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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Optoelektronik; welche
optische Komponenten von signifikant unterschiedlichen Querschnittsbereichen
involviert wie optische Fasern, die zu Elementen wie Linsen, Filtern,
Gittern, Prismen und dergleichen zusammengefügt sind und spezieller Faserkollimatoren.
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Stand der
Technik
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Faserkollimatoren
finden extensive Anwendungen in der Optoelektronik, insbesondere
bei der Kopplung von Licht von (an) einer optischen Faser zu einer
Sammellinse. Faserkollimatoren sind Grundkomponenten von Telekommunikationsprodukten wie
Isolatoren, mechanischen Schaltern, Kopplern, Zirkulatoren, optischen
Schaltern und Wellenlägenteilungs-Multiplexern.
Solche Faserkollimatoren werden hergestellt, indem eine optische
Faser an ein optisches Element verbunden wird.
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Beim
Zusammenfügen
einer optischen Faser an eine andere oder einer optischen Faser
an einen optischen Wellenleiter ist es bekannt, dass sie größenähnlich sind.
und lokalisiertes Erhitzen verwendet werden kann, um die optischen
Komponenten schmelzend aneinander zu kleben. Das Aneinanderfügen einer
optischen Faser an ein viel größeres optisches
Element ist eine größere Herausforderung. Das
US-Patent Nr. 4,737,006
mit dem Titel „Optical Fiber
Termination Including Pure Silica Lens And Method Of Making Same", erteilt auf K.J.
Warbrick am 12. April 1988, offenbart z.B. das Schmelzspleißen eines
undotierten (reinen) Siliziumoxidstabs an eine Ein-Modus-Phase,
um einen Kollimator herzustellen, wobei ein Lichtbogen angewandt
wird. Hingegen ist dies ein extrem kompliziertes Verfahren und es
hat begrenzte Anwendungen.
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Die
am häufigsten
verwendeten Verfahren zum Anheften optischer Fasern an größere optische Elemente
umfassen (1) das Binden der Faserseiten direkt an das optische Element
mit Klebstoffen oder (2) das Entwerfen eines mechanischen Gehäusekomplexes,
der eine stabile Positionierung von Luft beabstandeten Fasern und
optischen Elementen über
breite Schwankungen bei den Umgebungsbedingungen bereitstellt.
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Die
Verwendung von Klebstoffen im optischen Gang solcher Vorrichtungen
ist aufgrund der Möglichkeit
eines Abbaus des Klebstoffs über
die Zeit hinweg nicht wünschenswert.
Das Beabstanden der Fasern auf festgelegtem Abstand zu den optischen Elementen
durch Verwendung mechanischer Gehäusekomplexe erfordert andererseits
die Verwendung von Antireflektionsbeschichtungen an allen Luft-Glas-Zwischenflächen, um
Verluste optischer Energie durch die Vorrichtungen zu vermeiden.
Die Gegenwart von Luft-Glas-Zwischenseiten ergibt auch eine Quelle
von zurück
in die optischen Fasern reflektiertem Licht. Dieses Phänomen bekannt
als Rückreflektion,
ist eine Quelle von Rauschen in vielen Kommunikations-Netzwerken
und begrenzt effektiv die Übertragungsbandbreite
solcher Kommunikations-Netzwerke.
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Die
vorliegende Anmeldung nimmt Bezug auf das US-Patent 6,033,515, erteilt
am 7. März 2000.
Das Patent stellt ein einfaches Verfahren zum Schmelzspleißen von
zwei optischen Komponenten unterschiedlicher Größen aneinander bereit, z.B. Schmelzspleißen einer
optischen Faser an ein wesentlich breiteres (wenigstens zweimal
der Durchmesser) optisches Element oder Verwendung von Laser-Erhitzung.
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Während die
End-an-End-Kopplung der optischen Faser an ein optisches Element
wegen der Einfachheit gewünscht
ist, erfordert der Stand der Technik in der Tat eine Winkelspaltung
der optischen Faser und Winkelpolierung des optischen Elements, um
die Rückreflektion
zu vermindern oder zu minimieren. D.h. die optische Faser und das
optische Element werden beide bearbeitet, um bei nicht rechtwinkeligem
Winkel zu der optischen Achse eine Kopplung zu ergeben, welche parallel
zur optischen Faser ist. Die Rückreflektion,
resultierend vom einfachen End-zu-End-Verkoppeln vermindert die optische Leistung
und Effizienz. In optischen Kommunikationssystemen hat die Rückreflektion
auch einen schädlichen
Einfluss auf die BER (Bit-Fehlerrate) und die SNR (Signal-zu-Rauschen-Verhältnis).
Aufgrund dieser unkontrollierten Erzeugung und Fortpflanzung wird
die in die Faser zurück
reflektierte Leistung, wenn sie detektiert wird, als übermäßiges Rauschen betrachtet.
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Im
Stand der Technik wurde gezeigt, dass die Positionierung einer winkelgespaltenen
Faser oder winkelpolierten Faser in der Nähe der winkelpolierten Seite
einer Sammellinse zu einem hervorragenden Sammeln und hervorragenden
Leistungsfähigkeits-Eigenschaften
der Faserkollimatoren führt. Hingegen
erfordern diese vorhandenen Technologien zum Zusammensetzen von
Kollimatoren sehr arbeitsintensive aktive Ausrichtungstechniken.
