DE60308380T2

DE60308380T2 - Verfahren und vorrichtung zum positionieren einer optischen komponente zwischen zwei optischen fasern

Info

Publication number: DE60308380T2
Application number: DE60308380T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Moy; Romain Ramel; Emmanuel Dhardemare
Original assignee: Atmel Grenoble SA
Current assignee: Teledyne e2v Semiconductors SAS
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2023-07-19
Also published as: US7634163B2; US20060051020A1; JP2006502424A; CA2493450A1; EP1525502A1; DE60308380D1; EP1525502B1; FR2842915B1; FR2842915A1; WO2004013669A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Positionieren einer optischen Komponente zwischen zwei optischen Fasern.
Um die Erfindung darzulegen, wird das Gebiet der Telekommunikation mit optischen Fasern aufgegriffen, und die beschriebene Komponente ist ein Filter, der es ermöglicht, eine einzige Wellenlänge, oft „Kanal" genannt, unter all jenen, die in einem optischen Netz zirkulieren, zu isolieren. Dies wird erzielt, wobei im Lichtstrahl ein Filter angeordnet wird, dessen Durchlassband derart gewählt ist, dass er den Kanal auf der vorgesehenen Wellenlänge und seine gesamte Modulation optimal transportiert und die anderen Kanäle stilllegt.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf das Gebiet der Telekommunikation mit optischen Fasern oder auf einen Filter, der zwischen zwei optischen Fasern angeordnet ist, begrenzt ist. Weitere optische Komponenten, wie beispielsweise Polarisierkristalle, können diese Ausführung zwischen zwei optischen Fasern beanspruchen.
Es ist besonders vorteilhaft, durch eine elektrische Spannung abstimmbare Filter herzustellen, die somit an den gewünschten Kanal angepasst werden können, wobei der Kanal nach Belieben je nach Bedarf gewechselt werden kann. Dieser Gedanke wurde weiterentwickelt und von zahlreichen Autoren aufgegriffen. Er beruht meistens auf einem Fabry-Pérot-Filter von variabler Dicke, wobei verschiedene Techniken verwendet werden, um die Spiegel des Filters herzustellen.
Eine Technik ist in dem Artikel von A. Spisser und anderen „Highly Seletive 1.55 micrometer InP/airgap micromachined Fabry-Perot filter for optical communications" in Electronics Letters, Nr. 34(5), Seiten 453–454, 1998 beschrieben. Weitere Ausführungen aus mikro bearbeitetem Silizium und aus Legierungen auf Basis von Galliumarsenid wurden vorgeschlagen.
Bei allen Ausführungen und insbesondere bei der von Spisser und anderen beschriebenen, die die Spiegel des Filters mit „Bragg-Spiegeln" aus InP/air herstellt, sind dünne Membranen von geringem Durchmesser (von ungefähr 40 bis 200 μm) vorhanden.
Es ist somit erforderlich, dass der Durchmesser des Strahls mit dem Durchmesser der Membranen vereinbar ist, was optische Kollimations- oder Fokussierungsmittel erfordert. Ein bekanntes Mittel zur Verwirklichung dieser Fokussierung ist das Schweißen eines Siliziumoxidstabes an das Ende der Faser, gefolgt von einer Linse mit Indexgradienten. Beispielsweise werden solche Einheiten von der Firma Highwave unter der Bezeichnung Gradissimo^® vertrieben und können einen Gauss'schen Fleck von einigen Dutzend μm Durchmesser liefern. Weitere Firmen schlagen auf ähnliche Weise Fasern vor, die mit einer Linse an einem ihrer Enden versehen sind. Dieser Zusammenbau wird üblicherweise Linsenfaser genannt.
Eine einfache Anordnung für eine Filterkomponente ist somit:
optische Linsenfaser – Filter – optische Linsenfaser.
