SE470147B - Inkapsling för optisk vågledare - Google Patents

Description

15 20 25 30 4>~ w "Ö -uå »IS \u k) ljussignalerna gå ut genom manteln och fångas upp av detektorn.

Avlänkningen 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 på 3,5, vilken är förenlig med andra IC-material. Den är bra vid ljusöverföring såson1vid.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- (l,58-1,62) ungefär 1 dB/cm vid UV-exponering. index på 1,6 och optiska förluster i kärnan pà Det har gjorts experiment med en silikonelastomer som ett index- matchande medium för den ljusledande kärnan. I artikeln "Index- 10 15 20 25 30 3 479 Uf? Matching Elastomers for Fiber Optics" av Robert. W. Filas, B.H.

Jghnson 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 reflektione- styrkan för en singelmod vågledare, vars kärna har inkapslats av Det går att få samma brytningsindex på ett Ett sätt att använda silikongummit är olika Ytterligare ett sätt är att använda det som skydd mot t ex fukt en elastomer. silikongummimaterial som på kärnan. som gränssnitt mellan komponenter. och damm.

Idag används luft som.brytande medium till den ljusledande kärnan i ljusvàgledaren. 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 vàgledare i form av fibrer, där manteln måste avskalas på den plats där avlänkningen ska ske. Avlänkningsanordningen måste sättas fast på 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 åstadkomma en optisk vågledare, som medger avlänkning av ljussignaler på ett förenklat sätt, utan de nackdelar som tidigare lösningar har. 10 15 20 25 30 35 'i47 4 Uppfinningsidén är att inkapsla den optisk vâgledaren med ett inkapslingsmaterial, en mantel, som är elastiskt. I och med att inkapslingsmaterialet är elastiskt kan en avlänkningsanordning, en sond, tryckas ner mot en ljusledande kärna. Därigenom kan sonden ta upp ljus frán det evanescensefält som finns runt kärnan och därmed har avlänkning gjorts utan att en del av mantelmate- rialet på den behöver skalas av.

Uppfinningen avser ett materialval för att på ett enkelt sätt få en avsedd fysikalisk egenskap hos vågledaren. Det nya är att vágledarens mantel ersätts av inkapslingsmaterialet, vilket är elastiskt, exempelvis silikongummi.

Den optiska vågledaren är i det ena fallet en ljusvågledare och i det andra fallet en optisk fiber. De två optiska vágledarna skiljer sig från varandra genom att ljusvâgledaren sitter fast pá ett substrat, innefattande ett tunt skikt, en ljusledande kärna och ett inkapslingsmaterial, medan den optiska fibern består av en ljusledande kärnan och inkapslingsmaterialet.

Enligt ett första alternativ används inkapslingsmaterialet som ett heltäckande skydd över den ljusledande kärnan och över de komponenter som är anslutna till ljusvâgledaren. Ljusvàgledaren och komponenterna är fastsatta på substratet. Inkapslings- materialet är ett elastiskt och dessutom optiskt transparent, vilket har tre skilda funktioner. Den första funktionen är som inkapslingsmaterial, som täcker kärnan för att få ett index- matchande medium som ej leder ut ljussignalerna ur kärnan. Den andra funktionen är som ett ljusledande skikt emellan ljusvâgled- arens ände och en komponent som avger eller tar emot ljussignal- erna, exempelvis en laserdiod. Det används som ett kopplings- material för att leda in ljussignalerna till/från laserdioden från/till i kärnan. Den numeriska aperturen på ljuset styrs med hjälp av inkapslingsmaterialets brytningsindex. Inkapslings- materialet ligger utanför laserdiodens fönster. Den tredje funktionen. är att inkapslingsmaterialet, då. det finns flera komponenter på substratet, exempelvis anslutningsdon, är till för att skydda komponenterna och kärnan från yttre påverkan. 10 15 20 25 5 470 147 Enligt ett andra alternativ utgörs manteln för den optiska fibern av inkapslingsmaterialet, som finns runt den ljusledande kärnan.

Fördelen med uppfinningen år 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 går att avlänka ljus från ljusvågledaren när den sitter fast på substratet. Avlänkning från ljusvágledare 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 inkapslingen skyddar mot yttre miljöpåverkan såsom damm, luft och luftfuktighet vid ljusavlänk- ningen.

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 ljusvágledare på en kiselskiva sedd ovanifrän.

Figur 2 visar en del av ett förstorat tvärsnitt A-A av ljusvág- ledaren på kiselskivan.

Figur 3 visar en del av ett förstorad tvärsnitt B-B av ljusvág- ledaren på kiselskiva.

Figur 4 visar ett snitt av den optiska fibern.

Föredragen utföringsform De visade figurerna är ej skalenliga utan visar endast de delar som är väsentliga för att beskriva uppfinningsidén. 10 15 20 25 30 470 147 e En första utföringsform visas i figurerna 1-3. Figur 1 visar en anordning 20, vilken utgörs av ett substrat 21, ett anslutnings- don 25, en ljusvàgledare 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.