Die Ausrichtungstechniken schließen die Manipulierung der Position
relativ zur Linse in drei linearen Achsen und drei Rotationsachsen
während
des endgültigen Zusammenfügens ein.
Wenn ein Kollimator hergestellt werden kann, der effektiv die Faser
und die Linse in einem einzigen Stück macht, dann kann die Ausrichtung
auf zwei lineare und zwei rotierende Achsen während des Verschmelzungsvorgangs
vermindert werden und es besteht keine Notwendigkeit mehr für eine Ausrichtung
während
des endgültigen Zusammensetzens,
womit die Kosten drastisch reduziert werden.
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Ein
entscheidender Leistungsfähigkeits-Parameter,
der in Kollimator-Anordnungen minimiert werden muss, ist die Rückreflektion
von Licht in die Faser hinein. Durch End-an-End-Kopplung oder Schmelzspleißen einer
Faser an eine Linse desselben Brechungsindex gibt es keine sichtbare
Oberfläche,
um Rückreflektion
zu erzeugen. Der Strahl kann dann in der Linse divergieren und sieht
keinen Oberflächen-Brechungsindex, bis
er aus der Linse austritt. Dabei ist der Strahl so breit, dass die
Menge an Licht, die in den Faserkern zurückkehren kann, extrem klein
ist.
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Das
Laserschmelzspleißverfahren,
das in der Anmeldung offenbart und beansprucht ist, die Quelle dieser
Anmeldung ist, ergibt eine Rückreflektion
von 57 dB. Dies kann für
einige Anwendungen akzeptabel sein. Hingegen wäre eine weitere Verminderung
der Rückreflektion
für andere
Anwendungen wünschenswert.
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Offenbarung
der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird ein Faserkollimator bereitgestellt,
der eine verminderte Rückreflektion,
verbesserte Zielgenauigkeit und verbesserte Leistungs-Handhabungsmerkmale
umfasst. Der Faserkollimator umfasst ein optisches Element und wenigstens
eine an eine Oberfläche
davon fusionsgespleißte
optische Faser, wobei die optische Faser entlang einer Achse ausgerichtet
ist, diese Oberfläche
des optischen Elements mit einem axialen Brechungsindex-Gradienten entlang
der gemeinsamen Achse versehen ist, zumindest dort, wo die zumindest
eine optische Faser darin fusionsgespleißt ist, wobei der axiale Gradient zur
Index-Anpassung zwischen dem optischen Faserkern und dem optischen
Element optimiert ist und die Oberfläche einen vergleichsweise breiteren Querschnittsbereich
hat als die Oberfläche
der optischen Faser.
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Aus
wirtschaftlichen Gründen
ist in einer bevorzugten Ausführungsform
reines verschmolzenes Siliziumoxidglas bevorzugt. Zusätzlich kann
der Faserkollimator wenigstens eine Faser umfassen, die an ein anderes
optisches Element als eine Kollimator-Linse fusionsgespleißt ist,
wie ein Plan-Plan-„Pellet", das nachfolgend
zusammen mit einer getrennten Kollimator-Linse angebracht wird.
Diese letzte Konfiguration ist besonders nützlich beim Erzeugen von Kollimatoren
mit langen optischen Weglängen
und damit verbunden langen justierten Durchmessern. Die Verwendung
eines optischen Pellets ergibt all die Vorteile von verminderter
Rückreflektion
und verbesserter Handhabungs-Leistungsfähigkeit und Verminderung der
erforderlichen Linsendicke in Kollimatoren mit langer Fokuslänge.
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Das
durch das Laserschmelzspleißverfahren erzeugte
Spleißen
wird typischerweise eine Rückreflektion
von –57
dB haben. Die leichte restliche Rückreflektion beruht auf der
kleinen Brechungsindex-Differenz zwischen dem Faserkern und reinem
verschmolzenen Siliziumoxid. Selbst geringere Rückreflektion kann erreicht
werden, in dem eine dünne
axiale Gradientenlage an der Spleißverbindung erzeugt wird. Einfache
Einstellung der Schmelzspleißverfahrensparameter
genügt,
um die Erzeugung eines solchen axialen Gradienten über die
Diffusion des Dotierungsmittels im Faserkern zu begünstigen.
Die resultierende Rückreflektion
kann kleiner als –65
dB ohne schädlichen
Effekt auf die Qualität
des Spleißens sein.
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Ähnliche
Ergebnisse können
mit vorherigem Dotieren einer dünnen
Oberflächenlage
an das zu verschmelzende optische Element erhalten werden.
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Durch
direktes Aneinanderheften der optischen Komponenten ohne Verwendung
von Epoxiden oder speziellen Endbehandlungstechniken werden Kosten
vermindert, die Umgebungsstabilität verbessert, die Ausrichtungs-Genauigkeit
vergrößert, die
Zielgenauigkeit verbessert und die Leistungshandhabung beträchtlich
vergrößert.
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Andere
Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden bei Betrachtung der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und
begleitenden Zeichnungen hervortreten, in welchen gleiche Bezugszeichen
gleiche Eigenschaften über
die Figuren hinweg darstellen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Zeichnungen, auf die in der Beschreibung Bezug genommen wird, sollen
nicht als maßstabsgetreu
gezeichnet und verstanden werden, außer wenn dies besonders angemerkt
ist.
