DE4005380A1 - Optische kopplungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Kopplungsvorrichtung zum Ankoppeln einer im wesentlichen punktförmigen Licht­ quelle an eine Einmoden-Lichtleitfaser mit einer ersten optischen Achse. Sie betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Ankoppeln eines Laserstrahls einer Punktlichtquelle an eine optische Faser, insbesondere Glasfaser.

Das wirksame Einkoppeln des Lichtstrahls eines Festkörper­ lasers in eine optische Einmoden-Faser hat beträchtliches Interesse gefunden. Mit Festkörperlasern werden typisch In­ frarot-Strahlen in einem Wellenlängenbereich von 1 µm und mit einem Ausbreitwinkel von etwa 20 bis 40° erzeugt. Diese großen Strahlausbreitwinkel müssen auf Werte von normaler­ weise weniger als 5° reduziert werden, um die Strahlen wirkungsvoll in Einmoden-Fasern einkoppeln zu können. Die Verwendung einer Einmoden-Faser - anstelle einer Mehr­ moden-Faser - wird in der optischen Nachrichtenübertragung bevorzugt, wenn Geschwindigkeitsdispersionen im fortge­ pflanzten Lichtsignal eliminiert oder wenigstens reduziert werden sollen. Diese Dispersion kann die brauchbare Band­ breite des Übertragungssignals stark vermindern, was äu­ ßerst unerwünscht ist.

Es sind bereits verschiedene Systeme zum wirkungsvollen Einkoppeln von Festkörperlasern in Einmoden-Fasern vorge­ schlagen und erprobt worden. Manche dieser Systeme haben sich in der Praxis auch bewährt. Die besten Kopplungskoef­ fizienten, die bisher erreicht worden sind, liegen jedoch maximal nur bei etwa 50%. Viele der Kopplungssysteme enthal­ ten Einzellinsen, ein Linsenpaar oder GRIN-Linsen zum Fo­ kussieren des Laserausgangsstrahls auf den Kern einer opti­ schen Faser. Vier- bis siebenfache Vergrößerungen vermin­ dern den Austrittsöffnungswinkel der Linse auf praktikable Größen. Die Linsen sind bevorzugt klein, das heißt, sie haben einen Durchmesser von 1 mm oder weniger.

Es ist schwierig, Linsen in dieser Größe - außer bei einfa­ chen Formen - herzustellen. In Kopplerkonstruktionen sowohl mit Einzel- als auch mit Doppellinsen werden im allgemeinen kleine sphärische Linsen bzw. Kugellinsen eingesetzt. Die Herstellung von kleinen Linsen mit konkaven oder asphäri­ schen Oberflächen ist schwierig und kostenaufwendig. Kon­ kave oder asphärische Linsen werden dazu verwendet, um Aber­ rationen zu korrigieren. Sphärische Aberrationen dritter Ordnung stellen das wichtigste Problem dar, das zum Er­ reichen einer höheren Koppelgüte überwunden werden muß, besonders wenn sphärische Linsen verwendet werden. Durch alle sphärischen, konfokalen Zwei-Linsen-Koppler-Konstruk­ tionen wird die sphärische Aberration in gewissem Maße ver­ mindert; auf diese Weise können daher die besten bisher bekannten Koppelgütegrade erzielt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Koppelsystem zum Einkoppeln der von einer im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle kommenden Strahlung in eine Ein­ moden-Lichtleitfaser mit verbessertem Wirkungsgrad bzw. mit verbesserter Koppelgüte zu schaffen. Die erfindungsgemäße Lösung wird im Patentanspruch 1 angegeben. Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den übrigen Ansprüchen beschrieben.

Zu der Vorrichtung zum Ankoppeln einer eine erste optische Achse aufweisenden Lichtquelle an eine Einmoden-Lichtleit­ faser gehört erfindungsgemäß eine Halbkugellinse mit einer planaren und einer sphärischen Oberfläche. Diese Linse be­ sitzt eine zweite optische Achse, die senkrecht auf der planaren Oberfläche steht. Ferner gehört zu der Kopplungs­ vorrichtung eine Kugellinse mit einer dritten optischen Achse. Schließlich umfaßt die Vorrichtung Mittel zum Posi­ tionieren der Halbkugellinse mit der Lichtquelle zuge­ wandter, planarer Oberfläche sowie der Kugellinse im Raum zwischen der sphärischen Oberfläche der Halbkugellinse und der optischen Faser. Die drei optischen Achsen werden im wesentlichen gefluchtet, und die Linsen werden so dimensio­ niert und relativ zur Lichtquelle und optischen Faser ange­ ordnet, daß aus der Lichtquelle kommendes Licht für die Aufnahme durch die Lichtleitfaser fokussiert wird.

