WO2009012845A1 - Optische steckverbindung für lichtwellenleiter - Google Patents

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WO2009012845A1
WO2009012845A1 PCT/EP2008/004553 EP2008004553W WO2009012845A1 WO 2009012845 A1 WO2009012845 A1 WO 2009012845A1 EP 2008004553 W EP2008004553 W EP 2008004553W WO 2009012845 A1 WO2009012845 A1 WO 2009012845A1
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plug
socket
contact surface
plug part
optical
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PCT/EP2008/004553
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Ludwig Bergann
Ralf Malz
Jens Konetzny
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Lasos Lasertechnik Gmbh
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Publication date
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Priority to EP08759090A priority patent/EP2171509A1/de
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    • G02B6/4234—Passive alignment along the optical axis and active alignment perpendicular to the optical axis

Definitions

  • the invention relates to an optical connector for optical fibers and their components, a plug and a mating receptacle, and a method of manufacturing an optical connector for optical fibers.
  • laser radiation is supplied to the devices used for this purpose with the aid of optical waveguides.
  • the laser beam after its exit from the radiation source or other optical assembly coupled with a coupling device in the optical waveguide and at the site of the application, i. be decoupled in the corresponding device using a further coupling device again.
  • the laser beam runs as a free beam - i. not in an optical waveguide - and is used in corresponding applications.
  • the optical waveguide In order to keep radiation losses and aberrations as low as possible and overall the beam quality when coupled into the device as high as possible, the optical waveguide must be positioned very accurately with respect to the coupling optics. Accordingly, when the beam is coupled out, it must be introduced into the corresponding apparatus with high accuracy with respect to the direction and position of the beam propagation.
  • Such coupling devices usually connectors from male-female pairs, are internationally classified according to quality in four stages from A to D. The higher the quality, the higher is usually the effort in the production.
  • optical waveguide connector may be required, for example, to allow a simple change of the light sources - for example, the use of a laser with a different wavelength - and / or the feed points - ie, for example, the use of another device.
  • recording and adjustment mechanism are combined with focusing optics.
  • a terminator for the optical fibers which serves for coupling and decoupling of laser radiation in or from an optical fiber.
  • the end piece is connected via a socket to the housing in which the pump source is housed.
  • the end piece has one or more outer fits, which serve as reference surface (s) for the alignment of the beam. These fits are all circumferentially mounted around the terminator circumferentially.
  • the end piece is then inserted into the housing, so that it rests with the fits on the socket.
  • means are provided for adjusting the position of the optical fiber with respect to the fits at the end piece.
  • the optical fiber is aligned with respect to the cylindrical or conically shaped reference surfaces.
  • a converging lens for coupling or decoupling the radiation.
  • the Justierkugel is not only rotatably mounted, but can also be moved parallel to the optical axis of the collimator lens. This ensures that the exit surface of the optical fiber can be positioned in the focal point of the collimator lens to achieve the highest possible input or output coupling. If the adjustment is achieved, the guide sleeve or the housing can be connected to a corresponding other element, so that the beam can be used.
  • the outer surfaces of the guide sleeve serve in this case as fits, so that when inserting and separating such a compound also the problem of readjustment, as described in the case of the aforementioned document, occurs.
  • the first part of the plug which receives the fiber is designed such that, despite the fixed connection of the two plug parts, a flexible adjustment of the position of the fiber exit surface axially and radially, also by means of adjusting screws, is possible.
  • the end piece itself or the multi-part plug is in turn cylindrically shaped on its outer side, so that when disconnecting and reestablishing a connection with a device which is to use the radiation, the calibration problems already mentioned above occur. Since the Direction of Faserend Structure and lens is made via adjustments to the one-piece flexible connection, an adjustment is very expensive.
  • the essential object of the invention is to provide an optical connector that allows the user to easily separate them and reassemble them in another, however, of the components of equivalent configuration, without a re-adjustment is necessary.
  • simple and robust ways to factory-side adjustment of the components of such an optical connector in the production are created, in particular the adjustment of the fiber with respect to a lens through which the light beam enters and exits, as well as the adjustment of Unit of fiber and lens with respect to external mating surfaces.
  • the plug at least a flat, smoothed and aligned with respect to a propagation direction of a light beam contact surface for resting on at least one corresponding flat, smoothed and aligned with respect to the propagation direction of the light beam Having mating contact surface of the socket.
  • Such a plug connection has considerable advantages over the plug connections known in the prior art: the contact surfaces or mating contact surfaces known in the prior art are designed as fits and sockets with cylindrical surfaces which surround the collimated beam. Although such cylindrical surfaces provide a higher area content and thus a higher contact surface, they can not be produced with the required high accuracy, or only with extreme effort, which would allow the plug to be disconnected from the socket and replaced without re-adjustment. wherein the plug can also be replaced by an equivalent plug.
  • this problem also occurs with flat surfaces, but these can be smoothed by simple methods, so that accuracies in the flatness of 100 nm height difference and less can be achieved.
  • the contact surface is aligned with respect to a direction of propagation of a passing of the or in the plug light beam, the same is preferably true for the corresponding flat, smoothed mating contact surface of the socket.
  • the contact surface of the plug is in the connected state on the mating contact surface of the socket. For the mating contact surface, however, the evenness is the more important criterion, since this determines the support.
  • the Yukon- contact surface of the socket is necessarily aligned accordingly, unless equal at the entrance to the bushing deflection means for the beam are provided.
  • the angle which includes the light beam with the contact surface or with the counter contact surface it may also have a value of 0 °, ie that the light beam is parallel to the contact surface or mating contact surface.
  • the alignment of the beam with respect to such a parallel plane is relatively expensive.
  • a plane in which the at least one contact and the at least one mating contact surface is located preferably at right angles of 90 °.
  • the deposition of the beam is determined by the solder on the contact surface by means of the rotation method described below at a distance of one meter.
  • the at least one contact surface and the at least one mating contact surface are mechanically smoothed, preferably lapped or polished.
  • These types of mechanical smoothing are particularly suitable for producing the desired flatness with high accuracy.
  • the smoothing does not necessarily have to be mechanical, and other smoothing methods such as laser machining or electrochemical machining are conceivable and equivalently applicable as long as the required accuracy is achieved.
  • Such a plug comprises a first plug part with a holder for receiving a socket in a socket of an optical waveguide, a second plug part with a lens, means for aligning and fixing the end of the optical waveguide in the holder along a beam direction, means for aligning the lens, and a third plug part, which has the at least one contact surface, and which is connected to the first and / or second plug part.
  • connection of the respective plug parts can be positive or positive, for example, with rivets, adhesive, by welding or soldering, but preferably done with screws.
  • the non-mandatory division into three connector parts offers a number of advantages during production and adjustment.
  • the position of the socket - which can be configured, for example, as a ferrule - be pre-adjusted with the optical waveguide in the first plug part.
  • the second connector part is connected to the first and the lens aligned with respect to the socket, wherein a further fine adjustment of the light exit surface of the optical waveguide in the socket is also possible.
  • the third plug part can be attached.
  • This third plug part contains the at least one contact surface, which according to the invention is planar, smoothed and aligned with respect to the propagation direction of a light beam or is aligned during adjustment.
  • the second plug part does not necessarily have to be adjustable in the plane perpendicular to the direction of propagation of the light beam; it can even be dispensed with, since the effect can also be achieved in the manner described below.
  • the lens would then be fixed in the first connector part. With regard to the light exit surface, the lens can then be centered by means of a fit, which can be produced for example by adjustment turning. Especially with longer focal lengths, this only leads to small angle errors.
  • the pre-adjustment of the light beam with respect to the contact surface can also be done by tilting the first relative to the third plug part, e.g. by inserts between the two plug parts or by chamfering at least one of the two contact surfaces of the first and third plug part, for example by turning, milling or grinding.
  • the lens may be a single lens or equivalent and with equivalent effect an optical system of a plurality of individual lenses which may be cemented together or mounted at predetermined distances from one another in a holder, for example an achromatic lens.
  • the term "lens” is taken to mean a summary here, and of course the reversed light path in which the light beam enters the optical waveguide and thus has a light entry surface is of course also detected.
  • the multi-part design described makes it possible to perform the smoothing and alignment of the at least one contact surface only after the lens and the fiber end have been adjusted to each other and fixed. By this decoupling of the system lens-fiber on the one hand and the beam guidance of the beam on the other hand, one of the conditions for the reproducible separation and reassembly of plug and socket without re-adjustment is created.
  • At least one outer layer of the at least one contact surface consists of hardened material, preferably of a metallic alloy.
  • the metallic alloy can be hardened by surface hardening.
  • metallic alloys can be smoothed mechanically with relatively simple means, for example by lapping or polishing.
  • Other contact surfaces, for example made of hard plastic, which was smoothed with appropriate methods, are conceivable.
  • the third plug part can for example be made in one piece, so that the at least one contact surface forms a surface of this third plug part. In this case, the entire third plug part may be made of the hardened material, but it is also conceivable to subsequently harden by appropriate curing methods, for example by heating the surface layers by means of lasers.
  • hard coatings can be produced on light metal alloys by anodizing or anodizing. When using aluminum or titanium, hard oxide layers are formed.
  • the hard coat can also be created by applying an additional layer of another material of appropriate hardness. In the latter case, for example, SiO 2 or Al 2 O 3 are suitable as materials to be applied. In this case, then only the surfaces must be edited, which contain the at least one contact surface.
  • Another possibility is to provide the plug at the locations provided for the contact surfaces with corresponding inserts of a hardened or hard material. Suitable materials include, for example, in addition to the already described inserts made of hardened metal and ceramic, sapphire or quartz glass. Other, similarly hard materials can be used. If only inserts made of hardened or hard material are used, the requirements for the remaining material of the plug or the third plug part are not so high, so it can be made cheaper.
  • the plug therefore has a plurality of contact surfaces in the form of Maisyog- eat up. These contact feet only have to extend over a small area of the surface, which can serve as a contact surface or contact plane as a whole. The inserts mentioned above can then be integrated in the feet, for example.
  • the contact surface and the Gegenkon- contact surface are shifted by a sliding or rotating movement usually against each other, it can be prevented that the dirt particles settle between the surfaces. Since the two surfaces are in register, dirt particles are pushed away by the movements, they can not get between the two surfaces. Between the surfaces lying dirt particles are removed by the rotation.
  • the use of multiple, smaller contact surfaces offers the advantage of easier machining and alignment. In this case, as few as possible, for example three or four, and as small contact feet as possible should be used.
  • the properties just described of the contact surface with respect to the composition and the configuration in its shape can also be transferred to the mating contact surface of a socket according to the invention.
  • counter-contact surfaces may be provided in the form of mating contact feet, but it is important that there is a contact between the contact and mating contact surface when assembling the plug and socket until final locking. This is especially important when assembling involves a turning and / or pushing movement.
  • the socket that receives the optical waveguide can be configured as a ferrule.
  • the optical fiber with the ferrule is usually adjusted by moving in the longitudinal direction.
  • the ferrule is moved in the holder and locked in the desired position. This can be done for example by means of a locking screw.
  • a screw presses on the ferrule on the fiber, so that the light-guiding properties of the fiber can change.
  • it is also possible to produce a cohesive connection for example by gluing the ferrule to the holder.
  • a subsequent readjustment is then no longer possible.
  • the means for aligning the end of the optical waveguide therefore comprise a sleeve in which the ferrule is fixed.
  • This sleeve can be made of metal or ceramic, for example.
  • the sleeve completely surrounds the ferrule, and the sleeve is displaced with the ferrule to adjust the optical fiber. In this way, there is no abrasion on the ferrule, and the ferrule is also protected against displacements transversely to the axis of symmetry by the sleeve.
  • a collet can alternatively be used. This also protects the ferrule from abrasion and prevents displacements. The adjustment is carried out by moving the ferrule or the collet, which comprises the ferrule firmly, along the beam direction or the symmetry axis of the light wave. lenleiters.
  • the sleeve or collet can be fixed by a locking screw.
  • the walls of the collar or collet are so thick that the locking by means of one or more screws prevents the ferrule and thus the fiber from being displaced.
  • ferrule and sleeve or collet should be made of ceramic, since then also no abrasion. Adhesive compounds are also possible.
  • the plug also includes means for aligning the lens across the optical axis of the lens.
  • the alignment means allow alignment in the x-y plane. The orientation in this plane thus takes place independently of the orientation in the z direction, for which only the optical waveguide is displaced.
  • the means for aligning the lens comprise at least one spring element for non-positive connection of the second connector part with the first connector part.
  • the spring element which may be configured for example as a rubber element or as a spiral spring, but preferably designed as a membrane, the second plug part is pressed with the lens against the first plug part with the fiber and the fiber end.
  • the spring force or the contact pressure act in the z-direction, their amount is chosen so that a shift in the x-y plane by force, as it is mediated for example by adjusting screws, remains possible. However, an unwanted shift in the x-y plane under the effect of shock should be excluded.
  • the adjustment is simplified as a whole.
  • the at least one spring element is connected by one or more screws which connect the second with the first plug part, with the second plug part and presses this against the first plug part.
  • the second connector part has a clearance for alignment.
  • other equivalent fasteners can be used.
  • the screws are precisely connected via a thread with the first connector part, the corresponding holes in the second Stekkerteil are larger, so that alignment in the x-y plane is possible.
  • the at least one spring element is connected by one or more screws not with the first, but with the third plug part.
  • the third plug part is likewise connected to the first plug part, preferably by means of screws. tied - alternatively, however, the connection can also be designed so that the at least one spring element is connected to the third and the first plug part with the screws, so that a firm screw connection is formed between all three parts. Also in this case, the second connector part has sufficient clearance for alignment.
  • the plug on a Anpreß ferment which presses the spring element itself and by means of the spring element, the second plug part against the first plug part.
  • the Anpreß proteins can be screwed for example via a thread inserted into the third plug part against the spring element.
  • screws are conceivable with which the Anpreß sushi is bolted to the first connector part, the holes for the screws in the spring element and in the second connector part for the reasons mentioned above are greater than true to size.
