WO2002099485A2 - Verfahren zum verbinden einer optischen faser mit einer grin-linse sowie verfahren zur herstellung optischer filtermodule und verfahrensgemäss hergestellte filtermodule - Google Patents

Verfahren zum verbinden einer optischen faser mit einer grin-linse sowie verfahren zur herstellung optischer filtermodule und verfahrensgemäss hergestellte filtermodule Download PDF

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WO2002099485A2 PCT/EP2002/006213 EP0206213W WO02099485A2 WO 2002099485 A2 WO2002099485 A2 WO 2002099485A2 EP 0206213 W EP0206213 W EP 0206213W WO 02099485 A2 WO02099485 A2 WO 02099485A2
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grin lens
optical fiber
optical
laser beam
lens according
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Burkhard Danielzik
Uwe Nolte
Ingo Köhler
Noboru Kobayashi
Christoph Hermanns
Bernd Hoetzel
Eric Senner
Patrick MARKSCHLÄGER
Christian Thiemann
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Schott Glas
Carl-Zeiss-Stiftung Trading As Schott Glas
Carl-Zeiss-Stiftung
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Definitions

  • the invention relates to a method for connecting an optical fiber to a GRIN lens and a method for producing optical filter modules and filter modules produced according to the method.
  • a method for connecting an optical fiber to a GRIN lens, in which laser energy is used to produce a connection area between the fiber and the GRIN lens, is known from PCT / US99 / 14958, according to which, however, the laser radiation is aligned which runs the optical axis of the laser radiation used essentially coaxial to the optical axis of the optical fiber.
  • this can lead to shadowing of the laser radiation by the fiber itself or by nearby, already attached fibers, which can have a disadvantageous effect on the introduced energy distribution and the resulting heating. Further needs this method of complex and difficult to handle optical beam guidance in order to achieve an exact focusing of the light energy.
  • Irradiation occurring fiber has the disadvantage that the fiber itself is difficult or not at all to be heated, since if at all only a small part of the light energy hits the fiber itself and a large part is still reflected by this small part. Consequently, in order to achieve a good connection, more energy must be introduced into the GRIN lens in order to thereby heat the fiber and to reach a melting zone in both the fiber and the GRIN lens.
  • this increased introduction of heat in turn has the serious disadvantage that a larger area of the GRIN lens is heated and, if a connection is made of several fibers to the GRIN lens, fibers already attached, which are already attached, can be detached again by the heating.
  • the minimum possible spacing of the fibers relative to one another is severely limited, which in turn leads to design restrictions, particularly in the case of
  • Microintegration shows an arrangement comprising an integrated optical circuit with an optical fiber, in which the optical fiber was attached to the optical circuit by means of a CO 2 laser.
  • this leaflet does not give any indication of how the fiber was attached to the optical circuit.
  • the invention is based on the object of a method for producing a connection between a GRIN lens and an optical fiber or for producing a provide optical filter module, in which the restrictions of the optical design are less pronounced and in particular the design of optical filter modules is less severely limited and yet a reliable connection between fiber and GRIN lens is achieved.
  • the method of connecting an optical fiber to a GRIN lens fiber comprising placing the optical fiber in contact with or in close proximity to the GRIN lens, directing a laser beam onto part of the optical fiber and / or part of the GRIN lens.
  • Lens whereby at least part of the optical fiber and / or part of the GRIN lens is heated by the laser beam in such a way that there is a connection between the optical fiber and the GRIN lens and the optical axis of the laser beam is oblique to the optical one Aligned with the axis of the optical fiber, the laser beam can act on both the optical fiber and the GRIN lens in a precisely adjustable manner, and the light energy introduced and, as a result of this, absorption resulting from it and effective for the production of the connection can be metered very finely.
  • both the heating of the fiber and of the GRIN lens can be optimally adjusted and, as a result, smaller heating areas in the GRIN lens are required.
  • the optical axis of the laser beam is understood to be the axis of symmetry of the laser beam or the direction in which most of the light from the laser beam propagates, the optical axis of an optical fiber or GRIN lens being well known to those skilled in the art in this field.
  • the method according to the invention also only allows the attachment of a cladding region of the optical fiber and the subsequent reinforcement of this attachment by further suitable means, so that this further reduces the heat to be introduced and avoids detachment of nearby fibers even more.
  • connection between at least a part of the optical fiber and a part of the GRIN lens comprises a connection of the light-guiding core region of the optical fiber to the GRIN lens, since then there are almost no reflections at the connection point since the molten one Area leads to a less sharp refractive index transition and reflections at interfaces are almost completely excluded.
  • the return loss values that can be achieved in this way are excellent and are usually above 50 db or even above 60 db.
  • a very exact metering of the laser power introduced can also be achieved if the laser beam only acts on the part of the optical fiber and / or the part of the GRIN lens that defines the area to be connected during a short time interval.
  • the laser beam can act on the area to be connected in a controlled temporal pulse sequence, in order to use a predetermined number of pulses to achieve the defined desired melting zones and to enable the process parameters to be updated in a simple manner if necessary on the basis of changed pulse numbers.
  • the laser beam is a C0 2 laser beam.
