DE2851654C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtwellenleiter-Abzweigelement nach dem Strahlteilerprinzip gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Ein Abzweigelement der genannten Art ist aus IBM Techn. Discl. Bull., Vol. 16, No. 1, June 1973, S. 146-147 bekannt. Bei diesem Element sind die fluchtenden Lichtwellenleiter und das Strahlteilerelement in einem Tragkörper aus Epoxidharz einge­ gossen. Der abzweigende Lichtwellenleiter ist in einen weiteren Tragkörper aus Epoxidharz eingegossen, der an den einen Trag­ körper ansetzbar ist. Zwischen den fluchtenden Lichtwellen­ leitern und dem abzweigenden Lichtwellenleiter besteht ein Abstand, welcher etwa der halben Dicke des einen Tragkörpers entspricht.

Aus der DE 28 42 535 A1 ist ein Abzweigelement nach dem Strahl­ teilerprinzip bekannt, das sich von dem Abzweigelement der ein­ gangs genannten Art nur dadurch unterscheidet, daß zwischen dem Tragkörper und dem weiteren Tragkörper eine Gradientenlinse an­ geordnet ist, die das aus dem einen der fluchtenden Lichtwellen­ leiter austretende und von der Spiegelschicht reflektierte Licht auf den abzweigenden Lichtwellenleiter kollimiert.

Aus Appl. Optics, Vol. 15, No. 9, Sept. 1976, S. 2032-2033 geht ein Lichtwellenleiter-Abzweigelement nach dem Strahlteilerprin­ zip hervor, bei dem das Strahlteilerelement in einem separaten Tragkörper angeordnet ist, von dem die fluchtenden Lichtwel­ lenleiter und der abzweigende Lichtwellenleiter getrennt sind.

Aus der DE 26 14 051 A1 geht ein Abzweigelement nach dem Strahlteilerelement hervor, bei dem das Strahlteilerelement in einem Lichtleitstab ausgebildet ist, an den Lichtwellenleiter ankoppelbar sind. Das in dem Lichtleitstab dem Strahlteiler­ element zugeführte und von diesem Element reflektierte Licht wird in einen abzweigenden Lichtleitstab eingekoppelt, der dieses Licht zu einem Detektor leitet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abzweigelement der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem der abzweigende Lichtwellen­ leiter dicht an die miteinander fluchtenden Lichtwellenleiter heranreicht und gegenüber diesen Lichtwellenleitern genau positioniert und justiert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Abzweigelement kann der abzweigende Lichtwellenleiter an den einen der fluchtenden Lichtwellenlei­ ter oder das Strahlteilerelement ganz oder bis auf einen Ab­ stand von höchstens einigen 100 µm herangebracht werden, in welchem vorzugsweise eine transparente Zwischenschicht vor­ handen ist, beispielsweise eine zum Befestigen dienende transparente Kleber- oder Kittschicht. Günstiger ist es jedenfalls, wenn kein solcher Abstand vorhanden ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abzweigele­ ments gehen aus den Ansprüchen 2 und 3 hervor.

Das erfindungsgemäße Abzweigelement zeichnet sich durch seinen besonders einfachen Aufbau aus. Es benötigt keine optischen Zwischenelemente, wie beispielsweise abbildende Optiken. Es läßt sich als nicht selektiver oder auch als selektiver Ab­ zweig ausbilden, wobei im ersteren Fall ein gewöhnlicher teil­ durchlässiger Spiegel und im zweiten Fall ein frequenzselek­ tives Filter, beispielsweise ein dichroitischer Spiegel, als Strahlteilerelement zu verwenden ist. Es ist je nach verwen­ detem Strahlteilerelement für Demultiplexer im Verbund mit nicht selektiven Abzweigen sowie mit selektiven Abzweigen in gleicher Weise verwendbar.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Abzweigelements ist in der besonders einfachen Herstellungsmöglichkeit zu sehen. Ein derartiges besonders einfaches Herstellungsverfahren ist im Anspruch 4 angegeben, wobei bevorzugte Ausgestaltungen dieses Verfahrens aus den Ansprüchen 5 und 6 hervorgehen.

