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DE102004026498B4 - Micro-optical system - Google Patents

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Hans Poisel
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Abstract

Mikrooptisches System umfassend
– eine mikrooptische Komponente (4)
– wenigstens eine Glasfaser (1) zur Einkopplung bzw. Auskopplung von Licht in die mikrooptische Komponente (4), und
– wenigstens ein Mittel (2) zur Aufnahme der wenigstens einen Glasfaser (1), welches mittels eines Klebers (3) mit der mikrooptischen Komponente (4) oder einem mit dieser verbundenen Abstandshalter verbunden ist, wobei das wenigstens eine Mittel (2) zur Aufnahme der wenigstens einen Glasfaser (1) derart ausgebildet ist, dass das der mikrooptischen Komponente (4) zugewandte Ende der wenigstens einen Glasfaser (1) in einem vorgegebenen Abstand zum Kleber (3) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
innerhalb des zwischen dem der mikrooptischen Komponente (4) zugewandten Ende der wenigstens einen Glasfaser (1) und der mikrooptischen Komponente (4) selbst vorgesehenen Abstands ein Glasstab (6) mit einer im Glasstab konstanten Brechzahl vorgesehen ist, der als der Abstandshalter fungiert.Comprising a micro-optical system
A micro-optical component (4)
- At least one glass fiber (1) for coupling or decoupling of light in the micro-optical component (4), and
- At least one means (2) for receiving the at least one glass fiber (1) which is connected by means of an adhesive (3) with the micro-optical component (4) or a spacer connected thereto, wherein the at least one means (2) for receiving the at least one glass fiber (1) is designed such that the end of the at least one glass fiber (1) facing the microoptical component (4) is arranged at a predetermined distance from the adhesive (3),
characterized in that
within the distance between the micro-optical component (4) facing the end of the at least one glass fiber (1) and the micro-optical component (4) itself provided distance glass rod (6) is provided with a glass rod constant refractive index, which acts as the spacer.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein mikrooptisches System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a micro-optical system according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Zur Weiterverarbeitung der in Glasfasern geführten optischen Signale werden vielfach mikrooptische Systeme eingesetzt. Derartige mikrooptische Systeme können beispielsweise Linsenarrays sowie weitere passive optische, mechanische und auch Halbleiterbauelemente umfassen.to Further processing of guided in optical fibers optical signals often used micro-optical systems. Such micro-optical systems can For example, lens arrays and other passive optical, mechanical and also include semiconductor devices.

Die üblicherweise eingesetzten optischen Leistungen in einer Größenordnung von 0 dBm, entsprechend 1 mW führen in Singlemode-Glasfasern mit einem Kerndurchmesser von 9 μm zu einer Leistungsdichte von größer als 15 MW/m2 bzw. 1.5 kW/cm2. Mit der Anforderung gleichzeitig eine Vielzahl von Kanälen zu übertragen, werden wie WDM oder DWDM-Systeme mit zunehmend höherer Bandbreite bei gleichbleibender spektraler Leistungsdichte und somit zunehmender optischer Gesamtleistung eingesetzt. Auch in speziellen Anwendungen, in denen die optische Übertragungsstrecke mit einer hohen Streckendämpfung beaufschlagt ist, werden vorzugsweise höhere Leistungen eingesetzt. Typische Applikationen hierfür sind beispielsweise optische Drehübertrager.The typically used optical powers in the order of 0 dBm, corresponding to 1 mW result in singlemode glass fibers with a core diameter of 9 microns to a power density of greater than 15 MW / m 2 and 1.5 kW / cm 2 . With the requirement to simultaneously transmit a plurality of channels, such as WDM or DWDM systems with increasingly higher bandwidth are used with constant spectral power density and thus increasing overall optical performance. Also in special applications, in which the optical transmission path is subjected to a high path loss, preferably higher powers are used. Typical applications for this are, for example, optical rotary joints.

