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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Optoelektroniken, die optische
Komponenten involvieren und spezieller die Kopplung optischer Komponenten
miteinander von signifikant verschiedenen Querschnittsflächen wie
die Kopplung optischer Fasern an optische Elemente wie Linsen, Filter,
Gitter, Prismen und dergleichen.
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STAND DER
TECHNIK
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Spleißen von
einer optischen Faser an eine andere oder einer optischen Faser
an einen optischen Wellenleiter ist bekannt. Solches Spleißen kann
durch eine Vielzahl von Techniken einschließlich Fusionsspleißen vorgenommen
werden, welches lokalisiertes Schmelzen in den Bereich des Verspleißens involviert.
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Die
folgenden Bezugnahmen offenbaren Fusionsspleißen von Faser zu Faser oder
Faser zu Silica-Wellenleiter: (1) R. Rivoallan et al „Monomode
fibre fusion-splicing with CO2 laser", Electronics Letters, Vol.
19, No. 2, S.54–55,
1983; (2) R. Rivoallan et al, „Fusion-splicing
of fluoride glass optical fibre with CO2 laser", Elektronics letters,
Vol. 24, no. 12, S.756–757,
1988; (3) n. Shimizu et al, „Fusion-splicing
between optical circuits and optical fibres", Electronics Letters, Vol. 19, No.
3, S.96–97,
1983; (4) T. Shiota et al, „Improved
optical coupling between silica-based waveguides and optical fibers", OFC ,94 Technical
Digest, S.282–283;
und (5) H. Uetsuka et al, „Unique
optical bidirectinal module using a guided-wave multiplexer/demultiplexer", OFC '93 Technical Digest,
S. 248–249.
In beiden Fällen
(Faser zu Faser oder Faser-Wellenleiter)
sind die zu verschmelzenden Massen sehr klein und von ähnlicher Größe. Die
Fusion fordert sorgfältige
Wärmeausgleichung
zwischen den Komponenten, die involviert sind und kann mit einem
Laserstrahl vorgenommen werden, der von der Seite einwirkt. 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 Fusionsspleißen eines
undotierten (reinen) Siliziumoxidstabs an eine Ein-Modus-Faser,
um einen Kollminator herzustellen unter Einsatz eines Lichtbogens.
Hingegen ist dies ein extrem kompliziertes Verfahren und hat begrenzte
Anwendungen.
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Die
derzeitige Praxis im Stand der Technik erfordert häufig die
Anheftung von optischen Fasern an andere optische Elemente wie Linsen,
Filter, Gitter, Prismen und andere Komponenten, welche größere Querschnittsflächen als
die optischen Fasern haben. Die am häufigsten verwendeten Verfahren zum
Anheften von optischen Fasern an größere optische Elemente umfassen
(1) Binden der Faser über Flächen direkt
an das optische Element mit Klebstoffen oder (2) Bauen eines komplexen
mechanischen Gehäuses,
welches eine stabile Positionierung von luftbeabstandeten Fasern
und optischen Elementen über
weite Bereiche unter Umgebungsbedingungen ergibt.
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Die
Verwendung von Klebstoffen in dem optischen Gang solcher Vorrichtungen
ist nicht wünschenswert
auf Grund der Möglichkeit
von Degradierung des Klebstoffs mit der Zeit. Andererseits erfordert
die Beabstandung von Fasern in festem Abstand weg von den optischen
Elementen unter Verwendung von komplexen mechanischen Gehäusen, die Verwendung
von Antireflektionsbeschichtungen an allen Luft-Glas-Schnittstellen, um
Verluste optischer Energie durch die Vorrichtung zu vermeiden. Die
Gegenwart von Luft-Glas-Schnittstellen ergibt auch eine Quelle von
in die optischen Fasern hinein rückreflektiertem
Licht. Das rückreflektierte
Licht ist eine Quelle von Rauschen in vielen Kommunikationsnetzwerken und
begrenzt effektiv die Übertragungsbandbreite solcher
Kommunikationsnetzwerke.
