DE69523073T2

DE69523073T2 - Mikrovervielfältigtes optisches modul

Info

Publication number: DE69523073T2
Application number: DE69523073T
Authority: DE
Inventors: R. Bylander; B. Carpenter; G. Doss; P. Hills; A. Patterson; A. Weller-Brophy
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-01-09
Filing date: 1995-11-28
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2015-11-29
Also published as: EP0803074A1; JPH10512972A; RU2151413C1; US5732173A; KR19980701218A; CN1171844A; WO1996021875A1; ES2160731T3; MX9704977A; CA2207705A1; EP0803074B1; AU4638896A; DE69523073D1; TW323341B

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Elemente zum funktionsfähigen Verbinden der Enden von Wellenleitern, wie z. B. von Lichtleitfasern bzw. Lichtwellenleitern, und insbesondere einen Gegenstand, der mindestens eine Lichtleitfaser mit mindestens einer weiteren Lichtleitfaser verbindet und eine mikrokopierte Planarstrukaur mit darin ausgebildeten Lichtwellenleitern aufweist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Mit der breiten Kommerzialisierung der Lichtwellenleiternetze hat die Bereitstellung von optischen Verbindungselementen, die nicht nur leicht einsetzbar und zuverlässig sind, sondern auch billig in Massenproduktion hergestellt werden können, zunehmende Bedeutung erlangt. Optische Weichen bzw. Verteiler sind von besonderem Interesse, da sie es ermöglichen, eine einzelne (Eingangs-) Faser mit mehreren (Ausgangs-) Fasern zu verbinden oder Lichtsignale von mehreren Eingangsfasern in einem einzelnen Wellenleiter zu vereinigen. Verteiler spielen eine wichtige Rolle beim Einsatz von Lichtleitfasern für Telekommunikation, Kabelfernsehen und Datenübertragung. Optische Verteiler werden gewöhnlich durch Verschweißen von Lichtleitfasern oder durch festen bzw. nichtlösbaren Anschluß der Fasern an ein planares glasintegriertes optisches Element hergestellt, welches das Licht von Eingangsfasern zu Ausgangsfasern führt (Lichtleitfaseranschluß mit Faserschwanz bzw. Pigtailing). Der Lichtleitfaseranschluß ist ein kritischer Schritt bei der Fertigung von planaren glasintegrierten optischen Elementen, da die Kosten des Elements proportional zur Anzahl der gewünschten Faseranschlüsse sind. Der Lichtleitfaseranschlußschritt umfaßt sowohl die Ausrichtung der Wellenleiterbahnen der Lichtleitfasern mit den durch Ionendiffusion erzeugten oder Kanalwellenleiterbahnen im Verteiler als auch den Anschluß der Faserschwanzenden an der Endfläche des Bauelements. Die Ausrichtung muß sehr präzise sein, und der Anschluß muß die Stabilität der Ausrichtung bei umgebungsbedingten Veränderungen sicherstellen. Die präzise Ausrichtung ist oft schwierig, besonders für Einmodenwellenleiter, deren Kerndurchmesser in der Größenordnung von 8 um liegen. Dieses arbeitsintensive Lichtleitfaseranschlußverfahren verhindert die wirtschaftliche Massenproduktion von planaren integrierten optischen Elementen.
Um die Kosten der aktiven Ausrichtung von Lichtleitfasern auf ein Lichtwellenleiterelement oder einen Koppler zu senken, können nach einem bekannten Verfahren die Lichtleitfasern zunächst in einen Faserausrichtungsträger eingesetzt und fest damit verbunden werden, und der Faserausrichtungsträger wird anschließend ausgerichtet und fest mit dem Lichtwellenleiterträger verbunden. Durch die Ausrichtung mehrerer Lichtleitfasern in einem Schritt wird das Verfahren wirtschaftlich. Dieses Faseranschlußverfahren erfordert den festen bzw. nichtlösbaren Anschluß der Fasern an das Lichtwellenleiterelement und erfordert außerdem das Polieren des Faserausrichtungsträgers und des Lichtwellenleiterträgers, bevor diese fest miteinander verbunden werden. Siehe dazu US-A-5 197 109.
Ein Verfahren zur Herstellung von optischen Polymerbauelementen mit integriertem Faser-Chip-Koppelmechanismus wird in der PCT-Anmeldung WO 93/21550 offenbart. Diese Anmeldung lehrt ein Verfahren zur Herstellung von integrierten optischen Bauelementen durch Formen von Polymerwerkstoffen. Faserführungsnuten werden in genauer Überdeckung mit den integrierten optischen Kanalwellenleitern geformt und sorgen für die passive Ausrichtung von Lichtleitfaserenden mit dem Kanalwellenleiterelement. Die Anmeldung beschreibt ferner ein Verfahren, bei dem die Glasfaserenden in Positioniernuten in den geformten Polymerelementen eingelegt und die Öffnungen mit einem polymerisierbaren Monomer gefüllt werden. Nach Anbringen einer Abdeckplatte wird das Material an Ort und Stelle polymerisiert. Die Anmeldung beschreibt kein Verfahren zum schnellen oder zuverlässigen Spleißen oder Verbinden mehrerer Fasern mit dem mikrokopierten Wellenleiterlement, und sie lehrt auch keinerlei Gehäusekapselung oder Träger für das mikrokopierte Bauelement.
Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung von optisch integrierten Wellenleitern mit Faserführungsstrukturen mit Anwendung des Formens von Polymerwerkstoffen wird in US-A-5 311 604 dargestellt. Diese Erfindung betrifft die gleichzeitige Herstellung von optisch integrierten Wellenleitern und mikromechanischen Bauelementen zur Faserführung. Ein optisches Substrat enthält mindestens eine Polymerwellenleiterstruktur, die in Form von Aussparungen durch Formen eines Polymersubstrats übertragen wird. Die Aussparungen werden mit einem Material gefüllt, das einen höheren Brechungsindex als das Substrat aufweist. Außerdem wird ein optisches Substrat offenbart, das mindestens eine Wellenleiterstruktur mit mindestens einer Faserführungsstruktur in Polymeren enthält. Der Anschluß der Fasern wird durch den gleichen Mechanismus erzielt, der in WO 93/21550 angewandt wird, wobei die Lichtleitfaserenden in Positioniernuten in den geformten Polymerbauelementen eingelegt werden. Ferner wird ein Verfahren zum Ankoppeln von Fasern an den optisch integrierten Wellenleiter durch Einlegen der Fasern in die Faserführungsaussparungen beschrieben; es wird eine Abdeckplatte angebracht, die sich über die Faserführungsaussparungen erstreckt. Das Mittel zur Herstellung einer verlustarmen Verbindung mit niedriger Rückstrahlung zwischen den Lichtleitfasern und Kanalwellenleitern wird nicht gelehrt, und es wird auch kein Mittel gelehrt, um die Lichtleitfasern in genauer, fester Orientierung bezüglich der Kanalwellenleiter zu halten. Nach einem anderen Aspekt der Erfindung werden die Fasern in die Führungsnuten eingelegt, und die Öffnungen werden mit einem polymerisierbaren Monomer gefüllt; mit einer angebrachten Abdeckplatte wird das Material wieder an Ort und Stelle polymerisiert. Das Faseranschlußverfahren liefert wieder eine nichtlösbare Verbindung und erfordert eine Reinraumumgebung, um die Möglichkeit einer Verunreinigung der Wellenleiterkanäle beim Aufbringen des polymerisierbaren Materials mit hohem Brechungsindex auszuschließen. Die Feldinstallation ist daher sehr schwierig, wenn nicht unmöglich. US-A-5 311 604 lehrt auch kein Verfahren, um mehrere Fasern schnell oder zuverlässig zu spleißen oder umsteckbar mit dem mikrokopierten Wellenleiterelement zu verbinden, und sie lehrt auch keine Gehäusekapselung und keinen Träger für das Bauelement.
EP-A-560 043 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von planaren Wellenleiterelementen für Lichtleitfasernetze und von Bauelementen nach diesem Verfahren. Die Anmeldung beansprucht ein Verfahren zur Herstellung von passiven, integrierten optischen Bauelementen aus Polymerwerkstoffen, die zumindest aus einem Formteil mit Kanälen für die Lichtwellenleiter und mit Faserführungsnuten sowie aus mindestens einem gekoppelten faserähnlichen Lichtwellenleiter bestehen. Durch Einführen der Fasern in die Faserführungen, wobei sich die Abdeckplatte über die Aussparungen für die Faserführungen und die Fasern erstreckt, und Eindrücken der Fasern in die Aussparungen können die Lichtleitfasern mit dem integrierten Wellenleiter gekoppelt werden. Es wird kein Mittel zur Herstellung einer verlustarmen Verbindung mit niedriger Rückstrahlung zwischen den Lichtleitfasern und den Kanalwellenleitern gelehrt, noch wird irgendein Mittel diskutiert, um die Lichtleitfasern in genauer, fester Orientierung bezüglich der Kanalwellenleiter zu halten. Diese Patentschrift diskutiert ein weiteres Verfahren zum Einführen der Lichtleitfasern in die Faserführungen, wobei die Fasern durch das in die Wellenleiterkanäle eingefüllte polymerisierbare Material in ihrer Position fixiert werden. Dieses Verfahren leidet unter den gleichen Schwierigkeiten bezüglich der Feldinstallation wie das Element gemäß US-A-5 311 604. Die EP-A-560 043 lehrt wiederum kein Verfahren zum schnellen oder zuverlässigen Spleißen oder Verbinden mehrerer Fasern mit dem mikrokopierten Wellenleiterelement auf umsteckbare Weise und keine Gehäusekapselung und keinen Träger für das Bauelement.
Die DE-A-42 17 553 lehrt ein Verfahren zum Lichtleitfaseranschluß an ein integriertes optisches Bauelement, das in Polymerwerkstoffen mikrokopiert wurde. Das Polymer- Wellenleiterelement enthält V-Nuten zur Faserausrichtung, die in genauer Überdeckung mit den Wellenleiterkanälen geformt werden. Die anzuschließenden Fasern werden in einer Baugruppe so eingespannt, daß die Faserenden aus einer Endfläche hervorstehen. Diese Montagegruppe mit den vorstehenden Faserenden wird über die Faserausrichtungs-V-Nuten in dem Wellenleiterelement gelegt und dann in die V-Nuten abgesenkt, in die richtige Position gedrückt und fixiert. Auf die geformten Wellenleiterkanäle wird ein polymerisierbares Monomer aufgebracht, das in Kontakt mit den Lichtleitfasern fließt und polymerisiert wird, wobei es gleichzeitig die Kanalwellenleiterkerne bildet und die Fasern durch die Polymerisation fixiert. Dieses Verfahren liefert eine nichtlösbare Verbindung und erfordert eine Reinraumumgebung, um die Möglichkeit einer Verunreinigung der Wellenleiterkanäle beim Aufbringen des polymerisierbaren Materials mit hohem Brechungsindex auszuschließen; dies macht die Feldinstallation wiederum praktisch unmöglich. Außerdem erfordert das Fasereinführungsverfahren mittels der Montageeinheit, daß die Fasern alle auf eine genaue Länge mit einer Toleranz von weniger als 10 um geschnitten werden. Die DE-A-42 17 553 lehrt kein Verfahren zum umsteckbaren Anschließen der Lichtleitfasern und ergibt auch keine Verbindung mit niedriger Einfügungsdämpfung und niedriger Rückstrahlung zwischen den Fasern und dem geformten Wellenleiterelement.