  • the optical fiber is first attached to the GRIN lens in an adjusted position and then the connection of the optical fiber to the GRIN lens is reinforced with further fastening means, the reinforcement with further fastening means applying adhesive, the application and melting of solder, in particular the application and melting of glass solder, and / or the potting of the arrangement of optical fiber and GRIN lens, in particular the potting with a hardenable synthetic resin.
  • the glass solder comprises a dye which absorbs at least part of the laser radiation acting on it, because then selective heating of the glass solder with increased absorbed laser radiation can take place, and this results in a defined heating of the glass solder, but reduced from its surroundings. If absorption ranges of the dye of the glass solder lie within the wavelength ranges of the radiation that will later be used in the operation of the optical assembly, scattered radiation can be absorbed by the dye and thereby disturbing background radiation can be reduced.
  • Dyes which contain iron or an iron compound are particularly suitable for this purpose, since these absorb both CO 2 laser radiation and that in
  • Infrared lying optical signals which were used in optical communications technology.
  • the reinforcement with further fastening means comprises low-temperature bonding, as is the case, for example, in American patent application "Low Temperature Joining of Phosphate Glass", filed on November 1, 1999, SN. 09 / 430,885, or in PCT / US00 / 41720 with the title "Photonic Devices for optical and optoelectronic Information Processing", the content of which is also fully applicable
  • the laser beam is advantageously focused on the area to be connected in order to introduce as little energy as possible into undesired areas.
  • the laser beam may alternatively be "over-focused", that is, focused in a plane extending in the GRIN lens, in order to heat the GRIN lens more deeply in order to fine-tune the fiber both laterally during the heated state as well as in the axial direction.
  • the optical fiber is pushed towards the GRIN lens in its heated state or in the heated state of the GRIN lens or while both are heated.
  • a strain relief can be attached to the arrangement of GRIN lens and optical fiber in order to keep mechanical loads in the axial direction as far as possible from the combination of fiber and GRIN lens.
  • the GRIN lens can first be arranged in alignment with the optical filter and subsequently the optical fiber or the optical fibers can be connected to the GRIN lens.
  • a filter module that can be operated both in reflection and in transmission is provided in that a further combination of optical fiber or optical fibers with a GRIN lens is arranged in an adjusted manner relative to the optical filter.
  • Particularly preferred filter modules are WDM filter modules (Wavelenght Division Multiplexed filter modules) or DWDM filter modules, (Dense Wavelenght Division Multiplexed filter modules) and CDWDM filter modules (Coarse Dense Wavelenght Division Multiplexed filter modules).
  • FIG. 1 shows the optical arrangement for carrying out the method according to the invention in a schematic side view, with which an optical fiber can be attached to a GRIN lens
  • FIG. 2 shows a detailed representation of an optical fiber attached to a GRIN lens
  • FIG. 3 shows a representation of a GRIN lens with a
  • laser radiation has no restrictive effect but also includes incoherent electromagnetic radiation which is suitable To create interaction in the glass of the GRIN lens and the optical fiber, which can lead to a connection of the two.
  • connection includes both a purely mechanical connection with high holding forces, which can hold up to breakage of the fiber in attempted detachment, and also an essentially optical connection with only low mechanical holding forces, which permit transmission of optical signals, both individually and in each case also an optical and mechanical connection in combination.
  • FIG. 1 shows the optical arrangement for carrying out the method according to the invention, with which an optical fiber can be attached to a GRIN lens, in a schematic side view.
  • an optical fiber 1 is connected to a GRIN lens 2 by firstly contacting the optical fiber 1 with its front end 3 using mounting and positioning means, not shown in the figures, but well known to the person skilled in the art in this field, for direct contact GRIN lens 2, which is also held appropriately positioned, is arranged. Subsequently, a laser beam 4 is directed onto part of the optical fiber 1 and / or part of the GRIN lens 2 such that at least part of the optical fiber 1 and / or part of the GRIN lens 2 is absorbed by the laser beam 2 Laser radiation is heated. This local heating leads to a connection between the optical fiber 1 and the GRIN lens 2.
  • the optical axis 5 of the laser beam 4 is arranged obliquely to the optical axis 6 of the fiber 1, this means that the intermediate angle ⁇ in a range from about 5 to 85 degrees, preferably in a range from 15 to 75 degrees and am most preferred is in a range of 35 to 55 degrees.
  • the laser beam 4 is focused and can be pulsed in time or irradiated in CW mode. Furthermore, the laser beam can be switched on and off programmably at defined time intervals, and fixed numbers of pulses can also be set.
  • the laser beam is a CO laser beam and is used to fix the optical fiber 1 in an aligned position on the GRIN lens 2, this means at least a partial mechanical connection between the optical fiber 1 and the GRIN lens 2, which is suitable to serve at least as a fixation for the application of further fasteners.
  • Adhesives in particular epoxy resin adhesives or generally curable resins, serve as further fastening means 7 and the application and melting of solder, in particular the application and melting of glass solder and / or the casting of the arrangement of optical fiber 1 and GRIN lens, in particular that Potting with a hardenable synthetic resin, includes.
  • the further fastening means are optically transparent and, if any remaining gaps between the fiber 1 and the GRIN lens 2 are filled, as little or no additional absorption and reflection losses or backscattering as possible are introduced.
