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Dokumentenidentifikation DE60313491T2 03.01.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001570307
Titel LINSE AUF OPTISCHER FASER ODER AUF WELLENLEITER
Anmelder 3M Innovative Properties Co., St. Paul, Minn., US
Erfinder SMITHSON, Robert L.W., Saint Paul, MN 55133-3427, US;
HILL, Jeffrey B., Saint Paul, MN 55133-3427, US;
LE BLANC, Stephen P., Saint Paul, MN 55133-3427, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60313491
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 06.11.2003
EP-Aktenzeichen 037687209
WO-Anmeldetag 06.11.2003
PCT-Aktenzeichen PCT/US03/35362
WO-Veröffentlichungsnummer 2004055565
WO-Veröffentlichungsdatum 01.07.2004
EP-Offenlegungsdatum 07.09.2005
EP date of grant 25.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G02B 6/26(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G02B 6/255(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Linsen von optischen Fasern oder Wellenleitern.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Aus Glas hergestellte optische Fasern und Wellenleiter werden in optischen Übertragungssystemen und anderen optischen Systemen oft verwendet. Die Bearbeitung der Stirnfläche dieser Fasern und Wellenleiter spielt während der Verwendung dieser Einmoden- oder Mehrmodenfasern und Wellenleiter eine entscheidende Rolle. Es ist wichtig, dass die Stirnflächen eine besonders gleichmäßige Oberfläche aufweisen, so dass der Übergang von einem Element eines optischen Systems zu einem anderen mit minimalen Dämpfungswerten ausgeführt werden kann. Es ist außerdem wichtig, dass die Stirnflächen der Fasern und Wellenleiter mit vorgegebenen Winkeln hergestellt werden können, und dass diese Winkel zuverlässig und reproduzierbar sind.

Die Verwendung von Linsen, um Licht von einer Quelle effizient in eine Faser oder einen Wellenleiter einzukoppeln oder daraus auszukoppeln, ist wohlbekannt. Bei der Bestimmung der Effizienz der Lichtkopplung zwischen der Quelle und der Faser oder dem Wellenleiter können die Form des Faser- oder Wellenleiterendes und die Lichtmenge, die von diesem Ende emittiert wird, Informationen über das Verhalten der mit einer Linse versehenen Faser oder des mit einer Linse versehenen Wellenleiters liefern.

JP2001124932 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Linse auf einer optischen Faser, wobei ein Lasersystem eine Pulsdauer von 50 Femtosekunden aufweist und eine optische Faser abgetragen wird. Bei dem Abtragungsprozess kann ein Schmelzen auftreten.

KURZDARSTELLUNG

Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.

In dieser Beschreibung bezeichnet:

"Linse" ein Stück eines Materials, gewöhnlich Glas, und gewöhnlich gekrümmt, das für die Brechung von Licht verwendet wird; und

"Wellenleiter" eine Struktur, welche die Ausbreitung von Energie in der Form einer Welle lenkt, so dass sie einem vorgeschriebenen Weg folgt.

Ein Vorteil mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, die Formung der Oberfläche einer Faser- oder Wellenleiterlinse unter Anwendung eines Prozesses der Laserabtragung (Laserablation) im Wesentlichen ohne eine Erwärmung und ohne mechanische Spannungen am größten Teil der Faser oder des Wellenleiters zu steuern. Im Vergleich zu anderen Laserprozessen, bei denen größere Pulsbreiten verwendet werden, wie etwa Excimerlaser, Nd:YAG-Laser und CO2-Laser, welche Pulsbreiten von einigen Nanosekunden und mehr aufweisen, wird durch die ultraschnelle Laserbearbeitung der vorliegenden Erfindung Material mit minimalen thermischen Nebenwirkungen abgetragen. Beim Herstellen einer gewünschten Form ist das Nichtvorhandensein einer Erwärmung ein Vorteil gegenüber anderen Techniken, wie etwa Flammpolieren, da es die Fähigkeit gewährleistet, eine gewünschte Form ohne Aufschmelzen herzustellen.

Ein anderer Vorteil mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, dass im Gegensatz zu mechanischen Prozessen zum Abtragen von Material bei einem Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung keine Biegezugbeanspruchung des Endes der Faser oder des Wellenleiters erfolgt, was ein Vorteil bei der Handhabung sein kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Zeichnungen, der ausführlichen Beschreibung und den Ansprüchen ersichtlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt ein beispielhaftes Lasersystem, das für die Erfindung geeignet ist.

