DE102006039601A1

DE102006039601A1 - Optisches Koppelelement

Info

Publication number: DE102006039601A1
Application number: DE200610039601
Authority: DE
Inventors: Roland Mödinger; Volker Dr. Türck; Jan Dr. Kostelnik; Axel Beier
Original assignee: ERNI Electronics GmbH and Co KG; Wuerth Elektronik GmbH and Co KG; Siemens Corp
Current assignee: ERNI Electronics GmbH and Co KG; Wuerth Elektronik GmbH and Co KG; Siemens Corp
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2008-04-30
Also published as: WO2008022609A1

Abstract

Ein optisches Koppelelement (3) zur stirnseitigen optischen Kopplung von Wellenleitern (11, 12) eines ersten zweidimensionalen Wellenleiterarrays mit mxn-Wellenleitern mit den Wellenleitern (21, 22) eines zweiten zweidimensionalen Wellenleiterarrays mit mxn-Wellenleitern, wobei m >= 2 und n >= 2 sind und wobei die stirnseitigen Enden (15, 24) der Wellenleiterarrays in einem Winkel zueinander angeordnet sind, ist gekennzeichnet durch eine in einem Winkel angeordnete plane Spiegelfläche (310), durch die das Licht des ersten Wellenleiterarrays auf das zweite Wellenleiterarray umgelenkt wird, und dieser zugeordnet m parallel verlaufende Reihen von wenigstens n im Strahlengang des umgelenkten Lichts angeordnete Linsen (311, 312, 321, 322) umfasst.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem optischen Koppelelement zur stirnseitigen optischen Kopplung der Wellenleiter eines ersten zweidimensionalen Wellenleiterarrays mit den Wellenleitern eines zweidimensionalen Wellenleiterarrays gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine optische Koppelanordnung mit zwei zweidimensionalen Wellenleiterarrays und einem optischen Koppelelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Zur Erzielung hoher Übertragungsraten in der Kommunikationstechnik werden Daten zunehmend über parallele Verbindungen übertragen. Bei optoelektronischen Übertragungsverfahren werden die Daten dabei parallel über eine Mehrzahl von optischen Kanälen übertragen. Hierzu werden in optischen Leiterplatten zwei oder mehr optische Lagen von Lichtwellenleitern integriert, wobei jede optische Lage ein eindimensionales Array von Lichtwellenleitern umfasst. Derartige optische Leiterplatten können beispielsweise in Schalt schränken eingesetzt werden, in denen hohe Übertragungsraten realisiert werden müssen und ein hohes Maß an optischer Parallelität der Datenübertragungswege vorteilhaft ist.
Um nun beispielsweise eine optische Leiterplatte mit einem zweidimensionalen Wellenleiterarray, auch als 2D-Leiterplatte bezeichnet, mit einer 2D-Backplane-Leiterplatte, beispielsweise eines Schaltschranks zu koppeln, ist eine Anordnung der beiden Leiterplatten in einem Winkel zueinander notwendig. Eine optische Kopplung von zwei zweidimensionalen Wellenleiterarrays, die in einem Winkel insbesondere senkrecht zueinander ausgerichtet sind, ist beispielsweise auch erforderlich bei der Kopplung eines optischen Sende- oder Empfangsmoduls mit zweidimensional angeordneten optischen Sendern oder Empfängern an eine 2D-optische Leiterplatte. Ein weiterer Anwendungsfall einer solchen Kopplung besteht in der Kopplung elektronischer Baugruppen, zum Beispiel elektronischer Chips mit zweidimensional angeordneten optischen Ein- und/oder Ausgängen an zweidimensionale optische Wellenleiterarrays.
