DE4240460C2

DE4240460C2 - Device for detachable connection of optical fibers

Info

Publication number: DE4240460C2
Application number: DE19924240460
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr Rer Nat Kuke
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-12-02
Filing date: 1992-12-02
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: DE4240460A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lösbaren Verbindung von Lichtwellenleitern, wobei die zu verbindenden Lichtwellenleiter auf je einem Träger angeordnet sind.The invention relates to a device for detachable Connection of optical fibers, the ones to be connected Optical fibers are arranged on a carrier.

Bei Geräten und Anlagen zur Breitbandkommunikation werden mit zunehmender Übertragungsrate und Verarbeitungsgeschwindigkeit einzelne Schaltungsplatinen für die Datenverarbeitung nicht elektrisch, sondern optisch miteinander verbunden. Dazu sind Vorrichtungen aus W. Delbare u. a.: "Electro-optical Board Technology Based on Discrete Wiring", circuit World Vol. 18, No. 3, 1992, Seiten 11 bis 16 bekannt. Bei diesen Vorrichtungen werden die zu verbindenden Glasfasern in ihren Endbereichen über einen oder mehrere quer zur Glasfaser liegende Drähte gebogen und in einem Träger eingebettet. Der schräg nach oben gebogene Teil der Faser wird parallel zur Oberfläche des Trägers angeschliffen. Die Schliffstelle wird mit einer ebenso zur optischen Verbindung präparierten Glasfaser in Kontakt gebracht.For devices and systems for broadband communication with increasing transmission rate and processing speed individual circuit boards for data processing not electrically, but optically connected. To do this Devices from W. Delbare u. a .: "Electro-optical board Technology Based on Discrete Wiring ", circuit World Vol. 18, No. 3, 1992, pages 11 to 16. With these Devices are the glass fibers to be connected in their End areas across one or more across the fiber lying wires bent and embedded in a carrier. Of the part of the fiber bent at an angle is parallel to the Sanded the surface of the carrier. The grinding point is with one also prepared for optical connection Glass fiber brought into contact.

Die bekannten Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß die Präparation der Glasfasern einschließlich des Einbettens und Schleifens sehr aufwendig ist und leicht zu Faserbrüchen führen kann. Außerdem müssen die Schliffstellen der einzelnen Glasfasern genau zueinander justiert werden. Die Toleranz dieser Justierung muß klein gegenüber dem Kerndurchmesser der Glasfasern sein, beispielsweise < 5 µm bei Multimode- und < 0,5 µm bei Monomode-Fasern. Bei der gleichzeitigen Justierung von mehreren Fasern auf einem Trägerpaar müssen die Positionen der Schliffstellen mit dieser Toleranz relativ zueinander positioniert werden. Dieses ist auf einer ebenen Trägerfläche sehr schwierig.The known devices have the disadvantage that the Preparation of the glass fibers including embedding and Grinding is very complex and easy to break fibers can lead. In addition, the grinding points of the individual Glass fibers can be adjusted exactly to each other. The tolerance this adjustment must be small compared to the core diameter of the Glass fibers, for example <5 microns in multi-mode and <0.5 µm for single-mode fibers. With simultaneous adjustment of several fibers on a pair of supports Positions of the ground joints with this tolerance relative be positioned to each other. This is on one level Carrier surface very difficult.

Aus der DE 28 05 949 C2 ist eine Vorrichtung zum lösbaren Verbinden zweier Lichtwellenleiter bekannt, wobei die zu verbindenden Lichtwellenleiter auf je einem Träger angeordnet sind und mindestens an ihrem Ende parallel zu einer Oberfläche des Trägers verlaufen. In mindestens einem der Träger ist in Verlängerung des jeweiligen Lichtwellenleiters eine Vertiefung zur Aufnahme eines Lichtwellenleiters des anderen Trägers vorgesehen. Bei aufeinanderliegenden Oberflächen beider Träger liegen sich die Enden der zu verbindenden Lichtwellenleiter gegenüber. Die Anordnung ist zum Verbinden eines Lichtwellenleiterpaares geeignet. Für mehrere Lichtwellenleiterpaare ist aus der US 4,029,390 eine Anordnung mit mehreren parallelen V-Nuten für Lichtwellenleiter bekannt, die obige Merkmale ebenfalls aufweist. Die aus der US 4,029,390 bekannte Vorrichtung ist jedoch nicht lösbar.DE 28 05 949 C2 describes a device for detachable Connecting two optical fibers known, the to connecting optical fibers arranged on a carrier are and at least at the end parallel to one The surface of the carrier runs. In at least one of the The carrier is an extension of the respective optical fiber a recess for receiving an optical fiber other carrier provided. With one another The surfaces of both beams lie at the ends of the connecting optical fiber opposite. The arrangement is suitable for connecting a pair of optical fibers. For is a plurality of pairs of optical fibers from US 4,029,390 Arrangement with several parallel V-grooves for Optical fiber known, the above features as well having. The device known from US 4,029,390 is however not solvable.

