DE60118949T2

DE60118949T2 - Optischer kollimator für monomode-fasern und monomode-faser mit integriertem kollimator

Info

Publication number: DE60118949T2
Application number: DE60118949T
Authority: DE
Inventors: Philippe Chanclou; Philippe Gravey; Monique Thual
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2021-10-13
Also published as: FR2815421A1; US7155096B2; DE60118949D1; AU2001295691A1; EP1327171A1; FR2815421B1; US20040047575A1; WO2002033463A1; EP1327171B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Kollimator für Monomodeleiter. Sie betrifft auch einen Monomode-Lichtwellenleiter mit integriertem Kollimator und ein Fertigungsverfahren.
Optische Kollimatoren für Monomodeleiter werden verwendet, um die Abmessung des Lichtbündels zu vergrößern und so die Positionierungseinschränkungen und den Einfluss des Staubes auf die Kopplung der Lichtwellenleiter mit einem optischen Modul, das am Ende eines Leiters platziert ist, zu lockern (das optische Modul kann ein anderer Leiter, eine aktive Komponente, ein Verbindungsstück sein).
Es wird daran erinnert, dass im Bereich der Telekommunikation der Monomodeleiter der bevorzugte Träger für die Langstrecken-Hochgeschwindigkeitsübertragung ist. Dennoch verursacht die Verwendung dieses Leiters für seine Propagationseigenschaften große Montageschwierigkeiten und zwar jedes Mal wenn eine Zusammenschaltung zweier Leiter notwendig ist. In der Tat ist die Übertragungsoberfläche von Monomodeleitern von geringer Größe, in der Größenordnung von 10 μm Durchmesser. Es ist daher verständlich, dass die Größe dieser Übertragungsfläche die optische Kopplung für axiale und transversale Positionierungen bei feinstem Staub oder bei Fehlern am Ende des Leiters sehr empfindlich macht.
Es ist daher üblich, einen optischen Kollimator am Ende der Monomodeleiter zu platzieren oder zu realisieren, um sich von diesen Einschränkungen zu befreien.
Zahlreiche technologische Lösungen werden heutzutage angeboten, um solche Kollimatoren zu realisieren.
Eine erste Lösung, in 1 dargestellt, besteht aus dem Positionieren (Kleben, Schweißen...) eines Stabes mit Indexgradienten von einem Durchmesser, der größer ist, als der des Monomodeleiters, am Ende des Monomodeleiters. Zum Beispiel ist der Durchmesser des Stabes ca. 2 mm, während der des Leiters ca. 125 μm ist.
Dieser Kollimator erlaubt es, ein Ausgangsbündel von ca. 500 μm mit einer Abweichung von 0.25° zu erhalten.
Dieser Kollimator-Typ erlaubt eine Montage auf Fassungen vom Typ Stecker und eignet sich auf ideale Weise im Falle von Schnittstellen Leiter/Freiraum.
Die Qualitäten dieses Kollimator-Typs sind geringe Verluste, eine schwache Abweichung und eine schwache Refraktion, dank Schrägeinbau und Entspiegelung.
Leider sind die Nachteile dieser Lösung ihr geringes Integrationsniveau der optischen Funktion im Vergleich zur Größe des Leiters und ihr Preis.
In der Tat ist der Durchmesser des Stabes mit Indexgradient von 2mm 16 mal größer als der Durchmesser des Leiters von 125 μm. Die Kompaktheit der optoelektronischen Module ist daher begrenzt. Zusätzlich benötigt dieser Typ von Technologie eine gute mechanische Justierung des Leiters mit dem Stab mit Indexgradient, was zu einem verbundenen Produkt führt, das teurer ist.
Eine andere Technologie besteht in einem Kollimator auf der Basis von Leitern mit erweiterter Mode, wie in 2a, 2b, 2c dargestellt.
Die Erweiterung des Lichtbündels durch die Modifizierung des Leiterkerns erlaubt es, eine Kollimationsfunktion in den Leiter zu integrieren. Die Integration der optischen Funktion erfolgt somit komplett innerhalb des Leiters. Die Methoden, die verwendet werden können, um Leiter mit erweiterter Mode zu realisieren, sind:

– Schmelzen und Streckung, um die Mode des Leiters zu entgrenzen bzw. aufzuweiten, indem der Querschnitt der Führung verringert wird (vorgeschlagen von K. Furuya et al. 1978).
– die mit dem Außendurchmesser allmähliche Steigerung des führenden Querschnitts (vorgeschlagen von N. Amitay et al. 1987).
– die Diffusion von Atomen zur Dotierung des Kerns des Monomodeleiters durch eine thermische Behandlung (vorgeschlagen von K. Shigihara et al. 1986). Dieser Leiter entspricht dem TEC-Leiter (Thermaly diffused Expansed Core).

