DE4133220A1 - Fasern-linsen-anordnung zum optischen koppeln - Google Patents

Fasern-linsen-anordnung zum optischen koppeln

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Description

Die Erfindung betrifft eine Fasern-Linsen-Anordnung mit mehreren Lichtwellenleiter-Fasern zum optischen Koppeln.
Fasern-Linsen-Anordnungen werden bei optoelektrischen Sende- und Empfangsgeräten sowie bei optischen Schaltmodulen in der optischen Nachrichtenübertragung verwendet.
Bei bekannten Koppelanordnungen erfolgt die Ein- bzw. Auskopp­ lung des optischen Signals über eine mit der Faser verschmol­ zenen Linse oder über eine Freistrahloptik, wie sie dem US-Patent 47 05 351 zu entnehmen ist.
In einer älteren Patentanmeldung . . . (amtliches Aktenzeichen P 40 22 026.5) ist eine mit wenigen Elementen zu realisierende Freistrahloptik beschrieben.
Bei optischen Koppelmatrizen sowie Sende- und Empfangsanord­ nungen erfordert eine Miniaturisierung und die damit verbun­ dene verdichtete Anordnung der optischen Elemente, das Bau­ elemente mit mehreren jeweils als Faser-Linse-Anordnung aus­ gebildeten Koppelsystemen realisiert werden.
In "Extended Abstracts of the 21st Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 1989, pp. 437-440", ist eine op­ tische Koppelmatrix in Fig. 1 und in Fig. 2 eine Fasern- Linsen-Anordnung, bei der Linsen an pyramidenförmig ausgezo­ genen Fasern angeordnet sind, dargestellt und im zugehörigen Text beschrieben. Eine solche Anordnung ist jedoch nur unter größten Schwierigkeiten herstellbar.
Das Problem der Erfindung liegt also darin, eine einfache her­ stellbare Fasern-Linsen-Anordnung anzugeben. Darüber hinaus werden geringe Dämpfungswerte und möglichst geringe Reflexionen angestrebt.
Das Problem wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ermöglicht einen genauen Aufbau der Fasern-Linsen- Anordnung.
Durch ein mit dem Trägerteil verschmolzenes Abdeckteil wird eine dauerhafte Justierung der Einzelelemente erzielt und ein relativ unempfindliches Bauelement hergestellt. Das Rastermaß zwischen den einzelnen Faser-Linse-Anordnungen und die opti­ sche Achse bleiben unverändert.
Durch versetzte optische Achsen der Lichtwellenleiter-Fasern und der Linsen oder/und ein Entspiegeln der Linsen werden Reflexionen weitgehend vermieden.
Durch die Verwendung von Kugellinsen brauchen diese nicht besonders justiert werden. Die Anordnung ermöglicht einen größeren Abstand zwischen den Linsen und den Wellenleitern eines anzukoppelnden Bausteines bei einem höheren Koppel­ wirkungsgrad als bei den bekannten Lösungen.
Die Fasern-Linsen-Anordnungen können bei der Herstellung von Schaltmatrix-Modulen und Laser-Sendeeinrichtungen bzw. bei Empfangseinrichtungen verwendet werden.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Justierung der Fasern- Linsen-Anordnungen mit einem Lötvorgang zu ihrer Befestigung kombiniert wird. Es ist auch denkbar, daß zwei dieser Fasern- Linsen-Anordnungen mit übereinstimmenden optischen Achsen auf einen gemeinsamen Trägerteil aufzubauen.
Anhand eines dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Fasern-Linsen-Anordnung, bei der das Abdeckteil entfernt ist,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Trägerteil,
Fig. 3 eine Variante mit versetzten optischen Achsen,
Fig. 4 eine Ätzmaske,
Fig. 5 eine Schnittdarstellung der Fasern-Linsen-Anordnung,
Fig. 6 eine Draufsicht auf die Fasern-Linsen-Anordnung,
Fig. 7 einen optischen Koppelmodul und
Fig. 8 eine Schnittdarstellung des Koppelmoduls.
In Fig. 1 ist die vereinfachte Draufsicht auf eine Fasern-Lin­ sen-Anordnung dargestellt, bei der das Abdeckteil 20 (Fig. 5) entfernt wurde. In einem Trägerteil 2 sind Lichtwellenleiter(LWL)- Fasern 3 in v-förmigen Nuten parallel angeordnet. Jedem der vier Lichtwellenleiter-Fasern ist eine Linse 4 zugeordnet, die auf derselben optischen Achse liegt. Damit das optische Signal vom Faserende der Lichtwellenleiter ungehindert zur Linse gelangen kann (oder umgekehrt), sind Ätznuten 7 vorgesehen. Der aus dem Kern einer Lichtwellenleiter-Faser austretende Lichtstrahl muß auf einen geringen Durchmesser von beispielsweise ca. 1 µm ver­ kleinert werden. Der so komprimierte Lichtstrahl kann dann in einen Wellenleiter 11 mit einem wesentlich geringeren Durchmes­ ser als ihn die LWL-Faser aufweist eintreten. Der Wellenleiter 11 kann beispielsweise zu einer optischen Koppelmatrix 24 gehören.
Die Ausgestaltung des Trägerteils 2 und der Strahlengang ist aus der Schnittdarstellung von Fig. 2 ersichtlich. Die LWL- Faser 3 wird in einer Fasernut 9 geführt. Jede Linse 4 ist in einer hierfür vorgesehenen Ätzgrube 8 genau zur optischen Achse OA der zugeordneten LWL-Faser 3 justiert. Bei der hier dargestellten Kugellinse brauchen keinerlei weitere Justierar­ beiten vorgenommen werden. Durch die Ätznut 7 wird der aus der LWL-Faser 3 austretende Strahl 10 nicht behindert. Die Abstände zwischen dem Wellenleiter 11 und der Linse 4 sowie dem Ende 32 der LWL-Faser ergeben sich aus den Abbildungsbedingungen. Zur Zeit wird bei einem Linsendurchmesser von 300 µm ein Strahldurch­ messer von ca. 1 µm auf der Wellenleiterseite erzielt.