Aus der DE 33 07 669 C2 ist es an sich bekannt, einen Lichtwellenleiter und eine Kugellinse in eine V-Nut einzulegen. Die Herstellung von V-Nuten ist in einkristallinem Silizium (DE-OS 23 45 273) mittels anisotropem Ätzen besonders einfach und genau. Auch aus der DE 39 08 927 A1 ist es bekannt, Lichtwellenleiter in photolithografisch strukturierte V-Nuten einzulegen.From DE 33 07 669 C2 it is known per se, one Optical fiber and a ball lens in a V-groove to insert. The production of V-grooves is in monocrystalline silicon (DE-OS 23 45 273) by means of anisotropic etching particularly easy and precise. Also from the DE 39 08 927 A1 discloses optical waveguides in to insert photolithographically structured V-grooves.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur lösbaren Verbindung von Lichtwellenleitern anzugeben, die einfach - insbesondere ohne aufwendige Justiermaßnahmen - herzustellen ist, einen guten Kopplungswirkungsgrad aufweist und für Mehrfachverbindungen geeignet ist. The object of the present invention is a device to specify the detachable connection of optical fibers, the simple - especially without complex adjustment measures - is to produce, has a good coupling efficiency and is suitable for multiple connections.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.The task is performed by a device with the features of Claim 1 solved.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß sie in einfacher Weise mit Verfahren herstellbar ist, die eine hohe Präzision in bezug auf die Lage der zu verbindenden Lichtwellenleiter gewährleisten. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird insbesondere die laterale Zuordnung der zu verbindenden Lichtwellenleiter sichergestellt, was sich positiv auf den Kopplungswirkungsgrad auswirkt.The device according to the invention has the advantage that it is in is easy to produce with processes that have a high Precision in relation to the location of the to be connected Ensure optical fibers. In the case of the invention In particular, the lateral assignment of the device connecting fiber optic ensures what is going on has a positive effect on the coupling efficiency.

Die Erfindung geht zwar von einer Mehrfachverbindung von Schaltungsplatinen mit Hilfe von flexiblen Lichtwellenleitern aus, eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf andere Verbindungen zwischen Lichtwellenleitern ist jedoch nicht ausgeschlossen. So ist beispielsweise mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Verbindung von flexiblen Lichtwellenleitern mit den Lichtwellenleitern auf einer integriert optischen Schaltung möglich.The invention is based on a multiple connection Circuit boards with the help of flexible optical fibers from, an application of the device according to the invention other connections between optical fibers is however not excluded. For example, with the help of a device according to the invention the connection of flexible Optical fibers with the optical fibers on one integrated optical circuit possible.

Die Vorrichtungen lassen sich aufgrund des Einsatzes der anisotropen Ätztechnik besonders präzise herstellen. Außerdem können zu jeweils einer Verbindung zwei exakt gleiche Träger verwendet werden. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch nicht ausgeschlossen, daß in den beiden Trägern die Lichtwellenleiter verschieden tief eingebettet sind.The devices can be due to the use of Manufacture anisotropic etching technology particularly precisely. also can connect two identical carriers to one connection be used. However, it is not within the scope of the invention excluded that in the two carriers Optical fibers are embedded at different depths.

Wenn sich die Nuten über die gesamte Ausdehnung der Oberfläche des Trägers erstrecken, können die zu verbindenden Lichtwellenleiter in dem gesamten vom Träger berührten Längenbereich geradlinig geführt werden. Es sind dann in beiden Trägern nur geradlinig verlaufende Nuten erforderlich.If the grooves extend over the entire extent of the Extend surface of the carrier, can be connected Optical fibers in the whole touched by the carrier Length range are guided in a straight line. Then it's in only straight grooves are required for both beams.

