DE2938810A1 - Vorrichtung zum einkoppeln von strahlung in einen optischen wellenleiter - Google Patents
Vorrichtung zum einkoppeln von strahlung in einen optischen wellenleiterInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 79 P 7 1 7 7 BRO
Vorrichtung zum Einkoppeln von Strahlung in einen optischen Wellenleiter
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Strahlung in einen optischen
Wellenleiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche
die im optischen Wellenleiter geführte Strahlung in nur geringem Maße schwächt und welche einen hohen Einkoppelwirkungsgrad
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Diese Lösung erreicht die geringe Schwächung der im Wellenleiter geführten Strahlung in erster Linie dadurch,
daß die Spiegelschicht nur einen geringen Teil des Kernbereichs des Wellenleiters einnimmt. Nimmt sie bei-
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spielsweise 10% der Querschnittsfläche des Kernbereichs
ein, so wird die geführte Strahlung höchstens nur 10%
geschwächt.
Der hohe Einkoppelwirkungsgrad wird in erster Linie durch das hohe Reflexionsvermögen der Spiegelschicht erreicht.
Je höher dieses Reflexionsvermögen ist, desto höher kann der Einkoppelwirkungsgrad gemacht werden. In jedem Falle
soll das Reflexionsvermögen größer als 50% sein.
Ein hohes Reflexionsvermögen ist möglich, weil die Schwächung der geführten Strahlung durch ein solches
Reflexionsvermögen nur noch von untergeordneter Bedeutung sein kann, also unwesentlich.
Für einen guten Einkoppelwirkungsgrad ist außerdem noch von Bedeutung, daß möglichst alle einzukoppelnde Strahlung
die Spiegelschicht im Kernbereich trifft und daß die Strahlen zu einem ausgezeichneten Strahl nach Möglichkeit
höchstens unter einem Winkel geneigt sind, der gleich dem halben Akzeptanzwinkel des optischen Wellenleiters
ist. Ein ausgezeichneter Strahl ist dabei ein Strahl, der von der Spiegelschicht in eine Richtung reflektiert
wird, die parallel zur Achse des bzw. der Hauptausbreitungsrichtung der Strahlung im optischen Wellenleiter ist.
In der Praxis verwendet man zweckmäßigerweise eine Strahlung, deren Divergenz-oder Konvergenzwinkel höchstens
dem Akzeptanzwinkel des optischen Wellenleiters entspriht. Man läßt sie so auf den im Kernbereich befindlichen Teil
der Spiegelschicht auftreffen, daß die Achse der Strahlung
einem ausgezeichneten Strahl entspricht.
Der Divergenz-oder Konvergenzwinkel einer Strahlungscharakteristik
kann mittels Optiken geeignet eingestellt
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werden. Auch der Durchmesser der Strahlungscharakteristik kann eingestellt werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist so ausgebildet, wie es im Anspruch
2 angegeben ist. Durch diese Maßnahmen ist eine optimale Anpassung der Spiegelschicht an die Strahlungscharakteristik gegeben, die für einen hohen Einkoppelwirkungsgrad
und für eine gleichzeitige geringe Schwächung der geführten Strahlung günstig ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, die ein Wellenleiterdreitor ist, gibt Anspruch 3 an. Eine solche Vorrichtung ist zudem zweckmäßigerweise
so ausgebildet, wie es in Anspruch 4 angegeben ist.
In Anspruch 5 ist eine andere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben, die
ein Wellenleiterzweitor ist. Bevorzugterweise ist diese
Vorrichtung so ausgebildet, wie es in Anspruch 6 angegeben ist.
In jedem Fall ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zweckmäßigerweise so ausgebildet, wie es in Anspruch 7
angegeben ist.
Eine bevorzugte Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gibt Anspruch 8 an.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders zur Lichteinkopplung von Teilnehmerendgeräten in optische
Datenschienen. Für bit-parallele Dateneingabe läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zu einem
Einkoppelblock erweitern. Bei der Ausführungsform nach
Anspruch 6 wird in diesem Fall beispielsweise eine
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Laserdiodenzeile angebracht.
Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist problemlos. Es können alle Technologien verwendet
werden, die zur Herstellung von Koppelelementen nach dem Strahlteilerprinzip verwendet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der
Figuren in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das ein Dreitor ist,
Figur 2 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels nach Figur 1, wie es von dem dort angedeuteten Auge
gesehen wird,
Figur 3 einen zentralen vertikalen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das
ein Zweitor ist,
Figur 4 eine Ansicht einer freigelegten Schnittfläche eines Wellenleiterabschnitts, auf der die
Spiegelschicht aufgebracht ist, wobei der über dem Wellenleiter befindliche Teil weggelassen,
der Trägerkörper des Wellenleiters aber gezeigt ist, und
Figur 5 einen Einkoppelblock in perspektivischer Darstellung.