Dennoch weist diese Lösung Nachteile auf:

– Das Schmelz- und Streckverfahren zum Erhalt einer feinen Führung ist sehr empfindlich gegenüber mechanischen Störungen und gegenüber den Index-Veränderungen des Monomodeleiters. Außerdem wird der Außendurchmesser von 125 μm nicht beibehalten, was ein spezifisches Verbindungsstück zu dessen Weiterbestehen notwendig macht.
– Die simultane Aufweitung des Außendurchmessers und des Kerns benötigt spezielle Vorformlinge. Dies ist mit einer Massenproduktion zu niedrigen Kosten wenig vereinbar. Außerdem sind spezifische Verbindungsstücke notwendig. Das Integrationsniveau ist schwach.
– Die Expansion der Mode durch Diffusion von Atomen hat den Nachteil, im Schnittbereich empfindlich zu sein.

Eine andere Technologie beruht auf einem Kollimator auf der Basis von linsenartigen Leitern, wie in 3 dargestellt. Die Besonderheit der Mikro-Linse besteht in einer Materialzufuhr (durch Schweißen) am Ende des Monomodeleiters, um die Expansion des Bündels zu regeln. Die erste Lösung besteht darin, am Ende des Monomodeleiters einen Multimodeleiterabschnitt mit Stufenindexgradient anzuschweißen. Eine geeignete Länge dieses Leiters wird verwendet, um einen Abschnitt zu erhalten, der die Rolle der Kollimationslinse des Lichtbündels einnimmt. Durch Verwendung von Leitern verschiedener Arten kann eine größere Palette von Modendurchmesser und Arbeitsabständen erhalten werden. Die Qualitäten diese Mikro-Linsen (3) sind vielfältig:

– eine gute Integration mit ziemlich kurzen Längen von ca. 500 μm und Außendurchmessern von 125 μm, was dem des Monomodeleiters entspricht,
– reduzierte Kosten, weil die Quantität und der Preis der verwendeten Rohstoffe niedrig sind,
– ausreichend erweiterte Bündel, um einen guten Kompromiss zwischen den Toleranzen der Winkel- und Translationspositionierung und den Arbeitsabständen, im Millimeter-Bereich, die für die Zusammenschaltungsanwendungen hinreichend sind, zu erzielen,
– Eine Reproduzierbarkeit und eine Fertigungsqualität von bekannter Ausprägung denn die Schritte bestehen aus den elementaren Schritten Schweißen und Spalten.