  • the laser beam 4 is focused on the area 8 to be connected, which detects the light-conducting core area 9 of the optical fiber 1 and thus connects this core area 9 to the GRIN lens 2.
  • a monitor arrangement 10 which comprises a beam splitter 11 and an imaging system 12, is used for better detection of the positioning of the laser beam 4.
  • the beam splitter 10 has a dielectric reflection layer 13, which has a transparent effect in the spectral range of the C0 2 laser, the infrared, but has a reflective effect in the visible spectrum or for the observation.
  • a video camera can provide feedback to a computer-aided control system, which allows the automated tracking of the laser beam 4 and the automated or partially automated control of the intensity of the laser beam 4.
  • the arrangement shown in FIG. 1 can also be used to melt glass solder, which is schematically provided with the reference number 7 in FIG. 2, and thereby provide the further fastening means.
  • the glass solder comprises a dye which absorbs the laser radiation and which comprises, for example, iron or an iron compound.
  • the monitor arrangement 10 can serve to ensure the correct application of the monitor other fasteners and, if necessary, even detect its hardening.
  • a strain relief 16 is attached to the fiber 1 and the GRIN lens 2, by means of which both axial and lateral forces no longer cause the fiber 1 to detach from the GRIN lens 2 being able to lead.
  • the strain relief 16 can comprise thermoplastic materials, curable epoxy resins and UV-crosslinkable polymers and is preferably designed to be permanently elastic in order to avoid thermal stresses as far as possible.
  • a preferred embodiment of the object produced according to the invention comprises a GRIN lens collimator with optical fiber for the construction of an optical filter module.
  • Table 1 The English-language terms used in Table 1 are well known to the person skilled in the art in this field and represent the most common language use in this field, so that a translation of this information is dispensed with.
  • a large number of optical fibers 1, 17, 18, 19 can be attached to the GRIN lens 2, for example as a linear or two-dimensional array.
  • the GRIN lens 2 is selected in its pitch in such a way that a collimator arrangement results, which filters light from an input fiber, for example from the optical fiber 1, back into an output fiber, for example into the optical fiber 17.
  • Filter 20 may be a WDM, DWDM, or CDWDM filter, thereby providing a WDM, DWDM, or CDWDM filter module, respectively.
  • the GRIN lens 2 can first be arranged adjusted relative to the filter 20 and then the fiber 1 or the fibers 1, 17, 18, 19 can be connected to the GRIN lens 2 adjusted. Furthermore, in a manner not shown in the figures, a further GRIN lens with optical fiber or optical fibers can be arranged essentially mirror-symmetrically with respect to the filter 20 such that transmitted, filtered optical signals can also be passed on in these optical fibers.
  • the invention is not limited to certain housing shapes of the filter module or certain fastening or adjusting devices of the filter module housing, but can be used in a wide range, in particular also in the case of non-collimating GRIN lens arrangements.

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Abstract

Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser (1) mit einer GRIN-Linse (2) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Filtermoduls mit einer optischen Faser (1) und einer GRIN-Linse (2) umfassend das Anordnen der optischen Faser (1) in Kontakt mit oder in unmittelbarer Nähe zur GRIN-Linse (2), das Richten eines Laserstrahls (9) auf einen Teil der optischen Faser (1) und/oder einen Teil der GRIN-Linse (2), wobei durch den Laserstrahl zumindest ein Teil der optischen Faser (1) und/oder ein Teil der GRIN-Linse (2) derart erwärmt wird, dass es zu einer Verbindung zwischen der optischen Faser (1) und GRIN-Linse (2) kommt und wobei die optische Achse des Laserstrahls schräg zur optischen Achse (5) der optischen Faser (1) ausgerichtet ist, sowie verfahrensgemäss hergestellte optische Filtermodule.

Description

Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN- Linse sowie Verfahren zur Herstellung optischer Filtermodule und verfahrensgemäß hergestellte Filtermodule
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse sowie ein Verfahren zur Herstellung optischer Filtermodule und verfahrensgemäß hergestellte Filtermodule.
Ein Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse, bei welchem Laserenergie zur Erzeugung eines Verbindungsbereichs zwischen Faser und GRIN-Linse verwendet wird, ist bekannt aus der PCT/US99/14958, gemäß welcher jedoch eine Ausrichtung der Laserstrahlung vorgenommen wird, bei der die optische Achse der verwendeten Laserstrahlung in wesentlichen koaxial zur optischen Achse der optischen Faser verläuft. Hierdurch kann es jedoch durch die Faser selbst oder durch naheliegende, bereits angebrachte Fasern zu Abschattungen der Laserstrahlung kommen, welche sich auf die eingebrachte Energieverteilung und daraus folgende Erwärmung nachteilig auswirken können. Ferner bedarf dieses Verfahren einer aufwendigen und schwierig zu handhabenden optischen Strahlführung, um eine exakte Fokussierung der Lichtenergie zu erreichen. Darüber hinaus hat die in optischer Achse der. Faser erfolgende Einstrahlung den Nachteil, daß die Faser selbst nur schwierig oder überhaupt nicht zu erwärmen ist, da wenn überhaupt nur ein kleiner Teil der Lichtenergie auf die Faser selbst trifft und von diesem kleinen Teil ein Großteil noch reflektiert wird. Um zu einer guten Verbindung zu gelangen muß folglich mehr Energie in die GRIN-Linse eingebracht werden, um hierdurch die Faser mit zu erwärmen und zu einer Schmelzzone sowohl in der Faser als auch in der GRIN-Linse zu gelangen. Diese erhöhte Einbringung von Wärme hat jedoch wiederum den gravierenden Nachteil, daß ein größerer Bereich der GRIN- Linse erwärmt wird und bei Herstellung einer Verbindung von mehreren Fasern mit der GRIN-Linse naheliegende, bereits angebrachte Fasern durch die Erwärmung wieder abgelöst werden können. Hierdurch wird aber der minimal mögliche Abstand der Fasern relativ zueinander stark beschränkt, welches wiederum konstruktive Beschränkungen, insbesondere bei
Kollimatoranordnungen hat, welche in Reflexion betrieben werden, wie diese etwa bei WDM- und DWDM-Filtermodulen ihren Einsatz finden.
