1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtwellenleiter-
Lichteinkopplungs-Anschluß mit einer vergrößerten
Einfallfläche, um Lichtenergie aus einer Lichtquelle in einen
Lichtwellenleiter einzukoppeln, und insbesondere auf eine
Lichteinkopplungs-Einrichtung eines Lichtwellenleiters, in
die von einer Lichtquelle, wie z. B. einer Laserdiode oder
einer lichtemittierenden Diode ausgestrahlte Lichtenergie
auf eine vergrößerte Einfall-Stirnfläche einfällt, von der
divergierendes Licht emittiert und in einen
Lichtwellenleiter abgegeben wird.
2. STAND DER TECHNIK
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Es wurden eine Reihe von herkömmlichen
Lichteinkopplungs-Einrichtungen vorgeschlagen und eingesetzt, die
jeweils Lichtenergie von einer Lichtquelle in einen
Monomode-Lichtwellenleiter einkoppeln. Eine herkömmliche
Lichteinkopplungs-Einrichtung verwendet ein Linsensystem, das
eine oder mehrere optische Linsen aufweist, wobei das System
an einem Ort zwischen einer Lichtquelle und einer
Lichtwellenleiter-Stirnfläche angeordnet ist. Bei dieser Art von
Lichteinkopplungs-Einrichtung wird der Spotradius des von
der Lichtquelle abgegebenen Lichtstrahls als Modenradius des
Lichtwellenleiter-Kerns eingestellt, um den Wirkungsgrad der
Lichteinkopplung zwischen der Lichtquelle und dem
Lichtwellenleiter zu verbessern.
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Der Lichtreflexionsverlust bei einer Oberfläche einer
optischen Linse einer herkömmlichen optischen Einkopplungs-
Einrichtung beträgt ungefähr 14% pro Linse. Lichtenergie
(Pa), die auf einen Kern eines Lichtwellenleiters auftrifft,
kann sich wirksam durch den Lichtwellenleiter-Kern der
herkömmlichen Lichteinkopplungs-Einrichtung ausbreiten.
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Da der Durchmesser eines Kerns eines
Monomode-Lichtwellenleiters 9 bis 10 um beträgt, verschlechtern
auftre
tende Fluchtungsfehler der optischen Achsen von Lichtquelle,
Lichtwellenleiter und optischem Linsensystem den
Wirkungsgrad der Lichteinkopplung merklich.
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Der Wirkungsgrad η der Lichteinkopplung wird angegeben
in Abhängigkeit des Fluchtungsfehlers der Achsen dieser
optischen Komponenten mit der Formel (1)
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η = exp(-2d²/ω²) (1),
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wobei d der Fluchtungsfehler (um) und ω der Modenradius des
Lichtwellenleiters ist. Es sei angenommen, daß der
Wirkungsgrad η der Licht-Einkopplung bei einem Fluchtungsfehler von
0 um 100% beträgt. Dann beträgt der Wirkungsgrad η der
Lichteinkopplung bei d = 2,5 um und ω = 5 um ungefähr 60%.
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Wenn ein optisches Linsensystem verwendet wird, um einen
Lichtstrahl in eine optische Einkopplungs-Einrichtung zu
übertragen, ist es notwendig, Fluchtungsfehler der optischen
Achsen der optischen Komponenten zu korrigieren. Der
Wirkungsgrad η des Lichteinkopplungsystems hängt von der
Genauigkeit der Korrektur ab. Zusätzlich addieren sich jedes
Mal, wenn der Lichtstrahl eine Linsenoberfläche passiert,
Licht-Reflektionsverluste den Oberflächen der Linsen. Durch
diese Schwierigkeiten war der Wirkungsgrad η der
Lichteinkopplung des Systems in den meisten Fällen auf höchstens
ungefähr 40% begrenzt.
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Es wurde bereits eine Lichteinkopplungs-Einrichtung, bei
der direkt eingekoppelt wird, oder eine Lichteinkopplungs-
Einrichtung mit einer einfachen Konstruktion vorgeschlagen,
bei der in dem Raum zwischen der Lichtquelle, d. h. einer
Laserdiode oder einer lichtemittierenden Diode, und der
Monomode-Lichtwellenleiter-Stirnfläche kein Linsensystem
angeordnet ist, wie es in Fig. 4 gezeigt ist.