Die Erfindung wird anhand der Figuren in der nun folgenden Be­ schreibung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines als Ausgangskörper bei der Herstellung eines Abzweigelements dienenden Körpers aus Silizium, bei dem in eine Oberfläche eine senk­ recht zur Zeichenebene verlaufende V-Nut eingebracht ist,

Fig. 2 den Körper nach Fig. 1, in dessen V-Nut eine Kern- Mantel-Glasfaser mittels eines Klebers eingeklebt ist und die mit einem Deckplättchen abgedeckt ist,

Fig. 3 in einem vertikalen Längsschnitt (siehe Schnittlinie II-II in Fig. 2) durch die Faserachse eine Her­ stellungszwischenstufe, bei welcher bereits das in der Faser und schräg zur Faserachse angeordnete Strahl­ teilerelement hergestellt ist,

Fig. 4 in einem Längsschnitt durch die Faserachse (Schnitt­ linie II-II in Fig. 2) ein fertiggestelltes Ab­ zweigelement, welches einem herkömmlichen Abzweig­ element entspricht,

Fig. 5a und b in einem Längsschnitt durch die Faserachse und in einem Querschnitt senkrecht dazu eine Kern- Mantel-Glasfaser, deren Mantel wesentlich dicker als der Kern ist und in der schräg zur Achse bereits das Strahlteilerelement vorhanden ist, wobei der Längsschnitt längs der Schnittlinie V-V in Fig. 5b und der Querschnitt längs der Schnittlinie V-V, in Fig. 5a geführt ist,

Fig. 6 den in Fig. 5a gezeigten Längsschnitt, wobei im Mantel die kugelförmige Ausnehmung ausgebildet ist, in welcher der Kern der Faser freigelegt ist, und

Fig. 7 in einem längs der Faserachse und längs der Schnitt­ linie V-V in Fig. 5b geführten Längsschnitt das fertiggestellte Abzweigelement.

Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu dargestellt.

Das Abzweigelement wird anhand eines vorteilhaften Herstel­ lungsverfahrens näher erläutert. Als Ausgangsstufe dient ein Siliziumkörper 1, bei dem in eine Oberfläche 10 durch Vorzugs­ ätzen, auch unter dem Namen anisotropes Ätzen bekannt, mit Hilfe einer Maske 10, beispielsweise aus Fotolack, eine V-Nut 11 eingebracht wird (Fig. 1).

In diese V-Nut wird eine Kern-Mantel-Glasfaser 2 eingelegt, welche mittels eines optischen Klebers unter Zuhilfenahme eines auf die Faser aufgelegten Deckplättchens 20 eingeklebt wird (Fig. 2). Das Deckplättchen 20 und der Kleber sollen licht­ durchlässig sein und den gleichen Brechungsindex wie der Mantel der Glasfaser 2 haben.

Nach dem Hartwerden des Klebers 21 dient der Körper nach Fig. 2 als der Ausgangskörper, aus dem das Abzweigelement fertig­ gestellt wird. Dazu wird zunächst der Ausgangskörper nach Fig. 2 durch einen schräg zur Achse A der Faser 2 geführten Schnitt in zwei Teile zerlegt. Der Schnitt wird dabei vorzugsweise so geführt, daß die Flächennormalen N bzw. N′ der Schnittflächen mit der Achse A einen Winkel von 45° einschließen und diese Flächennormalen in einer Ebene liegen, die in der Fig. 2 ver­ tikal verläuft und in welcher die Achse A liegt.

Die Schnittflächen werden poliert und dadurch auf optische Qualität gebracht. Auf einer der beiden polierten Schnitt­ flächen wird nun das schichtförmige Strahlteilerelement auf­ gebracht. Wenn das Strahlteilerelement aus einem teildurch­ lässigen Spiegel besteht, erfolgt dies vorzugsweise durch Aufdampfen. Wie bereits erwähnt, kann aber auch ein fre­ quenzselektives Strahlteilerelement, beispielsweise ein di­ elektrisches Vielfachschichtsystem, aufgedampft werden.