Ein optischer Faserverbinder mit einem Körper aus geformten Polymerwerkstoffen und mindestens einem getrennten passiven integrierten optischen Chip, der permanent in dem Polymerwerkstoff des Körpers vergossen ist, wird in US-A-5 276 755 offenbart. Die Patentschrift lehrt das Einkapseln bzw. Vergießen eines integrierten Optikchips mit Faseranschlußenden in dem Polymerkörper des Verbinders. Sie lehrt kein Verfahren zum umsteckbaren Verbinden oder Spleißen von Faserenden mit dem integrierten Optikchip selbst, und lehrt auch keinen mit Verbinder ausgestatteten oder gespleißten Artikel, der einen Spleiß oder eine umsteckbare Verbindung direkt mit dem Chip ermöglicht, ohne Verwendung einer permanent angebrachten Anschlußfaser. US-A-5 276 755 lehrt ferner kein Verfahren bzw. keinen Artikel zur Herstellung einer verlustarmen optischen Verbindung mit niedriger Rückstrahlung zwischen den Lichtleitfasern und geformten Kanalwellenleitern.
In US-A-5 265 184 wird ein geformter Wellenleiterverteiler dargestellt, der Nuten aufweist, die für die Ausrichtung eines Faserbandverbinders mit einem geformten Wellenleiterelement sorgen. Dieses Dokument lehrt gleichfalls kein Mittel zur Herstellung einer verlustarmen Verbindung mit niedriger Rückstrahlung zwischen den Lichtleitfasern und Kanalwellenleitern und auch kein Mittel, um die Fasern in genauer, fester Orientierung bezüglich der Kanalwellenleiter zu halten. Die Genauigkeit, mit welcher der Verbinder mit dem geformten Wellenleiterelement ausgerichtet wird, ist durch die Genauigkeit bestimmt, mit der die Ausrichtungsmerkmale sowohl an dem Wellenleiterelement als auch an dem Faserbandverbinder geformt werden. Außerdem bestimmen die relativen Abstände der Einzelfasern in dem Band die Genauigkeit, mit der optische Verbindungen zwischen den Fasern und Kanalwellenleitern hergestellt werden. US-A-5 265 184 lehrt kein Mittel zur Ausrichtung von Lichtleitfasern mit Kanalwellenleitern mit Submikrometergenauigkeit (erforderlich für Einmoden-Anwendungen) und lehrt auch nicht das Formen von Faserausrichtungs-V-Nuten oder Fasereintrittskanälen in genauer Ausrichtung mit geformten Wellenleiterkanälen. Es wird keinerlei Gehäuse für den Verbinder offenbart.
Es wäre daher wünschenswert und vorteilhaft, ein Lichtwellenleiterelement mit integrierten Hochleistungs-Mehrfaserspleißen oder -verbindern zur umsteckbaren Feldinstallation von mehreren Lichtleitfasern an einem integrierten optischen Bauelement zu entwickeln. Ein solches Bauelement würde es überflüssig machen, das Lichtwellenleiterelement vor der Feldinstallation mit Anschlußfasern zu versehen, was die Möglichkeit einer Faserbeschädigung wirksam verringert und die Faserhandhabung auf ein Minimum beschränkt. Die Integration eines Hochleistungs-Faserspleißes oder -verbinders an dem mikrokopierten Wellenleiterelement würde ferner das leichte und wirtschaftliche Auswechseln des Wellenleiterelements gegen ein gleiches oder besseres Element ermöglichen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt und stellt einen optischen Koppler bereit, der im allgemeinen ein Lichtwellenleiterelement aufweist, das auf einem gemeinsamen Substrat mit einem oder mehreren Lichtleitfaserspleißen oder -verbindern integriert ist. Der optische Koppler kann so angepaßt werden, daß er mehrere verschiedene Funktionen ausübt, einschließlich, aber nicht beschränkt auf einen n · m- Koppler oder -Verteiler mit Y-Verzweigung, einen Sternkoppler, einen Wellenlängenmultiplexer, ein Dämpfungsglied, ein optisches Filter, einen Phasenmodulator und einen optischen Abgriff. Die bevorzugte Ausführungsform des optischen Kopplers weist ein in einem Stück mikrokopiertes Lichtwellenleiterelement mit Faserausrichtungsnuten und Faseraufnahmekanälen auf, das aus Polymer, halogeniertem Polymer, Polymer/Keramik- Verbundstoff oder Keramikwerkstoffen einschließlich durchsichtigen Gläsern von optischer Güte und Silicium geformt wird. Der Koppler ist mit einem das Wellenleiterelement umgebenden Körper oder Gehäuse versehen.
Bei der Ausführungsform des n · m-Kopplers gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Element n Faseraufnahmenuten und n Faserausrichtungsnuten, n Wellenleiterkanäle, die sich in m Wellenleiterkanäle unterteilen oder vereinigen, und m Faserausrichtungsnuten sowie m Faseraufnahmenuten auf, wobei n und m unabhängig voneinander ganze Zahlen von 1 bis einschließlich 1024 sind, wobei die n Faserausrichtungsnuten und m Faserausrichtungsnuten so bearbeitet sind, daß die Kerne von darin festgehaltenen Lichtleitfasern richtig mit den Enden der entsprechenden Wellenleiterkanäle ausgerichtet sind.
