daß sich das Verhältnis Y/Θb nur wenig ändert, wenn der
Abstand d2 im Bereich zwischen 0,5 und 0,8d bleibt.
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Global ändern sich die Wirkungen der von der Faser auf
die Befestigung am hinteren Fixpunkt einwirkenden Kräfte nur
geringfügig, sofern der Abstand d2 im Bereich zwischen 0,5 und
0,7d bleibt. Aufgrund dieses Spielraumes kann man die Position
des Zwischenfixpunktes in diesem Bereich dadurch optimieren,
daß man weitere Faktoren berücksichtigt, wie etwa das
Bruchrisiko des Faserendes zwischen dem vorderen und dem mittleren
Fixpunkt, das mit der Annäherung dieser beiden Fixpunkte
zunimmt, oder den Vorteil, der sich daraus ergibt, daß der
Zwischenfixpunkt und der hintere Fixpunkt auf dem gleichen Block
angeordnet werden, wie beispielshalber und nachfolgend erwähnt
auf einer Platte, die auf einem Peltier-Modul, der die
Temperatur des optoelektronischen Elementes stabilisiert, befestigt
wird, falls ein solcher Modul vorhanden ist. Dieser Vorteil
ergibt sich aus der Notwendigkeit, keine Relativverschiebungen
zwischen dem Zwischenfixpunkt und dem hinteren Fixpunkt zu
verursachen, die neuen Kräfte erzeugen würden, welche direkt
auf die hintere Befestigung wirken würden.
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In Anbetracht dieser Überlegungen, und, gegebenenfalls
bei richtiger Bemessung des Peltier-Moduls, liegt die
bevorzugte Stelle zur Anbringung des Zwischenfixpunkts in einem
Abstand vom vorderen Fixpunkt, der im wesentlichen zwei
Dritteln des Abstandes entspricht, der den hinteren Fixpunkt vom
vorderen Fixpunkt trennt: d2 = (2/3)d.
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Weiter wird zur Stabilisierung der optischen Kopplung
das Paar bestehend aus dem vorderen und dem mittleren Fixpunkt
in der Mitte des Gehäuses, in dessen Längsrichtung, zentriert,
d.h., in x-Richtung.
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Die Figuren 5 und 6 zeigen eine praktische
Ausführungsform dieser Maßnahmen. Darin ist das Gehäuse 40 der
Einrichtung dargestellt, bestehend aus einer mit Glas oder mit
Keramik verschweißbaren Metallegierung und einem waagrechten
Boden 40a, zwei senkrechten Seitenwänden 40b, die von
elektrischen Anschlußfahnen, wie etwa 41, unter Zwischenfügung
eines elektrischen Isoliermittels aus Glas oder Keramik
durchquert werden, einer vorderen Wand 40c, die in einer bestimmten
Höhe mit einer waagrechten Durchführungshülse 42 versehen ist,
welche die Einführung eines Lichtfaserendes 43 ermöglicht, und
einer hinteren Wand 40d. Leiterdrähte, wie etwa 44, stellen
im Inneren des Gehäuses die elektrischen Verbindungen zwischen
den Anschlußfahnen 41 und den verschiedenen Komponenten her.
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Auf dem Boden 40a des Gehäuses ist ein Sockel 45
angeschweißt, der aus einem Modul mit Peltier-Effekt besteht, und
zum Kühlen und Regulieren der Temperatur des
optoelektronischen Elements bestimmt ist, aber auch ein wärmeleitender
Block sein kann, der die Funktion eines Kühlers besitzt. Eine
elektrisch isolierende, aber gut wärmeleitende Platte 46 aus
Keramik, beispielsweise aus Berylliumoxid BeO, bedeckt
mindestens teilweise den Sockel 45 und bildet eine
Befestigungsfläche von ungefähr 10 mm Länge und 7 mm Breite für die
Bauteile des optoelektronischen Elements und die Halteteile des
Endes der optisch an das Element angekoppelten Lichtfaser 43.
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Auf Seiten der hinteren Wand 40d des Gehäuses ist im
Mittelabschnitt der Platte 46 ein Aufsatz 47 in Form eines
rechteckigen Steges senkrecht zur Richtung des Lichtfaserendes
43 angeordnet. Er besteht aus dem gleichen keramischen gut
wärmeleitenden Material wie die Platte 46. Er ist durch Löten
mit der Platte 46 verbunden, reicht bis zur Höhe der
Durchführungshülse 42 und trägt in der Achse derselben einen
angelöteten Halbleiterchip 48, der einen Laserdiode bildet, die
einen Hauptlichtstrahl zur Vorderseite des Gehäuses, und einen
Hilfslichtstrahl nach hinten hin aussendet.