  • first and third connector part as an integral unit to design.
  • the contact surfaces can in principle be attached to the first or second plug part, however, for a simple adjustment, it is advantageous to provide a third plug part on which the
  • the unit of the first and second plug part can be opposite the third plug part in a direction to the
  • a bushing according to the invention initially has the at least one mating contact surface already described in detail above.
  • These countercontact surfaces are preferably mechanically smoothed, can likewise be hardened or consist of a hard material, for example in the form of inserts, several mating contact surfaces in the form of mating contact feet can be provided.
  • the socket according to the invention has - especially when plug and socket are configured with respect to the optical axis substantially rotationally symmetrical with respect to their contact points parallel to the light beam - preferably a centering ring for aligning the plug and thus the light beam in a plane perpendicular to the beam direction.
  • the centering ring may, for example, have a circular fit which acts on the circumference of the plug or a housing.
  • the centering ring can be moved and fixed on the sleeve so that the parallel position of the beam can be fixed at any desired point, for example relative to external contact points by detecting the centering ring. If the plug does not have to be aligned with a subsequent optical system, but this system is aligned once on the plug, the centering ring can also be immovable, ie centering ring and socket are not movable relative to each other. This can be achieved in advance by a fixed connection, but also by manufacturing the ensemble of socket and centering ring in one piece. Also in this case, no readjustment must be performed when changing the connector.
  • a centering ring can be used to align the connector or light beam in a plane perpendicular to the beam direction, a V-bearing.
  • the plug is pressed by means of a screw or a spring element against the contact positions of the V-bearing.
  • the socket also has a spring ring with which the plug is fixed in the socket.
  • he may for example have projections on its circumference, which engage under the spring ring.
  • a circular fit is used here preferably a perforated fit, which allows insertion of the plug with subsequent rotational movement under the centering ring.
  • the spring ring may for example also be provided with projections. When screwing the plug into the socket creates a frictional connection between the projections of the plug and the spring ring. The plug is pushed into the socket.
  • the projections on the spring ring are - at least partially - designed as springs, so that when screwing the plug under the spring ring, the spring force increases and thus amplifies the contact pressure.
  • the contact pressure can be further enhanced.
  • the first or the third plug part may also include a lateral index pin, with respect to which the polarization axis of the fiber is aligned by rotation of the same about the z-axis.
  • the plug associated with the socket must then have a corresponding stop for the index pin.
  • the invention also relates to a method for producing an optical connector for optical fibers, comprising a plug and a socket, as have been described in particular above.
  • the object is achieved by (i) inserting a socketed in a socket end of an optical waveguide in a holder of a first plug part for receiving the socket, (ii) the first plug part of the plug with a second part of the plug, which comprises a lens, (iii) the distance of a light exit surface of the optical waveguide is adjusted to the lens and the optical waveguide is fixed in the first Stekkerteil, (iv) the position of the second connector part in a plane substantially perpendicular to the optical axis of the lens by displacement adjusted in this plane and locked in the adjusted position so that a predetermined angular position is set, and (v) at least one flat contact surface of the plug and at least one corresponding flat mating contact surface of the socket into which the plug is placed, by smoothing with respect to a propagation direction of a light beam be addressed.
  • Each fit has a certain play, which causes the plug with a small tilt, a Achswinkelschreib to Zylindersymmetrieachse the socket of the socket inserted and fixed in this.
  • a certain balance can be achieved by a corresponding repositioning of the lens, a complex and time-consuming procedure.
  • Even high-precision connectors only reach accuracies of 0.35 ⁇ m in with respect to the deviation from the symmetry axis of the fit, which corresponds to an angular error of 70 ⁇ rad for a guide length of 5 mm.
  • the angle errors are in this case at several 100 ⁇ rad up to a few mrad.
  • the smoothing performed on the contact and mating contact surfaces can reduce the flatness error to less than 100 nm, so that the remaining deviations from an actual flat surface are so small that it is easy to disconnect and connect the plug and socket becomes possible, whereby the high initial accuracy can be reproducibly set, without the need for a new adjustment.
  • the ensemble of frame and lens remains fixed in the once adjusted positions, even if the plug is disconnected from the socket.
  • the at least one contact surface of the plug and the at least one mating contact surface of the socket is mechanically smoothed, preferably polished, lapped, or diamond-turned. Even simple turning polishing without diamond is possible. With all methods, the required surface qualities can be achieved in a simple manner. The methods can be performed both manually and by machine. Other mechanical smoothing methods which lead to the same result are alternatively usable.
  • the method can also be used with cylindrical fits, in which case the error is not the flatness, but the deviations of the radius of the cylinder at each position on the cylindrical surfaces of the contact and mating contact surfaces is the decisive criterion. Cylindrical surfaces with such accuracy are, however, more difficult to manufacture, and checking for accuracy is much more difficult than with flat surfaces.
  • the at least one contact surface and / or the at least one mating contact surface is hardened before smoothing or covered with hardened material. This embodiment is advantageous, for example, if one surface is designed as a continuous flat surface of the two surfaces, but in the other component several smaller surfaces are provided for contact.
  • the plug may be provided with feet, wherein the foot surfaces form the contact surfaces.
  • the foot surfaces need to be hardened or coated with hardened material such as ceramic, sapphire or glass, or they are made entirely from these materials.
  • the - usually metallic - mating contact surface can also be cured.
  • the hardening of the surfaces can be done for example by anodizing or anodizing.
  • materials for this hardcoating for example, titanium or aluminum are suitable.
  • the directional vector of the light beam then has no component in the plane of the contact or mating contact surface, which facilitates alignment.
  • the quality of the smoothing of the surface is checked by means of interference measurements, as known in the art. Due to the result of the interference measurements, a planar surface within the required tolerances, ie with an error in the flatness of less than 100 nm, can be produced iteratively in a few steps.
  • the orientation with respect to the propagation direction of the light beam can be checked by plugging the plug with its at least one contact surface being processed into a reference socket with a flat mating contact surface. Then, the position of the exiting light beam can be determined and a corresponding correction can be made, so that the alignment can be adjusted iteratively in a few steps correctly.
  • the plug can be rotated on the mating contact surface about an axis perpendicular thereto; the light spot which the beam forms on the CCD array then describes a circular path around the optical axis.
  • the center of the circle corresponds exactly to the vertical position to be corrected.
  • This rotation measuring method offers a significantly higher and above all absolute accuracy compared to individual measurements.
  • resolutions of fractions of an arc second can be achieved.
  • the connector can be reassembled separately and without re-adjustment, so that the same beam position is adjusted, one adjusts the distance from the light exit surface of the optical waveguide or the fiber in the first connector part and the lens in the second connector part, the advance in the assembly of the connector usually from a single lens, a cemented or single lenses, which are mounted or fixed at predetermined intervals from each other, once at the beginning and then fixes the optical waveguide at the corresponding position.
  • the adjustment of the distance from the light exit surface and lens by means of Divergenzminimierung.
  • other methods for adjusting the distance known in the prior art can equally be used; the method of minimizing divergence has been selected by way of example.
  • the light exit surface ie the end of the optical waveguide, which can be made flat or angled flat, for example, is first positioned near the focal point of the lens and then moved along the z direction until minimal divergence is achieved. In this way, a collimated beam is generated, convergent or divergent beams can be adjusted by introducing or switching accordingly ausgestalteter Meßoptiken between plug and Divergenzmeßsystem if necessary also.
  • a subsequent adjustment of the angular position of the light beam emerging from the plug is achieved by the second plug part with the lens being displaced laterally, ie in the planes perpendicular to the optical axis of the lens. This position can be adjusted with a high precision of about 100 nm.
  • the adjustment of the angular position can also be performed in the frame or before or after the rotation measurement described above.
  • the adjustment is best when the angle of the beam to the z-axis is smallest.
  • the optical waveguide and / or the socket and / or the first plug part can be glued together, soldered or welded. A fixation of the parts to each other each with screws is one possibility.
  • the contact surfaces can in principle be attached to the first or second plug part, but for a simple adjustment it is advantageous to provide a third plug part to which the contact surfaces are attached. If the contact point at which the plug is plugged into the socket essentially has rotational symmetry with an axis of rotation parallel to the beam, the unit of first and second plug part can be displaced in relation to the third plug part in a plane perpendicular to the light beam. In this way lets see the parallel position of the beam in the middle, ie adjust with high accuracy so that the axis of rotation and optical axis coincide. Other, off-center positions are, if necessary, adjustable by adjustment. In the position set during the adjustment, the unit of first and second plug part is finally fixed.
  • an inventive plug offers the advantage that the - inevitable - manufacturing tolerances are placed so that they have as little impact on the overall behavior during use to have. This is achieved by only extremely small angular errors remain by smoothing flat surfaces, while the parallel positioning is performed on the expanded beam, so that here too the relative error is very low.
  • the position measurement is advantageously carried out again by means of the rotation method, e.g. Now the CCD camera is placed as close as possible behind the plug without any optics. Finally, by repolishing the contact surface (s) on the third plug part, the angle deviation can be further reduced to fractions of an arc second.
  • a locking of the second connector part relative to the first connector part by means of spring force.
  • the spring force is adjusted so that the arrest shocks and acceleration changes, as they may occur, for example, when changing and transporting such plug, withstood.
  • an adjustment of the lens by moving the second connector part in the plane perpendicular to the optical axis of the lens, for example by means of adjusting screws are made possible.
  • the adjusting screws used for example, can be removed later.
  • Another possibility is to use several adjustment screws or similar means and then leave them in the plug, but this is the material consuming method.
  • the spring force can be further increased even after adjustment.
  • both the light beam is aligned as described above, and the contact surface of the plug and the mating contact surface of the socket are polished and aligned, must be aligned in the connection of plug and socket, the plug in the socket, so centered at a substantially rotationally symmetrical connection so that the light beam can enter through a corresponding opening in the device in which the socket is located.
  • the light beam must be positioned so that the well-defined exit point is reached in the opening without affecting its angular position.
  • the accuracy depends on the requirements of the following optical device, typical values are about 5 ⁇ m at one Beam diameter of 700 ⁇ m. Appropriately, the radial adjustment of the plug in the socket therefore takes place by means of a centering ring and its locking.
  • the plug is thus placed in the socket, so that an alignment in a plane which is parallel to the plane in which contact and mating contact surface are possible.
  • the adjustment is made by moving the centering ring in this plane, which has a corresponding displacement of the plug with respect to the socket result.
  • the centering ring is locked on the bushing.
  • the gap between the plug and centering ring must be smaller than the permissible tolerance of the positioning, for example, less than 5 microns.
  • the centering ring has two radial contact points at an angle of, for example, 90 ° to each other, against which the plug is pressed, whereby errors are excluded by a gap.
  • the plug is then finally locked by another device, such as a spring ring in the socket or the centering ring.
  • the process steps do not necessarily have to be carried out in the specified order. It is also possible to carry out the alignment of the contact and mating contact surfaces in two steps, for example, to perform a first Planpolitur, then put the plug in the socket and make an adjustment of the lens using the rotation method described above and then a second fine polishing final alignment of the beam perpendicular to these surfaces with an accuracy of about 2 ⁇ rad.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through an optical connector, consisting of plug and socket
  • Figure 2 shows a longitudinal section through the plug, which is rotated relative to the longitudinal section of Figure 1 by 45 °
  • the plug 1 shows an inventive plug 1 is shown on a socket 2 according to the invention.
  • the plug 1 consists of a first plug part 3, a second plug part 4, and a third plug part 5.
  • the first plug part 3 and the third plug part 5 are enclosed by a housing 6.
  • the first connector part 3 has a tilted with respect to the axis of symmetry bore, which serves as a holder for the rimmed in a ferrule 7 optical fiber.
  • the optical fiber 7 is enclosed by a sleeve 8 and held. To adjust the optical fiber 7 along its axis of symmetry, the sleeve 8 is moved in the holder.
  • the adjustment should be made so that the focal point of a lens 9, which is designed here as a collimator, on the exit surface 10 of the optical fiber 7 as possible in the center and a collimated beam is generated.
  • a lens 9 which is designed here as a collimator
  • the optical fiber 7 shown in Fig. 1 is an optical waveguide of the type AFC (angled flat connector), wherein the light exit surface 10 is at an angle to the axis of symmetry of the optical fiber 7 or beam direction to reflect back into the laser or the optical system to prevent. Due to the refraction of light at the light exit surface 10, therefore, the position of the optical fiber 7 is slightly tilted relative to the optical axis of the lens 9 and the connection between the plug 1 and socket 2.
  • the first plug part 3 also has an opening 11.
  • a screw not shown here can be sunk, with the position of the sleeve 8 with respect to the first Stek- kerk part 3 can be fixed and locked.
  • the housing 6 may be designed so that it covers the opening 11 in the assembled state.
  • the lens 9 is held in the second connector part 4.
  • the second plug part 4 rests with its one side on the first plug part 3.
  • the second plug part 4 has a circular contact surface 12, on which a likewise round membrane 13 rests.
  • the membrane 13 has in its center an opening from which the light beam collimated through the lens 9 emerges.
  • the second plug part 4 is connected to the first plug part 3.
  • the second plug part 4 has holes 15 through which the screws 14 are inserted.
  • the diameter of the holes 15 is greater than the thread diameter of the screws, so that the second plug part 4 relative to the screws 14 game has.
  • the screws 14 also connect the membrane 13 with the second connector part 4. Since the membrane 13 rests only on the contact surfaces 12 on the second connector part 4, by the screws 14 ultimately a frictional connection between the first connector part 3 and second connector part
  • the screws 14 can be tightened so tightly that an arbitrary displacement of the second connector part 4 relative to the first connector part 3 along the contact surface, the xy plane is possible by means of adjusting screws, an involuntary displacement by slight shocks, however, is prevented.
  • the third plug part 5 can already be placed and connected to the first plug part.
  • the adjustment screws can then be performed for example through openings 16. Later, these openings 16 can be used to connect the housing 6 to the third plug part 5.
