DE4132071A1 - Koppelelement fuer lichtleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Koppelelement für Lichtleiter

• a) mit mindestens drei in einer Ebene angeordneten, im Koppel­ element endenden Führungskanälen zur Aufnahme der Lichtlei­ ter, von denen
• b) der erste und der zweite Führungskanal in Abstand zuein­ ander angeordnet sind und ihre Enden einen Abstandsbereich bilden,
• c) ein Strahlumlenkreflektor im Abstandsbereich vorgesehen ist,
• d) der Strahlumlenkreflektor so ausgebildet und angeordnet ist, daß in den vom ersten Führungskanal aufzunehmenden Lichtleiter eingestrahltes Licht in den vom zweiten Füh­ rungskanal aufzunehmenden Lichtleiter übertragen wird, wäh­ rend Licht, das in den vom zweiten Führungskanal aufzuneh­ menden Lichtleiter eingestrahlt wird, am Strahlumlenk­ reflektor reflektiert wird,
• e) der oder die weiteren Führungskanäle so angeordnet sind, daß das am Strahlumlenkreflektor reflektierte Licht zumin­ dest weitgehend auf das Ende des oder der von ihm oder ih­ nen aufzunehmenden Lichtleiter fällt,
• f) das Koppelelement mit den Führungskanälen und dem Strahlum­ lenkreflektor ein einziges, zusammenhängendes Bauteil dar­ stellt.

Faseroptische Sensoren, die die Führung von Licht in Wellen­ leitern nutzen, gewinnen immer mehr an Bedeutung, da sie eine Reihe von Vorteilen gegenüber Sensoren haben, die elektrische Signale abgeben, wie z. B. Immunität gegenüber elektromagneti­ schen Störfeldern, geringe Dämpfung und hohe Übertragungsrate. Darüber hinaus haben sie den Vorteil, daß die Sende- und Em­ pfangselemente relativ weit vom eigentlichen Sensorkopf ent­ fernt sein können.

Die Informationsübertragung eines solchen faseroptischen Sen­ sorsystems zwischen einem Sender, dem Sensor und einem Empfän­ ger erfolgt dabei über Lichtleiterfasern, die den Sender mit dem Sensor und diesen mit dem Empfänger verbinden. Hierbei übernimmt eine der Fasern (die Sende- und Empfangsfaser) gleichzeitig die Funktion der Versorgung des Sensors mit dem Licht des Senders und der Rückleitung des Sensorsignals zum Empfänger. Da Sender und Empfänger nicht identisch sind, muß das vom Sensorkopf zurückgestrahlte Licht zumindest partiell in eine Faser, die zum Empfänger führt, abgezweigt oder über­ tragen werden.

Dies setzt eine geeignete Verzweigerstruktur voraus, mit der einerseits Licht eines entsprechenden Senders möglichst ver­ lustarm in die Sende- und Empfangsfaser eingekoppelt und ande­ rerseits möglichst viel des vom Sensor zurückgestrahlten Lichtsignals aus dieser Faser in den Empfänger ausgekoppelt wird.

Eine weitere Anwendung derartiger Koppelstrukturen sind Glas­ faserdatennetze, in denen aus einem durchgehenden Datenbus ein Teil des Lichtsignals an verschiedenen Koppelstellen abge­ zweigt und angeschlossenen Verbrauchern zugeführt werden muß.

Prinzipiell sind folgende Ausführungsformen derartiger Koppler bekannt:

• a) der klassische Strahlteiler mit teildurchlässigem Spiegel,
• b) faseroptische Verzweiger mit entsprechend angeschliffenen und dauerhaft verspleißten Fasern,
• c) mit den Mitteln der integrierten Optik hergestellte Ver­ zweiger; in diesem Fall beruht die Verzweigung auf der wel­ lenoptischen Verkoppelung dicht beieinanderliegender licht­ leitender Kanäle.

Alle diese Verzweigertypen bzw. deren Herstellungsverfahren haben unterschiedliche Nachteile, die eine Verwendung in fa­ seroptischen Systemen erschweren und diese Systeme teuer ma­ chen:

• - hochpräzises Fügen kleiner Teile (Typ a);
• - begrenzte Miniaturisierungsmöglichkeiten (Typ a und b);
• - nur bedingt geeignet für Multimoden-Technik (Typ c);
• - nicht oder schlecht geeignet für die Einbindung in inte­ grierte elektronische Systeme.