In Fig. 3 ist eine aus der älteren Patentanmeldung bekannte Variante einer Faser-Linse-Anordnung dargestellt, bei der das Faserende eine abgeschrägte Stirnfläche 31 aufweist und die Kugellinse zur optischen Achse versetzt angeordnet ist. Der Lichtwellenleiter 11 ist ebenfalls zur optischen Achse der LWL- Faser versetzt angeordnet. Durch diese Anordnung werden Rück­ reflexe des Lichtstrahles beträchtlich verringert. Durch ent­ spiegelte Linsen können die Reflexionen weiter verkleinert werden.
In Fig. 4 ist eine Ätzmaske für eine Faser-Linse-Anordnung dargestellt. Hierbei ist ein Vorhalt von 10 µm (zwischen den gestrichelten und ausgezogenen Linien) vorgesehen. Diese Ätz­ masken werden fototechnisch auf das aus Silicium bestehende Trägerteil 2 aufgebracht. Durch den Ätzprozeß können sehr genaue Ätzgruben hergestellt werden. Um Probleme bei den Übergängen zwischen den verschiedenen Ätzgruben zu vermeiden, sind Zwi­ schenräume zwischen den einzelnen Ätzmasken 14 und 15 sowie 15 und 16 vorgesehen. Durch den Ätzprozeß entstehen kleine Stege 18 und 19 zwischen den Ätzgruben, die dann nach dem Ätzprozeß teilweise weggefräst oder weggesägt werden, wodurch die in den Fig. 1 bis 3 ersichtlichen Nuten 5 und 6 entstehen. Sollte der Steg 18 (Fig. 2) die Ausbreitung des Lichtstrahls behin­ dern, so kann er natürlich jeweils im Bereich der optischen Achse OA durch Verlängerung der Ätznut 7 durchbrochen werden. Die Ätzmaske 16 für die LWL-Faser und die Ätzmaske 17 für den Knickschutz 19 grenzen aneinander an, wodurch sich ein gewün­ schter schräg verlaufender Übergang ergibt.
Nachdem bei der Fertigung die Lichtwellenleiter 3 und die Lin­ sen 4 in dem Trägerteil 2 angeordnet sind, müssen sie fixiert werden. Dies soll gleichzeitig mit dem Verschmelzen des Ab­ deckteils und des Trägerteils unter Verwendung eines Glaslotes erfolgen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, liegt die optische Achse OA (bzw. die Mittelachse) der LWL-Fasern 3 geringfügig (ca. 8 µm) oberhalb der Oberfläche des Trägerteils. Auf die LWL-Fasern wird etwas Glaslot aufgetragen. Dann wird das zum Trägerteil symmetrisch oder im wesentlichen symmetrisch aufge­ bautes Abdeckteil 20 (Fig. 5), dessen Unterseite mit einer dünnen Glaslotschicht (ca. 15 µm) versehen ist, auf das Träger­ teil aufgesetzt und mit konstantem Federdruck angepreßt. Der beim Zusammenfügen beider Teile entstehende Spalt bietet aus­ reichend Platz für das Glaslot und ermöglicht eine gute Zen­ trierung der optischen Komponenten. In einer Einglasvorrich­ tung wird die Fasern-Linsen-Anordnung mittels eines rechnerge­ steuerten Ofenprozesses verglast, wobei die Linsen nur mit dem Abdeckteil verschmolzen werden. Da Trägerteil und Abdeckteil die gleiche Ätzgeometrie haben, wirken sich der Unterätzprozeß und Ätztoleranzen gleichmäßig auf beide Teile aus, wodurch die Symmetrie und damit die Justierung der fixierten Teile nicht gestört wird. Anschließend werden die ungeschützten vom Coating befreiten Faserstücke, wie in Fig. 5 dargestellt, noch in der Vorrichtung mit einem Faserknickschutz 21 versehen, der mit dem Coating der Lichtwellenleiter 22 verklebt wird. Nach einer vorausgehenden Metallisierung von Träger- und Abdeckteil und Teilen der weiteren Elemente ist auch die Verwendung eines Metallotes möglich.
Fig. 6 zeigt die fertige Fasern-Linsen-Anordnung in der Draufsicht. Das Abdeckteil ist aus fertigungstechnischen Grün­ den geringfügig schmaler ausgeführt.
In Fig. 7 ist ein Koppelmodul mit zwei Fasern-Linsen-Anord­ nungen dargestellt. Die Koppelmatrix 24 ist zwischen zwei An­ ordnungen 1 eingefügt und kann über Anschlußstifte 26 gesteu­ ert werden. Die Fasern-Linsen-Anordnungen und die Koppelmatrix werden hierbei von einem stabilen Gehäuse 23, das Faserdurch­ führungen 25 aufweist, geschützt.
Fig. 8 zeigt eine Schnittdarstellung durch das Koppelmodul. Auf einem Subträger 30 ist die Koppelmatrix 24 befestigt. Die Fasern-Linsen-Anordnungen werden zu der Koppelmatrix 24 ausge­ richtet und durch eine Lotschicht 27 über einen Zwischenträger 28 auf dem Subträger fixiert. Damit das Verlöten möglich ist, muß vorher die Unterseite des Trägerteils metallisiert werden. Der Subträger 30 ist über eine Wärmesenke 29, die aus einem gut wärmeleitenden Metall besteht, mit dem Gehäuse 23 verbunden.
Die Wärmeableitung ist erforderlich, da eine nicht unbeträcht­ liche Steuerleistung für die Koppelmatrix benötigt wird.
Das Koppelmodul ermöglicht ein Durchschalten von einen belie­ bigen Lichtwellenleiter einer Fasern-Linsen-Anordnung auf einen beliebigen Lichtwellenleiter der anderen Faser-Linsen- Anordnung.
In entsprechender Weise kann die erfindungsgemäße Fasern-Linsen- Anordnung auch beim Aufbau von Sende- und Empfangsanordnungen verwendet werden.