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Hinter dem Aufsatz 47 ist auf der Platte 46 im Bereich
des Hilfslichtstrahls der Laserdiode eine Photodiode 49
angeordnet und liefert zur Steuerung der Intensität des
Lichtstrahls ein Signal, das für eine Vorrichtung zur Einstellung
des Arbeitspunktes der Laserdiode bestimmt ist.
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Zwei rechteckige Klötzchen 50, 51 sitzen in Flucht vor
dem Aufsatz 47 senkrecht zur Richtung des Lichtfaserendes 43
auf der Platte 46. Sie reichen bis zur Höhe der
Durchführungshülse 42 und dienen zur hinteren und mittleren Halterung des
Lichtfaserendes 43. Hierzu sind sie elektrisch isoliert und
tragen auf ihrer Oberseite je einen elektrischen Widerstand
54, 53, die von je einer Lötbrücke 56, 55 mit niedrigem
Schmelzpunkt überdeckt werden, die das Lichtfaserende 43
überspannt und nach dem Schmelzen festhält.
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Das rechteckige Klötzchen 50, das dem Ende des optisch
an den Halbleiterchip 48 angekoppelten Lichtfaserendes 43 am
nächsten steht und zur hinteren Fixierung dient, steht im
Abstand von etwa 10 mm zur inneren Einmündung der
Durchführungshülse 42 in das Gehäuse 40, die als vordere Fixierung
dient. Das rechteckige Klötzchen 51, das zur Zwischenfixierung
dient, ist etwa 3,2 mm vom Klötzchen 50 entfernt, wobei die
beiden Klötzchen 50 und 51 im gleichen Abstand zur mittleren
Schnittebene des Gehäuses 40 in Richtung seiner Länge plaziert
sind.
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Ein Thermistor 52, der zwischen den beiden Klötzchen
50 und 51 angeordnet ist, liefert ein Temperatursteuersignal
an eine Einstellungseinrichtung des Moduls mit Peltier-Effekt,
der den Sockel 45 bildet. Der Thermistor kann weggelassen
werden, wenn ein solcher Modul nicht vorhanden ist, und durch
einen wärmeleitenden Block ersetzt wird.
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Die rechteckigen Klötzchen 50 und 51 bestehen aus
einer die Wärme schlecht leitenden Keramik, damit die Wärme,
die von den von ihnen getragenen Widerständen 54, 53 abgegeben
wird, im wesentlichen dazu dient, die Lötbrücken 56, 55 zum
Schmelzen zu bringen. Sie bestehen beispielsweise aus einer
unter dem Markennamen MACOR der Firma MINNESOTA RUBBER FRANCE
in den Handel gebrachten Glaskeramik mit einer
Wärmeleitfähigkeit von 0,02 W/cmK.
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Die rechteckigen Klötzchen 50, 51 werden zur
Herstellung ihrer Widerstände 54, 53 den für das rechteckige
Klötzchen in den Figuren 7A bis 7G gezeigten aufeinanderfolgenden
Behandlungen unterzogen:
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- Vorbereiten der Oberfläche, die ganz glatt sein muß, und
Aufbringen einer NiCr-Legierungsschicht von etwa 130 nm
(Nanometer) Dicke, zur Herstellung einer dünnen Schicht 60 aus
einem metallischen Widerstandsmaterial (Fig. 7A).
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- Ausätzen der Schicht derart, daß ihr verbleibender Teil
einen Heizwiderstand 54 bildet (Fig. 7B).
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- Aufbringen einer Siliziumschicht 61 von etwa 700 nm (Fig.
7C), die einen elektrisch isolierenden Schutz bildet.
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- Ausätzen dieser Schicht derart, daß der verbleibende Teil 62
(Fig. 7D) die Enden des Heizwiderstandes 54 sichtbar werden
läßt.
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- Aufbringen einer NiCr-Legierungshaftschicht, die von einer
Goldschicht 63 (Fig. 7E) mit einer Dicke von ungefähr 500 nm
überdeckt wird.
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- Ausätzen dieser Schicht 63 derart, daß ihre verbleibenden
Teile eine Haftfläche 64 zum Anlöten zweier
Ausfluchtungsmarken 65, 66 für das Faserende, sowie zwei Klemmen 67, 68 für
den Heizwiderstand 54 bilden (Figuren 7F und 7G).
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Die Haftfläche 64 zum Löten bildet ein Oval von
ungefähr 600 um zu 900 um Ausdehnung, das entlang der Achse des
Lichtfaserendes 43 ausgerichtet ist, während die
Ausfluchtungsmarken 65, 66 zwei Pfeile bilden, die zur Achse des
Faserendes und beiderseitig in Richtung auf das Oval der
Haftfläche 64 weisen.
