DE2926003A1

DE2926003A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung von teilen eines optischen verzweigerelementes

Info

Publication number: DE2926003A1
Application number: DE19792926003
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Ing Winzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-06-27
Filing date: 1979-06-27
Publication date: 1981-01-15
Also published as: GB2053784B; FR2459987A1; GB2053784A; FR2459987B1

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München YPA 79 ρ 7 O 8 3 BRD

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Teilen eines optischen Yerzweigerelementes.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Teilen eines optischen, nach dem Strahlteilerprinzip arbeitenden Verzweigerelementes, wobei diese Teile mindestens einen Lichtwellenleiter enthalten, der zumindest mit der Normalen einer Seitenfläche einen Winkel v©n annähernd 45° einschließt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein angepaßtes Herstellungsverfahren.

Optische Verzweigerelemente nach dem Strahlteilerprinzip sind beispielsweise aus dem IKKFi-Ka ta log Nr. 79, CH 1431 - 6 QEA, 1979, Seiten 80, 82 und 83 bekannt. In einem präzise geformten, rechtwinkligen und gleichschenkligen Teil ist dabei jeweils ein Lichtwellenleiter als Winkelhalbierende des rechten Winkels eingeschlossen. Die beiden den rechten Winkel einschließenden Seitenflächen werden anschließend mit dem eingeschlos-. 20 senen Lichtwellenleiter poliert. Durch präzises Zusammenfügen mehrerer derartiger Teile unter Zwischenschaltung eines teildurchlässigen Spiegels, beispielsweise

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einer dünnen Metallschicht oder eines dielektrischen Spiegels, wird ein Verzweigerelement gebildet. Das Anschleifen der optischen Facetten in den Spitzen dieser einzelnen Teile verursacht erhebliche Schwierigkeiten. Die Spitzen der Lichtwellenleiter können beim Schleifen leicht abbrechen, so daß diese Teile dann für einen verlustarmen Übergang nicht mehr verwendbar sind.

Es sind auch bereits andere optische Terzweigerelemente nach dem Strahlteilerprinzip vorgeschlagen, bei denen zunächst an einen durchgehenden Lichtwellenleiter weitere Lichtwellenleiter stumpf anstoßen. Die Lichtwellenleiter sind dabei in Führungsnuten, beispielsweise eines Silizium-Plättchens oder eines anderen Substrates, geführt und mit einem Deckel durch Terkitten fixiert. Dieses "Sandwich" wird anschließend unter 45° zu den Lichtwellenleitern im Ereuzungspunkt dieser Lichtwellenleiter durchtrennt. Anschließend werden die Trennflächen optisch planpoliert, eine Trennfläche verspiegelt und die beiden Teile wieder exakt zusammengefügt und verkittet. Ein Ausbrechen der Lichtwellenleiterenden beim Schleifen ist hierbei ausgeschlossen, so daß sich bereits mit hoher Ausbeute optische Verzweigerelemente mit sehr geringen Übertragungsverlusten herstellen lassen.

Der vorliegenden Erfindung liegt, die Aufgabe zugrunde, den Herstellungsaufwand weiter zu reduzieren, insbesondere eine automatische Fertigung dieser Verzweigerelemente oder Teilen von diesen mit großen Stückzahlen wirtschaftlich zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Formkörper mit mindestens einer Präzisionsaussparung zur Aufnähme einer Vergußmasse und einer Führungsnut je vorge-

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sehenem Lichtwellenleiter gelöst. Der Formkörper kann dabei lediglich eine Präzisionsaussparung aufweisen, deren Form dem gewünschten Teil des YerZweigerelementes entspricht. Insbesondere für die Herstellung großer Stückzahlen ist es aber vorteilhaft auch möglich, in dem Formkörper gleichzeitig zwei oder mehrere Präzisionsaussparungen vorzusehen und beispielsweise so anzuordnen, daß zumindest ein Lichtwellenleiter gemeinsam für alle Präzisionsaussparungen vorgesehen werden kann.