Aus der nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 05090102.4 geht ein gattungsgemäßes optisches Koppelelement hervor, welches parallel verlaufende Reihen von jeweils n Spiegelbereichen aufweist, wobei das Licht des ersten Wellenleiterarrays durch die Spiegelbereiche auf das zweite Wellenleiterarray umgelenkt wird und dabei jeweils einem Wellenleiterpaar des ersten und des zweiten Wellenleiterarrays ein Spiegelbereich zur Lichtkopplung zugeordnet ist. Darüber hinaus offenbart diese nicht vorveröffentlichte europäische Patentanmeldung eine gattungsgemäße optische Koppelanordnung, bei welcher ein solches Koppelelement zur stirnseitig optischen Kopplung der Wellenleiter des ersten Wellenleiterarrays mit den Wellenleitern des zweiten Wellenleiterarrays verwendet wird. Dieses optische Koppelelement zeichnet sich dadurch aus, dass es m parallel verlaufende Reihen von jeweils n Spiegelbereichen aufweist. Das Licht des ersten Wellenleiterarrays wird durch die Vielzahl der Spiegelbereiche auf das zweite Wellenleiterarray umgelenkt. Dabei ist jeweils einem Wellenleiterpaar des ersten und des zweiten Wellenleiterarrays ein Spiegelbereich zur Lichtkopplung zugeordnet. Das Koppelelement wird an die Enden der Lichtwellenleiter eines zweidimensionalen Arrays angesetzt und ermöglicht für sämtliche Lichtwellenleiter eine Lichtkopplung mit jeweils zugeordneten Lichtwellenleitern eines unter einem Winkel, insbesondere senkrecht angeordneten weiteren zweidimensionalen Arrays. Problematisch bei diesem Koppelelement ist es, dass für die unterschiedlichen Kanäle, die jeweils durch unterschiedliche Lagen der zweidimensionalen Wellenleiterarrays gebildet werden, unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe erforderlich sind, die durch die Umlenkspiegel mit gekrümmten Oberflächen realisiert werden müssen. Diese Spiegel sind beispielsweise als Hohlspiegel ausgebildet mit einer sphärischen Form oder in Form eines Rotationsparaboloiden. Durch Abbildungsfehler können so Koppelverluste auftreten, die wiederum hohe Übertragungsverluste zur Folge haben können.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße optische Koppelelement mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass für die beiden Kanäle, jeweils realisiert durch die übereinander in der optischen Platine angeordneten zweidimensionalen Wellenleiterarrays identische Abbildungsmaßstäbe verwendet werden können. Durch die wenigstens n Linsen kann der Abbildungsmaßstab jeweils an Lichtleitergeometrien angepasst werden. Dies hat den großen Vorteil, dass durch angepasste Abbildungen nur geringe Koppelverluste entstehen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen optischen Koppelelements möglich.
So sieht eine sehr vorteilhafte Ausführungsform vor, dass im Strahlengang des umgelenkten Lichts 2n optische Linsen angeordnet sind, deren erster Teil einer ersten, mit dem stirnseitigen Ende des ersten Wellenleiterarrays koppelbaren Ein-/Auskoppelfläche zugeordnet ist und deren zweiter Teil einer zweiten mit dem stirnseitigen Ende des zweiten Wellenleiterarrays koppelbaren Ein-/Auskoppelfläche zugeordnet ist. Durch diese beiden Linsen ist die Anpassung des Abbildungsmaßstabs an die Lichtleitergeometrien und damit eine Reduktion der Koppelverluste besonders vorteilhaft möglich.
Rein prinzipiell können die Linsen und die im Winkel angeordnete plane Spiegelfläche durch unterschiedliche Bauteile realisiert werden. Eine nicht nur hinsichtlich der Herstellung, sondern insbesondere auch hinsichtlich der Justage sehr vorteilhafte Ausführungsform sieht jedoch vor, dass das Koppelelement ein lichtleitender Körper ist, an dessen erster, der ersten Ein-/Auskoppelfläche zugewandten Fläche der erste Teil der optischen Linsen angeordnet ist, an dessen zweiter, der zweiten Ein-/Auskoppelfläche zugewandten Fläche der zweite Teil der optischen Linsen angeordnet ist und an dessen dritter Fläche der Spiegel angeordnet oder ausgebildet ist. Auf diese Weise sind sämtliche optischen Elemente einstückig mit dem Koppelelement ausgebildet, welches so einen monolithischen Block bildet. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass das Koppelelement zusammen mit den Linsen und dem Spiegel als Ganzes justiert und fixiert werden kann. Die Linsen können dabei einstückig mit dem lichtleitenden Körper ausgebildet sein, sie können aber auch als separates Teil auf dem lichtleitenden Körper befestigt, z.B. aufgeklebt sein.