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1a ist
eine Seitenaufrissansicht eines Faserkollimators des Stands der
Technik;
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1b ist
eine Seitenaufrissansicht einer Ausführung des Faserkollimators
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Seitenaufrissansicht, die schematisch den beim Fusionsspleißen einer
optischen Faser an ein optisches Element eingesetzten Apparat zeigt;
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3 ist
eine Ansicht eines Ringlaserstrahls, wie er auf der Oberfläche eines
Spiegels erscheint, durch welche die optische Faser geführt wird;
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4 ist
eine Seitenaufrissansicht, ähnlich der
von 2, die das Fusionsspleißen von zwei optischen Fasern
an ein optisches Element zeigt;
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5,
in Koordinaten von Rückreflektion, NDB
und Brechungsindex, ist ein Graph von berechneter Rückreflektion
einer optischen Schnittstelle/ Faser reines Siliziumoxid;
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6a ist
eine Seitenaufrissansicht als schematisches Diagramm, die eine optische
Faser darstellt, die an ein optisches Element fusionsgespleißt ist mit
einer Gradientenschicht in der Verbindungsfläche des optischen Elements;
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6b,
in Koordinaten von Brechungsindex und Abstand, ist ein Graph des
Brechungsindex als Funktion des Abstands entlang der optischen Faser über die
Gradientenlage und in das optische Element;
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7,
in Koordinaten von Rückreflektion (NDB)
und Dicke der Gradientenschicht, ist ein Graph, der den Einfluss
einer axialen Gradientenschicht auf die Rückreflektion von einem Fusionsspleißen zeigt;
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8 in
Koordinaten von Rückreflektion (NDB)
und Leistung (in relativen Einheiten), ist ein Graph, der veranschaulicht,
wie eine dünne
Gradientenlage erzeugt werden kann und nachfolgend die Rückreflektion
durch Einstellen der Laserleistung verbessert werden kann, die zum
Fusionsspleißen verwendet
wird;
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9 ist
eine Querschnittsansicht eines Kollimators der vorliegenden Erfindung,
die eine optische Faser umfasst, welche an eine Sammellinse fusionsgespleißt ist;
und
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10 ist
eine Querschnittsansicht eines Kollimators der vorliegenden Erfindung,
der eine Faser umfasst, die an ein plan-plan-optisches Element („Pellet") fusionsverspleißt ist,
zusammengefügt
in Kombination mit einer getrennten Sammellinse.
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Beste Ausführungsformen
zur Ausführung
der Erfindung
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Es
wird detailliert auf eine spezifische Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung Bezug genommen welche die beste derzeit von den Erfindern vollbrachte
Ausführung
zum Praktizieren der Erfindung darstellt. Alternative Ausführungen
werden kurz, soweit anwendbar, beschrieben.
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Ein
Faserkollimator 10 ist in 1a abgebildet,
der eine optische Faser 12 umfasst, die optisch mit einer
Linse 14 verbunden ist. Die optische Faser 12 wird
durch eine Glas- oder Keramikfrette 16 gehalten. Die Linse 14 und
die Frette 16 mit ihrer optischen Faser 12 sind
durch eine Montierhülse 18 gesichert. Ein
spannungsverminderndes Elastomer 20 ist am Ende der Montierhülse 18 vorgesehen,
von welcher eine optische Faser 12 hervortritt. Die Linse 14 und Frette 16 sind
an den Seiten 14a, 16a jeweils vorgesehen, die
bei nicht normalem Winkel an der Faser 12 liegen. Die Faser 12 ist
von der Linse 14 durch einen Luftspalt 22 beabstandet.
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Zum
Vergleich ist der Faserkollimator 110 der vorliegenden
Erfindung in 1b abgebildet. Es wird bemerkt
werden, dass es im Wesentlichen keinen Luftspalt gibt; die Faser 12 ist
direkt mit der Linse 14 durch das unten beschriebene Schmelzverfahren gekoppelt.
Weiterhin gibt es keinen Winkel der Linsenoberfläche 14a in Bezug auf
die Faser 14; die Linsenoberfläche ist normal zur Faser. Als
Ergebnis ist die Rückreflektion
beträchtlich
vermindert und die Zielgenauigkeit verbessert. Als weitere Konsequenz des
hier offenbarten Verfahrens ist das Leistungshandhabungs-Vermögen beträchtlich
verstärkt.
Die Verminderung der Rückreflektion,
Verbesserung in der Fehlgenauigkeit und Vergrößerung des Leistungshandhabungs-Vermögens werden
unten alle detaillierter diskutiert. Lokalisierte Wärme wurde
effizient in einer Vielzahl von Glasbearbeitungsvorgängen, einschließlich des
Oberflächenpolierens,
Faserziehens und Schmelzspleißens
verwendet. Die verwendete Wärmequelle
ist häufig
eine einfache Widerstandsheizung oder ein kontrollierter Lichtbogen. Alle
vorgenannten Verfahren können
auch unter Verwendung eines Lasers als Hitzequelle ausgeführt werden.
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Vor
der vorliegenden Erfindung ist hingegen kein Verfahren zum Spleißen optischer
Komponenten von wesentlich verschiedenen Querschnittsbereichen nach
Wissen der Erfinder entwickelt worden. Die vorliegende Erfindung
betrifft ein Verfahren, um nahtlos verschmolzene monolithische Stücke zu bilden.
