-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Massenherstellung von Mikrolinsen am Ende einer Gruppe von optischen
Fasern von der Art eines Faserverbunds.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
optische und optoelektronische Module unter anderem für optische Telekommunikationen.
Sie betrifft insbesondere die Herstellung von Mikro-Optiken auf
Faseroptiken zur Verbesserung der Kopplung zwischen optischen und
optoelektronischen Komponenten. Diese Mikro-Optiken sind insbesondere
angepasst an Gruppenkopplungen mit aktiven Komponenten in Stäbchen, so
wie zum Beispiel Laser, Halbleiterverstärker, VCSEL oder Fotodetektoren.
-
In der Literatur findet man eine
große
Zahl von Artikeln, die Verfahren zur Einzelfertigung von Mikrolinsen
am Ende von Fasern beschreiben, die die Kopplung zwischen aktiven
Komponenten und Monomode-Fasern verbessern. Die zeitliche Entwicklung
dieser Mikro-Optiken wird beschrieben in der Veröffentlichungs-Sammlung "Microlenses Coupling
light to Optical Fibers",
Huey-Daw Wu, Frank S. Barnes, 1991, Seiten 149–213, "Microlenses Coupling Light to Optical
Fibers" IEEE lasers
and electro-optics society, 1991 [1].
-
Dagegen findet man sehr wenige Artikel,
die Kopplungsoptiken betreffen, die in Massenfertigung hergestellt
werden.
-
Die jüngsten Artikel nehmen Bezug
auf Anordnungen von Abschnitten von Fasern unterschiedlicher Art
und auf die Bildung einer Linse am Ende von Fasern, aber immer zur
Herstellung von Mikro-Optiken in Einzelfertigung.
-
Tatsächlich kennt man Optiken mit
Einzelkopplungen. Man kann das auf den Artikel von K. Shiraishi et
al. (Universität
Utsunomiya, Japan) "a
fiber with a long working distance for integrated coupling between
laser diodes and single-mode fibers". Journal of Lightwave Technology, Vol.
13, Nr. 8, Seiten 1736–1744,
August 1995 [2] beziehen, der eine Linse beschreibt, bei der die
Arbeitslänge
160 μm beträgt, für einen
Kopplungsverlust Laser-Faser von 4,2 dB und für axiale, seitliche und Winkel-Anordnungstoleranzen
von jeweils 35 μm, 2,6 μm und 0,8° für einen
zusätzlichen
Verlust von 1 dB. Die Ergebnisse wurden erhalten für einen
Laser, der bei einer Wellenlänge
von 1,49 μm
abstrahlt, mit einer Gesamt-Divergenz von 20,5° bei halber, gemittelter Höhe (d.h.
34° bei
1/e2). Es handelt sich um einen Faserabschnitt 1 ohne
einen Kern mit hemisphärischem Ende,
geschweißt
an eine Mono-Mode-Faser 2, bei der der Kern durch thermische
Behandlung, wie es in 1 dargestellt
ist, lokal verbreitert ist.
-
In einem neueren Artikel "a lensed fiber with
cascaded Gi-fiber configuration for efficient coupling between LDs
to single-mode fibers" ECOC'98, 20.–24. September,
Madrid, Spanien, Seiten 355–356
[5], schlagen Shiragi und Hiraguri eine neue Linse vor, gebildet
aus zwei Abschnitten von Multimode-Fasern verschiedener Art, deren
Fokussierungs-Parameter unterschiedlich sind, durch einen Lichtbogen
miteinander und mit einer Monomode-Faser verschweißt. Ein
hemisphärisches
Profil wird mit Hilfe einer Verschweißmaschine mit einem Lichtbogen
auf das Ende der Multimode-Faser übertragen. Man erhält Verluste
von 2 dB vor einer Laserdiode, die bei 1,3 μm abstrahlt, bei der die Gesamtdivergenz
24,9° × 19,5° im Fernfeld
auf halber Höhe
des Maximums beträgt
(entsprechend 42,2° × 33,1° bei 1/e2). Die Arbeitslänge beträgt 50 μm.
-
Wenn auch die Veröffentlichungen, die Optiken
mit Einzelkopplung von Laser-Faser betreffen, häufig sind, sind die, die Gruppenoptiken
betreffen, die für
optische Multiwegmodule bestimmt sind, seltener.
-
Man kennt ein Verfahren, das darauf
beruht, ein Mikrolinsenstäbchen
einzufügen
(nicht einteilig mit Faserbändern).
Beispielsweise gestattet die Kopplungsoptik, dargestellt durch die 2, von G. Nakagawa et al.
