DE69309748T2

DE69309748T2 - Verfahren zur Bildung einer asymmetrischen Mikrolinse am Ende einer optischen Faser

Info

Publication number: DE69309748T2
Application number: DE69309748T
Authority: DE
Inventors: Herman Melvin Presby
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1993-02-17
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2013-02-18
Also published as: KR0155393B1; CA2085498C; SG65542A1; EP0558230A1; KR930017829A; JPH0643336A; US5256851A; EP0558230B1; DE69309748D1; CA2085498A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft das Ankoppeln von Lichtleitfasern an elliptische Lichtstrahlen mittels Mikrolinsen, die an dem Endabsahnitt der jeweils verwendeten Lichtleitfaser ausgebildet werden.

Hintergrund der Erfindung

Symmetrische Mikrolinsen werden mittels eines gepulsten Laserstrahls hergestellt, der so auf den Endabschnitt einer Lichtleitfaser fokusiert wird, daß durch Abschmelzen nach und nach die Außenfläche einer Linse entsteht (siehe das amerikanische Patent Nr. 4,932,989, das am 12. Juni 1990 für H.M. Presby ausgegeben wurde und hier durch Bezugnahme aufgenommen wird) . Die Lehren von Presby werden auch in dem amerikanischen Patent Nr. 5,011,254 verwendet, das für C.A. Edwards und H.M. Presby ausgegeben wurde und hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Das Patent betrifft die Herstellung von Lichtleitfasern mit hyperbolisch geformten Mikrolinsen. Beim Einkoppeln von Licht aus Lichtquellen, wie z.B. von Halbleiterlasern mit symmetrischen Modenausgangssignalen, in Monomodenfasern und beim Einkoppeln von Licht aus den Monomodenfasern in Detektoren mittels hyperbolisch geformter Lichtleitfasermikrolinsen läßt sich ein Koppelwirkungsgrad von mehr als 90% erreichen bei Verwendung der Lehren von C.A. Edwards und H.M. Presby.
Solche Mikrolinsen ermöglichen zwar einen relativ hohen Koppelwirkungsgrad, sie sind jedoch lediglich für Laser mit einem symmetrischen Modenausgangssignal geeignet. Bei diesen Lasern sind die Profile des Ausgangsstrahls kreisförmig ausgebildet oder sie weisen ein Elliptizitätsverhältnis auf, das dicht bei 1:1 liegt, d.h., daß die Divergenz des Ausgangsstrahls des Lasers entlang einer parallel zu der Übergangsebene des Lasers verlaufenden Achse und einer senkrecht auf dieser Ebene stehenden Achse im wesentlichen gleich ist. Viele Laser weisen jedoch einen von der Laserfacette ausgehenden stark elliptisch geformten Strahl auf. Bei mit Erbium dotierten Lichtleitfaserverstärkern, die bei einer Wellenlänge von 0,98 µm gepumpt werden, zeigen die gegenwärtig verfügbaren Pumplaserdioden beispielsweise starke Modenasymmetrien, die typischerweise bei 2,5:1 und mehr liegen. Es gibt auch viele Hochleistungslaseranordnungen, die zum Pumpen von mit Erbium dotierten Verstärkern bei einer Wellenlänge von 1,48 µm verwendet werden und nicht kreisförmige Ausgangsstrahlen aufweisen. Das Ankoppeln dieser Laser läßt sich entsprechend verbessern.
Die Verwendung von symmetrischen Mikrolinsen zum Ankoppeln solcher Laser mit einer starken Modenasymmetrie an Lichtleitfasern führt zu einer merklichen Verschlechterung des Koppelwirkungsgrades. Eine entsprechende Abnahme des Koppelwirkungsgrades ist in Fig. 1 dargestellt, in der die Kopplungsdämpfung oder der Koppelverlust (in dB) als Funktion der Modenabmessung x und y dargestellt ist. Die Darstellung beruht auf der Annahme einer Kopplung zwischen einem einfallenden Gauss'schen Laserstrahl, der in paralleler Richtung und in senkrechter Richtung zu der Übergangsebene unterschiedliche Winkel bei der Strahldivergenz aufweist, mit der kreisförmigen Mode einer Monomodenfaser. Aus der Darstellung ist zu erkennen, daß eine Strahlungsasymmetrie von beispielsweise 3:1 beim Ankoppeln an einer Lichtleitfaser einen Dämpfungsverlust von mehr als 2 dB mit sich bringt.