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Um
eine oder mehrere optische Komponenten eines ersten Querschnittsbereichs
an eine optische Komponente von einem wesentlich breiteren Querschnittsbereich
zu verschmelzen, wird in einer Ausführung die breitere Oberfläche durch
den Laser vorgeheizt. Die Vorheiztemperatur ist gerade ausreichend,
um die Oberfläche
der breiteren Komponente an dem Ort zu polieren und zu schmelzen,
den man an die kleinere Komponente zu verschmelzen wünscht. Abhängig von
der Größe kann
es ein Heizen der gesamten Oberfläche oder nur ein lokalisiertes
Heizen sein. Die erste Oberfläche
(Oberflächen) werden
in Kontakt mit der vorgeheizten Oberfläche gebracht und wenn der Wärmeaustausch
einmal etabliert ist (durch Wärmeleitung)
werden alle Komponenten gleichzeitig erwärmt. Wenn alle Oberflächen breit
sind (breit in Bezug zur lokalen Wärmezone), können alle eine Vorerwärmung benötigen. Wenn
die Oberflächen
einmal in Kontakt bei geeignet hohen Temperaturen sind, tritt das
Schmelzen auf. Die Schmelztemperatur liegt gerade genügend oberhalb der
Erweichungstemperatur, um einen guten Strom thermischer Energie
zwischen den beiden Komponenten sicherzustellen.
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In
einer zweiten Ausführung
tritt das Schmelzen beginnend vom Kontakt aller optischen Komponenten
auf und die Komponenten werden während des
Schmelzspleißens
niemals getrennt.
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In
einer dritten Ausführung
werden die optischen Komponenten in Kontakt gebracht und dann nach
Ausrichtung auseinander gezogen und dann wie in der ersten Ausführungsform
fusionsgespleißt.
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Die
Qualifizierung der Zwischenfläche
wird durch Messen der Lichtrückreflektion
durch das System als auch durch mechanisches Testen vollbracht.
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Es
gibt keine praktischen Begrenzungen bei der Anwendung dieser Technik
in Bezug auf den Größenunterschied
oder die Abwesenheit von einem Unterschied oder in der Querschnittsgeometrie.
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Alle
Vielfachstücke
von optischen Elementen, ob sie ein anorganisches Glas oder organisches Polymer
umfassen, können
unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verschmolzen
werden.
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Die
gewöhnlichste
Anwendung wird das Verschmelzen von Einfachmodusfasern an Optoelektronik-
oder Telekommunikationsvorrichtungen sein. Fusionsspleißen gemäß den Lehren
hierin eliminiert virtuell die Rückreflektion
und damit verbundenen Verluste. Es ist sehr kosteneffizient, mit
einem Spleißen, das
einige Sekunden oder weniger erfordert und das Verfahren kann vollständig automatisiert
werden. Das Spleißen
erübrigt,
den Bedarf für
aktives Ausrichten in vielen Fällen.
Das Spleißen
trägt auch
Verunreinigungen ab und schließt
die Notwendigkeit für Fremdmaterialien
wie Klebstoffe oder andere organische Materialien in dem optischen
Gang aus.
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Optisches
anorganische Glase wie Siliziumoxide, Silikate, Borsilikate, Borate,
Phosphate, Aluminate, Chalkogenide und Chalkohalide, Halide usw. und
optische organische Polymere wie Acrylate, Metacrylate, Vinylacetate,
Acrylnitrile, Styrole, usw. können
vorteilhaft in der Praxis der vorliegenden Erfindung eingesetzt
werden, obwohl die Erfindung nicht auf spezifische Klassen der aufgelisteten
Materialien beschränkt
ist.
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Da
das Heizen bzw. Erwärmen
schnell und lokalisiert ist, können
die Komponenten an anderen Oberflächen als der zu verschmelzenden
Oberfläche vor
dem Verschmelzen antireflektionsbeschichtet werden. Das Verfahren
der vorliegenden Erfindung minimiert auch die Anzahl von beschichteten
Oberflächen.
Typische Herstellungstechniken hinterlassen eine minimale Anzahl
von zu beschichtenden Oberflächen:
die Oberfläche
jeder optischen zu spleißenden
Faser und beide Eingangs- und Ausgangsflächen der Linse. Hingegen hinterlässt das
Verfahren der vorliegenden Erfindung lediglich eine Oberfläche, da
mehrere Oberflächen
(jede optische Faserseite und die Linseneingangsseite) in ein monolithisch
verschmolzenes Stück
kombiniert sind. Jede Oberfläche,
selbst wenn beschichtet, trägt
zu Verlusten des Systems bei, da es keine perfekte Antireflektionsbeschichtung
gibt. Die Verminderung der Anzahl von zu beschichtenden Oberflächen vermindert
daher die Verluste des Systems. Für konventionelle Kollimatoren
begrenzt die am Ende der Phase verwendete Beschichtung ferner das
Leistungshandhabungsvermögen
dieser Elemente. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung erübrigt die
Beschichtung am Faserende und eliminiert tatsächlich alle Faser-Luft-Verbindungen.
In dieser Weise hergestellte Kollimatoren können beträchtlich mehr Leistung (>10x) als andere Kollimatorentypen
handhaben.
