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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Justieren der optischen Kopplung von Lichtwellenleitern und
optischen Bauelementen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw.
dem des Anspruchs 9.
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Bei
der Ankopplung von Lichtwellenleitern an optische Bauelemente, wie
bspw. optische Wellenleitermodule, Lasermodule u.dgl. werden Positioniergenauigkeiten
im sub-μm-Bereich
angestrebt, um eine optimale, verlustleistungsarme Übertragungsverbindung
zu erreichen. Dabei kann ein derartiges Justieren in sechs Freiheitsgraden
erfolgen, nämlich in
drei translatorischen Bewegungen, der Drehung um die Lichtwellenleiterachse
und zwei zueinander senkrechten Schwenkbewegungen der Lichtwellenleiterachse
und des anzukoppelnden Bauelementes relativ zueinander.
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Eine
wesentliche Art der Justierung besteht in dem möglichst nahe aneinander Heranbringen
von Lichtwellenleiterende und optischem Bauelement, ohne daß die beiden
aneinander anstoßen,
was zu Beschädigungen
von Lichtwellenleiter und/oder optischem Bauelement führen könnte. Bei
anderen optischen Bauelementen als Wellenleitermodulen, wie bspw.
Lasermodulen ist es ggf. notwendig, das Lichtwellenleiterende in
einen bestimmten Abstand zum Lasermodul zu bringen, wobei die Toleranzen
hierfür ebenfalls
im Mikrometerbereich anzusiedeln sind. Bei dieser Abstandseinstellung,
sei es in einem bestimmten Abstand oder beim möglichst nahe aneinander Heranführen, ohne
anzustoßen,
ist es außerdem
wichtig, daß die
Lichtwellenleiterachse unter einem bestimmten Winkel zur Achse des
optischen Bauelementes ausgerichtet ist. Diese Art der Justierung
betrifft insbesondere den Winkel der Lichtwellenleiterachse gegenüber dem
optischen Bauelement in der horizontalen Ebene. Bekannt ist es,
diese beiden Arten der Justierung von Hand mittels Mikrometereinheiten
derart vorzunehmen, daß die
Relativbewegung von Lichtwellenleiterende und optischem Bauelement
durch ein Mikroskop beobachtet wird. Diese Art der Justierung ist
umständlich
und zeitaufwendig und dennoch äußerst ungenau.
Wenn das betreffende Lichtwellenleiterende und das optische Bauelement
durch eine Klebeverbindung miteinander verbunden werden sollen,
müssen
die Teile zum Zwischenfügen
des Klebers wieder auseinandergebracht und erneut zusammengefahren
werden. Somit ist es darüber
hinaus nachteilig, daß die
Genauigkeit der Reproduzierbarkeit der vorgenommenen Justage zu
wünschen übrig läßt. Ein
weiterer Nachteil während
der Anwendung einer Klebeverbindung besteht darin, daß die Handjustierung
zu einem relativ breiten Spalt zwischen Lichtwellenleiterende und optischem
Bauelement führt,
so daß eine
zu große Menge
an Klebematerial verwendet werden muß, was den Temperaturgang der
erreichten optischen Kopplung nachteilig beeinflußt.
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In
der
DE 38 88 306 T4 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von polarisationshaltenden
optischen Fasern beschrieben. Dabei erfolgt ein automatisches Einstellen
eines Anfangsabstands zwischen durch Schmelzspleißen zu verbindenden
Endflächen
der Lichtleiter. Dabei wird mit Hilfe einer Kamera lediglich der
Anfangsabstand zwischen den Endflächen der Lichtwellenleiter
festgelegt und eine Grobausfluchtung in O-Richtung durchgeführt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Justieren der optischen Kopplung von Lichtwellenleitern und
optischen Bauelementen der eingangs genannten Art zu schaffen, mit
dem in automatischer Weise im μm-Bereich
eine äußerst genaue
Ankopplung erreichbar ist und die nicht nur einfach und schnell
durchzuführen ist,
sondern die auch eine Reproduzierbarkeit der Justage gewährleistet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum
Justieren der optischen Kopplung von Lichtwellenleitern und optischen
Bauelementen der genannten Art die im Anspruch 1 bzw. im Anspruch
9 angegebenen Merkmale vorgesehen.
