DE3904662A1 - Faseroptische koppelanordnung - Google Patents

Faseroptische koppelanordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Koppelanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung beruht darauf, daß mit einer geeignet dimen­ sionierten Biegung eines Lichtwellenleiters in diesem ge­ führtes Licht aus diesem auskoppelbar ist und z.B. über eine abbildende Anordnung, z.B. eine Linse, einem Fotode­ tektor, z.B. einer Halbleiter-Fotodiode, zugeleitet werden kann.
Fig. 1 zeigt eine derartige Anordnung, bestehend aus einem Lichtwellenleiter 1, z.B. einem Quarzglas-Lichtwellenlei­ ter mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, einem lichtführenden Kern 2, einem diesen umgebenden (Quarzglas-)Mantel 3 (Außendurchmesser z.B. 125 µm) und eine diesen umgebende Schutzschicht 4, z.B. eine Kunststoff-Schutzschicht mit einer Dicke von ungefähr 50 µm. Der Lichtwellenleiter 1 besitzt einen im wesentli­ chen geradlinigen Bereich 5, an den sich ein mit dem Krüm­ mungsradius R gekrümmter Bereich 6 anschließt. In dem Lichtwellenleiter 1 geführtes Licht 8 wird an der zwischen dem geradlinigen Bereich 5 und dem gekrümmten Bereich 6 entstandenen Übergangsstelle 7 zum Teil als konusförmiges Lichtbündel (austretendes Licht 9) ausgekoppelt.
Nach C.M.Miller (Proceedings ECOC ′82, Cannes, Frankreich, S. 344-347) läßt sich das austretende Licht 9 mit Hilfe einer gekrümmten und geschlitzten Glasröhre von ca. 1 mm Durchmesser auf einen Photodetektor leiten. Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß nur etwa 30% des Lichtes zum Photodetektor gelangen und der Photodetekor großflächig (ca. 1×1 mm2) sein muß, was seine Brauchbarkeit, wegen der hohen Kapazität von ca. 5 pF, auf Übertragungsraten unter ca. 34 MBit/s einschränkt.
In der EP-A 02 09 329 wird vorgeschlagen, das austretende Licht 9 mit einer Linse zu fokussieren, was die weitgehend verlustfreie Einkopplung in einen weiteren Lichtwellenlei­ ter oder einen kleinflächigen Photodetektor ermöglicht.
Die erforderlichen Krümmungsradien liegen z.B. für einen typischen Monomode-Lichtwellenleiter (λ=1.3 µm,Feldradius w o =4.8 µm) zwischen R=7 mm und R=4 mm, um zwischen 9% und 40% der im Wellenleiter geführten Lichtleistung auszukoppeln.
Dabei ist die ausgekoppelte Lichtleistung um so größer je kleiner der Krümmungsradius R ist.
Derartig kleine Radien führen zu einer beträchtlichen Bie­ gebeanspruchung des Lichtwellenleiters (Dehnung bzw. Stau­ chung zwischen 0,9% u. 1,5%), der dieser nur standhält, wenn er mit der erwähnten zusätzlichen transparenten Kunststoff-Schutzschicht 4 von typischerweise 50 µm Dicke versehen ist. Selbst dann ist ein Bruch des Lichtwellen­ leiters nicht völlig auszuschließen. Üblicherweise werden Lichtwellenleiter schon bei ihrer Herstellung mit einer derartigen Schutzschicht 4 versehen. Allerdings hat die Schutzschicht 4 bzgl. der Lichtauskopplung beträchtliche Nachteile:
  • 1. Wegen des größeren resultierenden Duchmessers ist die Strecke, nach der das austretende Licht 9 aus dem Lichtwellenleiter 1 austritt, nahezu verdop­ pelt. Dadurch wird die Kompaktheit und Stabilität der Koppelanordnung verschlechtert.
  • 2. Wegen den nahezu immer vorhandenen Dickenschwan­ kungen und der Exzentrizität der Schutzschicht 4 besitzt der Ursprung des austretenden Lichts 9 eine laterale Positions-Unsicherheit 10 (Fig. 2), da die Lage des Lichtwellenleiters 1 in der Kop­ pelanordnung durch die Außenmaße der Schutzschicht 4 festgelegt ist und da die Schutzschicht 4 im allgemeinen eine schwankende Dicke besitzt. Soll das austretende Licht 9 z.B. mit einer Linse 11 auf einen kleinflächigen Photodetektor oder einen weiteren Lichtwellenleiter, der zum Photodetektor führt, fokussiert werden, so ist in der Regel eine aufwendige Justage erforderlich. Denn an der Stelle 12 entsteht ein nicht von vornherein genau lokalisierbares Bild der Lichtaustrittsstelle. Da die für Schutzschichten 4 verwendeten Kunststoffe bei Druck- u. Temperaturbeanspruchung zu langsamer plastischer Verformung neigen, ist die Langzeit­ stabilität der Koppelanordnung in nachteiliger Weise nicht vorherbestimmbar.