In einer Ausführungsform besteht der das Wellenleiterelement umgebende Spleißformkörper aus einem Mantelabschnitt und einem Kappenabschnitt, die ineinandergreifen, um das Wellenleiterelement aufzunehmen. Das Wellenleiterelement wird von drei im allgemeinen ebenen Platten gebildet, einer unteren Platte, die Faseraufnahmenuten in Flucht mit Faserausrichtungsnuten und entsprechenden Wellenleiterkanälen aufweist, einer Abdeckplatte und einer oberen Platte mit einer Aussparung für die Abdeckplatte. Die untere Platte und die Abdeckplatte werden durch Aufbringen von polymerisierbarem Material aneinander befestigt, das gleichzeitig die Kanalwellenleiterkerne bildet und die untere Platte und die Abdeckplatte miteinander verklebt. Durch das genaue Ausfüllen der Wellenleiterkanäle mit diesem polymerisierbaren Material, das vorzugsweise einen höheren Brechungsindex aufweist als die Wellenleiterelementplatten, wird für die Lichtleitung durch die Wellenleiterkanäle gesorgt.
Das Wellenleiterelement wird zusammengesetzt, indem die obere Platte vor dem Einführen der Fasern und der Betätigung durch einen Keilmechanismus locker auf die Baugruppe aus der unteren und der Abdeckplatte aufgesteckt wird. Abgemantelte und gespaltene Fasern werden in die Fasereinführungsnuten eingeführt, bewegen sich in die Faserausrichtungsnuten und halten an, wenn sie durch Kraft an die Kerne der Wellenleiter angedrückt werden. Der Keilmechanismus wird betätigt, um die untere und die obere Platte zusammenzudrücken und die Fasern in Ausrichtung mit den Kanalwellenleitern festzuklemmmen. Die Klemmkraft greift vorzugsweise hauptsächlich an der Grenzfläche zwischen Faser und Kanalwellenleiter an. Durch die präzise geformten und selbstausgerichteten Fasernuten und Wellenleiterkanäle entsteht eine Verbindung mit niedriger Einfügungsdämpfung. Durch die genaue Anpassung der Brechungsindizes der Lichtleitfasermaterialien und der in dem mikrokopierten Lichtwellenleiterelement verwendeten Materialien wird eine mechanische Verbindung mit niedriger Reflexionsdämpfung zwischen den Fasern und den Kanalwellenleitern erzielt. Außerdem erreicht man eine niedrige Rückstrahlung durch einen oder mehrere der folgenden Mechanismen: (i) Formen einer abgewinkelten Grenzfläche an der Faser-Kanal-Verbindung; (ii) Herstellen eines engen Kontakts zwischen den Lichtleitfasern und den mikrokopierten Wellenleiterkanälen, so daß keine Luftgrenzfläche entsteht; oder (iii) Einbringen von Material mit angepaßtem Brechungsindex bzw. zum Anpassen des Brechungsindex an der Faser- Kanal-Verbindung. Die schräge bzw. abgewinkelte Grenzfläche wird vorzugsweise bei jedem der anderen beiden Mechanismen angewandt, um Rückstrahlungswerte von -50 bis -60 dB zu erzielen.
In dem Spleißkörper kann ein gestapeltes Wellenleiterelement ausgebildet werden, das mehr als die untere Platte, Abdeckplatte und obere Platte aufweist, z. B. einen Plattenstapel, der zwei Schichten von Wellenleiterelementen aufnimmt. Um einige Fasern nach oben zu einer Wellenleiterschicht und andere nach unten zur anderen Schicht zu führen, können spezielle Führungen verwendet werden, die an jedem Ende der Platten angebracht sind. Es sind Endabdeckungen vorgesehen, um das Wellenleiterelement und freiliegende Fasern zu schützen und eine Abdichtung gegen die Umgebung zu bilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung läßt sich am besten anhand der beigefügten Zeichnungen verstehen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrokopierten optischen Moduls, die ein in einem Stück mikrokopiertes Wellenleiterelement mit einem keilbetätigten Lichtleitfaserspleiß darstellt;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß verwendeten Wellenleiterelements im unmontierten Zustand mit einem 2 · 4-Wellenleiterverteiler;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellenleiterelements, das mehrere optische Bausteine auf einem einzigen Element einschließt;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Fasernut- Wellenleiterkanal-Details des Wellenleiterelements von Fig. 2;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform eines Wellenleiterelements, das in dem erfindungsgemäßen optischen Modul verwendet wird, gleichfalls im unmontierten Zustand dargestellt;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des Wellenleiterelements von Fig. 5, dargestellt im Schnitt und im unmontierten Zustand;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellenleiterelements mit Fasereinführungs- und -ausrichtungsnuten, die sowohl in der oberen als auch in der unteren Platte geformt sind; und
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Fasernut- Wellenleiterkanal-Details der unteren Platte des Wellenleiterelements von Fig. 7.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform In den Zeichnungen und besonders in Fig. 