Für die Herstellung einer Hälfte des optischen Yerzweigerelementes mit zwei senkrecht zueinander stehenden Lichtwellenleitern ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß sich die Achsen der beiden Führungsnuten auf der Kante der Präzisionsaussparung, mit der sie jeweils einen Winkel von 45° einschließen, schneiden. Die Lichtwellenleiter werden dann nacheinander derart eingelegt, daß der zweite mit seiner Stirnfläche stumpf an den ersten anstößt. Um den Schnittpunkt dieser beiden Lichtwellenleiter auch nach dem Einlegen noch korrigieren zu können, ist eine Führungsnut in dem der Präzisionsaussparung abgewandten Teil konisch ausgebildet. Zusätzlich ist ein separates Justierteil mit einer Führungs nut außerhalb des Formkörpers vorgesehen. Mit Hilfe dieses Justierteiles ist die genaue Justierung des in der konisch ausgebildeten Führungnut liegenden Lichtwellenleiters an der Stoßstelle mit dem durchgehenden Lichtwellenleiter möglich. Diese Justierung wird einmalig ausgeführt. Das Justierteil wird anschließend mit dem Formkörper starr verbunden. Die gewünschten Teile können hergestellt werden, indem die Präzisionsaussparungen nach Einlegen der Lichtwellenleiter in die Führungsnuten mit einer Vergußmasse ausgefüllt werden. Dabei ist lediglich sicherzustellen, daß die Lichtwellenleiter während dieses Vorganges unverrückbar festliegen.

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Für eine definierte Oberfläche des herzustellenden Teils ist es vorteilhaft, daß der Formkörper mit einem Deckel verschließbar ist. Dieser Deckel sorgt dann gleichzeitig fiir die Fixierung der Lichtwellenleiter. Es kann sich dabei im einfachsten Fall um einen ebenen Deckel handeln oder aber auch um einen Deckel, der eine Kopie des Formkörpers darstellt.

Für ein problemloses Herauslösen der fertigen Teile aus dem Formwerkzeug ist vorgesehen, daß die Präzisionsaussparucgeinen Auswurfstempel aufweist.

Wie bereits ausgeführt, müssen die fertigen Teile zumindest entlang einer Fläche mit dem eingeschlossenen Lichtwellenleiter optisch planpoliert werden. Um den notwendigen Schleifvorgang zu erleichtern und die genaue Winkellage innerhalb enger Toleranzen einhalten zu können, ist vorgesehen, daß der Formkörper entlang der Kante der Präzisionsaussparung, die die Achsen der Führungs-

nuten unter 45° schneidet, eine oder mehrere Mulden aufweist. Insbesondere ist dabei vorgesehen, daß eine dieser Mulden im Bereich des Schnittpunktes der Achsen der Führungsnuten und der Kante liegt. Diese Mulden können dabei in Form einer Tiertelkugel ausgebildet sein, so daß beim Vergießen mit einem Deckel, der beispielsweise eine Kopie des Formkörpers darstellt, warzenförmige Erhöhungen an der zu schleifenden Fläche entstehen. Beim Schleifen müssen dann lediglich diese Erhöhungen abpoliert werden. Weiterhin kann die Mulde im Bereich der Koppelstelle zweier Lichtwellenleiter dazu verwendet werden, daß zunächst nur die Mulde mit einem aushärtenden Kleber vergossen wird und damit die Lichtwellenleiter im Bereich ihrer Koppelstelle in ihrer Lage zueinander fixiert werden. Im Formkörper ist beispielsweise hierzu eine zusätzliche Dosierein-

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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß in die Präzisionsaussparung Formzapfen hineinragen, deren Achsen mit den Achsen der Führungsnuten fluchten. In den fertigen Vergußteilen ergeben sich dadurch an den Außenflächen zylinderförmige Senkungen im Bereich der Lichtvellenleiter, in die beispielsweise Glaskapillaren eingesetzt werden können. Ein derartig bestücktes fertiges Verzweigerelement kann in ein Gehäuse eingebaut werden, das eine der Anzahl der Lichtwellenleiter entsprechende Zahl von Bohrungen besitzt und — wie bereits vorgeschlagen — mit Steckern versehen ist, die in bezug auf die Achsen der Lichtwellenleiter am Gehäuse justiert und anschließend fixiert sind. Die Glaskapillaren haben dabei die Funktion, den Druck der später anzukoppelnden Gegenstecker aufzunehmen und auf eine größere Fläche der Vergußmasse zu verteilen, damit die empfindlichen Stirnflächen der Lichtwellenleiter des ' Verzweigerelementes nicht beschädigt werden.

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Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens zur Herstellung von Teilen eines Verzweigerelementes sind in den Ausführungsbeispielen angegeben, die im folgenden anhand von sieben Figuren näher beschrieben und erläutert werden.