Rein prinzipiell ist eine Kopplung von in einem beliebigen Winkel angeordneten Wellenleiterarrays möglich. Bevorzugt beträgt der Winkel zwischen der ersten und der zweiten Ein-/Auskoppelfläche 90°. Der Spiegel ist in diesem Falle sowohl zur ersten Ein-/Auskoppelfläche als auch zur zweiten Ein-/Auskoppelfläche unter einem Winkel von 45° geneigt angeordnet.
Der erste Teil der Linsen wie auch der zweite Teil der Linsen können rein prinzipiell beispielsweise durch Aufkleben auf der ersten bzw. zweiten Fläche des optischen Koppelelements befestigt werden. Um jedoch an der Klebestelle Übergangsverluste und dergleichen auszuschließen und auch im Hinblick auf eine einfache Herstellung sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, dass sowohl der erste als auch der zweite Teil der Linsen Teil des lichtleitenden, das Koppelelement bildenden Körpers sind, der lichtleitende Körper im Bereich der Linsen also entsprechend ausgeformt ist.
Bevorzugt sind die Linsen zur Erzielung optimaler Abbildungen Sammellinsen, die sphärische oder asphärische Stirnflächen aufweisen können.
Der lichtleitende Körper besteht bevorzugt aus einem hochbrechenden Glas, Kunststoff oder einem ähnlichen, für die hier verwendeten Lichtstrahlen transparenten Material. Der Brechungsindex des hochbrechenden Glases beträgt dabei vorzugsweise n ≥ 1,8.
Die Erfindung betrifft auch eine optische Koppelanordnung mit einem ersten zweidimensionalen Wellenleiter mit m × n-Wellenleitern, einem zweiten zweidimensionalen Wellenleiter mit m × n-Wellenleitern, wobei m ≥ 2 und n ≥ 2 sind und die stirnseitigen Enden der Wellenleiterarrays in einem Winkel zueinander angeordnet sind, bei der ein vorbeschriebenes Koppelelement zur stirnseitigen optischen Kopplung der Wellenleiter des Wellenleiterarrays mit den Wellenleitern des zweiten Wellenleiterarrays verwendet wird.
Dabei ist bevorzugt zwischen den Stirnflächen des ersten Teils der optischen Linsen und der ersten Ein-/Auskoppelfläche bzw. dem stirnseitigen Ende des ersten Wellenleiterarrays ein Luftraum angeordnet. Genauso ist bevorzugt zwischen den Stirnflächen des zweiten Teils der optischen Linsen und der zweiten Ein-/Auskoppelfläche bzw. dem stirnseitigen Ende des zweiten Wel lenleiterarrays ebenfalls ein Luftraum angeordnet. Die beiden Lufträume sind bevorzugt miteinander verbunden.
Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen den Stirnflächen des ersten Teils der optischen Linsen und dem stirnseitigen Ende des ersten Wellenleiterarrays ein Immersionsmittel angeordnet ist. Auch zwischen den Stirnflächen des zweiten Teils der optischen Linsen und dem stirnseitigen Ende des zweiten Wellenleiterarrays kann ein Immersionsmittel vorgesehen sein. Die beiden Immersionsmittel können insbesondere identisch sein, das heißt einstückig ausgebildet sein. Bei dem Immersionsmittel handelt es sich beispielsweise um einen Kleber oder ein transparentes Vergussmaterial. Das Immersionsmittel schützt die optischen Pfade vor Staub und Verschmutzung, stellt einen optischen Ausgleich von Unregelmäßigkeiten an den Wellenleiterstirnflächen bereit und fixiert darüber hinaus das Koppelelement hinsichtlich seiner Lage. Das Immersionsmittel weist dabei eine Brechzahl auf, die kleiner ist als die Brechzahl des lichtleitenden Körpers.
Das Koppelelement kann als separates Teil ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass es Teil einer Koppeleinheit oder eines Funktionsteils ist, welches das erste oder das zweite Wellenleiterarray umfasst.
