DE19850431A1 - Optical element for optical data transmission - Google Patents

Optical element for optical data transmission

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Abstract

The element includes an optical effective zone (11), which reflects a part (5) of an impinging beam (2) and passes through other part of the beam. The optical element has several total reflection areas (40,41) which are distributed over the zone and totally reflect parts of the beam. Preferably, the total reflection areas are formed by prism elements. The optical element is formed from plastics and the forming process generates the total reflection areas.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Datenüber­ tragung und betrifft ein optisches Element mit einer optisch wirksamen Zone, die von einer auftreffenden Strahlung einen Teil reflektiert und einen Teil hindurchtreten läßt. Derarti­ ge Elemente werden z. B. bei optischen Sendeeinrichtungen ver­ wendet, die zur Leistungsregelung des Senders mit einer soge­ nannten Monitoreinheit ausgestattet sind. Für viele Anwendun­ gen ist es nämlich wünschenswert, die Ausgangsleistung eines üblicherweise als Laserdiode ausgebildeten Senders unabhängig z. B. von Temperaturschwankungen und Alterungseffekten mög­ lichst konstant zu halten.The invention is in the field of optical data wearing and relates to an optical element with an optical effective zone from an incident radiation Part reflected and a part can pass through. Derarti Ge elements are z. B. in optical transmitters ver applies that for power control of the transmitter with a so-called called monitor unit are equipped. For many applications gen, it is desirable that the output power of a Usually designed as a laser diode transmitter e.g. B. possible of temperature fluctuations and aging effects as constant as possible.

In diesem Zusammenhang beschreibt die ältere Deutsche Pa­ tentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 197 35 925.6 ei­ ne optische Sendeeinrichtung, bei der ein optisches Element in Form eines Linsenkörpers zwischen der Emissionszone eines optischen Senders und der Empfangszone einer Monitoreinheit einerseits und einer Ankopplungszone für einen Kopplungspart­ ner andererseits angeordnet ist. Der Linsenkörper ist an sei­ ner dem Kopplungspartner zugewandten Seite mit einer optisch wirksamen Zone versehen, die als teilreflektierende Grenz­ schicht ausgebildet ist. Ein Teil der von dem Sender emit­ tierten Strahlung (Nutzstrahlungsanteil) passiert den Linsen­ körper und dessen optisch wirksame Zone und gelangt zur An­ kopplungszone, während ein ankopplungszonenseitig reflektier­ ter Anteil der emittierten Strahlung über den Linsenkörper zur Empfangszone gelangt.In this context, the older German Pa tent registration with the official file number 197 35 925.6 ei ne optical transmission device in which an optical element in the form of a lens body between the emission zone of a optical transmitter and the reception zone of a monitor unit on the one hand and a coupling zone for a coupling part ner on the other hand is arranged. The lens body is on ner the side facing the coupling partner with an optical effective zone provided as the partially reflecting border layer is formed. Part of the emit from the transmitter Radiated radiation (part of the useful radiation) passes through the lenses body and its optically effective zone and comes to the coupling zone, while a coupling zone reflecting The proportion of the radiation emitted via the lens body to the reception area.