Die beiden getrennten Teile werden anschließend so zusammen­ gebracht und miteinander verklebt, daß bis auf das jetzt vor­ handene Strahlteilerelement und einer dünnen Kleberschicht 32 der ursprüngliche Körper nach Fig. 2 wieder entsteht. Um dies ohne Justierprobleme durchführen zu können, wird der Ausgangs­ körper zylindrisch gewählt, wobei der Zylindermantel parallel zur Achse A verläuft. Zylinder ist dabei im allgemeinen Sinn von Profilstab zu verstehen. In dem hier beschriebenen Fall besitzt der Ausgangskörper rechteckförmigen Querschnitt, was aus der Fig. 2 zu ersehen ist. Zum Zusammenbringen der beiden Körperteile werden diese auf die ebene Oberfläche eines mit einem geradlinig verlaufenden Anschlag versehenen Justier­ körpers so gelagert, daß sie am Anschlag anliegen und die Schnittflächen einander gegenüberliegen und parallel zueinander verlaufen. Dann werden sie durch Verschieben längs des An­ schlags zusammengebracht und mittels eines optischen Klebers miteinander verbunden. So entsteht der Körper nach Fig. 3, welcher in selbstjustierender Weise hergestellt worden ist. Die beiden getrennten Teile sind mit 3 bzw. 3′, die polierten Schnittflächen mit 30 bzw. 30′, das schichtförmige Strahl­ teilerelement, das auf die Schnittflächen 30 aufgebracht ist, mit 31 und die zum Verbinden dienende Kleberschicht zwischen der Schnittfläche 30′ und dem Strahlteilerelement 31 mit 32 bezeichnet. Das Klebermaterial muß für die in der Faser ge­ führten Wellenlängen transparent sein und sollte den gleichen Brechungsindex wie der Faserkern aufweisen.

Die Herstellungszwischenstufe nach Fig. 3 könnte von der Ober­ fläche des Deckplättchens her bis zum Fasermantel, besser noch bis zum Faserkern der Glasfaser 2, plan abgeschliffen und poliert werden, wodurch der Tragkörper entsteht. Der freilie­ gende Anteil der Glasfaser 2 erstreckte sich in diesem Fall über die ganze Länge der Faser. Auf der polierten Planfläche kann der abzweigende Wellenleiter mit dem weiteren Tragkörper unmittelbar befestigt werden. Der abzweigende Wellenleiter kann ebenfalls aus einer Kern-Mantel-Glasfaser 4, vorzugsweise aus der gleichen Faser wie die Faser 2, bestehen, die in der Öff­ nung einer Glaskapillare 4′ als weiterer Tragkörper befestigt ist. Die Kapillare 4′ und die abzweigende Faser 4 können im obigen Fall des planen Abschliffs des Deckplättchens gemeinsam mit einer Stirnfläche 40 abschließen, auf welcher die Achse A′ der Glasfaser 4 senkrecht steht. Diese Stirnfläche 40 kann auf der Planfläche 33 unmittelbar mittels eines optischen Kitts 41 befestigt werden. Die Stirnfläche 40 und die Planfläche 33 sind dabei parallel zueinander angeordnet. Die Stirnfläche 40 muß so angeordnet werden, daß die Achse A′ der Faser 4 die Achse A der Faser 2 auf der reflektierenden Fläche des Strahlteilerelements 31 nach Möglichkeit schneidet. Dies ist der optimale Fall. Es sind jedoch Versatztoleranzen zulässig, die kleiner als der Kerndurchmesser einer der Flasfasern 2 oder 3 sind. Es ist aber zu erwähnen, daß der Wirkungsgrad des Koppelelements mit zu­ nehmendem Versatz sich verschlechtert.