Claims (12)

1. Fasern-Linsen-Anordnung mit mehreren in parallelen Faser­ nuten (9) angeordneten Lichtwellenleiter(LWL)-Fasern (3) zum optischen Koppeln, dadurch gekennzeichnet, daß jeder LWL-Faser (3) eine Linse (4) zugeordnet ist, deren räumliche Lage durch eine Ätzgrube (8) bestimmt wird, und daß zwischen den Enden (32) der LWL-Fasern (3) und den Linsen (4) jeweils eine Ätznut (7) für einen Lichtstrahl (10) vorgesehen ist.
2. Fasern-Linsen-Anordnung zum optischen Koppeln, dadurch gekennzeichnet, daß ein zum Trägerteil (2) symmetrisch oder im wesentlichen symmetrisch ausgebildetes Abdeckteil (20) vorgesehen ist, das über die Linsen (4) und LWL-Fasern (3) gestülpt mit dem Träger­ teil (2) mittels eines Glaslotes verschmolzen oder verlötet mittels eines Metallotes ist.
3. Fasern-Linsen-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse (OA) der LWL-Fasern (3) geringfügig über die Oberfläche des Trägerteils (2) liegt.
4. Fasern-Linsen-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Linsen (4) Kugellinsen vorgesehen sind.
5. Fasern-Linsen-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die LWL-Fasern (3) abgeschrägte Stirnflächen (31) aufweisen und jeweils die optische Achse der Linse (4) gegenüber der optischen Achse der zugehörigen LWL-Faser (3) versetzt ist.
6. Fasern-Linsen-Anordnung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entspiegelte Linsen (4) vorgesehen sind.
7. Fasern-LinsenAnordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Trägerteil (2) oder/und im Abdeckteil (20) separate Ätzgruben (7, 8, 9) zur Aufnahme der Linsen (4), für den Licht­ strahl (10) und für die Fasernut (9) vorgesehen sind und daß die zunächst verbleibenden Stege zwischen den Ätzgruben durch senkrecht zu den Fasernuten (9) verlaufende Nuten (5, 6) ent­ fernt sind.
8. Fasern-Linsen-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des Trägerteils (2) metallisiert ist.
9. Fasern-Linsen-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei dieser Anordnungen mit einer optischen Schaltmatrix (24) zu einem Schaltmatrix-Modul zusammengefaßt sind.
10. Fasern-Linsen-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Justierung während des Lötens erfolgt.
11. Fasern-Linsen-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in optischen Sendeanordnungen vorgesehen ist.
12. Fasern-Linsen-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in optischen Empfangsanordnungen vorgesehen ist.
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