Ein optisches Element der eingangs genannten Art geht aus der EP 0 786 838 A2 hervor und umfaßt eine optisch wirksame Zone, die einen Teil der auf sie treffenden Strahlung zur Seite des Strahlungsursprungs hin reflektiert. Die Zone ist Teil eines Strahlteilers, der einen Anteil der emittierten Strahlung auf eine Monitoreinheit zurückwirft, die auf derselben Seite wie der Sender angeordnet ist. Der Strahlteiler kann durch ent­ sprechende Aufrauhung eines Gehäusefensters realisiert sein. Grundsätzlich kann nach der EP 0 786 838 A2 die Teilreflexion durch Beugung oder Streuung an dem Strahlteiler erfolgen. In jedem Fall erfordert die Realisierung der Teilreflexion zu­ sätzliche Bauelemente und/oder eine aufwendige Oberflächenbe­ handlung oder Oberflächenbeschichtung. Derartige Behandlungen oder Beschichtungen werfen Probleme hinsichtlich der Haftfe­ stigkeit auf und verursachen entsprechend erhöhte Fertigungs­ kosten.An optical element of the type mentioned is based on the EP 0 786 838 A2 and comprises an optically active zone, which part of the radiation striking it to the side of the Radiation origin reflected. The zone is part of one Beam splitter, which has a proportion of the emitted radiation  throws back a monitor unit that is on the same side as the transmitter is arranged. The beam splitter can be ent speaking roughening of a housing window can be realized. Basically, according to EP 0 786 838 A2, partial reflection by diffraction or scattering at the beam splitter. In in any case requires the realization of partial reflection additional components and / or a complex surface action or surface coating. Such treatments or coatings pose problems with adhesion stability and cause correspondingly increased manufacturing costs.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines teil­ reflektierenden optischen Elementes, das äußerst einfach her­ zustellen ist und vorteilhafterweise integraler Bestandteil eines ohnehin erforderlichen Linsenkörpers sein kann,
Diese Aufgabe wird bei einem optischen Element der eingangs genannten Art gelöst durch eine Vielzahl von totalreflektie­ renden Bereichen, die über die Zone verteilt angeordnet sind und die jeweils Teile der Strahlung vollständig reflektieren,
Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Elements be­ steht damit darin, daß die wirksame optische Fläche oder op­ tische Zone, an der die gewünschte Teilreflexion erfolgt, in Bereiche unterteilt ist, die die auftreffende Strahlung zu­ mindest teilweise transmittieren, und in singuläre Bereichen die die Strahlung total reflektieren. Durch eine gleichmäßige Verteilung (feine Rasterung) dieser Bereiche kann eine sehr gleichmäßige Transmission bzw. Reflexion über die Zone er­ zielt werden. Ein wesentlicher weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Anzahl, Verteilung und/oder Grö­ ße bzw. geometrische Gestaltung der totalreflektierenden Be­ reiche eine einfache und reproduzierbare Einstellung des ge­ wünschten Reflexionsgrades ermöglicht ist. The object of the invention is to provide a partially reflective optical element which is extremely simple to manufacture and which can advantageously be an integral part of a lens body which is required anyway.
This object is achieved in the case of an optical element of the type mentioned at the outset by a large number of totally reflecting regions which are arranged distributed over the zone and which in each case fully reflect parts of the radiation
An essential aspect of the element according to the invention is thus that the effective optical surface or optical table, at which the desired partial reflection takes place, is divided into areas that at least partially transmit the incident radiation, and in singular areas that radiate the total reflect. A uniform distribution (fine screening) of these areas allows a very uniform transmission or reflection over the zone. A major further advantage of the invention is that the number, distribution and / or size or geometric design of the total reflecting areas allow easy and reproducible adjustment of the desired reflectance.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die vollständig reflektierenden Bereiche von prismatischen Elementen gebildet sind. Die prismatischen Elemente können dabei vorteilhafterweise eine mehrfache Totalreflexion bewir­ ken, so daß eine sehr präzise und für alle Bereiche gleich gerichtete Reflexion eines Teils der auftreffenden Strahlung realisiert ist,
Eine fertigungstechnisch besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die vollständig reflektie­ renden Bereiche von prismatischen Elementen gebildet sind.An advantageous embodiment of the invention provides that the completely reflecting areas are formed by prismatic elements. The prismatic elements can advantageously bring about a multiple total reflection, so that a very precise reflection of part of the incident radiation is achieved, which is directed in the same way for all areas.
A particularly preferred manufacturing technology embodiment of the invention is that the fully reflective areas are formed by prismatic elements.

Eine weitere fertigungstechnisch vorteilhafte Gestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Element aus Kunststoff geformt ist und die vollständig reflektierenden Bereiche beim Form­ prozeß erzeugt sind. Diese Ausgestaltung erlaubt eine beson­ ders aufwandsarme Realisierung der teilreflektierenden Eigen­ schaften des Elements, ohne daß zusätzliche Beschichtungs- oder Formgebungsschritte erforderlich sind.Another technically advantageous design of the Invention provides that the element is molded from plastic and the completely reflective areas in the form process are generated. This configuration allows a special low-cost realization of the partially reflective self shafts of the element without additional coating or Shaping steps are required.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are described below a drawing further explained; show it:

Fig. 1 eine optische Sendeeinrichtung mit einem erfin­ dungsgemäßen optischen Element, Fig. 1, an optical transmission device with an OF INVENTION to the invention the optical element,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 und Fig. 2 shows a detail from Fig. 1 and

Fig. 3 in starker Vergrößerung einen Ausschnitt aus einem weiteren optischen Element. Fig. 3 in high magnification a section of another optical element.