Das erste und/oder das zweite Wellenleiterarray sind in bevorzugten Ausgestaltungen in einer mehrlagigen optischen Leiterplatte, in einem optischen Sende- oder Empfangsmodul mit zweidimensional angeordneten optischen Sendern und/oder Empfängern oder in einer elektrischen Baugruppe mit zweidimensional angeordneten Ein- und/oder Ausgängen realisiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 schematisch im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer Koppelanordnung zur Kopplung zweier zweidimensionaler Wellenleiterarrays und
2 eine vergrößerte Darstellung des Koppelelements der in 1 dargestellten Koppelanordnung.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine Koppelanordnung mit einer zweilagigen optischen Leiterplatte 1, einem wellenleitenden Funktionselement 2 und einem optischen Koppelement 3 zur optischen Kopplung von optischer Leiterplatte 1 und Funktionselement 2 dargestellt.
Die zweilagige optische Leiterplatte weist in zwei übereinander, in einem Abstand a voneinander angeordneten, parallel zueinander verlaufenden Lagen jeweils ein eindimensionales Array von n Lichtwellenleitern 11, 12 auf, von denen die Schnittdarstellung der 1 jeweils einen Lichtwellenleiter 11, 12 zeigt. Die anderen Lichtwellenleiter 11, 12 sind jeweils vor bzw. hinter der Zeichenebene angeordnet. Die optische Leiterplatte 1 weist daher 2 × n-Wellenleiter auf, die ein zweidimensionales Wellenleiter-Array bilden. Wenn die Leiterplatte m Lagen derartiger Wellenleiter aufweist, wobei m ≥ 2 ist, so umfasst die Leiterplatte 1 ein Wellenleiter-Array von m × n-Wellenleitern. Die einzelnen Wellenleiter sind in der optischen Leiterplatte 1 auf an sich bekannte Weise vorteilhafterweise integriert optisch ausgebildet.
Das Funktionselement 2 weist ebenfalls zwei im Abstand a voneinander angeordnete Lagen von einem jeweils eindimensionalen Array von n-Lichtwellenleitern 21, 22 auf, wobei die Schnittdarstellung der 1 wiederum nur jeweils einen der Lichtwellenleiter 21, 22 jeder Lage zeigt. In dem Fall, dass in dem Funktionselement m Lagen von Lichtwellenleitern vorgesehen sind, umfasst das Funktionselement 2 ein Wellenleiter-Array mit m × n-Wellenleitern.
Das Funktionselement 2 ist beispielsweise ein Teil oder ein Teilbereich einer weiteren zweidimensionalen Leiterplatte, ein Teil oder Teilbereich eines zweidimensionalen optischen Sende- und/oder Empfangsmoduls, ein Teil oder Teilbereich einer elektrischen Baugruppe mit optischen Eingängen und/oder Ausgängen oder ein Teil oder Teilbereich einer Koppeleinheit, die mit einem weiteren Funktionselement verbunden ist.
Im Nachfolgenden wird auf die konkrete Ausbildung und die Funktionalität des Funktionselementes 2 oder von mit dem Funktionselement 2 verbundenen Modulen und Baugruppen nicht eingegangen, da es bei vorliegender Erfindung allein auf die Kopplung zwischen den jeweiligen Lichtwellenleitern der beiden zweidimensionalen Arrays von optischer Leiterplatte 1 und Funktionselement 2 ankommt. Es wird daher im Nachfolgenden nicht darauf eingegangen, wohin die jeweils dargestellten Wellenleiter führen und über welche Mechanismen Licht welcher Bauelemente und Module ein- und/oder ausgekoppelt wird. Die vorliegende Erfindung sieht diesbezüglich keinerlei Einschränkungen vor. Es werden im Folgenden allein die Koppelanordnung und das Koppelelement beschrieben.
Die optische Leiterplatte 1 und das Funktionselement 2 sind derart zueinander angeordnet, dass die jeweiligen Lichtwellenleiter 11, 12, 21, 22 im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen. Die optische Leiterplatte 1 weist eine Aussparung 13 auf, in die ein Teilbereich 25 des Funktionselements 2 hineinragt. Das Funktionselement 2 weist seitliche Vorsprünge 23 auf, mit denen es sich auf der Oberfläche 14 der optischen Leiterplatte 1 abstützt. Die Abstützung ist in 1 nur schematisch dargestellt und kann auf vielfältige Weise realisiert sein.
