DE8804518U1 - Fiber optic coupler - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft einen Lichtleitefkopplef, der das Licht aus einem oder mehreren" Lichtleitern (Licht-Leitereingängen) in einen oder mehrere Lichtleiter (Li cht lei te räusgänge) aufteilt biiw* einkoppelt, wobei die aneinanderfügen den Lichtleiterfaser" fläch en justiert und gegeneinander fixiert sind.The invention relates to a fiber optic coupler which splits and couples the light from one or more fiber optics (fiber optic inputs) into one or more fiber optics (fiber optic outputs), whereby the surfaces of the fiber optics which are joined together are adjusted and fixed to one another.
Lichtleiterkoppler dienen dazu, (Jas Liöht aus einem Lichtleiter in zwei oder mehr Au!>gangslichtleiter aufzuteilen bzw. einzukuppeln. Im der Optischen Nachrichtentechnik und der Li cht llei ter^Sensor i k sind sogenannte 3 dB-Koppler von besonderer Bedeutung, die zwei Fasereingänge und zwei Faseräusgänge besitzen und eine Eingangslichtleistung gleichmäßig auf beide Ausgangslichtleiter aufteilen. Zur Kopplung werden die aufeinanderfolgenden Bauelemente an den zu koppelnden Aus- bzw. Eingangsftächen statt mit Glasabschlußfenstern oder ähnlichem mit Faser-Scheiben bzw. -Flächen versehen, deren Außenflächen in möglichst engen Kontakt gebracht werden; So kann z.B. durch Schleifen der Oberfläche auf eine spezielle Gestalt jede beliebige Bildschale erzeugt werden.Optical fiber couplers are used to split or couple the light from one optical fiber into two or more output optical fibers. In optical communications and optical fiber sensor technology, so-called 3 dB couplers are of particular importance. These have two fiber inputs and two fiber outputs and split an input light output evenly between both output optical fibers. For coupling, the successive components on the output or input surfaces to be coupled are provided with fiber disks or surfaces instead of glass end windows or similar, the outer surfaces of which are brought into as close contact as possible. In this way, for example, any image shell can be created by grinding the surface to a specific shape.
Zur Herstellung der Lichtleiterkoppler sind bisher das sogenannte Sch leifverfahren und das SchifteLzverfahren bekannt. Beim Schmelzverfahren werden zwei Lichtleiter miteinander verschmolzen, so daß das Licht in den anderen Lichtleiter übertreten kann. Nachteiligerweise wird das Brechungsindexgefuge des Lichtleiters durch den Schme Izvorgang verändert, wodurch erhöhte Lichtverluste auftreten können. Außerdem ist die Lichtverteilung in den beiden Ausgangs Iichtleitern prinzipiell nicht gleichmäßig, d.h. sie weisen eine unterschiedliche Modenstruktur auf, was bei vielen Anwendungen störend ist. Sogenannte SchleifkopplerThe so-called grinding process and the shifting process are known to date for the manufacture of optical fiber couplers. In the melting process, two optical fibers are melted together so that the light can pass into the other optical fiber. The disadvantage is that the refractive index structure of the optical fiber is changed by the melting process, which can lead to increased light losses. In addition, the light distribution in the two output optical fibers is not uniform in principle, i.e. they have a different mode structure, which is disruptive in many applications. So-called grinding couplers
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zeigen demgegenüber seitlich angeschliffene Fasern, die gegeneinander justiert und mit einem Klebstoff fixiert sind* NachteiLigerweise befindet sich bei einem solchen Licihtleiterkoppler zwischen aen Schleifflächen ein optisch transparenter KLebstoff oder eine Immersions^ flüssigkeit, um kleinste Luftspalte auf der Koppelfläche auszufüllen.: Auch hierdurch ergiht sich flachten Ligerweise ein uneinheitlicher Brechungsindex*In contrast, they have laterally ground fibers that are aligned with each other and fixed with an adhesive. The disadvantage of such a fiber optic coupler is that there is an optically transparent adhesive or an immersion liquid between the grinding surfaces in order to fill the smallest air gaps on the coupling surface. This also leads to a non-uniform refractive index.
ts ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Li ent Leiterkopp ler dahingehend zu verbessern, daß die ineinänderliegenden Lichtleiterfaserflächen in möglichst engem Kontakt zueinander liegen, ohne daß ein uneinheitlicher Brechungsindex an der Berührungsfläche 1n Kauf genommen werden muß. It is therefore the object of the present invention to improve the optical fiber coupler in such a way that the interlocking optical fiber surfaces are in as close contact with one another as possible without having to accept a non-uniform refractive index at the contact surface.
