DE2625097A1

DE2625097A1 - Verfahren zum ankoppeln von lichtleitern an halbleiterstrahler und nach diesem verfahren hergestellter lichtleiter

Info

Publication number: DE2625097A1
Application number: DE19762625097
Authority: DE
Inventors: Christian Dr Ing Timmermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1976-06-04
Filing date: 1976-06-04
Publication date: 1977-12-15
Also published as: DE2625097C2

Description

Verfahren zum Ankoppeln von Lichtleitern an Haibleiterstrahler -
und nach diesem Verfahren hergestellter Lichtleiter.
Zusammenfassung: Es wird ein Verfahren zum Ankoppeln von Lichtleitern an Halbleiterstrahler sowie ein nach diesem Verfahren hergestellter Lichtleiter angegeben. Das Verfahren umfaßt das teilweise oder vollständige Abätzen des Mantels einer Kernmantelfaser oder das teilweise Anätzen einer Gradientenfaser auf den gewunschten Durchmesser, sowie das Anschmelzen einer Linse an das Faserende aus im Verhältnis zum Schmelzpunkt des Kerniiiaterials niedrig schmelzendem Material, sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Lichtleiter.
Stand der Technik: Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Ankoppeln eines Lichtleiters an einen Halbleiterstrahler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Besondere Verfahren zur Ankopplung von Lichtleitfasern an Halbleiterstrahler sind wegen der außerordentlich kleinen Abmessungen der zusammenwirkenden optoelektronischen Einrichtungen mit vielen Unsicherheiten behaftet und die nach diesem Verfahren hergestellten Lichtleiter nur mit mäßigem Wirkungsgrad ausgestattet.
Verfahren zur Ankopplung von optischen Fasern an Halbleiterlaser sind u.a. bekannt aus "Applied Optics", Vol. 14, Nr. 12, Dez. 1975, 5. 2815 bis 2816. Es wird dort angegeben,die Lichtleitfaserenden anzuschmelzen, so daß anstelle eines flachen Endabschnittes eine halbkugelförmige Linsenkuppe entsteht.
Die nach diesem Verfahren hergestellten Lichtleitfasern weisen jedoch nicht die für die möglichst verlustarme Ankopplung erforderliche halbkugelförmige Gestalt des Faserkerns auf, sondern entweder wird beim Schmelzprozeß das Mantelmaterial früher weichflüssig als das Kernmaterial, so daß es unter Ausbildung einer pupillenartigen Öffnung blendenförmig einzieht, oder das Kernmaterial wird früher weichflüssig als das Mantel material und es kommt unter der Einwirkung der Oberflächenspannungen nur zu einer flachen Linse großer Brennweite am Faserende. Die erwünschte nahezu halbkugelförmige Ausbildung des Faserendes mit einem Kugelradius, der etwa dem Kernradius entspricht, gelang nur in einem einzigen Fall aufgrund der besonderen Versuchsbedingungen, die sich nicht auf andere Lichtleitfasern übertragen lassen Vorteile der Erfindung: Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches und die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Lichtleitfaser hat demgegenüber den Vorteil, daß die erwünschte Ausbildung des Kernfaserendes bei allen gebräuchlichen Lichtleitfasern erreicht werden kann und die erzielten Ergebnisse mit großer Sicherheit reproduzierbar sind. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Ein Ausführungbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine nach dem obenbeschriebenen bekannten Verfahren hergestelltes Koppelende einer Kernmantelfaser mit dickem Mantel; Fig. 2 einer ebenfalls in bekannter Weise hergestellter Faser mit dünnem Mantel, desen Schmelzpunkt niedriger liegt als der des Kerns Fig. 3 zeigt eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Koppelende einer Quarz-Kern-Mantel-Easer.
In Fig. 1 ist eine Kernmantelfaser dargestellt, die einen verhältnismäßig dünnen lichtleitenden Kern 1 in einem verhältnismäßig starken Mantel 2 aufweist. Die Brechungsindizes von Kern und Mantel sind verschieden voneinander, so daß an der Grenzfläche zwischen dem Kern 1 und dem Mantel 2 für die im Kern unter geeignetem Winkel gefiihrten Lichtstrahlen Totalreflexion eintritt. Beim Anschmelzen des Faserendes zum Erhalt einer linsenförmigen Kuppe 3 wird zwar im günstigsten Fall eine halbkugelförmige Ausbildung erzielt, auf den Kerndurchmesser entfällt jedoch nur ein verhältnismäßig flacher Kugelabschnitt 4.