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Fig. 4 zeigt das Funktionsprinzip einer
Lichteinkopplung zwischen einer Lichtquelle und einer Lichtwellenleiter-
Stirnfläche, wobei in dem Raum dazwischen kein Linsensystem
angeordnet ist. In Fig. 4 bezeichnet 1 eine Lichtquelle,
d. h. eine Laserdiode, 2 kennzeichnet den Kern eines
Licht
wellenleiters 6, 3 kennzeichnet den Mantel des
Lichtwellenleiters 6 und 4 kennzeichnet den gesamten abgegebenen
Lichtstrahl, wobei der Lichtstrahl 5 auf den Kern 2 des
Lichtwellenleiters 6 auftrifft. Wenn als Lichtquelle eine
Laserdiode verwendet wird, erfolgt die Verteilung der Intensität
des Lichtstrahls, der von der Laserdiode 1 mit einem
Strahlungswinkel 6r emittiert wird, gemäß der Gauss'schen-
Verteilungskurve, und der Lichtstrahl ist kohärent. Durch
die Beugung des kohärenten Lichtstrahls mit der Gauss'schen-
Verteilungskurve wird eine elliptische
Strahlungscharakteristik gebildet. Die elliptische Charakteristik weist eine
Streuung von 40 bis 60 Grad entlang der XX'-Achse und eine
Streuung von 20 Grad entlang der YY'-Achse auf. Die auf den
Kern 2 des Lichtwellenleiters auftreffende Lichtenergie Pa
wird berechnet durch
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Pa = I&sub0;{1-exp(-2a²/ωz) }
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wobei 10 die Intensität der von der Lichtquelle emittierten
Lichtenergie, "a" der Kernradius des
Monomode-Lichtwellenleiters ( = 5 um) und "ω²" der Radius des auf die
Lichtwellenleiter-Stirnfläche auftreffenden Lichtstrahls ist und wobei
die Entfernung z von der Lichtquelle aus gemessen wird. Der
durchschnittliche Strahlungswinkel θr des gesamten
Lichtstroms 4 wird mit 25 Grad angenommen. Die numerische
Appertur der auf den Kern des Monomode-Lichtwellenleiters
auftreffenden Lichtenergie wird mit NA = θ&sub1; = 5,3 Grad angenommen.
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Die auf die Stirnfläche des Lichtwellenleiter-Kerns 2
auftreffende errechnete Lichtenergie Pa beträgt ungefähr
8%. Die verbleibende Lichtenergie Pa, die ungefähr 92% der
gesamten Lichtenergie beträgt, trifft auf den
Lichtwellenleiter-Mantel 3 und andere Bereich auf. Die auf den
Lichtwellenleiter-Mantel 3 auftreffende Lichtenergie wird zur
Außenfläche 6 des Lichtwellenleiter-Mantels 3 abgestrahlt
und stellt Strahlungsverlust dar.
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Angenommen, die Lichtwellenleiter-Stirnfläche 7 nähert
sich der Lichtquelle 1 einer Laserdiode so nahe wie möglich,
dann kann sich die auf den Lichtwellenleiter-Kern 2 in einem
Einfallswinkel von NA = θ&sub1; = 5,3 Grad oder mehr auftreffende
Lichtenergie nicht entlang des Lichtwellenleiters
ausbreiten, obwohl sich die auf den Lichtwellenleiter-Kern 2 in
einem Einfallswinkel von weniger als NA = θ&sub1; = 5,3 Grad
auftreffende Lichtenergie entlang des Lichtwellenleiters ausbreiten
kann.
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Eine Lichteinkopplungs-Einrichtung mit einfacher
Konstruktion, die eine Direkteinkopplungs-Struktur aufweist,
wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, ist einfach herzustellen,
jedoch in den meisten Fällen aufgrund des niedrigen
Wirkungsgrads der Lichteinkopplung in der Praxis nicht zu
verwenden. Da zur Vereinfachung der Anordnung mit der oben
beschriebenen Direkteinkopplungs-Methode keine optische
Linse verwendet wird, wurden eine Reihe von Änderungen
vorgeschlagen, um den Wirkungsgrad der Einkopplung zu
verbessern.
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Die in Fig. 5 gezeigte Lichteinkopplungs-Vorrichtung
ist beispielsweise eine davon. Sie wird beschrieben in
"Ideal Microlenses for Laser to Fiber Coupling" von
Christopher A. Edwards et al., IEEE Journal of Lightwave
Technology, Band 11, Nr. 2, Seiten 252-257, (Februar 1993).