Auf Grund der Schwierigkeiten bei der Schaffung einer effizienten Kopplung zwischen einem Laser mit einem stark ellipsenförmigen Strahl und einer Lichtleitfaser ist das Einkoppeln verwendbarer Pumpleistungen in einer Monomodenfaser im allgemeinen streng begrenzt. Obgleich sich mit den hyperbolisch geformten Mikrolinsen von Edwards und Prisby (siehe oben) die Dämpfungen beseitigen oder zumindest verringern lassen, ergibt sich für im Querschnitt ellipsenförmige Strahlen mit einer Exzentrizität von mehr als 3:1 aufgrund von anderen Faktoren, wie z.B. nichtübereinstimmende Querschnittsflächen des Strahls oder einer sphärischen Aberation, nach wie vor ein Kopplungsverlust von etwa 2 dB. Maximale Koppelwirkungsgrade zwischen solchen Laserstrahlen und Lichtleitfasern, die bei Verwendung symmetrischer Mikrolinsen bisher erreicht wurden, liegen lediglich bei etwa 50%, wobei Werte zwischen 25 und 35% typischer sind. Da etwa die Hälfte des Laserausgangssignals nicht genutzt wird, bedeutet dies, daß der Laser mit höheren Strömen betrieben werden muß, um die gleiche eingekoppelte Leistung in einer Lichtleitfaser zu erhalten, wie sie sich bei einem effizienteren Kopplungsverfahren ergeben würde. Ein Laserbetrieb mit höheren Strömen führt zu einer stärkeren Wärmeerzeugung Diese Wärme muß wieder abgeführt werden, so daß sich Fragen bezüglich der Langzeitstabilität und der Zuverlässigkeit des Lasers selbst stellen.
Es wurde auch über Versuche zum Einkoppeln elliptischer Strahlen unter Verwendung nichtsymmetrischer Linsen berichtet, wobei extern angebrachte zylindrische Linsen und eine keilförmige Faserendfläche verwendet wurden (siehe M.Saruwatari et al. "Semiconductor Laser to Single-Mode Fiber coupler", Applied Optics, Band 18, Nr. 11, 1979, Seiten 1847 - 1856, und V.S. Shah et al. "Efficient Power Coupling from a 980 nm, Broad Area Laser to a Single-Mode Fiber Using a Wedge-Shaped Fiber Endf ace", J. Lightwave Technology, Band 8, Nr. 9, 1990, Seiten 1313 - 1318). Im letztgenannten Fall wird mit der Keilform eine zylinderförmige Linse approximiert, wobei sich ein Koppelwirkungsgrad von 47% ergibt.
Für eine optimale Ankopplung ist somit eindeutig eine asymmetrische Mikrolinse erforderlich, durch die der ellipsenförmige Ausgangsstrahl eines Lasers so umgeformt wird, daß er an das Modenprofil einer kreisförmigen Monomodenfaser angepaßt ist. Es ist daher wünschenswert, auf effiziente und reproduzierbare Art und Weise gesteuert asymmetrische Mikrolinsen herstellen zu können.
Beispiele für asymmetrische Linsen werden in der DE-A- 3134508; in der EP-A-0086155; in der DE-A-2824478; in der GB-A-2110853; in den Patent Abstracts of Japan, Band 12, Nr. 431 (P-786), November 1988 und in der JP-A-63163806 beschrieben.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung asymmetrischer Mikrolinsen auf Lichtleitfasern. Ein Endteil einer Lichtleitfaser, die um ihre Längsachse gedreht wird, wird durch einen gepulsten Laserstrahl erhitzt und abgeschmolzen. Durch den gepulsten Laserstrahl wird die Oberfläche entlang einer von zwei orthogonalen Achsen, die senkrecht auf der Längsachse der Lichtleitfaser stehen so abgetragen oder abgeschmolzen, daß eine asymmetrische Mikrolinse mit einem ellipsenförmigen Querschnitt entsteht. Mit diesem Verfahren lassen sich Koppelwirkungsgrade in der Größenordnung von 90% erreichen.