2 zeigt drei Ansichten der Form einer Faser mit einer konisch zulaufenden zylindrischen einfach keilförmigen Linse, welche durch die vorliegende Erfindung erreicht werden kann.

3 zeigt drei Ansichten der Form einer Faser mit einer konisch zulaufenden abgeschnittenen einfach keilförmigen Linse, welche durch die vorliegende Erfindung erreicht werden kann.

4 zeigt drei Ansichten der Form einer Faser mit einer konisch zulaufenden symmetrischen doppelkeilförmigen Linse, welche durch die vorliegende Erfindung erreicht werden kann.

5 zeigt drei Ansichten der Form einer Faser mit einer konisch zulaufenden asymmetrischen doppelkeilförmigen Linse, welche durch die vorliegende Erfindung erreicht werden kann.

6 zeigt mehrere Schnittlinienwinkel, welche durch die vorliegende Erfindung erreicht werden können.

7(a) und 7(b) sind digitale Bilder von Mikroaufnahmen einer faseroptischen Linse nach dem Laserschneiden, jedoch vor dem Polieren. 7(c) ist ein digitales Bild eines Strahlprofils im Fernfeld, wobei die verschiedenen Arten der Schattierung Bereiche konstanter Intensität kennzeichnen.

8(a) und 8(b) sind digitale Bilder von Mikroaufnahmen einer faseroptischen Linse nach dem Laserschneiden und dem Polieren mittels Lichtbogen.

8(c) ist ein digitales Bild eines Strahlprofils im Fernfeld, wobei die verschiedenen Arten der Schattierung Bereiche konstanter Intensität kennzeichnen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Ein Femtosekundenlaser sendet kurze Hochleistungsimpulse aus. Die Spitzenleistung eines Impulses beträgt zwischen 105 und 1010 Watt. Die Pulslängen betragen normalerweise bis zu ungefähr 100 Femtosekunden (fs). Für die vorliegende Anwendung ist ein geeigneter Bereich von Pulslängen der von ungefähr 50 bis ungefähr 150 fs. Die Leistungsdichte des Lasers beträgt vorzugsweise von ungefähr 1017 bis ungefähr 1018 W/m2.

Die herkömmliche Laserbearbeitung von Werkstoffen beruht auf der Eigenextinktion des Materials bei der Laserwellenlänge, bei der Energie von dem Laserstrahl übertragen wird. Infolgedessen wird Energie aus dem Laser auf der gesamten Weglänge des Strahls in dem Material, das bearbeitet wird, absorbiert. Es ist daher schwierig, die Laserenergie in einem spezifischen Volumen in dem Material zu lokalisieren.