Nach der erfindungsgemäßen Lehre wird die optische Arbeit auf zwei Linsen aufgeteilt - die erste Linse erzeugt ein virtuelles Zwischenbild -, um die Strahlen so nahe wie mög­ lich an der optischen Achse zu halten, und bevorzugt ein Linsenmaterial mit relativ hohem Brechungsindex eingesetzt. Da die Halbkugellinse die Strahlen nicht sammelt, sondern ausbreitet, erscheint es widersinnig, eine Halbkugellinse zu verwenden. Die Kombination mit der Kugellinse und die im folgenden beschriebene, bevorzugte Optimierung der gesamten erfindungsgemäßen Linsenkombination, die Linsenradien und die gegenseitigen Abstände der einzelnen Elemente mit Bezug auf den divergierenden Ausbreitwinkel der Punktlichtquelle führen jedoch zu einem Kompromiß der sich scheinbar wider­ sprechenden Faktoren. Die sphärische Aberration hängt direkt ab von der geometrischen Abmessung in der paraxialen (achsennahen) Vergrößerung. Daher soll erfindungsgemäß die kleinstmögliche Größe für die Linsen und deren Abstände gewählt werden, und die Vergrößerung soll so klein wie möglich ohne Verschlechterung der Einmoden-Kopplung gehal­ ten werden.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Halbkugellinse und einer Kugellinse in der angegebenen Weise wird eine Konfiguration geschaffen, die relativ unempfindlich gegen­ über Abstandsänderungen zwischen den Linsen ist und deren Koppelgüte eine relativ große Toleranz betreffend die Aus­ richtung der Linsen untereinander und in bezug auf die Lichtquelle erlaubt. Selbst bei deutlichen Fehlausrichtun­ gen der Linsen läßt das erfindungsgemäße Koppelsystem beim Einkoppeln des Lichtstrahls einer Laserdiode in eine Ein­ moden-Lichtleitfaser mit einem Kerndurchmesser von größen­ ordnungsmäßig 10 µm Koppelgüten bzw. Kopplungswirkungs­ grade von mehr als 60% schon ohne Antireflex-Beschichtung der Linsen zu.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispie­ len werden nachfolgend Einzelheiten der Erfindung erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Koppelvorrichtung;

Fig. 2, 4, 6, 8 und 10: verschiedene Linsenzuordnungen einer Vorrichtung entsprechend Fig. 1 mit compu­ ter-berechneten Strahlenwegen;

Fig. 3, 5, 7, 9 und 11: Diagramme entsprechend den Fig. 2, 4, 6, 8 und 10, die die Koppelgüte zwischen punktförmiger Lichtquelle und Eingang der Licht­ leitfaser in Abhängigkeit vom Faserdurchmesser (aber ohne Berücksichtigung einer Antireflex-Be­ schichtung der Koppellinsen) wiedergeben; und

Fig. 12a und 12b: optische Konstruktionszeichnungen zur Erläuterung von der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien.

In Fig. 1 wird eine Zwei-Linsen-Konstruktion dargestellt, die vorzugsweise aus Saphir bestehende Halbkugel- und Kugel­ linsen 10 bzw. 12 enthält, die die sphärische Aberration weiter vermindern und die - der geometrischen Optik entspre­ chend - eine beträchtliche Verbesserung der Koppelgüte ei­ ner Einmoden-Lichtleitfaser 14 in bezug auf eine Licht emit­ tierende Vorrichtung 16, z.B. eine Laserdiode, bringen. Die Linsen 10 und 12, eine Faser 14 und eine Diode 16 werden durch eine Koppelapparatur 18 aufgenommen. Der Aufbau der Apparatur 18 ist für die Erfindung nicht wesentlich, es kann daher jede bekannte Konstruktion zum Aufnehmen und Ausrichten der Linsen 10 und 12, der Faser 14 und der Diode 16 eingesetzt werden.

Nach Fig. 12a fällt ein Strahl 120 von einer Punktlichtquel­ le 122 unter einem Winkel γ auf eine Oberfläche 124 einer Kugellinse 121. Das Licht wird durch die Linse 121 als Strahl 126 in die Linse gebrochen. Der Strahl 126 wird an der Oberfläche 124 a aus der Linse 121 heraus um den Win­ kel γ als Strahl 128 gebrochen. Die Linse 121 besitzt eine optische Achse 130. Obwohl nur ein einziger Strahl 120 dar­ gestellt ist, symbolisiert er ein Strahlenbündel innerhalb eines Strahlenkegels. Jeder Strahl 120 des Bündels fällt auf die Oberfläche 124 der Linse 121. Der Winkel γ wird spitzer (kleiner), wenn der am weitesten außen liegende Strahl 120 des Strahlenbündels bzw. -konus in einer Zone auf die Oberfläche 124 trifft, in der er nahe der Tangente der Oberfläche 124 verläuft. Natürlich wird ein tangentia­ ler Strahl nicht in die Kugel gebrochen. Die nächstbenach­ barten Strahlen werden es aber. Der Eintrittswinkel dieser benachbarten Strahlen ist jedoch relativ klein.

Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Erkennt­ nis eines Problems zugrunde, das der relativ spitze Winkel der peripheren Strahlen, also der Hülle des Strahlenkonus der Quelle 122 zur Folge hat. Diese Strahlen neigen wegen der allgemein auftretenden Abbildungsfehler (Aberrationen) der sphärischen Linse dazu, in eine Richtung weg von der Parallelität zur optischen Achse 130 abgelenkt zu werden. Im vorliegenden Fall werden die Randstrahlen so gebrochen, daß sie nicht in einem gemeinsamen Brennpunkt gesammelt werden. Die durch Aberration verursachten Brechungs-Verzer­ rungen haben eine verminderte Koppelgüte des von der Quelle 122 kommenden Lichts in der Lichtleitfaser zur Folge.

Als Beispiel wird angenommen, daß der Strahl 134 nach Fig. 12a auf einen Teil der Oberfläche 124 nahe der Tangente fällt. Der Strahl 134 kann dann - wie dargestellt - als gebrochener Strahl 136 und 138 weiter - am Brennpunkt 132 vorbei - laufen und so einen entsprechenden Energieverlust zwischen der Lichtquelle 122 und dem Brennpunkt 132 bzw. der Lichtleitfaser zur Folge haben. Ein von der Quelle 122 innerhalb eines relativ großen Kegels erzeugter Strahl wird also zu einem beträchtlichen Anteil verzerrt und geht bei Verwendung einer Kugellinse 121 verloren. Zum Verbessern der Koppelgüte sind schon Systeme mit zwei Kugellinsen verwendet worden, die Koppelgüten wurden dadurch aber nicht wesentlich verbessert.

Fig. 12b zeigt eine Halbkugellinse 151 mit einer planaren Oberfläche 150 und einer sphärischen Oberfläche 152. Von einer Punktlichtquelle 154 fällt ein Strahl 156 unter einem Winkel α auf die planare Fläche 150. Der Einfallswinkel α des Strahls 156 auf der Oberfläche 150 ist gleich dem Austrittswinkel α ₁ des Strahls 158, der gebrochen aus der sphärischen Oberfläche 152 der Linse austritt. Der sich durch die Halbkugel fortpflanzende Strahl 160 wird wegen der Differenz der Brechungsindices des Materials im Ver­ gleich zur Umgebung etwas abgelenkt, er neigt also dazu, relativ zur Punktlichtquelle 154 zu divergieren; die Diver­ genz setzt sich im austretenden Strahl 158 fort. Als Folge des Brechungswinkels α ₁ bleibt jedoch der Ablenkwinkel β des Strahls 158 relativ zu einer Parallelen der opti­ schen Achse 162 der Linse 151 relativ klein, beispielsweise kleiner als 10°, im allgemeinen etwa bei 5°. Die Mantel­ fläche des von der Quelle 154 kommenden Lichtkonus, die auf die planare Fläche 150 auftrifft, zeigt divergierende Brechungswinkel entsprechend dem Winkel α. Mit zunehmen­ dem Winkel α wird der Wert von β ebenfalls größer.

Ein erfindungsgemäßer Aspekt der sphärischen und halbsphä­ rischen Linsen besteht darin, daß die Linsen bevorzugt aus einem Material mit einem möglichst hohen Brechungsindex hergestellt werden, um die Koppelgüte des Systems zu ver­ bessern. Normalerweise besitzt die Mantelfläche des von einer Lichtquelle 16 nach Fig. 1 kommenden Lichtkegels ei­ nen Ausbreitwinkel von etwa ± 24°, was relativ viel ist. Wenn ein Linsenmaterial mit relativ hohem Brechungsindex ausgewählt wird, kann für eine gegebene Punktlichtquelle und einen gegebenen Ausbreitkonus der Lichtquelle eine re­ lativ größere Linse als bei Materialien mit kleinerem Bre­ chungsindex verwendet werden. Beispielsweise hat Glas einen durchschnittlichen Brechungsindex von n = 1,5, während Saphir einen Brechungsindex von etwa n = 1,7 besitzt. Glas würde daher für eine bestimmte Anwendung bei einer bestimm­ ten Laserdiode eine kleinere Linse zum Erreichen derselben Koppelgüte wie eine Saphirlinse erfordern. Kleinere Linsen neigen jedoch zu erhöhter Aberration und Verzerrung. Sphärische und halbsphärische Linsen - also Kugel- und Halbkugellinsen - sind wünschenswert, weil die Strahlen, die sich durch das Linsenmedium fortpflanzen und durch das Medium in etwa parallel zueinander brechen, ein im wesent­ lichen kollimiertes (paralleles) Strahlenbündel ergeben. Diese Linsen sind außerdem billiger herzustellen als asphä­ rische oder konkave Linsen. Die schließlich von der Kugel­ linse in das Umgebungsmedium gebrochenen Strahlen konver­ gieren in einem Brennpunkt.