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Kopplers 10 dargestellt. Der Koppler 10 besteht im allgemeinen aus einem Gehäuse, das sich aus einem Mantel 12 und Kappen 14 zusammensetzt, und einem integrierten Spleiß/Wellenleiter-Element 16. Das Gehäuse ist ähnlich dem in US-A-5 155 787 dargestellten (hier einbezogen), und jede seiner Komponenten ist vorzugsweise aus einem haltbaren, spritzgußfähigen Polymer konstruiert, wie z. B. dem von Celanese unter der Markenbezeichnung VEC- TRA vertriebenen Flüssigkristallpolymer. In dem Mantel 12 ist ein Längsschlitz von im allgemeinen rechteckigem Querschnitt zur Aufnahme des Elements 16 ausgebildet. Der Mantel 12 ist jedoch kürzer als das Element 16, so daß die Enden des Elements 16 in die Kappen 14 vorstehen, wenn der Koppler 10 vollständig zusammengesetzt ist. Eine Seite des inneren Schlitzes (unterhalb des Mantels 12 in Fig. 1 und nicht sichtbar) weist eine oder mehrere Öffnungen auf, die zwei Betätigungskeile 18 aufnehmen. Diese Keile werden durch die Kappen 14 festgehalten, und durch ihre Bewegung aus einem unbetätigten in einen betätigten Zustand entsteht eine am Element 16 angreifende Klemmkraft. Zwischen die jeweiligen Keile und das Element 16 sind von den Kappen 14 ausgehende Zungen 20 eingeschoben, um den Reibschluß zwischen den Keilen und dem Spleiß/Wellenleiter-Element zu verringern. Der Mantel 12 kann ein einsatzgeformtes Verstärkungsrohr aufweisen, das den Schlitz umgibt, der das Element 16 aufnimmt, wie in US-A-5 309 538 (hier einbezogen) gelehrt. Der Mantel 12 und die Kappen 14 definieren viele überlappende Flächen, die eine zusätzliche Abdichtung gegen die Umgebung bilden und außerdem eine durch Spannungen, wie z. B. durch Biegen des Gehäuses, verursachte Trennung dieser Komponenten verhindern. Die Kappen 14 weisen gleichfalls einen Schlitz zur Aufnahme eines Teils des Elements 16 und außerdem Kontaktflächen 22 auf, welche die distalen Enden des Elements 16 aufnehmen und Zugang zu den weiter unten diskutierten Faseraufnahmenuten gewähren. Endabdeckungen 24 dichten die Enden des Kopplers gegen die Umgebung ab. Die Endabdeckungen 24 können an einer Seite schwenkbar an den Kappen 14 angebracht werden und weisen Haken oder andere Mittel zum Fixieren der Abdeckungen in geschlossener Stellung auf. Ein Dichtungsmaterial, wie z. B. ein Gel mit sich anpassendem bzw. angepaßtem Brechungsindex, kann in die Endabdeckungen 24 so eingebracht werden, daß beim Bewegen der Abdeckungen in ihre geschlossene Stellung das Dichtungsmaterial entweicht und zu den Spleißbereichen gelenkt wird.
Wie sich aus seiner Bezeichnung entnehmen läßt, weist das Spleiß/Wellenleiter-Element 16 Merkmale auf, die als Spleißelement und als Wellenleiterelement wirken, jedoch sind diese Merkmale auf einem gemeinsamen Substrat integriert. Beim Koppler 10 kann man sagen, daß zwei Spleiße vorhanden sind, einer an jedem Ende des Kopplers, während der Mittelabschnitt des Elements 16 ein Wellenleiterelement bildet. Der Begriff "Spleiß" wird oft benutzt, um die permanente bzw. nichtlösbare Verbindung von zwei Lichtwellenleitern zu bezeichnen, im Gegensatz zu einem "Verbinder"-, der eine umsteckbare bzw. lösbare Verbindung liefert. Der Begriff "Spleiß", wie er hierin gebraucht wird, ist jedoch nicht in einem solchen einschränkenden Sinne aufzufassen; tatsächlich weist die Erfindung Spleißeinrichtungen an jedem Ende des Kopplers auf, die eine umsteckbare Verbindung der Fasern ermöglichen. Ähnlich wird der Begriff "Koppler" manchmal für einen spezifischen Verbindertyp benutzt, der mindestens eine Y-Verzweigung aufweist; bezieht sich aber, wie er hierin gebraucht wird, allgemeiner auf irgendein Bauelement, das zwischen den Enden von mindestens zwei Lichtleitfasern einen bestimmten Grad an optischer Kontinuität herstellt. Der Begriff "verbinden" bedeutet sowohl einfache (unverzweigte) Verbindungen als auch andere Arten von optischen Elementen, wie z. B. Verteiler, Dämpfungsglieder usw.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 das Spleiß/Wellenleiter-Element 16, dargestellt im unmontierten Zustand, ausführlicher beschrieben. In einer Ausführungsform des Kopplers 10 weist das Element 16 drei Platten 26, 28 und 30 auf (vorzugsweise eben und rechteckig). Die untere Platte 26 weist zwei Spleißbereiche auf, einen an jedem Ende, mit darin ausgebildeten V-förmigen Faserausrichtungsnuten 32, sowie einen Mittelabschnitt, der ein Wellenleiterelement mit Wellenleiterkanälen 34 aufweist. Die untere Platte 26 weist außerdem Erweiterungen oder Vorbaubereiche 36 mit darin ausgebildeten V-förmigen Faseraufnahmenuten 38 auf. Fasern, die in den Spleiß eingelegt werden, weisen typischerweise eine Polsterschicht auf, die von den Anschlußenden der Fasern entfernt wird, d. h. von dem Abschnitt der Fasern, der in den Faserausrichtungsnuten 32 liegt. Die Faseraufnahmenuten 38 weisen dementsprechend abgeschrägte Abschnitte 40 auf, die den gepolsterten Abschnitt der Lichtleitfasern aufnehmen, um eine Mikrokrümmung der Fasern am Übergang von ihrem gepolsterten Abschnitt zu ihrem freiliegenden Abschnitt zu minimieren und auf diese Weise zur Vermeidung von optischen Verlusten beizutragen, die mit einer derartigen Mikrokrümmung verbunden sind. Die Faseraufnahmenuten 38 sind außerdem breiter als die Faserausrichtungsnuten 32, da sie den gepolsterten Abschnitt der Fasern aufnehmen. Der Fachmann wird erkennen, daß die Form der Nuten 32 und 38 nicht auf "V"-Querschnitte beschränkt ist, aber in der vorliegenden Ausführungsform sind die Nuten V- förmig und weisen einen Innenwinkel von etwa 60º auf. Auf diese Weise bilden beim hinlegen einer Faser in eine der Nuten und beim Einbau des Elements 16 in das Modulgehäuse die Kontaktpunkte zwischen den Platten 26 und 30 und der Faser im allgemeinen ein gleichseitiges Dreieck, wodurch die Querversetzung der Faser minimiert und dadurch die Signaldämpfung weiter vermindert wird.