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Im
bisherigen Stand der Technik hat man gezeigt, dass die Positionierung
einer winkelgespaltenen Faser oder polierten Faser in der Nähe der winkelpolierten
Seite einer Kollektivlinse, was zu hervorragenden Kollmination und
hervorragenden Leistungsfähigeitsmerkmalen
führt.
Hingegen erfordern diese vorhandenen Techniken zum Zusammenbauen von
Kollminatoren sehr arbeitsintensive Ausrichttechniken. Diese Ausrichttechniken
umfassen das Handhaben der Position der Faser relativ zur Linse
in drei Linearachsen und drei Rotationsachsen beim endgültigen Zusammenbau.
Wenn ein Kollminator gebaut werden kann, der effektiv die Faser
und die Linse zu einem Stück
macht, kann die Ausrichtung in zwei Linear- und zwei Rotationsachsen beim Fusionsvorgang
vermindert werden und es gibt keinen Bedarf an Ausrichtung beim
endgültigen
Zusammenbau, was die Kosten dramatisch vermindert.
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Ein
Schlüsselleistungsfähigkeitsparameter, der
in Kollminator-Anordnungen zu minimieren ist, ist die Rückreflektion
von Licht zurück
in die Faser. Durch End-an-End-Koppeln
(butt-coupling) oder Fusionsverspleißen einer Faser an eine Linse
mit demselben Brechungsindex gibt es keine scheinbare Zwischenfläche bzw.
Schnittstelle, welche Rückreflektion
erzeugen könnte.
Man lässt
den Strahl dann in die Linse divergieren und sieht keine Brechungsindexoberfläche, außer sie
existiert in der Linse. Dann wird der Strahl so gestreut, dass die
Lichtmenge, welche in den Faserkern zurückkehren kann, extrem klein
ist.
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Viele
Fortschritte können
auf den Ootoelektronik- und Telekommunikationsmärkten erzielt werden, wenn
man in der Lage ist, eine optische Einfachmodusfaser direkt an eine
Kollminatorlinse, einen Filter, ein Gitter, ein Prisma, eine Wellenlängenmultiplexervorrichtung
(WDM) oder jede andere optische Komponente von vergleichsweise größerer Querschnittsfläche direkt
fusionszuverspleißen.
Allgemeiner können
die Fortschritte erzielt werden, wenn jemand in der Lage ist, optische
Komponenten von wesentlich unterschiedlichen Querschnittsbereichen
zu verschmelzen.
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Daher
bleibt der Bedarf an einem Verfahren des Fusionsspleißens von
Komponenten von signifikant unterschiedlichen Querflächen bestehen,
worunter eine Differenz von wenigstens zweifach verstanden wird.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren wie in Anspruch
1 hiernach beansprucht, bereitgestellt zum Fusionsverspleißen optischer
Komponenten.
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Das
Verfahren der Erfindung ist insbesondere nützlich zum Fusionsverspleißen von
zwei oder mehreren optischen Fasern an ein optisches Element wie
eine Linse mit einem viel größeren Querschnittsbereich.
In dem Fall der vorliegenden Erfindung ist der Unterschied in Querschnittsbereichen zwischen
den optischen Fasern und dem optischen Element wenigstens etwa zweifach
und typischerweise wenigstens etwa zehnfach.
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Nahtloses
Fusionieren der optischen Fasern an die optischen Elemente, wie
hier definiert, negiert den Bedarf sowohl von Klebstoffen als auch
komplizierten Gehäusen.
Zusätzlich
eliminiert solches Verschmelzen die Quelle rückreflektierten Lichts und
erfordert keine zusätzlichen
Antireflektiv-Beschichtungen zwischen optischen Fasern und optischen
Elementen. Die vorliegende Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung
für optoelektronische
Anordnungen dar und ermöglicht
es solchen Vorrichtungen, bei signifikant niedrigeren Kosten als
derzeit verfügbar
hergestellt werden zu können.