Die asymmetrischen Mikrolinsen werden am Ende einer Lichtleitfaser ausgebildet, wobei vorzugsweise entlang einer von zwei orthogonalen Achsen, die senkrecht auf der Längsachse stehen, die Oberfläche abgetragen oder abgeschmolzen und das darunter liegende Material mittels eines Laserstrahles erhitzt wird. Das Abschmelzen erfolgt hierbei an den gegenüberliegenden Enden dieser Achse. Der Krümmungsradius der Mikrolinsen wird durch eine Bewegung der Lichtleitfaser in vorbestimmten Bewegungsabläufen senkrecht zu dem Lichtstrahl bestimmt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem für die Kopplung eines Laserstrahls mit der kreisförmigen Mode einer Monomodenlichtleitfaser die Kopplungsdämpfung (in dB) als Funktion der Modenabmessungen x und y dargestellt ist;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer hyperbolischen Mikrolinse am Ende einer Lichtleitfaser;
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer asymmetrischen Mikrolinse, die aus der in Fig. 2 dargestellten Mikrolinse erfindungsgemäß hergestellt wurde;
Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung das Endteil einer Lichtleitfaser vor der Bildung einer Mikrolinse;
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer asymmetrischen hyperbolischen Mikrolinse, die an dem Endteil der in Fig. 4 dargestellten Lichtleitfaser erfindungsgemäß ausgebildet wurde;
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Laser- Mikrobearbeitungsvorrichtung zur Herstellung asymmetrischer Mikrolinsen an den Enden von Lichtleitfasern;
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Nahfeldausgangssignals eines 0.98 µm Lasers mit einer Strahlungselliptizität, die nahe bei 3:1 liegt; und
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Nahfeldausgangssignals einer asymmetrischen hyperbolischen Mikrolinse, deren Elliptizität nahe bei 3:1 liegt.

Ausführliche Beschreibung

Zur Erhöhung des Koppelwirkungsgrades zwischen einem stark elliptischen Lichtstrahl und einer Lichtleitfaser, wie z.B. zwischen einem Laser mit einer elliptischen Mode und einer Lichtleitfaser mit einer kreisförmigen Mode, muß die elliptische Mode der Laserdiode an die kreisförmige Monomode der Lichtleitfaser angepaßt werden. Durch Erzeugung einer asymmetrischen Mikrolinse unmittelbar auf dem Ende der Monomodenfaser lassen sich hohe Kopplungswirkungsgrade mit Bauelementen, wie z.B. Laser, Photodetektoren, Modulatoren usw., erreichen, die asymmetrische Modeneigenschaften aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Anpassung der elliptischen Mode des Bauelementes an die kreisformige Mode der Monomodenfaser läßt sich der Kopplungswirkungsgrad beträchtlich erhöhen. So können beispielsweise mehr als 90% des Lichtes eines von einem 0,98 µm Laser stammenden ellipsenförmigen Strahls in eine Monomodenfaser eingekoppelt werden. Bei der Kopplung einer Lichtleitfaser mit einem 1,48 µm Multimodenlasern mit elliptischen Strahlen läßt sich der Koppelwirkungsgrad bei Verwendung des gleichen Linsenbildungsverfahrens um mehr als 2 dB verbessern. Diese Ergebnisse sind um mehr als den Faktor 2 besser als andere veröffentlichte Kopplungswerte.
Asymmetrische Mikrolinsen werden erfindungsgemäß unter Verwendung einer Anordnung hergestellt, die der bei der Bildung von symmetrischen Linsen verwendeten Anordnung entspricht (siehe z.B. das amerikanische Patent 4,932,989 oder das amerikanische Patent 5,011,254, die oben bereits erwähnt wurden). Die mit einer Mikrolinse zu versehende Lichtleitfaser wird in einer Präzisionskapillarröhre gedreht, wobei sie von einem xyz-Mikromanipulator gehalten wird, der in kleinen Schritten über den durch die Beugung begrenzten fokusierten Strahl eines gepulsten CO&sub2; Laser bewegt wird. Das Endteil einer Lichtleitfaser, die um ihre Längsachse gedreht wird, wird der Einwirkung eines gepulsten Laserstrahls ausgesetzt, so daß auf dem Endteil eine asymmetrische Mikrolinse ausgebildet wird. Durch den gepulsten Laserstrahl wird vorzugsweise die Außenfläche entlang einer der orthogonalen Achsen der Lichtleitfaser an den gegenüberliegenden Enden dieser Achse abgetragen oder abgeschmolzen, was zu einem elliptischen Querschnitt des verbleibenden Teils der Faser entlang der anderen orthogonalen Achse führt. Für ein asymmetrisches Abtragen oder Abschmelzen ist es wichtig, daß der gepulste Laserstrahl mit der Lichtleitfaser senkrecht zu der Längsachse der Faser in Eingriff tritt, wobei die Pulsdauer entlang der umfangsseitigen Winkelstellung (0 und 180º) gemäß dem gewünschten Krümmungsradius und der gewünschten Exzentriztät ausgewählt wird Die ausgewählten Pulse sollten über eine ausreichend starke Intensität verfügen, um ein Abschmelzen zu erreichen und sie sollten dennoch von ausreichend kurzer Dauer sein, um an dem Endteil der Lichtleitfaser durch Erhitzen den gewünschten Krümmungsradius zu erzeugen.