Die obere Platte 28 weist eine Aussparung 42 auf, welche die Abdeckplatte 30 aufnimmt, wenn sich die Platten im zusammengesetzten Zustand befinden und die Abdeckplatte 30 zwischen der unteren Platte 26 und der oberen Platte 28 eingefügt ist. Die obere Platte 28 kann durch irgendein geeignetes Mittel, wie z. B. an der oberen Platte 28 ausgebildete Zapfen 44, die in an der unteren Platte 26 ausgebildete Löcher 46 eingreifen, teilweise an der unteren Platte 26 befestigt und darauf ausgerichtet werden. In dieser montierten Position können eine oder mehrere in das Element 16 eingeführte Fasern durch Gleitkeile 18 fixiert werden, wobei durch die abgeschrägte Form der Keile eine auf die Fasern wirkende Klemmkraft entsteht. Die Keile 28 werden vorteilhaft angrenzend an die Faserausrichtungsnuten 32 angeordnet, so daß sie in der Nähe der Wellenleiterkanal/Faser--Grenzfläche eine stärkere Klemmkraft ausüben als im Mittelabschnitt des Elements 16. Natürlich können die Keile 18 unabhängig voneinander betätigt werden, und daher kann der Koppler 10 zunächst an nur einem Ende gespleißt werden, wie z. B. für einen Anschluß mit Faserende, und der andere Spleiß kann später an Ort und Stelle fertiggestellt werden.
Die untere Platte 26 kann aus irgendeinem haltbaren Material mikrokopiert werden, das vorzugsweise ausreichend hart ist, um eine zu starke Verformung der Nuten zu vermeiden, wenn die Fasern darin festgeklemmt werden; dazu gehören Materialien aus der Gruppe, die aus Polymeren, halogenierten Polymeren, Polymer/Keramik-Verbundstoffen oder Keramiken einschließlich durchsichtigem Glas von optischer Güte besteht. Das Mikrokopieren wird unter Anwendung von Verfahren ausgeführt, zu denen der Spritzguß, das Preßspritzen, das Prägen oder Gießen und Aushärten gehören. Siehe z. B. US-A-5 311 604 und US-A-5 343 544. Vorzuziehen ist die Verwendung eines Materials wie z. B. halogenierter Polymere, da diese typischerweise niedrigere optische Verluste aufweisen. Ähnliche Materialien können zum Füllen der Wellenleiterkanäle eingesetzt werden, d. h. zum Formen der Wellenleiterkerne. Die obere Platte 28 kann, muß aber nicht unbedingt, einstückig mit der unteren Platte 26 ausgebildet und mit dieser durch ein "Fokusgelenk" 48 verbunden werden, wie in US-A-5 155 787 beschrieben. Die Abdeckplatte 30 kann auch aus dem gleichen Material wie die untere und die obere Platte 26 und 28 bestehen.
In der Ausführungsform von Fig. 2 ist das auf dem Mittelabschnitt der Platte 26 ausgebildete Wellenleiterelement ein 2 · 4-Verteiler, wobei die beiden Eingangskanäle in vier Ausgangskanäle aufgeteilt werden. Allgemeiner wird bei der vorliegenden Erfindung ein n · m-Koppler ins Auge gefaßt, wobei n und m unabhängig voneinander ganze Zahlen mit einem Wert von 1 bis einschließlich 1024 sind. Andere n · m- Konfigurationen werden für den Fachmann ersichtlich sein, wie z. B. Mehrfachkoppler auf einem einzigen Wellenleiterelement. Entsprechend können verschiedene Typen von optischen Bausteinen bereitgestellt werden, wie z. B. ein Verteiler, ein Sternkoppler, ein Wellenlängenmultiplexer, ein Dämpfungsglied, ein optisches Filter, ein Phasenmodulator oder ein optischer Abgriff, und sogar Kombinationen aus diesen Bauelementen können auf einem einzigen Wellenleiterelement nebeneinander, hintereinander oder in den verschiedensten Baumstrukturen mikrokopiert werden. Zum Beispiel zeigt Fig. 3 ein alternatives Spleiß/Wellenleiter-Element 16% bei dem zwei 2 · 4-Verteiler nebeneinander auf einem einzigen Wellenleiterelement hergestellt werden. Vorzugsweise liegen die Eingangs- und Ausgangsnuten auf gleichen Mittellinien, um die Verbindung mehrerer Fasern in einem einzigen Arbeitsgang zu erleichtern.
Wie aus der vergrößerten Darstellung von Fig. 4 erkennbar, können die Kerne der Lichtleitfasern genau mit Wellenleiterkanälen 34 ausgerichtet werden, indem die Kanäle beim Mikrokopieren mit den Mittellinien der V-Nuten ausgerichtet werden. Für Einmoden-Anwendungen sind die Wellenleiterkanäle etwa 8 um breit und tief, wobei die V-Nut so ausgebildet wird, daß sie mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 0,5 um mit der optischen Achse der Faser und des Wellenleiterkanals ausgerichtet ist. Die Grenzfläche zwischen Faserausrichtungsnut und Kanalwellenleiter ist zwar als zur Faserachse senkrechte Fläche dargestellt, kann aber alternativ so geformt werden, daß sie einen kleinen Winkel von beispielsweise 3 bis 10 Grad mit der Senkrechten bildet, um für typische geformte Polymerwerkstoffe über einen Temperaturbereich von -40 bis +75ºC Rückstrahlungen an der Grenzfläche auf weniger als -50 dB zu verringern. Wahlweise kann ein Gel mit angepaßtem Brechungsindex verwendet werden, um Einfügungsdämpfungen weiter zu verringern. Gleichfalls in Fig. 4 dargestellt sind Fließkanäle 50, die beim Kanalformverfahren überschüssiges flüssiges Monomer aufnehmen können, wie weiter unten erläutert wird.
