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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionierung optischer
Fasern.
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Ferner
betrifft die Erfindung einen Verbinder, insbesondere Steckverbinder,
mit einer derartigen Vorrichtung.
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Schließlich betrifft
die Erfindung ein optisches Kabel mit einem derartigen Verbinder.
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Bei
der Verbindung von optischen Fasern bspw. zweier optischer Kabel
spielt es eine besondere Bedeutung, dass die, Enden der einzelnen
optischen Fasern eines Kabels exakt zu den Enden der optischen Fasern
des anderen Kabels ausgerichtet sind, da bei einer fehlerhaften,
das heißt
anders gearteten Ausrichtung die Übertragungsqualität leidet. Daher
kommt es bei den entsprechenden Verbindern derartiger optischer
Kabel darauf an, dass die optischen Fasern mittels einer geeigneten
Vorrichtung exakt positioniert sind.
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Typischerweise
beträgt
die Toleranz des Durchmessers einer optischen Faser etwa ± 1 bis
2 μm. Ferner
ist zu beachten, dass der Kern einer optischen Faser oftmals einen
Durchmesser von nur ca. 10 μm
aufweist. Daher können
sich bereits die Durchmessertoleranzen der optischen Faser zu einer
erheblichen Fehljustierung zweier zu koppelnder optischer Fasern
addieren. Hinzu kommen weitere Toleranzen im Bereich der Positionierungsvorrichtungen, die
diese Schwierigkeiten noch verschärfen.
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Im
Stand der Technik, bspw. gemäß DE-OS 24
49 359 und
DE 199
02 241 A1 , wurde vorgeschlagen, sogenannte Faserarrays,
das heißt
mehrere zueinander ausgerichtete optische Fasern innerhalb einer
Anordnung, mittels lochförmiger
Durchführungen in
einer Vorrichtung ohne besonderen Klemmmechanismus bereitzustellen.
Die Positionierung der optischen Fasern ist jedoch dann nur im Rahmen
der Fertigungstoleranzen von der Lochstruktur und der Faserdurchmesser
möglich.
Daher wird die Lochstruktur typischerweise in Abhängigkeit
vom Faserdurchmesser gefertigt. Diese Art der Fertigung ist jedoch
aufwändig,
da die einzelnen Fasern zuvor vermessen und vorsortiert werden müssen, um
dann in die lochförmigen
Durchführungen
eingepasst zu werden.
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DE-OS
24 49 359 schlägt
ferner vor, Faserarrays als sogenannte V-Gruben ohne Klemmmechanismus
bereitzustellen. Hierbei werden die einzelnen Fa sern in V-förmige Vertiefungen
eingelegt. Die Positionierung der optischen Fasern ist jedoch bei
diesen Vorrichtungen nur im Rahmen der Genauigkeit der Faserdurchmesser
möglich.
Zwar kann eine Ausrichtung der Faser in eine Richtung noch relativ
genau erfolgen. Jedoch ist die Ausrichtung der Faser in einer zu
dieser Richtung senkrechten Richtung so ungenau wie es der Toleranz
des Faserdurchmessers entspricht. Zweidimensionale Faserarrays können bei
Anwendung dieser Technik ebenfalls nur relativ ungenau hergestellt
werden, da die Systemdicke als Fehler zusätzlich eingeht.
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In
der Literatur wurden ferner Faserarrays als Durchführungen
mit einem quer zur Faser ausgelegten Klemmmechanismus vorgeschlagen.
Beispiele hierfür
sind der Artikel von Johan Holm et al., „Through-etched silicon carriers
for passive alignment of optical fibers to surface-active optoelectronic
components", Sensors
and Actuators No. 82 (2000), S. 245–248,
DE 43 22 660 C2 ,
EP 0 482 673 A2 und
DE 100 16 869 A1 .
