SE470146B - Metod för att avlänka ljussignaler från en optisk vågledare - Google Patents

Description

15 20 25 30 47-0 146 z Ett andra sätt att avlänka ljussignaler är att böja den optiska fibern utan att avlägsna mantelmaterialet. Därigenom kan ljussignalerna gå ut genom manteln och fångas upp av detektorn.

Avlânkningen sker i båda fallen permanent.

Ett annat amerikanskt patent US 4 784 452 beskriver en metod där avlänkning sker med en avlänkningsanordning på en optisk fiber.

Denna fiber består av en ljusledande kärna och åtminstone ett mantelmaterial. Avlänkningsanordningen, en sond, är en optisk fiber, av samma typ som den fiber som avlänkningen görs från.

Denna sond har en fri ände med en ljusledande kärna. För att avlänka ljussignaler från fibern måste denna avskalas så att kärnan blir frilagd. Här används sonden, vars fria ände sätts på fiberns avskalade del. För att få bästa möjliga avlänkning måste vinkeln mellan sondens och fiberns axlar avpassas. Ett kopplings- medium omsluter området vid sonden och fiberns avskalade del, och leder ljussignaler från fiberns avskalade del till sonden.

Kopplingsmediet, som är ett fast och hårt material, fixerar sonden i förhållande till fibern.

Genom olika experiment har det visat sig att den ljusledande kärnan kan göras i polyimid. I artikeln "Dependence of Precursor Chemistry and Curing Conditions on Optical Loss Characteristics of Polyimide Waveguides" av C.P. Chien och K.K. Chakravorty vid Boeing Aerospace and Electronics, Seattle, USA, SPIE vol 1323, Optical Thin Films III, New developments (1990), visas att polyimid är ett bra material för kärnan i den optiska fibern.

Polyimid har god termisk stabilitet och ett dielektricitetstal pà 3,5, vilken är förenlig med andra IC-material. Den är bra vid ljusöverföring såsom vid.optoelektriska.kretsar'i frekvensområdet av storleken GHz. Fördelen med polyimiden är att vid framställ- ningen av kärnor går de att packa tätt bredvid 'varandra.

Ytterligare data över polyimiden är att den har ett brytnings- (1,58-1,62) ungefär 1 dB/cm vid UV-exponering. index på 1,6 och optiska förluster i kärnan på 10 15 20 25 30 3 479 146 Det har gjorts experiment med en silikonelastomer som ett index- matchande medium för den ljusledande kärnan. I artikeln "Index- Matching Elastomers for Fiber Optics" av Robert. W. Filas, B.H.

Johnson och C.P. Wong vid AT&T Bell laboratories, N.J, USA i tidskriften IEEE, Proc. Electron. Compon. Cont., 39th,486-9, visar att silikonelastomer är ett bra material för index- matchning av kärnan. Reflektion av sampolymer som funktion av halten diphenyl och temperatur fås genom mätning av reflektions- styrkan för en singelmod vågledare, vars kärna har inkapslats av Det går att få samma brytningsindex på ett sätt att använda en elastomer. silikongummimaterial som på kärnan. Ett silikongummit är som gränssnitt mellan olika komponenter.

Ytterligare ett sätt är att använda det som skydd mot t ex fukt och damm.

Idag används luft som.brytande medium till den ljusledande kärnan i ljusvågledaren. Luften har betydligt lägre brytningsindex än polyimiden. Luften har 1 som brytningsindex, polyimiden har 1,6 som brytningsindex och silikongummit har 1,5 som brytningsindex.

En nackdel med de tidigare lösningarna är att avlänkning av ljus- signaler från optiska fibrer sker med permanent fastsatta anordningar. Det betyder att avlänkningen av ljussignaler från fibern sker vid en specifik plats där manteln har avskalats. De tidigare lösningarna har flera ytterligare nackdelar. En av dessa nackdelar är att ljusavlänkningen kan endast ske på vågledare i form av fibrer, där manteln måste avskalas på den plats där avlänkningen ska ske. Avlänkningsanordningen mäste sättas fast pà den optiska fibern vid den plats där manteln har avskalats.

Avlänkning i permanenta förgreningar ger förluster som är allt för stora.

Redogörelse för uppfinningen Ändamålet med föreliggande uppfinning är att eliminera de nack- delar som finns med tidigare metoder som avlänkar ljussignaler från optiska fibrer. 10 15 20 25 30 470 146 4 Denna uppfinningside avser en metod att avlänka en ljussignal med en ljusledande sond direkt på en optisk vágledare som har ett elastiskt inkapslingsmaterial. Avlânkningen kan göras på två typer av vågledare. I det ena fallet på en ljusvàgledare som ligger på ett substrat. I det andra fallet pà en optisk fiber.