Ein zusätzlicher Pluspunkt ist die Möglichkeit der gemeinsamen Fertigung (als Leiterband) mit geeigneten Spalt- und Schweißgeräten.
Dennoch weist auch diese Lösung Nachteile auf: In der Tat werden die optischen Eigenschaften durch definierte Leiterlängen mit
Indexgradient oder anderweitig erhalten. Das Ende des Leiters ist für Schleifen oder Schrägspaltung, die grundlegende Schritte des Anschlusses eines Leiters an ein Verbindungsstück sind, nur schwer verwendbar. Es besteht dann die Gefahr, die Linsenwirkung des Endstücks zu verändern oder sogar zu beseitigen.
Dieser Leiter kann also nicht von der gesamten Handhabungs- und Verbindungs-Technologie für Standardleiter profitieren.
Letztlich besteht eine vierte Technologie aus einem Kollimator auf der Basis einer Beugungslinse, wie in 4 dargestellt.
Diese Technologie, die von der Digital Optics Corporation entwickelt wurde, besteht im Realisieren einer Beugungslinse am Ende eines Siliziumstabs per Foto-Beschriftung, der selbst an einen Lichtwellenleiter geschweißt ist. Das Muster der Linse erlaubt die Durchführung einer Kollimation des Lichtwellenleiters.
Leider weist diese Lösung folgende Nachteile auf:
Die Ausrichtung der Foto-Beschriftungsmaske und der Leiterendstücke ist bei einer gemeinsamen Realisation schwierig. Die Fertigung von Leitermatrizen ist möglich, bedingt aber kostenintensive Ausrichtungen.
Natürlich kann dieser Leiter mit Beugungslinse nicht poliert, gespalten werden, ohne die Linse zu zerstören. Der Verbindungsanschluss ist praktisch unmöglich.
US Patent 4737004 beschreibt einen Lichtwellenleiter, der einen Expansionsabschnitt aufweist, der mit einem zylindrischen aus einem Block angefertigten Endabschnitt verbunden ist.
Die Erfindung hat das Ziel; oben angeführte Probleme zu lösen. Gegenstand der Erfindung ist ein Kollimator, der sich hervorragend in die Fertigung von Monomode-Lichtwellenleitern integriert. Das Ergebnis ist ein Lichtwellenleiter mit einer Mode mit grossem Durchmesser, der komplett in die Dimension des Leiters integriert ist, und der im Sinne der Montage leicht zu handhaben ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein optischer Kollimator mit den Eigenschaften des Anspruchs 1.
Der Erfindung gemäß besteht der Leiterabschnitt zur Expansion der Mode aus einer Vielzahl von Leitern unterschiedlicher Ausprägung.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Monomode-Lichtwellenleiter mit erweitertem Feld, hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass er am Endstück einen Abschnitt aufweist, der geeignet ist, den Durchmesser des Lichtbündels, das von dem Leiter übertragen wird, konstant zu halten.
Der Abschnitt, der geeignet ist, den Durchmesser des Lichtbündels konstant zu halten, kann aus einem Leiterabschnitt mit Stufenindex bestehen.
Der Abschnitt, der geeignet ist, den Durchmesser des Lichtbündels konstant zu halten, kann aus einem Leiterabschnitt mit weitem Kern bestehen.
Der Leiter umfasst einen Abschnitt zur Modenerweiterung.
Der Leiter und die Leiterabschnitte an seinen Enden weisen den gleichen Durchmesser auf. [0034] Ein Fertigungsverfahren einer Zusammenstellung von Lichtwellenleitern mit Expansion der Mode umfasst hauptsächlich folgende Schritte:

– gemeinsames Zusammenschweißen einer Zusammenstellung von n Leitern zur Aufrechterhaltung der Expansion der Mode mit einer Zusammenstellung von n Monomodeleitern zur Expansion der Mode,
– gemeinsames Brechen der Zusammenstellung von n Leitern zur Aufrechterhaltung der Expansion, so dass n Abschnitte mit vorbestimmter Länge erhalten werden.