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Der
genannte Artikel von Johan Holm et al. beschreibt eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art:
8 veranschaulicht
den Querschnitt einer Durchführung 1 für eine optische
Faser innerhalb einer derartigen Vorrichtung 2 in einer
Ansicht von oben. Die Durchführung 1 dient
zur Aufnahme einer optischen Faser 3, die innerhalb der
Durchführung 1 eingeklemmt
wird. Hierzu sind im Bereich der Durchführung drei Klemmstrukturen 4 angeordnet,
die jeweils als Biegefederelement 5 ausgebildet sind. Jedes
dieser Biegefederelemente 5 ist in der Lage eine Federkraft
im wesentlichen quer zur Längsrichtung
des Durchgangs 1 auf die optische Faser auszuüben. Jedes
dieser Biegefederelemente 5 weist ein erstes, mit der Vorrichtung
verbundenes Ende 6 und ein zweites, freies Ende 7 auf.
Die Richtung vom ersten Ende 6 zum zweiten Ende 7 verläuft ebenfalls
quer zur Längsrichtung
der Durchführung 1.
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Die
Bestückung
von Durchführungen
derartiger Faserarrays mit optischen Fasern mit quer zur Faser ausgelegten
Klemmstrukturen ist jedoch problema tisch, da die Klemmung typischerweise
kleiner als der Faserdurchmesser ausgelegt sein muss. Daher kann
es beim Einführen
der Faser in die Durchführung
zum Ausbrechen der Klemmstrukturen 4 oder zur Beschädigung der
Faser 3 kommen. Die Klemmstrukturen gewährleisten darüber hinaus
zum Teil keine optimale Führung
von Fasern über
die Führungslänge. Daher
sind Winkelfehler, das heißt Schiefstellungen
der Faser, möglich.
Aus diesem Grund werden entsprechende Faserarrays zum Teil aus mehreren
Teilkomponenten aufgebaut, die aus einem Locharray und entsprechenden
Klemmstrukturen bestehen.
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Der
Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, Vorrichtungen
zur Positionierung optischer Fasern zu verbessern.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
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Die
Erfindung stellt somit im wesentlichen parallel zur optichen Faser
angeordnete Klemmstrukturen zur Positionierung der optischen Faser
bereit.
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Die
erfindungsgemäße Positionierung
und Klemmung von optischen Fasern ist fehlertolerant gegenüber Schwankungen
des Faserdurchmessers und gegenüber
dem Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des Faserarrays, da
die Klemmstrukturen der Durchführungen
einen Klemmmechanismus bilden, der Fehler kompensiert. Die Klemmstrukturen
gewährleisten
nämlich
neben der Klemmung auch eine exakte Führung der Fasern, so dass allenfalls
geringe Winkelfehler auftreten können.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
ferner eine einfache Bestückung
der Durchführungen
mit Fasern, da der Klemmmechanismus, nämlich das freie Ende der Biegefederelemente,
jeweils nur auf einer Seite der Durch führung vorhanden ist, während die
andere Seite der Durchführung
einen Durchmesser aufweist, der geringfügig größer ist als der Faserdurchmesser.
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Aufgrund
der Anordnung der Klemmstrukturen bzw. Biegefederelemente im wesentlichen
parallel zur Längsachse
der optischen Faser können
die Klemmstrukturen eine relativ große Länge aufweisen – insbesondere
eine Länge,
die wesentlich größer ist als
bei den bekannten Klemmstrukturen (z.B. gemäß 8). Die
Klemmstrukturen können
daher eine ausreichende Federkraft bereitstellen, ohne dass es zu hohen
Biegebeanspruchungen innerhalb der Klemmstruktur kommt. Die Klemmstrukturen
sind daher so ausgelegt, dass sie im Regelfall nicht mehr brechen können.
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Die
erfindungsgemäße Ausrichtung
der Klemmstrukturen im wesentlichen parallel zur Faser bzw. zur
Längsrichtung
der Durchführung
benötigt ferner
einen geringeren Platzbedarf gegenüber den bekannten, quer zur
Faser ausgelegten Klemmstrukturen (bspw. gemäß 8). Die
Erfindung ermöglicht daher,
Faserarrays mit einer wesentlich höheren Faserdichte bereitzustellen.