Fig.1 zeigt dabei eine mögliche Ausbildung des unteren Teiles einer "Vorrichtung zur Herstellung einer Hälfte eines Verzweigerelementes. 10

Fig.1a zeigt einen vergrößerten Schnitt durch beide Teile der Vorrichtung im Bereich eines Formzapfens.

Fig.2 zeigt die weitere Bearbeitung einer ausgeworfenen Hälfte eines Verzweigerelementes.

Fig.3 zeigt ein aus zwei derartigen Hälften hergestelltes Verzweigerelement.·

Fig.4 zeigt eine mit der gleichen Vorrichtung gemäß Fig.1 herstellbare andere Ausführungsform einer Elementhälfte.

Fig.5 zeigen zwei Varianten eines kompletten Verzweiger-¹^² elementes mit Gehäuse und Steckern.

Fig.7 zeigt in einer Draufsicht entsprechend der Fig.1

die untere Hälfte einer Vorrichtung zur gleichzeitigen Herstellung beider Elementhälften. 30

Fig.1 zeigt in Draufsicht den unteren Teil 1 des Formkörpers einer Vorrichtung zur Herstellung einer Hälfte eines Verzweigerelementes mit einer Präzisionsaussparung 2. Am Boden dieser Aussparung befindet sich ein hier nicht dargestellter Auswurfstempel mit ebener

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Stempelfläche parallel zur Zeichenebene. Die Führungsnuten 4 bzw. 6 dienen zur Aufnahme der Lichtwellenleiter 9 bzw. 10. Im Bereich des Schnittpunktes dieser oeiden Lichtwellenleiter befindet sich im Formkörper eine kleine Mulde 5 in Form einer Yiertelkugel, so daß beim Vergießen bei aufgesetztem oberen Teil des Formkörpers eine warzenförmige Erhöhung entlang der Kante A-· entsteht. Strichpunktiert sind zwei weitere derartige Mulden angedeutet, die die Winkelgenauigkeit beim Schleifen noch erhöhen.

Zur Ausbildung von kreiszylinderförmigen Senkungen in den Tergußteilen im Bereich der Lichtwellenleiter 9 bzw. 10 sind in dem Formkörper Formzapfen 3a bzw. 3b vorgesehen. Fig.1a zeigt im Schnitt einen Ausschnitt durch den unteren Teil 1 des Formkörpers und den oberen Teil I des Formkörpers im Bereich eines Formzapfens, wobei die Hälften um eine kleine Strecke δ auseinandergerückt dargestellt sind. Wie dieser Figur zu entnehmen ist, weisen die beiden Formzapfenhälften 3b und HIb Führungsnuten 4 bzw. 4¹ zur Aufnahme des Lichtwellenleiters 9 auf. Beim Gießen der Hälften des Terzweigerelementes werden die beiden Teile des Formkörpers so zusammengepreßt, daß der Abstand S = Null wird.

Wie der Fig. 1-weiter zu entnehmen ist, ist die Führungsmut 6 von der Präzisionsaussparung 2 weg konisch ausgeführt, um mittels eines Teiles 7 mit einer Führungsnut 8 eine genaue Justierung des Lichtwellenleiters 10 an der Koppelstelle mit dem durchgehenden Lichtwellenleiter 9 zu ermöglichen. Diese Justierung wird an der Yergußvorrichtung einmalig ausgeführt. Diese Justierung dient dazu, daß der Achsenschnittpunkt der Lichtwellenleiter 9 und 10 genau im Zentrum der Mulde 5 liegt, d.h. auf der Kante A ^f.

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Eine Elementhälfte wird nun in der Weise hergestellt, daß zunächst der Lichtwellenleiter 9 in die Führungsnut 4 des unteren Teiles 1 des Formkörpers eingelegt wird. Dabei muß der Lichtwellenleiter 9 im Bereich des Formkörpers, zumindest aber im Bereich der Mulde 5, frei τοη jeglicher Kunststoffbeschichtung sein. An den Lichtwellenleiter 9 wird der Lichtwellenleiter 10 herangeführt. Die Stirnfläche des Lichtwellenleiters 10 muß plan und frei τοη Störungen sein. Anschließend' wird der obere Teil I des Formkörpers mit dem unteren Teil 1 fest verbunden und die Präzisionsaussparung 2 mit der Vergußmasse ausgegossen. Nach dem Aushärten kann die Elementhälfte ausgeworfen werden. Als Tergußmasse wird vorteilhaft ein optisch transparentes Material verwendet. Die Tergußmasse sollte zudem schnell aushärten.