Da die Dicke der Leiterplatte 1 aufgrund von Toleranzen in der Leiterplattenherstellungstechnik teilweise erheblich variieren kann, erfolgt nach Anbringen des Funktionselements 2 und des bevorzugt mit diesem bereits verbundenen Koppelelements 3 an der Leiterplatte 1 zunächst eine Justage, insbesondere eine aktive Justage in Bezug auf die Leiterplatte 1 zur Ausrichtung auf die jeweiligen Wellenleiter. Im justierten Zustand wird das Funktionselement 2 dann beispielsweise durch einen Kleber gegenüber der Leiterplatte 1 fixiert.
Durch die Aussparung 13 der Leiterplatte 1 ist das Wellenleiterarray mit den zwei 2 × n-Wellenleitern 11, 12 freigelegt, wobei die Endflächen der Wellenleiter 11, 12 im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 14 der Leiterplatte stehen und im Wesentlichen senkrecht zur Längenausdehnung der Wellenleiter 11, 12 verlaufen. Die Wellenleiter 11, 12 des zweidimensionalen Arrays enden dabei an einer Stirnseite 15 der optischen Leiterplatte, die durch die Aussparung 13 definiert wird.
Wie in 1 dargestellt, bildet die Stirnseite 15 das seitliche Ende der optischen Leiterplatte 1, wobei das Koppelelement 3 sich an dieses stirnseitige Ende 15 der optischen Leiterplatte anschließt. Der in 1 dargestellte weitere Teilbereich 1' der Leiterplatte 1 ist in diesem Falle lediglich als Stützelement ohne Wellenleiter ausgebildet.
In entsprechender Weise weist auch das Funktionselement 2 eine Stirnseite 24 auf, an der die Stirnflächen der Wellenleiter 21, 22 des weiteren zweidimensionalen Wellenleiterarrays freiliegen.
Durch das Koppelelement 3 ist nun eine optische Kopplung zwischen den Lichtwellenleitern 11, 12 des zweidimensionalen Lichtwellenleiterarrays der optischen Leiterplatte 1 und den Lichtwellenleitern 21, 22 des zweidimensionalen optischen Wellenleiterarrays des Funktionselements 2, die in einem Winkel, im dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, möglich. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die Anordnung der beiden Wellenleiterarrays in einem rechten Winkel beschränkt ist, sondern dass mit einer entsprechenden Anordnung rein prinzipiell beliebige Winkel realisiert werden können.
Das optische Koppelelement 3 ist gemäß der 1 als separates Teil ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, vielmehr ist es auch möglich, dass das Koppelelement 3 Teil des Funktionselements 2 oder einer Koppeleinheit ist, die mit einem Funktionselement 2 gekoppelt wird. Es kann beispielsweise einstückig mit dem Funktionselement 2 der 1 ausgebildet sein, wobei dieses dann eine Koppeleinheit für ein weiteres Funktionselement wie ein optisches Modul oder eine elektrische Baugruppe oder dergleichen darstellen kann.
Das Koppelelement 3 ist ein lichtleitender Körper in Form eines Prismas aus einem hochbrechenden transparenten Kunststoff oder aus einem hochbrechenden Glas. Es kann auch aus einem anderen für die betrachteten Wellenlängen transparenten Material bestehen. Das prismatische Koppelelement 3 weist eine erste Ein-/Auskoppelfläche 33 auf, die mit der Stirnseite 15 der optischen Leiterplatte 1 gekoppelt ist und eine zweite Ein-/Auskoppelfläche 34, die mit der Stirnseite 24 des Funktionselements 2 gekoppelt ist. Die beiden Ein-/Auskoppelflächen 33, 34 des Koppelelementes 3 sind dabei in einem Winkel zueinander angeordnet, der dem Winkel entspricht, in dem die optische Leiterplatte 1 und das Funktionselement 2 zueinander angeordnet sind – im betrachteten Ausführungsbeispiel entspricht dieser Winkel einem rechten Winkel. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Ein-/Auskoppelflächen 33, 34 in 1 in einem Luftraum enden, der jeweils zwischen dem Lichtleiterkörper 3 und den Wellenleitern 11, 12 bzw. 21, 22 angeordnet ist. Die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. Vielmehr kann vorgesehen sein, dass der besagte Luftraum zwischen den Ein-/Auskoppelflächen 33, 34 und den nachfolgend noch näher zu beschreibenden Oberflächen des lichtleitenden Körpers, der das Koppelelement 3 bildet, auch mit einem einen Füllkörper bil denden Immersionsmittel, beispielweise einem lichtleitenden Kleber oder einem Verguss oder dergleichen ausgefüllt sein kann.