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Durch
die Fertigung mittels eines reaktiven Ionen-Ätzverfahrens aus einem Siliciumwafer
ist eine kostengünstige
Fertigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
möglich.
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Die
Erfindung sieht ferner vor, einen Verbinder, insbesondere Steckverbinder
zum Verbinden von optischen Fasern mit elektronischen, optoelektronischen
und/oder optischen Bauelementen, insbesondere Bauelementen zur Ein- und/oder Auskopplung
von Licht oder optischen Schaltern, oder zum Verbinden von optischen
Fasern wenigstens zweier optischer Kabel bereitzustellen, der ein
Verbindergehäuse
und eine in dem Verbindergehäuse
untergebrachte Vorrichtung der vorstehenden Art aufweist.
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Die
Erfindung sieht ferner ein optisches Kabel mit wenigstens einem
derartigen Verbinder vor, wobei die Durchführungen zur Aufnahme optischer Fasern
vollständig
oder teilweise mit den optischen Fasern des Kabels belegt sind.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Durchführung
mit drei Klemmstrukturen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Positionierung
optischer Fasern in einer Ansicht von oben;
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2 die
Durchführung
aus 1 in einer Seitenansicht entlang der Linie A-A' aus 1;
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3 eine
Durchführung
mit drei Klemmstrukturen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Positionierung
optischer Fasern in einer Ansicht von oben mit eingeführter optischer
Faser;
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4 die
Durchführung
aus 3 in einer Seitenansicht entlang der Linie A-A' aus 1 mit eingeführter optischer
Faser;
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5 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Positionierung optischer Fasern in Form eines eindimensionalen
Arrays von Durchführungen
für optische
Fasern sowie seitlich daneben angeordnete Öffnungen bzw. Durchführungen
zur Aufnahme von Passstiften;
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6 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Positionierung optischer Fasern in Form eines eindimensionalen
Arrays von Durchführungen
für optische
Fasern sowie seitlich daneben angeordneten Öffnungen bzw. Durchführungen
zur Aufnahme von Passstiften, wobei diese Öffnungen bzw. Durchführungen
ebenfalls Klemmstrukturen aufweisen;
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7 ein
drittes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Positionierung optischer Fasern mit mehreren parallel zueinander angeordneten
Reihen von Durchführungen
zur Aufnahme von optischen Fasern in Form eines zweidimensionalen
Arrays;
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8 eine
Durchführung
zur Aufnahme einer optischen Faser gemäß dem Stand der Technik.
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1 zeigt
eine Durchführung 10,
die durch eine Vorrichtung 11 zur Positionierung optischer
Fasern hindurchtritt, und zwar in einer Ansicht von oben. Die Durchführung weist
einen Querschnitt mit einer im wesentlichen kreisförmigen Grundform
mit dem Radius R2 auf. Alternativ kann die
Grundform mehreckig, insbesondere dreieckig, viereckig, sechseckig
oder achteckig, ausgebildet sein.
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Die
im wesentlichen regelmäßige Grundform wird
an einer oder mehreren Stellen und zwar in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 an
drei Stellen von im wesentlichen halbkreisförmigen Ausbuchtungen 12 unterbrochen.
Innerhalb dieser Ausbuchtungen 12 sind Klemmstrukturen 13 in
Form von Biegefederelementen 14 angeordnet. Diese Klemmstrukturen 13 sind
derart ausgebildet, dass sie im Bereich des oberen Endes der Durchführung einen
Radius R1 der Durchführung 10 bewirken,
der kleiner ist als der Radius R2 und kleiner
ist als der (in 2 dargestellte) halbe Durchmesser
der optischen Faser FD, die in die Durchführung 10 einzuführen ist.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die drei
Klemmstrukturen 13 in gleichen Abständen entlang des Umfangs der
Durchführung 10 angeordnet.
Das heißt
die Klemmstrukturen 13 sind entlang des Umfangs der Durchführung 10 jeweils
in einem Winkel von 120° angeordnet.
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Alternativ
sind jedoch nur zwei einander gegenüberliegende Klemmstrukturen
je Durchführung vorgesehen.