In den Fig. 2-4 sind alle Fasereinführungsnuten, Faserausrichtungsnuten und Wellenleiterkanäle in der unteren Platte 26 ausgebildet, wobei die obere Platte 28 die Aussparung 42 für die Abdeckplatte 30 enthält. In den Fig. 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform 16" des erfindungsgemäßen Spleiß/Wellenleiter-Elements abgebildet, wobei in der oberen Platte 28 Fasereinführungsnuten 38 und Schrägen 40 ausgebildet sind, während in der unteren Platte 26 noch Faserausrichtungsnuten 32 und Wellenleiterkanäle 34 ausgebildet sind. In die Nuten 38 eingeführte Fasern werden die Schrägen 40 hinauf und in Ausrichtungsnuten 32 geführt, wo sie auf Wellenleiterkanäle 34 ausgerichtet werden. Eine Teilansicht des montierten Spleiß/Wellenleiter-Elements 16" ist in Fig. 6 dargestellt, welche die Beziehung zwischen Fasereinführungsnuten, Schräge und Faserausrichtungsnuten und den unteren, oberen und Abdeckplatten veranschaulicht.
Eine weitere Ausführungsform 16''' des erfindungsgemäßen Spleiß/Wellenleiter-Elements ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Im Element 16''' sind sowohl in der unteren Platte 26 als auch in der oberen Platte 28 Faserausrichtungsnuten 32 ausgebildet und durch die Zapfen 44 und die Löcher 46 aufeinander ausgerichtet. Fig. 8 zeigt, wie in dieser Ausführungsform Wellenleiterkanäle 34 mit einer Deckfläche ausgebildet werden, die mit der Deckfläche der V-Nuten 32 komplanar ist. Kanäle 34 werden vorzugsweise nur in der unteren Platte 26 geformt, wobei die Faserausrichtungsnuten so ausgebildet sind, daß die Faserachse auf die optische Achse der Wellenleiterkanäle zentriert wird, d. h. die V-Nuten in der unteren Platte 26 sind nur wenig tiefer als die in der oberen Platte 28. Die Kanal/Nut-Grenzfläche kann wieder in einem Winkel geformt werden, um Rückstrahlungen zu vermindern. An der Grenzfläche kann außerdem vorher ein Gel mit angepaßtem Brechungsindex aufgebracht werden. Fasern mit abgeschrägten Anschlußenden können an die Kanäle 34 angedrückt werden und weisen auch ohne Gel akzeptierbare Verluste auf, wenn ein direkter Kontakt zwischen dem Faserkern und dem Kanal hergestellt wird.
Alle vorstehenden Ausführungsformen des Spleiß/Wellenleiter-Elements verwenden Wellenleiterkanäle 34, die durch Polymerisieren eines Monomers an Ort und Stelle ausgebildet werden. Anschließend an das Formen des Spleiß/Wellenleiter-Elements unter Verwendung des gewünschten Materials werden Einlageteile (nicht dargestellt) in die untere Platte 26 eingelegt, die an den Öffnungen zu den Wellenleiterkanälen anliegen. Diese Einlageteile sind so geformt, daß sie in die Faseraufnahmenuten 38 und die Faserausrichtungsnuten 32 passen. Ein flüssiges Monomer, wie z. B. fluoriertes Acrylat oder ein anderes aushärtbares Material, wird in die Wellenleiterkanäle eingebracht, um darin Kerne zu bilden. Die Abdeckplatte 30 wird fest auf die untere Platte 26 aufgesetzt und auf deren Mittelabschnitt zentriert, der das Wellenleiterelement bildet. Beim Anpressen der Abdeckplatte 30 an die untere Platte 26 wird restliches Monomer aus den Wellenleiterkanälen heraus und in Fließkanäle 50 gedrückt. Dies ermöglicht das Füllen der Kanäle bis zu einer genauen Tiefe, ohne daß Restmaterial eine dünne Schicht über den Kanalwellenleitern bildet. Das flüssige Monomer oder das andere Material wird ausgehärtet, um die Kerne der Wellenleiterkanäle zu bilden und die Platten 26 und 30 miteinander zu verkleben. Die Einlageteile werden aus den Faseraufnahme- und Faserausriehtungsnuten entfernt. Die obere Platte 28 wird (schwenkbar) auf der Abdeckplatte 30 angebracht, wobei die Platte 30 in die Aussparung 42 eingepaßt wird und die Zapfen 44 in die Löcher 46 eingreifen.
Die abgebildeten Wellenleiterkanäle 34 sind zwar mit der gleichen Breite dargestellt, aber auf einem einzigen Wellenleiterelement können verschiedene Breiten mikrokopiert werden. Zum Beispiel ist bekannt, daß Y-Verzweigungen, die einen Einzelkanal in zwei Kanäle von unterschiedlicher Breite aufteilen, eine ungleiche Verteilung des Lichtsignals zwischen den beiden Ausgangskanälen liefern. Außerdem können auch Wellenleitergitter mit Oberflächenrillen in dem gleichen Wellenleiterelement wie die Kanalwellenleiter mikrokopiert werden, um sowohl eine breitbandige als auch eine schmalbandige optische Filtration bereitzustellen, die eine optische Wellenlängenmultiplexierung bewirken kann.
Die Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsformen beschrieben worden, aber diese Beschreibung ist nicht im einschränkenden Sinne aufzufassen. Verschiedene Modifikationen der offenbarten Ausführungsform sowie alternative Ausführungsformen der Erfindung werden für den Fachmann aus der Beschreibung der Erfindung ersichtlich. Zum Beispiel könnten in dem Spleiß/Wellenleiter-Element vorher Faserstümpfe in die Faserausrichtungsnuten eingelegt und mit den Wellenleiterkernen ausgerichtet werden; diese Faserstümpfe werden dann mit den Eingangs- und Ausgangsfasern verspleißt. Es ist daher beabsichtigt, daß solche Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.