  • 3. Damit in der Schutzschicht nur ein vernachlässig­ barer Teil des ausgekoppelten Lichts absorbiert wird, muß die Schutzschicht hochtransparent sein. Daher dürfen die in der Kabeltechnik derzeit übli­ chen Farbmarkierungen bei Biegekopplern nicht ver­ wendet werden.
Diese grundsätzlichen Schwächen weisen auch andere Varian­ ten des Biegekopplers auf, wie sie z.B. in der US-PS-47 41 585 beschrieben werden. Biegeradien unter ca. 3 mm, die erforderlich sind, um z.B. 60% bis 80% der geführten Lichtleistung aus dem Lichtwellenleiter auszukoppeln, sind wegen der Bruchgefahr des Lichtwellenleiters 1 auch bei vorhandener Schutzbeschichtung nicht im zuverlässiger Weise ausführbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gat­ tungsgemäße Koppelanordnung dahingehend zu verbessern, daß in kostengünstiger und zuverlässiger Weise eine reprodu­ zierbare Ein- sowie Auskopplung von Licht bei einen Licht­ wellenleiter möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Anteil des auszukoppelnden Lichts in einem sehr weiten Be­ reich einstellbar ist.
Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß eine robuste und langzeitstabile Koppelanordnung mit gleichbleibenden Kop­ pelverhältnissen herstellbar ist.
Ein dritter Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das ausgekoppelte Licht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung eine gaußförmige Intensitätsverteilung besitzt, so daß sehr gute optische Abbildungen möglich sind, z.B. beim An­ koppeln weiterer Lichtwellenleiter und/oder weiterer opti­ scher Anordnungen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Fig. 3 bis 6 näher erläutert.
Fig. 3 zeigt einen Lichtwellenleiter 1, z.B. einen Quarz­ glas-Lichtwellenleiter mit einem lichtführenden Kern 2 und einen diesen umgebenden Mantel 3, der einen Außendurchmes­ ser von ungefähr 125 µm besitzt. Der Lichtwellenleiter 1 besitzt eine Übergangsstelle 7, an der Licht ausgekoppelt werden soll und an welcher der Querschnitt des Lichtwel­ lenleiters 1 verringert ist.
Dies ist möglich durch Einkerben mit Hilfe eines Schleif­ prozess oder vorzugsweise durch lokales Erhitzen bis zum Erweichen und anschließendem axialen Ausziehen zu einem sogenannten "bikonischen Taper". Dieses Verfahren zur Durchmesserreduzierung ist z.B. aus der Druckschrift D.T. Cassidy et al, "Wavelength-dependent transmission of mono­ mode optical fiber tapers", Appl. Opt. 24.S.945-946 (1985) bekannt. Vorteilhafterweise erfolgt die Querschnittsredu­ zierung auf 10% bis 50% des ursprünglichen Wertes des Durchmessers. Die Länge L der konischen Bereiche 12 sollte recht kurz sein, vorzugsweise in einem Bereich von 2D bis 4D liegen, wobei D den Außendurchmesser des Mantels 3 be­ zeichnet.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Lichtwellen­ leiter 1 im Bereich der Übergangsstelle 7 bis zum Erwei­ chen erhitzt und um den Knickwinkel 14 abgeknickt. Der Knickwinkel 14 entsteht zwischen der Längsachse 15 des ge­ radlinigen Bereiches und der Längsachse 16 des gekrümmten Bereiches an der Übergangsstelle 7. Nach dem Abkühlen bleibt diese Formänderung erhalten. Im Gegensatz zum Biegekoppler ist der derart plastisch verformte Lichtwel­ lenleiter 1 vorteilhafterweise weitgehend spannungsfrei.
Bei einem typischen Monomodwellenleiter (Lichtwellenlänge λ=1.3 µm, Feldradius w o =4,8 µm) ist ein Winkel 14 zwi­ schen 1 Grad und 4 Grad erforderlich, um zwischen 7% und 70% der im Wellenleiter geführten Lichtleistung auszukop­ peln. Die Abstrahlung erfolgt überwiegend in einem einzi­ gen Strahlungsmodus mit gaußförmigen Intensitätsverlauf in der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung mit einem Diver­ genzwinkel α, der annähernd gegeben ist durch α=λ/(π×w o ×n), wobei n die Brechzahl des Wellenleitermate­ rials ist (bei Quarzglas ist n=1.46).
Dieses Verhalten ist überraschend und vorteilhafterweise für genaue Abbildungen nutzbar.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel, bei welchem die Verringerung des Querschnittes des Lichtwellenleiters 1 an der Über­ gangsstelle 7 durch einen Schleif- und/oder Ätzvorgang er­ folgte.