Dadurch, daß das Abschmelzen im wesentlichen entlang der bei 0º und 180º liegenden Winkel oder Rotationsstellungen erfolgt, erhält die Mikrolinse einen elliptischen Querschnitt, so wie dies in den Fig. 3 und 5 dargestellt ist. Die gewünschte Exzentrizität kann empirisch bestimmt werden, indem die durch die Linse hervorgerufene Lichtverteilung gemessen und das Ausmaß der Belichtung der Linse durch den gepulsten Strahl entlang der tangentialen Ebene verändert wird. Durch die Exzentrizität der Querschnittsfläche, die durch die bevorzugte Abtragung entlang einer orthogonalen Achse, wie z.B. der Hauptachse der Ellipse, gebildet wird, ist die Exzentrizität der an dem Ende der Lichtleitfaser ausgebildeten Mikrolinse bestimmt. Dies beruht darauf, daß durch das gleichzeitige Abschmelzen und Erhitzen des Lichtleitfaserendes sowohl der Kern als auch die Endfläche der Lichtleitfaser entlang der z-Achse im Verhältnis zu der festgelegten Querschnittsfläche abgeschmolzen oder abgetragen werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird, so wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, am Ende einer Lichtleitfaser zunächst eine symmetrische Mikrolinse ausgebildet. Nach der Bildung der symmetrischen Mikrolinse wird die Drehung der Lichtleitfaser unterbrochen und gleichzeitig wird der Laserstrahl desaktiviert. Die Lichtleitfaser wird nun bezüglich des Laserstrahls so positioniert und allmählich vorwärtsbewegt, daß sie nach der erneuten Aktivierung des Laserstrahls allmählich der Querschnittskante des gepulsten Laserstrahls ausgesetzt wird, so daß die Oberfläche der symmetrischen Mikrolinse entlang einer Tangentialebene abgetragen oder abgeschmolzen wird. Anschließend wird die Lichtleitfaser in eine Stellung gedreht, die genau 180º zu der ersten Abschmelzstellung versetzt ist. Nun wird die gegenüberliegende Tangentialebene auf entsprechende Art und Weise mikrobearbeitet, was, wie in Fig. 3 dargestellt ist, zu einer asymmetrischen Mikrolinse führt, deren Exzentrizität zwischen den Krümmungsradien der Sagittalebene und der Tangentialebene liegt. Die Lichtleitfaser wird der Querschnittskante des gepulsten Laserstrahls so lange ausgesetzt, bis sich die gewünschte Linsenexzentrizität, d.h. die gewünschte Asymmetrie der Linse ergibt. Obgleich die Linse eindeutig eine asymmetrische Form aufweist, sind die Oberflächenkonturen der Linse jeweils hyperbolisch ausgebildet.
Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 4 und 5 schematisch dargestellt ist, wird die asymmetrische Mikrolinse beim Drehen der Lichtleitfaser um ihre Längsachse unmittelbar auf der Faser ausgebildet. Damit sich die gewünschte elliptische Querschnittsfläche, d.h. die gewünschte Exzentrizität der Mikrolinse ergibt, wird der gepulste Laserstrahl bei jeder Drehung inintervallen von 180º aktiviert, d.h. bei den Drehstellungen der Linse, die bei 0º und 180º liegen. Die Lichtleitfaser wird positioniert und allmählich bezüglich der Querschnittskante des Laserstrahls bewegt. Die gewünschte Asymmetrie erhält man nun durch Mikrobearbeitung einer elliptischen Querschnittsfläche, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist.
Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zur erfindungsgemäßen Herstellung einer asymmetrischen Mikrolinse am Ende einer Monomodenlichtleitfaser 11. Mit Ausnahme der Verwendung eines Drehsensors und einer xyz-Positioniereinrichtung entspricht die Vorrichtung der in den hier durch Bezugnahme aufgenommenen amerikanischen Patenten 4,932,989 und 5,011,254 beschriebenen Vorrichtung.
Die Vorrichtung 10 umfaßt einen xyz- Präzisionspositioniereinrichtung 12, durch die Lichtleitfaser 11 in vorbestimmten Schritten, wie z.B. 0,1 µm, in drei Raumrichtungen bewegbar ist. Die Lichtleitfaser 11 ist an der Positioniereinrichtung 12 durch einen Faserhalter 13 befestigt. Nach dem Einführen der Lichtleitfaser 11 in eine Durchgangsöffnung 14, die in Längsrichtung des Faserhalters 13 ausgebildet ist und einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, kann die Lichtleitfaser 11 durch die Positioniereinrichtung 12 horizontal, vertikal oder in einer beliebigen vektoriellen Kombination dieser Richtungen bewegt werden. Die Positioniereinrichtung 12 ist entweder mittels einer Steuereinrichtung 15 manuell steuerbar oder aber über einen Computer 21 programmierbar.
Die Lichtleitfaser ist an einer geeigneten Drehvorrichtung angebracht, durch die die Faser 11 mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 und 1000 Umdrehungen pro Minute um ihre Längsachse gedreht wird. Die Drehvorrichtung ist in Fig. 6 schematisch als Block 16 dargestellt. Drehvorrichtungen dieser Art sind bekannt, z.B. das von einer Mikrodrehbank angetriebene Einspannfutter und dergleichen. Das freie Endteil oder die Endfacette 17 der Lichtleitfaser 11 ragt durch die Öffnung 14, so daß nur ein relativ kurzes Endteil der Lichtleitfaser aus dem Faserhalter vorsteht. Der aus dem Faserhalter vorstehende Abschnitt der Lichtleitfaser sollte ausreichend lang sein, um an dem Ende der Faser 11 eine Mikrolinse ausbilden zu können. Andererseits sollte er wiederum so kurz sein, damit beim Abtragen oder beim Abschmelzen durch einen gepulsten Laser 18 keine Exzentrizität bei der Drehung auftritt. Geeignete Längen liegen zwischen etwa 1 mm und einigen wenigen Millimetern. Um ein Verdrehen oder ein Verdrillen der Lichtleitfaser 11 beim Drehen zu verhindern, sollte der Durchmesser der Durchgangsöf fnung 14 so ausgewählt werden, daß zwischen der Lichtleitfaser und den inneren Wänden der Durchgangsöffnung 14 eine freie Drehung erfolgt, ohne daß hierbei eine übermäßig starke Reibung zwischen der Faser und der Innenwand auftritt. Der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung 14 ist typischerweise bis zu 2 µm größer als der Durchmesser der Lichtleitfaser 15, was zu einer Drehgenauigkeit der Faserachse führt, die innerhalb bei 1 µm liegt.
Der Laser 18, der so angeordnet ist, daß er eine gewisse räumliche Beziehung zu der Lichtleitfaser 11 aufweist, wird dazu verwendet, um durch Mikrobearbeitung an dem freien Endteil 17 der Lichtleitfaser 11 eine asymmetrische Mikrolinse auszubilden. Der Laser 18 ist mit geeigneten optischen Einrichtungen 19 und 20 zur Fokusierung des Laserstrahls 21 auf das freie Ende 17 der Lichtleitfaser 11 ausgestattet. Der Laserstrahl trifft vorzugsweise senkrecht auf die Längsachse der Lichtleitfaser auf. Zur Feinpositionierung des Laserstrahls 21 auf das freie Ende 17 der Lichtleitfaser 11 wird die Faser 11 über die Positioniereinrichtung 12 relativ zu dem Strahl bewegt. Die Drehstellung der Lichtleitfaser 11 wird durch den schematisch als Block 22 dargestellten Drehsensor überwacht.