Mit zunehmender optischer Leistungsdichte steigt auch die Gefahr der thermischen Überlastung bzw. Zerstörung von Komponenten im optischen Pfad. Besonders anfällig sind hier die Verbindungsstellen zwischen unterschiedlichen optischen Komponenten wie zwischen Glasfasern und mikrooptischen Systemen, welche häufig als Epoxy-Verbindungen ausgeführt werden.With Increasing optical power density also increases the risk of thermal overload or Destruction of Components in the optical path. Particularly vulnerable here are the joints between different optical components such as between glass fibers and micro-optical systems, which are often performed as epoxy compounds.

In der US 6,587,618 B2 sind derartige Epoxy-Verbindungen zwischen Glasfasern und einem Mikrolinsen-Array offenbart. Zur mechanischen Befestigung und zum Ausgleich von Längen- bzw. Winkeltoleranzen ist ein dünner Epoxy-Film zwischen Glasfasern und Mikrolinsen-Array vorgesehen. Es werden hier gezielt die günstigen optischen Eigenschaften des Epoxy zur Strahlführung eingesetzt.In the US 6,587,618 B2 such epoxy compounds are disclosed between glass fibers and a microlens array. For mechanical attachment and to compensate for length or angular tolerances, a thin epoxy film between glass fibers and microlens array is provided. Here, the favorable optical properties of the epoxy are used specifically for beam guidance.

Auch in der US 6,328,482 B1 ist die Verbindung einer Glasfaser mit einem optischen Gerät offenbart. Die Glasfaser wird durch Bohrungen einer Halteplatte geführt und vollständig mit Epoxy umgeben in diese eingeklebt.Also in the US 6,328,482 B1 the connection of a glass fiber to an optical device is disclosed. The glass fiber is passed through holes in a plate and completely surrounded with epoxy glued into it.

Ein wesentlicher Nachteil dieser beiden Anordnungen beim Einsatz hoher optische Leistungen ist, dass sich Epoxy im optischen Pfad befindet, welches durch die hohe optische Leistungsdichte beschädigt werden kann. Dies kann zu einer erhöhten Durchgangsdämpfung, erhöhten Reflexionen sowie im schlimmsten Falle zur völligen Unbrauchbarkeit der Verbindung und damit der gesamten optischen Einheit führen.One significant disadvantage of these two arrangements when using high optical performance is that epoxy is in the optical path, which are damaged by the high optical power density can. This can lead to increased transmission loss, increased Reflections and, in the worst case, the complete uselessness of the Connection and thus the entire optical unit lead.

In der DE 198 21 294 A1 ist eine Anordnung zum festen verbinden einer lichtleitenden Faser mit einer opti schen Baugruppe offenbart. Ein Ferrulenkörper weist Vertiefungen auf, die ein Eindringen von Klebstoff in den optischen Pfad vermeiden. Optional kann die Faser auch gegenüber der Baugruppe zurückgesetzt sein.In the DE 198 21 294 A1 is an arrangement for firmly connecting a photoconductive fiber with an optical assembly rule disclosed. A ferrule body has recesses that prevent adhesive from entering the optical path. Optionally, the fiber may also be reset relative to the assembly.

Die DE 199 27 167 A1 offenbart ein Koppelelement zur Verbindung zweier Lichtleiter für hochintensive Lichtstrahlung. Die Verbindung erfolgt über einen Luftspalt. An der Koppelstelle erfolgt eine Aufweitung des Strahles durch Gradienten-Multimode-Fasern.The DE 199 27 167 A1 discloses a coupling element for connecting two optical fibers for high-intensity light radiation. The connection takes place via an air gap. At the coupling point, the beam is expanded by gradient multimode fibers.

Die DE 199 04 445 A1 offenbart einen Linsenstecker, bei dem die Ankopplung an die Glasfasern durch einen freien Strahl erfolgt.The DE 199 04 445 A1 discloses a lens plug in which the coupling to the glass fibers is by a free jet.