Im Falle einer Bearbeitung mit einem Femtosekundenlaser, wie in der vorliegenden Erfindung, ist die verwendete Laserwellenlänge normalerweise eine solche, bei welcher die Eigenextinktion des Materials sehr gering ist. Daher wird bei niedrigen bis mittleren Laserintensitäten praktisch keine Energie aus dem Strahl absorbiert. Falls jedoch die Laserintensität genügend hoch ist, was erreicht wird, indem eine sehr kurze Laserpulsdauer (ungefähr 100 fs) verwendet wird und der Strahl sehr stark fokussiert wird, kann das Material mit dem Laserstrahl mittels eines nichtlinearen Mechanismus (d.h. es werden zwei oder mehr Photonen gleichzeitig absorbiert) interagieren, und es wird Energie von dem Laser in das Material übertragen. Eine Mehrphotonenabsorption ist bei Laserpulsdauern von unter 1 Picosekunde (ps) in hohem Maße effizient. Die kurzen Pulse ermöglichen ein Abtragen von Material mit minimalem Schmelzen, was eine präzise Bearbeitung zur Folge hat. Diese nichtlineare Extinktion tritt jedoch nur in einem kleinen Volumen um den Brennpunkt des Lasers herum auf, wo die Intensität sehr hoch ist. Dies steht im Gegensatz zu der Extinktion entlang des gesamten Laserweges, welche bei Eigenextinktion auftritt. Daher ermöglicht ein Femtosekundenlaser eine sehr genaue Steuerung des Materialvolumens, das während des Prozesses der Laserbearbeitung abgetragen wird. Schließlich ist die Pulsdauer von 100 fs ausreichend kurz, so dass eventuelle Wärme, die während des Pulses erzeugt wird, nicht ausreichend Zeit hat, um aus dem Absorptionsvolumen des Lasers heraus zu diffundieren. Dementsprechend werden thermische Begleitschäden ebenfalls auf ein Minimum begrenzt, was die Genauigkeit des Bearbeitungsprozesses mit einem Femtosekundenlaser im Vergleich zur Bearbeitung mit anderen Lasern zusätzlich verbessert. Normalerweise arbeitet der Laser mit einer Wellenlänge von ungefähr 900 nm oder weniger. Die Faser oder der Wellenleiter kann dem Laser in einem Durchgang oder mehr als einem Durchgang ausgesetzt werden. Oft erfordert der erste Schnitt, dass mehrere Durchgänge ausgeführt werden, und der zweite und die nachfolgenden Schnitte erfolgen in einem Durchgang.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Form des Querschnitts des Laserstrahls von kreisförmig bis linear reichen. Vorzugsweise ist der Querschnitt kreisförmig, noch besser elliptisch. Ein elliptischer Querschnitt kann erreicht werden, indem ein Lasersystem wie das in 1 dargestellte verwendet wird. Die Form des Laserstrahlquerschnittes kann verändert werden, indem der Abstand zwischen Linsen verändert wird, wenn zwei oder mehr Linsen verwendet werden. Zum Beispiel kann ein elliptisch geformter Laserquerschnitt erreicht werden, wenn die Brennpunkte von mindestens zwei gekreuzten zylindrischen Linsen nicht zusammenfallen, sondern durch einen geeigneten Abstand getrennt sind. Speziell entsteht der Brennpunkt der ersten Linse vor dem Brennpunkt der zweiten Linse. Als weiteres Beispiel kann eine einzelne asphärische Linse verwendet werden, um einen kreisförmigen Laserstrahlquerschnitt zu bewirken. Als noch ein weiteres Beispiel kann ein reflektierendes Objektiv als das Fokussierelement verwendet werden, um einen kreisförmigen Laserstrahlquerschnitt zu erzeugen. Wie einem Fachmann bekannt ist, könnten die optischen Elemente brechend, reflektierend oder beugend sein. Ein Fachmann könnte auch die geeignete Anzahl von zu verwendenden optischen Elementen und die geeigneten Abstände der optischen Elemente bestimmen, um den Laserstrahl so zu fokussieren, dass die gewünschte Leistungsdichte und das gewünschte Intensitätsprofil erhalten werden.

Eine optische Faser ist normalerweise eine zylindrische Struktur, die einen Kern aus Glas mit einem relativ hohen Brechungsindex aufweist, der mindestens teilweise von einem Mantel aus einem Material mit einem relativ niedrigen Brechungsindex umgeben ist, und die eine einzige oder mehrere Moden von optischen Wellenlängen überträgt.

Ein optischer Wellenleiter ist normalerweise eine lang gestreckte Struktur, welche einen Kern aus Glas mit einem relativ hohen Brechungsindex aufweist, der mindestens teilweise von einem Mantel aus einem Material mit einem relativ niedrigen Brechungsindex umgeben ist, und welche so beschaffen ist, dass durch sie hindurch (normalerweise in der Längsrichtung) elektromagnetische Strahlung mit optischen Wellenlängen, zum Beispiel im Bereich von 0,4 bis 1,7 &mgr;m, übertragen werden kann. Zu Wellenleiterstrukturen gehören unter anderem Mehrmodenfasern, planare optische Schaltungen, Holey-Fasern (löchrige Fasern) und photonische Bandlückenfasern Bandgap-Fasern).

Faser- oder Wellenleiterlinsen können so geformt sein, dass sie einfache oder komplexe Konfigurationen aufweisen. Zu den geeigneten Formen gehören einfache Keilform (2), abgeschnittene Keilform (3), symmetrische Doppelkeilform (4) und asymmetrische Doppelkeilform (5). Im Allgemeinen besteht der Zweck einer Linse darin, die optischen Moden von zwei benachbarten Komponenten in einem optischen System aneinander anzupassen. Zum Beispiel kann eine Linse eine divergierende optische Quelle (z.B. eine Laserlichtquelle) an die Mode einer Faser anpassen, durch welche sich das Laserlicht ausbreitet.

Unterschiedliche Linsenformen können erreicht werden, indem der Winkel eingestellt wird, unter welchem der Laserstrahl die Faser oder den Wellenleiter schneidet. Wie 6 zeigt, kann der Keilwinkel steil sein, wie bei der Schnittlinie A, oder er kann flach sein, wie bei der Schnittlinie D. Die vorgenommenen Schnitte können sich an der Spitze der Linse in einem Punkt schneiden, wie bei den Schnittlinien A und D, oder sie können bezüglich des Mittelpunktes versetzt sein, so dass die Spitze eine bestimmte Länge hat, wie bei den Schnittlinien B und C. Ein weites Spektrum von Vollkeil-Winkeln kann hergestellt werden, indem der Schnittwinkel geändert wird, darunter zum Beispiel Winkel von 40 bis 120°.