Ferner ist auch eine einzige Klemmstruktur je Durchführung möglich, die
gegenüber
einem festem Anschlag innerhalb der Durchführung angeordnet ist. Alternativ
sind mehr als drei Klemmstrukturen je Durchgang vorgesehen, bspw.
vier, sechs oder acht Klemmstrukturen je Durchgang.
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Eine
bestmögliche
Positionierung, insbesondere Zentrierung wird jedoch mit drei Klemmstrukturen
je Durchführung
erreicht, so wie dies in 1 dargestellt ist.
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Die
Klemmstrukturen 13 sind mit einem Abstand GB1 zu
den Ausbuchtungen 12 angeordnet. Dieser Abstand GB1 ist gerade so groß gewählt, dass eine maximale Auslenkung
des Biegefederelements 14 in Richtung der Ausbuchtung 12 nicht
zu einem Bruch des Biegefederelements 14 führen kann.
Idealerweise beträgt
der Abstand GB1 im wesentlichen die Differenz
von R2 – R1. Damit ist gewährleistet, dass selbst eine
Faser mit der maximal möglichen
Dicke, das heißt
mit einem Radius R2 die Biegefederelemente 14 nicht überbeanspruchen
kann.
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2 zeigt
die Durchführung 10 aus 1 in
einer Seitenansicht entlang der Linie A-A' gemäß 1.
Man erkennt, dass die Durchführung
10 im wesentlichen nach oben konisch zulaufende Wände aufweist.
An ihrem unteren Ende weist die Durchführung 10 einen Durchmesser
auf, der größer ist,
als jede der für
diese Durchführung
bestimmte optische Faser, wobei der mittlere Durchmesser der für diese Durchführung bestimmten
optischen Fasern FD beträgt. Dieser Faserdurchmesser
FD ist jedoch größer als der sich aus dem Radius
R1 ergebende Abstand am oberen Ende der
Durchführung 10,
der durch die Klemmstrukturen 13 eingeengt wird.
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Die
Klemmstrukturen 13 sind als Biegefederelemente 14 ausgebildet,
die in einem mittleren Bereich der Durchführung zwischen dem oberen und dem
unteren Ende der Durchführung 10 mit
ihrem ersten Ende 15 mit der Vorrichtung 11 verbunden sind.
Das diesem ersten Ende 15 gegenüberliegende zweite Ende jedes
Biegefederelements 14 ist ein freies Ende 16.
Die kürzeste
Verbindung zwischen dem ersten Ende 15 und dem zweiten
Ende 16 be stimmt eine Richtung des Biegefederelements 14.
Diese Richtung verläuft
im wesentlichen parallel zur Längsrichtung
der Durchführung 10 und
damit im wesentlichen parallel zu einer in die Durchführung 10 eingeführten optischen
Faser.
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Das
Biegefederelement 14 ist einstückig mit der Vorrichtung 11 ausgebildet.
Es wird gebildet durch Herstellen eines Schlitzes 17 zwischen
dem Biegefederelement 14 und dem Grundkörper der Vorrichtung 11.
Der Schlitz 17 reicht von oben (oder unten) in die Vorrichtung 11 hinein.
Jedoch erstreckt sich der Schlitz 17 nicht über die
Dicke der Vorrichtung 11, sondern endet im mittleren oder
unteren Bereich der Vorrichtung 11. Das heißt der Schlitz 17 weist
eine Tiefe auf, die kleiner ist als die Dicke der Vorrichtung 11.
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Aufgrund
der besonderen Ausgestaltung der Durchführung 10 mit den im
Bereich dieser Durchführung
angeordneten parallel zur einzuführenden
Faser verlaufenden Klemmstrukturen 13 ist eine einfache
Einführung
der Faser in die Vorrichtung bei gleichzeitiger sicherer Führung und
Positionierung im wesentlichen im Zentrum der Durchführung gewährleistet.
Insbesondere wird ein Ausbrechen der Klemmstrukturen beim Einführen einer
optischen Faser aufgrund der Ausrichtung der Klemmstrukturen parallel
zur Fasereinschubrichtung sowie aufgrund der gewählten Radien R1,
R2 und des Abstandes GB1 verhindert.