Das Faltblatt „Optoelectronic Inteconnection Technology" des Fraunhofer Instituts für Zuverlässigkeit und
Mikrointegration zeigt eine Anordnung umfassend eine integrierte optische Schaltung mit einer optischen Faser, bei welcher die optische Faser mittels eines C02-Lasers an der optischen Schaltung angebracht wurde. Diesem Faltblatt sind jedoch keinerlei Hinweise darauf zu entnehmen, wie die Faser an der optischen Schaltung angebracht wurde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einer GRIN-Linse und einer optischen Faser bzw. Zur Herstellung eines optischen Filtermoduls bereitzustellen, bei welchem die Beschränkungen der optischen Konstruktion weniger stark ausgeprägt sind und insbesondere die Konstruktion optischer Filtermodule weniger stark beschränkt wird und dennoch eine zuverlässige Verbindung zwischen Faser und GRIN-Linse erreicht wird.
Diese Aufgabe wird auf höchst überraschende Weise mit einem Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 17 sowie mit Filtermodulen gemäß einem der Ansprüche von 22 bis 24 gelöst.
Durch das Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse Faser umfassend das Anordnen der optischen Faser in Kontakt mit oder in unmittelbarer Nähe zur GRIN-Linse, das Richten eines Laserstrahls auf einen Teil der optischen Faser und/oder einen Teil der GRIN-Linse, wobei durch den Laserstrahl zumindest ein Teil der optischen Faser und/oder ein Teil der GRIN-Linse derart erwärmt wird, dass es zu einer Verbindung zwischen der optischen Faser und der GRIN-Linse kommt und wobei die optische Achse des Laserstrahls schräg zur optischen Achse der optischen Faser ausgerichtet ist, kann der Laserstrahl sowohl auf die optische Faser als auch auf die GRIN-Linse in exakt einstellbarer Weise einwirken und somit die eingebrachte Lichtenergie und hieraus durch Absorption folgende, für die Herstellung der Verbindung wirksame Wärmeenergie sehr fein dosiert werden. Dies bedeutet, daß sowohl die Erwärmung der Faser als auch der GRIN-Linse optimal einstellbar sind und hierdurch kleinere Erwärmungsbereiche in der GRIN-Linse benötigt werden. Als
Folge hiervon ist aber auch die Ablösung naheliegender Fasern durch Miterwärmung sehr viel weniger wahrscheinlich und kann eine engere Anordnung der Fasern und damit eine bessere optische Konstruktion, insbesondere bei in Rückreflexion betriebenen Kollimatoranordnungen erreicht werden. Als optische Achse des Laserstrahls wird im Sinne der Erfindung die Symmetrieachse des Laserstrahls oder diejenige Richtung verstanden, in welche das meiste Licht des Laserstrahls propagiert, wobei die optische Achse einer optischen Faser oder GRIN-Linse dem Fachmann auf diesem Gebiet wohlbekannt sind.
Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch lediglich das Anheften eines Mantelbereichs der optischen Faser und die nachfolgende Verstärkung dieser Befestigung durch weitere geeignete Mittel, sodaß hierdurch nochmals die nötige einzubringende Wärme reduziert und ein Ablösen naheliegender Fasern noch stärker vermieden wird.
Die schräge Einstrahlung der Laserenergie führt ferner zu vereinfachten optischen Bearbeitungseinrichtungen, da lediglich eine entsprechende Fokussierung auf den zu verbindenden Bereich oder in dessen Nähe erfolgen muß. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Verbindung zwischen zumindest einem Teil der optischen Faser und einem Teil der GRIN-Linse eine Verbindung des lichtleitenden Kernbereichs der optischen Faser mit der GRIN-Linse umfaßt, da dann nahezu keinerlei Reflexionen an der Verbindungsstelle auftreten, da der geschmolzene Bereich zu einem weniger scharf ausgeprägten Brechungsindexübergang führt und Reflexionen an Grenzflächen nahezu vollständig ausgeschlossen werden. Die hierdurch erreichbaren Werte der Rückflußdämpfung sind hervorragend und liegen in der Regel über 50 db oder sogar über 60 db.