Es ist jedoch auch denkbar, daß vor dem totalen Ausgießen der Präzisionsaussparung 2 die Lichtwellenleiter 9 und zunächst nur im Bereich der Mulde mit einer optischen Masse verklebt werden. Im Formkörper ist hierzu eine zusätzliche Dosiereinrichtung vorzusehen. Besonders geeignet kann ein optischer Kleber sein, der schnell bei UV-Belichtung aushärtet. Bei Verwendung eines solchen Klebers muß eine UY-Lampe den Bereich der Mulde 5 beleuchten können, was z.B. dadurch ermöglicht wird, daß der obere Teil I des Formkörpers einen entfernbaren Deckel besitzt. Nach dem Aushärten des optischen Klebers wird dann die gesamte Präzisionsaussparung 2 mit einer Tergußmasse gefüllt. Wichtig ist, daß sich die Tergußmasse innig mit der Oberfläche der Lichtwellenleiter und dem optischen Kleber verbindet.

In Fig.2a ist die ausgeworfene Hälfte 111 des Terzweigerelementes dargestellt, die aus dem Tergußteil 11 mit den Lichtwellenleitern 9 und 10 besteht. In die beiden durch

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die Fonnzapfen 3a bzw. 3b gebildeten kreiszylinderförmigen Senkungen sind über die Lichtwellenleiter bereits Glaskapillaren 12a und 12b gestülpt, die mit den Lichtwellenleitern und dem Tergußteil 11 verkittet werden müssen. Die Elementhälfte 111 wird nun an den drei Außenflächen Fg, Fg¹ und F^₀ senkrecht zur durch die Lichtwellenleiter aufgespannten Ebene planpoliert, so daß optische Flächen im Bereich der Glaskapillaren 12a und 12b und an der optischen Koppelstelle der Lichtwellenleiter 9 und 10 entstehen. Da im Bereich der Koppelstelle nur die Warze 13 abpoliert werden muß, ist durch die für die Politur große Basisfläche Fq¹ gewährleistet, daß die kritische Flächenlage (Schnittpunkt der Faserachsen exakt in der 45° Stirnfläche Fg') innerhalb enger Toleranzen eingehalten werden kann. Die polierte Elementhälfte zeigt die Fig.2b. Fig.2c zeigt einen vergrößerten Ausschnitt um die Koppelstelle.

Die Stirnfläche Fg¹ wird nun in bekannter Weise mit einem Strahlteilerspiegel 15 versehen und anschließend mit einer unverspiegelten, aber sonst identischen Elementhälfte 112 entsprechend der Fig.3 zu einem Yerzweigerelement 110 optisch verkittet. Dabei ist darauf zu achten, daß die Achsen aller vier Lichtwellenleiterabschnitte exakt fluchten. Die Montage wird sehr erleichtert, wenn man die Flächen Fg und F..Q als Bezugsflächen benutzt und das Zusammenfügen der beiden Elementhälften 111 und 112 auf einer planen Montageplatte mit Anschlagkanten vornimmt.

Eine der Fig.2a entsprechende andere Ausführungsform einer Elementhälfte zeigt die Fig.4. Gleiche Teile sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen. In diesem Fall sind statt der Glaskapillaren Lichtwellenleiter-Kabelarmierungen 14a und 14b über die freiliegenden Enden der ' Lichtwellenleiter gestülpt und mit dem Tergußteil 11 ver-

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kittet. Die Politur der 45° Stirnfläche P_g» wird wie zuvor durchgeführt. Anschließend werden wieder zwei Elementhälften, eine davon verspiegelt analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig.3, verkittet. Dieses verkittete Verzweigerelement kann schließlich noch äußerlich zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Kittfläche und zu ihrem Schutz vergossen werden, so daß nur die vier Kabelenden freiliegen.