Aus der Veröffentlichung mit dem Titel "Plastic fibre couplers using simple polishing techniques" von V. Bougas und D. Kalym­ nios, Vortrag in ECO 4 - The International Congress on Optical Science and Engineering, März 1991, Den Haag, schriftliche Veröffentlichung vorgesehen in den Proceedings of ECO 4, SPIE Vol. 1504, ist bekannt, drei Lichtleiter in einer Ebene Y-för­ mig in der Weise anzuordnen, daß die von einem der Lichtleiter transportierte Lichtintensität je zur Hälfte auf die beiden übrigen Lichtleiter verteilt wird. Hierzu wird der Lichtlei­ ter, der das ankommende Licht transportiert, an seinem Ende durch Polieren V-förmig profiliert. Die beiden anderen Licht­ leiter werden senkrecht zu ihrer Achse poliert. Der Winkel, den die V-förmig bearbeiteten Flächen des erstgenannten Licht­ leiters miteinander bilden bzw. der Winkel, den die beiden üb­ rigen Lichtleiter einschließen, wird so gewählt, daß die Lichtverluste bei der Lichtintensitätsaufteilung minimiert werden. Es ist ferner angegeben, daß die Lichtleiter für eine dauerhafte Konstruktion zwischen zwei Platten mit V-förmigen Einschnitten fixiert werden können.

Ein solches Koppelelement kann nur mit relativ großen Licht­ leitern (angegeben sind Lichtleiter mit einem Durchmesser von 1 mm) aus Kunststoff realisiert werden. Nachteilig ist, daß der das ankommende Licht transportierende Lichtleiter bearbei­ tet werden muß und die beiden weiteren Lichtleiter zur Vermei­ dung von Intensitätsverlusten jeweils auf die bearbeiteten Flächen des ersten Lichtleiters ausgerichtet werden müssen, so daß ein Austausch des ersten Lichtleiters nur bedingt möglich ist.

Aus der Veröffentlichung mit dem Titel "Characterisation of Micro-Opical Components Fabricated by Deep-Etch X-Ray Litho­ graphy" von J. Göttert und J. Mohr, Vortrag während der oben genannten Konferenz, schriftliche Veröffentlichung vorgesehen in den Proceedings of ECO 4, SPIE Vol. 1506, sind verschiedene einfache Lichtleiterverbundsysteme wie Lichtleitergabeln oder Y-Koppler bekannt. Diese Verbundsysteme werden durch Röntgentiefenlithographie-Verfahren hergestellt.

Beispielsweise ist aus dieser Veröffentlichung ein Lichtleiterverbindungselement bekannt, das aus einer Mikrostruktur mit Führungskanälen für zwei Lichtleiter be­ steht, wobei die Lichtleiter auf einer Geraden angeordnet und durch einen Abstandsbereich getrennt sind. In der Veröffentli­ chung wird außerdem angegeben, daß auch kompliziertere Koppel­ strukturen mit Hilfe der Röntgentiefenlithographie gefertigt werden können, bei denen Licht, das aus einem ersten Leiter ankommt, in mehrere andere Leiter verteilt wird. Als Beispiel wird eine Ausführungsform genannt, bei der Licht aus einem er­ sten Leiter in ein Bündel von Lichtleitern in der Weise aufge­ teilt wird, daß der zentrale Leiter 50% und die peripheren Leiter jeweils 1-2% der Lichtintensität erhalten.

Schließlich ist in dieser Veröffentlichung ein planarer Wel­ lenlängen-Demultiplexer mit selbstfokussierendem Reflexions­ beugungsgitter erwähnt. Dieser Demultiplexer enthält lichtlei­ tende Schichten.

Die Herstellung dieses Demultiplexers und der lichtleitenden Schichten wird in der Veröffentlichung mit dem Titel "Grundla­ gen für die röntgentiefenlithographische Herstellung eines planaren Wellenlängen-Demultiplexers mit selbstfokussierendem Reflexionsbeugungsgitter" von B. Anderer, W. Ehrfeld und J. Mohr, Bericht des Kernforschungszentrums Karlsruhe, KfK 4702 (März 1990) eingehend beschrieben.