Fig. 1 zeigt den Strahlengang einer von einem optischen Sen­ der 1 ausgehenden Strahlung 2, die mit Hilfe eines optischen Elements 3 in einen Nutzstrahlungsanteil 4 und einen reflek­ tierten Anteil 5 aufgeteilt wird. Die Nutzstrahlung 4 gelangt über eine Kopplungsstirnfläche 7 in einen andeutungsweise dargestellten Lichtwellenleiter 8. Der Sender 1 kann als ver­ tikal emittierender Laser mit einer Emissionszone 10 ausge­ bildet sein. Anstelle des Lichtwellenleiters 8 kann selbst­ verständlich auch ein anderes optisches oder elektrooptisches Element (Wandlerelement) als optischer Kopplungspartner vor­ gesehen sein. Der wie nachfolgend noch näher erläutert an ei­ ner optische wirksamen Zone 11 des Elements 3 reflektierte Anteil 5 gelangt auf die optisch sensitive Fläche 12 einer Monitordiode 14. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist ei­ ne symmetrische Anordnung von Sender 1 und Monitordiode 14 mit einem achssymmetrischen Strahlengang dargestellt. Selbst­ verständlich sind auch davon abweichende Strahlungsgänge rea­ lisierbar, wie dies beispielsweise in der eingangs genannten älteren Deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzei­ chen 197 35 925.6 dargestellt ist. Fig. 1 shows the beam path of an outgoing from an optical Sen 1 radiation 2 , which is divided with the help of an optical element 3 into a useful radiation portion 4 and a reflected portion 5 . The useful radiation 4 passes through a coupling end face 7 into an optical waveguide 8, which is indicated in the illustration. The transmitter 1 can be formed as a vertically emitting laser with an emission zone 10 . Instead of the optical waveguide 8 , another optical or electro-optical element (converter element) can of course also be seen as an optical coupling partner. The portion 5 reflected on an optically active zone 11 of the element 3 , as explained in more detail below, reaches the optically sensitive surface 12 of a monitor diode 14 . In the exemplary embodiment shown, a symmetrical arrangement of transmitter 1 and monitor diode 14 with an axisymmetric beam path is shown. Of course, deviating radiation paths are also realizable, as is shown, for example, in the older German patent application mentioned above with the official file number 197 35 925.6.

Die Monitordiode 14 dient in an sich bekannter Weise zur Re­ gelung der Ausgangsleistung des Senders 1 und insbesondere zur Kompensation temperaturabhängiger und/oder alterungsbe­ dingter Leistungsänderungen.The monitor diode 14 is used in a manner known per se to control the output power of the transmitter 1 and in particular to compensate for temperature-dependent and / or age-related changes in power.

Die dem Lichtwellenleiter 8 zugewandte (ankopplungsseitige) Grenzfläche des Elements 3 ist dadurch als teilreflektierende optisch wirksame Zone 11 ausgebildet, daß eine Vielzahl von totalreflektierenden Bereichen vorgesehen ist,
Die in Fig. 2 dargestellte Vergrößerung des Ausschnitts A zeigt dabei einen einzigen der totalreflektierenden Bereiche 20, der als pyramidenstumpfförmige oder kegelstumpfförmige Erhebung 22 aus dem Material 24 des Elements 3 gebildet ist, Die Bereiche könnten in fertigungstechnisch besonders bevor­ zugter Art auch als Ringe, Erhebungen oder Stege ausgebildet sein, die zur Linsenachse konzentrisch angeordnet sind. Diese Stege können einen Querschnitt haben, der der in Fig. 2 ge­ zeigten Form entspricht. Ein geringer Anteil 2' der vom Sen­ der 1 (Fig. 1) emittierten Strahlung wird an der ersten Grenzfläche 22a der Erhebung 22 ein erstes Mal und an den weiteren Grenzflächen zur Außenluft bestehenden Grenzflächen 22b und 22c weitere Male reflektiert. Damit gelangt der be­ trachtete Ausschnitt 2' der emittierten Strahlung vollständig (totalreflektiert) als Anteil 5' zur Seite S des Senders 1 bzw. der Monitordiode 14 zurück. Der reflektierte Strahlungs­ anteil kann dabei vorteilhafterweise bei seinem Rückweg durch das Element 3 (erneut) geformt werden.The (coupling-side) interface of the element 3 facing the optical waveguide 8 is designed as a partially reflecting optically active zone 11 in that a large number of totally reflecting areas is provided,
The enlargement of section A shown in FIG. 2 shows a single one of the totally reflecting regions 20 , which is formed as a truncated pyramid or truncated cone 22 from the material 24 of the element 3 or webs can be formed, which are arranged concentrically to the lens axis. These webs can have a cross section which corresponds to the shape shown in FIG. 2. A small portion 2 'of the Sen of 1 (Fig. 1) radiation emitted is reflected 22 b and 22 c further times at the first boundary surface 22 a of the elevation 22 a first time and existing at the further boundary surfaces to the outside air interfaces. Thus the considered section 2 'of the emitted radiation comes back completely (totally reflected) as part 5 ' to the side S of the transmitter 1 or the monitor diode 14 . The reflected radiation portion can advantageously (again) be formed on its way back through the element 3 .

Das Element 3 weist eine erste linsenartige Seite 3a zur Strahlformung der emittierten Strahlung 2 auf.The element 3 has a first lens-like side 3 a for beam shaping of the emitted radiation 2 .