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Fig. 5 zeigt in einer Schnittansicht ein
Ausführungsbeispiel einer Lichteinkopplungs-Einrichtung, bei der mit
Direkteinkopplung gearbeitet wird.
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Ein konischer Abschnitt 9, in dem der Radius eines
Lichtwellenleiters 8 in Richtung der Stirnfläche des
Lichtwellenleiters 8 vermindert wird, wird durch Schmelzen und
Ziehen des Lichtwellenleiters 8 hergestellt, so daß der
Modenradius eines Kerns 10 vergrößert wird, und eine
halbkugelförmige Mikrolinse 11 wird am Ende des konischen
Abschnitts 9 durch die beim Schmelzen der Lichtwellenleiter-
Stirnfläche erzeugte Oberflächenspannung gebildet.
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In Fig. 5 beträgt die Entfernung Z zwischen der
Lichtquelle der Laserdiode 1 und der
Lichtwellenleiter-Stirn
fläche 8,5 um und der Radius R der Oberflächenkrümmung der
Mikrolinse 22 beträgt 5,7 um. Der Wirkungsgrad η der
Lichteinkopplung wird mit ungefähr 50% angegeben. Bei diesem
Beispiel ist die numerische Appertur aufgrund des sehr
kleinen Radius der Mikrolinse 11 klein. Beim Ausrichten der
optischen Achsen zwischen der Lichtquelle und dem
Lichtwellenleiter können Fehler auftreten. Beide begrenzen den
Wirkungsgrad der Lichteinkopplung der Einrichtung.
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Ein optisches Verbindungsstück mit Feld-Modifikationen,
das von Nolam et al. erfunden wurde und in der
US-Patentschrift Nr. 4,763,976 beschrieben ist, wird unter Bezugnahme
auf Fig. 6 erläutert. Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht des
optischen Verbindungsstücks. In Fig. 6 ist ein Glasröhrchen
mit einem optischen Brechungsindex n&sub3;, der kleiner ist
als der optische Brechungsindex n&sub1; eines Lichtwellenleiter-
Mantels 14, konzentrisch und mit einheitlicher Struktur um
die Außenfläche 13 des Mantels 14 des Lichtwellenleiters 12
herum angeordnet, und die Stirnfläche des Lichtwellenleiters
12 wird in einer Endbearbeitung durch Schmelzen und
Zusammenziehen klein gemacht.
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Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ist der
Modenradius des Lichtwellenleiter-Kerns 16 auf die doppelte Größe
eines normalen Modenradius eines normalen Lichtwellenleiters
aufgeweitet, so daß der Wirkungsgrad der Lichteinkopplung
selbst dann nicht verschlechtert wird, wenn ein
Fluchtungsfehler zwischen den optischen Achsen auftritt. Die in Fig.
6 gezeigte vorgeschlagene Einrichtung soll den Wirkungsgrad
der Lichteinkopplung verbessern.
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Wenn das Verhältnis des Stirnflächen-Durchmessers zum
normalen Lichtwellenleiter-Durchmesser in dem konischen
Abschnitt 1 bis 4 beträgt, ist der Modenradius w des
Lichtwellenleiter-Kerns mit 10 um angegeben. Wenn der Versatz (d)
der optischen Achsen der Lichtquelle und des
Lichtwellenleiters 2,5 um beträgt, beträgt der errechnete Wirkungsgrad
(η) der Lichteinkopplung 88%, da angenommen wird, daß
lediglich der Versatz der optischen Achsen den Wirkungsgrad
der Lichteinkopplung verschlechtert.
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Aus technischer Sicht ist die Endbearbeitung eines
Lichtwellenleiters, um den konischen Abschnitt in die in
Fig. 6 gezeigte Form zu bringen, nicht leicht, und die
Herstellung in der Praxis wird als schwierig angesehen.