Bei Verwendung von Lasern, die Infrarot-Licht, z.B. mit einer Wellenlänge von 1,1 µm emittieren, ist es allgemeine Praxis, Lichtleitfasern mit einem Kerndurchmesser von etwa 10 µm einzusetzen, die das Licht nur in einer Einzelmode fortpflanzen. Größere Kerndurchmesser, z.B. 20 µm oder mehr, pflanzen das Licht in vielen Moden fort, was dazu führt, daß das Licht beispielsweise bei relativ hohen Daten­ übertragungsgeschwindigkeiten verzerrt werden kann. Eine Lichtleitfaser mit einem Kerndurchmesser von 10 µm erfor­ dert jedoch wegen seiner relativ geringen Weite eine ent­ sprechend scharfe Fokussierung des Linsen-Koppelsystems.

Wegen der sphärischen Aberration in herkömmlich verwende­ ten, sphärischen Linsen bzw. Kugellinsen, ist die Koppel­ güte innerhalb des oben genannten Bereichs niedriger als wünschenswert. Die Aberration in einer sphärischen Linse führt zu einem paraxialen (achsennahen) Bild, in dem ver­ schiedene, von der Kugellinse kommende Strahlen die opti­ sche Achse mit Abstand voneinander kreuzen und Scheinbrenn­ punkte bilden. Während es ideal wäre, alle aus der sphä­ rischen Linse kommenden Strahlen in einem gemeinsamen Brenn­ punkt zu sammeln, speziell mit Blick auf den erwünscht klei­ nen Durchmesser (10 µm) der optischen Faser, führt das par­ axiale Bild zu einem Auseinanderlaufen der Strahlen und damit zu einer verminderten Koppelgüte.

Wie oben in Verbindung mit der Kugellinse nach Fig. 12a angegeben wird, verursachen die relativ spitzen Einfalls­ winkel der peripheren Strahlen des auftreffenden Lichts einen vergrößerten Abstand der Extreme des paraxialen Bil­ des, was zu einer weiteren Verminderung der Koppelgüte führt.

Wie in Fig. 12b gezeigt wird, neigen die Strahlen dazu, sich beim Verlassen der Halbkugelseite des Linsenkörpers aufzufächern. Normalerweise ist ein solches Auffächern in einem optischen Kopplungssystem unerwünscht. Nach den gel­ tenden Erkenntnissen sollen die Linsen die Strahlen so nahe wie möglich an der Achse halten. Durch diese Nähe von Strah­ len und optischer Achse soll die Konvergenz der Strahlen am Brennpunkt und damit am Eingang der empfangenden optischen Faser verstärkt werden. Das Auffächern der Strahlen, etwa des Strahls 158 von Fig. 12b ist daher das Gegenteil von dem, was bei herkömmlichen optischen Kopplungssystemen zum Erreichen der erwünschten Fokussierung verlangt wird.

Erfindungsgemäß schafft jedoch die Kombination einer halb­ sphärischen Linse (Halbkugellinse) mit einer sphärischen Linse (Kugellinse), die koaxial auf einer gemeinsamen opti­ schen Achse fluchten, beine beträchtliche Verbesserung der Koppelgüte zwischen einer Punktlichtquelle, z.B. einer Halb­ leiterlaserdiode, und einer Einmoden-Lichtleitfaser.