Die Kern-Mantel-Glasfaser 4, die in eine Kapillare 4′ einge­ bettet ist, kann durch eine einzige Kern-Mantel-Glasfaser er­ setzt werden, deren Manteldurchmesser mindestens 1 mm beträgt, bei der also der Mantel wesentlich größer als der Kern ist, der beispielsweise denselben Durchmesser wie der Kern der Faser 2 aufweisen kann und in der Größenordnung von einigen zehn bis einigen hundert Mikrometern liegt. Eine solche Faser kann als Stufenprofilfaser unproblematisch mittels der Doppeltiegel­ oder Stabmethode gezogen werden und besitzt eine ausreichende Festigkeit für Schneiden und Polieren der Stirn- oder Schnitt­ flächen, was auch bei der Stirnfläche 40 ausgeführt werden muß.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Abzweigelement anhand seines Herstellungsverfahrens näher beschrieben. Hier wird von einer Kern-Mantel-Glasfaser mit relativ zum Kern sehr dicken Mantel ausgegangen, wie sie soeben beschrieben wurde. Es können jedoch ebensogut ein Tragkörper und/oder weiterer Tragkörper nach Fig. 4 verwendet werden. Die Ausgangsfaser wird durch einen schräg im Winkel von 45° zur Achse A′′ der Faser geführ­ ten Schnitt in zwei Teile 5 und 5′ zerlegt, die Schnittflächen poliert, auf eine der beiden Schnittflächen, im vorliegenden Fall die Schnittfläche 50 des Teils 5, das schichtförmige Strahlteilerelement 51 aufgebracht und die beiden Teile nach dem bereits beschriebenen selbstjustierenden Verfahren wieder zusammengebracht und mittels eines Klebers 52, der transparent sein muß und denselben Brechungsindex wie der Faserkern besitzen sollte, miteinander verbunden. Es entsteht so der Ausgangskörper, wie er in den Fig. 5a und 5b im Längs- und Querschnitt dargestellt ist. Wie aus der Fig. 5b zu entnehmen ist, sind an den Mantel planparallele Flächen angeschliffen worden, was das selbstjustierende Zusammenfügen erleichtert. Der Schrägschnitt ist dabei so geführt worden, daß die Flächen­ normalen der Schnittflächen in einer Ebene liegen, die vertikal auf den planparallelen Flächen steht.

Mittels einer Schleif- und Polierwalze wird nun aus dem Mantel des Ausgangskörpers nach den Fig. 5a und 5b eine runde Aus­ nehmung 6 herausgearbeitet, die bis zum Kern der Faser reicht und einen Bereich 60 des Kerns freilegt. Die Wand der runden Ausnehmung bildet vorzugsweise einen Teil der Oberfläche einer Kugel. Die so erhaltene Herstellungszwischenstufe ist in der Fig. 6 im Längsschnitt dargestellt. In der Fig. 5b ist die Lage der Ausnehmung 6 noch einmal gestrichelt angedeutet.

In die runde Ausnehmung 6 wird nun eine Kern-Mantel-Glasfaser 7 mit ebenfalls relativ zum kern sehr dicken Mantel 72 eingefügt und darin befestigt. Die Stirnfläche 70 dieser Faser 7 wird dazu derart rund gestaltet, daß sie der Wandform der Ausnehmung entspricht, aber etwas kleiner bemessen ist. Beispielsweise wird das Ende der Glasfaser 7 rund poliert, so daß die Oberfläche einen Teil der Oberfläche einer Kugel bildet, die aber einen kleineren Radius besitzt, als die Kugelfläche der Ausnehmung. Es ist dabei günstig, wenn die Radiendifferenz möglichst gering ist. Die Befestigung der Faser 7 erfolgt mittels optischem Kleber 71, welcher denselben Brechungsindex wie der Faserkern aufweisen sollte. Die Faser 7 wird so an­ geordnet, daß ihre Achse A′′′ die Achse A′′ auf der spiegeln­ den Fläche des Strahlteilerelements senkrecht schneidet und die Flächennormale der Schnittfläche 50 in der durch diese beiden Achsen aufgespannten Ebene liegt.