Ein Vorteil einer mit einer Linse versehenen optischen Faser ist, dass die Fähigkeit, Licht auf effiziente Weise in eine Faser einzukoppeln oder aus ihr auszukoppeln, im Vergleich zu einem Faserende, welches nicht mit einer Linse versehen worden ist, verbessert wird.

Derselbe Vorteil trifft auf einen Wellenleiter zu, der ein mit einer Linse versehenes Ende aufweist.

Die Effizienz der Kopplung einer mit einer Linse versehenen Faser oder eines mit einer Linse versehenen Wellenleiters ist von der Geometrie des Endes der Faser oder des Wellenleiters abhängig. Die Geometrie des Faser- oder Wellenleiterendes kann unter Verwendung von Zentrierung, Keilwinkel und Radien der abgerundeten Spitze des Faser- oder Wellenleiterendes beschrieben werden. Die Zentrierung ist ein Maß dafür, wie gut die Spitze der mit einer Linse versehenen Faser oder des mit einer Linse versehenen Wellenleiters bezüglich des optischen Kerns der Faser oder des Wellenleiters zentriert ist. Der Keilwinkel ist der Winkel zwischen einer Seitenfläche des Keils und der gegenüberliegenden Seitenfläche. Das Faser- oder Wellenleiterende kann mehr als einen Radius aufweisen; das heißt, es kann zwei zueinander senkrechte Radien auf der Oberfläche des mit einer Linse versehenen Endes aufweisen.

Nachdem die Faser- oder Wellenleiterlinse mit einem Femtosekundenlaser geschnitten worden ist, wird sie einer Wärmequelle ausgesetzt, um ein Glätten zu erzielen. Die Wärmequelle kann zum Beispiel ein elektrischer Lichtbogen, ein CO2-Laser oder eine Flamme sein. Indem die Linse Wärme ausgesetzt wird, wird der Linse eine glattere Oberflächenbeschaffenheit verliehen. Vorzugsweise weist die Linse oder der Wellenleiter eine im Wesentlichen gleichförmige Schmelztemperatur vom Mantel zum Kern auf. Die glattere Oberflächenbeschaffenheit ermöglicht eine geringere Streuung und höhere Transmission von Licht durch das Ende der Faser oder des Wellenleiters hindurch. Der Unterschied wird durch einen Vergleich von 7 und 8 veranschaulicht, welche eine Faserlinse zeigen, vor bzw. nachdem sie einer Wärmequelle einer Wärmequelle ausgesetzt wurde. Insbesondere zeigen 7(c) und 8(c) die Verbesserung bei der Intensitätsverteilung, welche durch ein Glätten der Linse durch Wärme erzielt werden kann. Die Linsenform kann in einem gewissen Maße gesteuert werden, indem die Intensität und die Dauer der Wärmeeinwirkung eingestellt werden. Natürlich hat eine Erhöhung der Intensität und/oder eine Verlängerung der Dauer eine größere Auswirkung auf die Form der Linse.

BEISPIELE

Diese Erfindung kann anhand der nachfolgenden Beispiele veranschaulicht werden.

Prüfverfahren

Faserlinsen wurden im Hinblick auf Keilwinkel, Zentrierung und Radien gemessen. Die Keilwinkel und die Zentrierung der geglätteten Faserenden wurden unter Verwendung eines Lichtmikroskops bei Vergrößerungen zwischen 40 und 100 gemessen. Die Radien wurden unter Anwendung der folgenden Technik der Fernfeld-Laserstrahlprofilierung (Far-Field Laser Beam Profiling) bestimmt. Eine Laserlichtquelle (obwohl es eine beliebige geeignete Lichtquelle sein könnte) wurde in das nicht mit einer Linse versehene Faserende eingekoppelt, durch das mit einer Linse versehene Ende hindurch emittiert und danach auf eine Kamera mit ladungsgekoppelten Halbleiterelementen (CCD-Kamera) abgebildet. Das emittierte Licht wurde in 2 verschiedenen Abständen/Positionen bezüglich der Linse gesammelt. Die Form des Intensitätsprofils des Strahls wurde verwendet, um die Radien der Faserspitze zu berechnen, wobei die folgende Gleichung verwendet wurde.

wobei R der Radius der Spitze ist, &ohgr;1 und &ohgr;2 die Radien der Taille des Strahlprofils sind, gemessen an Position 1 bzw. Position 2, n1 der Brechungsindex für das Licht in der Faser ist, n2 der Brechungsindex von Luft ist, wo der Modenfeldradius der Faser ist, &lgr; die Wellenlänge des Lichts in der Luft ist und &dgr; der Abstand zwischen Position 1 und 2 der zwei Strahltaillen-Messungen entlang der z-Achse ist. Die Radien der Spitzen für die mit Linsen versehenen Faserenden der Erfindung sind weiter unten in Tabelle 1 angegeben.