Schließlich ist aus der DE 39 39 112 A1 eine Vorrichtung zum Po­ sitionieren von Lichtleiterfasern in Verbindungselementen be­ kannt. Die Vorrichtung besteht aus einer Trägerplatte, einem oder mehreren, die Lichtleiterfasern aufnehmenden Füh­ rungskanälen, Federelementen zum Anpressen der Fasern in den Führungskanälen, sowie einem Deckel über der Trägerplatte. Die Verzweigung von Lichtintensität wird nicht angesprochen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Koppelelemente vor­ zuschlagen, die für übliche, nicht vorprofilierte Lichtleiter, insbesondere für Multimoden-Fasern geeignet sind. Weiterhin sollen sich einzelne oder alle Fasern austauschen lassen, ohne daß eine völlige Neujustierung erforderlich wird. Ferner sol­ len die Koppelelemente so konstruiert sein, daß sie sich miniaturisieren lassen, d. h., für die einzelnen Strukturen wie Führungskanäle und Strahlteiler bzw. Strahlumlenkreflektor sollen Dimensionen im Submillimeterbereich realisierbar sein. Das Koppelelement soll aus einem einzigen, mechanisch stabilen Bauteil bestehen und sich in elektronische Systeme integrieren lassen. Die eingangs angesprochene Informationsübertragung zwischen einem Sender, einem Sensor und einem Empfänger in ei­ nem faseroptischen System soll sich mit den Koppelelementen realisieren lassen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im ersten Pa­ tentanspruch beschriebene Koppelelement gelöst. Die weiteren Ansprüche geben besondere Ausführungsformen der Erfindung an.

Das erfindungsgemäße Koppelelement enthält mindestens drei in einer Ebene angeordnete Führungskanäle, die im Koppelelement enden und die Lichtleiter aufnehmen können. Der erste und der zweite dieser Führungskanäle liegen vorzugsweise angenähert auf einer Geraden. Angenähert bedeutet, daß die Führungskanäle entweder um höchstens den halben Kerndurchmesser des Lichtlei­ ters gegeneinander parallel versetzt und/oder höchstens einen solchen Winkel miteinander bilden, der sich aufgrund der nume­ rischen Apertur der eingesetzten Lichtleiter ergibt.

Zwischen den Enden des ersten und des zweiten Führungskanals ist ein Strahlumlenkreflektor angeordnet, der einen integralen Bestandteil des erfindungsgemäßen Koppelelements darstellt. Der Strahlumlenkreflektor ist in der Weise ausgebildet und an­ geordnet, daß - mit in die Führungskanäle eingesetzten Licht­ leitern - in den Lichtleiter im ersten Führungskanal ein­ gestrahltes Licht in den Lichtleiter im zweiten Führungskanal übertragen wird, während Licht, das in den Lichtleiter im zweiten Führungskanal eingestrahlt wird, am Strahlumlenkre­ flektor reflektiert wird.

Der oder die weiteren Führungskanäle werden so angeordnet, daß das am Strahlumlenkreflektor reflektierte Licht auf das oder die Enden der in die Führungskanäle eingesetzten Lichtleiter fällt.

Die Führungskanäle enthalten vorzugsweise Anschläge, mit deren Hilfe die Lichtleiter in einer definierten Position gehalten werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Strahlumlenkreflektor als Anschlag verwendet.

Das erfindungsgemäße Koppelelement stellt ein einziges Bauteil dar, in das die Führungskanäle, der Strahlumlenkreflektor und gegebenenfalls die Anschläge integriert sind.

Die Koppelelemente können aus verschiedenen Materialien herge­ stellt werden. Mit optisch transparentem Kunststoff können in Totalreflexion arbeitende Koppelelemente insbesondere für Mul­ timoden-Fasern realisiert werden. Das Koppelelement kann aus einem homogenen Kunststoff oder aus einem mehrschichtigen Kunststoffsystem mit einer lichtleitenden Schicht aufgebaut sein. Bestehen die erfindungsgemäßen Koppelelemente aus einem lichtreflektierenden Material, werden in Reflexion arbeitende Lichtleiter-, insbesondere Multimodenfaser-Koppelstrukturen zugänglich. Das lichtreflektierende Material besteht in diesem Fall vorzugsweise aus einem Metall oder weist an seiner dem Licht zugänglichen Oberfläche eine Metallschicht auf. Bei­ spielsweise kann mit Metall bedampfter Kunststoff eingesetzt werden. Als Metall soll ein Werkstoff gewählt werden, der eine möglichst hohe Lichtreflexion zeigt.

Die erfindungsgemäßen Koppelelemente sind sehr kompakt aufge­ baut, da aufgrund der Divergenz des abgestrahlten Lichts mit zunehmender Baulänge die Intensität des überkoppelten Lichts abnimmt und stellen einen Block dar, in dem in einer Ebene die Führungskanäle und ggf. die Halterungen für die Lichtleiter sowie der Strahlumlenkreflektor ausgeformt sind. Der Strahlum­ lenkreflektor bildet in der kompaktesten Form gleichzeitig den Anschlag für die Lichtleiter. Die Größe der ausgeformten Strukturen liegt vorzugsweise im Submillimeterbereich, so daß als Lichtleiter Multimoden-Fasern eingesetzt werden können. Die Bestückung mit den Lichtleitern und der Austausch von Lichtleitern des selben Typs erfordert keine Justierarbeit, da ihre Position eindeutig definiert ist, wenn sie bis zum An­ schlag in das Koppelelement eingeschoben werden.