  • the adjustment of the lens 9 with respect to the light exit surface 10, i. along the z-axis, is preferably carried out by means of divergence minimization, for example in a plug simulator. It is of course also possible, the position of the light exit surface 10 by moving the
  • Plane is preferably carried out in the course of a rotation measurement, in which the position of the z
  • Axis is determined and then the shelf to the z-axis is minimized. It does not have to coincide with the desired optical axis at this stage.
  • the third plug part 5 is then connected to the first plug part 3 and surrounds the second plug part 4.
  • the connection of the first plug part 3 and third plug part 5 can be produced, for example, by means of screws 17, as shown in FIG.
  • the section through the plug shown in Figure 2 is rotated relative to the section shown in Figure 1 by 45 °
  • the second plug part 4 is designed cloverleaf-shaped
  • the third plug part 5 has the shape of a hollow cloverleaf. In this way, it is possible to connect the second and third plug part 4 and 5, each independently with the first plug part 3. This is particularly advantageous for the adjustment and the alignment with respect to the direction and position of the collimated light beam.
  • contact feet 18 On the sleeve 2 side facing the third connector part 5 are contact feet 18 with contact surfaces 19. Overall, at least three such contact feet 18 must be provided to allow a secure support and precise smoothing.
  • the contact surfaces 19 can - as shown here by way of example - consist of the same material as the contact feet 18 and the third plug part 5, wherein the contact surfaces 19 are then preferably cured. Alternatively, inserts of hard material such as ceramic or quartz glass can be provided.
  • the plane in which the contact surfaces 19 are formed forms a right angle with the optical axis of the lens 9, which corresponds to the light propagation direction. This allows a particularly simple alignment of the surfaces with respect to the optical axis, since in the aligned state the light propagation direction has no in-plane component. After assembly of the plug 1 - with or without housing 6 - the contact surfaces 19 are aligned by means of mechanical smoothing, for example by polishing or lapping.
  • the socket 2 After alignment of the contact surfaces 19 of the plug 1 is set in the socket 2, as indicated in Figure 1.
  • the socket 2 has a mating contact surface 20 in the present example.
  • the mating contact surface 20 as well as the contact surfaces 19 are polished or lapped.
  • the mating contact surface 20 is aligned with respect to the propagation direction of the collimated light beam perpendicular to this, so that a light beam highest position accuracy is coupled into the adjoining the socket 2 application optics.
  • the contact surfaces 19 of the plug 1 should be within the required accuracy in a plane perpendicular to the light propagation direction. This allows replacement with other connectors manufactured with the same precision. A new adjustment on the part of the application optics with respect to the beam direction when changing the plug is not necessary.
  • the plug 1 has projections 22 on its circumference.
  • the socket 2 has a centering ring 24 which can be moved and fixed on the socket 2 or mating contact surface 20 within a predetermined game.
  • the plug 1 is placed in the centering ring 24.
  • the projections 22 of the plug 1 are then substantially in registration on the inside of the socket 2.
  • the inside is configured in a precise fit only in a small, annular area 23, this reduces frictional resistance and tilting of the plug 1 in the socket 2.
  • An alignment of the beam in the plane of the mating contact surface 20 is now possible by means of the centering ring 24 with not shown screws on the socket 2 is attached.
  • the parallel position of the beam at each desired point can be fixed by fixing the centering ring 24.
  • the beam can be centered with an accuracy of about 5 ⁇ m.
  • a spring ring 28 is also provided. This is fastened with screws 25 on the centering ring 24.
  • the spring ring has projections 26. A simple loosening and restoring the connection between the plug 1 and socket 2 is made possible by the projections 26 are also correspondingly fit on the projections 22 in recesses 27 on the plug 1, wherein the projections 26 are preferably designed as springs on the Plug 1 at its projections 22 in the recesses 27 exert a force and press into the socket 2. If the projections 26 and 22 attached only at selected locations of the circumference of the plug 1 and the socket 2, so can a non-positive connection between the plug 1 and socket 2 are made after insertion of the plug 1 with subsequent rotation.
  • FIG. 3 An alternative embodiment of a plug 1 is shown in Fig. 3 in a longitudinal section.
  • the membrane 13 is connected here by one or more screws 29 not with the first plug part 3, but with the third plug part 30.
  • the third plug part 30 is - not shown in the drawing - similarly as shown in Fig. 2 also connected to the first Stekkerteil 3, preferably by screws - alternatively, the compound can also be designed so that with the screws 29 the Membrane 13 is connected to the third plug part 30 and the first plug part 3, so that between all three parts 3, 13, 30, a fixed screw connection is formed.
  • the second connector part 31 has sufficient clearance for alignment.
  • the plug 1 also includes a Anpreß composition 32, which presses the membrane 13 and mediates through the membrane 13, the second plug part 31 against the first plug part 3.
  • the Anpreß proteins 32 can be screwed for example via a thread inserted into the third plug part 30 against the membrane 13.
  • screws 33 are conceivable with which the Anpreß sushi 32 is screwed to the first plug part 3, wherein the holes for the screws 33 in the membrane 13 and the second plug part 31 are greater than true to fit to allow an adjustment of the second connector part with the optical element even with slightly strained diaphragm 13.
  • the invention described above enables a user to assemble plug 1 of the type according to the invention with sockets 2 of the type according to the invention as often as desired. zen, again to separate and put together again, without a re-adjustment would be necessary if connector 1 and / or socket 2 are replaced.
  • the light source by simply changing the plug - in which the light coming from the light source ends - be replaced without a re-adjustment would be necessary ,
  • the required effort in the production of such connectors is relatively low, since essentially only flat surfaces, but these must be made with high accuracy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Steckverbindung für Lichtwellenleiter mit einem Stecker (1) sowie einer dazu passenden Buchse (2), und umfaßt auch ein Verfahren zur Justierung der Steckverbindung. Bei einer solchen Steckverbindung weist der Stecker (1) mindestens eine ebene, geglättete und in bezug auf eine Ausbreitungsrichtung eines aus dem oder in den Stecker (1) tretenden Lichtstrahls ausgerichtete Kontaktflache (19) zur Auflage auf einer entsprechenden, ebenen, geglätteten und in bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls ausgerichteten Gegenkontaktfläche (20) der Buchse (2) aufweist.

Description

ütei
Optische Steckverbindung für Lichtwellenleiter
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine optische Steckverbindung für Lichtwellenleiter und ihre Komponenten, einen Stecker und einer dazu passenden Buchse, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Steckverbindung für Lichtwellenleiter.
Zahlreiche Anwendungen beruhen auf der Verwendung von Laserstrahlen, beispielsweise medizi- nische Operationsmethoden, Materialuntersuchungen und -bearbeitung, oder auch die Untersuchung und Manipulation biologischer Proben, wie beispielsweise im Rahmen der Laser-Scanning- Mikroskopie. Bei vielen dieser Anwendungen wird den dazu verwendeten Geräten Laserstrahlung mit Hilfe von Lichtwellenleitern zugeführt. Dazu muß der Laserstrahl nach seinem Austritt aus der Strahlungsquelle bzw. einer anderen optischen Baugruppe mit einer Kopplungsvorrichtung in den Lichtwellenleiter eingekoppelt und am Ort der Anwendung, d.h. im entsprechenden Gerät mit Hilfe einer weiteren Kopplungsvorrichtung wieder ausgekoppelt werden. Im Gerät läuft der Laserstrahl als freier Strahl - d.h. nicht in einem Lichtwellenleiter -weiter und wird in entsprechenden Anwendungen genutzt. Um Strahlungsverluste und Abbildungsfehler möglichst gering und insgesamt die Strahlqualität bei der Einkopplung in das Gerät möglichst hoch zu halten, muß der Lichtwellenleiter sehr genau in bezug auf die Einkopplungsoptik positioniert werden. Entsprechend muß bei der Auskopplung des Strahls dieser mit hoher Genauigkeit bezüglich der Richtung und der Lage der Strahlpropagation in das entsprechende Gerät eingeführt werden. Solche Kopplungsvorrichtungen, in der Regel Steckverbindungen aus Stecker-Buchsen-Paaren, werden international je nach Qualität in vier Stufen von A bis D eingeteilt. Je höher die Qualität, desto höher ist in der Regel auch der Aufwand bei der Herstellung.
Allen im Stand der Technik bekannten Einkopplungsvorrichtungen gemeinsames Merkmal ist, daß bei der Trennung und anschließenden Wiederherstellung einer solchen Lichtwellenleiter- Verbindung zumindest in den Fallen, wo der Lichtwellenleiter an ein anderes Gerät gesteckt wird oder am selben Gerät ein anderer Lichtwellenleiter auch des gleichen Typs fixiert wird, regelmäßig aufwendige Nachjustierungen notwendig sind, wenn nicht erhebliche Leistungs- und Qualitätseinbußen des übertragenden Lichts oder Strahldejustierungen im Gerät in Kauf genommen werden sollen. Eine solche Trennung der Lichtwellenleiter-Steckverbindung kann beispielsweise erforderlich sein, um einen einfachen Wechsel der Lichtquellen - beispielsweise die Verwendung eines Lasers mit anderer Wellenlänge - und/oder auch der Zuführungspunkte - d.h. beispielsweise der Verwendung an einem anderen Gerät - zu ermöglichen. Im Stand der Technik existieren verschiedenen Produkte, bei denen Aufnahme- und Justiermechanik mit Fokussieroptiken kombiniert sind. Mit verschiedenen Wirkprinzipien und Justierstrategien werden die notwendigen, maximal bis zu sechs Freiheitsgrade eingestellt. Alle im Stand der Technik bekannten Lösungen erfordern jedoch einen hohen Justieraufwand, der bei der Integration in ein entsprechendes Gerät in der Regel von geschultem Servicepersonal vor Ort durchgeführt werden muß. Dennoch ist die Kopplung anschließend meistens nicht so fixiert, daß eine langanhaltende Stabilität der Qualität der Strah- lungseinkopplung bzw. -auskopplung erreicht wird.
So wird beispielsweise in der DE 198 40 935 B4 ein Abschlußstück für die Lichtleitfasern beschrieben, welches zum Ein- und Auskoppeln von Laserstrahlung in eine bzw. aus einer Lichtleitfaser dient. Wie in Fig.11 der genannten Schrift gezeigt, wird das Abschlußstück über eine Fassung mit dem Gehäuse verbunden, in dem die Pumpquelle untergebracht ist. Das Abschlußstück weist eine oder mehrere äußere Passungen auf, die als Referenzfläche(n) für die Ausrichtung des Strahlenbündels dient bzw. dienen. Diese Passungen sind sämtlich am Umfang um das Abschlußstück umlaufend angebracht. Das Abschlußstück wird dann in das Gehäuse gesteckt, so daß es mit den Passungen an der Fassung anliegt. Weiterhin sind bei dem Abschlußstück Mittel zum Justieren der Lage der Lichtleitfaser in bezug auf die Passungen vorgesehen. Mit diesen Justiermitteln, beispielsweise Schrauben, wird die Lichtleitfaser in bezug auf die zylindrisch oder konisch geformten Referenzflächen ausgerichtet. Am vorderen Ende des Abschlußstücks sitzt eine Sammellinse zum Ein- oder Auskoppeln der Strahlung. Wird das Abschlußstück vom Gehäuse getrennt und in ein anderes Gehäuse gleicher Bauart eingesetzt, so bleibt zwar die Justierung der Lichtleitfaser in bezug auf die Passungen erhalten, eine weitere Schwierigkeit besteht jedoch darin, die Passungen korrekt in die Fassung des Gehäuses zu setzen, so daß die Ausrichtung des Abschlußstücks im Gehäuse optimal ist. Da die Referenzflächen bzw. Passungen und Fassungen zylindrisch oder konisch geformt sind, führen die bei der Fertigung notwendigen und nicht vermeidbaren Toleranzen dazu, daß beim einfachen Einsetzen des Abschlußstücks in das Gehäuse die Symmetrieach- sen von Abschlußstück und Gehäuse in der Regel einen kleinen Winkel zueinander bilden. Auch wenn die Abweichungen sehr klein sind, führt dies zu Qualitätseinbußen. Eine exakt parallele Ausrichtung ist zwar in der Regel möglich, erfordert aber viel Zeit und Fingerspitzengefühl. Eine andere Vorrichtung zur Justierung einer Lichtleitfaser ist in der DE 32 38 049 C1 beschrieben. Hier wird ein Gehäuse beschrieben, welches ein Fokussierelement - wie eine Kollimatorlinse - enthält, wobei die Justiervorrichtung im wesentlichen aus einer Justierkugel mit einer durchgehen- den Bohrung besteht, die die Lichtleitfaser aufnimmt. Die Justierkugel ist nicht nur drehbar gelagert, sondern kann auch parallel zur optischen Achse der Kollimatorlinse verschoben werden. Damit wird erreicht, daß die Austrittsfläche der Lichtleitfaser im Brennpunkt der Kollimatorlinse positioniert werden kann, um eine möglichst hohe Ein- bzw. Auskopplung zu erreichen. Ist die Justierung erreicht, so kann die Führungshülse bzw. das Gehäuse mit einem entsprechenden anderen Element verbunden werden, so daß der Strahl genutzt werden kann. Die Außenflächen der Führungshülse dienen in diesem Fall als Passungen, so daß beim Einsetzen und Trennen einer solchen Verbindung ebenfalls das Problem der erneuten Justierung, wie im Falle der vorangehend genannten Schrift geschildert, auftritt.
Das gleiche Problem tritt auch bei den in der US 6,796,720 B2 beschriebenen Abschlußstück auf: Eine optische Faser wird in eine Ferrule gesteckt, diese Ferrule wird in das Abschlußstück gesteckt und dort mittels Justierschrauben axial und radial in bezug auf eine Kollimatorlinse ausgerichtet, die am vorderen Ende des Abschlußstücks angebracht ist. Das an seiner Außenseite zylindrisch geformte Abschlußstück selbst kann dann wieder in eine entsprechende Fassung gesteckt werden.