Metoden går ut pà att med sonden gå in och avlänka ljussignaler från vàgledaren genom att låta sonden föras in direkt mot en vågledares ljusledande kärna och ta upp ljussignaler ur dess evanescensefält, utan att skala av inkapslingsmaterialet eller att böja vàgledaren för att därmed avlänka ljussignalerna. Sonden innefattar en optisk fiber, vilken är av samma typ som fibern där avlänkningen görs från. Sondens fiber har en fri fiberände.

Metoden avser följande: I ett första steg förs den ljusledande sondens fiberände ner mot den inkapslade optiska 'vågledaren. I ett andra steg' trycks sondens fiberände in i inkapslingsmaterialet 32 under en elastisk deformation av detta, så långt som de elastiska egenskaperna hos materialet tillåts eller att den kvarvarande deformationen, sättningen, ej blir bestående. I ett sista steg vinklas sondens fiberände mot den optiska vàgledaren 23 så att en del av ljussig- nalen tas upp i sonden. Vinkeln är till för att sonden ska avlänka en viss ljussignal. Ãndras vinkel fås en annan ljussignal i sonden.

Det bör beaktas att den ljusledande sondens fiberände är lika bred som den optiska vàgledaren, för att få bästa möjliga avlänkning. Vidare skall sonden vara tillverkad av samma.material som den ljusledande kärnan eller ett material med lika stort eller större brytningsindex.

Metoden gör det även möjligt att låta den ljusledande sonden sättas fast permanent på den optiska vàgledaren om så önskas.

Efter det att avlänkningen skett tas sonden bort och lämnar inga spår av att den funnits där. Vid avlänkningen av ljusvågledare behövs inga ytterligare åtgärder göras för att avlänkningen skall lO 15 20 25 30 5 470 146 kunna ske.

Före det första steget i metoden för den optiska fibern måste den läggas på ett hårt underlag för att avlänkning ska kunna ske. Då fibern är allt för böjlig går det inte att föra in en sond pá fibern utan att den ligger på ett hårt underlag.

Fördelen med uppfinningen är att det går att avlänka ljussig- nalerna utan att behöva sätta fast avlänkningsanordningen permanent på en viss plats på den optiska vågledaren. En annan fördel är att det gär att avlänka ljussignalerna från ljusvàg- ledaren när den sitter fast på substratet. Avlänkning från ljusvågledare på substrat har tidigare inte gjorts. Det går alltså på ett enkelt sätt att avlänka ljussignaler från ett sådant system. Ytterligare fördelar är att avlänkningen kan utföras tillfälligt om så önskas, och att den elastiska inkaps- lingen skyddar mot yttre miljöpåverkan såsom damm, luft och luft- fuktighet vid ljusavlänkningen.

Ytterligare ändamål och fördelar med uppfinningen framgår av nedan beskrivna föredragna utföringsexempel och med hänvisning till bifogade ritningar.

Figurbeskrivning I figurerna 1-3 visas en första utföringsform och i figur 4 visas en andra utföringsform.

Figur 1 visar en ljusvågledare på en kiselskiva sedd ovanifrân.

Figur 2 visar en del i förstorat tvärsnitt A-A av ljusvägledaren på kiselskivan av en metod att avlänka ljussignaler från ljus- vågledaren, med en ljusledande sond.

Figur 3 visar en del i förstorat tvärsnitt B-B av ljusvågledaren på kiselskiva av metoden att avlänka ljussignaler från ljus- vågledaren, med en ljusledande sond.

Figur 4 visar i ett snitt en optisk fiber, en metod att avlänka ljussignaler från den optiska fibern, med en ljusledande sond. 10 15 20 25 30 Föredragen utföringsform De visade figurerna är ej skalenliga utan visar endast de delar som är väsentliga för att beskriva uppfinningsidën.

En första utföringsform visas i figurerna 1-3.

Figur 1 visar en anordning 20, vilken utgörs av ett substrat 21, ett anslutningsdon 25, en ljusvågledare 23 och en optisk komponent 24 som avger eller tar emot ljus.