Figur 3 är en förstoring av ljusvàgledaren 23 vid snittet B-B i figur 1. I figur 3 visas ljusvàgledaren, 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.

Det i figur 1 visade substratet 21 är en kiselskiva som vanligt- vis halvledare görs av. På skivan gâr det att lägga flera ljusvågledare 23, komponenter 24 och anslutningsdon 25. Substrat- et 21 kan ocksâ vara gjort av ett kretskortsmaterial, ett glasmaterial eller vilket som helst annat material, bara sub- stratet 21 har lägre brytningsindex än kärnan 30. Det är 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 den inte skall leda ut ljus därifrån. Den ljusledande kärnan 30 mönstras på i form av tunna trådar och har en bredd för singelmod 5-10 um och för multimod 40-100 pm. För att lägga på kärnan 30 används en fotomönstringsbar polyimid som 10 15 20 25 30 35 7 47Û 147 kan vara av tvâ olika typer, probimid 412 och probimid 348. De vátetsas på substratet 21. Vátetsning är en billig och enkel framställningsteknologi, för att framställa ljusledande kärnor 30. Den här metoden gär även att använda då substratet 21 är stort, som t ex ett helt kretskort. Andra ämnen som också kan användas för kärnan 30 är akrylat, polymetakrylat och polysty- ren. Det finns även icke fotomönstringsbara. polyimider, där strukturen kan företsas. Om singelmod.väljs blir det lite svårare att få rätt brytningsindex då inkapslingsmaterialet.måste var mer väldefinierat än för multimod.

De optiska komponenterna 24 utgörs av exempelvis en laserdiod eller en lysdiod. Då substratet 21 är av kisel, läggs först det tunna skiktet 40, kiseldioxid.pà, för att få rätt brytningsindex.

Kärnan 30 utgörs av polyimid materialet och vátetsas på kisel- dioxíden. Därefter påläggs guldelektroder på den plats där laserdioden monteras, för att kontaktera ström till laserdioden.

Laserdioden, 0,2 x 0,3 mm, löds fast på substratet 21 som är omkring 5 x 5 mm. Den laseremitterande delen på laserdioden, fönstret, är 1,5 x 1 um, där laserdioden leder ljus mot ljusvåg- ledaren. En annan komponent är anslutningsdonet 25 i figur 1 vilket är en enkel anslutningsanordning. Till slut läggs inkaps- lingsmaterialet, t ex silikongummit på.

Ett omrâde som blir mycket varmt är vis laserdioden. Detta på grund av att den avger så mycket värme. Ett sätt att leda bort värmen kan vara att använda en liten diamantskiva som värmetrans- portör. Med denna åtgärd blir inkapslingsmaterialet inte så varmt att materialet degraderas och bryts ned. I figur 2 är inkaps- lingsmaterialet 32 av silikongummi, vilket är en typ av elasto- mer. Inkapslingsmaterialet 32 är till för att kunna avlänka ljussignaler från den ljusledande kärnan 30. Då det är elastiskt kan en ljusledande sond 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 och. därefter härdas det ut, varvid silikongummit blir elastiskt. Eftersom silikongummit också kan lO 15 20 25 30 470 147 s styra aperturen, de vägledande egenskaperna, är det bra som brytande medium. Genom att använda silikongummit fås ett skyddande skikt över komponenterna 24, 25 och den ljusledande kärnan 30 och detta skikt har samtidigt goda optiska egenskaper.

Dessutom är gummit elastiskt och kan ta upp termiska spänningar.

Inkapslingsmaterialet 32 används på.tre ställen på substratet 21: För det första som inkapslingsmaterialet 32 till kärnan 30. För det andra att inkapsla komponenterna 24 och 25. För det tredje som index-matchande medium mellan kärnan 30 och den optiska komponenten 24. Den numeriska aperturen styrs av det index- matchande mediet med hjälp av brytningsindexet.

Det finns flera olika sätt att lägga på inkapslingsmaterialet 32.

Ett av dessa sätt är genom att trycka ut en liten sträng ungefär som vid spackling över substratet 21. Ett annat sätt är genom spinnteknik. Spinnteknologin går ut på att inkapslingsmaterialet 32 läggs på substratets 21 mitt. Därefter roteras substratet 21 i en spinnmaskin och med centrifugalkrafter sprids inkapslings- materialet 32 ut på hela substratet 21 på ett enkelt och bra sätt. Resultatet av denna teknik är att inkapslingsmaterialet 32 blir jämnt och tunt fördelat på substratet 21.