liegenden Lichtleiterfaserflächen angesprengt sind*lying optical fiber surfaces are cracked*
Unter Ansprengung versteht man die starre Verbindung zweier oder mehrerer Optikteile miteinander durch molekulare Adhäsionskräfte, welche zwischen 2wei polierten und extrem sauber gereinigten Flächen wirksam werden, wenn ihr gegenseitiger Abstand durch Ausdrucken der Luftzwischenschicht zu NuLl geworden ist., Dies setzt bekannterweise voraus, daß neben extremer Sauberkeit beider Flächen Bedingungen wie die Krümmungsradien beider Flächen genau gleich sind, d.h., die Passe beider Flächen auf Bruchteile einer Streifenbreite übereinstimmen.The term "bonding" refers to the rigid connection of two or more optical parts to one another by molecular adhesion forces which become effective between two polished and extremely clean surfaces when their mutual distance has become zero due to the air gap being squeezed out. This requires, as is well known, that in addition to the extreme cleanliness of both surfaces, conditions such as the radii of curvature of both surfaces are exactly the same, i.e. the fit of both surfaces matches to within fractions of a strip width.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Lichtleiter in einem Quarzblock eingebettet, vorzugsweise eingeklebt wie z.B. mittels Epoxidharz. DerAccording to a further development of the invention, the light guides are embedded in a quartz block, preferably glued in, e.g. using epoxy resin. The
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Quaf'zblock besitzt nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine Quaderform und hat vorzugsweise eine G'ößs &ngr;,,,&Iacgr; 20 «im &khgr; 5 mm &khgr; 5mm oder 10 mm &khgr; 3 min x 3 mm i According to a further embodiment of the invention, the quarry block has a cuboid shape and preferably has a size of 20 mm x 5 mm x 5 mm or 10 mm x 3 mm x 3 mm.
Soll der Koppler für Mohomöde-Licht I eiter verwendet werden, genügt es, daß die beiden Faserkerne im Koppetgebiet eng nebeneinfender liegen, was durch Anschleifen der Lichtleitfasern in radialer Richtung bis nahe an den Faserkem erreichbar ist.If the coupler is to be used for Mohöde light transmission, it is sufficient that the two fiber cores are located close to each other in the coupling area, which can be achieved by grinding the optical fibers in a radial direction close to the fiber core.
6ei einem Koppler für MuLtimode-LichtLeiter muß das Sch I eifgebiet hingegen so ausgeführt sein, daß sich die Faserkerne berühren. Bei einem 3 dB-Koppter sind die Fasern in der Kopplertaille jeweils auf die Hälfte ihres Durchmessers bzw. Querschnittes angeschliffen.In a coupler for multimode optical fibers, however, the grinding area must be designed so that the fiber cores touch each other. In a 3 dB coupler, the fibers in the coupler waist are each ground to half their diameter or cross-section.
Nach einer weiteren Ausgestaltung besteht der Lichtleiterkoppler aus zwei Quarzblockhälften, in denen je einer der Lichtleiter in einer Nut mit einem unge- :; radlinigen, vorzugsweise teilkreisförmigen NutengrundAccording to a further embodiment, the optical fiber coupler consists of two quartz block halves, in each of which one of the optical fibers is inserted in a groove with a non-linear, preferably partially circular groove base.
&Ggr; 'derart ein- bzw. aufliegt, daß die seitlich änge-&Ggr; 'is inserted or rests in such a way that the side-mounted
. schliffenen Lichtleiter mit der ebenen Quarzblock-. ground light guide with the flat quartz block
js half tenoberf lache jeweils glatt abschließen bzw. fluch-js half tenoberf lache each smooth finish or curse
j" ten und die entsprechend geschliffenen Quarzblock-j" and the appropriately ground quartz block
|&idiagr; half ten aufeinander liegen. Der Bifsgeradius des Licht-|&idiagr; half lie on top of each other. The radius of the light
Leiters bzw. des Nutengrundes beträgt vorzugsweise 30 bis 50 mm , die Nutenbreite liegt zwischen 100 bis 300 pm und entspricht vorzugsweise der Dicke des Licht-Leiters. The thickness of the conductor or the groove base is preferably 30 to 50 mm, the groove width is between 100 to 300 pm and preferably corresponds to the thickness of the light conductor.