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Sowohl die Fluchtungsfehler aufgrund des Versatzes der
optischen Achsen der Lichtquelle und des Lichtwellenleiters
als auch die numerische Appertur (NA) des Lichtwellenleiter-
Kerns vermindern die Lichtenergie, die tatsächlich in den
Lichtwellenleiter-Kern einfällt. Diese beschränkenden
Faktoren reduzieren bei vielen herkömmlichen Einrichtungen den
Wirkungsgrad der Lichteinkopplung auf 50% oder weniger.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Lichtwellenleiter-
Lichteinkopplungs-Anschluß mit einer vergrößerten
Eingangsfläche für einen Eintritt von Lichtenergie zu schaffen, um
Lichtenergie mit einem Einfallswinkel über einen breiten
Winkelbereich aufnehmen zu können, so daß der Versatz, wenn
vorhanden, zwischen den optischen Achsen der Lichtquelle und
des Lichtwellenleiters vernachlässigt werden kann, um den
Wirkungsgrad der Lichteinkopplung hochzuhalten, und so daß
die auftreffende Lichtenergie sich mit hohem Wirkungsgrad
ausbreiten kann.
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Bei dem mit einer vergrößerten Eingangsfläche
ausgebildeten Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-Anschluß handelt
es sich zur Lösung der Aufgabe um einen solchen, der
Lichtenergie von der Lichtquelle in den Lichtwellenleiter
einspeist. Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter mit
Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-Einrichtung wird mit einer
optischen Reflexionsschicht und einem Lichteinkopplungs-
Abschnitt hergestellt, der aus einer erweiterten
Lichtwellenleiter-Eingangs-Stirnfläche besteht, die aus einem
vergrößerten Kern und einem vergrößerten Mantel besteht.
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Diese sind in solchen Verfahren hergestellt, bei denen auf
einen Teil des Lichtwellenleiters entlang dessen optischer
Achse eine Druckkraft aufgebracht wird, so daß, während der
Teil des Lichtwellenleiters durch Erhitzen geschmolzen wird,
der Radius des Teils des Lichtwellenleiters vergrößert wird.
Der Lichtwellenleiter wird an demjenigen Punkt, an dem der
Radius des Lichtwellenleiters vergrößert wird, entlang der
Ebene senkrecht zur optischen Achse des Lichtwellenleiters
geschnitten, und die Ebene wird anschließend poliert. In
einem Paar von konischen Abschnitten nehmen die Radien des
Kerns und des Mantels eines normalen
Lichtwellenleiterabschnitts nahe der vergrößerten Eingangs-Stirnfläche des
Lichtwellenleiters mit zunehmender Entfernung von der
vergrößerten Eingangs-Stirnfläche des Lichtwellenleiters ab und
anschließend wieder bis auf den normalen
Lichtwellenleiterradius zu, nachdem sie das Minimum des Radius durchschritten
haben. Die optische Reflexionsschicht wird außerhalb der
Einkopplungs-Einrichtung gebildet.
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Die das gesamte auftreffende Licht reflektierende
optische Reflexionsschicht kann als spiegelnde Überzugschicht
aus dielektrischem Material oder als Metallfolienschicht mit
hohem Reflexionsgrad, d. h. als Aluminium-, Kupfer-, Gold-
oder Silberschicht ausgebildet sein.
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Der Lichteinkopplungs-Abschnitt ist in einer
Anschlußhülse befestigt, die hergestellt wurde, um die vergrößerte
Eingangs-Stirnfläche des Lichtwellenleiters in einem Ende
einer Bohrung aufzunehmen, die im Zentrum der Anschlußhülse
ausgebildet ist.
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Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des
Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-Anschlusses mit einer vergrößerten Eingangsfläche.
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Fig. 2 zeigt die Schritte zur Herstellung des in Fig.
1 gezeigten Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-Anschlusses
mit einer vergrößerten Eingangsfläche.
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Fig. 2(A) zeigt einen ersten Arbeitsgang, in dem ein
ellipsenförmiger vergrößerter Abschnitt 20 gebildet wird.
Der Abschnitt 20 wird hergestellt, indem entlang der Achse
des Lichtwellenleiters Druckkräfte aufgebracht werden,
während ein Monomode-Lichtwellenleiter 19 mit einem aus einem
Kern 17 und einem konzentrischen Mantel 18 bestehenden
Querschnitt durch Erhitzen teilweise geschmolzen wird.
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Fig. 2(B) zeigt einen zweiten Arbeitsgang, in dem das
Paar von konischen Abschnitten 22, 23 hergestellt wird,
deren kleinster Durchmesser in der Mitte 21 angeordnet ist.