Eine andere Anordnung, mit der eine möglichst effiziente optische Einkopplung bzw. Auskopplung von Strahlung erreicht werden soll, ist in der US 6,925,234 B2 beschrieben. Während bei den bisher beschriebenen Anordnungen Faser und Linse in ein und demselben Abschlußstück angeordnet waren, wird in der genannten Schrift eine hohe Flexibilität bezüglich der Justierung von Faser und Linse zueinander erreicht, indem das Abschlußstück mehrteilig ausgefertigt ist. In einem ersten Teil des Steckers wird die Faser in einer Ferrule fixiert, die Linse ist in einem zweiten Teil des Steckers fest angeordnet. Erster und zweiter Teil des Steckers können nun verbunden werden, beispielsweise mittels Schrauben. Der erste Teil des Steckers, der die Faser aufnimmt ist dabei jedoch so ausgestaltet, daß trotz der festen Verbindung beider Steckerteile eine flexible Einstellung der Posi- tion der Faseraustrittsfläche axial und radial, ebenfalls mittels Justierschrauben, möglich ist. Dies wird möglich dadurch, daß auch der erste Steckerteil, obwohl einstückig, quasi aus zwei Teilen besteht, wobei zwischen den beiden Teilen soviel Material weggenommen wird, daß eine flexible Verbindung nach Art eines Festkörpergelenks übrig bleibt. Das Abschlußstück selbst bzw. der mehrteilige Stecker ist an seiner Außenseite wiederum zylindrisch geformt, so daß bei einer Tren- nung und Wiederherstellung einer Verbindung mit einem Gerät, welches die Strahlung verwenden soll, die oben bereits angesprochenen Probleme bezüglich der Justierung auftreten. Da die Aus- richtung von Faserendfläche und Linse über Verstellungen an der einstückigen flexiblen Verbindung vorgenommen wird, ist eine Justierung sehr aufwendig.
Beschreibung der Erfindung
Die wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine optische Steckverbindung zu schaffen, die es dem Anwender erlaubt, sie auf einfache Weise zu trennen und in anderer, von den Bauteilen her jedoch äquivalenter Konfiguration wieder zusammenzusetzen, ohne daß eine erneute Justierung notwendig ist. Darüber hinaus sollen einfache und robuste Möglichkeiten zur werks- seitigen Justierung der Komponenten einer solchen optischen Steckverbindung bei der Herstellung geschaffen werden, insbesondere die Justierung der Faser in bezug auf eine Linse, durch die der Lichtstrahl ein- bzw. austritt, als auch die Justierung der Einheit aus Faser und Linse in bezug auf externe Paßflächen betreffend.
Diese Aufgabe wird bei einer optischen Steckverbindung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der Stecker mindestens eine ebene, geglättete und in bezug auf eine Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls ausgerichtete Kontaktfläche zur Auflage auf mindestens einer entsprechenden ebenen, geglätteten und in bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls ausgerichteten Gegenkontaktfläche der Buchse aufweist.
Eine solche Steckverbindung weist gegenüber dem im Stand der Technik bekannten Steckverbindungen erhebliche Vorteile auf: So sind die im Stand der Technik bekannten Kontaktflächen bzw. Gegenkontaktflächen als Passungen und Fassungen mit zylindrischem Flächen ausgestaltet, die den kollimierten Strahl umschließen. Solche zylindrischen Flächen bieten zwar einen höheren FIa- cheninhalt und damit eine höhere Auflagefläche, sind jedoch nicht oder nur mit extremem Aufwand mit der erforderlichen hohen Genauigkeit herstellbar, die es ermöglichen würde, den Stecker von der Buchse zu trennen und ohne erneute Justage wieder einzusetzen, wobei der Stecker auch durch einen äquivalenten Stecker ersetzt werden kann.
Grundsätzlich tritt dieses Problem auch bei ebenen Flächen auf, diese können jedoch mittels einfacher Methoden geglättet werden, so daß Genauigkeiten in der Ebenheit von 100 nm Höhendifferenz und weniger erreicht werden können. Die Kontaktfläche ist dabei in bezug auf eine Ausbreitungsrichtung eines aus dem oder in dem Stecker tretenden Lichtstrahls ausgerichtet, gleiches gilt vorzugsweise auch für die entsprechende ebene, geglättete Gegenkontaktfläche der Buchse. Die Kontaktfläche des Steckers liegt im verbundenen Zustand auf der Gegenkontaktfläche der Buchse auf. Bei der Gegenkontaktfläche ist jedoch die Ebenheit das wichtigere Kriterium, da diese die Auflage bestimmt. Ist also die Kontaktflache in einem gewissen Winkel in bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls, der beispielsweise kollimiert aus dem Stecker tritt, ausgerichtet, so ist die Gegenkon- taktfläche der Buchse zwangsläufig entsprechend ausgerichtet, sofern nicht gleich beim Eintritt in die Buchse Umlenkmittel für den Strahl vorgesehen sind. Der Winkel, den der Lichtstrahl mit der Kontaktfläche bzw. mit der Gegen kontaktfläche einschließt, kann dabei auch einen Wert von 0° haben, d.h. daß der Lichtstrahl parallel zur Kontaktfläche oder Gegenkontaktfläche verläuft. Entsprechende Stecker und Buchsen, in die der Stecker beispielsweise einfach eingeschoben wird, sind für solche Ausgestaltungen denkbar.
Die Ausrichtung des Strahls in bezug auf eine solche parallele Ebene ist jedoch relativ aufwendig. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung schneidet daher der Lichtstrahl, eine Ebene, in der die mindestens eine Kontakt- und die mindestens eine Gegenkontaktfläche liegt; bevorzugt im rechten Winkel von 90°. Selbstverständlich sind auch alle anderen Winkel zwischen 0° und 90° möglich, bei senkrechtem Schnitt läßt sich jedoch die Konstruktion einfach ausführen, zudem ist eine leichte Überprüfung der Ausrichtung der Fläche in bezug auf den Strahl möglich. Hierzu wird beispielsweise die Ablage des Strahls vom Lot auf der Kontaktfläche mittels der weiter unten beschriebenen Rotationsmethode in einer Entfernung von einem Meter bestimmt. Daraus läßt sich unmittelbar ablesen, an welchen Stellen der Kontaktfläche noch Korrekturen notwendig sind, und in welchem Maße sie notwendig sind, um die erforderliche Ebenheit und Ausrichtung zu erreichen. Bei schrägem Lichteinfall oder gar parallelem Strahl ist dies schwieriger, da die Richtung des Lichts immer eine Komponente in der Ebene aufweist, so daß der Bereich, in dem korrigiert werden muß, nicht unmittelbar ersichtlich ist. Dies gilt insbesondere bei sehr kleinen Winkeln und einem Strahl parallel zur Ebene.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die mindestens eine Kontaktfläche und die mindestens eine Gegenkontaktfläche mechanisch geglättet, bevorzugt geläppt oder poliert. Diese Arten der mechanischen Glättung sind besonders geeignet, die gewünschte Ebenheit mit hoher Genauigkeit herzustellen. Allerdings muß die Glättung nicht notwendigerweise mechanisch erfolgen, auch andere Glättungsverfahren wie die Bearbeitung mit einem Laser oder elektrochemische Bearbeitung sind denkbar und äquivalent einsetzbar, sofern die erforderliche Genauigkeit erreicht wird.
Während die oben beschriebenen Eigenschaften wesentlich für das Funktionieren der erfindungs- gemäßen optischen Steckverbindungen sind, unabhängig von einer spezifischen Form eines Stekkers oder einer Buchse, so betrifft die Erfindung auch einen Stecker und eine Buchse, die für die Verwendung in der erfindungsgemäßen optischen Steckverbindung besonders geeignet sind. Ein solcher Stecker umfaßt ein erstes Steckerteil mit einer Halterung zur Aufnahme eines in eine Fassung eingefaßten Endes eines Lichtwellenleiters, ein zweites Steckerteil mit einer Linse, Mittel zur Ausrichtung und Fixierung des Endes des Lichtwellenleiters in der Halterung entlang einer Strahlrichtung, Mittel zur Ausrichtung der Linse, sowie ein drittes Steckerteil, welches die mindestens eine Kontaktfläche aufweist, und welches mit dem ersten und/oder zweiten Steckerteil verbunden ist. Die Verbindung der jeweiligen Steckerteile kann kraft- oder formschlüssig, beispielsweise mit Nieten, Klebstoff, durch Schweißen oder Löten, bevorzugt aber mit Schrauben erfolgen. Die - nicht zwingende - Aufteilung in drei Steckerteile bietet bei der Fertigung und Justierung eini- ge Vorteile. So kann zunächst die Lage der Fassung - die beispielsweise als Ferrule ausgestaltet sein kann - mit dem Lichtwellenleiter im ersten Steckerteil vorjustiert werden. Anschließend wird das zweite Steckerteil mit dem ersten verbunden und die Linse in bezug auf die Fassung ausgerichtet, wobei eine weitere Feineinstellung der Lichtaustrittsfläche des Lichtwellenleiters in der Fassung ebenfalls möglich ist. Sind Linse und Faserende justiert, so kann das dritte Steckerteil aufge- setzt werden. Dieses dritte Steckerteil enthält die mindestens eine Kontaktfläche, die entsprechend der Erfindung eben, geglättet und in bezug auf die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls ausgerichtet ist bzw. beim Justieren ausgerichtet wird.
Ebenso und von einem Fachmann gleichermaßen in Betracht gezogen muß nicht notwendigerwei- se das zweite Steckerteil in der zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls senkrechten Ebene justierbar sein, es kann sogar ganz entfallen, da sich die Wirkung auch auf die folgend beschriebene Weise erzielen läßt. Die Linse wäre dann im ersten Steckerteil zu fixieren. In bezug auf die Lichtaustrittsfläche läßt sich die Linse dann mittels einer Passung zentrieren, die beispielsweise durch Justierdrehen hergestellt werden kann. Insbesondere bei längeren Brennweiten führt dies nur zu geringen Winkelfehlern. Die Vorjustierung des Lichtstrahls bezüglich der Kontaktfläche kann auch durch Verkippung des ersten gegenüber dem dritten Steckerteil erfolgen, z.B. durch Beilagen zwischen beiden Steckerteilen oder durch Abschrägen mindestens einer der beiden Berührungsflächen von erstem und drittem Steckerteil, beispielsweise durch Drehen, Fräsen oder Schleifen.
Bei der Linse kann es sich um eine Einzellinse oder äquivalent und mit gleicher Wirkung um ein optisches System aus mehreren Einzellinsen, die zusammengekittet oder in vorgegebenen Abständen voneinander in einer Halterung montiert sein können, handeln, beispielsweise um einen Achromaten. Der Einfachheit halber wird hier zusammenfassend der Begriff „Linse" gewählt. Selbstverständlich und gleichermaßen erfaßt ist auch der umgekehrte Lichtweg, in dem der Licht- strahl in den Lichtwellenleiter eintritt, dieser also eine Lichteintrittsfläche aufweist. Durch die beschriebene mehrteilige Bauweise ist es möglich, die Glättung und Ausrichtung der mindestens einen Kontaktfläche erst dann durchzuführen, nachdem Linse und Faserende zueinander justiert und fixiert sind. Durch diese Entkopplung vom System Linse-Faser einerseits und der Strahlführung des Strahls andererseits wird eine der Voraussetzungen für die reproduzierbare Trennung und Wiederzusammensetzung von Stecker und Buchse ohne erneute Justierung geschaffen.
Dabei ist es von Vorteil, wenn zumindest eine äußere Schicht der mindestens einen Kontaktfläche aus gehärtetem Material, vorzugsweise aus einer metallischen Legierung besteht. Die metallische Legierung kann durch Oberflächenhärtung gehärtet werden. Insbesondere metallische Legierungen lassen sich mit relativ einfachen Mitteln mechanisch glätten, beispielsweise durch Läppen oder Polieren. Auch andere Kontaktflächen, beispielsweise aus hartem Plastik, welches mit entsprechenden Methoden geglättet wurde, sind denkbar. Das dritte Steckerteil kann beispielsweise einstückig gefertigt sein, so daß die mindestens eine Kontaktfläche eine Oberfläche dieses dritten Steckerteils bildet. Dabei kann das gesamte dritte Steckerteil aus dem gehärteten Material gefertigt sein, denkbar ist jedoch auch eine nachträgliche Härtung durch entsprechende Härtungsverfahren, beispielsweise durch Erwärmung der Oberflächenschichten mittels Lasern. Ebenso können Hartschichten auf Leichtmetallegierungen durch Anodisieren bzw. Eloxieren erzeugt werden. Bei Verwendung von Aluminium oder Titan werden dabei harte Oxidschichten gebildet. Die harte Schicht kann auch durch Aufbringen einer zusätzlichen Schicht aus einem anderen Material mit entsprechender Härte erzeugt werden. Im letzteren Fall eignen sich beispielsweise SiO2 oder AI2O3 als aufzubringende Materialien. Dabei müssen dann nur die Oberflächen bearbeitet werden, die die mindestens eine Kontaktfläche enthalten. Eine andere Möglichkeit besteht auch darin, den Stecker an den Stellen, die für die Kontaktflächen vorgesehen sind, mit entsprechenden Einsätzen aus einem gehärteten oder harten Material zu versehen. Als Materialien eignen sich beispielsweise neben den schon beschriebenen Einsätzen aus gehärtetem Metall auch Keramik, Saphir oder Quarzglas. Auch andere, ähnlich harte Materialien lassen sich verwenden. Werden nur Einsätze aus gehärtetem oder hartem Material verwendet, so sind die Anforderungen an das übrige Material des Steckers bzw. des dritten Steckerteils nicht so hoch, es kann also preiswerter gefertigt werden.