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, können unterschiedliche Ausführungsformen eines Drehsensors verwendet werden. Eine dieser Ausführungsformen ist ein Sensor mit einem mit einer Lasersteuerung verbundenen Mikroschalter. Der Mikroschalter wird während der Drehung der Spindel der Drehvorrichtung in räumlichen Intervallen, wie z.B. bei der 0º Stellung und der 180º Stellung, aktiviert, während er in den Zwischenstellungen desaktiviert ist. Die Elliptizität der Linse ist durch das Verhältnis der Aktivierungsperiode zu der Desaktivierungsperiode bestimmt. Eine andere Version umfaßt eine an der Spindel der Vorrichtung angebrachte Scheibe mit klaren und mit opaquen Sektoren, eine Lichtquelle und eine Photozelle. Diese Bauteile sind so angeordnet, daß der von der Lichtquelle stammende Lichtstrahl durch die opaquen Sektoren der Scheibe unterbrochen wird. Durch das Signal der Photozelle wird ein Pulsgenerator gesteuert, der den Laserstrahl an- und abschaltet. Die Elliptizität der Linse ist durch das Verhältnis der klaren Sektoren zu den opaquen Sektoren der Scheibe bestimmt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Mikrobearbeitung der Mikrolinse mittels eines Hochfrequenz- Wellenleiter-CO&sub2;-Lasers 18 mit abgedichteter Kavität, der etwa mit einer Leistung von 25 Watt emittiert. Es könnten auch andere Laser, wie z.B. ein im UV-Bereich emittierender Excirnerlaser verwendet werden. Der Laser 18 wird über eine (nicht dargestellte) externe Spannungsquelle betrieben, die Hochfrequenzanregungen erzeugt, die auf bekannte Art und Weise an den Laser angekoppelt werden, so daß das Ausgangssignal des Lasers bei externer Steuerung gepulst ist, obwohl beide Pulszeiten bei lediglich 10 µsec liegen. Das Ausgangssignal des Lasers, das eine Wellenlänge von 10,6 µm aufweist, tritt durch eine 4X- Strahlaufweitungseinrichtung aus und wird unter einem Winkel von 90º abgelenkt, so daß es eine Fokusierungslinse 20 passiert, bei der es sich beispielsweise um eine Zinkselenidlinse mit einer Brennweite von 7,6 cm handelt. Es ist davon auszugehen, daß der Durchmesser des fokusierten Lichtpunktes etwa 15 µm beträgt, wobei die größte Energiedichte in einem Radius von 5 µm anzutreffen ist. Die Leistungsdichte wurde im Mittelpunkt des fokusierten Lichtpunktes zu etwa 7,1 x 10&supmin;² Watt/µm² berechnet. Der gepulste Laserstrahl wird ausgenutzt, um Teile der Peripherie der Lichtleitfaser 15 blitzartig zu verdampfen, so wie dies in dem amerikanischen Patent Nr. 4,710,605 offenbart wird, das am 1. Dezember 1987 für H.M. Presby ausgegeben wurde und hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Der Querschnitt des Laserstrahls tritt in einer senkrecht zu der Längsachse der Lichtleitfaser verlaufenden Richtung insbesondere mit der äußeren Peripherie der Lichtleitfaser in Eingriff, wobei die Intensität und die Dauer der Pulse so gewählt wird, daß das Material der Lichtleitfaser nach und nach abgetragen und entfernt wird, wobei an dem Ende der Faser eine asymmetrische Mikrolinse entsteht.
Bei Kenntnis der gewünschten Exzentrizität der Linse können die Position der Lichtleitfaser bezüglich des Laserstrahls und die Pulsdauer so eingestellt werden, daß Material von der Lichtleitfaser entfernt und die gewünschte Ellipse ausgebildet wird. Für eine beliebige 0º Stellung und eine beliebige 180º Stellung, die durch den Rotationssensor 22 bestimmt werden, wird die Pulsdauer entsprechend eingestellt, so daß entlang einer Achse (x) der orthogonalen Achsen (x, y) eine gewisse Menge 2a von dem zentralen Kern der Lichtleitfaser 11 verbleibt, während die Pulsdauer bei der 90º Stellung und der 270º Stellung bezogen auf die 0º Stellung so eingestellt wird, daß entlang der anderen Achse (y) der orthogonalen Achsen eine gewisse Menge 2b der Lichtleitfaser 11 von der Mitte des Kerns verbleibt. Es sei bemerkt, daß die festgelegte Ellipse entlang der x-Achse die Länge 2a aufweist, während sie entlang der y-Achse die Länge 2b aufweist, wobei a die Hälfte des Abstandes von dem Mittelpunkt zu der Außenfläche der Ellipse entlang der einen orthogonalen Achse (x) ist, während b der halbe Abstand entlang der anderen orthogonalen Achse (y) ist. Für Zwischenwerte des Winkels wird die Pulsdauer so eingestellt, daß eine Linsenform verbleibt, die die gewünschte Ellipsizität aufweist. Die Winkelstellung der dem gepulsten Laserstrahl ausgesetzten Lichtleitfaser wird durch den Rotationssensor 22 im Grunde genommen kontinuierlich überwacht, so daß die passende Materialmenge abgetragen wird. Die Exzentrizität der am Ende ausgebildeten Mikrolinse ist durch die festgelegte elliptische Querschnittsfläche bestimmt.