Um einen auf 0,5 dB begrenzten Einsetzverlust beim Durchgang eines Lichtstrahls von einer optischen Linsenfaser zur anderen zu erzielen, müssen die Positionstoleranzen der Fasern und der optischen Komponente zueinander eingehalten werden. Eine Größenordnung für einzuhaltende Toleranzen ist folgende:

• Toleranz für die Positionierung der Linsenfasern entlang einer Längsachse (z) der Fasern: ±25 μm;
• Toleranz für die Positionierung der Linsenfasern entlang der Achsen (x, y) senkrecht auf die Längsachse: ±2 μm;
• Toleranz für die Winkelpositionierung der Linsenfasern: ±5 mrad.

Um solche Toleranzen einzuhalten, kann Licht in die Eingangsfaser eingeleitet und die Position der Ausgangsfaser unter Verwendung des optischen Signals optimiert und dann fixiert werden. Dieses Verfahren, das dynamisches Ausrichten genannt wird, ist äußerst genau, allerdings lang und kostspielig, da die verschiedenen Freiheitsgrade in der Praxis nicht vollkommen unabhängig sind.
Die Erfindung soll ein Verfahren und eine Vorrichtung vorschlagen, die sehr einfach sind und es ermöglichen, auf passive Weise, d.h. ohne Einleitung von Licht in die Eingangsfaser, eine ausreichende Toleranz für die Positionierung von zwei optischen Fasern und einer optischen Komponente durch eine geringe Erhöhung des Einsetzverlustes im Vergleich mit einer dynamischen Ausrichtung zu erzielen.
Viele Komponenten auf Basis von optischen Fasern werden montiert, wobei nacheinander die Fasern, die Linsen und eine optische Komponente, der von der Konstruktion her eine zylindrische Form verliehen wurde, in eine gemeinsame Kapillare eingeführt werden.
Im Falle der abstimmbaren Fabry-Pérot-Filter mit kleinem Durchmesser, wie den von Membranen aus InP gebildeten, verhindert eine zusätzliche Schwierigkeit die Verwendung dieser bekannten Technik: der Filter muss ebenfalls entlang der Achsen (x, y) senkrecht auf die Achse (z) der optischen Fasern zentriert und ganz genau im Winkel zu den Eingangs- und Ausgangsfasern ausgerichtet sein. Ferner muss auf die elektrischen Kontakte, die sich auf dem Filter befinden, für seine Abstimmbarkeit zugegriffen werden können.
Dennoch bleibt es wünschenswert, die Ausrichtung zwischen den Eingangs- und Ausgangsfasern vorher durchzuführen, um nur den Filter genau positionieren zu müssen.
Es wäre vorstellbar, zwei Löcher mit dem Außendurchmesser der Fasern in einem Block aus starrem Material herzustellen, in dem in der Mitte eine Stelle für den Filter vorgesehen ist.
Dies führt zu absolut unrealistischen Bearbeitungstoleranzen (
126 ± 1 μm auf 10 bis 15 mm Länge). Dieses Verfahren ist somit nicht anwendbar.
Die Erfindung soll die oben erwähnten Probleme lösen und betrifft zu diesem Zweck ein Verfahren zum Positionieren einer optischen Komponente zwischen zwei optischen Fasern, die an ihrem Ende mit Linsen ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht:

– einen Halter zu durchbohren, um darin ein Kapillarrohr zu befestigen, dessen Innendurchmesser dazu vorgesehen ist, dass darin eine optische Faser gleitet,
– das Kapillarrohr in der Bohrung des Halters zu befestigen,
– einen einseitig offenen Ausschnitt im Halter und im Kapillarrohr herzustellen, um das Kapillarrohr in zwei Abschnitte zu trennen, wobei eine erste flache Seite des Ausschnittes senkrecht zu einer Längsachse des Kapillarrohrs ist,
– die Komponente auf der ersten flachen Seite zu positionieren,
– eine optische Faser in jedem der Teile zu positionieren.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Positionieren einer optischen Komponente zwischen zwei optischen Fasern, die an ihrem Ende mit Linsen ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Halter umfasst, in dem ein durch ihn hindurchführendes Kapillarrohr befestigt ist, wobei der Halter einen einseitig offenen Ausschnitt aufweist, so dass das Kapillarrohr in zwei Abschnitte getrennt wird, dass der Ausschnitt eine erste flache Seite, die auf eine Längsachse des Kapillarrohrs senkrecht ist, und dass die Komponente auf der ersten flachen Seite angeordnet ist.