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Entsprechend der Fig. 8 ist ein brückenartig
vorgeformtes Band 70 aus Lötzusatzmaterial über dem Lichtfaserende
43 auf der Haftfläche 64 angebracht. Dieses Band mit einer
Dicke von ungefähr 0,05 mm kann aus einer Indium-Blei-Silber-
Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt bestehen (80 % Indium,
15% Blei und 5% Silber).
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In Höhe der Haftfläche 64 ist der Abschnitt des
Lichtfaserendes 43, der unter die Wölbung 70a des vorgeformten
Bandes 70 dringt, mit einer metallischen Hafthülse 77
umkleidet, die aus einer NiCr-Legierungsschicht bestehen kann,
welche, wie die Haftfläche 64, mit einer Goldschicht überzogen
ist.
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Die Befestigung des Lichtfaserendes 43 am Klötzchen 50
ist in Fig. 9 in ihrer endgültigen Form dargestellt, nachdem
die Lötung durchgeführt worden ist.
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Hierzu wird ein elektrischer Strom in den Widerstand
54 geleitet, der das Band aus Lötmittelzusatzmaterial so lange
erwärmt, bis es schmilzt, das Lichtfaserende 43 umhüllt und
zugleich auf der Haftfläche 64 des Klötzchens 50 und auf der
metallischen Hafthülse 77 des Lichtfaserendes 43 anbindet. Die
aus diesem Band aus Lötzusatzmaterial, der Haftfläche und der
metallischen Hafthülse bestehende Einheit wird in dieser
Beschreibung als Befestigungsmittel bezeichnet.
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Die Montage des Lichtfaserendes 43 im Gehäuse 40 der
Anschlußeinrichtung erfolgt als letztes. Sie besteht zunächst
darin, ein Ende der mit metallischen Hafthülsen 77
vorbereiteten Lichtfaser 43 durch die Durchführungshülse 42 in das
Gehäuse 40 und bis ungefähr zu den Anbringungsorten der
Klötzchen 50, 51 einzuführen und das Ende in die Nähe seiner
optischen Ankopplungsstellung am Halbleiterchip 48 zu führen. Nach
dieser Operation wird das Ende des Lichtfaser 43 im Inneren
des Gehäuses 40 zwischen den Zangen eines Mikromanipulators
genommen, der das Ende in den Zwischenraum zieht, der die
Mündung der Durchführungshülse 42 vom Klötzchen 51 trennt und
die Position des Zwischenfixpunktes in einem solchen Abstand
vom Klötzchen 50 definiert, daß sich das Faserende elastisch
biegen kann, ohne unter der Einwirkung der Schrumpfung des
Lotes auf dem Klötzchen 50 zu brechen. Mit Hilfe des
Mikromanipulators wird dann die Länge in die optimale optische
Kopplungsposition,
unter Orientierung an den Änderungen der
erzielten optischen Kopplungswirkung, gebracht. Sie wird dann
unter Beachtung der Schrumpfung der Lötung auf dem Klötzchen
50 in die Lötposition angehoben. Anschließend wird das
vorgeformte Band aus Lötzusatzmaterial auf dem Lichtfaserende 43
im Bereich der Haftfläche 64 des Klötzchens 50 in Stellung
gebracht und die Lötung auf dem Klötzchen 50 durchgeführt,
wodurch die Befestigung des Lichtfaserendes 43 am hinteren
Fixpunkt bewirkt ist.
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Nachdem die Befestigung am hinteren Fixpunkt erfolgt
ist, wird der Mikromanipulator entfernt und das vorgeformte
Band aus Lötzusatzmaterial auf dem Lichtfaserende 43 in Höhe
der Haftfläche des Klötzchens 51 in Stellung gebracht und die
Lötung auf dem Klötzchen 51 durchgeführt, wodurch die
Befestigung der Lichtfaser 43 am Zwischenfixpunkt bewirkt ist.
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Nachdem die Befestigung des Lichtfaserendes 43 am
hinteren und am mittleren Fixpunkt erfolgt ist, wird die
Lichtfaser 43 in der Durchführungshülse 42 angelötet, wodurch
ihre Befestigung am vorderen Fixpunkt bewirkt und ihre Montage
beendet ist.
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Ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten, kann
man gewisse Maßnahme abändern oder bestimmte Mittel durch
äquivalente Mittel ersetzen. Man kann insbesondere mehr als
zwei Klötzchen zur Befestigung der Faser im Gehäuse benutzen,
wodurch die Faser dann an mehreren Zwischenpunkten gehalten
wird.