Am einfachsten ist es, Kontaktfläche - und auch die entsprechende Gegenkontaktfläche an der Buchse - als eine zusammenhängende Fläche auszugestalten. Sind diese Flächen nicht zu groß, so läßt sich die erforderliche Ebenheit von weniger 100 nm Höhendifferenz mit relativ geringem Aufwand erreichen. Lagern sich jedoch Verunreinigungen auf einer der Flächen ab, so werden beim Zusammensetzen der Verbindungen Schmutzpartikel zwischen den beiden Flächen eingeschlossen. Dies kann zu einer spürbaren Dejustierung führen. In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Stecker daher mehrere Kontaktflächen in Form von Kontaktfü- ßen auf. Diese Kontaktfüße müssen sich nur über eine kleinen Bereich der Fläche erstrecken, die insgesamt als Kontaktflache bzw. Kontaktebene dienen kann. Die weiter oben genannten Einsätze können dann beispielsweise in die Füße integriert sein. Da beim Zusammensetzen von Stecker und Buchse und der Arretierung des Steckers in der Buchse die Kontaktfläche und die Gegenkon- taktfläche in der Regel durch eine schiebende oder drehende Bewegung gegeneinander verschoben werden, kann verhindert werden, daß sich die Schmutzpartikel zwischen den Flächen festsetzen. Da die beiden Flächen paßgenau aufeinander liegen, werden Schmutzpartikel durch die Bewegungen weggeschoben, sie können nicht zwischen die beiden Flächen gelangen. Zwischen den Flächen liegende Schmutzpartikel werden durch die Drehung entfernt. Zusätzlich bietet die Ver- wendung von mehreren, kleineren Kontaktflächen den Vorteil einer einfacheren Bearbeitung und Ausrichtung. Dabei sollten so wenig - beispielsweise drei oder vier - und so kleine Kontaktfüße wie möglich verwendet werden.
Die eben ausgeführten Eigenschaften der Kontaktfläche bezüglich der Zusammensetzung sowie der Ausgestaltung in ihrer Form lassen sich auch auf die Gegenkontaktfläche einer erfindungsgemäßen Buchse übertragen. Auch hier können Gegenkontaktflächen in Form von Gegenkontaktfü- ßen vorgesehen sein, wichtig ist jedoch, daß beim Zusammensetzen von Stecker und Buchse bis zur endgültigen Arretierung jeweils ein Kontakt zwischen Kontakt- und Gegenkontaktfläche besteht. Dies ist insbesondere dann zu beachten, wenn das Zusammensetzen eine Dreh- und/oder Schubbewegung beinhaltet.
Die Fassung, die den Lichtwellenleiter aufnimmt, kann beispielsweise als Ferrule ausgestaltet sein. Der Lichtwellenleiter mit der Ferrule wird üblicherweise durch Verschieben in Längsrichtung justiert. Die Ferrule wird dabei in der Halterung verschoben und in der gewünschten Position arre- tiert. Dies kann beispielsweise mittels einer Arretierungsschraube geschehen. Eine solche Schraube drückt jedoch über die Ferrule auf die Faser, so daß sich die Lichtleiteigenschaften der Faser ändern können. Statt einer Schraube oder äquivalenten Mitteln kann man auch eine stoffschlüssige Verbindung herstellen, beispielsweise die Ferrule mit der Halterung verkleben. Eine anschließende Nachjustierung ist jedoch dann nicht mehr möglich. Vorteilhaft umfassen die Mittel zur Ausrichtung des Endes des Lichtwellenleiters daher eine Manschette, in der die Ferrule fixiert ist. Diese Manschette kann beispielsweise aus Metall oder Keramik sein. Die Manschette umgibt die Ferrule vollständig, und zur Justierung des Lichtwellenleiters wird die Manschette mit der Ferrule verschoben. Auf diese Weise entsteht an der Ferrule kein Abrieb, durch die Manschette ist die Ferrule zudem gegen Verdrückungen quer zur Symmetrieachse geschützt. Statt einer Manschette kann alternativ auch eine Spannzange verwendet werden. Diese schützt ebenfalls die Ferrule vor Abrieb und verhindert Verdrückungen. Die Justierung erfolgt durch Verschieben der Ferrule bzw. der Spannzange, die die Ferrule fest umfaßt, entlang der Strahlrichtung bzw. der Symmetrieachse des Lichtwel- lenleiters. Nach erfolgter Ausrichtung kann die Manschette bzw. Spannzange durch eine Arretierungsschraube fixiert werden. Die Wandungen von Manschette bzw. Spannzange sind dabei so dick, daß durch die Arretierung mittels einer oder mehreren Schrauben eine Verdrückung der Fer- rule und damit der Faser verhindert wird. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, die Manschette oder Spannzange so zu gestalten, daß die Ferrule innerhalb der Manschette oder Spannzange verschoben werden kann, bevor die Arretierung erfolgt. Vorzugsweise sollten Ferrule und Manschette bzw. Spannzange aus Keramik gefertigt sein, da dann ebenfalls kein Abrieb entsteht. Auch adhäsive Verbindungen sind möglich.
Der Stecker umfaßt schließlich auch Mittel zur Ausrichtung der Linse quer zur optischen Achse der Linse. Wird die optische Achse der Linse mit z bezeichnet, so ermöglichen die Ausrichtungsmittel die Ausrichtung in der x-y-Ebene. Die Ausrichtung in dieser Ebene erfolgt somit unabhängig von der Ausrichtung in z-Richtung, für die ausschließlich der Lichtwellenleiter verschoben wird. Bevorzugt umfassen die Mittel zur Ausrichtung der Linse mindestens ein Federelement zur kraftschlüssi- gen Verbindung des zweiten Steckerteils mit dem ersten Steckerteil. Durch das Federelement, welches beispielsweise als Gummielement oder als Spiralfeder ausgestaltet sein kann, bevorzugt jedoch als Membran ausgestaltet ist, wird das zweite Steckerteil mit der Linse gegen das erste Steckerteil mit der Faser und dem Faserende gedrückt. Die Federkraft bzw. der Anpreßdruck wirken dabei in z-Richtung, ihr Betrag wird so gewählt, daß eine Verschiebung in der x-y-Ebene durch Krafteinwirkung, wie sie beispielsweise durch Justierschrauben vermittelt wird, weiterhin möglich bleibt. Eine ungewollte Verschiebung in der x-y-Ebene unter der Einwirkung von Erschütterungen soll jedoch ausgeschlossen sein. Durch Entkopplung von z-Justierung und x-y-Justierung wird die Justierung insgesamt vereinfacht.
In einer besonders bevorzugten Ausführung dieser Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Federelement durch eine oder mehrere Schrauben, die das zweite mit dem ersten Steckerteil verbinden, mit dem zweiten Steckerteil verbunden und drückt dieses gegen das erste Steckerteil. Dabei verfügt das zweite Steckerteil über Spiel zur Ausrichtung. Statt Schrauben lassen sich auch andere äquivalente Befestigungsmittel verwenden. Die Schrauben sind dabei paßgenau über ein Gewinde mit dem ersten Steckerteil verbunden, die entsprechenden Bohrungen im zweiten Stekkerteil sind jedoch größer, damit eine Ausrichtung in der x-y-Ebene möglich ist. Bei einer als Membran ausgestalteten Feder bedeutet dies, daß das der Auflagepunkt für die Feder auf dem zweiten Steckerteil nicht unmittelbar am Umfang der Schraube liegt. Dies erhöht die Stabilität.
In einer alternativen Ausführung des Steckers ist das mindestens eine Federelement durch eine oder mehrere Schrauben nicht mit dem ersten, sondern mit dem dritten Steckerteil verbunden. Das dritte Steckerteil ist dabei ebenfalls mit dem ersten Steckerteil, bevorzugt durch Schrauben, ver- bunden - alternativ kann die Verbindung aber auch so gestaltet werden, daß mit den Schrauben das mindestens eine Federelement mit dem dritten und dem ersten Steckerteil verbunden wird, so daß zwischen allen drei Teilen eine feste Schraubverbindung entsteht. Auch in diesem Fall verfügt das zweite Steckerteil über ausreichendes Spiel zur Ausrichtung.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung dieser Variante weist der Stecker ein Anpreßstück auf, welches das Federelement selbst und mittels des Federelements das zweite Steckerteil gegen das erste Steckerteil preßt. Das Anpreßstück kann beispielsweise über ein in das dritte Steckerteil eingebrachtes Gewinde gegen das Federelement geschraubt werden. Alternativ sind auch Schrauben denkbar, mit denen das Anpreßstück mit dem ersten Steckerteil verschraubt wird, wobei die Bohrungen für die Schrauben im Federelement und im zweiten Steckerteil aus den oben genannten Gründen größer als paßgenau sind. Bei nicht fest angezogenem Anpreßdruck ist somit noch eine Justierung des zweiten Steckerteils in der x-y-Ebene möglich. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß beim Festdrehen der Schrauben und damit beim Anspannen der Membran eine Positionsänderung des bereits justierten zweiten Steckerteils ausgeschlossen wird.
Die eben beschriebene Ausführung mit einem Anpreßstück läßt sich durch einfache konstruktive Änderungen selbstverständlich auch mit der ersten Alternative verwenden. Sie ist u.a. besonders gut für die Verwendung bei Steckern für die Kopplung von Laserlicht in eine Faser geeignet. Eine hochgenaue Parallelausrichtung von erstem und drittem Steckerteil ist dann nicht erforderlich. Deshalb ist es in diesem Fall auch möglich, erstes und drittes Steckerteil als eine einstückige Einheit auszugestalten.
Die Kontaktflächen können prinzipiell am ersten oder zweiten Steckerteil angebracht sein, für eine einfache Justierung ist es jedoch vorteilhaft, ein drittes Steckerteil vorzusehen, an welchem die
Kontaktflächen angebracht sind. Weist die Kontaktstelle, an der der Stecker in die Buchse gesteckt wird, im wesentlichen Rotationssymmetrie mit einer Rotationsachse parallel zum Strahl auf, so kann die Einheit aus erstem und zweiten Steckerteil gegenüber dem dritten Steckerteil in einer zum
Lichtstrahl senkrechten Ebene verschoben werden. Auf diese Weise läßt seh die Parallellage des Strahls mittig, d.h. mit hoher Genauigkeit so justieren, daß Rotationsachse und optische Achse zusammenfallen.
Eine erfindungsgemäße Buchse weist zunächst die oben schon näher beschriebene, mindestens eine Gegenkontaktfläche auf. Diese Gegen kontaktflächen sind entsprechend bevorzugt mecha- nisch geglättet, können ebenfalls gehärtet sein oder aus einem harten Material bestehen, beispielsweise in Form von Einlagen, es können mehrere Gegenkontaktflächen in Form von Gegen- kontaktfüßen vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Buchse weist - insbesondere wenn Stecker und Buchse in bezug auf die optische Achse im wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich ihrer Kontaktstellen parallel zum Lichtstrahl ausgestaltet sind - bevorzugt einen Zentrierring zur Ausrichtung des Steckers und damit des Lichtstrahls in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung auf. Dabei wird zunächst der Stecker in die Buchse gesetzt. Der Zentrierring kann beispielsweise eine kreisförmige Passung aufweisen, die am Umfang des Steckers oder eines Gehäuses angreift. Er wird dann nachträglich auf die Buchse gesetzt. Anstelle einer kreisförmigen Passung kann auch eine Dreipunktanlage verwendet werden. Auch auf diese Weise ist eine laterale Ausrichtung des Strahls möglich. Diese Ausrichtung kann einfach und problemlos von Hand vorgenommen werden, mit 3-4μm ist die Toleranz hier um einiges höher als bei der Ausrichtung der Kontaktflächen in bezug auf die Strahlrichtung. Der Zentrierring kann auf der Buchse so verschoben und fixiert werden, daß die Parallellage des Strahls an jedem gewünschten Punkt, z.B. relativ zu externen Anlagepunkten durch Feststellung des Zentrierrings, fixiert werden kann. Wenn nicht der Stecker auf ein nachfolgendes optisches System ausge- richtet werden muß, sondern dieses System einmalig auf den Stecker ausgerichtet wird, kann der Zentrierring auch unbeweglich gestaltet werden, d.h. Zentrierring und Buchse sind relativ zu einander nicht beweglich. Dies kann durch eine feste Verbindung vorab erreicht werden, aber auch durch Fertigung des Ensembles aus Buchse und Zentrierring aus einem Stück. Auch in diesem Fall muß beim Wechsel des Steckers keine Nachjustierung durchgeführt werden.
Anstelle eines Zentrierrings kann zur Ausrichtung des Steckers bzw. Lichtstrahls in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung auch ein V-Lager verwendet werden. In diesem Fall wird der Stecker mittels einer Schraube oder eines Federelements gegen die Kontaktpositionen des V-Lagers gedrückt.
Bevorzugt weist die Buchse auch einen Federring auf, mit dem der Stecker in der Buchse fixiert wird. Dazu kann er beispielsweise Vorsprünge an seinem Umfang aufweisen, die unter den Federring greifen. Anstelle einer kreisförmigen Passung verwendet man hier vorzugsweise eine durchbrochene Passung, die ein Einsetzen des Steckers mit anschließender Drehbewegung unter den Zentrierring erlaubt. Der Federring kann beispielsweise ebenfalls mit Vorsprüngen versehen sein. Beim Eindrehen des Steckers in die Buchse entsteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Vorsprüngen des Steckers und des Federrings. Der Stecker wird in die Buchse gedrückt. Die Vorsprünge am Federring sind dabei - mindestens teilweise - als Federn ausgestaltet, so daß beim Eindrehen des Steckers unter den Federring die Federkraft anwächst und somit den Anpreß- druck verstärkt. Abschließend kann mittels Schrauben der Anpreßdruck weiter verstärkt werden. Bei Verwendung von polarisationserhaltenden Fasern kann das erste oder das dritte Steckerteil auch einen seitlichen Indexstift enthalten, bzgl. dessen die Polarisationsachse der Faser durch Drehung derselben um die z-Achse ausgerichtet wird. Die zur Steckverbindung gehörige Buchse muß dann einen entsprechenden Anschlag für den Indexstift aufweisen.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Steckverbindung für Lichtwellenleiter, die einen Stecker und eine Buchse umfaßt, wie sie insbesondere vorangehend beschrieben wurden. Für ein solches Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem (i) ein in einer Fassung eingefaßtes Ende eines Lichtwellenleiters in einer Halterung eines ersten Steckerteils zur Aufnahme der Fassung eingesetzt wird, (ii) das erste Steckersteil des Steckers mit einem zweiten Teil des Steckers, welches eine Linse enthält, verbunden wird, (iii) der Abstand einer Lichtaustrittsfläche des Lichtwellenleiters zur Linse justiert und der Lichtwellenleiter im ersten Stekkerteil fixiert wird, (iv) die Position des zweiten Steckerteils in einer Ebene im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse der Linse durch Verschiebung in diese Ebene justiert und in der justierten Position arretiert wird, so daß eine vorgegebene Winkellage eingestellt wird, und (v) minde- stens eine ebene Kontaktfläche des Steckers und mindestens eine entsprechende ebene Gegen- kontaktfläche der Buchse, in die der Stecker gesetzt wird, durch Glättung in bezug auf eine Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls ausgerichtet werden.