In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist in einer Dickkernglasfaser 1 mit Stufenindexprofil eine Spiegelschicht
2 angeordnet, die nur einen geringen Teil des von einem Mantel 12 aus Glas umgebenen Kerns 11 aus Glas
höheren Brechungsindexes einnimmt. Die Spiegelschicht ist in einem Winkel von 45° zur Achse A der Dickkernfaser
geneigt und befindet sich in der Darstellung der Figur 1 auf der Oberseite des Kerns 11. Der Mantel 12
der Faser ist relativ zum Durchmesser des Kerns 11 dünn.
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Der Kern 11 ist der Bereich, in dem hauptsächlich die
Strahlung, in aller Regel Licht zwischen dem Wärmestrahlungsbereich und dem kurzwelligen UV-Bereich, geführt
wird.
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Über der Spiegelschicht 2 ist eine Glasfaser 3 mit Stufenindexprofil
auf die Dickkernfaser so aufgesetzt, daß deren Achse A' die im Kern 11 der Dickkernfaser 1 befindlichen
Spiegelschicht 2 im Winkel von 45° trifft. Auch
die Glasfaser 3 weist einen Kern 31 und einen diesen umgebenden Mantel 32 auf. Kern 31 und Mantel 32 sind aus
Glas, wobei das Glas des Kerns 31 einen höheren Brechungsindex aufweist als das Glas des Mantels 32.
Der Durchmesser des Kerns 31 der Glasfaser 3 ist kleiner als der Durchmesser des Kerns 11 der Dickkernfaser 1.
Die Stirnfläche 310 des Kerns 31, die der Dickkernfaser zugewandt ist, bildet ein Strahlungsaustrittsfenster,
aus der die Strahlung als Strahlenkegel austritt. Das durch diese Strahlung auf die Ebene der Spiegelschicht
2 projizierte Strahlungsaustrittsfenster, das einen Kreisquerschnitt
aufweist, ist eine Ellipse. Die Spiegelschicht 2 ist ebenfalls als Ellipse ausgebildet und
überdeckt die Fläche der projizierten Ellipse.
Wird die Spiegelschicht 2 durch die Dickkernfaser 1 betrachtet, wie es durch das stilisierte Auge 4 in Figur
angedeutet ist, so erscheint sie wieder kreisförmig, wie es in der Figur 2 durch den schraffierten Bereich
gezeigt ist. In der Figur 2 ist die Glasfaser 3 weggelassen und Figur 2 entspricht auch nicht genau dem Maßstab
der Figur 1.
Zweckmäßig ist es, wenn die numerische Apertur der Dickkernfaser mindestens so groß ist, wie die numerische
Apertur der Glasfaser 3.
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-β-
Die Spiegelschicht 2 könnte auch den ganzen Bereich oberhalb der in Figur 2 eingezeichneten Linie U-U einnehmen.
Allerdings treten dann etwas größere Verluste auf, weil die in der Dickkernfaser 1 geführte Strahlung stärker
geschwächt wird.
Die Spiegelschicht sollte, wie schon erwähnt, größtmögliches Reflexionsvermögen aufweisen. Bei dielektrischer
Verspiegelung kann ein Reflexionsvermögen von nahezu 100% erreicht werden. Es kann auch eine Metallverspiegelung
verwendet werden.
Als ein Beispiel sei eine Dickkernfaser 1 von 110/um
Kerndurchmesser und 115/um Gesamtdurchmesser und-eine
Glasfaser 3 mit 40/um Kerndurchmesser und S0/um Gesamtdurchmesser
angenommen. Die numerische Apertur der Dickkernfaser 1 sei 0,4 und die der Glasfaser 3 0,2 bis 0,4.
Bei diesem Beispiel wird die in der Dickkernfaser 1 geführte Strahlung um etwa 20 % geschwächt.
Zweckmäßig ist es, Dickkernfasern mit mindestens 200/um
Kerndurchmesser zu verwenden, weil sich dann die erfindungsgemäße Vorrichtung technologisch problemlos herstellen
läßt.
Eine besonders interessante Variante zu der soeben beschriebenen Ausführungsform mit drei Fasertoren ist eine
Anordnung, bei der anstelle der Glasfaser 3 eine Strahlungsquelle, beispielsweise eine Laserdiode, neben der
Dickkernfaser 1 angeordnet ist.
In den Figuren 3 und 4 ist ein Beispiel dazu dargestellt. Die Figur 3 zeigt einen vertikalen Längsschnitt längs
der Achse der Dickkernfaser 1, die auf einem Träger-3Γ1
körper 9 aufgebracht ist. über der Spiegelschicht 2 ist eine Laserdiode 30 angeordnet, deren aktive Zone
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mit 40 bezeichnet ist. Die rechteckförmige Emissionsfläche 41 der Diode 30, welche dem Strahlungsaustrittsfenster
gleichzusetzen ist, ist der Spiegelschicht 2 zugewandt und ihre Längsachse verläuft
senkr echt zur Achse A der Dickkernfaser 1.