»ie beschriebene Nut ist so tief, daß die Faser darin vollständig aufgenommen wird und die Faserfläche glatt ■it der Quarzblockoberfläche abschließt. Dies kann praktisch dadurch erreicht werden, daß die Ober-»The groove described is so deep that the fiber is completely accommodated in it and the fiber surface is flush with the quartz block surface. This can be achieved in practice by
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fläche des den Lichtleiter zunächst vollständig vei— deckenden Quarzblockes so weit abgeschliffen wird, bis der Lichtleiter seitlich auf die notwendige Länge angeschliffen ist. Hierbei ist darauf zu achten, daß die Oberflächenqualität so gut ist, daß das Prinzip nach dem Stand der Technik bekannte Ansprengen möglich ist. Das Ansprengen wird z.B. bereits bei der Herstellung von Gaslasern angewendet, wo die optischen Fenster zum Verschluß des Laserrohres angesprengt werden. Die Verbindung zweier Flächen, beispielsweise aus Quarz oder Glas besteht ohne Klebstoff äußerst fest, da die elektrostatischen Anziehungskräfte der Atome aus den gegenüberliegenden Flächen selbst wirksam sind. Die Ansprengverbindung hat sich als mechanisch äußerst stabil und temperaturfest erwiesen. Weiterhin ist diese-Verbindung weniger temperaturempfindlich als die eingangs behandelten Klebeverbindungen.surface of the quartz block, which initially completely covers the light guide, is ground down until the light guide is ground to the required length on the side. It is important to ensure that the surface quality is so good that the principle of wringing is possible, as is known from the state of the art. Wringing is already used, for example, in the manufacture of gas lasers, where the optical windows are wringed to close the laser tube. The connection between two surfaces, for example made of quartz or glass, is extremely strong without adhesive, since the electrostatic attraction forces of the atoms from the opposite surfaces are effective themselves. The wringing connection has proven to be extremely stable mechanically and temperature-resistant. Furthermore, this connection is less sensitive to temperature than the adhesive connections discussed at the beginning.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Hs zeigenEmbodiments of the invention are shown in the drawings. Hs show
Fig. 1 die prinzipielle Kopplung zweier Lichtleiter, Fig. 2 einen Lichtleiter mit seitlichem Anschliff,Fig. 1 the basic coupling of two light guides, Fig. 2 a light guide with side grinding,
Fig. 3 einen Lichtleiterkoppler, bei dem die Lichtleiter in Quarzblockhälften eingebettet sind,Fig. 3 a fiber optic coupler in which the fiber optics are embedded in quartz block halves,
Fig. 4 eine Quarzblockhälfte mit eingelegtem Licht*- leiter in perspektivischer Ansicht undFig. 4 a quartz block half with inserted light guide in perspective view and
Fig. 5 drei verschiedene Schnittansichten des Lichtbis 7 Ieiterkopp le rs gemäß Fig. 4.Fig. 5 three different sectional views of the light-to-conductor coupler according to Fig. 4.
Die in Fig. 1 dargestellten Lichtleiter 11/12 besitzen jeweils durch Seitliches Anschleifen hergestellte öVäleThe light guides 11/12 shown in Fig. 1 each have öVäle produced by lateral grinding
op &bgr;»op&bgr;»
Grenzflächen 11c und 12c, die durch Adhäsionskräfte gebunden aneinander Liegen. Der in Fig. 1 dargesteLLte Lichtleiter besitzt hierbei z.B. einen Eingang 11a, wobei das dort einfallende Licht in die Ausgänge- 11b und 12b aufgeteilt wird.Interfaces 11c and 12c, which are bound together by adhesive forces. The light guide shown in Fig. 1, for example, has an input 11a, whereby the light incident there is divided into the outputs 11b and 12b.
Um eine solche Verbindung herzustellen, muß z.B. von einem Lichtleiter gem. Fig. 2 ausgegangen werden. Der flexible Lichtleiter wird dabei leicht gekrümmt und seitlich angeschliffen, so daß sich die Fläche 11c ergibt. Schleift man einen zweiten Lichtleiter in entsprechender Weise an, so können die betreffenden Anschliff-Flächen aufeinandergepreßt werden.In order to create such a connection, one must start with a light guide as shown in Fig. 2. The flexible light guide is slightly curved and ground at the sides to form surface 11c. If a second light guide is ground in a similar way, the ground surfaces in question can be pressed together.
Probleme ergeben sich jedoch dadurch, daß die beiden zu koppelnden Lichtleiter in eine Lage ausgerichtet (justiert) werden müssen, bei der die Ansch I iff-F lachen 11c und 12c exakt zur Anlage kommen. Dieses Problem wird in einfacher Weise mittels des in den Fig. 3 bis dargestellten LichtLeiterkopp lers bzw. dessen Hälften gelöst. Der fertige Lichtleiterkoppler ist in Fig. dargestellt und besteht aus zwei Quaderhälften 13 und 14, die jeweils einen Lichtleiter 11 und 12 aufnehmen, und zwar derart, daß die LichtLeiteranschIiff-F lachen 11c und 12c durch Ansprengung aneinandergehaI ten we rden.However, problems arise because the two optical fibers to be coupled must be aligned (adjusted) in a position in which the cut surfaces 11c and 12c are positioned exactly. This problem is solved in a simple manner using the optical fiber coupler shown in Fig. 3 to 4 or its halves. The finished optical fiber coupler is shown in Fig. 5 and consists of two cuboid halves 13 and 14, each of which accommodates an optical fiber 11 and 12, in such a way that the optical fiber cut surfaces 11c and 12c are held together by wringing.