Werden im Stand der Technik zylindrische Fassungen bzw. davon abgeleitete Vierpunkt- oder V- Lager zur Aufnahme von Zylindern für Stecker und Buchse verwendet, so daß die entsprechenden Kontakt- und Gegenkontaktflächen zylindrische Form haben oder Auflagepunkte auf einem gedachten Zylinder im Raum angeordnet sind, so werden in der vorliegenden Erfindung ebene Flächen verwendet. Dies mag auf den ersten Blick als Nachteil erscheinen, da eine Buchse mit zylinderförmiger Aufnahmemöglichkeit einen besseren Halt für einen entsprechend geformten Stecker zu bieten scheint. Aufgrund von Fertigungstoleranzen lassen sich zylindrische Flächen jedoch nicht so herstellen, daß ein einfaches Wechseln des Steckers bzw. Herausnehmen und Wiedereinsetzen ohne erneute Justierung möglich wäre. Jede Passung hat ein gewisses Spiel, welches dazu führt, daß die Stecker mit einer geringen Kippung, einem Achswinkelfehler zur Zylindersymmetrieachse der Fassung der Buchse, in diese gesteckt und fixiert werden. Ein gewisser Ausgleich läßt sich durch eine entsprechende Neupositionierung der Linse erreichen, eine aufwendige und zeitaufwendige Prozedur. Selbst hochpräzise Stecker erreichen nur Genauigkeiten von 0,35 μm in bezug auf die Abweichung von der Symmetrieachse von der Passung, was bei einer Führungslänge von 5 mm einem Winkelfehler von 70 μrad entspricht.
Mit üblichen Verfahren wie beispielsweise Schleifen hergestellte ebene Flächen weisen wie die zylindrischen Passungen bzw. V-Lager, die im Stand der Technik als Kontakt- und Gegenkontakt- flächen verwendet werden, gewisse Toleranzen in der Ebenengenauigkeit, d.h. der Ebenheit bzw. Rauhigkeit der Fläche, von in der Regel mehreren Mikrometern auf, was zu einer Genauigkeit bei der Positionierung in der gleichen Größenordnung führt. Die Winkelfehler liegen in diesem Fall bei mehreren 100 μrad bis hin zu einigen mrad.
Durch die Glättung, die bei den Kontakt- und Gegenkontaktflächen vorgenommen wird, kann der Fehler in der Ebenheit auf weniger als 100 nm reduziert werden, die verbleibenden Abweichungen von einer tatsächlich ebenen Fläche sind so gering, daß ein problemloses Trennen und Zusammenfügen von Stecker und Buchse möglich wird, wobei die hohe Anfangsgenauigkeit reproduzier- bar eingestellt werden kann, ohne daß es einer erneuten Justage bedarf. Das Ensemble aus Fassung und Linse bleibt dabei in den einmal justierten Positionen fixiert, auch wenn der Stecker von der Buchse getrennt wird.
Eine Glättung ist bei ebenen Flächen besonders einfach durchzuführen und die Ebenheit kann mittels optischer Interferenzmethoden einfach überprüft werden. Vorteilhaft wird die mindestens eine Kontaktfläche des Steckers und die mindestens eine Gegenkontaktfläche der Buchse mechanisch geglättet, bevorzugt poliert, geläppt, oder diamantgedreht. Auch einfaches Drehpolieren ohne Diamant ist möglich. Mit allen Verfahren lassen sich die erforderlichen Oberflächengüten in einfacher Weise erreichen. Die Verfahren können sowohl von Hand als auch maschinell durchgeführt werden. Andere mechanische Glättungsverfahren, die zum gleichen Ergebnis führen, sind alternativ ebenfalls einsetzbar.
Schließlich können auch andere Glättungsverfahren als mechanische verwendet werden, sofern sie zu dem gewünschten Ergebnis führen. Grundsätzlich läßt sich das Verfahren auch bei zylindri- sehen Passungen anwenden, wobei dann der Fehler nicht in der Ebenheit, sondern die Abweichungen des Radius des Zylinders an jeder Position auf den Zylinderflächen von Kontakt- und Gegenkontaktfläche das entscheidende Kriterium ist. Zylindrische Flächen mit einer solchen Genauigkeit sind jedoch schwieriger herzustellen, auch die Überprüfung in bezug auf die Genauigkeit ist ungleich schwieriger als bei ebenen Flächen.
Als Winkellage, d.h. der Winkelausrichtung des aus- oder eintretenden Lichtstrahls wird häufig vorgegeben, daß die optische Achse der Linse im wesentlichen mit dem Mittelpunkt der Lichtaus- trittsfläche des Lichtwellenleiters zusammenfallt, was einem Winkel von Null Grad entspricht. Jedoch sind - je nach geforderter Anwendung - auch andere Winkellagen einstellbar. In einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird die mindestens eine Kontaktflache und/oder die mindestens eine Gegenkontaktfläche vor der Glättung gehärtet oder mit gehärtetem Material belegt. Diese Ausführung ist z.B. dann vorteilhaft, wenn von den beiden Flächen die eine Fläche als durchgängig ebene Fläche ausgestaltet ist, bei der anderen Komponente jedoch mehrere, kleinere Flächen zum Kontakt vorgesehen sind. Beispielsweise kann der Stecker mit Füßen versehen sein, wobei die Fußflächen die Kontaktflachen bilden. In diesem Fall müssen nur die Fußflächen gehärtet bzw. mit gehärtetem Material wie Keramik, Saphir oder Glas belegt werden, oder sie werden ganz aus die- sen Materialien gefertigt. Die - üblicherweise metallische - Gegenkontaktfläche kann ebenfalls gehärtet werden. Die Härtung der Flächen kann beispielsweise durch Anodisieren oder Eloxieren erfolgen. Als Materialien für dieses Hardcoating eignen sich beispielsweise Titan oder Aluminium. Alternativ ist es möglich, die gesamte Kontakt- oder Gegenkontaktfläche als Einsatz aus einen harten Material wie Keramik, Saphir oder Glas zu gestalten. Auch Einsätze aus vorab gehärtetem Material sind denkbar.
Zweckmäßig ist es, Kontakt- und Gegenkontaktfläche senkrecht in bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls auszurichten. Der Richtungsvektor des Lichtstrahls hat dann keine Komponente in der Ebene der Kontakt- bzw. Gegenkontaktfläche, was die Ausrichtung erleichtert.
Bevorzugt wird die Qualität der Glättung der Fläche mittels Interferenzmessungen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, überprüft. Aufgrund des Ergebnisses der Interferenzmessungen kann iterativ in wenigen Schritten eine ebene Oberfläche innerhalb der geforderten Toleranzen, d.h. mit einem Fehler in der Ebenheit von weniger als 100 nm, hergestellt werden. Die Ausrichtung in bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls kann überprüft werden, indem der Stecker mit seiner mindestens einen Kontaktfläche, die bearbeitet wird, in eine Referenzbuchse mit einer ebenen Gegenkontaktfläche gesteckt wird. Dann kann die Lage des austretenden Lichtstrahls bestimmt und eine entsprechende Korrektur vorgenommen werden, so daß die Ausrichtung iterativ in wenigen Schritten korrekt eingestellt werden kann. Der Lichtstrahl kann beispielsweise mit einer hochauflösenden CCD-Kamera im Brennpunkt einer Hilfslinse mit einer langen Brennweite von beispielsweise f = 50 cm detektiert werden, um möglichst genau die Ablage zu bestimmen. Dabei kann der Stecker auf der Gegenkontaktfläche um eine Achse senkrecht zu dieser gedreht werden; der Lichtfleck, den der Strahl auf dem CCD-Array bildet, beschreibt dann eine Kreisbahn um die optische Achse. Der Mittelpunkt des Kreises entspricht exakt der senkrechten Position, auf die hin zu korrigieren ist. Dieses Rotationsmeßverfahren bietet gegenüber einzelnen Messungen eine deutlich höhere und vor allem absolute Genauigkeit. Je nach verwendeter Linse und CCD-Kamera lassen sich Auflösungen von Bruchteilen einer Bogensekunde erreichen. Damit die Steckverbindung getrennt und ohne erneutes Justieren wieder zusammengesetzt werden kann, so daß die gleiche Strahllage eingestellt wird, justiert man vorab beim Zusammenbau des Steckers den Abstand von der Lichtaustrittsfläche des Lichtwellenleiters bzw. der Faser im ersten Steckerteil und der Linse im zweiten Steckerteil, die in der Regel aus einer einzelnen Linse, einem Kittglied oder aus Einzellinsen, die in vorgegebenen Abständen voneinander montiert bzw. fixiert sind, besteht, einmal am Anfang und fixiert dann den Lichtwellenleiter an der entsprechenden Position. Bevorzugt erfolgt die Justierung des Abstandes von Lichtaustrittsfläche und Linse mittels Divergenzminimierung. Auch andere im Stand der Technik bekannte Methoden zur Justie- rung des Abstandes sind selbstverständlich gleichermaßen einsetzbar, die Methode der Divergenzminimierung wurde beispielhaft herausgegriffen. Die Lichtaustrittsfläche, d.h. das Ende des Lichtwellenleiters, welches beispielsweise flach oder angewinkelt flach ausgeführt sein kann, wird dabei zunächst in der Nähe des Brennpunktes der Linse positioniert und anschließend entlang der z-Richtung verschoben, bis minimale Divergenz erreicht ist. Auf diese Weise wird ein kollimierter Strahl erzeugt, konvergente oder divergente Strahlen lassen sich durch Einbringen bzw. Einschalten entsprechend ausgestalteter Meßoptiken zwischen Stecker und Divergenzmeßsystem bei Bedarf ebenfalls einstellen. Eine anschließende Justierung der Winkellage des aus dem Stecker tretenden Lichtbündels wird erreicht, indem das zweite Steckerteil mit der Linse lateral, d.h. in der Ebenen senkrecht zur optischen Achse der Linse, verschoben wird. Diese Lage läßt sich mit einer hohen Präzision von etwa 100 nm einstellen. Die Justierung der Winkellage kann auch im Rahmen bzw. vor oder nach der oben beschriebenen Rotationsmessung durchgeführt werden. Die Justierung ist dann am besten, wenn der Winkel des Strahls zur z-Achse am kleinsten ist. Zur Fixierung können der Lichtwellenleiter und /oder die Fassung und/oder das erste Steckerteil miteinander verklebt, verlötet oder verschweißt werden. Auch eine Fixierung der Teile zueinander jeweils mit Schrauben ist eine Möglichkeit.
Die Kontaktflächen können prinzipiell am ersten oder zweiten Steckerteil angebracht sein, für eine einfache Justierung ist es jedoch vorteilhaft, ein drittes Steckerteil vorzusehen, an welchem die Kontaktflächen angebracht sind. Weist die Kontaktstelle, an der der Stecker in die Buchse gesteckt wird, im wesentlichen Rotationssymmetrie mit einer Rotationsachse parallel zum Strahl auf, so kann die Einheit aus erstem und zweiten Steckerteil gegenüber dem dritten Steckerteil in einer zum Lichtstrahl senkrechten Ebene verschoben werden. Auf diese Weise läßt seh die Parallellage des Strahls mittig, d.h. mit hoher Genauigkeit so justieren, daß Rotationsachse und optische Achse zusammenfallen. Auch andere, außermittige Positionen sind, sofern erforderlich, durch Justierung einstellbar. In der bei der Justierung eingestellten Position wird die Einheit aus erstem und zweitem Steckerteil dann abschließend fixiert. Die durch die diese und die vorangehend beschriebenen Justiermaßnahmen insgesamt erreichbare Präzision liegt bei ca. 3 μm. Bezogen auf einen typi- schen Strahldurchmesser von 700 μm sind das weniger als 0,5 % des Strahldurchmessers. Demgegenüber liegt die Genauigkeit bei den präzisesten, bisher im Stand der Technik bekannten Flat- Connector-Sleckem bei 0,35 μm bei einem Strahldurchmesser von 5 μm, also 7% vom Strahldurchmesser.
In Anbetracht der Tatsache, daß beim Durchgang durch ein ideales optisches System das Produkt aus Winkelabweichung und Parallelabweichung konstant bleibt, bietet also ein erfindungsgemäßer Stecker den Vorteil, daß die - unvermeidlichen - Fertigungstoleranzen so gelegt werden, daß sie möglichst wenig Auswirkungen auf das Gesamtverhalten beim Einsatz haben. Dies wird erreicht, indem durch Glättung ebener Flächen nur außerordentlich geringe Winkelfehler verbleiben, während die Parallelpositionierung am aufgeweiteten Strahl vorgenommen wird, so daß auch hier der relative Fehler sehr gering ist.
Die Lagemessung erfolgt vorteilhaft wieder mittels der Rotationsmethode, indem z.B. jetzt die CCD-Kamera ohne jegliche Optik so nah wie möglich hinter dem Stecker plaziert wird. Schließlich läßt sich durch Nachpolieren der Kontaktfläche(n) am dritten Steckerteil die Winkelablage weiter bis auf Bruchteile einer Bogensekunde reduzieren.