Die US 6,328,482 B1 offenbart einen mehrlagigen Faserkoppler, bei dem die Faser unmittelbar in eine Haltevorrichtung eingeklebt ist.The US 6,328,482 B1 discloses a multilayer fiber coupler in which the fiber is bonded directly into a fixture.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung zwischen Glasfasern und mikrooptischen Systemen derart weiterzubilden, dass diese in der Lage ist, möglichst hohe optische Leistungen zu übertragen.Of the Invention is based on the object, a connection between glass fibers and further develop micro-optical systems in such a way that they can be used in the Location is as possible to transmit high optical powers.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The inventive solution this The task is specified in claim 1. Further developments of the invention are the subject of the dependent Claims.

Das erfindungsgemäße mikrooptische System umfasst wenigstens eine mikrooptische Komponente 4, vorzugsweise ein Mikrolinsen-Array, und wenigstens eine Glasfaser 1 zur Einkopplung bzw. Auskopplung von Licht in diese mikrooptische Komponente. Vorteilhafterweise ist eine größere Anzahl von Glasfasern, beispielsweise in einem Bereich zwischen 10 und 100 Glasfasern vorgesehen. Weiterhin ist wenigstens ein Mittel 2 zur Aufnahme wenigstens einer Glasfaser 1 vorgesehen. Dieses Mittel ist vorzugsweise als Ferrule ausgebildet. Weiterhin ist dieses Mittel vorzugsweise mittels eines Klebers 3, vorzugsweise Epoxydharz (Epoxy) mit der mikrooptischen Komponente verbunden. Erfindungsgemäß ist nun das wenigstens eine Mittel 2 zur Aufnahme wenigstens einer Glasfaser 1 derart ausgebildet, dass das der mikrooptischen Komponente zugewandte Ende der Glasfaser in einem vorgegebenen Abstand zum Kleber 3 angeordnet ist. Hierbei ist dieser Abstand vorzugsweise größer als der Kerndurchmesser der wenigstens einen Glasfaser und besonders bevorzugt größer als der zehnfache Kerndurchmesser.The micro-optical system according to the invention comprises at least one micro-optical component 4 , preferably a microlens array, and at least one glass fiber 1 for coupling or decoupling light into this micro-optical component. Advantageously, a larger number of glass fibers, for example, in a range between 10 and 100 glass fibers provided. Furthermore, at least one means 2 for receiving at least one glass fiber 1 intended. This means is preferably designed as a ferrule. Furthermore, this agent is preferably by means of an adhesive 3 , preferably epoxy resin (epoxy) connected to the micro-optical component. According to the invention, this is now the at least one agent 2 for receiving at least one glass fiber 1 formed such that the micro-optical component facing End of the glass fiber at a given distance to the adhesive 3 is arranged. In this case, this distance is preferably greater than the core diameter of the at least one glass fiber and particularly preferably greater than ten times the core diameter.

Das von der Glasfaser austretende Licht divergiert mit dem Austrittwinkel innerhalb des Abstandes, wobei der Abstand vorzugsweise maximal so lang gewählt wird, dass der Lichtstrahl die Innenfläche einer Befestigung oder einer Ferrule nicht berührt. Das nun in das mikrooptische Systemen eintretende Licht ist gegenüber dem ursprünglichen aus der Faser austretenden Lichtstrahl deutlich aufgeweitet mit einer entsprechend größeren Querschnittsfläche und demzufolge einer geringeren Leistungsdichte an der Eintrittsfläche in das mikrooptische System. Dieser Übergang kann nun problemlos unter Zuhilfenahme von Epoxy ausgeführt werden, da hier die übertragene Leistungsdichte wesentlich geringer ist. Durch die Erfindung kann nun mit einem mikrooptischen System eine wesentlich höhere optische Leistung übertragen werden, wobei das mikrooptische System selbst nicht modifiziert werden muss. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Anordnung auch auf Grund der Reziprozität zur Lichteinkopplung in die Glasfaser geeignet. Dies gilt auch für die nachfolgend aufgeführten Varianten und weiteren Gegenstände der Erfindung.The light emerging from the glass fiber diverges with the exit angle within the distance, the distance preferably being maximum chosen so long is that the light beam the inner surface of a fastening or a ferrule is not touched. The light now entering the micro-optical system is opposite to the original from the fiber emerging light beam significantly widened with a correspondingly larger cross-sectional area and Consequently, a lower power density at the entrance surface in the micro-optical system. This transition can now be easily done with the help of epoxy, because here the transferred Power density is much lower. By the invention can now with a micro-optical system a much higher optical Transmit power with the micro-optical system itself not being modified must become. Of course is the arrangement of the invention also because of the reciprocity suitable for light coupling into the glass fiber. This also applies to the following listed Variants and other items the invention.