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Zielgenauigkeit
und Strahlqualität
können vor
dem Verschmelzen verfolgt werden und aufgrund des Verschmelzens
festgesetzt werden. Konventionelle (Stand der Technik) Kollimatoren
haben einen intrinsischen Zielfehler (der aus dem Kollimator kommende
Strahl setzt sich entlang einer Linie fort, die bei einem Winkel
von annähernd
0,5° zur
Kollimatorachse ist). Dieser Fehler kommt von den winkelpolierten
Oberflächen
und der verbundenen Luftlücke. Wenn
mit nur einer Faser konfiguriert, zeigt der Kollimator in der vorliegenden
Erfindung eine Symmetrie um die durch die Faser definierte Achse
und der Zielfehler kann auf Werte kleiner als 0,1° vermindert
werden. Solch ein kleiner Zielfehler ist ein beträchtlicher Vorteil
für die
nachfolgende Verwendung dieser Kollimatoren in Vorrichtungen, da
die optische Ausrichtung schneller und einfacher wird.
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Die
Eliminierung von gewinkelten Oberflächenbrechungsindizes vermindert
Polarisierungseffekte wie polarisationsabhängige Verluste (PDL) und Polarisationsmodusdispersion
(PMD) in hergestellten Komponenten. Derzeitige Verfahren setzen
optische Oberflächen
ein, welche bezüglich
der optischen Achse gewinkelt sind, um Rückreflektion zu kontrollieren
und induzieren dabei PDL und PMD oberhalb von jenen, die diesen
Materialien inhärent sind.
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Ein
anderer entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die
Wärmestabilität des Systems.
Da die Teile nahtlos in einem monolithischen Stück verschmolzen sind, gibt
es keine Abhängigkeit vom
Gehäuse
zum Festhalten von sub-micronischen Beabstandungstoleranzen wie
mit Stand-der-Technik-Ansätzen
in Optoelektronik- und
Telekommunikationsvorrichtungen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
eine sehr hohe Qualität
und geringe Produktionskosten für
die Optoelektronik-/Telekommunikationsindustrie. Ohne diese Technologie
wäre man
gezwungen Techniken des Stands der Technik zu verwenden, die in der
Telekommunikationsindustrie bekannt sind und die sehr kostspielig
sind und ebenso nicht ungewünschte
Materialien im optischen Gang ausführen und/oder verwenden können.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Spleißen einer _ oder mehrerer Querschnittsbereiche
optischer Fasern an einen weiteren Querschnittsbereich eines optischen
Elements umfasst:
- 1. Ausrichten der optischen
Faser(n) und des optischen Elements entlang einer Achse;
- 2. Anstellen einer gerichteten Laserwärmequelle (wie einem Infrarotlaser)
zur Bildung eines Laserstrahls;
- 3. Ausrichten des Laserstrahls, um mit der (den) optischen Faser(n)
collinear zu sein (auf diese Weise wird das meiste Laserlicht nicht
durch die kleinen Faser(n) absorbiert sondern von der Oberfläche wegreflektiert,
weil der Reflektionskoeffizient bei triftendem bzw. streifendem
Einfall sehr hoch ist);
- 4. Sicherstellen, dass der Laserstrahl die Oberfläche des
optischen Elements mit normalem oder annähernd normalem Auftreffen berührt, so
dass die Absorption des Laserstrahls auf der breiteren Oberfläche sehr
viel effizienter ist;
- 5. Einstellen des Leistungsniveaus, um eine Temperatur zu erreichen,
die gleich oder höher
als die Erweichungstemperatur auf der Oberfläche des Elements ist, um Schmelzspleißen bzw.
Fusionsspleißen
zu erreichen;
- 6. Abstellen des Lasers.
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Die
erste Ausführung
der beiden Komponenten (z.B. optische Faser(n) und optisches Element) werden
ausgerichtet, aber durch einen Raum (typischerweise einige Millimeter)
beabstandet, der Laserstrahl wird angeschaltet, um die Erweichungsregion
zu bilden, und die Oberfläche
der optischen Faser(n) wird in Kontakt mit der Erweichungsregion
des optischen Elements gebracht, wobei der Kontakt in einer Wärmeüberführung an
die Oberfläche
der optischen Faser(n) resultiert, welche dann erweichen, wobei
das Fusionsspleißen
erzielt wird.
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In
der zweiten Ausführungsform
werden zwei Komponenten (z.B. optische Faser(n) und optisches Element)
zuerst in Kontakt gebracht und der Laserstrahl wird angeschaltet,
um die Erweichungsregion zu bilden, wo die beiden Komponenten in
Kontakt sind, um das Fusionsspleißen zu erzielen.
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In
der dritten Ausführungsform
werden die beiden Komponenten (z.B. optische Faser(n) und optisches
Element) ausgerichtet und dann in Kontakt gebracht und dann durch
einen Raum (typischerweise wenige Millimeter) getrennt, der Laserstrahl
wird angeschaltet, um die Erweichungsregion zu bilden und die Oberfläche der
optischen Faser(n) wird mit der Erweichungsregion des optischen
Elements in Kontakt gebracht, der Kontakt führt zu einer Wärmeüberführung zur
Oberfläche
der optischen Fasern resultiert, welche dann erweicht, wobei das
Fusionsspleißen
erzielt wird.
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Zum
Fusionsspleißen
typischen anorganischen Glases wie Siliziumoxid wird ein CO2-Laser bevorzugt, der in einem Bereich von
9 bis 11 μm
arbeitet, da siliziumoxidbasiertes Glas einen sehr hohen Absorptionskoeffizienten
hat. Andere optische Materialien haben typischerweise eine breite
Absorption im Infrarotbereich und dementsprechend können Laser
mit solchen anderen optischen Materialien verwendet werden, die
in einer anderen Region des IR-Spektrums arbeiten.