Bei der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ab­ zweigelements bildet der Mantel der verwendeten speziellen Kern-Mantel-Glasfaser zugleich den Tragkörper der Faser. An­ stelle einer solchen Faser könnte auch eine herkömmliche Kern- Mantel-Glasfaser verwendet werden, die in einer Kapillare be­ festigt ist. Das Herstellungsverfahren würde sich bis auf die Ausgangsstufe nicht wesentlich ändern.

Allgemein kommen bei dem erfindungsgemäßen Abzweigelement in erster Linie Lichtleitfasern mit Stufen- und/oder Gradienten­ indexprofil zur Anwendung. Für den abzweigenden Wellenleiter können auch andere Fasertypen verwendet werden.

Dem erfindungsgemäßen Abzweigelement liegt die Überlegung zugrunde, daß der Lichtkegel des aus dem einen der fluchtenden Wellenleiter ausgekoppelten und vom Strahlteilerelement, an das er stumpf angrenzt, reflektierten Lichts sich in umittelbarer Umgebung des Wellenleiters sich noch unwesentlich ausgeweitet hat, so daß dieses Licht fast vollständig in einen in unmittel­ barer Nähe des Wellenleiters befindlichen abzweigenden Wellen­ leiter wieder eingekoppelt werden kann. Dazu muß nur die Licht­ eintrittsfläche des abzweigenden Wellenleiters in den Strahlen­ kegel gebracht werden und die Neigung des Wellenleiters gegen­ über diesem Kegel so gering gehalten werden, daß möglichst viele Strahlen des Kegels innerhalb des Akzeptanzwinkels des azweigenden Wellenleiters liegen. Der günstigste Fall liegt dabei vor, wenn die Achse des Lichtkegels mit der Achse des ab­ zweigenden Wellenleiters zusammenfällt. Dies läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Abzweigelement erreichen.

Das Strahlteilerelement kann auch unter einem anderen Winkel als 45° zur Achse des Wellenleiters geneigt sein. Dann ver­ läuft aber die Achse des reflektierenden Strahlenkegels nicht mehr senkrecht zur Achse der fluchtenden Wellenleiter. Der Koppelwirkungsgrad wird dadurch verschlechtert. Am günstigsten ist also der Winkel von 45°. Wird ein von 45° abweichender Winkel gewählt, so ist es zweckmäßig, auch die Achse des ab­ zweigenden Wellenleiters um den entsprechenden Differenzwinkel zu neigen.

Das erfindungsgemäße Abzweigelement ist nicht nur zum Aus­ koppeln eines Lichtanteils aus den fluchtenden Wellenleitern in den abzweigenden Wellenleiter geeignet, sondern es kann auch Licht aus dem abzweigenden Wellenleiter in die fluchtenden Wellenleiter, allerdings mit entgegengesetztem Lichtweg, ein­ gekoppelt werden.

Ein erfindungsgemäßes Abzweigelement kann auch ohne weiteres mit Hülsen umgeben und mit Steckerhälften versehen werden, wie es in der älteren Patentanmeldung P 28 42 535.6 bereits vor­ geschlagen worden ist. Auch mit Detektoren kann ein solches Koppelelement versehen werden. Außerdem kann ein frequenzselek­ tives Lichtverteilerelement, wie es in der älteren Patentanmel­ dung P 28 40 493.5 vorgeschlagen wurde, ohne weiteres reali­ siert werden, wenn lediglich die dortige Gradientenlinse durch den abzweigenden Wellenleiter mit dem weiteren Tragkörper er­ setzt wird.