Eine Gestaltungsvariante des optischen Elements 39 wird an­ hand eines stark vergrößerten Ausschnitts des Elements in Fig. 3 weiter erläutert. Fig. 3 zeigt zwei totalreflektieren­ de Bereiche 40, 41, die als pyramidenförmige oder kegelförmi­ ge Erhebungen 42, 43 aus dem Material eines Linsenkörpers 45 gebildet sind. Der Brechungsindex n1 des Linsenkörpers ist dabei gegenüber dem Brechungsindex n2 des an die Grenzflächen 40a, 40b bzw. 41a, 41b angrenzenden Mediums (beispielsweise Umgebungsluft) derart gewählt, daß an den Grenzflächen 40a bis 41b eine Totalreflexion eintritt.A design variant of the optical element 39 is further explained using a greatly enlarged section of the element in FIG. 3. Fig. 3 shows two totally reflective areas 40 , 41 , which are formed as pyramidal or cone-shaped elevations 42 , 43 made of the material of a lens body 45 . The refractive index n 1 of the lens body is chosen relative to the refractive index n 2 of the medium adjacent to the interfaces 40 a, 40 b or 41 a, 41 b (for example ambient air) such that total reflection occurs at the interfaces 40 a to 41 b .

Neben den Bereichen 40, 41 sind Bereiche 50, 51 und 52 vorge­ sehen, die für die emittierte Strahlung vollständig durchläs­ sig sind. Damit treten Strahlungsanteile 55 unbehindert durch das optische Element 39 hindurch, während in den Bereichen 40 und 41 eine Totalreflexion der jeweiligen Strahlungsanteile 56 in gerichteter Weise (d. h. hier beispielsweise parallel) zur Seite S des Strahlungsursprungs hin erfolgt.In addition to areas 40 , 41 , areas 50 , 51 and 52 are provided which are completely permeable to the emitted radiation. Radiation components 55 thus pass through the optical element 39 unhindered, while in regions 40 and 41 total reflection of the respective radiation components 56 takes place in a directional manner (ie here, for example, parallel) to the side S of the radiation origin.

In vorteilhafter Weise kann durch entsprechend feine Vertei­ lung (Rasterung) der totalreflektierenden Bereiche 40, 41 und durch deren Anteil bzw. geometrische Formgebung in sehr fei­ ner und gleichmäßiger Weise ein gewünschtes Teilungsverhält­ nis von Nutzstrahlung 55 zu reflektierter Strahlung 56 einge­ stellt werden.Advantageously, by means of a correspondingly fine distribution (rasterization) of the totally reflecting regions 40 , 41 and by their proportion or geometric shape, a desired division ratio of useful radiation 55 to reflected radiation 56 can be set in a very fine and uniform manner.

Claims (4)

1. Optisches Element mit einer optisch wirksamen Zone (11), die von einer auftreffenden Strahlung (2) einen Teil (5) reflektiert und einen Teil (4) hindurchtreten läßt, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von totalreflektierenden Bereichen (40, 41), die über die Zone (11) verteilt angeordnet sind und die je­ weils Teile (2') der Strahlung vollständig reflektieren.1. Optical element with an optically active zone ( 11 ) which reflects a part ( 5 ) from an incident radiation ( 2 ) and lets a part ( 4 ) pass through, characterized by a multiplicity of totally reflecting regions ( 40 , 41 ) which are distributed over the zone ( 11 ) and each reflect parts ( 2 ') of the radiation completely. 2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständig reflektierenden Bereiche (40, 41) von pris­ matischen Elementen gebildet sind,2. Element according to claim 1, characterized in that the fully reflective areas ( 40 , 41 ) are formed by prismatic elements, 3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständig reflektierenden Bereiche (40, 41) aus einem Material bestehen, dessen Brechungsindex (n1)gegenüber dem Brechungsindex (n2)des angrenzenden Mediums einen derarti­ gen Unterschied aufweist, daß an den Grenzflächen (40a, 40b) der Bereiche (40) Totalreflexionen auftreten.3. Element according to claim 1 or 2, characterized in that the fully reflective regions ( 40 , 41 ) consist of a material whose refractive index (n 1 ) compared to the refractive index (n 2 ) of the adjacent medium has such a difference that total reflections occur at the interfaces ( 40 a, 40 b) of the regions ( 40 ). 4. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (3) aus Kunststoff geformt ist und die voll­ ständig reflektierenden Bereiche (40, 41) beim Formprozeß erzeugt sind.4. Element according to any one of the preceding claims, characterized in that the element ( 3 ) is molded from plastic and the fully continuously reflecting areas ( 40 , 41 ) are generated during the molding process.
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