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Andere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
offensichtlich beim Betrachten der folgenden detaillierten Beschreibung
und anliegenden Zeichnungen, in welchen ähnliche Bezugszeichen die gleichen
Merkmale über
die Figuren zeigen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Zeichnungen, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen werden
wird, sollten als nicht maßstabsgetreu,
außer
wenn spezifisch angegeben, verstanden werden.
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1 ist
eine Seitenexplosionsansicht, die schematisch die in der Praxis
der vorliegenden Erfindung eingerichtete Vorrichtung zeigt; und
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2 ist
eine Ansicht eines ringförmigen
Laserstrahls, der an der Oberfläche
eines Spiegels erscheint, durch welchen die optischen Fasern geführt werden.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Es
wird detailliert Bezug auf eine spezifische Ausführung der vorliegenden Erfindung
genommen, welche die derzeit von den Erfindern beabsichtigte beste
Ausführung
zum Praktizieren der Erfindung ist. Alternative Ausführungen
sind auch kurz beschrieben, wo anwendbar.
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Lokalisierte
Wärme ist
effektiv in einer Vielzahl von Glasbearbeitungsvorgängen verwendet, einschließlich Oberflächenpolieren,
Faserausziehen und Fusionsverspleißen verwendet worden. Die verwendete
Wärmequelle
ist häufig
ein einfacher Widerstandserhitzer oder ein kontrollierter Lichtbogen.
Alle oben genannten Verfahren können
auch unter Verwendung eines Lasers als Wärmequelle durchgeführt werden.
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Vor
der vorliegenden Erfindung ist hingegen nach Kenntnis der Erfinder
kein Verfahren zum Verspleißen
optischer Komponenten von wesentlich unterschiedlichen Querschnittsflächen entwickelt
worden. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, um nahtlos
fusionierte monolithische Stücke
zu bilden.
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Um
zwei oder mehr optische Komponenten einer ersten Querschnittsfläche an eine
optische Komponente von wesentlich größerer Querschnittsfläche zu verschmelzen,
wird in einer Ausführung
die größere Oberfläche zuerst
durch den Laser vorgeheizt. Die Vorheiztemperatur ist gerade ausreichend, um
die Oberfläche
der größeren Komponente
an dem Ort, wo gewünscht,
an die kleinere Komponente zu verschmelzen, zu polieren und zu schmelzen.
Abhängig
von der Größe kann
es ein Heizen der gesamten Oberfläche oder nur ein lokalisiertes
Heizen sein. Die zweiten Oberflächen
werden dann in Kontakt gebracht mit der vorgeheizten Oberfläche, und
wenn der Wärmeaustausch
einmal etabliert ist (durch Heizbedingung) werden alle Komponenten
gleichzeitig geheizt. Wenn alle Oberflächen groß (groß in Bezug auf die lokalisierte
Heizzone) können
alle ein Vorheizen erfordern. Wenn die Oberflächen einmal in Kontakt bei
den geeigneten hohen Temperaturen sind, tritt Verschmelzen auf.
Die Verschmelztemperatur ist gerade hoch genug über der Erweichungstemperatur,
um einen guten Fluss von Wärmeenergie
zwischen den beiden Komponenten sicherzustellen.
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In
einer zweiten Ausführung
tritt die Fusion startend mit dem Kontakt aller der optischen Komponenten
auf und die Komponenten werden beim Fusionsverspleißen nie
getrennt.
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In
einer dritten Ausführung
werden alle optischen Komponenten kontaktiert, dann nach Ausrichtung
zurückgezogen
und dann wie in der ersten Ausführung
fusionsverspleißt.
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Die
Qualifikation der Schnittstelle bzw. Zwischenfläche wird durch Messen der Rückreflektion des
Lichts durch das System sowie mechanisches Testen vollbracht.
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Es
gibt keine praktischen Begrenzungen beim Verwenden dieser Technik
in Bezug auf den Größenunterschied
oder die Abwesenheit eines Größenunterschieds
oder die Querschnittsgeometrie.