Den ovan beskrivna anordningen 20 utnyttjas för en metod att avlänka en ljussignal med en ljusledande sond direkt på den optiska vâgledaren. Genom att föra sonden ner genom inkapslings- materialet 32, som är elastiskt, går det att komma så nära den ljusledande kärnan 30 att evanescensefältet runt kärnan 30 gär att ta upp. Därmed fås nästan inga förluster i kärnan 30. Det är viktigt att inte komma för långt ner med sonden, för då kan deformationen. av inkapslingen, bli bestående. Om sonden inte trycks ned tillräckligt långt in i inkapslingsmaterialet 32, kan den inte ta upp evanescensefältet. Avståndet mellan sonden och kärnan 30 måste vara av rätt storleksordning mindre än pm. För att få samma avstånd vid varje avlänkning kan ett mätinstrument avläsa att rätt avstånd fås. 10 15 20 25 30 35 9 470 147 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 vågledaren 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 'vågledaren, 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. Sonden kan även vara gjord av en plastfiber.

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

Efter det att avlänkningen skett tas sonden bort och inga kvarstående deformationer finns kvar. Vid avlänkning på ljusvåg- ledare behövs inga ytterligare åtgärder vidtagas för att avlänk- ningen 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, vilken exempelvis utgörs av polyimid, har större brytningsindex än inkapslingsmaterialet 3. Inkapsling av kärnan 2 görs av det elastiska materialet, vilket företrädelsevis är silikongummi.

Genom att materialet är elastiskt kan en avlänkningsansordning, sond, föras in i inkapslingsmaterialet 3 och då sonden när evanescensefältet kan avlänkning ske. Anordningen för avlänk- ningen är löstagbar om så önskas. Den optiska fibern 1 finns mellan olika telefonstationer eller t ex mellan olika datorer. lO 15 20 47Û 'i4l7 10 Det kan röra sig om stora avstånd och ibland händer det att någon vill gå in och undersök den trafik som finns där. Här visas att fibern 1 inte är fastsatt pâ något substrat utan är friliggande.

Samma metod för ljusavlänkning kan utnyttjas för optiska fibrer 1 som tidigare beskrivits angående ljusvâgledaren 23. Före det första steget i metoden för fibern 1 måste den läggas på ett hårt underlag för att avlänkning ska kunna ske. Då den optiska fibern 1 är allt för böjlig gär det inte att föra in en sond på den utan att den ligger pà ett hårt underlag.

Det är ganska dyrt att kapsla laserdioder med nuvarande teknik där en metallkapsel används. En av fördelarna med att inkapsla komponenterna på substratet är att detta är relativt billigt. En annan fördel med att använda inkapslingsmaterialet med elastiska egenskaper är att det går att trycka ned en sond och avlänka ljussignaler. En annan fördel är att det är billigt och enkelt att framställa optiska vågledare enligt ovan angivna utförings- former. Metoden medger att tillfälligt kunna avlänka ljussignaler från optiska vågledare. Ytterligare en fördel att använda inkapslingsmaterialet är att det kan ta upp de rörelser som det optiska komponenterna ger ifrån sig då de blir varma.

Uppfinningen är naturligtvis inte begränsad till de ovan beskrivna och på ritningarna visade utföringsformerna, utan kan modifieras inom ramen för de bifogade patentkraven. 43

Claims (7)

10 15 20 25 30 470 147 U PATENTKRÄV

1. Inkapslingsanordning vid optiska vågledare, vilken anordning omfattar ett underlag (21,40) som pà en av sina begränsníngsytor uppbär minst en av de optiska vàgledarna, varvid vågledaren omfattar en ljusledande kärna (30) och ett hölje (32) med lägre brytningsindex än kärnan, k ä n n e t e c k n a d - att underlaget vid den nämnda begränsningsytan har ett vàgledaromráde (40) som är av ett material med lägre brytningsindex än vågledarens ljusledande kärna (30) , vilket d ä r a v vàgledaromrâde sträcker sig över åtminstone en del av den nämnda begränsningsytan hos underlaget (21,40), - att den ljusledande kärnan ( 30) sträcker sig i det nämnda vàgledaromrâdet och ligger an direkt mot dess yta och - att höljet (32) inkapslar den ljusledande kärnan (30) och ligger an mot det nämnda vàgledarområdets (40) yta utmed denna kärna.

2. Inkapslingsanordning enligt patentkrav 1, k ä n n e- t e c k n a d därav att underlaget omfattar en skiva (21) och att det nämnda vàgledaromràdet omfattar ett skikt (40) på skivan (21).

3. Inkapslingsanordning enligt patentkrav 2, k ä n n e - t e c k n a d därav att skivan (21) är av kisel och skíktet (40) är av kiseldioxid.

4. Inkapslingsanordning enligt patentkrav 1, 2 eller 3 k â n n e- t e c k n a d därav att den ljusledande kärnan (30) är av ett fotomönstringsbart polymert material.

5. Inkapslingsanordning enligt patentkrav 4, k ä n n e- t e c k n a d därav att det polymera materialet âr en polyimid.

6. Inkapslingsanordning enligt något av patentkraven 1-5 , k ä n n e t e c k n a d därav att höljet (32) är av elastiskt material. 478 147 1.:

7. Inkapslingsanordning enligt patentkrav 6, kännetecknad därav att det elastiska materialet är siliconelastomer. m4