Eine sehr exakte Dosierung der eingebrachten Laserleistung lässt sich ferner auch erreichen, wenn der Laserstrahl nur während eines kurzen zeitlichen Intervalls auf den Teil der optischen Faser und/oder den Teil der GRIN- Linse, welcher den zu verbindenden Bereich definiert, einwirkt.
Insbesondere in der Massenfertigung kann der Laserstrahl in einer gesteuerten zeitlichen Pulsfolge auf den zu verbindenden Bereich einwirken, um derart anhand einer vorgegebenen Pulsanzahl die definierten erwünschten Schmelzzonen zu erreichen und auf einfache Weise eine gegebenenfalls nötig Nachführung der Prozeßparameter anhand von geänderten Pulsanzahlen zu ermöglichen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Laserstrahl ein C02-Laserstrahl.
Es ist ferner sehr vorteilhaft, wenn die optische Faser zunächst in justierter Lage an der GRIN-Linse befestigt wird und danach die Verbindung der optischen Faser mit der GRIN- Linse mit weiteren Befestigungsmitteln verstärkt wird, wobei die Verstärkung mit weiteren Befestigungsmittel das Aufbringen von Klebstoff, das Aufbringen und Schmelzen von Lötmitteln, insbesondere das Aufbringen und Schmelzen von Glaslot, und/oder das Vergießen der Anordnung aus optischer Faser und GRIN-Linse, insbesondere das Vergießen mit einem härtbaren Kunstharz, umfassen kann.
Es ist ferner äußerst vorteilhaft, wenn das Glaslot einen Farbstoff umfasst, welcher zumindest einen Teil der einwirkenden Laserstrahlung absorbiert, denn dann kann eine selektive Erwärmung des Glaslotes mit erhöht absorbierter Laserstrahlung erfolgen und hierdurch eine definierte Erwärmung des Glaslotes, jedoch vermindert von dessen Umgebung erfolgen. Liegen Absorptionsbereiche des Farbstoffs des Glaslotes innerhalb der Wellenlängenbereiche der später beim Betrieb der optischen Baugruppe verwendeten Strahlung, kann durch den Farbstoff Streustrahlung absorbiert und hierdurch störende Hintegrundstrahlung vermindert werden.
Besonders gut sind hierfür Farbstoffe geeignet, welche Eisen oder eine Eisenverbindung enthalten, denn diese absorbieren sowohl C02-Laserstrahlung als auch die im
Infrarot liegenden optischen Signale, welche in der optischen Nachrichtentechnik Verwendung fingen.
Ferner sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform vor, daß die Verstärkung mit weiteren Befestigungsmitteln das Low- Temperature-Bonden umfaßt, wie dieses beispielsweise in der amerikanische Patentanmeldung "Low Temperature Joining of Phosphate Glass", angemeldet am 1. 11.1999, SN. 09/430,885, bzw. in der PCT/US00/41720 mit dem Titel "Photonic Devices for optical and optoelectronic Information Processing" beschrieben ist, deren Inhalt vollumfänglich auch zum
Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Ferner wird durch Bezugnahme auch der Inhalt der US-amerikanischen PCT-Anmeldung "Low Temperature Joining of Materials", Atty. Dkt. No. SGT-321 Pl WO, welche am gleichen Tage beim Amerikanischen Patent und Markenamt eingereicht wurde wie die Anmeldung PCT/US00/41720, vollumfänglich zum Gegenstand der vorliegenden Beschreibung gemacht.
Vorteilhaft ist der Laserstrahl auf den zu verbindenden Bereich fokussiert, um möglichst wenig Energie in nicht erwünschte Bereiche einzubringen.
Ferner kann der Laserstrahl alternativ "überfokussiert" sein, dies bedeutet, in eine in der GRIN-Linse verlaufende Ebene fokussiert sein, um die GRIN-Linse stärker in der Tiefe zu erwärmen, um dergestalt während des erhitzten Zustands eine Feinjustierung der Faser sowohl in lateraler als auch in achsialer Richtung zu ermöglichen. Bei der Justierung in achsialer Richtung wird die optische Faser in deren erhitztem Zustand oder im erhitzten Zustand der GRIN-Linse oder während beide erhitzt sind auf die GRIN-Linse zugeschoben. Ferner kann an der Anordung aus GRIN- Linse und optischer Faser ein Zugentlastung angebracht werden, um mechanische Belastungen in achsialer Richtung bestmöglich von der Kombination aus Faser und GRIN-Linse fernzuhalten.
Darüberhinaus liegt es im Rahmen der Erfindung, eine Vielzahl von optischen Fasern an der GRIN-Linse anzubringen. Darüber hinaus wird durch das Anordnen der Kombination aus einer optischen Faser mit GRIN-Linse oder einer Vielzahl von optischen Fasern mit GRIN-Linse ausgerichtet zu einem optischen Filter ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung optischer Filtermodule bereitgestellt, welches im Wesentlichen auf alle vorstehend geschilderte Vorteile zurückgreifen kann.
Alternativ kann zunächst das Anordnen der GRIN-Linse ausgerichtet zu dem optischen Filter erfolgen und nachfolgend das Verbinden der optischen Faser oder der optischen Fasern mit der GRIN-Linse durchgeführt werden.
Ein sowohl in Reflexion als auch in Transmission betreibbares Filtermodul wird dadurch bereitgestellt, dass eine weitere Kombination aus optischer Faser oder optischen Fasern mit GRIN-Linse relativ zu dem optischen Filter justiert angeordnet wird.