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Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist
eine visuelle Beurteilung der Justage (Abstand, Parallelität) durch
das Bedienpersonal vermieden, so daß die Justierung in automatischer
Weise äußerst genau
und reproduzierbar ist. Im Falle eines möglichst nahe aneinander Heranbringens
von Lichtwellenleiterende und optischem Bauelement ist gewährleistet,
daß der
verbleibende Spalt im μm-Bereich äußerst gering
ist und somit nur diejenige Menge an Klebematerial zwischengefügt werden
kann, die unbedingt notwendig ist. Dies bedeutet, daß die Temperaturabhängigkeit
der Kopplung äußerst gering
ist.
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Eine
vorteilhafte Verarbeitung der Kameradaten bzw. ein entsprechend
vorteilhafter Aufbau ergibt sich mit den Merkmalen gemäß Anspruch
2 bzw. Anspruch 10.
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Mit
den Merkmalen des Anspruchs 3 bzw. 11 ist eine optimale Lichtübertragung
erreicht, da auf diese Weise sowohl die externen anzukoppelnden Lichtwellenleiter
als auch der oder die Lichtwellenleiter innerhalb des optischen
Bauelementes miteinander zur Deckung gebracht werden können.
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Eine
optimale Lichtübertragung
an den Kopplungsstellen bezieht sich insbesondere auch auf die zu übertragende
Leistung, was in optimaler Weise durch Verwendung der Merkmale gemäß Anspruch
4 bzw. 12 erreicht ist.
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Ist
der externe Lichtwellenleiter durch eine polarisationserhaltende
Monomodefaser gebildet, so wird zweckmäßigerweise eine Justierung
gemäß den Merkmalen
des Anpruchs 5 bzw. 13 vorgesehen, damit eine Erhaltung der Polaristation
erreicht ist.
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Mit
den Merkmalen gemäß Anspruch
6 bzw. 14 ist eine gute mechanische Verbindung von Lichtwellenleiter
und optischem Bauelement gewährleistet,
was u.a. auf der exakten Reproduzierbarkeit der zuvor vorgenommenen
Justierschritte basiert.
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Für ein einfaches
und zeitsparendes Justierverfahren und eine kostengünstige Vorrichtung
sind die Merkmale gemäß Anspruch
7 und/oder 8 bzw. gemäß Anspruch
15 und/oder 16 vorgesehen.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen,
in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher beschrieben
ist. Es zeigen:
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1 in schematischer Draufsicht
ein optisches Wellenleitermodul mit beidendig angekoppelten Lichtwellenleitern
und
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2 in schematischer Blockdarstellung eine
Vorrichtung zum Justieren der optischen Kopplung von Lichtwellenleitern
und optischem Bauelement in Form des Wellenleitermoduls.
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1 zeigt ein Ankopplungsbeispiel,
an dem das anhand der 2 beschriebene
erfindungsgemäße Verfahren
bzw. die erfin dungsgemäße Vorrichtung
zum Justieren der optischen Kopplung von Lichtwellenleitern, bspw.
Glasfasern, und optischen Bauelementen angewendet werden kann. 1 zeigt als optisches Bauelement
einen Lichtwellenleitermodul 11, der als integrierter optischer
Schaltkreismodul (IOC-Modul) ausgebildet ist und einen Substratträger 12 mit
integrierten Lichtwellenleitern 13 aufweist, an deren Enden
je eine optische Lichtwellenleiter-Anschlußleitung 14, 15 und 16 angekoppelt
ist. Dazu sind die integrierten Lichtwellenleiter 13 des
Lichtwellenleitermoduls 11 nach Art einer Y-Verzweigung
angeordnet und ausgebildet, die an der Einkoppelseite des Lichtwellenleitermoduls 11 einbahnig
beginnt und an der Auskoppelseite zweibahnig endet. Der Lichtwellenleitermodul 11 besitzt
darüber
hinaus der Einkoppelseite zugewandt einen integrierten Polarisator 18 und
der Auskoppelseite zugewandt für
jeden Zweig einen integrierten Phasenmodulator 19.