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3 zeigt
die Durchführung 10 aus 1 mit
darin eingeführter
optischer Faser 18. Diese optische Faser 18 weist
einen Radius R3 auf, der gleich dem halben
Faserdurchmesser FD ist. Der Radius R3 ist zwar kleiner als der Radius R2 der Durchführung 10, jedoch größer als
der Radius R1 zwischen dem Mittelpunkt der
Durchführung 10 und
den Klemmstrukturen 13 an deren oberen, das heißt zweiten
Enden 16. Daher reduziert sich der Abstand der Klemmstrukturen 13 zu
den Ausbuchtungen bzw. die Dicke des Schlitzes 17 12 von
GB1 auf GB2.
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4 zeigt
die Durchführung
aus 3 mit eingeführter
Faser 18 in einer Seitenansicht. Die optische Faser 18 schließt mit ihrem
oberen Ende mit der Oberseite der Vorrichtung 11 bündig ab.
Diese Fläche
gelangt Idealerweise in Berührung
mit einer korrespondierend ausgebildeten Fläche einer zweiten optischen
Faser, mit welcher die optische Faser 18 gekoppelt werden
soll.
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In
den 1 bis 4 wurden die Biegefederelemente 14 insbesondere
im Bereich ihrer freien Enden 16 auf der der Mitte der
Durchführung 10 zugewandten
Seite im wesentlichen eben dargestellt.
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Alternativ
weist jedoch jedes Biegefederelement im Bereich seines freien Endes,
d.h. im Bereich des Endes, das mit der optischen Faser in Kontakt tritt,
auf der der Mitte der Durchführung
zugewandten Seite des Biegefederelements eine im wesentlichen parallel
zur Längsrichtung
der Durchführung
bzw. der optischen Faser verlaufende Rinne auf. Hierdurch erhält die optische
Faser eine zusätzliche
Führung,
da somit jedes Biegefederelement zwei Anlageflächen bzw. Anlagepunkte für die optische
Faser aufweist. Eine derartige Ausbildung der Biegefederelemente eignet
sich insbesondere, wenn je Durchführung 10 nur ein oder
zwei Biegefederelemente vorgesehen sind.
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5 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
gesamten Vorrichtung 11 mit einer Mehrzahl von in einer
Reihe angeordneten Durchführungen 10 der
vorstehend beschriebenen Art und zwar in einer Ansicht von oben.
Eine derartige Vorrichtung bezeichnet man als eindimensionales Faserarray.
Eine derartige Vorrichtung 11 wird mit einer entsprechend ausgebildeten
weiteren Vorrichtung verbunden, um die sich in den Durchführungen 10 befindenden
gegenüberliegenden
optischen Fasern optisch zu koppeln. Um zwei derartige Vorrichtungen 11 zueinander auszurichten,
werden Führungsmittel
in Form von Passstiften in dafür
vorgesehene Öffnungen
bzw. Durchgänge 19 eingeführt, die
beide Vorrichtungen zueinander ausrichten.
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6 zeigt
die Vorrichtung aus 5, wobei jedoch die Öffnungen
bzw. Durchführungen 19 für die Passstifte
ebenso wie die Durchführungen 10 mit Klemmstrukturen
zur genauen Positionierung der Passstifte und zum Einklemmen der
Passstifte ausgebildet sind.
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7 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung 21 in
Form eines zweidimensionalen Faserarrays, bei dem mehrere parallel
zueinander angeordnete Reihen von Durchführungen 10 gemäß der vorstehend
beschriebenen Art vorgesehen sind. Eine derartige Vorrichtung 21 kann
ebenfalls Öffnungen
bzw. Durchführungen
für Passstifte
gemäß der vorstehend
beschriebenen Art aufweisen.
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Die
in den
1 bis
7 dargestellten Vorrichtungen
11 bzw.
21 sind
vorzugsweise einstückig ausgebildet.