Diese Abschnitte 22, 23 werden durch Schmelzen und Ziehen
des Lichtwellenleiters 19 nahe des ellipsenförmigen
vergrößerten Abschnitts 20 gebildet.
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Fig. 2(C) zeigt einen Arbeitsgang, in dem eine optische
Reflexionsschicht 24 außerhalb des Lichtwellenleiters 19
gebildet wird, so daß die sich in dem Mantel ausbreitende
Eingangs-Lichtenergie (Pb) innerhalb des Lichtwellenleiters
19 gehalten und die numerische Appertur NA erweitert wird.
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Die optische Reflexionsschicht 24 wird gebildet, indem
eine spiegelnde Überzugschicht aus dielektrischem Material
mit hohem Reflexionsgrad auf die Außenfläche des
Lichtwellenleiters aufgebracht wird. Die optische
Reflexionsschicht 24 kann ferner gebildet werden, indem eine
Metallfolienschicht mit hohem Reflexionsgrad, d. h. eine Aluminium-
Kupfer, Gold- oder Silberschicht auf die Außenfläche des
Lichtwellenleiters aufgedampft wird. Anschließend kann die
vergrößerte Eingangs-Stirnfläche durch Polieren der
Stirnfläche des ellipsenförmigen vergrößerten Abschnitts 20
gebildet werden.
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Nachdem die in Fig. 2(C) gezeigte Gesamtlicht-
Reflexionsschicht gebildet ist, wird der Lichtwellenleiter-
Einkopplungs-Anschluß mit der vergrößerten Eingangsfläche in
eine Anschlußhülse 25 gesteckt, wie in Fig. 1 gezeigt. Wenn
der Monomode-Lichtwellenleiter 19 in die Anschlußhülse 25
eingesteckt und in dieser befestigt wird, wird der
vergrößerte ellipsenförmige Abschnitt 20 in einen kegelförmigen
Abschnitt 27 an einem Ende einer Zentralbohrung 26 gebracht,
die in der zylindrischen Anschlußhülse 25 ausgebildet ist.
Nach dem Einstecken wird die Anschlußhülse 25 an ihren
beiden Enden 28, 29 zusammen mit den Stirnflächen des
Lichtwellenleiters poliert.
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Danach wird die optische Achse einer Lichtquelle 30,
d. h. einer LD oder einer LED, zu der optischen Achse der
Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-Einrichtung mit
vergrößerter Eingangs-Stirnfläche ausgerichtet, die gemäß der
Erfindung hergestellt worden ist, wobei sowohl die
Lichtquelle als auch die Lichteinkopplungs-Einrichtung als
Baueinheit hergestellt werden, um die aus der Lichtquelle und
der Lichteinkopplungs-Einrichtung bestehende Baugruppe zu
bilden.
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Wie zuvor beschrieben, wird bei dem erfindungsgemäß
hergestellten Lichteinkopplungs-Abschnitt des
Lichtwellenleiters vom Typ "100" eine spiegelnde Überzugschicht aus
dielektrischem Material oder eine Metallfolienschicht mit
hohem Reflexionsgrad verwendet. Die spiegelnde
Überzugsschicht aus dielektrischem Material weist einen
Reflexionsgrad von 98% oder mehr auf, wenn der Lichtstrahl in einem
Einfallwinkel von 45 Grad oder weniger auf diese spiegelnde
Überzugsschicht auftrifft.
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Eine derartige Metallfolienschicht, wie zum Beispiel
eine Kupfer-, Gold- oder Silberschicht, weist einen
Reflexionsgrad von 98% oder mehr auf, wenn der Lichtstrahl in
einem rechten Winkel auf diese Metallfolienschicht
auftrifft. Weitere Informationen sind dem "General Catalog" zu
entnehmen, herausgegeben von Newport Co., Ltd., Seite J-62
(1990) sowie dem "Machine Design Handbook", herausgegeben
von Maruzen Co., Ltd., Seite 89 (1973).
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Von einer Lichtquelle 30, d. h. einer LD oder einer LED,
abgehende Lichtenergie 10 wird mit hohem
Einkopplungs-Wirkungsgrad in die Stirnfläche 28 eingekoppelt, wie in Fig. 1
gezeigt.
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Die Kennwerte des Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-
Anschlusses mit vergrößerter Eingangsfläche werden später
beschrieben.