Claims (6)

1. Lichtwellenleiter-Abzweigelement nach dem Strahlteiler­ prinzip, bei dem zwischen zwei im Inneren eines Tragkörpers befestigten, fluchtenden Lichtwellenleitern ein schräg zur ge­ meinsamen Achse dieser Lichtwellenleiter verlaufendes, schicht­ förmiges Strahlteilerelement (51) angeordnet ist, an dem diese fluchtenden Wellenleiter enden, und bei dem an den Tragkörper ein weiterer Tragkörper (72) angesetzt ist, in dessen Innerem ein abzweigender Lichtwellenleiter befestigt ist, der auf die fluchtenden Lichtwellenleiter derart ausgerichtet ist, daß von dem Strahlteilerelement (51) reflektiertes, unkollimiertes Licht aus einem der beiden fluchtenden Lichtwellenleiter in den abzweigenden Wellenleiter eingekoppelt wird oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem einen Tragkörper eine runde Ausnehmung (6) ausgebildet ist, in welcher einer der beiden fluchtenden Lichtwelllenleiter frei­ gelegt ist, und daß in dieser Ausnehmung (6) ein rundes Ende (70) des weiteren Tragkörpers (72) aufgenommen ist, in dem der abzweigende Lichtwellenleiter gegenüber dem freigelegten Teil des einen der beiden fluchtenden Lichtwellenleiter endet.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wellenleiter zusammen mit dem Trag­ körper und/oder der abzweigende Wellenleiter zusammen mit dem weiteren Tragkörper (72) aus einer einzigen Kern-Mantel-Glas­ faser gebildet ist, bei welcher der Manteldurchmesser minde­ stens 1 mm beträgt, so daß der Mantel relativ zum Kern sehr dick ist.

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die fluchtenden Wellenleiter aus Kern-Mantel-Glasfasern bestehen und daß die den einen dieser Wellenleiter bildende Faser im Bereich der Ausnehmung des Trag­ körpers bis zum Faserkern freigelegt ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Elements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zylindrischer Ausgangskörper, in welchem ein Lichtwellenleiter parallel zur Zylinderachse ange­ ordnet ist, durch einen schräg zur Wellenleiterachse geführten Schnitt in zwei Teile zerlegt wird, daß die beiden Schnitt­ flächen auf optische Qualität gebracht werden, daß auf einer dieser Schnittflächen das schichtförmige Strahlteilerelement aufgebracht wird, daß beide Zylinderhälften auf die ebene Oberfläche eines mit einem geradlinig verlaufenden Anschlag versehenen Justierkörpers so gelagert werden, daß sie am Anschlag anliegen und die Schnittflächen parallel einander gegenüber liegen, daß sie dann durch Verschieben längs des Anschlags zusammengebracht und miteinander verbunden werden, daß danach in einem der beiden Teile die Ausnehmung ausgebildet wird, in welcher der Wellenleiter freigelegt ist, und daß danach der auf oder in einem weiteren Tragkörper befestigte abzweigende Lichtwellenleiter in die richtige Lage zum Strahl­ teilerelement und dem Wellenleiter gebracht wird und dann der weitere Trägerkörper mit dem Tragkörper unter Beibehaltung der Lage des abzweigenden Wellenleiters fest verbunden wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in eine Oberfläche eines Siliziumkör­ pers durch Vorzugsätzen eine V-förmige Nut eingebracht wird, daß in die Nut der Lichtwellenleiter in Form einer Glasfaser eingelegt und darin mit optischem Kleber unter Zuhilfenahme eines aufliegenden Deckplättchens befestigt wird, wodurch der Ausgangskörper entsteht, und daß nach Schrägschnitt, Politur der Schnittflächen, Aufbringen des Strahlteilerelements und Zusammenfügen und Verbinden der beiden Körperteile in dem so entstandenen Element von der Oberfläche des Deckplättchens her bis zum Lichtwellenleiter die Ausnehmung ausgebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß von einem Ausgangskörper ausgegangen wird, bei welchem der Lichtwellenleiter im Inneren eines Tragkörpers befestigt ist, daß nach Schrägschnitt, Politur der Schnittflächen, Aufbringen des Strahlteilerelements und Zusam­ menfügen und Verbinden der so entstandenen Körperteile in den Tragkörper die Ausnehmung ausgebildet wird.