Weiterhin weist das erfindungsgemäßes mikrooptisches System einen Glasstab 6 auf, welcher zwischen dem der mikrooptischen Komponente 4 zugewandte Ende der Glasfaser 1 und der mikrooptischen Komponente 4 selbst angeordnet ist. Dieser Glasstab weist eine Brechzahl auf, die vorzugsweise der Brechzahl des Kerns der Glasfaser entspricht. Weiterhin wird dieser Glasstab vorzugsweise an das Faserende angespleißt. Diese Spleißverbindung selbst ist stabil gegenüber hohen Leistungsdichten. Das von der Glasfaser austretende Licht divergiert mit dem Austrittwinkel innerhalb des vorzugsweise zylinderförmigen Glasstabs, wobei es weiter in dem Glasstab geführt wird, ohne dessen Außenfläche zu berühren oder zu durchdringen. Am Ende des Glasstabes tritt nun ein gegenüber dem ursprünglichen aus der Faser austretenden Lichtstrahl deutlich aufgeweiteter Lichtstrahl mit einer entsprechend größeren Querschnittsfläche und demzufolge einer geringeren Leistungsdichte in das mikrooptische System über. Dieser Übergang kann nun problemlos unter Zuhilfenahme von Epoxy ausgeführt werden, da hier die übertragene Leistungsdichte wesentlich geringer ist. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung kann das mikrooptische System praktisch unverändert beibehalten werden, da an diesem keine Änderungen notwendig sind. Der Glasstab übernimmt gleichzeitig die Funktion des Abstandshalters, so dass auf einen zusätzlichen Abstandshalter verzichtet werden kann. Somit sind die Fertigungskosten einer erfindungsgemäßen Anordnung geringer, aber zumindest nicht höher als die einer Anordnung entsprechend dem Stand der Technik. Schließlich kann mit einer solchen erfindungsgemäßen Anordnung auch noch ein Anschluss mit geringeren Reflexionen realisiert werden, da der Spleiß nahezu reflexionsfrei ist und der Lichtstrahl an der mit Epoxy ausgeführten Klebestelle bereits aufgeweitet wurde.Furthermore, the micro-optical system according to the invention has a glass rod 6 on which between that of the micro-optical component 4 facing the end of the fiberglass 1 and the micro-optical component 4 arranged itself. This glass rod has a refractive index which preferably corresponds to the refractive index of the core of the glass fiber. Furthermore, this glass rod is preferably spliced to the fiber end. This splice itself is stable against high power densities. The light emerging from the glass fiber diverges with the exit angle within the preferably cylindrical glass rod, whereby it is guided further in the glass rod without touching or penetrating its outer surface. At the end of the glass rod, a light beam which has been significantly widened compared to the original light beam emerging from the fiber now passes with a correspondingly larger cross-sectional area and consequently a lower power density into the micro-optical system. This transition can now be performed easily with the help of epoxy, since the transmitted power density is much lower here. With this embodiment of the invention, the micro-optical system can be maintained practically unchanged, since no changes are necessary to this. The glass rod simultaneously assumes the function of the spacer, so that can be dispensed with an additional spacer. Thus, the manufacturing cost of an inventive arrangement are lower, but at least not higher than that of a prior art arrangement. Finally, with such an inventive arrangement even a connection with lower reflections can be realized because the splice is almost free of reflections and the light beam has already been widened at the splice executed with epoxy.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Grenzfläche, an der das Licht in ein anderes Medium übertritt schräg angeschliffen. Derartige Grenzflächen sind beispielsweise das der mikrooptischen Komponente 4 zugewandte Ende der Glasfaser 1, oder die der Glasfaser 1 zugewandte Seite der mikrooptischen Komponente 4, oder die der Glasfaser zugewandte Seite des Abstandshalters. Durch eine solche schräge Ausbildung einer Grenzfläche kann die Reflexion des Übergangs wesentlich verringert werden.In a further embodiment of the invention, at least one boundary surface at which the light transitions into another medium is obliquely ground. Such interfaces are for example that of the micro-optical component 4 facing the end of the fiberglass 1 , or the fiberglass 1 facing side of the micro-optical component 4 , or the glass fiber side facing the spacer. By such an oblique formation of an interface, the reflection of the transition can be substantially reduced.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Anpassung der Brechzahl der Glasfaser 1 und der mikrooptischen Komponente 4. Vorteilhafterweise erfolgt die Anpassung der Brechzahl auf < 0.005 genau. Weist beispielsweise die mikrooptische Komponente eine Brechzahl von x auf, dann sollte die Brechzahl der Glasfaser in einem Bereich von x ±0.005 liegen. Durch diese Ausgestaltung ist ebenfalls eine besonders reflexionsarme Übertragung möglich.A further embodiment of the invention relates to an adaptation of the refractive index of the glass fiber 1 and the micro-optical component 4 , Advantageously, the adjustment of the refractive index to <0.005 exactly. If, for example, the micro-optical component has a refractive index of x, then the refractive index of the glass fiber should be in a range of x ± 0.005. By this embodiment, a particularly low reflection transmission is also possible.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Mittel 2 zur Aufnahme wenigstens einer Glasfaser 1 als Komponente mit wenigstens einer V-Nut ausgebildet.In a further advantageous embodiment of the invention is at least one means 2 for receiving at least one glass fiber 1 formed as a component with at least one V-groove.