In Fig. 2 ist eine dünnummantelte Faser dargestellt, bei der der Kern 5 von einem verhältnismäßig dünnen Mantel 6 umgeben ist. Beim AnscEuelzen fdes Faserendes zieht sich der Mantel 6 infolge der herrschenden Oberflächenspanflungsverhältnisse blendenartig um die I(ernöffnung herum, so daß nur ein kleiner Eintrittsdurchmesser frei bleibt und der Wirkungsgrad der hnkopplung sehr gering wird. Außerdem ist auch hier der auf die Eintrittsöffnung fallende Kugelabschnitt nur sehr flach ausgebildet, was als nachteilig anzusehen ist.
In Fig. 3 ist eine Kernmantelfaser, ähnlich Fig. 1, dargestellt.
Sie enthält im linken Abschnitt einen Kern 11 der von einem Mantel 12 umgeben ist. Infolge der Kleinheit solcher Fasern, bei denen typische Abmessungen bei beispielsweise 80/u Kerndurchmesser und 13O/u Gesamtdurchmesser liegen, ist es nur unter großen Schwierigkeiten möglich das Koppelende der Faser mechanisch zu bearbeiten. Infolgedessen hat sich die Methode des Anschmelzens des Faserendes als vorteilhaft erwiesen. Um nun zu vermeiden, daß beim Anschmelzen des Faserendes Konfigurationen entsprechend den Figuren 1 und 2 entstehen, wird erfindungsgemäß in der Nähe des Faserendes über eine gewisse Länge der Mantel fast vollständig abgetragen. Dies kann beispielsweise durch einen Ätzprozeß erfolgen. Es muß jedoch sorgfältig das vollständige Abtragen des Mantels vermieden werden, da sonst die zur Totalreflexion notwendige Grenzfläche 13 zwischen dem Kern 11 und dem Mantel 12 verlorengeht. Anschließend wird das Faserende zur Vorbereitung des Anschmelzens einer Halbkugel planbearbeitet. Wenn man jetzt versucht dem Faserende durch einen einfachen Schmelzprozeß die gewünschte Form zu geben, kommt es infolge der Oberflächenspannungen zu einem ähnlichen Resultat wie in Fig. 2, da der noch verbleibende Mantel sich wenigstens teilweise um die Stirnöffnung des Mantels 11 herumzieht. Nach der Erfindung wird daher ein Verfahren gewählt, bei dem an das vorbereitete flache Faserende 14 eine halbkugelförmige Linse aus einem niedriger schmelzenden Material als es der Kern oder der Mantel der eigentlichen Faser darstellt, angeschmolzen wird. Diese halbkugelförmige Linse 15 weist vorteilhaft den gleichen Brechungsindex wie das Kernmaterial auf, so daß es beim Ubergang von der Linse auf den Kern 11 zu keinen Reflexion- und Lichtverlusten kommen kann.
Im Falle der Verwendung einer Gradientenfaser'mit von der Mitte zum Rand nach einer bestimmten Funktion abnehmenden Brechungsindex erfolgt die Vorbereitung in gleicher Weise wie vorher beschrieben. Auch hier wird das Faserende bis zum gewünschten Durchmesser abgeätzt, und an das vorbereitete plangeschliffene Ende eine halbkugelförmige Linse aus niedriger schmelzendem durchsichtigem Material mit gleichem Brechungs index wie die Seele der Faser angeschmolzen. Ein einfacher Schmelzvorgang des vorbereiteten Faserendes würde auch hier dazu führen das Schmelzgut aus den Randpartien mit abweichendem Brechungsindex bis annähernd zur Mitte der Eintrittsöffnung vordringen und die optischen Eigenschaften verschlechtern.
Bei einer Lichtleitfaser aus Glas kann die anzuschmelzende halbkugelförmige Linse beispielsweise aus einem Epoxyharz bestehen, bei der Verwendung einer Quarzglasfaser kann die Linse aus einem niedriger schmelzenden Glas bestehen.

Claims

Patentansprjiche Verfahren zur Ankopplung einer Lichtleitfaser an einen Halbleiterstrahler, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Lichtleitfaser im Bereich ihres Endabschnittes verringert wird und daß an die Endfläche eine Linse aus niedriger schmelzendem Material als das Fasermaterial aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse an das Faserende angeschmolzen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung des Durchmessers der Lichtleitfaser durch einen Ätprozeß erfolgt.
4. Lichtleitfaser hergestellt nach einem Verfahren entsprechend den Patentansprüchen 1 bis 3, daß der Durchmesser der Lichtleitfaser im Bereich des indabschnittes auf einem Teil der Länge verringert ist und daß an der planen Endfläche eine im wesentlichen halbkugelförmige Linse angeschmolzen ist.
5. Lichtleitfaser nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Materials der angeschmolzenen halbkugelförmigen Linse dem Brechungsindex des Kernes entspricht.
6. Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtleitende Kern noch von einem Teiles Mantelmaterials umgeben ist.
7. Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Lichtleitfaser aus Glas die Linse aus Epoxyharz besteht.
8. Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Quarzlichtleitfaser die halbkugelförmige Linse aus einer niedrig schmelzenden Glasmischung besteht.