Die Erfindung wird besser verständlich und weitere Vorteile gehen aus der Studie der detaillierten Beschreibung einer als Beispiel angeführten Ausführungsart der Erfindung hervor, wobei die Beschreibung durch die beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, wobei:
1 eine erste Variante eines Verfahrens und einer Vorrichtung darstellt, wobei bei dieser Variante der Ausschnitt des Halters zwei parallele Seiten aufweist;
2 eine zweite Variante eines Verfahrens und einer Vorrichtung darstellt, wobei bei dieser Variante der Ausschnitt des Halters zwei Seiten aufweist, die zwischen sich einen spitzen Winkel bilden.
1 stellt die Positionierung von zwei optischen Fasern 1 und 2 dar, die an ihrem Ende mit Linsen 3 bzw. 4 ausgestattet sind. Vorzugsweise fokussieren die Linsen 3 und 4 eine Strahlung, die durch sie hindurchgeht, auf einem Durchmesser eines Gauss'schen Modus zwischen 1 und 50 μm. Mit anderen Worten bilden die Linsen 3 und 4 Fokussierungsmittel.
Es wird danach getrachtet, die beiden Fasern 1 und 2 in der Verlängerung zueinander entlang einer Achse 5 in Bezug auf einen starren Halter 6 anzuordnen.
Dazu wird ein Kapillarrohr 7 verwendet, dessen Innendurchmesser dazu vorgesehen ist, dass in ihm eine optische Faser gleitet. Das Kapillarrohr und die optische Faser werden derart gewählt, dass das Funktionsspiel zwischen dem Außendurchmesser der Faser und dem Innendurchmesser des Rohrs möglichst gering ist, ohne dass es zu einem Klemmen kommt. Beispielsweise gibt es herkömmlicherweise optische Fasern, deren Außendurchmesser 125 μm ± 1 μm beträgt. Ebenso gibt es Kapillarrohre mit einem Innendurchmesser von 125 –0/+ 1 μm. Diese Rohre haben eine Länge von 50 mm und einen Außendurchmesser von 2 mm und sind kostengünstig.
Der Halter 6 wird durchbohrt, so dass in einem so hergestellten Loch 8 das Kapillarrohr 7 befestigt werden kann. Das Loch 8 geht beiderseits durch den Halter hindurch. Die Befestigung des Kapillarrohres 7 in dem Loch 8 erfolgt beispielsweise durch Kleben. In 1 ist der Kleberfilm mit dem Bezugszeichen 9 dargestellt. Wenn das Kapillarrohr 7 in dem Loch 8 des Halters 6 befestigt ist, wird ein einseitig offener Ausschnitt 10 des Halters 6 und des Kapillarrohrs 7 hergestellt. Der Ausschnitt 10 trennt das Kapillarrohr 7 in zwei Abschnitte 7a und 7b. Jeder Abschnitt 7a und 7b ist dazu bestimmt, eine der optischen Fasern 1 und 2 aufzunehmen. Die beiden Abschnitte 7a und 7b, die nach dem Ausschneiden zwei voneinander entfernte Kapillarrohre bilden, sind von ihrer Konstruktion her perfekt ausgerichtet.
Eine flache Seite 11 des Ausschnitts 10 ist derart verwirklicht, dass sie auf die Achse 5 senkrecht ist. so kann eine optische Komponente 12 auf der Seite 11 positioniert werden. Um die Senkrechttoleranzen zwischen der flachen Seite des Ausschnitts 10 und der Achse 5 zu verringern, ist es möglich, das Loch 8 ausgehend von einer Bezugsfläche A des Halters 6 herzustellen. Die Bezugsfläche A ist eine Außenfläche des Halters 6 und auf die Achse 5 des Loches 8, das in den Halter 6 gebohrt wird, senkrecht. Dann wird bei der Herstellung des Ausschnitts 10 und insbesondere einer flachen Seite 11 wieder die Fläche A als Bezugsfläche A verwendet. Dies ermöglicht es, die Senkrechttoleranzen zu verringern.