In jeweils einem Teil einer Nut, der nicht einen Lichtwellenleiter enthält und einen größeren Querschnitt aufweist, ist am Ende des Lichtwellenleiters eine Kugellinse angeordnet. Durch die Linse wird eine Aufweitung des im Lichtwellenleiter geführten Lichts vorgenommen, so daß eine laterale Übereinstimmung der zu verbindenden Lichtwellenleiter nicht in dem hohen Maße erforderlich ist, wie es an sich durch den Kerndurchmesser gegeben wäre. Die Kugellinsen dienen zur Positionierung und Führung der aufeinanderliegenden Träger.In each part of a groove that is not one Optical fiber contains and a larger cross section has, is a spherical lens at the end of the optical fiber arranged. An expansion of the im Optical fiber guided light made so that a lateral agreement of the to be connected Optical fiber is not required to the high degree as it would be given by the core diameter. The Ball lenses are used to position and guide the superimposed beams.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kugellinse aus einem Glas mit einem Brechungsindex von n = 2 besteht. Dann liegt nämlich die Brennebene auf der Oberfläche der Kugellinse, so daß der Lichtwellenleiter die Kugellinse berühren kann. Dadurch sind bei der Herstellung keine weiteren Maßnahmen zur Sicherung eines richtigen Abstandes zwischen der Stirnfläche des Lichtwellenleiters und der Kugeloberfläche erforderlich.It is particularly advantageous if the ball lens is made of one Glass with a refractive index of n = 2. Then lies namely the focal plane on the surface of the spherical lens, so that the optical fiber can touch the ball lens. As a result, no further measures are required during production Ensuring a correct distance between the face of the optical fiber and the spherical surface is required.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die V-förmigen Nuten durch anisotrope Ätzung eines Siliziumträgers gebildet werden. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß die zu ätzende Oberfläche in der (100)-Ebene liegt und daß die V-förmigen Nuten parallel zur <100<-Richtung des Siliziumträgers ausgerichtet sind.An advantageous method for producing the The device according to the invention is that the V-shaped grooves by anisotropic etching of a Silicon carrier are formed. It is preferred provided that the surface to be etched in the (100) plane lies and that the V-shaped grooves parallel to <100 <direction of the silicon carrier are aligned.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is in the drawing represented with several figures and in the following Description explained in more detail. Show it:

Fig. 1 und Fig. 2 eine Draufsicht und einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels, Fig. 1 and Fig. 2 is a plan view and a cross section of the embodiment,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel mit einem Gehäuse. Fig. 3 shows a section through an embodiment with a housing.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 stellt eine Lichtwellenleiter-Mehrfachverbindung dar, wobei auf zwei Trägern 1, 1′ die zu verbindenden Lichtwellenleiter 5, 5′ in V-förmigen Nuten 2, 2′ geführt werden. Der Querschnitt der Nuten 2, 2′ ist derart gewählt, daß die Lichtwellenleiter mit ihrer Mittelachse in der Oberflächenebene des jeweiligen Trägers 1, 1′ liegen. Außerhalb dieses für die Führung der Lichtwellenleiter 5, 5′ vorgesehenen Längenbereichs sind ebenfalls V-förmige Nuten 3, 4, 3′, 4′ mit einem größeren Querschnitt vorgesehen. Die Nuten 3, 3′ dienen dabei zur Aufnahme der Lichtwellenleiter 5, 5′ mit ihrem Sekundärschutz 7, 7′. Die Nuten 4, 4′ nehmen je eine Kugellinse 6, 6′ auf, die vorzugsweise aus einem Glas mit einem Brechungsindex n = 2 besteht, beispielsweise aus dem Glas LaSF35 der Firma Schott. Bei dieser Wahl des Brechungsindex kann der Lichtwellenleiter unmittelbar bis an die Stirnfläche der Kugellinse reichen. Bei einer Kugellinse mit n = 2 liegt die Brennebene auf der Kugeloberfläche. Auf der von dem Lichtwellenleiter abgekehrten Seite der Kugellinse 6, 6′ tritt ein kollimierter Strahl 8, 8′ aus. Wird ein Glas mit einem kleineren Brechungsindex verwendet, so ist zwischen der Stirnfläche des Lichtwellenleiters und der Kugellinse ein Abstand vorzusehen.The embodiment of FIGS. 1 and 2 represents an optical fiber multiple connection, with the optical fibers 5 , 5 'to be connected in two V-shaped grooves 2 , 2 ' on two supports 1 , 1 '. The cross section of the grooves 2 , 2 'is selected such that the optical waveguides lie with their central axis in the surface plane of the respective carrier 1 , 1 '. Outside of this length range provided for guiding the optical waveguides 5 , 5 ', V-shaped grooves 3 , 4 , 3 ', 4 'with a larger cross section are also provided. The grooves 3 , 3 'serve to receive the optical fibers 5 , 5 ' with their secondary protection 7 , 7 '. The grooves 4 , 4 'each take a ball lens 6 , 6 ', which preferably consists of a glass with a refractive index n = 2, for example from the glass LaSF35 from Schott. With this choice of the refractive index, the optical waveguide can extend right up to the end face of the spherical lens. With a spherical lens with n = 2, the focal plane lies on the spherical surface. On the side of the ball lens 6 , 6 'facing away from the optical waveguide, a collimated beam 8 , 8 ' emerges. If a glass with a lower refractive index is used, a distance must be provided between the end face of the optical waveguide and the spherical lens.