Figur 2 är ett snitt A-A av anordningen 20 enligt figur 1 vid den optiska komponenten 24. På substratet 21 finns ett mycket tunt skikt 40, vilket skall fungera som ett brytningsmedium till en ljusledande kärna 30. Mellan kärnans 30 ena ände och komponenten 24 finns det en mycket smal spalt 31. Anslutningsdonet 25 ansluts direkt till kärnans 30 andra ände. Ovanpå komponenten 24 och kärnan 30 finns ett elastiskt inkapslingsmaterial 32. Ett inringat område 34 visar en ljusledande sond 35 som trycks mot inkapslingsmaterialet, 32 och, avlänkar en ljussignal 33 från kärnan 30. Sonden 35 upptar ett evanescensefält som kopplar över ljussignalen 33 från kärnan 30. Den i sonden 35 upptagna ljussignalen 33 från kärnan 30 bildar en ljussignal 36, som motsvarar ljussignalen 33 men som är mycket mindre energirik.

Figur 3 är en förstoring av ljusvågledaren 23 vid snittet B-B i figur 1. I figur 3 visas ljusvågledaren 23, vilken består av den ljusledande kärnan 30, och det tunna skiktet 40 på substratet 21 samt inkapslingsmaterialet 32. Inkapslingsmaterialet har lägre brytningsindex än kärnan 30. Skiktet 40 ligger på substratet 21 och ovanpå skiktet 40 ligger kärnan 30. Inkapslingsmaterialet 32 täcker allt som ligger på substratet 21. Då den ljusledande sonden 35 trycks ned mot kärnan 30 uppstår på inkapslingsmateri- alet 32 en tillfällig deformation 41. När sonden 35 tryckts ned till sitt maximala läge för att få bästa avlänkningsförmåga bildas ett mycket smalt avstånd 42 mellan sonden 35 och kärnan 30. '1\ 10 15 20 25 30 35 7 470 146 Det i figur 1 visade substratet 21, är en kiselskiva som vanligtvis halvledare görs av. På substratet 21 går det att lägga flera ljusvågledare 23, komponenter 24 och anslutningsdon 25.

Substratet 21 kan också vara gjort av ett kretskortsmaterial, ett glasmaterial eller vilket som helst annat material, bara substratet 21 har lägre brytningsindex än kärnan 30. Det år viktigt att dämpningen blir så liten som möjligt i kärnan 30.

I figurerna 2 och 3 utgörs ljusvâgledaren 23 av tre olika delar det tunna skiktet 40 som sitter på substratet 21, kärnan 30 och inkapslingsmaterialet 32. Skiktet 40 är av kiseldioxid om substratet 21 är av kisel. Det måste vara av lägre brytningsindex än kärnan 30 för att det inte skall leda ut ljus därifrån. I det här fallet är den ljusledande kärnan 30 i figur 2 och 3 av multimod typ, men kan även framställas som singelmod.

Inkapslingsmaterialet 32 är en silikonelastomer, exempelvis silikongummi. Det är till för att kunna avlänka ljussignaler från kärnan 30. Då det är elastiskt kan sonden 35 tryckas ned mot kärnan 30. Silikongummit är optiskt ledande. En metod att lägga på inkapslingsmaterialet 32 på substratet 21 med komponenterna 24 och 25 är då det fortfarande är formbart därefter härdas det ut och blir elastiskt.

Den ovan beskrivna anordningen 20 utnyttjas för metoden att avlänka ljussignaler 33 med den ljusledande sonden 35 direkt på den optiska. vågledaren. Genom att föra sonden 35 ner genom inkapslingsmaterialet 32, som är elastiskt, går det att komma så nära kärnan 30 att evanescensefältet runt kärnan 30 går att ta upp. Därmed fås nästan inga förluster i kärnan 30. Det är viktigt att inte komma för långt ner med sonden 35 för då kan deforma- tionen 41 av inkapslingsmaterialet 32 bli bestående. Om sonden 35 inte trycks ned tillräckligt långt i inkapslingsmaterialet 32, kan den inte ta upp evanescensefältet. Avståndet mellan sonden 35 och kärnan 30 måste vara av rätt storleksordning mindre än pm.

För att få samma avstånd vid varje avlänkning kan ett mätinstru- 10 15 20 25 30 47Ü 146 s ment avläsa att rätt avstånd fås.

Metoden innefattar följande steg: 'Att den ljusledande sondens fiberände föras ner mot den inkaps- lade optiska vágledaren. Att sondens 35 fiberände trycks in i inkapslingsmaterialet 32 under en elastisk deformation 41 av detta, så långt som de elastiska egenskaperna hos materialet tillåter. Att sondens 35 fiberände vinklas mot vágledaren så att en del av ljussignalen 33 tas upp i sonden 35. Vinkeln är till för att sonden 35 ska avlänka en viss ljussignal 33. Ãndras vinkeln fås en annan ljussignal i sonden 35.