Es kann gezeigt werden, daß ein rechnergestütztes Linsen­ konstruktionsprogramm, in welchem Gleichungen der geometri­ schen Optik nach dem Stande der Technik verwendet werden, dazu benutzt werden kann, die Linsendimensionen und -ab­ stände zu optimieren. Ein solches Programm schließt das Durchrechnen der geometrischen Strahlen für einen Gauß-La­ ser mit einem vollen (1/e) Leistungswinkel von 40°, das ist der Winkel, unter dem die Strahlen senkrecht zu der Übergangsebene des Lasers emittiert werden, ein. Der Be­ griff "Gauß-Laser" weist auf das gewöhnlich als glockenför­ mige Gauß-Kurve geformte Profil der Intensität eines von einem Laser längs der Übergangsebene emittierten Fernfeld­ strahls hin. Die vorstehenden Rechnungen ergeben, ohne daß Beugungseinflüsse berücksichtigt werden, eine Koppelgüte von etwa 57% bis - bei den besten sphärischen konfokalen Konstruktionen - etwa 67%, wenn die erfindungsgemäße opti­ sche Kopplungsvorrichtung eingesetzt wird.

Der optische Transmissionskoeffizient, d.h. Reflexionsver­ lust, für zwei Saphirlinsen beträgt etwa 27%, wobei der Verlust an jeder Oberfläche bei etwa 6,9% liegt. Es tritt also fast das gesamte übertragene Licht in einen Einmo­ den-Faserkern ein. Eine einzelne Antireflexions-Beschich­ tung auf den Saphir-Flächen sollte nach der oben genannten, computergestützten, auf der geometrischen Optik basierenden Annäherungsrechnung zu einer Koppelgüte von 94% führen. Demgegenüber besteht die beste sphärische konfokale Kon­ struktion aus Saphir- und Glasmaterialien, eine solche Kom­ bination kann - unbeschichtet - als Folge von Reflexions­ verlusten aber ohne Berücksichtigung von Aberrations- oder Beugungs-Verlusten, eine maximale Transmission von etwa 78% besitzen. Eine Antireflex-Beschichtung auf den Linsen kann die Koppelgüte bei Verwendung von zwei Kugellinsen bis in einen Bereich von 57 bis 79% verbessern.

Diese Prozentangaben berücksichtigen noch nicht Beugungs­ verluste der Linsen. Die Beugungseffekte können den ange­ sprochenen Wirkungsgrad um etwa 5 bis 10% verringern, wenn zwei Kugellinsen nach dem Stand der Technik oder nach der Erfindung eine Halbkugellinse kombiniert mit einer Kugel­ linse als Koppelsystem verwendet werden. Eine Halbkugel­ linse kombiniert mit einer Kugellinse verbessert den Wir­ kungsgrad jedoch, wenn die Beugung berücksichtigt wird, weil die Wellenfront-Störung vermindert wird.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Halbkugellinse 20 mit einem Radius von etwa 0,3 mm und einer Kugellinse 22 mit einem Radius von etwa 1,142 mm, beide ohne Antreflex-Beschich­ tung. Der Abstand d zwischen den einander zugewandten sphä­ rischen Oberflächen der beiden Linsen beträgt etwa 0,20 mm. Die optischen Achsen der Linsen 20 und 22 sind koaxial. Die planare Oberfläche der Linse 20 steht senk­ recht zu den koaxialen, fluchtenden Achsen. Eine Einmo­ den-Lichtleitfaser 24 mit einem Kerndurchmesser von etwa 10 µm wird mit einem Abstand Z von einer Punktlichtquelle 26 angeordnet.

Die Strahlen 28 nach Fig. 2 zwischen der Quelle 26 und dem Brennpunkt 36 entsprechen den Strahlen, die durch die oben erläuterten, rechnergestützten Schätzungen ermittelt wur­ den. Die Strahlen werden auf einem durch Computer betrie­ benen Plotter aufgezeichnet und bilden einen Verlauf wie bei Standard-Rechnungen der geometrischen Optik. Die Strah­ len werden in 4°-Stufen in einem Bereich von ± 24° mit ins­ gesamt 12 Strahlenaufzeichnungen geplottet. Wie darge­ stellt, divergieren die Strahlen 28 im Bereich 30 etwas, jedoch nähern sie sich in der Zone 32 innerhalb der Kugel­ linse 22 einem kollimierten Strahl an, obwohl noch etwas Divergenz auftritt. Die bei Austritt aus der Linse 22 in der Zone 34 gebrochenen Strahlen konvergieren im Brennpunkt 36, so daß sie in die Faser 24 eintreten können.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Koppelgüte in Prozent in Ab­ hängigkeit vom Faser-(Kern)-Durchmesser in µm für die Lin­ senkonfiguration nach Fig. 2. Der Abstand zwischen den Lin­ sen beträgt d = 0,20 mm, der Ausbreitwinkel des Laser­ strahls beträgt anfangs ± 24°. Die Laserneigung beträgt 0°; sie bezeichnet den mittleren Winkelabstand des vom Laser emittierten Strahls in bezug auf die optische Achse.