Die Träger 1, 1′ werden vorzugsweise aus Silizium hergestellt mit einer Orientierung der Oberfläche in der (110)-Ebene. In diese Träger sind mit Ausrichtung parallel zur <110<-Richtung V-förmige Nuten mit einem sich aus der Kristallstruktur ergebenden Böschungswinkel von 54,7° anisotrop geätzt. Die Breiten der V-förmigen Nuten 2, 3 und 4 bzw. 2′, 3′ und 4′ werden derart gewählt, daß die Mitten der eingelegten kugel- bzw. zylinderförmigen Körper jeweils in der Höhe der Oberfläche der Träger 1, 1′ zuliegen kommen. Wenn r der jeweilige Radius ist, ergibt sich aufgrund der Kristalleigenschaften des Siliziums eine Breite der jeweiligen Nut von d = r·6½. The carrier 1 , 1 'are preferably made of silicon with an orientation of the surface in the (110) plane. V-shaped grooves with an angle of repose of 54.7 ° resulting from the crystal structure are anisotropically etched into these carriers with alignment parallel to the <110 <direction. The widths of the V-shaped grooves 2 , 3 and 4 or 2 ', 3 ' and 4 'are chosen such that the centers of the inserted spherical or cylindrical body are each at the height of the surface of the carrier 1 , 1 ' come. If r is the respective radius, the width of the respective groove results from d = r · 6½ due to the crystal properties of the silicon.

Zur Fixierung der Lichtwellenleiter und Kugellinsen in den jeweiligen Nuten kann ein nach dem Stand der Technik gebräuchliches Fixierverfahren verwendet werden, beispielsweise Kleben, Metallisieren und Löten und Glaslot. Die Lage der eingelegten Teile wird dabei durch den hochgenauen anisotropen Ätzprozeß bestimmt. Auf diese Weise ist es möglich, die besonders kritische gegenseitige laterale Positionierung zwischen Lichtwellenleitern und Kugellinsen ohne aktiven Justierprozeß, sondern lediglich durch Einlegen in die hochpräzisen Nutzen zu erzielen.To fix the optical fibers and spherical lenses in the respective grooves can be according to the prior art usual fixing method are used, for example gluing, metallizing and soldering and glass solder. The position of the inserted parts is determined by the high-precision anisotropic etching process determined. In this way it is possible the most critical mutual lateral Positioning between optical fibers and spherical lenses without an active adjustment process, but only by inserting it to achieve the high-precision benefits.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Länge der Nuten 4, 4′ wesentlich größer gewählt als es zur Aufnahme der Kugellinsen 6, 6′ an sich erforderlich wäre. Der Träger 1′ ist mit seinen entsprechend eingelegten und fixierten Teilen 5′, 6′ und 7′ genau spiegelbildlich zum Träger 1 aufgebaut. Zur optischen Verbindung werden die beiden Träger 1 und 1′ so aufeinander gelegt, daß die Kugellinsen 6 im Träger 1 in die Nuten 4′ im Träger 1′ und die Kugellinse 6′ im Träger 1′ in den Nuten 4 im Träger 1 jeweils im verlängerten Teil der Nuten 4, 4′ zuliegenkommen. Dies ist in Fig. 1 durch einen gebogenen Doppelpfeil und in Fig. 2 durch einen senkrechten Pfeil angedeutet. Dann werden die Träger 1, 1′ soweit gegeneinander verschoben, daß die Kugellinsen 6, 6′ sich berühren (senkrechte Pfeile).In the illustrated embodiments, the length of the grooves 4 , 4 'is chosen to be substantially larger than would be required to accommodate the ball lenses 6 , 6 '. The carrier 1 'is built with its correspondingly inserted and fixed parts 5 ', 6 'and 7 ' exactly mirror image of the carrier 1 . For optical connection, the two carriers 1 and 1 'are placed one on top of the other so that the ball lenses 6 in the carrier 1 in the grooves 4 ' in the carrier 1 'and the ball lens 6 ' in the carrier 1 'in the grooves 4 in the carrier 1 are each extended Part of the grooves 4 , 4 'come. This is indicated in Fig. 1 by a curved double arrow and in Fig. 2 by a vertical arrow. Then the carrier 1 , 1 'against each other so far that the ball lenses 6 , 6 ' touch (vertical arrows).