Vorzugsweise erfolgt die Positionierung der Komponente 12 durch Herstellen eines Bezugspunktes der Längsachse 5 des Kapillarrohres 7 auf der ersten flachen Seite 11 des Ausschnitts 10, dann durch Positionieren der Komponente 12 in Bezug auf den so definierten Bezugspunkt. Genauer können zwei Varianten eingesetzt werden, um die Positionierung der Komponente 12 auf der flachen Seite 11 vorzunehmen. Die erste Variante ist in 1 dargestellt. Das Kapillarrohr 7 wird auf den Halter 6 geklebt, so dass sie gemeinsam einen optisch homogenen Block bilden. Die Herstellung des Bezugspunktes der Längsachse 5 des Kapillarrohrs 7 und die Positionierung der Komponente 12 in Bezug auf den Bezugspunkt erfolgen durch visuelle Beobachtung entlang der Längsachse 5 des Kapillarrohrs 7.
Die zweite Variante ist in 2 dargestellt. Eine zweite flache Seite 13 des Ausschnitts 10 bildet einen spitzen Winkel mit der ersten flachen Seite 11 des Ausschnitts 10. Die Herstellung des Bezugspunktes der Längsachse 5 des Kapillarrohrs 7 und die Positionierung der Komponente 12 in Bezug auf den Bezugspunkt erfolgen durch visuelle Beobachtung, wobei die zweite flache Seite 13 des Ausschnitts 10 als optisches Rücksendemittel verwendet wird. Bei dieser zweiten Variante ist die visuelle Beobachtungsachse durch den Pfeil 14 dargestellt.
Bei beiden Varianten, die es ermöglichen, die Komponente 12 zu positionieren, kann die Beobachtung mit Hilfe eines Mikroskops erfolgen. Es erfolgt eine erste Beobachtung des Kapillarrohrs 7 nach dem Ausschneiden 10 und vor der Anbringung der Komponente 12. Bei dieser ersten Beobachtung wird ein Bezugspunkt der Achse 5 mit Hilfe eines Testbildes oder eines Strichkreuzes des Mikroskops hergestellt. Dann wird die Komponente 12 auf der flachen Seite 11 angeordnet und eine neue Beobachtung durchgeführt, wobei die Position der Komponente 12 in Bezug zum Testbild oder Strichkreuz des Mikroskops ausgerichtet wird.
Nachdem die Position der Komponente 12 fixiert wurde, werden die optischen Fasern 1 und 2 angeordnet. Es ist möglich, Unvollständigkeiten, die der Herstellung der optischen Fasern inhärent sind, zu berücksichtigen, um die Verluste der kompletten Vorrichtung weiter zu verringern. Unter diesen Unvollständigkeiten ist beispielsweise eine Dezentrierung des Kerns der Faser oder eine Winkelabweichung zwischen der Achse des Kerns der Faser und der Achse ihres Außendurchmessers zu erwähnen. Diese Fehler werden unter der Bezeichnung: Ausrichtungsfehler der Fasern zusammengefasst. Um diesen Fehler zu vermeiden, wird nach der Positionierung der Komponente 12 eine optische Faser 1 oder 2 in jeden der Teile 7a und 7b des Kapillarrohrs 7 eingesetzt, wird jede Faser 1 und 2 in Translation entlang der Längsachse 5 und in Drehung um die Längsachse 5 eingesetzt, um die optischen Verluste auf Grund eines Ausrichtungsfehlers der Fasern 1 und 2 maximal zu verringern.