Die Koppelelemente aus transparentem Kunststoffmaterial ent­ halten Grenzflächen, an denen eine Totalreflexion erfolgt und sind dadurch in der Lage, Licht, das aus einem Lichtleiter austritt, zu teilen und auf andere Lichtleiter zu übertragen.

Für die Herstellung dieser Strukturelemente gibt es zwei Mög­ lichkeiten:

• a) Durch Röntgentiefenlithographie und nachfolgende Entwick­ lung der bestrahlten Bereiche wird eine dünne Kunststoff­ schicht, die mit einem geeigneten, mechanisch stabilen Sub­ strat verbunden ist, oder eine dicke, selbsttragende Kunst­ stoffschicht ohne Substrat strukturiert. Die Röntgentiefen­ lithographie zeichnet sich dadurch aus, daß in der auf diese Weise strukturierten Schicht Details im Mikrometerbe­ reich bei Strukturhöhen von mehreren hundert Mikrometern erhalten werden können, wobei die erzeugten Strukturen ex­ trem geringe Rauhigkeiten aufweisen. Für diese Herstel­ lungsmethode ist insbesondere der Kunststoff Polymethyl­ methacrylat (PMMA) geeignet.
• b) Durch Röntgentiefenlithographie, Entwickeln der bestrahlten Bereiche und galvanischer Abformung der so erhaltenen Strukturen mit einem geeigneten Metall wie z. B. Nickel wird ein Abformwerkzeug hergestellt, das komplementäre Strukturen des gewünschten Koppelelements enthält. Mit die­ sem Werkzeug werden nach den bekannten Mikroabformtechniken Reaktionsguß, Spritzguß oder Prägen sekundäre Kunststoff­ strukturen hergestellt, die ein genaues Abbild der röntgen­ lithographisch hergestellten Primärstruktur sind. Bei die­ ser Methode ergibt sich die Möglichkeit, neben dem in Punkt a) als Kunststoff verwendeten PMMA auch thermisch stabilere optisch transparente Kunststoffe einzusetzen.

Bei den Koppelelementen aus einem lichtreflektierenden Mate­ rial wird die Reflexion des Lichts an diesem Material zur Um­ lenkung des Lichts ausgenutzt. Überdeckt das Element nur einen Teil der Stirnfläche derjenigen Faser, die das ankommende Licht transportiert, so ist damit die Strahlaufteilung gege­ ben.

Mit den Verfahren der Röntgentiefenlithographie und gegebenen­ falls nachfolgender galvanischer Abformung ergeben sich vier Möglichkeiten, Koppelelemente aus einem lichtreflektierenden Material herzustellen:

• a) Erzeugen einer Primärstruktur aus Kunststoff, insbesondere aus PMMA, durch Röntgentiefenlithographie auf einem ge­ eigneten, mechanisch stabilen Substrat oder einer dickeren, selbsttragenden Kunststoffschicht und Verspiegeln der re­ flektierenden Wände der Primärstruktur, etwa durch Be­ dampfen mit einem Metall, das Licht reflektiert.
• b) Das Negativ des Koppelelements wird auf einem leitfähigen Substrat ebenfalls mit Hilfe der Röntgentiefenlithographie erzeugt. Diese Form wird durch galvanische Abscheidung mit Metall, z. B. Nickel, aufgefüllt. Nach Entfernen der form­ gebenden Kunststoffschicht bleibt die gewünschte metalli­ sche Struktur zurück. Metallische Strukturen bieten den Vorteil einer hohen Wärmebeständigkeit. In Verbindung mit der bekannten Opferschichttechnik, bei der eine Schicht se­ lektiv herausgelöst wird, können darüber hinaus die Licht­ leiterkanäle mit Federelementen für die Halterung der Lichtleiter versehen werden. Die Herstellung solcher Feder­ elemente wird in der eingangs genannten DE 39 39 112 A1 be­ schrieben.
• c) Mit Hilfe der Röntgentiefenlithographie, nachfolgender Ent­ wicklung der bestrahlten Bereiche und galvanischer Abfor­ mung der erhaltenen Strukturen wird ein Abformwerkzeug her­ gestellt, das die Komplementärstrukturen des gewünschten Koppelelements enthält. Mit diesem Abformwerkzeug werden nach den bekannten Methoden der Mikroabformung Reak­ tionsguß, Spritzguß oder Prägen sekundäre Kunststoffstruk­ turen hergestellt, die ein genaues Abbild der röntgenlitho­ graphisch hergestellten Primärstruktur sind. Auch in diesem Fall werden wie in a) die entsprechenden Wände verspiegelt. Bei dieser Methode ergibt sich die Möglichkeit, neben dem in a) als Kunststoff-Resist verwendeten PMMA thermisch sta­ bilere Kunststoffe einzusetzen.
• d) Durch Röntgentiefenlithographie wird eine Komplementär­ struktur erzeugt, aus der ein metallisches Abformwerkzeug hergestellt wird. Mit dem Abformwerkzeug werden komplemen­ täre Kunststoffstrukturen erzeugt, die als Form für die Herstellung der metallischen Koppelelemente durch Galvanotechnik dienen.
  Aufgrund des Massenfertigungsprozesses der Abformung sind die Methoden c) und d) wesentlich kostengünstiger und lie­ fern billigere Produkte.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher er­ läutert.