Sie werden hierzu vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial, bspw.
einen Siliciumwafer hergestellt, in dem ein anisotropes Ätzverfahren,
z.B. Silicium-Tiefenätzverfahren
oder RIE (Reactive Ion Etching), DRIE (Deep Reactive Ion Etching)
oder HARSE (High Aspect Ratio Silicon Etching) -Verfahren, angewendet
wird, wie dies z.B. in
DE
42 14 045 C1 beschrieben ist. Hierbei werden bewusst prozessbedingte
Inhomogenitäten,
insbesondere strukturbreitenabhängige Ätzraten
(RIE-Lag), ausgenutzt, um die oben beschriebenen Strukturen zu erhalten. Prozessbedingt
werden nämlich
breite Strukturen schneller geätzt
als schmale Strukturen. Diesen Effekt nutzt man aus, indem die sich
nicht über
die gesamte Dicke des Materials erstreckenden Schlitze schmaler
ausgebildet sind als die sich über
die gesamte Dicke erstreckenden Durchführungen. Somit wird bereits
aufgrund der Breitenverhältnisse
der Schlitze zu den Durchführungen
die Tiefe der Schlitze bestimmt, wenn der Ätzprozess rechtzeitig beendet
wird, insbesondere im wesentlichen zu einem Zeitpunkt, an dem sich
die Durchführung
vollständig über die
Dicke des Materials erstreckt. Zu diesem Zeitpunkt ist nämlich der Ätzprozess
im Bereich der Schlitze noch nicht soweit fortgeschritten wie im
Bereich der Durchführungen,
so dass die Schlitze sich zwar in das Material hinein ausgebildet
haben, jedoch sich noch nicht über
die gesamte Dicke des Materials erstrecken.
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Anstelle
eines Halbleitermaterials kann die Vorrichtung jedoch auch aus keramischem
oder metallischem Material oder aus Kunststoff bestehen.
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Die
auf diese Weise ausgebildete Vorrichtung wird in einem Verbindergehäuse, bspw.
dem Gehäuse
eines Steckverbinders untergebracht, der zum Verbinden von optischen
Fasern mit elektronischen, optoelektronischen und/oder optischen
Bauelementen, bspw. Bauelementen zur Ein- und/oder Auskopplung von
Licht oder optischen Schaltern, oder zum Verbinden von optischen
Fasern zweier optischer Kabel verwendet wird. Das Verbindergehäuse weist
dabei zusätzliche
Einrichtungen auf, um die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie die optischen
Fasern zu schützen
und insbesondere ein Herausrutschen bzw. Herausreißen der
optischen Fasern aus der Vorrichtung zu verhindern.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
findet insbesondere zum Justieren bzw. Positionieren von optischen
Fasern in der Telekommunikationstechnik bzw. Netzwerktechnik Anwendung,
bspw. bei Steckerverbindungen für
optische Fasern, wie zum Beispiel bei sogenannten MT-RJ oder FSD-Verbindern bzw. – Connectors.
Ferner findet die Erfindung Anwendung bei der Verbindung von (opto)elektronischen
Bauelementen an optischen Fasern zur Ein- oder Auskopplung von Licht
sowie bei Faserarrays für
optische Schalter.
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Darüber hinaus
findet die Erfindung Anwendung bei abbildenden Systemen, bspw. in
Form von Faserarrays für
konfokale Mikroskopie bzw. Endoskopie sowie in Form von Faserarrays
zur Anwendung in der Analytik oder Synthese von Biochips.
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Die
Erfindung stellt ein neuartiges Faserarray mit einem Klemmmechanismus
bereit, der optische Fasern präzise
und zuverlässig
Positionieren und Fixieren kann. Aufgrund der parallelen Ausrichtung
der Klemmstrukturen zur optischen Faser werden Winkelfehler der
optischen Faser und wird ein Ausbrechen der Klemmstrukturen vermieden.
Aufwändiges
manuelles Auswählen
oder gar Nacharbeiten von optischen Fasern für Faserarrays werden dank der
Erfin dung vermieden. Die Herstellungskosten optischer Steckverbinder
können
daher reduziert werden.