Gemäß Fig. 5 kann das austretende Licht 9 durch eine ab­ bildende Anordnung 17, z.B. eine Gradientenstablinse, auf einen kleinflächigen Photodetektor oder einen weiteren Lichtwellenleiter 18 fokussiert werden. Damit die gesamte abgestrahlte Lichtleistung aus dem Lichtwellenleiter 1 austritt, ist es notwendig, den Raum zwischen Austritt­ fläche an dem Lichtwellenleiter 1 und der Eintrittsfläche an der abbildenden Anordnung 17 mit einem transparenten Medium 19, z.B. einem Silicongel, auszufüllen, dessen Brechzahl der des Wellenleiters entspricht. Weiter ist es zweckmäßig, den Wellenleiter hinter der Querschnittsredu­ zierung mit einem Radius R zu krümmen, der so groß ist, daß keine weitere Abstrahlung auftritt. Bei einem typi­ schen Monomodewellenleiter muß R 8 mm betragen. Hierdurch kann der Abstand zwischen Übergangsstelle 7 und abbilden­ der Anordnung 17 reduziert werden, was die Stabilität und Kompaktheit der Koppelanordnung erhöht.
Weiterhin ist es möglich, z.B. ein Kunststoffteil mit ent­ sprechend geprägten Vertiefungen zu verwenden, in welche der Lichtwellenleiter 1 sowie zumindest die abbildende An­ ordnung 17 eingelegt und dort möglicherweise befestigt werden, z.B. durch Kleben.
Die beschriebene Koppelanordnung kann auch in umgekehrter Lichtrichtung betrieben werden, d.h. ein auf die Über­ gangsstelle 7 fokussiertes Strahlenbündel wird an der Übergangsstelle 7 zu einem gewissen Anteil in vom Licht­ wellenleiter 1 geführtes Licht umgewandelt. Dieser Sach­ verhalt ist in Fig. 5 durch Doppelpfeile dargestellt.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel, bei welchem die anhand der Fig. 3 bis 5 beschriebenen Anordnungen verwendet werden um in einem Lichtwellenleiter 1, z.B. einem optischen (Lichtwel­ lenleiter-)Datenbus, das von optischen Sendern 20 ausge­ sandte modulierte Licht in den Lichtwellenleiter 1 einzu­ koppeln und/oder in diesem geführtes Licht auszukoppeln und einem optoelektrischen Empfänger 21 zuzuführen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar. Bei­ spielsweise ist es möglich, als Lichtwellenleiter 1 einen Kunststofflichtwellenleiter oder einen sogenannten (Glas­ oder Kunststoff-) Multimode-Gradientenlichtwellenleiter zu verwenden.

Claims (10)

1. Faseroptische Koppelanordnung, zumindest bestehend aus einem Lichtwellenleiter mit einem im wesentlichen geradli­ nigen Bereich sowie einem daran anschließenden gekrümmten Bereich, der einen Krümmungsradius besitzt derart, daß in dem geradlinigen Bereich geführtes Licht in dem gekrümmten Bereich zumindest teilweise aus dem Lichtwellenleiter aus­ koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß zwischen dem geradlinigen Bereich (5) und dem gekrümmten Bereich (6) eine Übergangsstelle (7) vorhanden ist, an welcher Licht auskoppelbar ist und an welcher eine derartige plastische Verfor­ mung des Lichtwellenleiters (1) vorhanden ist,
  • - daß dort die Längsachsen (15, 16) des geradlinigen und des gekrümmten Bereichs ein Knickwinkel (14) kleiner als 20° bilden.
2. Faseroptische Koppelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (1) zumindest an der Übergangsstelle (7) zusätzlich einen verringerten Querschnitt besitzt.
3. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verrin­ gerte Querschnitt durch einen Schleif- und/oder Ätzvorgang entstanden ist.
4. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verrin­ gerte Querschnitt des Lichtwellenleiters durch Erhitzen und axiales Ausziehen zu einem bikonalen Taper entstanden ist.
5. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verrin­ gerte Querschnitt auf einer Länge vorhanden ist, die in einem Längenbereich von 2D bis 4D liegt, wobei D den Außendurchmesser des Mantels des Lichtwellenleiters be­ zeichnet.
6. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht­ wellenleiter (1) einen im wesentlichen kreisförmigen Quer­ schnitt besitzt und aus Glas besteht.
7. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht­ wellenleiter (1) als Monomode-Lichtwellenleiter ausgebil­ det ist.
8. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Über­ gangsstelle (7) eine abbildende Anordnung (17) angekoppelt ist, so daß an der Übergangsstelle (7) austretendes Licht (9) in einen weiteren Lichtwellenleiter (18) und/oder in eine optische Anordnung einkoppelbar ist und/oder daß aus dem weiteren Lichtwellenleiter (18) und/oder der optischen Anordnung austretendes Licht an der Übergangsstelle (7) in den Lichtwellenleiter (1) einkoppelbar ist.
9. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung mindestens ein elektrooptisches und/oder opto­ elektrisches Halbleiterbauelement enthält.
10. Faseroptische Koppelanordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Lichtwellenleiter (1) als Bestandteil eines optischen Nachrichtenübertragungssystems ausgebildet ist.
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