Die Fig. 1 zeigt schematisch die Funktion der erfindungsge­ mäßen Koppelelemente.

Fig. 2 stellt ein räumliches Bild einer erfindungsgemäßen Koppelstruktur dar.

Die Fig. 3 bis 11 zeigen Querschnitte von Koppelelementen aus einem transparenten Kunststoff.

Die Fig. 12 bis 16 zeigen Querschnitte von Koppelelementen aus lichtreflektierendem Metall.

In Fig. 1 ist schematisch die Funktion der erfindungsgemäßen Koppelelemente dargestellt. Von einer Lichtquelle 5, dem Sen­ der, ausgehendes Licht wird durch einen Lichtleiter in das Koppelelement 1 eingestrahlt. Das Licht passiert den (schema­ tisch dargestellten) Strahlumlenkreflektor 8 und wird durch einen weiteren Lichtleiter zu einem Sensor 6 transportiert. Vom Sensor 6 wird ein Antwortlichtsignal zurückgestrahlt, das durch denselben Lichtleiter zum Koppelelement zurückgeleitet wird. Am Strahlumlenkreflektor 8 wird das Antwortlichtsignal reflektiert und zumindest weitgehend in einen weiteren Licht­ leiter eingekoppelt, der das Koppelelement 1 mit einem Detek­ tor 7 verbindet. Mit Hilfe des Detektors wird die Intensität des Antwortlichtsignals bestimmt.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kop­ pelelements räumlich dargestellt. Das Koppelelement enthält Führungskanäle, in die die Lichtleiter 3 und 4 eingesetzt sind. Einer der Lichtleiter wurde aus Gründen der Übersicht­ lichkeit nicht eingezeichnet. Dieser Lichtleiter befindet sich in dem dem Betrachter zugewandten Führungskanal und liegt auf der durch die Achse des Lichtleiters 3 gehenden Geraden. Die Führungskanäle enthalten an ihren Enden einen Anschlag 9 (Der Anschlag für den Lichtleiter 4 ist nicht sichtbar). Zwischen den auf der Gerade liegenden Lichtleitern ist der Strahlumlenkreflektor 8 angeordnet.

Fig. 3 zeigt ein Koppelelement aus einem optisch transparenten Kunststoff. Licht, das in der Faser 3, bestehend aus Kern und Mantel, nach links reflektiert wird, gelangt teilweise durch den Spalt 10 zur Faser 2. Der restliche Teil des Lichts trifft dagegen beim Durchgang durch den Strahlumlenkreflektor 8 auf dessen Phasengrenze 11, wird an dieser totalreflektiert und in die Faser 4 eingekoppelt. Der Koppelfaktor, d. h. der Anteil des von Faser 3 in Faser 4 übertretenden Lichts, kann durch die Größe und Lage des Strahlumlenkreflektors 8 verändert wer­ den.

Fig. 4 zeigt eine verbesserte Ausführung. Beim Koppelelement nach Fig. 3 wird Licht, das unter einem sehr steilen Winkel aus Faser 3 in das Element zurückgeleitet wird, nicht mehr an der Phasengrenze 11 reflektiert und geht deshalb verloren; damit nimmt die Intensität des durch Faser 4 aus dem Element z. B. in einen Detektor geleiteten Lichts ab.

Dieser Effekt wird durch die verbesserte Ausführungsform gemäß Fig. 4 vermieden, bei der die Phasengrenze 11 so geneigt ist, daß ein Lichtstrahl, der unter dem maximal möglichen Winkel aus Faser 3 auf den Strahlumlenkreflektor 8 zuläuft, die Be­ dingungen für die Totalreflexion erfüllt. Faser 4 und Faser 2 schließen nunmehr einen solchen Winkel miteinander ein, daß dieser Lichtstrahl gerade unter dem maximalen Akzeptanzwinkel α auf Faser 4 auftrifft. Dadurch werden die Koppelverluste am Strahlumlenkreflektor verringert.