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Die
Lichtwellenleiter- bzw. Glasfaser-Anschlußenden 14, 15, 16 sind
in Nuten von Lichtwellenleiterhaltern 21, 22 bzw. 23 eingelegt
und bspw. durch Klebung fixiert. Die Lichtwellenleiterhalter 21, 22, 23 sind
mit ihrer mit der Lichtwellenleiterendfläche fluchtenden Stirnfläche 24 möglichst
nahe an den betreffenden Seitenrand 26 bzw. 27 des Wellenleitermoduls 11 herangebracht,
und zwar derart, daß bei
einer Klebeverbindung ein sehr kleiner Spalt im μm-Bereich zur Aufnahme des Klebematerials
verbleibt.
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Mit
Hilfe des in 2 zu beschreibenden Verfahrens
bzw. Vorrichtung soll eine Justierung in einem ersten Schritt dahingehend
erreicht werden, daß die
Stirnfläche 24 des
betreffenden Lichtwellenleiterhalters 21, 22, 23 möglichst
nahe, ohne daß eine
Berührung
stattfindet, an den betreffenden Seitenrand 26 bzw. 27 des
Lichtwellenleitermoduls 11 bzw. von dessen Substratträger 12 herangebracht
wird und daß die
Stirnfläche 24 und
der Seitenrand 26 bzw. 27 parallel zueinander
verlaufen. Dies bedeutet eine Justierung sowohl mit einer translatorischen
Bewegung in Z-Richtung als auch eine Schwenkbewegung der Achse des äußeren anzukoppelnden
Lichtwellenleiters 14, 15 bzw. 16 bzw.
dessen Halter 21,22 bzw. 23 gegenüber der
Achse des integrierten Lichtwellenleiters 13 gemäß Doppelpfeil
A.
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In
einem zweiten Justierschritt soll mit translatorischen Bewegungen
des äußeren Lichtwellenleiters 14, 15 bzw. 16 bzw.
dessen Halter 21, 22 bzw. 23 in X- und
Y-Richtung gegenüber
dem betreffenden Ende des integrierten Lichtwellenleiters 13 eine
optimale Ankopplung hinsichtlich möglichst geringer Leistungsverluste
erreicht werden. Ist der äußere Lichtwellenleiter
eine polarisationserhaltende Monomodefaser, so muß die Ankopplung
unter Erhaltung der Polarisation erreicht werden, welche Justierung durch
eine Drehung des äußeren Lichtwellenleiters bzw.
von dessen Halter um die Faserachse gemäß Doppelpfeil B erfolgt. Da
das Faserende des äußeren Lichtwellenleiters 14, 15 bzw. 16 bereits
in entsprechender Weise in den Halter 21 und 22 bzw. 23 eingebettet
ist, bedarf es hierzu lediglich einer Justierung in äußerst kleinen
Winkelbereichen. Ein sechster Freiheitsgrad bei der Justierung betrifft
die Parallelität
der Stirnfläche 24 des
betreffenden Halters 21, 22, 23 mit dem
Seitenrand 26 bzw. 27 des Lichtwellenleitermoduls 11 nicht
in Draufsicht gemäß 1 wie oben, sondern in Seitenansicht
gemäß 2 gesehen. Beim dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist hierzu keine Justage erforderlich, da die Toleranzen bei der
Herstellung dieser Flächen
von Halter 21, 22, 23 und IOC-Modul ausreichend
gering sind.
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Gemäß 2 ist der Lichtwellenleitermodul 11 in
einer ortsfesten Halterung 31 angeordnet, während der
Halter 21, 22 oder 23 mit dem eingebetteten Faserende
des äußeren Lichtwellenleiters 14, 15 oder 16 in
einer beweglich angeordneten Halterung 32 gehalten ist.
Die bewegliche Halterung 32 ist mit einem 5-Achsen-Manipulator
fest verbunden und von diesem bzgl. fünf Freiheitsgraden verfahrbar
bzw. bewegbar. Dabei ist der Lichtwellenleitermodul 11 in
der ortsfesten Halterung 31 derart angeordnet, daß er entweder
mit seinem Seitenrand 26 oder seinem Seitenrand 27 der
beweglichen Halterung 32 gegenüberliegt, in welcher entweder
der Halter 21 oder der Halter 22 bzw. 23 für eine entsprechende
Verbindungsjustierung angeordnet ist. Die soeben beschriebene Anordnung
der Halterungen 31 und 32 und der Lichtwellenleiterhalter 21 bis 23 bzw.
des Lichtwellenleitermoduls 11 ist hier schematisch in Seitenansicht
zu verstehen.