Claims

1. Koppler (10) zum Verbinden mindestens einer Lichtleitfaser mit mindestens einer anderen Lichtleitfaser, wobei der Koppler aufweist: ein optisches Element (16) mit einer unteren Platte (26), einer oberen Platte (28), ersten und zweiten Enden und mindestens einem darin ausgebildeten Wellenleiterkanal (34), der mit einem lichtdurchlässigen Material gefüllt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polymeren, halogenierten Polymeren, Polymer/Keramik-Verbundstoffen, Keramiken und Glas von optischer Güte besteht, um einen Wellenleiterkern zu bilden, wobei der Wellenleiterkern erste und zweite Enden aufweist, wobei der Koppler (10) ferner aufweist:

eine in das optische Element (16) integrierte erste Spleißeinrichtung zur Aufnahme einer ersten Lichtleitfaser an dem ersten Ende des optischen Elements (16) und zur Ausrichtung der ersten Lichtleitfaser mit dem ersten Ende des Wellenleiterkerns;

eine in das optische Element (16) integrierte zweite Spleißeinrichtung zur Aufnahme einer zweiten Lichtleitfaser an dem zweiten Ende des optischen Elements (16) und zur Ausrichtung der zweiten Lichtleitfaser mit dem zweiten Ende des Wellenleiterkerns; und

einen Mantel (12) mit einem Längsschlitz zur Aufnahme des optischen Elements (16) und eines ersten und zweiten Keils (18), wobei der Mantel (12) erste und zweite Kappen (14) zur Aufnahme des ersten bzw. zweiten Endes des optischen Elements (16) und zum Festhalten des ersten und zweiten Keils (18) im Mantel (12) aufweist,

wobei das optische Element (16) an jedem Ende mindestens eine Faserausrichtungsnut (32) sowie einen Mittelabschnitt mit dem mindestens einem Wellenleiterkern aufweist, wobei die ersten und zweiten Enden des Wellenleiterkerns jeweils mit den Faserausrichtungsnuten (32) ausgerichtet sind, wobei die Keile (18) bewirken, daß die untere Platte (26) im Betätigungszustand der Keile (18) kräftig an die obere Platte (28) angedrückt wird, wodurch die Fasern in wiederverbindbarer Weise festgeklemmt werden, und wobei die Enden der Wellenleiterkerne die Grenzflächen zwischen dem Kanalwellenleiter und den Faserausrichtungsnuten (32) definieren.

2. Koppler (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Spleißeinrichtung aufweist:

n Faseraufnahmenuten (38), die an dem ersten Ende des optischen Elements (16) ausgebildet sind, und

n Faserausrichtungsnuten (32) mit ersten und zweiten Enden, wobei ihre ersten Enden im allgemeinen jeweils mit den

n Faseraufnahmenuten (38) ausgerichtet sind;

wobei die zweite Spleißeinrichtung aufweist:

m Faseraufnahmenuten (38), die an dem zweiten Ende des optischen Elements (16) ausgebildet sind, und

m Faserausrichtungsnuten (32) mit ersten und zweiten Enden, wobei ihre ersten Enden im allgemeinen jeweils mit den

m Faseraufnahmenuten (38) ausgerichtet sind; und

wobei das optische Element (16) einen n · m-Koppler aufweist und enthält:

n Wellenleiterkanäle (34), die sich in m Wellenleiterkanäle (34) aufteilen oder vereinigen, wobei die n Wellenleiterkanäle (34) im allgemeinen jeweils mit den zweiten Enden der n Faserausrichtungsnuten (32) ausgerichtet sind, und wobei die m Wellenleiterkanäle (34) im allgemeinen jeweils mit den zweiten Enden der m Faserausrichtungsnuten (32) ausgerichtet sind,

wobei n und m unabhängig voneinander ganze Zahlen von 1 bis einschließlich 1024 sind.

3. Koppler (10) nach Anspruch 1 oder 2, der ferner mindestens einen Faserstumpf an dem optischen Element (16) aufweist, wobei der Faserstumpf erste und zweite Enden aufweist, wobei das erste Ende des Faserstumpfs mit dem ersten Ende des Wellenleiterkanals (34) ausgerichtet ist, und wobei das zweite Ende des Faserstumpfs mit einem entsprechenden Ende der Faserausrichtungsnuten (32) ausgerichtet ist.

4. Koppler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der ferner eine Abdeckplatte (30) aufweist, die zwischen der unteren Platte (26) und der oberen Platte (28) angeordnet ist, wobei die obere Platte (28) eine Aussparung (42) zur Aufnahme der Abdeckplatte (30) aufweist.

5. Koppler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei

eine der Faserausrichtungsnuten (32) eine Ausrichtungsachse aufweist; und

die untere Platte (26) eine Fläche aufweist, die an einer Grenzfläche zwischen der einen Faserausrichtungsnut (32) und dem Wellenleiterkanal (34) ausgebildet ist, wobei die Fläche in einem Winkel orientiert ist, der nicht senkrecht zu der Ausrichtungsachse ist.

6. Koppler (10) nach Anspruch 1, wobei die Keile (18) an den Faser/Kanal-Grenzflächen eine stärkere Klemmkraft ausüben als im Mittelabschnitt des optischen Elements (16).

7. Koppler (10) nach Anspruch 4, wobei die untere Platte (16) und die Abdeckplatte (30) durch ein polymerisierbares Material aneinander anhaften, das auch einen Kern des Wellenleiterkanals (34) bildet.