Tests haben gezeigt, dass dank dieses letztgenannten Schrittes der maximale Einsetzverlust ungefähr 1,5 dB betrug. Dies ist eine Annäherung an den Messwert, wenn eine dynamische Positionierung durchgeführt wird, allerdings mit einem deutlich kostengünstigeren Verfahren.

Claims

Verfahren zum Positionieren einer optischen Komponente (12) zwischen zwei optischen Fasern (1, 2), die an ihrem Ende mit Linsen (3, 4) ausgestattet sind, bestehend aus folgenden Schritten: – Bohren einer Bohrung mit einem gewissen Durchmesser in einem Halter (6), – Herstellen eines einseitig offenen Ausschnittes (10) des Halters (6) und der Bohrung, derart, dass die Bohrung in zwei Abschnitte (7a, 7b) getrennt wird, wobei eine erste ebene Seite (11) des Ausschnittes (10) senkrecht zu einer Längsachse (5) der Bohrung ist, – Positionieren der Komponente (12) an der ersten ebenen Seite (11), – Positionieren einer optischen Faser (1, 2) in jedem der Abschnitte (7a, 7b), und dadurch gekennzeichnet, dass: ein Kapillarrohr, dessen Innendurchmesser dazu vorgesehen ist, eine optische Faser in dieses einzuschieben, zuvor in der Bohrung angebracht worden ist und bei der Herstellung des einseitig offenen Ausschnittes des Halters in zwei Teile getrennt worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionieren der Komponente (12) durchgeführt wird, indem die Längsachse (5) des Kapillarrohres (7) auf der ersten ebenen Seite (11) des Ausschnittes (10) markiert wird und indem anschließend die Komponente (12) bezüglich der so definierten Markierung positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite ebene Seite (13) des Ausschnittes (10) einen spitzen Winkel mit der ersten ebenen Seite (11) des Ausschnittes (10) bildet, und da durch, dass das Markieren der Längsachse (5) des Kapillarrohres (7) und das Positionieren der Komponente (12) bezüglich der Markierung durch visuelle Beobachtung erfolgen, unter Verwendung der zweiten ebenen Seite (13) des Ausschnittes (10) als optisches Umlenkmittel.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarrohr (7) an den Halter (6) geklebt ist, derart, dass sie zusammen einen optisch homogenen Block bilden, und dadurch, dass das Markieren der Längsachse (5) des Kapillarrohres (7) und das Positionieren der Komponente (12) bezüglich der Markierung durch visuelle Beobachtung entlang der Längsachse (5) des Kapillarrohres (7) erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Faser (1, 2) positioniert wird, indem eine Translation entlang der Längsachse (5) und eine Rotation um die Längsachse (5) durchgeführt werden, um die optischen Verluste, die auf einen Ausrichtungsfehler der Fasern (1, 2) zurückzuführen sind, auf ein Minimum zu begrenzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (3, 4) eine Strahlung, welche sie durchquert, auf einen Durchmesser einer Gaußschen Mode bündeln, der zwischen 1 und 50 μm beträgt.
Vorrichtung zum Positionieren einer optischen Komponente (12) zwischen zwei optischen Fasern (1, 2), die an ihrem Ende mit Linsen (3, 4) ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Halter (6) umfasst, in dem ein durch ihn hindurchführendes Kapillarrohr (7) befestigt ist, wobei der Halter (6) einen einseitig offenen Aus schnitt (10) aufweist, derart, dass das Kapillarrohr (7) in zwei Abschnitte (7a, 7b) getrennt wird, dadurch, dass der Ausschnitt (10) eine erste ebene Seite (11) aufweist, die senkrecht zu einer Längsachse (5) des Kapillarrohres (7) ist, und dadurch, dass die Komponente (12) an der ersten ebenen Seite (11) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschnitt eine zweite ebene Seite (13) aufweist, die einen spitzen Winkel mit der ersten ebenen Seite bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarrohr (7) an den Halter (6) geklebt ist, derart, dass sie zusammen einen optisch homogenen Block bilden.