Die Zusammenstellungen von n Leitern liegen in Form von Leiterbändern vor.
Die Leiter zur Aufrechterhaltung der Expansion, die im Fertigungsverfahren verwendet werden, sind Multimodeleiter mit Stufenindex.
Einem weiteren Durchführungsmodus gemäß sind die Leiter zur Aufrechterhaltung der Expansion Monomodeleiter mit weitem Kern.
Andere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden klar erscheinen beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung, in Bezug auf die Zeichnungen im Anhang, die zur Illustration gedacht ist, und keinesfalls einschränkend ist:
Die 1, 2a, 2b, 2c, 3 und 4 stellen schematische Darstellungen von Kollimatoren nach dem Stand der Technik dar,
5 stellt eine schematische Darstellung eines Lichtwellenleiters mit integriertem Kollimator gemäß der Erfindung dar,
6 stellt eine Tabelle der Entwicklung des Durchmessers der Mode in Abhängigkeit von der Länge des Multimodeleiters mit Stufenindex dar.
7 stellt die gemeinsame Fertigung der Monomodeleiter gemäß der Erfindung dar.
Der Erfindung gemäß umfasst der im Schema der 5 dargestellte Kollimator C eine Optik S1 zur Modenerweiterung. Diese Modenerweiterungsoptik S1 ist durch Leiterabschnitte verschiedenen Typs, die durch Schweißen nebeneinanderliegend verbunden sind, realisiert.
Der Kollimator C gemäß der Erfindung umfasst außerdem eine Optik S2 zum Aufrechterhalten der Expansion (Aufrechterhalten der erweiterten Mode), d.h. eine Optik, die geeignet ist, ein Lichtbündel mit konstantem Durchmesser zu propagieren. Diese Expansionsoptik S2 wird durch einen Leiterabschnitt mit geeigneten Eigenschaften realisiert. Es kann sich um einen Leiterabschnitt mit Stufenindex oder um einen Monomodeleiterabschnitt mit weitem Kern, d.h. mit einem Kerndurchmesser, der größer ist, als der Durchmesser des Expansionsleiterabschnitts, handeln.
Es wird festgestellt, dass ein solcher Kollimator sich perfekt in die Realisierung eines Monomodeleiters integriert, wie in 5 dargestellt.
In der Tat umfasst der Monomodeleiter F in seinem Endstück einen Kollimator C, der nichts an dem äußeren Erscheinungsbild des Leiters F ändert, denn sein äußerer Durchmesser ist derselbe wie der des Leiters, und der nichts an seiner mechanischen Widerstandsfähigkeit ändert.
Außerdem erlaubt dieser Kollimator-Typ die Montage auf Schaltungen vom Typ Verbindungsstück und eignet sich hervorragend im Falle von Schnittstellen Leiter/Freiraum.
Der auf diese Weise realisierte Kollimator bedingt keine Einschränkung bezüglich der Länge des Leiterabschnitts zur Aufrechterhaltung der Expansion S2, so dass man bei der Auswahl dieser Länge über völlige Freiheit verfügt, unter der Bedingung, dass einzig die Mode LP01 über die ganze Länge des Abschnitts S2 angeregt wird.
Es ist außerdem möglich, falls notwendig, dass die äußerste Schnittfläche dieses Abschnitts sein kann:
Poliert oder rechtwinklig oder schräg gespalten, abgerundet, chemisch geätzt,
oder dass sie einen Entspiegelungsbelag oder einen Belag mit irgendeinem Muster (Foto-Beschriftung z.B.) erhält, um eine Beugungslinse zu realisieren.
Das Endstück dieses Abschnitts S2 kann auch, bei Bedarf und ohne Zerstörung oder Veränderung der Funktion, die von diesem Abschnitt gewährleistet wird, gestreckt, verjüngt werden.
Außerdem erlaubt der Kollimator C eine Verbindung mit jedweder Optik auch mit einem anderen an seinem Ende angeschweißten Leiter.
Ein Lichtbündel, das in den Leiter F eingeleitet wird, wird im Abschnitt S1 kollimiert und wird dann durch Abschnitt S2 geführt. Die Propagierungsmode in diesem Abschnitt entspricht der Mode LP01. In der Praxis ist die Propagierung der Mode LP01 „erweitert" nur über eine gewisse Distanz möglich. Die Propagierung dieser Mode wird von keiner Veränderung der Geometrie des optischen Bündels (Modendurchmesser) begleitet. Die Anregung dieser Mode, und einzig dieser Mode, wird durch die Qualität der Einleitung des aus dem Abschnitt S1 kommenden Bündels in Richtung des Abschnitts S2 bedingt.
Die Fertigung eines Monomodeleiters, die einen Kollimator zur Aufrechterhaltung der Modenexpansion gemäß der Erfindung umfasst, ist mit einer gemeinsamen Fertigung kompatibel, d.h. mit einer gleichzeitigen Fertigung mehrerer Leiter. Eine gemeinsame Fertigung findet insbesondere bei Leiterzusammenstellungen wie Leiterbändern Anwendung.
7 stellt die gemeinsame Fertigung von optischen Leitern zur Modenexpansion gemäß der Erfindung dar.
Das Fertigungsverfahren besteht einerseits darin, eine Zusammenstellung von Monomodeleitern zur Modenexpansion zu realisieren.
Das Verfahren besteht andererseits darin, gemeinsam eine Zusammenstellung von Leitern zur Aufrechterhaltung der Expansion (Leiter mit Stufenindex oder mit weitem Kern) zu realisieren.
Das Verfahren besteht schließlich in einem gemeinsamen End-zu-End-Verschweißen der Endstücke der Leiter zur Modenexpansion und Modenaufrechterhaltung, um dann die Leiter zur Modenexpansion und Modenaufrechterhaltung gemeinsam auf gleiche Länge zu spalten.
Ein Leiter mit integriertem Kollimator gemäß der Erfindung wurde durch den Patentanmelder für verschiedene Längen von Leitern mit Stufenindex am Endstück realisiert. Die Ergebnisse der verschiedenen Versuche haben eine Unabhängigkeit gegenüber der Länge dieses Endstückleiters für Längen zwischen 0 und 10 mm gezeigt. Im gewählten Beispiel beträgt der Modendurchmesser 20 μm. Dieser Modendurchmesser wird durch die Verwendung von Leiterabschnitten unterschiedlicher Ausprägung erhalten. Es wird angenommen, dass die eingeleitete Welle am Eingang des Leiters mit Stufenindex plan ist.
Die Eigenschaften des Leiters sind folgende:

– Monomodeleiter: G652, Φ_EXT = 125 μm, Φ_Kern= 7.2 μm
– Linse zur Modenexpansion (Abschnitt S1): Übergang von 11 μm zu 20 μm
– Leiter mit Stufenindex (S2): Φ_EXT= 125 μm, Φ_KERN = 35 μm, (Stufenindex) Δn = 21 10^–3

Für diesen Leiter beträgt der Durchmesser der Mode LP01 20 μm.
Es handelt sich um ein Beispiel, die Eigenschaften der Leiter können unterschiedlich sein. Zum Beispiel beträgt der Durchmesser der Mode LP01 mit einem Standardleiter mit Stufenindex bzw. Indexsprung 50/125 ca. 30 μm.
6 zeigt die Unabhängigkeit der Länge des Multimodeleiters mit Stufenindex für den Modendurchmesser des Ausgangsbündels.
Es wird vermerkt, dass der Modendurchmesser des Bündels über eine Länge des Leiters mit Stufenindex von 0 bis 10 mm unverändert bleibt.
Außerdem sind Versuche zum Wirkungsgrad der Zusammenschaltung unternommen worden. Der Wirkungsgrad der Zusammenschaltung ist der gleiche wie der für einen Leiter ohne einen Multimodeleiterabschnitt mit Stufenindex. Dieser Leiter bringt also keine Veränderung der optischen Eigenschaften der Zusammenschaltung mit sich. Die Positionierungstoleranz ist die von zwei Bündeln von 20 μm Modendurchmesser.
Diese Verluste beinhalten die Fresnel-Verluste des Silizium-/Luftdiopters, die 0,34 db betragen.
So hat der Patentanmelder einen in der Leiterdimension integrierten Kollimator realisiert und modelliert, dessen optische Eigenschaften von der Länge des Endstücks in einem gewissen Maß unabhängig sind.

Claims

Optischer Kollimator für Monomodeleiter aufweisend einen Leiterabschnitt zur Expansion der Mode (S1) umfassend einen Eingang und einen Ausgang für ein Lichtbündel, und angeordnet, um den Durchmesser des genannten Lichtbündels zu vergrößern und um ihn zu kollimieren und, mit dem Leiterabschnitt zur Expansion der Mode (S1) verbunden, einen Leiterabschnitt zur Aufrechterhaltung der Expansion (S2), geeignet, um den Durchmesser des Lichtbündels, das durch diesen Abschnitt geleitet wird, konstant zu halten, wobei der Leiterabschnitt zur Expansion der Mode (S1) und der Leiterabschnitt zur Aufrechterhaltung der Expansion (S2) dazu geeignet sind, dass das aus dem Leiterabschnitt zur Expansion der Mode (S1) herkommende und in den Leiterabschnitt zur Aufrechterhaltung der Expansion (S2) eingeleitete Lichtbündel in der Lage ist, nur die Mode LP01 des Leiterabschnitts zur Aufrechterhaltung der Expansion (S2) anzuregen, und dass allein die Mode LP01 über die gesamte Länge des Leiterabschnitts zur Aufrechterhaltung der Expansion (S2) angeregt ist, dadurch charakterisiert, dass die Leiterabschnitte (S1, S2) den gleichen Außendurchmesser haben und dass der Leiterabschnitt zur Expansion der Mode (S1) durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Leiterabschnitten gebildet ist, die nebeneinanderliegend verschweißt sind.
Optischer Kollimator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterabschnitt zur Aufrechterhaltung der Expansion (S2) durch einen Multimodeleiter mit Stufenindex gebildet wird.
Optischer Kollimator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterabschnitt zur Aufrechterhaltung der Expansion (S2) durch einen Monomodeleiter mit einem Kerndurchmesser größer als der des Monomodeleiters, für den er vorgesehen ist, gebildet wird.
Kollimator gemäß Anspruch 2, in dem die Länge des Leiterabschnitts zur Aufrechterhaltung der Expansion kleiner oder gleich 10 mm ist.
Kollimator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem der Leiterabschnitt zur Expansion der Mode und der Leiterabschnitt zur Aufrechterhaltung der Expansion miteinander verschweißt sind.
Monomode-Lichtwellenleiter mit integriertem Kollimator, dadurch gekennzeichnet, dass er an einem Ende einen Kollimator gemäß irgend einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Monomode-Lichtwellenleiter gemäß Anspruch 6, in dem der Außendurchmesser des Kollimators identisch mit dem des Leiters ist, in den er integriert ist.