In Fig. 3 zeigt beispielsweise die Kurve 301 den Verlauf der Koppelgüte. Diese wird mit Bezug auf den Faser-(Kern)- Durchmesser einer Einmoden-Lichtleitfaser als Empfänger auf­ gezeichnet. Die andere Zahlengruppe gibt für jede Kurve die Abstände Z der Faser 24 von der Punktlichtquelle 26 (Fig. 2) an. Für die verbreitet benutzten und erwünschten Licht­ leitfasern mit einem Kerndurchmesser von 10 µm, der für Infrarot-Laserdioden der oben genannten Wellenlänge ideal geeignet ist, beträgt die Koppelgüte bei Verwendung eines Zwei-Linsen-Systems nach Fig. 2 mit der dort angegebenen Dimensionierung unter Verwendung von Saphir-Linsen 67% bei einem optimalen Abstand Z = 5,01 mm. Dieser Wert ist mit einer Koppelgüte von etwa 57% für ein System nach dem Stand der Technik mit zwei Kugellinsen zu vergleichen.

Die Koppelgüte steigt zwar bei einem Faserdurchmesser von 20 µm, eine solche Faser ist aber wegen der Vielmoden-Trans­ mission nicht so geeignet wie eine Faser mit einem Durch­ messer von 10 µm. Wie gezeigt, ist der Abstand Z = 5,01 mm (Kurve 301) bei Verwendung einer Faser mit einem Durchmes­ ser von 10 µm optimal - im Sinne der Lösung der der Erfin­ dung zugrundeliegenden Aufgabe - für die Übertragung von Licht in die Faser.

Die Kurve 300 nach Fig. 3 zeigt die Koppelgüte für den Fall, daß der Faseroptik-Empfänger in einer Entfernung von Z = 5,11 mm von der Lichtquelle angeordnet wird. Für einen Faserdurchmesser von 10 µm ist dann der Wirkungsgrad etwas kleiner als 50%. Die Kurven 302, 303 und 304 zeigen Koppel­ güten für verschiedene Z-Abstände. Die Koppelgüten für eine Faseroptik von 10 µm Durchmesser fallen beträchtlich ab. Jedoch bei Vergrößerung des Faserdurchmessers steigen die Koppelgüten für die anderen Fasern an, weil sich eine bessere Konvergenz der Strahlen am Brennpunkt ergibt. Die Kurve 304 zeigt beispielsweise den Verlauf der Koppelgüte für den Fall, daß die Faser in einer Entfernung von Z 4,81 mm von der Strahlenquelle angeordnet wird, wobei eine Faser mit einem Durchmesser von mindestens 30 µm die maxi­ male Koppelgüte erreicht.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, das ähnlich demjenigen von Fig. 2 ist und sich davon unterscheidet, daß die Kugellinse 400 näher an der Halbkugellinse 401, nämlich in einem Abstand von 0,050 mm, angeordnet wird. Die nach demselben Programm wie Fig. 3 hergestellte Fig. 5 zeigt, daß im Verlauf der Kurve 500 bei einem Abstand von Z 5,3 mm (optimales Z unter diesen Bedingungen) die Koppel­ güte bei einer Faser mit einem Durchmesser von etwa 10 µm ebenfalls 67% beträgt. Dieses Diagramm beweist, daß der relative Abstand zwischen den sphärischen Oberflächen der Kugellinse und der Halbkugellinse nicht kritisch ist.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird eine Halbkugellinse 600 dargestellt, deren planare Oberfläche 601 relativ zur Optischen Achse der beiden Linsen geneigt ist. Laut der Zeichnung soll die mit der optischen Achse 604 der Kugel­ linse 602 gefluchtete Mitellinie der planaren Oberfläche 601 umd 10° geneigt sein. Im Ausführungsbeispiel wird der Brennpunkt 606 positiv in der dargestellten X-Richtung um 0,0764 mm versetzt. Diese Verlagerung wird beim Justieren der Position der empfangenden Faser berücksichtigt.

Fig. 7 zeigt, daß sich für eine Entfernung Z = 5,15 mm und eine optische Faser mit einem Kerndurchmesser von etwa 10 µm eine Koppelgüte von 65% ergibt. Eine Verdrehung der Halbkugellinse 600 relativ zur Kugellinse 602 führt also nicht zu einer nennenswerten Verminderung der Koppelgüte gegenüber den Fällen nach Fig. 2 und 4, vorausgesetzt, daß die Faser relativ zur optischen Achse 604 - wie darge­ stellt - etwas versetzt wird. Die Kurve 700 nach Fig. 7 zeigt die Koppelgüte für einen Faserempfänger mit einem Abstand Z = 5,15 mm von der Punktlichtquelle. Die übrigen Kurven von Fig. 7 entsprechen anderen Z-Abständen, die bei Faserdurchmessern von 10 µm verminderte Koppelgüten zur Folge haben.