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Oberhalb
der Anordnung der Halterungen 31 und 32 ist eine
Kamera 36 angeordnet, mit der unter Zwischenschaltung eines
Mikroskops 37 in Draufsicht (wie in 1 dargestellt) die in einem Abstand voneinander
angeordneten, gegenüberliegenden Randbereiche
des Lichtwellenleitermoduls 11 und des betreffenden Halters 21 bis 23 aufnehmbar
sind. Die Kamera 36, die bspw. als schwarz/weiß Aufnahmekamera
ausgebildet ist, ist mit einem Monitor 38 verbunden.
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Aus
den von der Kamera 36 aufgenommenen schwarz/weiß Bildern,
die durch unterschiedliche Grauabstufungen gebildet sind, wird in
einem Bildverarbeitungsrechner 41 sowohl die Stirnfläche 24 des
betreffenden Halters 21 bis 23 als auch der Seitenrand 26 bzw. 27 des
Lichtwellenleitermoduls 11 digital erfaßt und verarbeitet. Der Bildverarbeitungsrechner 41 ist
mit einem Steuerrechner 42 verbunden, der ein Steuerprogramm
in der Weise enthält, daß die gewünschten
Sollwerte der beiden Justierschritte eingegeben sind und diese Sollwerte
jeweils mit den vom Bildverarbeitungsrechner 41 übertragenen
Istwerten verglichen werden können.
Ausgangsseitig ist der Steuerrechner mit dem 5-Achsen-Manipulator 33 zu
dessen Ansteuerung verbunden. Es versteht sich, daß Bildverarbeitungsrechner 41 und Steuerrechner 42 auch
zu einer einzigen Rechnereinheit verbunden sein können.
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Mit
Hilfe dieser Anordnung wird zur Ankopplung sowohl der Abstand d
von Stirnfläche 24 und Seitenrand 26 bzw. 27 äußerst präzise und
reproduzierbar im μm-Bereich
(d = 0 oder d ≠ 0)
als auch die Parallelität
von Stirnfläche 24 und
Seitenrand 26 bzw. 27 in horizontaler Ebene (gemäß 1 in Zeichnungsebene) justiert.
Dazu werden laufend oder inkremental die von der Kamera gesendeten
Bilder im Rechner 41 verarbeitet und die jeweilige Anordnung von
Stirnfläche 24 und
Seitenrand 26 bzw. 27 als Istwerte dem Steuerrechner 42 zugeführt, der
den Manipulator 33 nach einem Soll-/Istwertvergleich entsprechend
ansteuert und den Halter 21, 22 oder 23 auf
den Lichtwellenleitermodul 11 zubewegt und/oder gemäß Doppelpfeil
A (1) verschwenkt.
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Ist
eine entsprechende Justierung vorgenommen worden und sind ggf. die
noch zu beschreibenden weiteren Justierschritte durchgeführt worden,
wird der Halter 21, 22 oder 23 vom Lichtwellenleitermodul 11 zum
Zwischenfügen
von Klebematerial wegbewegt und in die gespeicherte Justierposition dann
zur Klebeverbindung zurückbewegt.
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Um
die weiteren Justierschritte in weiteren 3 Freiheitsgraden durchführen zu
können,
ist dem oder einem der benachbarten Enden des integrierten Lichtwellenleiters 13 in
einem Abstand gegenüberliegend
eine Auskopplungslinse 46 angeordnet, deren Abstand von
den Daten des Laserlichts abhängig
ist, das über
den äußeren Lichtwellenleiter 14, 15 bzw. 16 von
einem Lasermodul 48 (Laser, Koppler, Detektor) übertragen
wird. Der Lasermodul 48 ist mit einer Versorgungsspannung 49 verbunden.