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Der
Laserstrahl ist colinear und streift die optische Faser(n). Dies
kann auf viele Weisen geschehen. Z.B. wird ein 45°-Winkel-Spiegel
mit einem zentralen Loch verwendet, um den Laserstrahl colinear mit
der Achse der Faser(n) zurück
zu richten, die Faser(n) passiert durch das Loch, parallel zueinander). Andere
Verfahren, die den Laserstrahl entlang der Achse der Faser(n) leiten,
können
auch eingesetzt werden; solche Verfahren sind den Fachleuten wohlbekannt.
Der Laserstrahl selbst kann (aber nicht notwendigerweise) von ringförmiger Form
sein. Dieses letzte Erfordernis wird durch verschiedene Techniken:
Scansystem, spezielle optische Komponenten (axicon), TEM01-Lasermodus, Zentralobstruktion, diffraktives
optisches Element, usw. erreicht. Derselbe Effekt könnte durch
Verwendung von zwei oder mehreren Laserstrahlen erreicht werden,
die alle colinear zu der optischen Faser(n) sind.
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Die
optischen Komponenten, die schmelzverspleißt werden, haben vorzugsweise ähnliche thermische
und/oder mechanische Eigenschaften. Hingegen ist dies kein notwendiges
Erfordernis, da unähnliche
optische Komponenten unter Einsatz der Lehren der vorliegenden Erfindung
schmelzverspleißt
werden können.
In solchen Fällen
kann die Möglichkeit
einer Verzerrung aufgrund des Verfahrens die Verspleißung zum
Brechen bringen, wenn die Bedingungen nicht richtig sind, und muss
so berücksichtigt
werden. Solch eine Berücksichtigung
ist hingegen sowohl sehr wohl innerhalb der Erfahrung eines Fachmanns
und unzumutbares Experimentieren ist nicht erforderlich.
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2 stellt
den Laserstrahl 24 aufstoßend auf den Spiegel 26 dar,
welcher dort hindurch ein Loch 26a hat. Die optische Faser 12 läuft durch
das Loch 26a in den Spiegel 26 und ist an das
optische Element, z.B. Linse 14, fusionsverspleißt. 2 bildet
die optische Faser genau vor dem Fusionsverspleißen an die Linse 14 ab. 3 bildet
einen Ringlaserstrahl 24a im Querschnitt entlang der Faser 12 ab.
Das optische Element 14 kann eine Linse, Filter, Gitter,
Prisma, WDM-Vorrichtung oder eine andere solche optische Komponente
sein, an welcher es gewünscht
wird, die optische Faser 12 zu befestigen. 4 ist
eine ähnliche
Ansicht, die das Verschmelzen von zwei optischen Fasern 12a, 12b und
das optische Element 14 abbildet. Es wird geschätzt werden,
dass selbst mehrere optische Fasern an das optische Element 14 fusionsgespleißt werden,
indem die hiesigen Lehren eingesetzt werden.
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Die
hier offenbarte Technologie kann auf konventionelle Faserkollimatoren,
vergrößerte Strahlkollimatoren,
WDM-Produkte und jede andere Vorrichtung angewandt werden, die eine
Glas- oder Polymer-Befestigungsstelle hat. Man ist nicht mehr auf
das Verschmelzen von Komponenten beschränkt, die lediglich im Wesentlichen ähnliche Durchmesser
haben.
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Wie
oben erwähnt,
ist ein Schlüsselleistungsfähigkeits-Parameter,
der in Kollimator-Anordnungen
zu minimieren ist, die Rückreflektion
von Licht zurück
in die Faser 12. Durch Endverkopplung oder Schmelzspleißen einer
Faser an eine Linse von gleichem Brechungsindex gibt es keine sichtbare Oberfläche, um
Rückreflektion
hervorzurufen. Beim Schmelzspleißen einer Faser an ein optisches
Element, das aus reinem Siliziumoxid gemacht ist, ist die Brechungsindex-Differenz
der beiden Elemente so klein, dass sie häufig vernachlässigt wird.
Hingegen ist diese Differenz nicht genau Null, da der Kern der Faser
einen geringfügig
höheren
Index als das Roh- bzw. Blockmaterial hat. Dieser Unterschied beim
Index ist tatsächlich
die Grundlage für
die Leiteigenschaften der Faser. Für eine typische Einfachmodus-Schritt-Index-Faser
ist die Differenz annährend 0,36%
(aus dem Produktinformationsheft von Corning® SMF-28TM CPC6 Single-mode Optical Fiber) und wird
eine Rückreflektion
von der Schnittstelle von –57
dB hervorrufen (= 10 log[reflektierte Leistung/ einfallende Leistung]).
Für die
meisten Anwendungen ist dieser kleine Betrag von rückreflektierter
Leistung vernachlässigbar.
Aber in einigen Fällen
ist er schädlich.
In solchen Fällen
wird eine Rückreflektion von –65 dB als
akzeptable Leistung angesehen.
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5 veranschaulicht
die erwartete Rückreflektion
aus einer fusionsverspleißten
Verbindung als Funktion des Brechungsindex eines optischen Elements
unter der Annahme, dass die Faser eine Einfachmodus-Schritt-Index-Faser
ist. Die Kurven wären sehr ähnlich für alle anderen
Typen von Fasern.