Beschreibung der Zeichnungendescription the drawings

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.The Invention will be described below without limiting the general inventive concept of exemplary embodiments described by way of example with reference to the drawings.

1 zeigt in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung. 1 shows in schematic form a device according to the invention.

2 zeigt in schematischer Form eine alternative Ausführungsform der Erfindung, mit einem Glasstab zwischen Glasfaser und der mikrooptischen Komponente. 2 shows in schematic form an alternative embodiment of the invention, with a glass rod between glass fiber and the micro-optical component.

1 zeigt in allgemeiner Form schematisch ein erfindungsgemäßes mikrooptisches System, welches eine mikrooptische Komponente 4, hier beispielhaft ein Mikrolinsen-Array, sowie eine mit dieser verbundene Glasfaser 1 zeigt. Eine Ferrule 2 dient zur Aufnahme und mechanischen Fixierung der Glasfaser 1. Diese Ferrule ist mittels eines Klebers 3 an die mikrooptische Komponente 4 geklebt. Um nun die optische Leistungsdichte im Kleber 3 zu verringern, ist zwischen dem Ende der Glasfaser 1 und dem Kleber ein Glasstab 6 vorgesehen. In diesem wird der aus der Glasfaser 1 austretende Lichtstrahl in seinem Querschnitt aufgeweitet. 1 shows in a general form schematically a micro-optical system according to the invention, which is a micro-optical component 4 , here by way of example a microlens array, as well as an associated with this glass fiber 1 shows. A ferrule 2 serves for receiving and mechanical fixation of the glass fiber 1 , This ferrule is by means of an adhesive 3 to the micro-optical component 4 glued. To now the optical power density in the adhesive 3 It is between the end of the fiberglass 1 and the glue a glass rod 6 intended. In this, the one out of the fiberglass 1 emerging light beam expanded in its cross section.