Wie aus der Figur 4, die eine Ansicht der herstellungsbedingten
Trennfläche 8 zeigt, hervorgeht,besteht die Spiegelschicht 2 im vorliegenden Fall aus einem schmalen
Streifen, der ein Segment des Kernquerschnitts der Dickkernfaser 1 überdeckt.
Die kleine Emissionsfläche 41 der Laserdiode 30, typisch z.B. 0,2/um mal 0,4 /um,und der Öffnungswinkel der Abstrahlung,
der quer zur Längsrichtung der Emissionsfläche gemessen in Luft etwa 30° bis 60° und parallel
zur Längsrichtung gemessen in Luft etwa 20 bis 40 beträgt, machen die Laserdiode als Strahlungsquelle
besonders geeignet.
Aus der Abstrahlcharakteristik der Strahlungsquelle 30, dem Abstand des Strahlungsaustrittsfenster 41 von der
Dickkernfaser 1 bzw. von der Spiegelschicht 2 sowie aus der Form und Größe des Strahlungsaustrittsfensters
41 lassen sich optimale Abmessungen und eine optimale Form für die Spiegelschicht 2 finden, bei denen ein
größtmöglicher Einkoppelwirkungsgrad bei geringster Abschwächung der geführten Strahlung erreicht wird.
Für das früher angegebene Beispiel für die Dickkernfaser 1 und für die vorstehend angegebenen V/erte für die
Laserdiode 30 erwies sich die streifenförmige Spiegelschicht 2 nach Figur 4 als besonders günstig. Bei einem
Abstand S des Strahlungsaustrittsfensters 41 von der Oberfläche der Dickkernfaser 1 - hervorgerufen durch
optischen Kleber - von 10/um ergibt sich dabei ein gün-
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-AO -
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"Λ
stiger radialer Abstandr des Streifens 2 von der Achse
A der Dickkernfaser 1.
Dieser Abstand r läßt sich aus der Formel
rs | rM - | rK cot a. | , /2 + S |
ermitteln. | 1 | - cot cf^ | /2 |
Dabei | bedeuten | : rM | |
rK " | |||
OC a |
Gesamtradius
Kernradius der
Kernradius der
Dickkernfaser
der größere der beiden Winkel: Akzeptanzwinkel der Dickkernfaser oder maxi-
maler Öffnungswinkel
der Strahlungscharakteristik senkrecht
zur Längsrichtung des Fensters 41 gemessen.
Bei einem Brechungsindex des Kernglases von 1,63 und des Mantelglases von 1,58 beträgt der Akzeptanzwinkel 28°,
während der maximale Öffnungswinkle 33° beträgt, also
größer ist. Es ist in diesem Fall also mit dem Akzep-
25 tanzwinkel zu rechnen.
Bei den oben angegebenen Werten ergibt sich der Abstand
r zu r ÄJ 105 /Um.
1S s JI
Daraus errechnet sich der theoretische Wirkungsgrad ^
zu Vi = 99,4 %. ίη ist dabei das Verhältnis aus
der von der Spiegelschicht nicht überdeckten Querschnittsfläche des Kerns 11 zu dessen gesamter Querschnittsfläche
.
Dieses Ergebnis bedeutet, daß die in der Dickkernfaser 1
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-r
geführte Strahlung praktisch nicht gestreut wird, obgleich die Strahlung der Laserdiode mit dem Wirkungsgrad
einer üblichen Stirnflächenkopplung (ohne Linse) über die Spiegelschicht eingekoppelt wird.
5
Praktisch kann man für die Transmission in der Dickkernfaser mit Einfügeverlusten von ca. 0,5 dB rechnen,
die durch Justierungenauigkeiten, beispielsweise Achsenversatz, bei der Montage auftreten. Deshalb können die
Herstellungstoleranzen gelockert werden und der Abstand des Streifens 2 von der Achse A auf r_ verkleinert
werden. In dem angegebenen Beispiel kann z.B. rg = 85/um
gewählt werden, was einer Justiertoleranz von 20/um entspricht. Mit diesem Wert ergibt lo = 9h %, so daß die
Transmissionsverluste in der Dickkernfaser unter 0,7 dB bleiben werden.
Wenn die Strahlungscharakteristik der Strahlungsquelle ungünstig ist, können zu ihrer Verbesserung optische
Linsen verwendet werden, die dann zwischen Strahlungsquelle und Dickkernfaser anzuordnen sind.