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Erstens, wenn der den Lichtstrahl aufnehemde Kernradius
a des Lichtwellenleiters auf die doppelta Größe wie ein
normaler Kernradius vergrößert wird, wird die Lichtenergie
Pa an der Stirnfläche des Lichtwellenleiterkerns erhöht,
wobei der Lichteinkopplungs-Wirkungsgrad η die Tendenz
besitzt, anzusteigen und unabhängig von dem Versatz d
zwischen den optischen Achsen der Lichtquelle 30 und dem
Lichtwellenleiter zu werden.
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Zweitens, wenn ein Paar von konischen Abschnitten durch
Schmelzen und Ziehen des Lichtwellenleiters gebildet wird,
wird der Modenradius o auf dieselbe Größe erweitert, wie der
Mantelradius b des Lichtwellenleiters. Da ein sichtbarer
Kernbereich des Lichtwellenleiters auf dieselbe Größe
erweitert wird, wie dessen Mantelradius b, konvergiert die auf
den Mantelbereich des Lichtwellenleiters auftreffende
Lichtenergie Pb in dessen Kern hinein, wobei sich Lichtenergie Pa
entlang dessen Kern ausbreitet, während Lichtenergie Pb
entlang des Paares von konischen Abschnitten 22, 23 wandert.
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Drittens, da bei einer herkömmlichen Vorrichtung, wie
sie in Fig. 4 gezeigt ist, auf die Stirnfläche des
Lichtwellenleiterkerns auftreffende Lichtenergie Pb normalerweise
verloren ist, weil sie im Mantel nach außen gestrahlt wird,
kann sich innerhalb des Mantels keine Lichtenergie
ausbreiten. Erfindungsgemäß ist auf die Außenflächen eines Paares
von konischen Abschnitten 22, 23 die optische
Reflexions
schicht 24 aufgedampft, so daß sich die in dem Mantel der
konischen Abschnitte wandernde Lichtenergie durch den Mantel
hindurch ausbreiten kann, wobei in den Mantelabschnitten
kein Strahlungsverlust auftritt.
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Wenn ein Lichtstrahl in einem Winkel auf dem
Lichtwellenleiter auftritt, der der numerischen Appertur (NA) des
Monomode-Lichtwellenleiters ( = Winkelradius ≤ ungefähr 5,3
Grad) entspricht oder kleiner ist, kann sich die in den
Lichtwellenleiterkern 17 einfallende Lichtenergie Pa entlang
des Kerns ausbreiten.
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Wenn Lichtenergie Pa in einem der numerischen Appertur
NA entsprechenden oder größeren Auftreffwinkel in den
Lichtwellenleiterkern 17 einfällt, entweicht die Lichtenergie Pa
im allgemeinen und tritt in den Mantel ein. Der
erfindungsgemäße Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-Anschluß mit
vergrößerter Eingangsfläche ist jedoch dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtenergie innerhalb der Mantelabschnitte der
konischen Abschnitte in die Kernabschnitte des Paares von
konischen Abschnitten 22, 23 konvergiert. Dies führt dazu,
daß die numerische Appertur (NA) ignoriert werden kann. Die
auf die Stirnfläche des Mantels einfallende Lichtenergie Pb
kann sich innerhalb der konischen Abschnitte 22, 23 ohne
jede Beschränkung durch einen Auftreffwinkel ausbreiten, da
die Mantelabschnitte des Paares von konischen Abschnitten
22, 23 von der Umgebung außerhalb der Mantelabschnitte durch
die aufgedampfte Schicht 23 mit hohem Reflexionsgrad optisch
isoliert sind. Lichtenergie, die in einem Einfallwinkel auf
die Endfläche eines Lichtwellenleiters auftrifft, der dem
Brewster-Winkel entspricht oder kleiner ist, konvergiert in
den Kern des Lichtwellenleiters. Der Brewster-Winkel θb wird
durch die Gleichung (3) angegeben.
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θb = tan&supmin;¹n&sub1; (3)
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wobei n&sub1; der Brechungsindex des Lichtwellenleiters ist.
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Wenn n&sub1; 1,47 beträgt, erhält man für θb 55,8 Grad. Da der
Strahlungswinkel einer Laserdiode normalerweise 25 bis 30
Grad beträgt, kann die Lichtenergie aus der Laserdiode
leicht in den Lichtwellenleiter einfallen.