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Alle
Mehrfachteile von optischen Elementen, ob sie ein anorganisches
Glas oder ein organisches Polymer umfassen, können unter Verwendung des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung fusioniert werden. Die häufigste
Anwendung wird die Fusion von Einfachmodusfasern an Optoelektronik-
oder Telekommunikationsvorrichtungen sein. Fusionsverspleißen in Übereinstimmung
mit den Lehren hierin eliminiert virtuell Rückreflektion und die damit
verbundenen Verluste. Es ist auch sehr kosteneffizient mit einem
Verspleißen,
was wenige Sekunden oder weniger erfordert und das Verfahren kann
vollständig automatisiert
werden. Verspleißen
eliminiert den Bedarf an aktivem Ausrichten in vielen Zuständen. Verspleißen erübrigt auch
Verunreinigungen und schließt
den Bedarf von Fremdmaterialien wie Klebstoff oder anderen organischen
Materialien in dem optischen Gang aus.
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Optische
anorganische Glase wie Silicas, Borsilikate, Borate, Phosphate,
Aluminate, Chalkogenide und Chalkohalogenide, Halogenide usw. und optische
Organopolymere wie Acrylat, Methacrylat, Vinylacetat, Acrylonitrile,
Styrole usw. können
vorteilhaft in der Praxis der vorliegenden Erfindung eingesetzt
werden, obwohl die Erfindung nicht auf spezielle Klassen von aufgelisteten
Materialien beschränkt ist.
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Da
das Heizen schnell und lokalisiert ist, können Komponenten antireflektionsbeschichtet
werden, an den von den vor Fusion zu verschmelzenden Oberflächen verschiedenen
Oberflächen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung minimiert auch die Anzahl
beschichteter Oberflächen.
Typische Zusammenbautechniken hinterlassen eine Minimalanzahl von
zu beschichtenden Oberflächen:
die Seite jeder optischen Faser, die verspleißt wird und sowohl Eingangs-
als auch Ausgangsseiten der Linse. Hingegen hinterlässt das
Verfahren der vorliegenden Erfindung lediglich eine Oberfläche, da
verschiedene Oberflächen
(jede optische Faserseite und die Linseneingangsseite) in einem
monolithisch fusionierten Stück
kombiniert werden. Jede Oberfläche,
selbst wenn beschichtet, trägt
zu Verlusten des Systems bei, da es keine perfekte Antireflektionsbeschichtung gibt.
Daher vermindert die Verminderung der Anzahl von Oberflächen, die
zu beschichten sind, die Verluste des Systems.
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Die
Positioniergenauigkeit und Strahlqualität kann vor der Fusion überwacht
werden und für
die Fusion festgesetzt werden. Da die Teileanzahl und Arbeitsintensität des Verfahrens
minimiert sind, sind die Kosten sehr gering.
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Die
Entfernung von gewinkelten Oberflächen-Indexbrechungen vermindert
Polarisierungswirkungen wie polarisationabhängige Verluste (PDL) und Polarisationsmodusdispersion
bzw. -streuung (PMD) bei hergestellten Teilen. Derzeitige Verfahren setzen
optische Fasern ein, welche relativ zu der optischen Achse gewinkelt
sind, um Rückreflektion
zu kontrollieren und dadurch PDL und PMD oberhalb jener zu induzieren,
die den Materialien inhärent
ist.
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Ein
anderer entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die
Wärmestabilität des Systems.
Da die Teile nahtlos in ein monolithisches Stück verschmolzen werden, gibt
es keine Abhängigkeit von
dem Gehäuse
zum Aufrechterhalten von submikrometischen Beabstandungstoleranzen
wie es bei Stand-der-Technik-Ansätzen für die Optoelektronik- und
Telekommunikationsvorrichtungen ist.