Beispielsweise beträgt für eine Multimodefaser mit einer nume­ rischen Apertur von 0,2 und einem Strahlumlenkreflektor aus PMMA bei Verwendung von rotem Licht der Prismenwinkel β minde­ stens 50°. Der Winkel α beträgt in diesem Fall 10°.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Strahlumlenkre­ flektor 8 mit dem Block des Koppelelements verbunden ist. Dies verleiht dem Element eine höhere mechanische Festigkeit, führt jedoch zu einem längeren Lichtweg bis zur Faser 4.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform. Besteht die Notwendigkeit, den Streulichtpegel, der im wesentlichen durch Licht hervorgerufen wird, das aus Faser 2 über das Koppelelement direkt in Faser 4 eintritt, zu vermin­ dern, so kann vor dem Strahlumlenkreflektor 8 ein weiterer Strahlumlenkreflektor 8a vorgesehen werden. Die beiden Strahlumlenkreflektoren 8 und 8a sind so angeordnet, daß ihre Seitenflächen einen schmalen Luftspalt 12 einschließen. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß das Streulicht in eine an­ dere Richtung totalreflektiert wird.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Strahlumlenkre­ flektor über die gesamte Faserstirnfläche der Faser 3 ver­ läuft. Dies ist wegen der optischen Transparenz des Strahltei­ lers 8 möglich, ohne daß dadurch die von Faser 2 in Faser 3 übergekoppelte Intensität drastisch vermindert wird.

In einer nicht gezeichneten Abwandlung von Fig. 7 kann die Fa­ ser 2 so geneigt werden, daß die Brechung am Strahlumlenkre­ flektor ausgeglichen wird und das Licht angepaßt an den maxi­ malen Akzeptanzwinkel in Faser 3 eintritt.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform mit einem zusätzlichen Lichtleiter 13. Mit dieser Anordnung ist es möglich, die In­ tensität des durch Faser 3 zurückgestrahlten Lichts auf die zwei Lichtleiter 4 und 13 zu verteilen. Hierzu wird der Strahlumlenkreflektor in zwei Teilbereiche 8′ und 8′′ mit gleichen oder verschiedenen Winkeln aufgeteilt.

Fig. 9 zeigt eine in Bezug auf minimale vertikale Divergenz­ verluste optimierte Ausführungsform. Hierbei besteht das Kop­ pelelement aus einem wellenleitenden Schichtaufbau. Solche Ausführungsformen lassen sich durch Röntgentiefenlithographie- Verfahren gemäß der eingangs zitierten Veröffentlichung KfK 4702 herstellen. Hierbei wird eine röntgenstrahlenempfindliche Resistschicht verwendet, die auf einer Grundplatte 14 aus drei Einzelschichten aufgebaut ist: einer Grundschicht 15a, 16a, einer Kernschicht 15b, 16b und einer Deckschicht 15c, 16c. Das Koppelelement mit dem Strahlumlenkreflektor 15, 16 ist somit aus drei Schichten zusammengesetzt. Dies hat den Vorteil, daß das Licht im Koppelelement geführt wird, so daß die vertikalen Divergenzverluste, die sich aufgrund der Zylindersymmetrie der Übertragungsfasern ergeben, weitgehend vermieden werden. Die Koppelverluste sind minimal, wenn der Lichtweg in Luft so kurz wie möglich ist. Dies kann durch das treppenförmige lichtlei­ tende Element 15 realisiert werden. Wird der Strahlumlenkre­ flektor 16 zur Optimierung der von Faser 2 nach Faser 3 über­ zukoppelnden Intensität nicht über die gesamte Faserstirnflä­ che von Faser 3 geführt, sondern etwa gemäß Fig. 3 angeordnet, so kann der dadurch gebildete Spalt (siehe Bezugszeichen 10 in Fig 3) vollständig als lichtleitende Struktur ausgebildet wer­ den.

Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Licht aus Fa­ ser 2 über eine wellenleitende Schicht 17, die in Richtung auf die Faser 3 spitz zuläuft, in die Faser 3 übergekoppelt wird. Hierdurch wird das Licht auf einen schmalen Bereich der Stirn­ fläche von Faser 3 gebündelt. Dadurch kann der überwiegende Teil des von Faser 2 abgestrahlten Lichts auf die Faser 3 übertragen werden. Die Übertragung der Lichtintensität aus Fa­ ser 3 in die Faser 4 erfolgt wiederum über einen in der wellenleitenden Schicht hergestellten Strahlumlenkreflektor 8. Bei einer (wie in der Figur dargestellten) parallel versetzten Anordnung der Fasern 2 und 3 kann der Strahlumlenkreflektor 8 in der Weise vergrößert werden, daß er den größten Teil der Faserstirnfläche von Faser 3 abdeckt und damit die von Faser 3 nach Faser 4 übergekoppelte Intensität deutlich erhöht wird. Die Totalreflexion des Lichts beim Übergang von Faser 3 zu Fa­ ser 4 erfolgt an der Phasengrenze 11 des Strahlumlenkreflek­ tors 8.

In Fig. 11 ist eine ähnliche Ausführungsform dargestellt, bei der die wellenleitende Schicht jedoch in ihrem Faser 2 zuge­ wandten Bereich als Linse 18 ausgeformt ist. Durch die Zylin­ derlinse wird das von Faser 2 abgestrahlte Licht auf einen kleinen Bereich von Faser 3 fokussiert. Damit kann ein größe­ rer Anteil des von Faser 2 abgestrahlten Lichtes nach Faser 3 übertragen werden. Die Übertragung des Lichtes aus Faser 3 in Faser 4 erfolgt wie in Fig. 10 an der Phasengrenze 11 des Strahlumlenkreflektors 8.

In einer nicht gezeigten Abwandlung von Fig. 11 kann der Be­ reich zwischen Linse 18 und Faser 3 als lichtleitende Schicht ausgebildet werden.

Erfindungsgemäße Koppelelemente aus einem lichtreflektierenden Material sind in den Fig. 12 bis 16 dargestellt.

Fig. 12 zeigt ein solches Koppelelement mit drei Lichtleitern 2, 3 und 4, die aus einem Kern und einem Mantel bestehen. Licht, das durch die Lichtleiterfaser 3 in das Element nach links zurückreflektiert wird, gelangt teilweise durch den Spalt 10 zur Faser 2. Der restliche Teil des Lichts trifft da­ gegen auf die spiegelnde Fläche 20 des Strahlumlenkreflektors 8 und wird an dieser reflektiert und zur Faser 4 umgelenkt. Umgekehrt wird Licht, das aus der Faser 4 oder 2 in das Ele­ ment austritt, ebenfalls teilweise über den Spalt 10 oder den Strahlumlenkreflektor 8 in die Faser 3 übergekoppelt. Ein di­ rekter Lichtaustausch zwischen den Fasern 2 und 4 ist dagegen nicht möglich. Der Koppelfaktor, d. h. der Anteil des von Fa­ ser 3 in Faser 4 oder 2 übertretenden Lichts kann durch die Größe und Lage des Strahlteilers 8 verändert werden. Neben dem Strahlumlenkreflektor 8 enthält das Element noch die Struktu­ ren 21 bis 23 zur Führung und präzisen Positionierung der Fa­ sern relativ zu den Koppelstrukturen.

Fig. 13 zeigt eine verbesserte Ausführungsform. Beim Element nach Fig. 12 wird das unter einem sehr steilen Winkel aus Fa­ ser 3 in das Element zurückgestrahlte Licht wieder in Faser 3 bzw. deren Mantel zurückreflektiert; hierdurch nimmt die Lichtintensität in Faser 4 ab. Bei der Ausführung nach Fig. 13 wird dies vermieden, indem die Spiegelfläche 20 so geneigt ist, daß ein Lichtstrahl, der unter dem maximal möglichen Win­ kel aus der Faser 3 austritt, senkrecht zu deren Achse reflek­ tiert wird. Faser 4 wird nun schräg zu Faser 2 bzw. 3 positio­ niert, so daß der Lichtstrahl gerade unter dem maximalen Ak­ zeptanzwinkel auf Faser 4 trifft. Damit werden die Koppelver­ luste am Koppelelement vermindert. Die übrigen Elemente ent­ sprechen denen von Fig. 12.

Die Anordnung nach Fig. 14 zeichnet sich dadurch aus, daß der Strahlumlenkreflektor und ein Faserführungselement eine Ein­ heit 24 bilden. Dies verleiht dem Koppelelement eine höhere mechanische Festigkeit, führt jedoch zu einem längeren Licht­ weg vom Strahlumlenkreflektor bis zur Faser 4, wodurch sich vertikale Divergenzverluste ergeben können.

Fig. 15 zeigt ein Koppelelement, bei dem die reflektierende Fläche 20 in unterschiedlich abgewinkelte Bereiche 20a und 20b unterteilt ist. Dadurch wird das durch Faser 2 und 3 einge­ strahlte und durch Faser 3 zurückgeleitete Licht nicht nur in die Fasern 2 und 4, sondern auch in eine zusätzliche Faser 13 übergekoppelt.