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Eine Änderung des Modenradius ω infolge einer Änderung
des Radius a des Lichtwellenleiterkerns ist erwähnt in "Loss
analysis of single-mode file splice", Bell System Technical
Journal, Vol. 56, No.5, pp.703 by Marcuse D. (1977).
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Nach Marcuse wird der Radius ω durch Gleichung (4)
bestimmt, wenn sich der Radius a des Lichtwellenleiterkerns
ändert.
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ω = a (0,65 + 1,619/V1,5 + 2,879/V&sup6;) (4),
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wobei V die durch Gleichung (5) bestimmte Normalfrequenz
ist.
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V = (2πan&sub1;/λ) · {2(n&sub1;-n&sub2;) /n&sub1;}1/2 (5),
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wobei λ(um) die Wellenlänge des von der Lichtquelle
emittierten Lichts, a(um) der Radius des Lichtwellenleiterkerns,
n&sub1; der Brechungsindex des Lichtwellenleiterkerns und n&sub2; der
Brechungsindex des Lichtwellenleitermantels ist.
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Fig. 3 zeigt die Beziehungen des Modenradius (ω), des
Radius (a) des Lichtwellenleiterkerns und des Radius (b) des
Lichtwellenleitermantels als Funktionen des Verhältnisses
(Dmin/Dn) des kleinsten Radius des Kerns und des Mantels der
konischen Abschnitte zu demjenigen eines normalen
Lichtwellenleiters. In Fig. 3 sind λ = 1,31 um, a = 5 um, n&sub1; =
1,47, n&sub2; = 1,46 und b = 62,5 um zugrundegelegt.
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Der erfindungsgemäße
Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-Anschluß mit vergrößerter Eingangsfläche ist, wie
zuvor beschrieben, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von
konischen Abschnitten durch Schmelzen und Ziehen eines
Standard-Monomode-Lichtwellenleiters nahe der
Einfall-Stirnfläche gebildet und der Radius a des Lichtwellenleiterkerns
17 entlang der konischen Abschnitte vermindert wird, wobei
sich in den Mantelabschnitten der konischen Abschnitte
ausbreitende Lichtenergie Pb in den Lichtwellenleiterkern 17
hineinkonvergiert, durch den sich Lichtenergie Pa
ausbreitet. Mit Verkleinerung des Lichtwellenleiterkerns 17
erwei
tert sich der Modenradius ω des Lichtwellenleiterkerns 17,
wie in Fig. 3 dargestellt.
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Derjenige Bereich, der den Modenradius ω aufweist, wird
optisch als der Lichtwellenleiterkern-Bereich betrachtet.
Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-
Anschluß mit vergrößerter Eingangsfläche wird auf Basis
dieser optischen Eigenschaften betrieben.
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In dem Lichtwellenleiterkern 17 sich ausbreitende
Lichtenergie Pa, die von der Lichtquelle in den
Lichtwellenleiterkern 17 einfällt, entweicht zum Teil in dem Paar von
konischen Abschnitten durch den Evanescent-Effekt aus dem
Modenradius-Bereich und wird mit der Lichtenergie Pb
vereinigt, die sich innerhalb des Lichtwellenleitermantels
ausbreitet. Dieser Ausbreitungsmodus führt zu einer
zusammengesetzten Lichtenergie (Pa+Pb), die sich innerhalb des
Lichtwellenleitermantels ausbreitet. Wenn der Modenradius ω
mit Ausbreitung in den zweiten konischen Abschnitt 22 klein
wird, dessen Radius mit zunehmender Entfernung von der
Einfall-Stirnfläche hinter der Mitte der konischen Abschnitte
größer wird, wird die sich ausbreitende Lichtenergie (Pa+Pb)
in den Bereich innerhalb des Radius a des
Lichtwellenleiterkerns hineinkonzentriert. Die zusammengesetzte Lichtenergie
P = Pa+Pb konvergiert schließlich in den
Lichtwellenleiterkern 17, so daß sich die Lichtenergie P innerhalb des
Lichtwellenleiterkerns 17 ausbreiten kann.
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Wenn das Verhältnis des minimalen Radius des konischen
Abschnitts zu demjenigen eines normalen Lichtwellenleiters
in Fig. 3 ungefähr 40% beträgt, beträgt der Radius b des
Lichtwellenleitermantels und der Modenradius ω jeweils 27
bis 28 um, also denselben Wert. Wenn dieses Verhältnis 40%
beträgt, kann die Aufgabe der Erfindung gelöst werden.