Besonders bevorzugte Filtermodule sind WDM-Filtermodule (Wavelenght Division Multiplexed-Filtermodule) oder DWDM- Filtermodule, (Dense Wavelenght Division Multiplexed- Filtermodule) sowie CDWDM-Filtermodule (Coarse Dense Wavelenght Division Multiplexed-Filtermodule) .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen detaillierter beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 die optische Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Seitenansicht, mit welcher eine optische Faser an einer GRIN-Linse anbringbar ist,
Fig. 2 eine Detaildarstellung einer an einer GRIN-Linse angebrachten optischen Faser, Fig. 3 eine Darstellung einer GRIN-Linse mit einer
Vielzahl daran angebrachter optischer Fasern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen detaillierter beschrieben. Bei dieser Beschreibung hat der Begriff Laserstrahlung keine Beschränkende Wirkung sondern umfaßt auch inkohärente elektromagnetische Strahlung, welche geeignet ist, eine Wechselwirkung im Glas der GRIN-Linse sowie der optischen Faser zu erzeugen, welche zu einer Verbindung von beiden führen kann.
Ferner umfaßt der Begriff Verbindung sowohl eine rein mechanische Verbindung mit hohen Haltekräften, welche bei Ablöseversuchen bis zum Bruch der Faser halten können, als auch eine im wesentlichen optische Verbindung mit nur geringen mechanischen Haltekräften, welche eine Übertragung optischer Signale gestatten, jeweils sowohl in Alleinstellung als auch eine optische und mechanische Verbindung in Kombination.
Nachfolgend wird auf Figur 1 bezug genommen, welche die optische Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit welcher an einer GRIN-Linse eine optische Faser anbringbar ist, in einer schematischen Seitenansicht zeigt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine optische Faser 1 mit einer GRIN-Linse 2 verbunden, indem zunächst die optische Faser 1 mit in den Figuren nicht dargestellten, dem Fachmann auf diesem Gebiet jedoch wohlbekannten Halterungsund Positionierungsmitteln mit deren vorderem Ende 3 in Kontakt oder in unmittelbare zur GRIN-Linse 2, welche ebenfalls entsprechend positioniert gehalten ist, angeordnet wird. Nachfolgend wird ein Laserstrahl 4 auf einen Teil der optischen Faser 1 und/oder einen Teil der GRIN-Linse 2 derart gerichtet, dass durch den Laserstrahl 2 zumindest ein Teil der optischen Faser 1 und/oder ein Teil der GRIN-Linse 2 durch Absorption von Laserstrahlung erwärmt wird. Durch diese lokale Erwärmung kommt es zu einer Verbindung zwischen der optischen Faser 1 und der GRIN-Linse 2.
Die optische Achse 5 des Laserstrahls 4 ist schräg zur optischen Achse 6 der Faser 1 angeordnet, dies bedeutet, dass der Zwischenwinkel α in einem Bereich von etwa 5 bis 85 Grad, bevorzugt in einem Bereich von 15 bis 75 Grad und am bevorzugtesten in einem Bereich von 35 bis 55 Grad liegt.
Der Laserstrahl 4 ist fokussiert und kann zeitlich gepulst oder im CW-Betrieb eingestrahlt werden. Ferner kann der Laserstrahl in definierten zeitlichen Abständen programmierbar ein- und ausgeschaltet werden, wobei auch feste Anazahlen von Pulsen einstellbar sind.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Laserstrahl ein C0-Laserstrahl und wird dazu verwendet, die optische Faser 1 in justierter Lage an der GRIN-Linse 2 zu befestigen, dies bedeutet zumindest eine teilweise mechanische Verbindung zwischen der optischen Faser 1 und der GRIN-Linse 2 herzustellen, welche geeignet ist, zumindest als Fixierung für das Aufbringen weiterer Befestigungsmittel zu dienen. Als weitere Befestigungsmittel 7 dienen Klebstoff, insbesondere Epoxydharz-Klebstoff oder allgemein aushärtbare Harze, und wird das Aufbringen und Schmelzen von Lötmitteln, insbesondere das Aufbringen und Schmelzen von Glaslot und/oder das Vergießen der Anordnung aus optischer Faser 1 und GRIN-Linse, insbesondere das Vergießen mit einem härtbaren Kunstharz, umfasst.
Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die weiteren Befestigungsmittel optisch transparent sind und, falls durch diese etwaige verbleibende Spalte zwischen Faser 1 und GRIN- Linse 2 ausgefüllt werden, möglichst keine oder nur wenig zusätzlichen Absorptions- und Reflexionsverluste oder Rückstreuungen eingeführt werden.