Eine eventuelle laterale Dejustierung der Kugellinsen 6, 6′ zueinander, wie sie etwa durch in den Nuten 4, 4′ befindlichen Staub verursacht sein könnte, ist hierbei nicht kritisch, da die beiden kollimierten Strahlen 8 und 8′ aufeinander treffen müssen, deren Durchmesser groß gegenüber dem Kerndurchmesser der Lichtwellenleiter ist. Die große Länge der Nuten 4, 4′ ermöglicht ferner die Aufnahme des jeweils auf dem anderen Träger fixierten Sekundärschutzes 7′, 7, der mit der Hälfte seines Durchmessers über die jeweilige Trägeroberfläche hinausragt.A possible lateral misalignment of the spherical lenses 6 , 6 'to one another, as could be caused by dust in the grooves 4 , 4 ', is not critical here, since the two collimated beams 8 and 8 'must meet one another, their diameters are large compared to the core diameter of the optical fiber. The large length of the grooves 4 , 4 'also allows the inclusion of the secondary protection 7 ', 7 which is fixed on the other carrier and which projects with half its diameter beyond the respective carrier surface.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung dient zur Verbindung von vier Lichtpfaden. In gleicher Weise können Vorrichtungen mit mehr oder weniger Lichtpfaden gestaltet werden. Bei vielen nebeneinanderliegenden Lichtpfaden erhält man neben der Winkelausrichtung an den einzelnen Kugelpaaren 6, 6′ eine zusätzliche Genauigkeit der Winkelausrichtung durch das Aneinanderliegen weiter entfernter Kugelpaare.The device shown in FIGS. 1 and 2 serves to connect four light paths. In the same way, devices with more or fewer light paths can be designed. With many adjacent light paths, in addition to the angular alignment on the individual pairs of balls 6 , 6 ', an additional accuracy of the angular alignment is obtained by the juxtaposition of more distant pairs of balls.

Beim Steckvorgang mit dem in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel gleiten die Kugellinsen 6, 6′ in den Nuten 4′, 4. Die Gleitflächen der Kugellinsen liegen dabei außerhalb der optisch wirksamen Oberflächen der Kugeln.When plugging with the embodiment described in FIGS. 1 and 2, the ball lenses 6 , 6 'slide in the grooves 4 ', 4th The sliding surfaces of the ball lenses lie outside the optically effective surfaces of the balls.

Zum Andrücken der Träger 1, 1′ gegeneinander dienen Federelemente 30, 31, die innen am Steckergehäuse 25 angeordnet sind und auf die Rückseite des Trägers 1′ drücken (Fig. 3).To press the carrier 1 , 1 'against each other serve spring elements 30 , 31 which are arranged on the inside of the connector housing 25 and press on the back of the carrier 1 ' ( Fig. 3).

Claims

1. Device for detachable connection of optical fibers with the following features:

a) the optical fibers to be connected ( 5 , 5 ') are each arranged on a support ( 1 , 1 '), the optical fibers ( 5 , 5 ') at least at their end parallel to a surface of the support and a plurality of optical fibers ( 5 , 5 ') run on a support ( 1 , 1 ') parallel to each other;
b) the carrier ( 1 , 1 ') are made of silicon and the optical fibers lie in anisotropically etched V-grooves ( 2 , 2 ');
c) in a carrier ( 1 , 1 ') in extension of the respective optical waveguide ( 5 , 5 ') a V-shaped recess for receiving an optical waveguide ( 5 ', 5 ) of the other carrier ( 1 ', 1 ) is provided;
d) the ends of the optical waveguides to be connected ( 5 , 5 ') face each other when the surfaces of both supports ( 1 , 1 ') lie on one another;
e) each part ( 4 , 4 ') of a V-groove ( 2 , 2 ') that does not contain an optical fiber ( 5 , 5 ') has a larger cross section;
f) in each such part ( 4 , 4 ') of a V-groove a ball lens ( 6 , 6 ') is arranged at the end of the optical waveguide ( 5 , 5 '), which is used for beam collimation and for positioning the carrier ( 1 , 1 ′) serves one another.

2. Device according to claim 1, characterized in that both carriers are in the assembled state of a housing ( 25 ), wherein springs ( 30 ) for compressing both carriers ( 1 , 1 ') are provided.

3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the ball lens ( 6 , 6 ') consists of a glass with the refractive index n = 2.