Die Herstellung eines solchen LichtLeiterkopplers wird am besten aus den Fig. 4 bis 7 verständlich. Geht man von einem Quarzblock 13 bzw, einer Quarzblockhälfte aus, so wird in diese zunächst eine Nut mit der Breite d eingefräst, die dem Durchmesser des Lichtleiters 11 entspricht. Die Nut hat einen tei I kreisförmigen Verlauf und kann zunächst so tief sein, daß selbst der oberhalb des NutscheiteIpunktesThe manufacture of such an optical fiber coupler is best understood from Fig. 4 to 7. If one starts with a quartz block 13 or a quartz block half, a groove with a width d is first milled into it, which corresponds to the diameter of the optical fiber 11. The groove has a partially circular course and can initially be so deep that even the area above the groove apex
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Liegende LichtLeiterkörper 11 nicht aus der QuarzblockoberfLäche 13a herausragt. SchLeift man nunmehr die QuarzbLockoberfLache 13a pLan ab, so erreicht man schLießLich die LichtLeitergrenzfLäche. Das AbschLeifen wird nunmehr so Lange fortgesetzt, bis zumindest der LichtLeiterfaserkern erreicht wird, vorzugsweise wird der LichtLeiter bis zur DurchmesserhäLfte abgeschLiffen. Zwangsläufig Liegen nach Abschleifung die QuarzbLockhäLftenoberfLache 13a und die Fläche 11c des Lichtleiters 11 in einer Ebene. Der LichtLeiter tritt aus dem Quarzblock im übrigen an den Seitenflächen 13b und 13c heraus. In entsprechender Art und Weise wird ein zweiter Quarzblock mit eingelegtem Lichtleiter gefertigt. Die beiden Quarzblöcke müssen nunmehr in der in Fig. 3 dargestellt en Art und Weise angesprengt werden. Es versteht sich von selbst, daß die KopplerhäLften eine erforderliche Oberf la-henquaLitat haben und gegeneinander genau justiert werden. Hierbei kommt es darauf an, den gewünschten Koppelgrad und ein Dämpfungsminimum einzustellen, ohne daß sich die Flächen vorher berühren. Ist die Justage abgeschlossen, so werden die Flächen angesprengt, die erzieLbare KoppLerdämpfung und das Koppe I verhätLnis sind praktisch temperaturunabhängig, was für viele Aufgaben, beispielsweise in der optischen Sensorik, von extrem wichtiger Bedeutung ist. Es empfiehlt sich auch, den Rand der Haftfläche mit einem Schutzlack abzulackieren, um das Einziehen von Wasser oder ÖL in die Haftfläche zwischen den beiden angesprengten Teilen zu verhindern.The lying light guide body 11 does not protrude from the quartz block surface 13a. If the quartz block surface 13a is now ground flat, the light guide boundary surface is finally reached. Grinding is now continued until at least the light guide fiber core is reached, preferably the light guide is ground down to half its diameter. After grinding, the quartz block half surface 13a and the surface 11c of the light guide 11 are inevitably in one plane. The light guide also emerges from the quartz block on the side surfaces 13b and 13c. A second quartz block with an inserted light guide is manufactured in a similar manner. The two quartz blocks must now be wrought together in the manner shown in Fig. 3. It goes without saying that the coupler halves have the required surface quality and are precisely adjusted to each other. The important thing here is to set the desired degree of coupling and a minimum attenuation without the surfaces touching each other beforehand. Once the adjustment is complete, the surfaces are blasted together; the achievable coupler attenuation and the coupling/to-to-pressure ratio are practically independent of temperature, which is extremely important for many tasks, for example in optical sensors. It is also advisable to coat the edge of the adhesive surface with a protective varnish to prevent water or oil from penetrating the adhesive surface between the two blasted parts.
Bei dem LichtLeitkopp Ier handelt es sich um einen Koppler für sogenannte Monomode-Lichtleiter oder polarisationserha 11ende Monomode-Lichtleiter oder um einen Koppler für MuLtimodefasern.The optical fiber coupler is a coupler for so-called single-mode optical fibers or polarization-maintaining single-mode optical fibers or a coupler for multi-mode fibers.
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