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Der
vom Lichtwellenleitermodul 11 über einen der integrierten
Lichtwellenleiter ausgesandte und von der Auskoppellinse 46 erfaßte optische Strahl
wird über
einen Polarisationsstrahlteiler 51 sowohl einem Detektor 52 als
auch einem Detektor 53 zugeführt, deren Ausgänge einem
Zweikanal-Optometer 54 zugeführt werden. Das Optometer 54 seinerseits
ist ausgangsseitig mit dem Steuerrechner 42 verbunden,
der mit einer UV-Lampe 56 verbunden ist.
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Mit
der Anordnung von Auskoppellinse 46, erstem Detektor 53 und
Optometer 54 wird eine Justierung dahingehend erreicht,
daß eine
optimale Lichtübertragung
von dem äußeren Lichtwellenleiter 14, 15 bzw. 16 auf
den integrierten Lichtwellenleiter 13 des IOC-Moduls 11 bzw.
umgekehrt stattfindet. Dazu wird der Lichtwellenleiterhalter 21, 22 bzw. 23 vom
Manipulator 33 mäanderförmig in
den beiden zueinander senkrechten Ebenen des Koordinatensystems
in X- und Y-Richtung solange bewegt, bis ein Optimum an Lichtübertragung
zwischen äußerem und
innerem Lichtwellenleiter erfolgt.
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Ist
der äußere Lichtwellenleiter 14, 15 bzw. 16 durch
eine polarisationserhaltende Monomodefaser gebildet, so ist es notwendig,
die Ankopplung insoweit zu justieren, daß die Polarisation über die
Verbindungsstelle (Kopplerstelle) erhalten bleibt. Hierzu sind der
zweite Detektor 52 und der Strahlenteiler 51 vorgesehen.
Der Polarisationsstrahlenteiler 51 ist so ausgelegt, daß er bspw.
den waagerechten Polarisationsanteil zum Detektor 52 hin
ablenkt und den senkrechten Polarisationsanteil des Lichtes zum
Detektor 53 durchläßt, oder
umgekehrt. Je nach dem, ob man den betreffenden Polarisationsanteil
erfassen will oder nicht, wird dieser zum Detektor 53 oder zum
Detektor 52 hin gelenkt. Wenn also der Detektor 52 vom
Polarisationsanteil, den man in dem betreffenden Licht nicht haben
möchte,
ein Minimum erfaßt, so
erfolgt daraus eine optimale Justage hinsichtlich der Polarisationserhaltung,
was dadurch bewirkt bzw. eingestellt wird, daß der äußere Lichtwellenleiter bzw.
dessen Halter 21, 22 bzw. 23 um die Lichtwellenleiter-
bzw. Faserachse vom Manipulator 33 gedreht wird (Doppelpfeil
B in 1). Es versteht sich,
daß dieser
zweite Detektor 52 dann nicht notwendig ist, wenn eine
Monomodefaser ohne Polarisation mit dem Modul 11 zu verbinden
ist.
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Beim
beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist die Justierung nach fünf
Freiheitsgraden an der Ankopplung von äußeren Lichtwellenleitern 14, 15, 16, deren
Ankopplungsenden in einem Halter 21 bis 23 eingebettet
und fixiert sind, mit einem Wellenleitermodul 11 beschrieben.
Es versteht sich, daß es
auch möglich
ist, in erfindungsgemäßer Weise
Lichtwellenleiter, die nicht in einem derartigen Halter 21 bis 23 fixiert
sind, mit einem optischen Bauelement unter genauer Justierung anzukoppeln.
Es ist ferner möglich, die
Erfindung auch an anderen optischen Bauelementen als den beschriebenen
IOC-Modul, wie bspw. an Lasermodulen anzuwenden. Es versteht sich
ferner, daß auch
die Anzahl der am optischen Bauelement anzukoppelnden Lichtwellenleiterenden keine
Rolle spielt. Desweiteren ist eine derartige Justierung bei den
vorgenannten Varianten statt in fünf auch in sechs Freiheitsgraden
möglich.
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Außerdem ist
es mit der erfindungsgemäßen Justierung
auch möglich,
andere Verbindungen als Klebeverbindungen von äußeren Lichtwellenleiterenden
und dem betreffenden der optischen Bauelemente vorzunehmen.