In der Fig.5 ist dargestellt, wie ein Verzweigerelement 110 gemäß der Fig.3 in einem Gehäuse 16 eingebaut ist, das vier Bohrungen 17a bis 17d besitzt. Im Bereich dieser Bohrungen werden außen auf dem Gehäuse Flansche 18a bis 18d in Bezug auf die Achsen der Lichtwellenleiter justiert und anschließend fixiert. Durch Präzisionsbohrungen in diesen Flanschen können später externe Licht wellenleiter-Stecker mit ihren Stirnflächen direkt an die Stirnflächen des Verzweigerelementes 110 angekoppelt werden. Die Glaskapillaren 12a bis 12d haben dabei die Funktion, den Druck dieser Stecker aufzunehmen und auf eine größere Fläche der Vergußmasse zu verteilen, damit die empfindlichen Stirnflächen der Lichtwellenleiter des Verzweigerelementes nicht beschädigt werden.

Fig.6 zeigt eine andere Ausführungsform mit einem Verzwei gerelement 110¹, bei dem längere Glaskapillaren 12a¹ bis 12d' in die Senkungen der Vergußteile eingekittet sind. Dadurch können direkt auf diese Glaskapillaren Gewindeflansche aufgesetzt und beispielsweise durch eine Gehäuse umspritzung 21 mit dem Verzweigerelement 110^f starr verbunden werden. Auf die Gewindeflansche werden bezüglich der Achsen der Lichtwellenleiter zentrierte Präzisionshülsen 20a bis 2Od aufgesetzt. Die so gebildeten Stecker können in üblicher Weise mit externen Gegensteckern verbunden werden.

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Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Herstellung beider Elementhälften. Gleiche Teile sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen wie bei der Fig.1 versehen. Dabei sind für die Teile der zweiten Elementhälfte die Bezugszeichen mit einem zusätzlichen Strich gekennzeichnet. Bei dieser Ausführungsform der Vergußvorrichtung ist die Mulde 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Fig.1 durch eine Lücke zwischen den beiden Stegen 5a¹ und 5b¹ ersetzt. Vorteilhaft ist es auch hier, als Verbindung der beiden "Rohlinge" nur einen kreiszylinderförmigen Zapfen anstelle der früheren Warze zu erzeugen. Alle übrigen Verfahrensschritte zur Erzeugung eines Verzweigerelementes entsprechen den zuvor beschriebenen.

7 Figuren

12 Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche:

Torrichtung zur Herstellung von Teilen eines optischen, nach dem Strahlteilerprinzip arbeitenden Terzweigerelementes, wobei diese Teile mindestens einen Lichtwellenleiter enthalten, der zumindest mit der Normalen einer Seitenfläche einen Winkel von annähernd 45° einschließt, gekennzeichnet durch einen Formkörper mit mindestens einer Präzisionsaussparung (2) zur Aufnahme einer Vergußmasse und einer Führungsnut (4,6) je vorgesehenem Lichtwellenleiter (9,10).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit zwei Führungsnuten je Präzisionsaussparung, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Achsen dieser beiden Nuten (4,6) auf der Kante (Aq') der Präzisionsaussparung (2), mit der sie jeweils einen Winkel von 45° einschließen, schneiden.
3. Torrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Führungsnut (6) in dem der Präzisionsaussparung (2) abgewandten Teil konisch ausgebildet ist und daß ein zusätzliches Justierteil (7) mit einer Führungsnut (8) Torgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Formkörper mit einem Deckel verschließbar ist.
5. Torrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Deckel eine Kopie des Formkörpers darstellt.
6. Torrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Präzisions-

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"²~ 79 ρ 7 O 8 3 BRO aussparung (2) einen Auswurfstempel aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Formkörper entlang der Kante (Aq¹) der Präzisionsaussparung (2), die die Achsen der Führungsnuten (4, 6) unter 45° schneidet, eine oder mehrere Mulden (5) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß eine Mulde (5) im Bereich des Schnittpunktes der Achsen der Führungsnuten (4, 6) und der Kante (Aq¹) liegt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die Präzisionsaussparung (2) Formzapfen (3a, 3b) hineinragen, deren Achsen mit den Achsen der Führungsnuten (4, 6) fluchten.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergußmasse optisch transpartent ist.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergußmasse im Bereich der Mulde (5) optisch transparent ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Teiles eines Verzweigerelementes mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennze ichnet, daß in die Führungsnuten (4, 6) des Formkörpers Lichtwellenleiter (9, 10) eingelegt und ggf. zueinander justiert werden, daß die Präzisionsaussparung (2) mit einer Vergußmasse ausgefüllt wird und daß nach dem Aushärten dieser Masse die Flächen, deren Normalen die

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Lichtwellenleiter (9, 10) unter 45° schneiden, optisch planpoliert werden.

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