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Der
Brechungsindex von verschmolzenem Siliziumoxid bei 1,55 μm ist 1,444.
Die Verwendung eines Materials mit einem geringfügig höheren Index würde die
Rückreflektion
von –57
dB auf –65
dB herunterbringen. Hingegen bleibt Siliziumoxid das beste Material,
da seine thermischen Eigenschaften mit jenen der Faser sehr passend
sind. Eine bessere Lösung
würde es
sein, eine Zwischenschicht 28 zwischen der Faser 12 und
dem optischen Element 14 zu erzeugen. Der Brechungsindex
dieser Zwischenschicht 28 würde graduell wie in 6a und 6b veranschaulicht,
variieren. Das exakte Profil der Indexfunktion ist nicht kritisch.
Die Zwischenschicht 28 wird in der Oberfläche 14a auf
dem optischen Element 14 gebildet und erstreckt sich eine
kurze Strecke D dort hinein. Die Zwischenschicht 28 kann
stattdessen eine Region 28' umfassen,
die im Schema gezeigt ist und in ummittelbarer Nachbarschaft der fusionsgespleißten Faser 12 gebildet
wird.
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Solch
ein Gradient vermindert die Rückreflektion
an der Schnittstelle. Für
einen linearen Gradienten der Dicke D ist die berechnete Rückreflektion in 7 veranschaulicht.
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Aus 7 ist
ersichtlich, dass selbst eine sehr dünne Gradientenschicht (<2 μm) beträchtlich die
Rückreflektion
des Fusionsspleißens
verbessert. Da das Indexprofil und die Dicke keine kritischen Parameter
sind, kann die Gradientenschicht 26 leicht in das Fusionsspleißverfahren
eingefügt
werden. um effektiv zu sein, muss der Gradient wenigstens 0,2 μm Dicke haben.
Je dicker der Gradient, desto besser das Ergebnis. Oberhalb einer
Dicke von 2 μm
ist hingegen die Inkrement-Verminderung der Rückreflektion vernachlässigbar.
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Verschiedene
Ansätze
zur Bildung der Gradientenschicht 28 sind möglich. Die
erste und geradlinigste Technik ist es, die Diffusion der Faserkern-Dotierungsmittel
beim Fusionsspleißverfahren zu
fördern.
Im speziellen Fall einer Einfachmodus-Schritt-Index-Faser 12 wird der Kern
der Faser mit einer geringen Konzentration von Germanium (Ge) dotiert,
um den Brechungsindex zu erhöhen. Beim
Schmelzspleißverfahren
erreicht eine dünne Glasschicht
am Ende der Faser eine sehr hohe Temperatur und schmilzt, was es
dem Ge-dotierten Glas ermöglicht,
sich auszubreiten und dem Ge zu diffundieren. Verschiedene Kombinationen
der Verfahrensparameter (Laserleistung, Aussetzungs- bzw. Belichtungszeit,
Verbindungsdruck, Nachheizen, usw.) können verwendet werden, um diese
dünne Gradientenschicht 28 zu
induzieren. Z.B. veranschaulicht 8 den Einfluss
der Laserleistung auf die gemessene Rückreflektion.
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In
diesem speziellen Fall wird ein Fusionsspleißen erhalten, indem das Faserende
in Kontakt mit der Rückseite
der Linse platziert wird und durch Anwenden von Laserleistung in
der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Weise. Am unteren Ende
der Laserleistungsskala wird genügend
Hitze erzeugt, um die Oberfläche
und/oder das Faserende zu schmelzen und perfekter optischer Kontakt
zwischen der Faser und der Rückseite
der Linse wird erzielt. Dies führt
zu einer Rückreflektion
in der Größenordnung
von –57
dB, übereinstimmend
mit dem Unterschied zwischen dem Brechungsindex des Faserkerns und
verschmolzenem Siliziumoxid. Wenn das Leistungsniveau erhöht ist,
so kommt ein Punkt, wo das Germanium im Kern der Faser diffundiert oder
sich in einer dünnen
Lage an der Verbindung abscheidet. Diese Lage wirkt als Brechungsindexgradient,
der die Rückreflektion
auf Werte unter –65
dB vermindert.
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Die
gleichen Gesamtergebnisse können durch
Erzeugen einer dünnen
Axialgradientenlage 28 an der Oberfläche 14a des optischen
Elements 14 vor dem Schmelzspleißen erzeugt werden. Der offensichtliche
Ansatz ist es, Ge zu diffundieren, da dies ein Dotierungsmittel
ist, das verwendet wird, um den Index des Faserkerns zu vergrößern. Eine
mögliche Technik
ist es, eine Lösung
von Germaniumoxid auf der Oberfläche
abzuscheiden und einen CO2-Laser zu verwenden,
um das Germanium in der dünnen Oberflächenschicht
von geschmolzenem Glas einzufügen.
Andere Eindiffusions-, Ionenimplantierungs- oder Ionenmigrationstechniken
sind auch möglich.
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Es
wird geschätzt
werden, dass die Gradientenschicht 28 in wenigstens einer
Position der Oberfläche 14a des
optischen Elements 14 entweder direkt verbunden mit der
optischen Faser(n) 12 und möglicherweise in unmittelbarer
Nachbarschaft oder über
die gesamte Faser hinweg gebildet wird.