Ein solches Immersionsmittel übernimmt folgende Funktionen:

a) den Schutz der optischen Pfade vor Staub und Verschmutzungen,
b) einen optischen Ausgleich von Unregelmäßigkeiten an den Wellenleiterstirnflächen, die durch die begrenzte Qualität der Oberflächenbearbeitung der Leiterplatte 1 vorliegen können, beispielsweise bei einem Ausfräsen der Aussparung 13 aus der optischen Leiterplatte 1,
c) eine Fixierung der Lage des Koppelelements 3.

In dem Fall, dass zwischen dem lichtleitenden Körper 3 und dem stirnseitigen Ende 15 der Lichtwellenleiter 11, 12 bzw. 21, 22 ein solcher Immersionskörper angeordnet ist, bilden die Ein-/Auskoppelflächen 33, 34 jeweils plane Flächen. Für den Fall, dass zwischen den Stirnseiten 15 bzw. 24 der Lichtwellenleiter 11, 12 bzw. 21, 22 und dem lichtleitenden Körper 3 Luft angeordnet ist, wird dieser Luftraum zu der Koppelanordnung gewissermaßen hinzugezählt und insoweit bilden die Ein-/Auskoppelflächen 33, 34 gewissermaßen fiktive Begrenzungsflächen, die nachfolgend im Sinne einer einheitlichen Beschreibung daher auch so bezeichnet werden.
Das prismatische Koppelelement 3 weist drei sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckende Flächen 301, 302 und 303 auf. An einer Fläche 303, die jeweils im gleichen Winkel zur ersten Ein-/Auskoppelfläche 33 sowie zur zweiten Ein-/Auskoppelfläche 34 geneigt angeordnet ist, der dem halben Winkel entspricht, unter dem das Funktionselement 2 gegenüber der optischen Leiterplatte 1 angeordnet ist, im gezeigten Fall 45°, ist ein Spiegel 310 angeordnet.
Die erste Fläche 301 ist mit einem Abstand d₁ parallel zur ersten Ein-/Auskoppelfläche 33 angeordnet, die zweite Fläche 302 ist parallel zu der zweiten Ein-/Auskoppelfläche 34 und mit einem Abstand d₂ von dieser Ein-/Auskoppelfläche 34 angeordnet. An der ersten Fläche 301 sind Linsen 311, 312 ausgebildet, deren optische Achsen mit den optischen Achsen der Wellenleiter 11, 12 übereinstimmen.
An der Fläche 302 sind Linsen 321, 322 angeordnet, deren optische Achsen mit den optischen Achsen der Wellenleiter 21, 22 übereinstimmen. Die Abstände d₁ und d₂ sind insoweit durch die optischen Achsen der Wellenleiter 11, 12 bzw. 21, 22 und die Größe und Anordnung der Linsen 311, 312, 321, 322 definiert.
In 2 ist das Koppelement 3 und die an ihm angeordneten Linsen 311, 312, 321, 322 sowie der Spiegel 310 zusammen mit Strahlengängen S1, S2 vergrößert dargestellt. Der in einem Winkel von 45° sowohl zur ersten Ein-/Auskoppelfläche 33 als auch zur zweiten Auskoppelfläche 34 angeordnete Spiegel 310 wird beispielsweise durch Metallisieren der Fläche 303 realisiert. Der Spiegel 310 kann aber auch auf beliebig andere an sich bekannte Weise auf der Fläche 303 angeordnet oder befestigt werden.
Auf der Fläche 301 sind zwei gewölbte Stirnflächen 313, 314, welche die Linsen 311, 312 bilden, vorgesehen, wohingegen auf der Fläche 302 gewölbte Stirnflächen 323, 324, welche die Linsen 321, 322 bilden, angeordnet sind. Die Stirnflächen 313, 314, 323, 324 sind so gewölbt, dass die Linsen 311, 312, 321, 322 Sammellinsen sind. Die Stirnflächen 313, 314, 323, 324 können hierzu sphärisch oder asphärisch gewölbt sein. Durch diese Sammellinsen 311, 312, 321, 322 werden parallele Strahlengänge S1, S2, die durch den planen Umlenkspiegel 310 umgelenkt werden, realisiert. Achsparallele Strahlen sind damit nach der Abbildung wieder achsparallel, was eine optimale NA-Anpassung für die Lichtleiterkopplung ermöglicht.