2 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung mit einem Glasstab 6, welcher zwischen der Glasfaser und dem Kleber angeordnet ist. In diesem Glasstab divergiert der Lichtstrahl, so dass die optische Leistungsdichte an der Oberfläche des Klebers wesentlich reduziert wird. Aufgrund der nahezu gleichen Brechzahlen von Glasfaser 1, Glasstab 6 und der mikrooptischen Komponente 4 tritt auch keine Brechung im Strahlengang auf. 2 shows an embodiment of the invention with a glass rod 6 , which is arranged between the glass fiber and the adhesive. In this glass rod, the light beam diverges, so that the optical power density at the surface of the adhesive is substantially reduced. Due to the almost identical refractive indices of glass fiber 1 , Glass rod 6 and the micro-optical component 4 also occurs no refraction in the beam path.

11
Glasfaserglass fiber
22
Ferruleferrule
33
KleberGlue
44
Mikrooptische Komponentemicrooptic component
66
Glasstabglass rod

Claims (4)

Mikrooptisches System umfassend – eine mikrooptische Komponente (4) – wenigstens eine Glasfaser (1) zur Einkopplung bzw. Auskopplung von Licht in die mikrooptische Komponente (4), und – wenigstens ein Mittel (2) zur Aufnahme der wenigstens einen Glasfaser (1), welches mittels eines Klebers (3) mit der mikrooptischen Komponente (4) oder einem mit dieser verbundenen Abstandshalter verbunden ist, wobei das wenigstens eine Mittel (2) zur Aufnahme der wenigstens einen Glasfaser (1) derart ausgebildet ist, dass das der mikrooptischen Komponente (4) zugewandte Ende der wenigstens einen Glasfaser (1) in einem vorgegebenen Abstand zum Kleber (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des zwischen dem der mikrooptischen Komponente (4) zugewandten Ende der wenigstens einen Glasfaser (1) und der mikrooptischen Komponente (4) selbst vorgesehenen Abstands ein Glasstab (6) mit einer im Glasstab konstanten Brechzahl vorgesehen ist, der als der Abstandshalter fungiert.Microoptical system comprising - a micro-optical component ( 4 ) - at least one glass fiber ( 1 ) for coupling or decoupling light into the micro-optical component ( 4 ), and - at least one means ( 2 ) for receiving the at least one glass fiber ( 1 ), which by means of an adhesive ( 3 ) with the micro-optical component ( 4 ) or a spacer connected thereto, the at least one means ( 2 ) for receiving the at least one glass fiber ( 1 ) is designed such that the micro-optical component ( 4 ) facing the end of at least one glass fiber ( 1 ) at a predetermined distance to the adhesive ( 3 ), characterized in that within the between the micro-optical component ( 4 ) facing the end of at least one glass fiber ( 1 ) and the micro-optical component ( 4 ) self-provided distance a glass rod ( 6 ) is provided with a glass rod constant refractive index, which acts as the spacer. Mikrooptisches System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das der mikrooptischen Komponente (4) zugewandte Ende der wenigstens einen Glasfaser (1) und/oder die der wenigstens einen Glasfaser (1) zugewandte Seite der mikrooptischen Komponente (4) und/oder die der wenigstens einen Glasfaser (1) zugewandte Seite des Abstandshalters schräg geschliffen ist/sind.Microoptical system according to claim 1, characterized in that that of the micro-optical component ( 4 ) facing the end of at least one glass fiber ( 1 ) and / or the at least one glass fiber ( 1 ) facing side of the micro-optical component ( 4 ) and / or the at least one glass fiber ( 1 ) facing side of the spacer is obliquely ground / are. Mikrooptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl der wenigstens einen Glasfaser (1) und der mikrooptischen Komponente (4) auf <0.005 genau aneinander angepasst sind.Microoptical system according to claim 1, characterized in that the refractive index of the at least one glass fiber ( 1 ) and the micro-optical component ( 4 ) are perfectly matched to <0.005. Mikrooptisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Mittel (2) zur Aufnahme der wenigstens einen Glasfaser (1) eine oder mehrere V-Nuten aufweist.Microoptical system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one means ( 2 ) for receiving the at least one glass fiber ( 1 ) has one or more V-grooves.
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