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Der Winkel θt, der die abstandsabhängige Radiusänderung
der konischen Abschnitte eines Monomode-Lichtwellenleiters
des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-
Anschlusses mit vergrößerter Eingangsfläche definiert,
braucht nicht exakt bestimmt zu werden, er wird jedoch
vorzugsweise auf einen Wert eingestellt, der gleich ist wie
oder weniger beträgt als der Grenzwinkel θc des
Lichtwellenleiters, der verwendet wird, um die
Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-Einrichtung herzustellen. Der Grenzwinkel θc
des in Fig. 3 gezeigten Monomode-Lichtwellenleiters beträgt
ungefähr 3,6 Grad.
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Wie zuvor beschrieben, speist der erfindungsgemäße
Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-Anschluß mit
vergrößerter Eingangsfläche Lichtenergie aus einer Lichtquelle in den
Lichtwellenleiter ein. Die
Lichtwellenleiter-Lichteinkopplungs-Einrichtung verwendet eine optische Reflexionsschicht
und einen Lichteinkopplungs-Abschnitt.
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Der Lichteinkopplungs-Abschnitt weist eine vergrößerte
Lichtwellenleiter-Eingangs-Stirnfläche, bestehend aus einem
vergrößerten Kern und einem vergrößerten Mantel, sowie ein
Paar von konischen Abschnitten auf.
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Der vergrößerte Kern und der vergößerte Mantel werden
durch Prozesse hergestellt, in denen auf einen Teil des
Lichtwellenleiters entlang der optischen Achse des
Lichtwellenleiters eine Druckkraft aufgebracht wird, so daß sich der
Radius des Teils des Lichtwellenleiters vergrößert, während
der Teil des Lichtwellenleiters durch Erhitzen geschmolzen
wird. Der Lichtwellenleiter wird anschließend in der Ebene
senkrecht zur optischen Achse des Lichtwellenleiters an
einem Punkt geschnitten, an dem der Radius des
Lichtwellenleiters erweitert ist, und die geschnittene Ebene wird
poliert. Das Paar von konischen Abschnitten ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Radien des Kerns und des Mantels des
normalen Lichtwellenleiterabschnitts nahe des vergrößerten
Lichtwellenleitereingang-Stirnflächenabschnitts allmählich
mit zunehmenden Abstand von dem vergrößerten
Lichtwellenleitereingang-Stirnflächenabschnitt abnehmen und
anschließend wieder bis auf den normalen Lichtwellenleiterradius
zunehmen, nachdem sie einen Minimalradius durchschritten
haben. Die optische Reflexionsschicht ist außerhalb der
Einkopplungsmittel gebildet.
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Die gesamte von der Lichtquelle emittierte Lichtenergie
wird von der vergrößerten Lichtwellenleiter-Stirnfläche
aufgenommen, die sowohl den Kern als auch den Mantel enthält,
wobei diese Lichtenergie die wirksame Lichtenergie wird, die
sich entlang des Kerns ausbreitet.
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Es kann im Vergleich zum Stand der Technik eine Zunahme
des Versatzes der optischen Achsen der Lichtquelle und des
Monomode-Lichtwellenleiters gestattet werden. Angenommen,
der Strahlungswinkel θr des von der Lichtquelle emittierten
Lichtstrahls beträgt 25 Grad und die Entfernung z zwischen
der Lichtquelle und der Einfall-Stirnfläche des
Lichtwellenleiters beträgt 100 um, dann nimmt der Radius ωz des
Lichtstrahls ungefähr einen Wert von 47 um an. Wenn die zulässige
Abweichung d des Versatzes der optischen Achse der
Lichtquelle und des Lichtwellenleiters in der Praxis mit ± 5 um
definiert wird, kann die erfindungsgemäße Lichteinkopplungs-
Einrichtung ohne jegliche Lichtachsen-Einstellung
zusammengebaut werden. Wenn die Toleranz d gleich 5 um beträgt,
beträgt der Lichteinkopplungsverlust bei der
erfindungsgemäßen Lichteinkopplüngs-Einrichtung gleich 2, 2%. Obwohl die
Lichteinkopplungs-Einrichtung ohne jegliche
Lichtachsen-Einstellung hergestellt wird, kann leicht ein hoher
Einkopplungs-Wirkungsgrad erreicht werden.