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Die
vorliegende Erfindung macht Produkte sehr hoher Qualität und niedrige
Kosten für
die Optoelektronik-/Telekommunikationsindustrie möglich. Ohne
diese Technologie wäre
man gezwungen, Stand-der-Technik-Techniken zu verwenden, die in der
Telekommunikationsindustrie bekannt sind, welche sehr kostspielig
sind, nicht Gleiches leisten können
und/oder ungewünschte
Materialien in dem optischen Gang verwenden.
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Das
neue Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Spleißen von
zwei oder mehreren kleinen Querschnittsflächen optischer Komponenten
(zum Beispiel optischer Fasern) an eine optische Komponente größerer Querschnittsfläche (zum
Beispiel optisches Element) umfasst:
- 1. Ausrichten
der optischen Fasern und des optischen Elements entlang einer Achse;
- 2. Einschalten einer gerichteten Laserwärmequelle (hier einem Infrarotlaser),
um einen Laserstrahl zu bilden;
- 3. Richten des Laserstrahls, um kolinear mit den Fasern zu sein
(auf diese Weise wird das meiste des Laserlichts nicht durch die
kleinen Fasern absorbiert, sondern von der Oberfläche wegreflektiert,
da der Reflektionskoeffizient sehr hoch bei streifendem Einfall
ist);
- 4. Sicherstellen, dass der Laserstrahl in dem Querschnittsbereich
des optischen Elements bei normalem oder nahezu normalem Einfall
auftrifft, so dass die Laserabsorption effizienter an der breiteren
Oberfläche
ist;
- 5. Einstellen des Laserleistungsniveaus, um eine Temperatur
zu erreichen, die gleich oder höher
ist als die Erweichungstemperatur an der Oberfläche des Elements, um Fusionsverspleißen zu erzielen (und
gleichzeitig Polieren und Kontaminationsabtragung zu erzielen);
und
- 6. Ausschalten des Lasers.
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In
der ersten Ausführung
werden zwei Komponenten (zum Beispiel optische Fasern und optisches
Element) ausgerichtet, aber durch einen Abstand getrennt (typischerweise
wenige Millimeter), der Laserstrahl wird angeschaltet, um eine Erweichungsregion
zu bilden, und die Oberfläche
der optischen Komponente mit dem kleineren Querschnittsbereich wird
in Kontakt mit der Erweichungsregion der optischen Komponente mit
dem breiteren Querschnittsbereich gebracht, wobei der Kontakt zur
Wärmeüberführung an
die Oberfläche
der optischen Komponenten mit kleinerem Querschnittsbereich führt, welche
dann erweicht, um so das Fusionsverspleißen zu erzielen.
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Bei
der zweiten Ausführung
werden die beiden Komponenten (zum Beispiel optische Fasern und
optisches Element) zuerst in Kontakt gebracht und der Laserstrahl
wird angeschaltet, um die Erweichungsregion zu bilden, wo die beiden
Komponenten in Kontakt gebracht werden, um das Fusionsverspleißen zu erzielen.
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In
der dritten Ausführung
werden die beiden Komponenten (zum Beispiel optische Fasern und
optisches Element) ausgerichtet und dann in Kontakt gebracht, dann
durch einen Abstand getrennt (typischerweise wenige Millimeter),
der Laserstrahl wird angeschaltet, um die Erweichungsregion zu bilden und
die Oberfläche
der optischen Komponenten mit dem kleineren Querschnittsbereich
wird in Kontrakt gebracht mit der Erweichungsregion der optischen Komponente
mit dem weiteren Querschnittsbereich gebracht, wobei der Kontakt
zur Wärmeüberführung zu
der Oberfläche
der optischen Komponenten mit dem kleineren Querschnittsbereich
führt,
welcher erweicht, wodurch das Fusionsverspleißen erzielt wird.
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Zum
Fusionsverspleißen
typischer anorganischer Glase wie Silica wird ein CO2-Laser, der in einem
Bereich von 9 bis 11 μm
arbeitet bevorzugt, da silicabasierte Glase sehr hohen Absorptionskoeffizient
haben. Optische Materialien haben typischerweise eine hohe Infrarot-Absorption
und demgemäß können Laser,
die an einem Bereich des IR-Spektrums arbeiten, mit solchen optischen
Materialien verwendet werden.