Fig. 8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, in welchem sowohl die Halbkugellinse 800 als auch die Kugellinse 802 in der X-Richtung 804 relativ zur Punktlichtquelle 808 ver­ setzt werden. Der Versatz in der X-Richtung hat im Ausfüh­ rungsbeispiel einen Wert von ± 0,050 mm. Die optische Achse des projezierten Strahls 805 wird in Richtung auf die Ober­ kante der Zeichnung geneigt. Der Brennpunkt 810 gelangt in einen Abstand X = 0,33 mm von der Fluchtlinie der opti­ schen Achse 806 der Punktlichtquelle 808.

Die Zeichnung nach Fig. 9 entspricht der Zeichnung nach Fig. 8 und zeigt, daß der optimale Abstand Z des Brenn­ punktes 810 der Linsenkombination 800/802 von der Punkt­ lichtquelle 808 5,16 mm beträgt. Hierfür ergibt sich eine Koppelgüte von 63% bei einem Faserdurchmesser von etwa 10 µm. Dabei wird die Faser - dem Brennpunkt 810 folgend - in einem Abstand von X = 0,33 mm von der optischen Achse 806 positioniert. Die restlichen Kurven von Fig. 9 zeigen eine beträchtliche Verminderung der Koppelgüten für opti­ sche Faserempfänger dieser Größe. Beispielsweise die Kurve 902 zeigt, daß die Koppelgüte für einen Faserdurchmesser von 10 µm nur noch etwa 35% beträgt, wenn die Faser in ei­ nem Abstand von 5,26 mm von der Punktlichtquelle angeord­ net wird. Wie dargestellt, besitzt eine Faser mit einem Durchmesser von 20 µm eine Koppelgüte von mehr als 60%, wenn die Empfangsseite der Faser in einem Abstand Z 5,26 mm angeordnet wird. Eine Faser mit einem Durchmesser von 30 µm liefert eine Koppelgüte von über 60% in einem Abstand von Z = 5,06 mm.

Fig. 10 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel und illu­ striert den Fall einer um 10% geneigten und um X = 0,050 mm relativ zur optischen Achse 100 versetzten Halbkugellinse. Fig. 11 zeigt die entsprechende Aufzeichnung für Fig. 10, in welcher die Kurve 112 den optimalen Faser-Abstand von 4,55 mm von der Punktlichtquelle repräsentiert, bei dem noch eine Koppelgüte von 62% für einen Faserdurchmesser von 10 µm auftritt. Wie schon bei den vorhergehenden Figu­ ren, welche verschiedene Zuordnungen der beiden Linsen be­ handeln, nimmt erfindungsgemäß die Koppelgüte mit zunehmen­ dem Faserdurchmesser zu, und sie kann ebenfalls erfindungs­ gemäß durch Wahl des Abstands der Faser von der Punktlicht­ quelle optimiert werden.

Die Fig. 2 bis 11 zeigen vor allem, daß bei Anwendung der Erfindung ein weiter Toleranzbereich der Fehlausrichtung der beiden Linsen ohne beträchtliche bzw. störende Vermin­ derung der Koppelgüte zur Verfügung steht. Die oben disku­ tierten Beispiele, in denen immer dieselben Linsendimensio­ nen - ein Radius von 1,142 mm der Kugellinse und ein Radius von 0,3 mm der Halbkugellinse - vorgesehen werden, bewei­ sen, daß die Koppelgüte, wenn auch reduziert, unabhängig von einer körperlichen Fehlausrichtung der Linsen optimier­ bar ist.

Es ist relativ schwierig, die sphärische Queraberration vollständig zu eliminieren, wenn nur Kugeln und Halbkugeln eingesetzt werden. Jedoch zeigt die nachfolgende, auf der Basis einer Berechnung dritter Ordnung hergestellte Tabelle I eine optimale Leistung für eine Halbkugel/Kugel-Linsen­ kombination.