Bei der bevorzugtesten Ausführungsform wird der Laserstrahl 4 auf den zu verbindenden Bereich 8 fokussiert, welcher den lichtleitenden Kernbereich 9 der optischen Faser 1 erfasst und somit diesen Kernbereich 9 mit der GRIN-Linse 2 verbindet. Hierdurch kommt es zu einem Verschmelzen des Glases des Kernbereichs 9 mit dem Glas der GRIN-Linse 2 und zu weichen Brechungsindexübergängen, welche zu einer verminderten Reflexion führen. Zur besseren Erkennung der Positionierung des Laserstrahls 4 dient eine Monitoranordnung 10, welche einen Strahlteiler 11 sowie ein Abbildungssystem 12 umfasst. Der Strahlteiler 10 weist eine dielektrische Reflexionsschicht 13 auf, welche im Spektralbereich des C02- Lasers, dem Infraroten, transparent, jedoch im sichtbaren oder für die Beobachtung relevanten Spektrum reflektierend wirkt. Hierdurch kann in einer vergrößernden Abbildung in Zusammenwirken der fokussierenden Linse 14 mit dem schematisch als Sammellinse dargestellten Abbildungssystem 12 in der Bildebene 15 ein reelles Bild des Fokusbereichs des Laserstrahls 4 erzeugt und hiermit eine korrekte Positionierung und darüber hinaus das Schmelzverhalten der optischen Faser 1 sowie der GRIN-Linse 2 exakt beobachtet werden.
Anstelle des Abbildungssystems 12 zur Erzeugung des reellen Bildes kann eine in den Figuren nicht dargestellte Videokamera eine Rückkopplung zu einer computergestützen Steuerungssystem bereitstellen, welches die automatisierte Nachführung des Laserstrahls 4 sowie die automatisierte oder teilautomatisierte Steuerung der Intensität des Laserstrahls 4 zulässt.
Ferner kann die in Fig. 1 dargestellte Anordnung auch dazu benutzt werden, Glaslot, welches in Figur 2 schematisch mit dem Bezugszeichen 7 versehen ist, zu schmelzen, und hierdurch die weiteren Befestigungsmittel bereitzustellen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Glaslot einen die Laserstrahlung absorbierenden Farbstoff, welcher beispielsweise Eisen oder eine Eisenverbindung umfasst.
Wird als weiteres Befestigungsmittel Klebstoff oder Epoxydharz oder ein Low-Temperature-Bonding-Mittel, wie dies beispielsweise in den vorstehend zitierten und inkorporierten Schriften detaillierter beschrieben ist, verwendet, kann die Monitoranordnung 10 dazu dienen, den korrekten Auftrag des weiteren Befestigungsmittels zu überwachen und darüber hinaus gegebenenfalls sogar dessen Aushärtung zu erkennen.
Anstelle des vorstehend beschriebenen Verfahrensablaufs mit justierter Positionierung der Faser kann diese auch in ' deren erhitztem Zustand und/oder dem erhitzten Zustand der GRIN-Linse auf diese zugeschoben und hiermit axial positioniert sowie noch geringfügig zumindest im Bereich mehrere Mikrometer seitlich verschoben werden. Die Verwendung einer zeitlich gepulsten Folge von Laserstrahlungspulsen gestattet darüber hinaus die Repositionierung der Faser 1 relativ zur GRIN-Linse 2 zumindest im Bereich einiger Mikrometer, wodurch eine zusätzliche optische Feinjustierung bereitgestellt wird.
Nach Durchführung der Verbindung der Faser 1 mit der GRIN-Linse2 wird eine Zugentlastung 16 an der Faser 1 sowie der GRIN-Linse 2 angebracht, mittels welcher sowohl axiale als auch laterale Kräfte nicht mehr zu einem Ablösen der Faser 1 von der GRIN-Linse 2 führen können. Die Zugentlastung 16 kann thermoplastische Materialien, aushärtbare Epoxydharze sowie UV-vernetzbare Polymere umfassen und ist in bevorzugter Weise dauerelastisch ausgeführt, um thermische Spannungen weitmöglichst zu vermeiden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß hergestellten Gegenstands umfasst einen GRIN-Linsenkollimator mit optischer Faser für den Aufbau eines optischen Filtermoduls.
Bevorzugte Werte dieser Anordnung sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Tabelle 1
Single & Dual & Multiple Fiber Collimator
Figure imgf000014_0001
Die in Tabelle 1 verwendeten englischsprachigen Begriffe sind dem Fachmann auf diesem Gebiet wohlbekannt und stellen den auf diesem Fachgebiet üblichsten Sprachgebrauch dar, sodaß auf eine Übersetzung dieser Angaben verzichtet wird.
Bei einer alternative Ausführungsform kann, wie in Figur 3 dargestellt, an der GRIN-Linse 2 eine Vielzahl von optischen Fasern 1, 17, 18, 19 etwa als linearer oder zweidimensionaler Array angebracht werden.
Um ein optisches Filtermodul herzustellen, wird die Kombination aus GRIN-Linse 2 mit optischer Faser 1 bzw. optischen Fasern 1, 17, 18, 19 relativ zu einem Filter 20 ausgerichtet bzw. justiert angeordnet. Hierbei wird die GRIN- Linse 2 in deren Pitch so gewählt, dass sich eine Kollimatoranordnung ergibt, welche Licht aus einer Eingangsfaser, beispielsweise aus der optischen Faser 1, gefiltert in eine Ausgangsfaser, beispielsweise in die optische Faser 17, zurückkoppelt.
Das Filter 20 kann ein WDM-, DWDM- oder CDWDM-Filter sein, wodurch ein WDM-, DWDM- bzw. ein CDWDM-Filtermodul bereitgestellt wird.