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Der
Laserstrahl ist kolinear mit und streift die optischen Fasern. Dies
kann über
viele Wege erzielt werden. Zum Beispiel wird ein 45°-Spiegel
mit einem zentralen Loch verwendet, um den Laserstrahl kolinear
mit den Achsen der Fasern zurück
zu richten (die Fasern verlaufen durch das Loch parallel zueinander).
Andere Verfahren, die den entlang der Achse der Fasern leiten, können eingesetzt
werden; solche Methoden sind Fachleuten auf diesem Gebiet wohlbekannt.
Der Laserstrahl kann selbst (aber muss nicht notwendigerweise ringförmig sein.
Dieses Mindesterfordernis wird durch verschiedene Techniken erzielt:
Scannsystem, spezielle optische Komponenten (Axicon), TEM01-Lasermodus, Zentralsperre, diffraktives
optisches Element, usw. Dieselbe Wirkung könnte unter Verwendung von zwei
oder mehr Laserstrahlen erzielt werden, die alle colinear mit den
optischen Fasern sind.
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Da
die optischen Komponenten, die fusionsverspleißt werden, haben sie typischerweise ähnliche
thermische und/oder mechanische Eigenschaften. Hingegen ist dies
kein notwendiges Erfordernis, da nicht ähnliche optische Komponenten
fusionsverspleißt
werden können,
unter Einsatz der Lehren der vorliegenden Erfindung. In solchen
Fällen
kann die Möglichkeit
von Beanspruchungen aufgrund des Verfahrens die Verspleißung zum
Bruch veranlassen, wenn die Bedingungen nicht richtig sind und muss daher
berücksichtigt
werden. Hingegen ist eine solche Berücksichtigung durchaus innerhalb
der Erfahrung eines Fachmanns, und kein unzumutbares Experimentieren
ist erforderlich.
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1 zeigt
einen Laserstrahl 10, welcher auf einem Spiegel 12 einwirkt,
welcher ein Loch 12a dort hindurch hat. Zwei optische Fasern 14a, 14b laufen durch
das Loch 12a des Spiegels 12 und werden mit dem
optischen Element 16 fusionsverspleißt. Die 1 zeigt
die optischen Fasern 14a, 14b genau vor Fusionsspleißen an die
Linse 16. 2 zeigt einen ringförmigen Laserstrahl 10a in
einem Querschnitt entlang der beiden Fasern 14a, 14b.
Das optische Element 16 kann eine Linse, Filter, Gitter,
Prisma, WDM-Vorrichtung oder andere optische Komponente sein, an
welcher man wünscht,
die optischen Fasern 14a, 14b zu befestigen. Wenn
zwei optische Fasern 14a, 14b in den Zeichnungen
abgebildet sind, wird von Fachleute auf diesem Gebiet bemerkt werden, dass
man mehr als zwei optische Fasern an die optische Komponente 16 basierend
auf den Lehren hierin fusionsverspleißen kann.
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Die
hier offenbarte Technologie kann auf konventionelle Faserkollminatoren,
erweiterte Strahl-Kollminatoren, WDM-Produkte und jede andere Vorrichtung
angewandt werden, die eine Glas- oder Polymeranheftstelle hat. Man
ist nicht mehr darauf beschränkt,
Komponenten zu verschmelzen, die nur im Wesentlichen ähnliche
Durchmesser haben.
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GEWERBLICHE
ANWENDBARKEIT
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Das
Verfahren der Erfindung wird erwartungsgemäß Anwendung beim Fusionsverspleißen von
wenigstens zwei optischen Komponenten mit einem relativ kleineren
Querschnittsbereich an eine optische Komponente mit einem relativ
weiteren Querschnittsbereich finden wie dem Verspleißen von zwei
oder mehr optischen Fasern an eine optische Linse.