(Laboratorien von Fujitsu, Japan) "Highly efficient coupling between LD
array and optical faber array using Si microlens array" IEEE Photonics Technology
Letters, Vol. 5, No. 9, Seiten 1056–1058, September 1993[4], 4,8 ± 0,3 dB
durch dynamische Kopplung zwischen dem Stäbchen 4 von vier Lasern
mit einer Gesamt-Divergenz von 30° auf
halber Höhe
(entsprechend 44° bei
1/e2) und 4 Monomode-Fasern 21 , 2n durch
Vermittlung einer Matrix von Siliziumlinsen. Dieser Typ der Kopplung
kompliziert die Schritte der Zusammensetzung, da er ein zusätzliches
Element hinzufügt,
das sehr genau positioniert werden muss.
-
In 1996, J. Le Bris "High performance
semiconductor array module using tilted ribbon lensed fibre and dynamical
alignment" ECOC'96 Oslo THc.2.3,
Seite 4.93.3, von der Société Alcatel
(AAR, Frankreich) schlägt ein
Verfahren der Verlinsung auf Faserbändern vor, das darauf beruht,
ein Band von Monomode-Fasern chemisch anzugreifen und durch einen
Lichtbogen das Ende von jeder Faser des Bands umzuschmelzen. Man erhält mit diesem
Verfahren 3,6 dB an Verlusten vor einem Stäbchen von Halbleiter-Verstärkern bei
Bändern, die
in 20 × 25° falsch ausgerichtet
sind (entsprechend 34 × 42,5° bei 1/e2). Die Wellenlänge beträgt 1,55 μm.
-
Die vorbekannten Lösungen für die "Verlinsung" von Fasern (Anordnung
von Linsen am Ende von Fasern), die es gestatten, eine gute Kopplungsrate
zu erhalten, sind im Falle der Referenzen [1] bis [3] keine Massen-Verfahren.
-
Weiterhin ist der äußere Durchmesser
der Faser von 125 μm
nicht über
die gesamte Länge
der Mikro-Optik erhalten, was ein Problem für die Hybridisierung auf Plattenform-Silizium
darstellt in Prismen genauer Positionierung und für die Anordnung
in Präzisionsferrulen.
-
Das Dokument US-A-5 595 669 beschreibt
ein Massen-Herstellungsverfahren von Mikrolinsen am Ende einer Gruppe
paralleler, optischer Fasern. Dieses Verfahren umfasst einen Schritt
der Erhitzung des Endes von allen Fasern mittels eines Lichtbogens,
wobei die Endflächen
von Enden von Fasern in einer vorbestimmten Linie angeordnet werden.
Die Enden der Fasern werden jeweils sequentiell erhitzt, durch transversales
Bewegen der Enden der Fasern durch die Breite eines Lichtbogens,
wobei dessen Linie der heissesten Punkte senkrecht zu der Linie
der Endflächen
der Fasern ist und diese schneidet.
-
Für
die derzeit bekannten Massen-Verfahren sind die Kopplungsverluste
noch zu hoch. Weiterhin erfordert die Verwendung diskreter Optiken,
wie in Referenz [4] beschrieben, mehrere sukzessive Ausrichtungen,
was die Zahl der Schritte der Zusammensetzung erhöht im Verhältnis zu
Mikro-Optiken, die am Ende einer Faser angeordnet sind. Das in Referenz
[5] beschriebene Verfahren bewirkt weiterhin sehr kurze Arbeitslängen von
unterhalb 15 μm,
abgesehen davon, dass es kompliziert ist.
-
Die vorliegende Erfindung hat die
Aufgabe, die Kopplung zwischen einem Stäbchen aktiver Elemente und
einer Gruppe von ausgerichteten Fasern von der Art eines Bandes
von Fasern zu verbessern.
-
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung
ein Massen-Herstellungsverfahren von Mikrolinsen am Ende einer Gruppe
von parallelen, optischen Fasern, wie in Anspruch 1 definiert.
-
Das Verfahren gemäß der Erfindung stellt weiterhin
den Vorteil dar, dass es ein Massenverfahren ist, das also mit einer
Massenherstellung verträglich,
und sehr leistungsfähig
ist.
-
Gemäß eines anderen Merkmals der
Erfindung ist die Entfernung zwischen den Enden der optischen Fasern
und der Linie der heissesten Punkte in dem Bereich von 850 und 950
Mikrometern enthalten.
-
Vorteilhafterweise ist die Gruppe
optischer Fasern aus einem Band gebildet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Band Monomode-Fasern, deren Enden einen Abschnitt aus
Silizium umfassen, welcher an einen Faserabschnitt mit einem Gradienten
index geschweißt ist,
wobei die Mikrolinsen an dem Ende der Faserabschnitte mit Gradientenindex
gebildet werden.