Vorteilhaft erfolgt eine Arretierung des zweiten Steckerteils relativ zum ersten Steckerteil mittels Federkraft. Zweckmäßig wird die Federkraft dabei so eingestellt, daß die Arretierung Erschütterungen und Beschleunigungsänderungen, wie sie beispielsweise beim Wechseln und dem Transport solcher Stecker auftreten können, stand hält. Zum anderen soll aber gleichzeitig eine Justierung der Linse durch Verschieben des zweiten Steckerteils in der Ebene senkrecht zur optischen Achse der Linse, beispielsweise mit Hilfe von Justierschrauben, ermöglicht werden. Auf diese Weise kön- nen die beispielsweise verwendeten Justierschrauben später entfernt werden. Eine andere Möglichkeit besteht auch darin, mehrere Justierschrauben oder ähnliche Mittel zu verwenden und diese dann im Stecker zu belassen, wobei dies jedoch die materialaufwendigere Methode ist. Alternativ kann auch nach der Justierung die Federkraft weiter erhöht werden.
Wenn sowohl der Lichtstrahl wie oben beschrieben ausgerichtet ist, als auch die Kontaktfläche des Steckers und die Gegenkontaktfläche der Buchse poliert und ausgerichtet sind, muß bei der Verbindung von Stecker und Buchse der Stecker in der Buchse ausgerichtet werden, bei einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Verbindung also zentriert werden, so daß der Lichtstrahl durch eine entsprechende Öffnung in das Gerät, an dem sich die Buchse befindet, eintreten kann. Der Lichtstrahl muß dabei so positioniert werden, daß der genau definierte Austrittspunkt in der Öffnung erreicht wird, ohne seine Winkellage zu beeinflussen. Die Genauigkeit hängt dabei von den Anforderungen des nachfolgenden optischen Geräts ab, typische Werte sind etwa 5 μm bei einem Strahldurchmesser von 700 μm. Zweckmäßig erfolgt die radiale Justierung des Steckers in der Buchse daher mittels eines Zentrierrings und dessen Arretierung. Der Stecker wird also in die Buchse gesetzt, so daß eine Ausrichtung in einer Ebene, die parallel zu der Ebene liegt, in der sich Kontakt- und Gegenkontaktfläche befinden, möglich ist. Die Justierung erfolgt durch Verschieben des Zentrierrings in dieser Ebene, welches eine entsprechende Verschiebung des Steckers in be- zug auf die Buchse zur Folge hat. Ist die optimale Funktion erreicht, so wird der Zentrierring auf der Buchse arretiert. Der Spalt zwischen Stecker und Zentrierring muß dabei kleiner sein als die zulässige Toleranz der Positionierung, beispielsweise kleiner als 5 μm. Bevorzugt weist der Zentrierring dazu zwei radiale Anlagepunkte in einem Winkel von beispielsweise 90° zueinander auf, gegen die der Stecker gedrückt wird, wodurch Fehler durch einen Spalt ausgeschlossen werden. Der Stecker wird dann abschließend durch eine weitere Vorrichtung, wie beispielsweise einen Federring in der Buchse bzw. dem Zentrierring arretiert.
Die Verfahrensschritte müssen nicht notwendig in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Auch ist es möglich, die Ausrichtung der Kontakt- und Gegenkontaktflächen in zwei Schritten zu vollziehen, beispielsweise eine erste Planpolitur durchzuführen, dann den Stecker in die Buchse zu setzen und eine Justierung der Linse mit Hilfe des oben beschriebenen Rotationsverfahrens vorzunehmen und anschließend eine nochmalige Feinpolitur zur endgültigen Ausrichtung des Strahls senkrecht zu diesen Flächen mit einer Genauigkeit von etwa 2 μrad durchzuführen.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 einen Längsschnitt durch eine optische Steckverbindung, bestehend aus Stecker und Buchse, Fig.2 einen Längsschnitt durch den Stecker, der gegenüber dem Längsschnitt der Fig.1 um 45° gedreht ist, und
Fig.3 eine alternative Ausführung eines Steckers im Längsschnitt. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Fig.1 ist ein erfindungsgemäßer Stecker 1 über einer erfindungsgemäßen Buchse 2 dargestellt. Der Stecker 1 besteht aus einem ersten Steckerteil 3, einem zweiten Steckerteil 4, sowie einem dritten Steckerteil 5. Das erste Steckerteil 3 und das dritte Steckerteil 5 werden von einem Gehäu- se 6 eingefaßt. Das erste Steckerteil 3 weist eine gegenüber der Symmetrieachse gekippte Bohrung auf, die als Halterung für die in eine Ferrule eingefaßte Lichtleitfaser 7 dient. Die Lichtleitfaser 7 wird von einer Manschette 8 umfaßt und gehalten. Zum Justieren der Lichtleitfaser 7 entlang ihrer Symmetrieachse wird die Manschette 8 in der Halterung verschoben. Die Justierung sollte dabei so erfolgen, daß der Brennpunkt einer Linse 9, die hier als Kollimatorlinse ausgestaltet ist, auf der Austrittsfläche 10 der Lichtleitfaser 7 möglichst im Zentrum liegt und ein kollimierter Strahl erzeugt wird. Bei der in Fig. 1 gezeigten Lichtleitfaser 7 handelt es sich um einen Lichtwellenleiter vom Typ AFC (angled flat connector), bei dem die Lichtaustrittsfläche 10 unter einem Winkel zur Symmetrieachse der Lichtleitfaser 7 bzw. Strahlrichtung steht um Rückreflexe in den Laser oder das optische System zu verhindern. Aufgrund der Lichtbrechung an der Lichtaustrittsfläche 10 ist deshalb die Lage der Lichtleitfaser 7 leicht gekippt gegenüber der optischen Achse der Linse 9 sowie der Verbindung zwischen Stecker 1 und Buchse 2. Auch Fasern vom Typ FC (Flat- Connector) können verwendet werden, wobei dann keine Verkippung der Faserlage erfolgt. Das erste Steckerteil 3 weist zudem eine Öffnung 11 auf. In der Öffnung 11 kann eine hier nicht gezeigte Schraube versenkt werden, mit der die Position der Manschette 8 in bezug auf das erste Stek- kerteil 3 fixiert und arretiert werden kann. Das Gehäuse 6 kann so ausgeführt sein, daß es im zusammengebauten Zustand die Öffnung 11 verdeckt.
Die Linse 9 wird im zweiten Steckerteil 4 gehalten. Das zweite Steckerteil 4 liegt mit seiner einen Seite am ersten Steckerteil 3 an. Auf der dieser Seite gegenüberliegenden Seite weist das zweite Steckerteil 4 eine kreisförmige Anlagefläche 12 auf, auf der eine ebenfalls runde Membran 13 aufliegt. Die Membran 13 weist in ihrer Mitte eine Öffnung auf, aus der der durch die Linse 9 kollimier- te Lichtstrahl austritt.
Mittels Schrauben 14 wird das zweite Steckerteil 4 mit dem ersten Steckerteil 3 verbunden. Das zweite Steckerteil 4 weist dazu Bohrungen 15 auf, durch die die Schrauben 14 gesteckt werden.
Der Durchmesser der Bohrungen 15 ist dabei größer als der Gewindedurchmesser der Schrauben, so daß das zweite Steckerteil 4 gegenüber den Schrauben 14 Spiel aufweist. Die Schrauben 14 verbinden jedoch ebenfalls die Membran 13 mit dem zweiten Steckerteil 4. Da die Membran 13 nur auf den Anlageflächen 12 auf dem zweiten Steckerteil 4 aufliegt, wird durch die Schrauben 14 letztendlich eine kraftschlüssige Verbindung zwischen erstem Steckerteil 3 und zweitem Steckerteil
4 hergestellt. Die Schrauben 14 können dabei so fest angezogen werden, daß eine willkürliche Verschiebung des zweiten Steckerteils 4 relativ zum ersten Steckerteil 3 entlang der Kontaktflache, der x-y- Ebene, mittels Justierschrauben möglich ist, eine unwillkürliche Verschiebung durch leichte Erschütterungen jedoch verhindert wird. In diesem Fall kann bereits das dritte Steckerteil 5 aufge- setzt werden und mit dem ersten Steckerteil verbunden werden. Die Justierschrauben können dann beispielsweise durch Öffnungen 16 geführt werden. Später können diese Öffnungen 16 zur Verbindung des Gehäuses 6 mit dem dritten Steckerteil 5 dienen.
Die Justierung der Linse 9 in bezug auf die Lichtaustrittsfläche 10, d.h. entlang der z-Achse, erfolgt dabei bevorzugt mittels Divergenzminimierung, beispielsweise in einem Steckersimulator. Dabei ist es selbstverständlich auch möglich, die Position der Lichtaustrittsfläche 10 durch Verschieben der
Manschette 8 mit der Lichtleitfaser 7 zu variieren. Die Justierung der Kollimatorlinse in der x-y-
Ebene erfolgt bevorzugt im Rahmen einer Rotationsmessung, bei der zunächst die Lage der z-
Achse bestimmt wird und dann die Ablage zur z-Achse minimiert wird. Diese muß in diesem Stadi- um noch nicht mit der gewünschten optischen Achse zusammenfallen.
Das dritte Steckerteil 5 wird dann mit dem ersten Steckerteil 3 verbunden und umhüllt dabei das zweite Steckerteil 4. Die Verbindung von erstem Steckerteil 3 und drittem Steckerteil 5 kann beispielsweise mittels Schrauben 17, wie in Fig.2 gezeigt, hergestellt werden. Der in Fig.2 gezeigte Schnitt durch den Stecker ist gegenüber dem in Fig.1 gezeigten Schnitt um 45° gedreht, das zweite Steckerteil 4 ist kleeblattförmig ausgestaltet, das dritte Steckerteil 5 weist die Form eines hohlen Kleeblattes auf. Auf diese Weise ist es möglich, zweites und drittes Steckerteil 4 bzw. 5 jeweils unabhängig voneinander mit dem ersten Steckerteil 3 zu verbinden. Dies ist insbesondere für die Justierung und die Ausrichtung bezüglich der Richtung und Position des kollimierten Lichtstrahls vorteilhaft.
Auf der der Buchse 2 zugewandten Seite des dritten Steckerteils 5 befinden sich Kontaktfüße 18 mit Kontaktflächen 19. Insgesamt müssen mindestens drei solche Kontaktfüße 18 vorgesehen sein, um eine sichere Auflage und präzise Glättung zu ermöglichen. Die Kontaktflächen 19 können - wie hier beispielhaft gezeigt - aus demselben Material wie die Kontaktfüße 18 und das dritte Steckerteil 5 bestehen, wobei die Kontaktflächen 19 dann bevorzugt gehärtet sind. Alternativ können auch Einsätze aus hartem Material wie Keramik oder Quarzglas vorgesehen sein. Die Ebene, in der die Kontaktflächen 19 liegen, bildet mit der optischen Achse der Linse 9, die der Lichtausbreitungsrichtung entspricht, einen rechten Winkel. Dies ermöglicht eine besonders einfache Aus- richtung der Flächen in bezug auf die optische Achse, da im ausgerichteten Zustand die Lichtausbreitungsrichtung keine in der Ebene liegende Komponente aufweist. Nach dem Zusammenbau des Steckers 1 - mit oder ohne Gehäuse 6 - werden die Kontaktflachen 19 mittels mechanischer Glättung, beispielsweise durch Polieren oder Läppen, ausgerichtet.
Nach Ausrichtung der Kontaktflächen 19 wird der Stecker 1 in die Buchse 2 gesetzt, wie in Fig.1 angedeutet. Die Buchse 2 weist im vorliegenden Beispiel eine Gegenkontaktfläche 20 auf. Die Gegenkontaktfläche 20 wird ebenso wie die Kontaktflächen 19 poliert oder geläppt. Auch die Gegenkontaktfläche 20 ist bezüglich der Ausbreitungsrichtung des kollimierten Lichtstrahls senkrecht zu dieser ausgerichtet, so daß ein Lichtstrahl höchster Lagegenauigkeit in die sich an die Buchse 2 anschließende Applikationsoptik eingekoppelt wird.
Jedoch sollten die Kontaktflächen 19 des Steckers 1 im Rahmen der geforderten Genauigkeit in einer Ebene senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung liegen. Dies ermöglicht einen Austausch gegen andere Stecker, die mit der gleichen Präzision gefertigt sind. Eine erneute Justierung auf Seiten der Applikationsoptik in bezug auf die Strahlrichtung beim Wechsel des Steckers ist nicht not- wendig.
Der Stecker 1 weist an seinem Umfang Vorsprünge 22 auf. Die Buchse 2 weist ein einen Zentrierring 24 auf, der auf der Buchse 2 bzw. Gegenkontaktfläche 20 innerhalb eines vorgegebenen Spiels verschoben und fixiert werden kann. Beim Zusammenbau wird der Stecker 1 in den Zen- trierring 24 gesetzt. Die Vorsprünge 22 des Steckers 1 liegen dann im wesentlichen paßgenau an der Innenseite der Buchse 2 an. Vorteilhaft ist dabei die Innenseite nur in einem kleinen, ringförmigen Bereich 23 paßgenau ausgestaltet, dies vermindert Reibungswiderstände und ein Verkanten des Steckers 1 in der Buchse 2. Eine Ausrichtung des Strahls in der Ebene der Gegenkontaktfläche 20 ist nun mittels des Zentrierrings 24 möglich, der mit nicht gezeigten Schrauben auf der Buchse 2 befestigt wird. Er kann auf der Buchse 2 so verschoben fixiert werden, daß die Parallellage des Strahls an jedem gewünschten Punkt, beispielsweise relativ zu externen Anlagepunkten, durch Fixierung des Zentrierrings 24 fixiert werden kann. Insbesondere kann der Strahl mit einer Genauigkeit von etwa 5 μm zentriert werden.