Det bör beaktas att den ljusledande sondens 35 fiberände ska vara lika bred som den optiska vågledaren, för att få starkast möjliga ljussignal 33. Vidare skall sonden 35 vara tillverkad av samma material som kärnan 30 eller ett material med lika stort eller större brytningsindex. Sonden 35 kan även vara gjord av en plastfiber.

Metoden gör det även möjligt att låta den ljusledande sonden 35 sättas fast permanent på den optiska vågledaren om så önskas.

Efter det att avlänkningen skett tas sonden 35 bort och inga kvarstående deformationer av att sonden 35 finns. Vid avlänkning av ljusvågledare 23 behövs inga ytterligare åtgärder vidtagas göras för att avlänkningen skall kunna ske.

En andra utföringsform av anordningen visas i figur 4. I figur 4 visar en optisk fiber 1, vilken består av en ljusledande kärna 2 och ett inkapslingsmaterial 3, som är elastiskt. Kärnan 2 har större brytningsindex än inkapslingsmaterialet 3. En sond 35 trycks ned mot kärnan 2 genom inkapslingsmaterialet 3 varvid en deformation 41 uppstår på inkapslingsmaterialet 3. När sonden 35 tryckts ned till sitt maximala läge för att få bästa avlänknings- förmåga bildas ett mycket smalt avstånd 42 mellan sonden 35 och den ljusledande kärnan 30. Kärnan 2 utförs exempelvis av polyimid och inkapslas av det elastiska materialet, vilket företrädesvis är silikongummi. Genom att materialet är elastiskt kan sonden 35 "'x 10 15 20 föras in i inkapslingsmaterialet 3 och då sonden 35 når evane- scensefältet kan avlänkning ske. Anordningen för avlänkningen är löstagbar om så önskas. Optiska fibrer finns mellan olika telefonstationer eller t ex mellan olika datorer. Det kan röra sig om stora avstånd och ibland händer det att någon vill gå in och undersöker den trafik som finns där. I detta utföringsexempel är den optiska vågledaren inte fastsatt på något substrat utan är en friliggande optisk fiber 1.

Samma metod för ljusavlänkning pà ljusvågledare 23 kan utnyttjas för optiska fibrer. Före det första steget i metoden för fibern måste denna läggas på ett hårt underlag för att avlänkning ska kunna ske. Då den optiska fibern är allt för böjlig går det inte att föra in en sond på den utan att den ligger på ett hårt underlag.

En annan fördel med att använda inkapslingsmaterial med elastiska egenskaper är att det går att trycka ned en sond och avlänka ljussignaler. Ytterligare en fördel är att det är billigt och enkelt att framställa optiska vágledare enligt ovan angivna utföringsformer. Metoden medger att tillfälligt kunna avlänka ljussignaler från optiska vägledare.

Uppfinningen är naturligtvis inte begränsad till de ovan beskrivna och på ritningarna visade utföringsformerna, utan kan modifieras inom ramen för de bifogade patentkraven.

Claims (5)

10 15 20 25 30 470 'É46 10 PATENTKRÄV

1. Metod för att avlänka ljussignaler, från ett en med ett inkapslingsmaterial mantlad optisk vågledare omgivande evane- scensefält, medelst en ljusledande sond innefattande en optisk fiber vars fiberände är fri, varvid avlänkningen sker utan att det befintliga inkapslingsmaterialet skalas av eller att avbrott görs pà den optiska vågledaren, och varvid avlänkningen sker med minimerad dämpningsförlust, k ä n n e t e c k n a d av stegen att den ljusledande sondens fiberände förs ner mot den inkapslade optiska vågledaren, att den ljusledande sondens fiberände trycks in i inkapslingsmaterialet under elastisk deformation av detta, så långt som de mekaniska egenskaperna hos materialet tillåter, och att den ljusledande sondens fiberände vinklas mot den optiska vàgledaren så att en del av den i vàgledaren befintliga ljussig- nalen tas upp i den ljusledande sonden.

2. Metod för att avlänka ljus medelst en ljusledande sond enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att den ljusledande sonden är lika bred som den optiska vågledaren, för att få bästa möjliga avlänkning.

3. Metod för att avlänka ljus medelst en ljusledande sond enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att den ljusledande sonden är tillverkad av samma material som vågleda- rens ljusledande kärna eller ett material med lika stort eller större brytningsindex.

4. Metod för att avlänka ljus medelst en ljusledande sond enligt patentkravet 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att den ljusledande sonden sätts fast permanent på den optiska vågled- arên .

5. Metod för att avlänka ljus medelst en ljusledande sond enligt något av föregående patentkrav, varvid vàgledaren är en optisk fiber, k ä n n e t e c k n a d av att i ett första steg läggs den optiska fibern på ett hårt underlag före avlänkning.