Ferner kann zunächst die GRIN-Linse 2 relativ zum Filter 20 justiert angeordnet werden und danach die Faser 1 bzw. die Fasern 1, 17, 18, 19 justiert mit der GRIN-Linse 2 verbunden werden. Ferner kann, auf in den Figuren nicht dargestellte Weise, im wesentlichen spiegelsymmetrisch bezüglich des Filters 20 eine weitere GRIN-Linse mit optischer Faser oder optischen Fasern so angeordnet werden, dass auch transmittierte gefilterte optische Signale in diesen optischen Fasern weiterleitbar sind.
Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Gehäuseformen des Filtermoduls oder bestimmte Befestigungs- oder Justiereinrichtungen der Filtermodulgehäuse beschränkt sondern kann in einem weiten Bereich, insbesondere auch bei nicht kollimierenden GRIN-Linsen-Anordnungen, verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse umfassend das Anordnen der optischen Faser in Kontakt mit oder in unmittelbarer Nähe zur GRIN-Linse, das Richten eines Laserstrahls auf einen Teil der optischen Faser und/oder einen Teil der GRIN-Linse, wobei durch den Laserstrahl zumindest ein Teil der optischen Faser und/oder ein Teil der GRIN-Linse derart erwärmt wird, dass es zu einer Verbindung zwischen der optischen Faser und der GRIN-Linse kommt und wobei die optische Achse des Laserstrahls schräg zur optischen Achse der optischen Faser ausgerichtet ist.
2. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der optischen Faser und der GRIN-Linse eine Verbindung des lichtleitenden Kernbereichs der optischen Faser mit der GRIN-Linse umfaßt.
3. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl nur während eines kurzen zeitlichen Intervalls auf den Teil der optischen Faser und/oder den Teil der GRIN-Linse, welcher den zu verbindenden Bereich definiert, einwirkt.
4. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl in einer gesteuerten zeitlichen Pulsfolge auf den zu verbindenden Bereich einwirkt .
5. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl ein C02-Laserstrahl ist.
6. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser in justierter Lage an der GRIN-Linse befestigt wird und danach die Verbindung der optischen Faser mit der
GRIN-Linse mit weiteren Befestigungsmitteln verstärkt wird.
7. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung mit weiteren Befestigungsmitteln das Aufbringen von Klebstoff, das Aufbringen und Schmelzen von Lötmitteln, insbesondere das Aufbringen und Schmelzen von Glaslot, und/oder das Vergießen der Anordnung aus optischer Faser und GRIN-Linse, insbesondere das Vergießen mit einem härtbaren Kunstharz, umfasst.
8. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Glaslot einen Farbstoff umfasst, welcher zumindest einen Teil der einwirkenden Laserstrahlung absorbiert.
9. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbstoff Eisen oder eine Eisenverbindung umfasst.
10. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung mit weiteren Befestigungsmitteln das Low-Temperature-Bonden umfasst.
11. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl auf den zu verbindenden Bereich fokussiert ist.
12. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche von 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl in eine in der GRIN-Linse verlaufende Ebene fokussiert ist.
13. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser in deren erhitztem Zustand auf die GRIN-Linse zugeschoben wird.
14. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Lage der optischen Faser in Bezug auf die GRIN-Linse in erhitztem Zustand eines Bereichs der GRIN-Linse und/oder eines Bereichs der optischen Faser in deren seitlicher Anordnung relativ zueinander feinjustiert wird.
15. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Anordnung aus GRIN- Linse und optischer Faser ein Zugentlastung angebracht wird.
16. Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von optischen Fasern an der GRIN-Linse angebracht werden.
17. Verfahren zur Herstellung eines optischen Filtermoduls, umfassend ein Verfahren zum Verbinden einer optischen Faser mit einer GRIN-Linse nach einem der vorstehenden Ansprüche.
18. Verfahren zur Herstellung eines optischen Filtermoduls nach Anspruch 17, ferner umfassend das Anordnen und Befestigen der Kombination aus optischer Faser mit GRIN-Linse oder optischen Fasern mit GRIN-Linse ausgerichtet zu einem optischen Filter.
19. Verfahren zur Herstellung eines optischen
Filtermoduls nach Anspruch 17, ferner umfassend das Anordnen und Befestigen der GRIN-Linse ausgerichtet zu dem optischen Filter und nachfolgend das Verbinden der optischen Faser oder der optischen Fasern mit der GRIN-Linse.
20. Verfahren nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Kombination aus optischer Faser oder optischen Fasern mit GRIN-Linse relativ zu dem optischen Filter justiert angeordnet und befestigt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere GRIN-Linse relativ zu dem optischen Filter angeordnet und befestigt wird und nachfolgend eine oder mehrere optische Fasern mit der GRIN-Linse verbunden werden.
22. Optisches Filtermodul, gekennzeichnet durch dessen Herstellung mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
23. Optisches WDM-Filtermodul, gekennzeichnet durch dessen Herstellung mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche von 1 bis 21.
24. Optisches DWDM-Filtermodul, gekennzeichnet durch dessen Herstellung mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche von 1 bis 21.
25. Optisches CDWDM-Filtermodul, gekennzeichnet durch dessen Herstellung mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche von 1 bis 21.
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