Ein Vergleich der Koppelwirkungsgrade von mittels eines Lasers mikrobearbeiteten asymmetrischen Mikrolinsen mit symmetrischen Mikrolinsen ergibt für die asymmetrischen Mikrolinsen deutlich bessere Koppelwirkungsgrade. Dieser Effekt ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, daß die Modenexzentrizität des Laserstrahls besser an die Exzentrizität des Krümmungsradiuses der gebildeten Mikrolinse angepaßt ist. Es läßt sich feststellen, daß asymmmetrische Mikrolinsen, die richtig an die Modenasymmetrie des injizierten Laserlichtes angepaßt sind, einen bis zu 2 dB besseren Koppelwirkungsgrad aufweisen als symmetrische, d.h. z.B. hyperbolisch geformte, Mikrolinsen.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung des Nahfeldausgangssignals der bei den Kopplungsexperimenten verwendeten 0,98 µm Laserdiode. Der Laser weist einen ellipsenförmigen Strahl auf, mit einem Seitenverhältnis von 2,7 zu 1. Die he Modengröße beträgt 2,6 µm zu 0,96 µm. Aus dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm ist zu erkennen, daß mit einer symmetrischen Mikrolinse bei dieser Elliptizität ein Kopplungsverlust von etwa 2 dB auftritt, der einzig und allein auf diese Asymmetrie zurückzuführen ist.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Nahfeldausgangssignals einer Linse, die auf einer Standardlichtleitfaser ausgebildet wurde, die für Betriebswellenlängen von 1,3 und 1,5 µm ausgelegt ist. Die Elliptizität des Strahls beträgt etwa 2,7 zu 1, so daß eine ausgezeichnete Anpassung an das Ausgangssignal des 0,98 µm Lasers gegeben ist. Bei dieser Linse wurde ein Koppelwirkungsgrad von 84,3% (-0,74 dB) gemessen. Linsen, die auf einer Lichtleitfaser mit einer Grenzwellenlänge von 1,06 µm hergestellt wurden, um zu gewährleisten, daß sich die gesamte aufgefangene Leistung in der brauchbaren Grundmode befindet, führen zu Koppelwirkungsgraden von 78,4% (-1,06 dB)
Die Ausgangsleistung des Lasers wurde dadurch gemessen, daß seine gesamte Leistung von einer hochbrechenden Kugellinse aufgefangen wurde, die sehr dicht bei dem Laser angeordnet war, um einen parallelen oder kollimierten Strahl zu erzeugen. Bei einer asymmetrischen Linse wurde in der dominierenden Mode der Monomodenfaser eine maximale Leistung von 120 mW gemessen. Die als Funktion der Stromwerte gemessene Leistung stimmte nahezu mit den von dem Laserhersteller unabhängig gemessenen Werten überein. Die entsprechende Achse der Linse wurde zu der Laserachse ausgerichtet, indem der Strahl eines Helium-Neon-Lasers in das Ende einer etwa 1 Meter langen Anschlußfaser gegenüber der Linse eingekoppelt und die Projektion während des Rotierens der Linse beobachtet wurde. Diese Rotationsausrichtung erwies sich nicht als sehr kritisch für das Erreichen einer optimalen Kopplung.
Die Elliptizitäten der Ausgangsstrahlen von Linsen, die zum Ankoppeln an Laserdioden mit einer Wellenlänge von 1,48 µm hergestellt wurden, entsprachen den Exzentrizitäten von 0,98 µm Laserdioden, die im Bereich von 3:1 lagen. Beim Ausgangssignal dieser Laser handelt es sich jedoch nicht wie bei dem Ausgangssignal der 0,98 µm Laser um ein Monomodensignal. Obgleich die Modenstruktur keine vergleichbar hohen absoluten Koppelwirkungsgrade wie bei einer Monomode ermöglicht, wurde bei der von einem 1,48 µm Laser in eine asymmetrische hyperbolische Mikrolinse eingekoppelten Leistung im Vergleich zu der symmetrischen Ausführungsform eine Zunahme von etwa 2 dB gemessen.