Um den Stecker 1 in der Buchse 2 in der gewünschten Position zu fixieren, ist außerdem ein Federring 28 vorgesehen. Dieser wird mit Schrauben 25 auf dem Zentrierring 24 befestigt. Der Federring weist Vorsprünge 26 auf. Ein einfaches Lösen und Wiederherstellen der Verbindung zwischen Stecker 1 und Buchse 2 wird ermöglicht, indem die Vorsprünge 26 auch entsprechend paßgenau auf den Vorsprüngen 22 in Aussparungen 27 am Stecker 1 liegen, wobei die Vorsprünge 26 bevor- zugt als Federn ausgestaltet sind, die auf den Stecker 1 an seinen Vorsprüngen 22 in den Aussparungen 27 eine Kraft ausüben und in die Buchse 2 drücken. Werden die Vorsprünge 26 und 22 nur an ausgewählten Stellen des Umfanges des Steckers 1 bzw. der Buchse 2 angebracht, so kann eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Stecker 1 und Buchse 2 nach Einsetzen des Steckers 1 mit anschließender Drehung hergestellt werden.
Eine alternative Ausführung eines Steckers 1 ist in Fig. 3 in einem Längsschnitt dargestellt. Die Membran 13 ist hier durch eine oder mehrere Schrauben 29 nicht mit dem ersten Steckerteil 3, sondern mit dem dritten Steckerteil 30 verbunden. Das dritte Steckerteil 30 ist dabei - in der Zeichnung allerdings nicht dargestellt - ähnlich wie in Fig. 2 dargestellt ebenfalls mit dem ersten Stekkerteil 3, bevorzugt durch Schrauben, verbunden - alternativ kann die Verbindung aber auch so gestaltet werden, daß mit den Schrauben 29 die Membran 13 mit dem dritten Steckerteil 30 und dem ersten Steckerteil 3 verbunden wird, so daß zwischen allen drei Teilen 3, 13, 30 eine feste Schraubverbindung entsteht. Auch in diesem Fall verfügt das zweite Steckerteil 31 über ausreichendes Spiel zur Ausrichtung.
Der Stecker 1 umfaßt außerdem ein Anpreßstück 32, welches die Membran 13 und vermittelt durch die Membran 13 das zweite Steckerteil 31 gegen das erste Steckerteil 3 preßt. Das Anpreßstück 32 kann beispielsweise über ein in das dritte Steckerteil 30 eingebrachtes Gewinde gegen die Membran 13 geschraubt werden. Alternativ sind, wie in Fig. 3 gezeigt, auch Schrauben 33 denkbar, mit denen das Anpreßstück 32 mit dem ersten Steckerteil 3 verschraubt wird, wobei die Bohrungen für die Schrauben 33 in der Membran 13 und im zweiten Steckerteil 31 größer als paß- genau sind um eine Justierung des zweiten Steckerteils mit dem optischen Element auch bei leicht gespannter Membran 13 zu ermöglichen. Mit dieser Konfiguration läßt sich erreichen, daß beim Festdrehen der Schrauben 33 und damit beim Anspannen der Membran 13 eine Positionsänderung des bereits justierten zweiten Steckerteils 31 ausgeschlossen wird.
Die eben beschriebene Ausführung mit einem Anpreßstück 32 ist besonders gut für die Verwendung im Falle von Steckern für die Kopplung von Laserlicht in eine Faser geeignet. Diese werden in der Regel nicht so häufig gewechselt, weshalb es für die Justage auch ausreicht, wenn die Kontaktflächen 19 - beispielsweise an Kontaktfüßen (18), die an das dritte Steckerteil 30 geschraubt werden - einfach z.B. durch Schleifen geglättet sind. Die geforderte Genauigkeit ist in diesem Fall nicht so hoch wie bei der Kopplung von Licht aus der Faser in den Strahlengang eines Applikationsgeräts. Eine hochgenaue Parallelausrichtung von erstem Steckerteil 3 und drittem Steckerteil 30 ist dann ebenfalls nicht erforderlich. Deshalb ist es in diesem Fall auch möglich, erstes Steckerteil 3 und drittes Steckerteil 30 als eine einstückige Einheit auszugestalten. Es handelt sich in diesem Fall mehr oder weniger um einfache Koppler.
Die vorangehend beschriebene Erfindung ermöglicht es einem Benutzer, Stecker 1 des erfindungsgemäßen Typs mit Buchsen 2 des erfindungsgemäßen Typs beliebig oft zusammenzuset- zen, wieder zu trennen und abermals zusammenzufügen, ohne daß eine erneute Justierung notwendig wäre, wenn Stecker 1 und/oder Buchse 2 ausgetauscht werden. So kann beispielsweise bei Beleuchtungsoptiken, in die verschiedene Laserlichtquellen abwechselnd über eine optische Steckverbindung des erfindungsgemäßen Typs eingekoppelt werden sollen, die Lichtquelle durch einfachen Wechsel des Steckers - in dem die von der Lichtquelle kommende Faser endet - ausgetauscht werden, ohne daß eine erneute Justierung nötig wäre. Der erforderliche Aufwand bei der Herstellung solcher Steckverbindungen ist relativ gering, da im wesentlichen nur ebene Flächen, diese jedoch mit hoher Genauigkeit hergestellt werden müssen.
Bezugszeichenliste
1 Stecker
2 Buchse
3 erstes Steckerteil
4 zweites Steckerteil
5 drittes Steckerteil
6 Gehäuse
7 Lichtleitfaser
10 8 Manschette
9 Linse
10 Lichtaustrittsfläche
11 Öffnung
12 Anlagefläche
15 13 Membran
14 Schraube
15 Bohrung
16 Öffnung
17 Schraube
20 18 Kontaktfuß
19 Kontaktfläche
20 Gegenkontaktfläche
21 Öffnung
22 Vorsprung
25 23 ringförmiger Bereich
24 Zentrierring
25 Schraube
26 Vorsprung
27 Aussparung
30 28 Federring
29 Schrauben
30 drittes Steckerteil
31 zweites Steckerteil
32 Anpreßstück
35 33 Schrauben

Claims

Patentansprüche
1. Optische Steckverbindung für Lichtwellenleiter, umfassend einen Stecker (1) und eine Buchse (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Stecker (1 ) mindestens eine ebene, geglättete und in bezug auf eine Ausbreitungsrichtung eines aus dem oder in den Stecker (1) tretenden Lichtstrahls ausgerichtete Kontaktflache (19) zur Auflage auf mindestens einer entsprechenden, ebenen, geglätteten und in bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls ausge- richteten Gegenkontaktfläche (20) der Buchse (2) aufweist.
2. Optische Steckverbindung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl eine Ebene, in der die mindestens eine Kontakt- und die mindestens eine Gegenkontaktfläche (19, 20) liegen, schneidet, bevorzugt senkrecht zu dieser Ebene.
3. Optische Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Kontaktfläche (19) des Steckers (1) und die mindestens eine Gegenkontaktfläche (20) der Buchse (20) mechanisch geglättet, bevorzugt geläppt oder poliert sind.
4. Stecker (1) für eine optische Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend ein erstes Steckerteil (3) mit einer Halterung zur Aufnahme eines in eine Fassung eingefaßten Endes eines Lichtwellenleiters (7), ein zweites Steckerteil (4, 31 ) mit einer Linse (9), - Mittel zur Ausrichtung und Fixierung des Endes des Lichtwellenleiters (7) in der Halterung entlang einer Strahlrichtung,
Mittel zur Ausrichtung der Linse (9) quer zu einer optischen Achse der Linse (9), sowie ein drittes Steckerteil (5, 30), welches die mindestens eine Kontaktfläche (19) aufweist und mit dem ersten und / oder zweiten Steckerteil (3, 4, 31) verbunden ist.
5. Stecker (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine äußere Schicht der mindestens einen Kontaktfläche (19) aus gehärtetem Material, vorzugsweise einer gehärteten metallischen Legierung besteht.
6. Stecker (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Kontaktfläche (19) aus Keramik, Saphir, Quarzglas oder einem ähnlichen Material, besteht.
7. Stecker (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Kontaktflächen (19) in Form von Kontaktfüßen (18) aufweist.
8. Stecker (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ausrichtung und Fixierung des Endes des Lichtwellenleiters (7) eine Manschette (8) oder
Spannzange umfassen, in der die Fassung fixiert ist.
9. Stecker (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ausrichtung des Endes des Lichtwellenleiters eine Schraube umfassen, mittels der die Manschette (8) bzw. Spannzange fixiert wird.
10. Stecker (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ausrichtung der Linse (9) mindestens ein Federelement, bevorzugt eine Membran (13), zur kraftschlüssigen Verbindung des zweiten Steckerteils (4, 31 ) mit dem ersten Steckerteil (3) umfassen.
11. Stecker (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Federelement durch eine oder mehrere Schrauben (14), die das zweite Steckerteil (4) mit dem ersten Steckerteil (3) verbinden, mit dem zweiten Steckerteil (4) verbunden ist und dieses ge- gen das erste Steckerteil (3) drückt, wobei das zweite Steckerteil (4) über Spiel zur Ausrichtung verfügt.
12. Stecker (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Federelement durch eine oder mehrere Schrauben (29) mit dem dritten Steckerteil (30) und dieses mit dem ersten Steckerteil (3) verbunden ist, wodurch das zweite Steckerteil (31) gegen das erste Steckerteil (3) gedrückt wird, und wobei das zweite Steckerteil (31 ) über Spiel zur Ausrichtung verfügt.
13. Stecker (1) nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stecker (1) ein Anpreßstück (32) aufweist, welches das Federelement und mittels dieses das zweite Stekkerteil (31 ) gegen das erste Steckerteil (3) preßt.
14. Stecker (1) nach einem der Ansprüche 10, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß erstes Steckerteil (3) und drittes Steckerteil (30) eine einstückige Einheit bilden.
15. Stecker (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß erstes Stekkerteil (3) und zweites Steckerteil (4, 31) eine einstückige Einheit bilden.
16. Buchse (2) für eine optische Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Zentrierring (24) zur Ausrichtung des Steckers in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung aufweist.
17. Buchse (2) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Zentrierring (24) und Buchse (2) relativ zueinander nicht beweglich sind.
18. Buchse (2) für eine optische Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein V-Lager zur Ausrichtung des Steckers in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung aufweist.
19. Buchse (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Federring (28) zur Fixierung des Steckers in der Buchse (2) aufweist.
20. Buchse (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine äußere Schicht der mindestens einen Gegenkontaktfläche (20) aus gehärtetem Material, vorzugsweise einer metallischen Legierung besteht.
21. Buchse (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Gegenkontaktfläche (20) aus einem harten Material, bevorzugt mit einer absoluten Härte von mehr als 100, bevorzugt Keramik, Saphir oder Quarzglas, besteht.
22. Buchse (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Gegenkontaktflächen (20) in Form von Gegenkontaktfüßen aufweist.
23. Verfahren zur Herstellung einer optischen Steckverbindung für Lichtwellenleiter, die einen Stecker (1) und eine Buchse (2) umfaßt, bei dem ein in einer Fassung eingefaßtes Ende eines Lichtwellenleiters (7) in eine Halterung eines ersten Steckerteils (3) zur Aufnahme der Fassung eingesetzt wird, das erste Steckerteil (3) des Steckers (1 ) mit einem zweiten Steckerteil (4, 31 ) des Steckers (1 ), welches eine Linse (9) enthält, verbunden wird, der Abstand einer Lichtaustrittsfläche (10) des Lichtwellenleiters (7) zur Linse (9) justiert und der Lichtwellenleiter im ersten Steckerteil (3) fixiert wird, - die Position des zweiten Steckerteils (4, 31) in einer Ebene im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse der Linse (9) durch Verschiebung in dieser Ebene justiert und in der justierten Position arretiert wird, so daß eine vorgegebene Winkellage eingestellt wird, und mindestens eine ebene Kontaktfläche (19) des Steckers (1 ) und mindestens eine ebene Gegenkontaktfläche (20) der Buchse (2), in die der Stecker (1) gesetzt wird, durch Glättung in bezug auf eine Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls ausgerichtet werden.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Kontaktfläche (19) des Steckers (1) und die mindestens eine Gegenkontaktfläche (20) der Buchse (2) mechanisch geglättet, bevorzugt poliert, geläppt oder diamantgedreht werden.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, daß die mindestens eine Kontaktfläche (19) und/oder die mindestens eine Gegenkontaktfläche (20) vor der Glättung gehärtet oder mit gehärtetem
Material belegt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß Kontakt- und Gegenkontaktfläche (19, 20) senkrecht in bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Licht- Strahls ausgerichtet werden, bevorzugt mittels eines Rotationsmeßverfahrens.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Qualität der Glättung der Kontakt- und/oder Gegenkontaktfläche (19, 20) mittels Interferenzmessungen überprüft werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß eine Justierung des Abstandes von Lichtaustrittsfläche (10) und Kollimator (9) mittels Divergenzmini- mierung erfolgt.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß durch Nachpolieren der Kontaktfläche (19) und/oder der Gegenkontaktfläche (20) eine Feineinstellung der Winkellage des Lichtstrahls vorgenommen wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwel- lenleiter (7) und /oder die Fassung und/oder das erste Steckerteil (3) miteinander verklebt, verlötet oder verschweißt werden.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine Arretierung des zweiten Steckerteils (4, 31) relativ zum ersten Steckerteil (3) mittels Federkraft er- folgt.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, daß erstes und zweites Steckerteil (3, 4, 31) arretiert in ein drittes Steckerteil (5, 30) eingesetzt werden und der Lichtstrahl in bezug auf seine Parallellage durch Verschieben des ersten und zweiten Steckerteils (3, 4, 31) relativ zum dritten Steckerteil (5, 30) in einer zum Lichtstrahl senkrechten Ebene ausgerichtet wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß eine radiale Justierung des Steckers (1) in der Buchse (2) mittels eines Zentrierrings (24) und dessen Arretierung erfolgt
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