Tabelle I

In der Tabelle I repräsentiert der Wert in der ersten Zeile den Abstand zwischen der Lichtquelle und der Planseite der Halbkugellinse. Der Abstand für die beste Energie-Ankopp­ lung für einen Faserkern mit 10 µm Durchmesser ist nicht derselbe Wert wie derjenige für ein paraxiales Bild. Das paraxiale Bild liegt 0,181 mm weiter weg vom Objekt. Die sphärische Queraberration dritter Ordnung ist 14,7 µm bei 20°. Dieser Wert kann verglichen werden mit 22,2 µm für eine konfokale Konstruktion mit zwei Kugellinsen. Es ergibt sich daher eine beträchtliche Verminderung der sphärischen Aberration auf dem Niveauf der dritten Ordnung, wenn die erfindungsgemäße Linsenanordnung nach Fig. 1 erwendet wird.

Claims (11)

1. Optische Kopplungsvorrichtung zum Ankoppeln einer im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle (26) an eine Einmoden-Lichtleitfaser (24) mit einer ersten opti­ schen Achse, gekennzeichnet durch eine eine ebene und eine sphärische Oberfläche aufweisende Halbkugellinse (20) mit einer senkrecht zur ebenen Oberfläche stehen­ den, zweiten optischen Achse; eine Kugellinse (22) mit einer dritten optischen Achse; und Mittel zum Posi­ tionieren der Halbkugellinse (20) mit der Lichtquelle (26) zugewandter, ebener Oberfläche und mit zwischen der sphärischen Oberfläche der Halbkugellinse (20) und der Lichtleitfaser (24) angeordneter Kugellinse (22), wobei die erste, die zweite und die dritte Achse im wesentlichen auf die punktförmige Lichtquelle (26) ausgerichtet sind und wobei die Linsen (20, 22) zum Fokussieren des Lichts der Lichtquelle für den Empfang durch die Lichtleitfaser (24) dimensioniert sowie rela­ tiv zur Lichtquelle (26) und zur Lichtleitfaser auf Abstand angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbkugellinse (20) im Sinne einer Abbildung der Lichtquelle (26) in einem divergierenden Licht­ strahl dimensioniert ist, und daß die Kugellinse (22) relativ zur Halbkugellinse zum Konvergieren des diver­ gierenden Lichtstrahls in einer Brennzone (36) mit Abstand von der Kugellinse (22) etwa auf der ersten optischen Achse dimensioniert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Antireflex-Beschichtung auf den Linsen (20, 22).

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen aus Saphir bestehen.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleit­ faser (24) einen Kerndurchmesser von etwa 10 µm, die Halbkugellinse (20) einen Radius von etwa 0,3 mm und die Kugellinse einen Radius von etwa 1,140 mm besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, das der Abstand zwischen den Linsen (20, 22) in der Größenordnung von 0,050 bis 0,50 mm liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch Mittel zum Anordnen der Lichtleitfaser (24) mit Abstand von der Kugellinse (22) in deren Brennpunkt (36).

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der punktförmigen Lichtquelle (26) von der Lichtleitfaser (24) etwa 4,5 bis 5,5 mm beträgt.

9. Optische Kupplungsvorrichtung, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (18); Mittel zum Befestigen einer eine erste optische Achse besitzenden Einmoden-Licht­ leitfaser (14) an dem Gehäuse (18); Mittel zum Befesti­ gen eines Licht auf einer im wesentlichen mit der er­ sten optischen Achse fluchtenden zweiten optischen Achse emittierenden Halbleiterlasers (16) an dem Gehäu­ se (18); eine an dem Gehäuse (18) befestigte Halbkugel­ linse (10), deren ebene Oberfläche dem Laser (16) zuge­ wandt ist und deren optische Achse senkrecht auf der ebenen Oberfläche steht sowie mit der optischen Achse des Lasers (16) fluchtet; und eine im Gehäuse (18) zwischen der Halbkugellinse (10) und der Lichtleit­ faser (14) im wesentlichen symmetrisch zu den Achsen der Lichtleitfaser (14) und der Halbkugellinse (10) angeordnete Kugellinse (12), wobei die Halbkugellinse (10) zu dem Laser (16) und der Kugellinse (12) zu dem Laser (16) und der Kugellinse (12) auf Abstand gesetzt ist und wobei der Abstand der Kugellinse (12) zur Lichtleitfaser (14) sowie die jeweiligen Radien der Linsen so eingestellt sind, daß das Licht im wesentli­ chen auf eine Stelle fokussiert wird, an der die Licht­ leitfaser dieses aufnimmt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Kugellinse (12) etwa 3 bis 4 mal so groß ist wie der Radius der Halbkugellinse (10).

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Koppelgüte für das Licht auf dessen Weg vom Laser (16) zur Lichtleitfaser (14) ohne Verwen­ dung einer Antireflex-Beschichtung der Linsen (10, 12) nur durch Dimensionierung der Halbkugellinse (10) und deren Abstand zur Kugellinse (12) größer als etwa 60% ist.