Der lichtleitende Körper 3, der auch als Umlenkblock bezeichnet werden kann, besteht vorzugsweise – wie oben bereits erwähnt – aus einem hoch brechenden für die hier in Frage kommenden Lichtwellenlängen transparenten Material, beispielsweise aus einem hochbrechenden Glas, das Idealerweise einen Brechungsindex von n ≥ 1,8 aufweist.
Die Linsenelemente, das heißt die Linsenflächen 313, 314, 323, 324, welche die Sammellinsen 311, 312, 321, 322 bilden, werden entweder zusammen mit dem lichtleitenden Körper 3 einstückig mit diesem ausgebildet oder als separate Teile hergestellt und beispielsweise auf die Flächen 301 bzw. 302 aufgeklebt.
Für den Fall, dass zwischen den Stirnflächen 313, 314 sowie 323, 324 und der ersten Ein-/Auskoppelfläche 33 bzw. der zweiten Ein-/Auskoppelfläche 34 ein Luftraum existiert, wird der lichtleitende Körper 3 auf nicht dargestellte Weise in dem Hohlraum 13 nach seiner Justage fixiert. Für den Fall, dass der besagte Raum durch einen als Immersionsmittel wirkenden Füllkleber ausgefüllt ist oder durch einen anderen Körper ausgefüllt ist, muss dieser Füllkörper eine niedrigere Brechzahl aufweisen als die des lichtleitenden Körpers 3 und der Sammellinsen 311, 312, 321, 322, damit eine Abbildung der Lichtstrahlen durch die Sammellinsen 311, 312, 321, 322 möglich ist.

Claims

Optisches Koppelelement (3) zur stirnseitigen optischen Kopplung von Wellenleitern (11, 12) eines ersten zweidimensionalen Wellenleiterarrays mit m × n-Wellenleitern mit den Wellenleitern (21, 22) eines zweiten zweidimensionalen Wellenleiterarrays mit m × n-Wellenleitern, wobei m ≥ 2 und n ≥ 2 sind, und wobei die stirnseitigen Enden (15, 24) der Wellenleiterarrays in einem Winkel zueinander angeordnet sind gekennzeichnet durch eine in einem Winkel angeordnete plane Spielgelfläche (310), durch die das Licht des ersten Wellenleiterarrays auf das zweite Wellenleiterarray umgelenkt wird, und dieser zugeordnet m parallel verlaufende Reihen von wenigstens n, im Strahlengang des umgelenkten Lichts angeordnete Linsen (311, 312, 321, 322).
Koppelelement (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des umgelenkten Lichts 2n optische Linsen angeordnet sind, deren erster Teil (311, 312) einer ersten, mit dem stirnseitigen Ende (15) des ersten Wellenleiterarrays koppelbaren Ein-/Auskoppelfläche (33) zugeordnet ist, und deren zweiter Teil (321, 322) einer zweiten, mit dem stirnseitigen Ende (24) des zweiten Wellenleiterarrays koppelbaren Ein-/Auskoppelfläche (34) zugeordnet ist.
Koppelement (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (3) ein lichtleitender Körper ist, an dessen erster, der ersten Ein-/Auskoppelfläche (33) zugewandten Fläche (301) der erste Teil der optischen Linsen (311, 312) angeordnet ist, an dessen zweiter, der zweiten Ein-/Auskoppelfläche (34) zugewandten Fläche (302) der zweite Teil der optischen Linsen (321, 322) angeordnet ist und an dessen dritter Fläche (303) der Spiegel (310) angeordnet ist.
Koppelelement (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der ersten und der zweiten Ein-/Auskoppelfläche (33, 34) 90° beträgt.
Koppelelement (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (310) sowohl zur ersten Ein-/Auskoppelfläche (33) als auch zur zweiten Ein-/Auskoppelfläche (34) unter einem Winkel von 45° geneigt ist.
Koppelement (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste Teil der optischen Linsen (311, 312) als auch der zweite Teil der optischen Linsen (321, 322) Teil des lichtleitenden Körpers sind.