-
Andere Vorteile und Besonderheiten
der Erfindung werden beim Lesen der Beschreibung klar, die hier angefügt ist,
und die nicht beschränkend
beispielhaft gedacht ist, und mit Bezug auf die Zeichnung, worin:
-
die 1 eine
Optik mit Einzelkopplung gemäß dem Stand
der Technik darstellt;
-
die 2 eine
Optik mit Gruppenkopplung gemäß dem Stand
der Technik darstellt;
-
die 3 das
Schema des Prinzips des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung
darstellt;
-
die 4 das
Schema eines Bandes von Fasern darstellt, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren "verlinst" worden sind;
-
die 5 ein
Foto eines "verlinsten" Bandes gemäß der Erfindung
darstellt.
-
Das Verfahren gemäß der Erfindung beruht auf
dem Abrunden des Endpunkts einer Gruppe von Fasern, die in der Mehrzahl
der Anwendungen als ein Band von Fasern 10 vorliegen, mit
Hilfe einer Verschweißmaschine
mit einem Lichtbogen, von der ausschließlich die Elektroden E1, E2
dargestellt sind, wobei das Band 10 von der Linie X der
heissesten Punkte entfernt angeordnet ist, in der Weise, dass die
Enden der Fasern des Bands in einer Entfernung d der Größenordnung
von Millimetern (typischerweise 900 μm) in Bezug auf diese Linie
der heissesten Punkte angeordnet sind, um auf einer Isotherme angeordnet
zu sein. Dies gestattet, entgegen der "Verlinsung" am heissen Punkt der Elektroden E1,
E2, eine hemisphärische
Form zu erhalten, die nicht nur auf allen Fasern des Bands homogen
ist, sondern auch den Durchmesser der Fasern nicht modifiziert.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird das Verfahren auf die Herstellung hemisphärischer
Linsen einer Mikro-Optik angewendet, wie sie in der Anmeldung
EP 0 825 464 des Anmelders beschrieben
wird.
-
Die Anmeldung
EP 0 825 464 betrifft eine Gruppen-Mikro-Optik,
genannt GRADISSIMO, da sie aus Abschnitten von Multimode-Fasern
mit einem GRADIENTenindex GRAD und aus Silizium SI, die sukzessiv miteinander
und mit einem Band von in der
4 mit
10 bezeichneten
Monomode-Fasern MO verschweißt sind,
gebildet ist.
-
Die Erfindung beruht auf dem Gruppen-"Verlinsen" des Endes dieser
Mikro-Optik.
-
Die Verluste sind 2,5 ± 0,05
dB vor Lasern mit 60° × 50° Gesamtdivergenz
im Fernfeld bei halber Höhe 1/e2 von der maximalen Intensität, für Arbeitslängen von
100 ± 5 μm, anstelle
von 10,5 dB für
15 μm Arbeitslänge vor
einer gespaltenen Monomode-Faser.
-
Die Verluste sind 1,4 ± 0,05
dB vor Lasern mit 21° × 21° Gesamtdivergenz
im Fernfeld bei halber Höhe 1/e2 von der maximalen Intensität, für Arbeitslängen von
100 ± 5 μm, anstelle
von 3,2 dB für
15 μm Arbeitslänge bei
einer gespaltenen Monomode-Faser.
-
Für
diese exemplarische Anwendung beruht das Verfahren auf der vorhergehenden
Herstellung des Bandes von Mikro-Optiken
10, genannt "GRADISSIMO", durch Gruppen-Verschweißungen und
-Spaltungen von Abschnitten der Fasern mit einem Gradientenindex
und aus Silizium auf einem Band von Monomode-Fasern, wie in der
Anmeldung
EP 0 825 464 beschrieben.
-
Dieses Band wird dann, in der selben
Gruppenverschweißmaschine,
die zur Herstellung des Bands "SUPERGRADISSIMO" verwendet wurde,
typischerweise 900 μm
von der gewöhnlichen
Schweißstelle
auf der optischen Achse angeordnet. Das ist möglich durch Befehl (wahlweise), der
es ermöglicht,
die Motoren und den Bogen der Verschweißmaschine durch eine RS232-Schnittstelle zu
steuern. Ein Lichtbogen wird dann ausgesendet, der ermöglicht,
das Ende von Abschnitten von Fasern mit Gradientenindex abzurunden,
wie in 3 und 4 dargestellt.
-
Der Durchmesser der Hemisphäre hängt von
der Entfernung der Lichtbogen-Faser und von dem Entladungsstrom
der Elektroden ab.
-
Beispielsweise wurde eine Verschweißmaschine
SUMITOMO vom Typ T62 verwendet.