Diese Kopplungswerte ergaben sich, ohne daß die Linsen mit Antireflektionsbeschichtungen versehen waren. Durch solche Beschichtungen kann das Ankoppeln um einige Zehntel dB verbessert werden, so daß nahezu das gesamte verfügbare Laserlicht aufgefangen wird.

Claims

1. Verfahren zur Bildung einer asymmetrischen Mikrolinse am Ende einer optischen Faser zur Kopplung von optischer Leistung zwischen einer optischen Vorrichtung mit einer asymmetrischen Ausgangslichtverteilung und der optischen Faser über die Mikrolinse, wobei das Elliptizitätsverhältnis der asymmetrischen modalen Fläche der optischen Vorrichtung größer als 1,5 : 1,0 ist, mit folgenden Schritten: ein Endteil einer optischen Faser wird durch Laser mikrobearbeitet, indem Fasermaterial an dem Faserendteil mittels eines Laserstrahls erhitzt und abgeschmolzen wird;

die Mikrobearbeitung wird durch Entfernen des größeren Anteils von Fasermaterial von sich gegenüberstehenden peripheren Teilen des Faserendteils ausgeführt, die entlang einer ersten Achse quer zur Faserlängsachse liegen, als das von entgegengesetzten peripheren Teilen abgetragen wird, die entlang einer zweiten Querachse senkrecht zur ersten Querachse liegen, um eine Mikrolinse mit einem gegebenen Elliptizitätsverhältnis zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Elliptizitätsverhältnis der modalen Fläche der zu kuppelnden optischen Vorrichtung zwischen 1,5 : 1 und 10 : 1 liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem zunächst eine symmetrische Mikrolinse durch die Lasermikrobearbeitung an dem Ende der optischen Faser erzeugt wird und dann gegenüberliegende periphere Segmente der symmetrischen Linse entlang einer der beiden senkrecht aufeinander stehenden Querachsen abgeschmolzen werden, um der Linse Asymmetrie zu erteilen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem zunächst ein erwünschtes peripheres Segment der symmetrischen Mikrolinse an einer Seite der einen Querachse entfernt wird und nachfolgend ein passendes peripheres Segment an der entgegengesetzten Seite der einen Querachse entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Asymmetrie durch Abschmelzen der Faser nachfolgend an entgegengesetzten peripheren Teilen des Faserendteils eingeführt wird, welcher entlang einer der beiden zueinander senkrecht stehenden Querachsen gelegen ist, und zwar während der Drehung der Faser um ihre Längsachse, bis ein erwünschtes Segment des Faserendteils an den entgegengesetzten Seiten der einen Querachse entfernt worden ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der Laserstrahl bei Intervallen entsprechend den 180º-Stellungen der sich drehenden Faser aktiviert wird, um die erwünschten Segmente zu entfernen.

7. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem eine symmetrische Mikrolinse an einem Ende der Faser teilweise gebildet wird und dann der Laserstrahl bei Intervallen entsprechend den 180º- Stellungen der Faser intermittierend aktiviert wird, um die Segmente der Faser entlang und benachbart der entgegengesetzten Enden der einen orthogonalen Achse der Faser zu entfernen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Lasermikrobearbeitung mittels eine pulsierenden Laserstrahls ausgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Betriebswellenlänge λ der zu kuppelnden optischen Leistung in einem Bereich von 0,2 bis 0,25 µm liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Betriebswellenlänge λ der zu kuppelnden optischen Leistung in einem Bereich von 0,2 bis 1,6 µm liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die Betriebsleistung λ ungefähr 0,98 µm beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die Betriebswellenlänge gleich ungefähr 1,48 µm ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Mikrolinse in einer Weise gebildet wird, so daß ein Koppelwirkungsgrad über 50 % der zu kuppelnden optischen Leistung erzielt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem der Kopplungswirkungsgrad in der Größenordnung von 90 % beträgt.

15. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die zu kuppelnde optische Vorrichtung aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Laser, Halbleiterverstärker, optische Faserverstärker, Pumpenquellen für Faserverstärker, Modulatoren, Fotodetektoren und integrierte Schaltungwellenleiter.

16. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die optische Vorrichtung ein Laser ist.