Koppelelement (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste Teil der optischen Linsen (311, 312) als auch der zweite Teil der optischen Linsen (321, 322) einstückig mit dem lichtleitenden Körper ausgebildet sind.
Koppelelement (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste Teil der optischen Linsen (311, 312) als auch der zweite Teil der optischen Linsen (321, 322) als separate Teile an dem lichtleitenden Körper befestigt sind.
Koppelelement (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste Teil der optischen Linsen (311, 312) als auch der zweite Teil der optischen Linsen (321, 322) Sammellinsen (313) sind.
Koppelelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammellinsen (311, 312, 321, 322) asphärisch gewölbte Stirnflächen (313, 314, 323, 324) oder sphärisch gewölbte Stirnflächen aufweisen.
Koppelelement (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem hochbrechenden Glas oder Kunststoff besteht.
Koppelelement (3) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das hochbrechende Glas einen Brechungsindex n ≥ 1,8 aufweist.
Optische Koppelanordnung mit einem ersten zweidimensionalen Wellenleiterarray mit m × n-Wellenleitern (11, 12) und einem zweiten zweidimensionalen Wellenleiterarray mit m × n-Wellenleitern (21, 22), wobei m ≥ 2 und n ≥ 2 sind und die stirnseitigen Enden der Wellenleiterarrays in einem Winkel zueinander angeordnet sind, gekennzeichnet durch ein Koppelelement (3) zur stirnseitigen optischen Kopplung der Wellenleiter des ersten Wellenleiterarrays mit den Wellenleitern des zweiten Wellenleiterarrays gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 12.
Koppelanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ein-/Auskoppelfläche (33) dem stirnseitigen Ende (15) des ersten Wellenleiterarrays und die zweite Ein-/Auskoppelfläche (34) dem stirnseitigen Ende (24) des zweiten Wellenleiterarrays zugeordnet ist.
Koppelanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Stirnflächen (313, 314) des ersten Teils der optischen Linsen (311, 312) und der ersten Ein-/Auskoppelfläche (33) ein Luftraum angeordnet ist.
Koppelanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Stirnflächen (323, 324) des zweiten Teils der optischen Linsen (321, 322) und der zweiten Ein-/Auskoppelfläche (34) ein Luftraum angeordnet ist.
Koppelanordnung nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen den Stirnflächen (313, 314) des ersten Teils der optischen Linsen (311, 312) und der ersten Ein-/Auskoppelfläche (33) angeordnete Luftraum und der zwischen den Stirnflächen (323, 324) des zweiten Teils der optischen Linsen (321, 322) und der zweiten Ein- und Auskoppelfläche (34) angeordnete Luftraum jeweils miteinander verbunden sind.
Koppelanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Stirnflächen (313, 314) des ersten Teils der optischen Linsen (311, 312) und der ersten Ein-/Auskoppelfläche (33) ein Füllkörper, insbesondere ein Füllkleber mit niedrigerer Brechzahl als die des Koppelelements (3) angeordnet ist.
Koppelanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Stirnflächen (323, 324) des zweiten Teils der optischen Linsen (321, 322) und der zweiten Ein-/Auskoppelfläche (34) ein Füllkörper, insbesondere ein Füllkleber mit niedrigerer Brechzahl als die des Koppelelements (3) angeordnet ist.
Koppelanordnung nach Anspruch 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen den Stirnflächen (313, 314) des ersten Teils der optischen Linsen (311, 312) und der ersten Ein-/Auskoppelfläche (33) angeordnete Füllkörper und der zwischen den Stirnflächen (323, 324) des zweiten Teils der optischen Linsen (321, 322) und der zweiten Ein- und Auskoppelfläche (34) angeordnete Füllkörper jeweils aus dem gleichen Material bestehen, insbesondere einstückig ausgebildet sind.
Koppelanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (3) als separates Teil ausgebildet ist.
Koppelanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement Teil einer Koppeleinheit oder eines Funktionsteils ist, das das erste oder das zweite Wellenleiterarray umfasst.
Koppelanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Wellenleiterarray realisiert sind in einer optischen Leiterplatte (1), in einem optischen Sende- oder Empfangsmodul mit zweidimensional angeordneten optischen Sendern oder Empfängern oder in einer elektrischen Baugruppe mit zweidimensional angeordneten optischen Ein- und/oder Ausgängen.