-
Man erhält dann in der Gruppen-Weise
ein Band von Mikro-Optiken, das im Folgenden "SUPERGRADISSIMO" genannt wird, das ein hemisphärisches
Ende umfasst, wie es in den 4 und 5 dargestellt ist, das es
ermöglicht,
die Kopplungsrate vor Stäbchen
aktiver Komponenten, wie Lasern, Halbleiterverstärkern oder auch beispielsweise
Fotodioden, zu verbessern.
-
Die Fasern sind von dem heissen Punkt
entfernt angeordnet; nur der Kern der Faser mit Gradientenindex
wird in der Art umgeschmolzen, dass der äußere Durchmesser von 125 μm über die
gesamte Länge
der Mikro-Optik erhalten bleibt, einschließlich an ihrem Ende.
-
Hier nun einige Beispiele der vorhergehenden
Herstellung, ausgehend von einem Band mit 4 Wegen F1, F2, F3, F4.
-
Beispiel 1
-
Die Kopplung eines Bandes "supergradissimo" ist vor einem Laser
BRS der Wellenlänge
1,301 μm
mit 60° × 50° Gesamtdivergenz
im Fernfeld auf halber Höhe
1/e2 von dem Intensitätsmaximum hergestellt worden.
-
Die Bedingungen der Messung sind
die Nachfolgenden:
T° =
21°C, Polarisationsstrom
I = 42 mA, Referenzleistung des Lasers 10000 μW.
-
Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden
Tabelle dargestellt:
-
Beispiel 2
-
Die Kopplung eines Bandes "supergradissimo" ist vor einem Laser
BRS der Wellenlänge
1,310 μm
mit 21° × 21° Gesamtdivergenz
im Fernfeld auf halber Höhe
1/e2 von dem Intensitätsmaximum hergestellt worden.
-
Die Bedingungen der Messung sind
die Nachfolgenden:
T° =
22°C, Polarisationsstrom
I = 72,6 mA, Referenzleistung des Lasers 10000 μW.
-
Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden
Tabelle dargestellt:
-
Vergleichsweise ist wegen ihres abgerundeten
Profils die mit Hilfe eines Reflektometers des Typs WIN-R von Phonetics
gemessene Reflektivität
am Ende der Faser typischerweise –40 dB anstelle von –14,7 dB
für eine
gespaltene Faser.
-
Weiterhin beschränkt die große Arbeitslänge die nach Reflexion auf
die Faser in den Diodenlaser zurückgeleitete
Leistung. Dies ist sehr wichtig für Anwendungen der Art von Halbleiterverstärkern oder
auch Lasern mit externen Hohlräumen,
bei denen parasitäre
Reflexionen die Funktion beeinträchtigen.
-
Es wurde ein kostengünstiges
Verfahren der Gruppen-"Verlinsung" beschrieben, das
die Verbesserung der Kopplung zwischen Stäbchen aktiver Komponenten und
Bändern
von Monomode-Fasern ermöglicht, im
Vergleich zum Stand der Technik (bis 1,5 dB Verlust) für große Arbeitslängen (bis
zu 100 μm).
Und dies erfolgt in homogener Weise auf Faserbändern, wobei klar sein sollte,
dass es sich nur um ein Beispiel mit 4 Wegen handelt.
-
Die Anwendungen der Erfindung im
Bereich der Telekommunikation eignen sich sowohl gut für Verteiler-Netze
wegen ihres Gruppen- und kostengünstigen
Aspekts, als auch wegen ihrer hohen Kopplungsleistung und geringen
Reflektivitätsrate
in Übertragungsnetzen.
Die großen
Arbeitslängen,
die sie bieten, ergeben einen Vorteil für alle Anwendungen, da sie
tatsächlich
weniger kritisch zu positionieren sind und den Einfluss von Fresnel-Reflexionen
stark verringern.
-
Man kann das anhand der der Beschreibung
angefügten
Tabelle zeigen, die die erhaltenen Ergebnisse darstellt, erhalten
für den
Radius der Sphären
als Funktion der Entfernung des Faserbands und des heissen Punkts
der Elektroden E1, E2, des Stroms an die Elektroden in willkürlichen
Einheiten sowie der Entladungszeitpunkte der Elektroden. Der angegebene
Bereich für
jeden Radius entspricht der Dispersion der Werte über das
Band.
-
Man erhält Radien der hemisphärischen
Enden enthalten zwischen 68 und 110 μm mit einer Homogenität von ± 5 μm über die
4 Wege des Bands für
Entfernungen heisser Punkt/Band zwischen 830 und 920 μm. Die Bänder Nr.
286 und 295 sind Gegenstand der Ausführungsformen, die in den Beispielen
1 bzw. 2 dargestellt ist.