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Die
gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung hergestellten Faserkollimatoren haben
ein hohes Leistungshandhabungsvermögen. Leistungsniveaus über 9 Watt
wurden ohne jegliche Anzeichen von Schaden erreicht. Dies zeigt
einen Faktor von zehnfacher Erhöhung über der
Leistung von Faserkollimatoren nach Stand der Technik wie jene in 1a dargestellten.
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Faserkollimatoren,
die unter Verwendung von Stand-der-Technik-Verfahren hergestellt
sind, sind typischerweise auf weniger als 1 Watt kontinuierlichen
Laserleistungsdurchlauf begrenzt. Die meisten haben spezifische
Leistungshandhabungsbegrenzungen von 300 Milliwatt. Der Fehlermechanismus
von Stand-der-Technik-Kollimatoren ist typischerweise ein katastrophaler
Schaden, der durch hohe Laserintensität an der anitreflektionsbeschichteten
Laserendseite induziert wird. Aufgrund der sehr kleinen Leitregion
von Einfachmodus-Optikfaser (10 Mikrometer Durchmesser ist typisch)
werden sehr hohe Intensitätsniveaus
erreicht (nahe 1 Megawatt/cm2) bei 1 Watt
Durchlaufleistungsniveaus. Es ist wohlbekannt, dass diese Intensitätsniveaus
oft katastrophale Fehler an optischen Oberflächen hervorrufen.
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Durch
Verschmelzen der an ein optisches Element führenden Faser wie einer reinen
Siliziumoxid-Sammellinse oder ein plan-plan-Pellet, wurde die Faserendseite
hingegen effizient entfernt. die Luft-Glas-Schnittstelle wurde zur
Ausgangsseite des angehefteten optischen Elements versetzt, wo sie auf
einen typischen Durchmesser von 500 Mikrometern erweitert wurde.
Die Intensität
bei 1 Watt-Laserdurchlaufleistung
ist lediglich 500 Watt/cm2 an der Ausgangsendseite
des optischen Elements, was eine 2500-fache Intensitätsabnahme
darstellt. Daher ist das Leistungshandhabungsvermögen von
Kollimatoren, die gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, vielfach höher als
jenes von Stand-der-Technik-Kollimatoren.
Potenzielle Anwendungen gibt es in den Bereichen von Lasertransmittern
bzw. -überträgern, Hochpumpleistungs-Faserverstärkern, Faserlasern,
Laserprojektionsanzeigen, Lasergeschwindigkeitsmessern, medizinischen
Laserabgabesystemen und industriellen Laserabgabesystemen.
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Die 9 und 10 sind
jede Querschnittsansichten von zwei bevorzugten Ausführungsformen
des Faserkollimators der vorliegenden Erfindung. In 9 umfasst
der Faserkollimator 110 die an die Linse 14 fusionsgespleißte Faser 12,
beide enthalten in der Montierhülse 18.
Ein Glasstabilisierungsrohr 30 trägt die Faser 12 und
das Elastomer 20 ergibt einen Verzerrungsdämpfer. Beispielhaft
umfasst die Montierhülse 18 Reihe
300 Edelstahl, versehen mit einer 3 μm dicken Cu-Ni-Au-Beschichtung. Alternativ
kann die Linse 14 und das Glasstabilisierungsrohr 30 mit
einer Metallbeschichtung anstelle der Montierhülse 18 versehen sein.
Ein typischer Durchmesser des gesammelten Strahls ist in der Größenordnung
von 0,5 mm.
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In 10 umfasst
der Faserkollimator 210 die an das optische Element 14 schmelzgespleißte Faser,
hier ist das optische Element 14 ein plan-plan-Pellet,
wobei beide in der Montierhülse 18 enthalten
sind. Die Montierhülse 18 ist
an einem Gehäuse 32 befestigt,
welches eine Kammer 34 einschließt. Die Montierhülse 18 erstreckt
sich eine Strecke weit in ein Ende der Kammer 34 hinein.
Am entgegengesetzten Ende der Kammer 34 ist eine getrennte
Sammellinse 114. Das plan-plan-Pellet 14 umfasst
einen Glasstab, der mit einem plan-plan-Eingang versehen ist und
Ausgangsoberflächen.
Der Strahl 36, der von der Faser 12 hervortritt,
divergiert in das Pellet 14, was dazu dient, die Rückreflektion zu
minimieren; das Pellet sammelt den Strahl nicht. Stattdessen wird
der divergierende Strahl 36 durch die getrennte Sammellinse 114 gesammelt.
Diese Konfiguration ermöglicht
einen viel breiteren gebündelten
Strahl, überall
von 1 bis 80 mm und sogar breiter. Ein solch breiter gebündelter
Strahl ohne die Konfiguration, die in 10 abgebildet
ist, würde
gewöhnlich
beträchtlich
mehr Glas erfordern. Daher spart die in 10 abgebildete
Konfiguration Glas und ihr damit verbundenes Gewicht. Natürlich könnte der
Strahl 36 auch auf die getrennte Sammellinse 114 auftreffend
ausgebildet sein und auf die optische Faser 12 konvergieren.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Von
dem Verfahren der Erfindung wird erwartet, dass es in der Herstellung
von Faserkollimatoren Anwendung findet, die Schmelzspleißen von
wenigstens einer optischen Faser an ein optisches Element mit einem
relativ weiteren Querschnittsbereich einsetzen.