Als Spiegelschicht hohen Reflexionsvermögens eigent sich vorteilhaft ein Vielfachschichtensystem, wie es in
"Siemens Forschungs- und Entwicklungsbericht" 8 (1979) S. 136-140 beschrieben ist. Dort sind auch Dimensionierungsvorschriften
für ein solches Vielfachschichtensystem angegeben. Für ein gefordertes Reflexionsvermögen
von 90 % und für unpolarisierte Strahlung sind beispielsweise etwa 15 Schichten aufzubringen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wird zweckmäßigerweise so hergestellt, daß eine Dickkernfaser 1 oder
ein anderer verwendeter Lichtwellenleiter zunächst in eine Führungsnut 91 (siehe Figur 4) eines Träger-
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körpers 9 (siehe Figur 3 und 4) mit optisch verlustarmem Kleber 110 eingeklebt wird. Nach dem Aushärten
des Klebers 110 wird der Trägerkörper 9 mit der befestigten Faser 1 durch einen im Winkel von 45° zur Achse
A der Faser geführten Schnitt in zwei Teile zerlegt und die entstandenen Trennflächen 8 - nur eine davon ist in
der Figur 3 dargestellt - poliert. Die Spiegelschicht wird als metallene Einzelschicht oder als dielektri sehe
Vielfachschicht unter Verwendung einer geeigneten Kontaktmaske aufgedampft. Dann werden beide Teile, jedes
bestehend aus einem Körperteil 9a bzw. 9b und einem Dickkernfaserabschnitt 1a bzw. 1b, wieder achsfluchtend
verkittet. Dann wird die weitere Faser 3 oder die Strahlungsquelle 30 aufgekittet, derart, daß ihre Achse das
Zentrum der Spiegelschicht im Kernbereich trifft und mit der Achse A der Dickkernfaser einen Winkel von
bildet.
In der Figur 3 ist noch eine Deckschicht 7 gezeigt, die 2C üblicherweise aufgebracht wird. Mit 5 ist speziell eine
übliche Diodenhalterung bezeichnet. Auch die Faser 3
wird zweckmäßigerweise in eine zweckmäßige Halterung
eingebettet, beispielsweise in eine Kapillare.
Anstelle einer einzelnen Dickkernfaser 1 in einer Führungsnut 91 können auch mehrere nebeneinander liegende
Fasern 1 in Nuten 91 auf dem Trägerkörper 9 angeordnet
werden. Dies führt zu einem Einkoppelblbck, wie er in der Figur 5 dargestellt ist. Anstelle einer einzelnen
Diode 30 wird jetzt eine Diodenzeile 300 aufgebracht. Auch mehrere in einem Trägerkörper nebeneinander befestigte
Glasfasern 3 können aufgebracht werden.
8 Patentansprüche
5 Figuren
5 Figuren
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Claims (8)
1. Vorrichtung zum seitlichen Einkoppeln von Strahlung
in einen optischen Wellenleiter mit einem strahlungsleitenden Kernbereich, gekennzeichnet
durch eine im Wellenleiter (1) geneigt zu dessen Achse;
(A) angeordnete, nur einen geringen Teil der Querschnittsfläche des Kernbereichs (11) einnehmende Spiegelschicht
(2) mit hohem Reflexionsvermögen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet,
daß die Spiegelschicht (2) die Form eines durch die einzukoppelnde Strahlung auf
ihre Ebene projizierten Strahlungsaustrittsfensters (310,
41), aus dem die Strahlung austritt, aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die einzukoppelnde
Strahlung der Spiegelschicht (2) über einen weiteren Wellenleiter (3) zuführbar ist, der neben dem Wellenleiter
(1) endet, der einen strahlungsleitenden Kerabereich (31) aufweist, dessen Durchmesser kleiner ist
als der des Kernbereichs (11) des Wellenleiters (1) und bei dem das Ende (310) des Kernbereichs (310 ein Strahlungsaustrittsfenster
bildet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e kennzeichnet
, daß der weitere Wellenleiter
(3) eine numerische Apertur aufweist, die höchstens gleich der numerischen Apertur.des Wellenleiters (1)
ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die einzukoppelnde
Strahlung der Spiegelschicht (2) direkt oder über
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eine optische Linse aus einer aktiven Strahlungsquelle (30) zugeführt ist, deren Strahlungsaustrittsfenster
dem Weilenleiter (1) zugewandt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Strahlungsquelle
(30) ein Halbleiterlaser oder eine Lumineszenzdiode ist, die unmittelbar auf den Wellenleiter (1) aufgesetzt
ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
daß die Spiegelschicht (2) auf der Seite des Kernbereichs (11) angeordnet ist, auf der die Strahlung eingekoppelt
wird.
8. Anwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Einkoppeln von Strahlung in
eine Dickkernfaser.
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