Fig. 16 zeigt ein Koppelelement, bei dem die reflektierende Fläche 16 gekrümmt ausgeformt ist. Dadurch wird das von Faser 3 divergent abgestrahlte Licht auf die Stirnfläche von Faser 4 fokussiert und damit die Lichtintensität in Faser 4 erhöht.

Darüber hinaus ist der Kanal zwischen den Fasern 2 und 3 ta­ perförmig ausgebildet, so daß mehr Licht von Faser 2 nach Fa­ ser 3 übertragen wird.

Die erfindungsgemäßen Koppelelemente bieten gegenüber den be­ kannten Strahlteilertypen eine Reihe von Vorteilen. Sie lassen sich kompakt aufbauen und miniaturisieren. Insbesondere wenn sie mit Hilfe der Abformtechnik hergestellt werden, lassen sie sich kostengünstig in Serie fertigen. Dadurch ist ein hoher Grad an Reproduzierbarkeit der Koppeleigenschaften gewährlei­ stet. Die Bestückung mit Lichtleitern erfordert keinen oder allenfalls einen geringen Justieraufwand. Ferner können lös­ bare Lichtleiterfaser-Verbindungen realisiert werden. Sie sind in einem großen Wellenlängenbereich verwendbar, da sie bei Verwendung von lichtreflektierendem Material keine Di­ spersionserscheinungen zeigen. Sie können auf beliebigen Sub­ straten, aber auch ohne Substrat gefertigt werden, so daß sie leicht an die gegebenen Anforderungen angepaßt werden können. Beispielsweise können Siliziumwafer als Substrate eingesetzt werden, so daß sie leicht in elektronische Systeme integrier­ bar sind. Bei den transparenten Ausführungsformen wird die transmittierte Intensität durch Ausnutzung der Transmission durch die totalreflektierenden Strahlumlenkreflektor erhöht; hierdurch erhöht sich auch der Koppelwirkungsgrad. Schließlich lassen sich zur Vermeidung von Divergenzverlusten wellenlei­ tende Schichten einsetzen.

Claims (10)

1. Koppelelement für Lichtleiter

• a) mit mindestens drei in einer Ebene angeordneten, im Kop­ pelelement endenden Führungskanälen zur Aufnahme der Lichtleiter, von denen
• b) der erste und der zweite Führungskanal in Abstand zuein­ ander angeordnet sind und ihre Enden einen Abstandsbe­ reich bilden,
• c) ein Strahlumlenkreflektor im Abstandsbereich vorgesehen ist,
• d) der Strahlumlenkreflektor so ausgebildet und angeordnet ist, daß in den vom ersten Führungskanal aufzunehmenden Lichtleiter eingestrahltes Licht in den vom zweiten Füh­ rungskanal aufzunehmenden Lichtleiter übertragen wird, während Licht, das in den vom zweiten Führungskanal auf­ zunehmenden Lichtleiter eingestrahlt wird, am Strahl­ umlenkreflektor reflektiert wird,
• e) der oder die weiteren Führungskanäle so angeordnet sind, daß das am Strahlumlenkreflektor reflektierte Licht zu­ mindest weitgehend auf das Ende des oder der von ihm oder ihnen aufzunehmenden Lichtleiter fällt,
• f) das Koppelelement mit den Führungskanälen und dem Strahlumlenkreflektor ein einziges, zusammenhängendes Bauteil darstellt.

2. Koppelelement nach Anspruch 1, bei dem der erste und der zweite Führungskanal angenähert auf einer Geraden liegen.

3. Koppelelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Ende der Führungskanäle durch Anschläge für die aufzunehmenden Lichtleiter begrenzt ist.

4. Koppelelement nach Anspruch 3, bei dem der Strahlumlenk­ reflektor den Anschlag für einen oder mehrere der von den Führungskanälen aufzunehmenden Lichtleiter bildet.

5. Koppelelement nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bestehend aus einem optisch transparenten Kunststoff.

6. Koppelelement nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bestehend aus einem lichtreflektierenden Material.

7. Koppelelement nach Anspruch 6, bestehend aus einem Me­ tall.

8. Koppelelement nach Anspruch 6, bestehend aus einem Kunst­ stoff, auf dessen Oberfläche eine Metallschicht aufgebracht ist.

9. Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit in die Führungskanäle integrierten Lichtleitern.

10. Koppelelement nach Anspruch 9, in dem als Lichtleiter Mul­ timoden-Fasern integriert sind.