Beispiele

Es wurden unterschiedlich geformte Linsen an den Enden von optischen Fasern unter Anwendung der folgenden Technik hergestellt, welche allgemein durch 1 veranschaulicht wird. Eine einmodige optische 980-Nanometer-Faser 1 (1060 Purmode, Corning, Inc., Corning, NY) wurde in einem genuteten Halter angebracht, welcher auf einem servomotorgesteuerten beweglichen Objekttisch (nicht dargestellt) montiert wurde. Die Faser wurde so positioniert, dass 5 mm der Faser über den Rand des Halters hinausragten. Die Faser wurde mit einer Geschwindigkeit von 250 Mikrometern/Sekunde durch den Weg eines Laserstrahls 2 hindurchbewegt, um das Ende der Faser abzuschneiden. Die optischen Komponenten für den Laserprozess bestanden aus einem Laser, einem Blendenverschluss, einem Filterrad neutraler Dichte und einem Paar gekreuzter, zylindrischer Linsen. Der Laser (nicht dargestellt) war ein Hurricane 800 Nanometer Ti:Saphir-Infrarotlaser (Spectra-Physics, Mountain View, CA) mit einer Pulsbreite von 100 Femtosekunden, der mit 1 kHz arbeitete und eine mittlere Leistung von 1,0 Watt aufwies. Der Blendenverschluss 3 war eine einfache mechanische Sperre für den Laserstrahl. Die mittlere Leistung des Lasers an der Faser wurde gesteuert, indem ein geeignetes Filter neutraler Dichte 4 im Weg des Laserstrahls angebracht wurde. Die Linsen waren einfache zylindrische Linsen 5, 6, die für einen 800 nm Ausgang des Lasers geeignet waren, mit Brennweiten von 220 mm bzw. 170 mm. Die Linsen waren orthogonal zueinander ausgerichtet und in einem Abstand von 240 mm bzw. 170 mm von der Stelle entfernt angeordnet, wo die Faser hindurchbewegt werden sollte. Mit dieser Anordnung der Linsen wurde eine elliptische Fleckform an der Stelle erzeugt, wo die Faser hindurchbewegt werden sollte. Diese elliptische Fleckform hatte normalerweise Abmessungen von 300 Mikrometern mal 40 Mikrometer für die Hauptachse bzw. Nebenachse, wenn sie bei voller Laserleistung in einem Glasobjektträger-Glasplättchen abgebildet wurde. Die Faser würde sich beim Durchqueren des Laserflecks entlang der Richtung der Hauptachsen bewegen.

Die Faser wurde unter dem gewünschten Schnittwinkel positioniert und wurde mit mehr als einem Durchgang entlang der Hauptachse des elliptischen Fleckes durch den Laserstrahl hindurch bewegt, um den ersten Schnitt entlang der Schnittlinie 7 auszuführen. Normalerweise wurde die Faser bei mittleren Leistungen von 400, 525 und 700 mW durch den Laserstrahl bewegt, um den ersten Schnitt zu vollenden, wobei der abgeschnittene Faserabschnitt 8 entfernt wurde.

Die Faser wurde anschließend um ihre Spitze zu einem anderen Schnittwinkel gedreht, in einer Ebene, welche die Faserachse und die Richtung des Laserstrahls enthielt. In dieser Ausrichtung wurde die Faser bei einer mittleren Leistung von 700 mW durch den Laserstrahl hindurchbewegt, um den zweiten Schnitt auszuführen. Für einen einzigen Keil wären die Schritte der Laserbearbeitung damit abgeschlossen. Für die abgeschnittenen Keile und Doppelkeile setzte sich die Laserbearbeitung mit zwei weiteren Schnitten fort. Die Faser wurde um 90 Grad um ihre Achse gedreht, wurde zu dem geeigneten Schnittwinkel gedreht und so ausgerichtet, dass der dritte Schnitt entweder am Mittelpunkt der Faser oder um den gewünschten Betrag bezüglich des Mittelpunkts versetzt ausgeführt werden konnte. Die Faser wurde anschließend mit einer mittleren Leistung von 700 mW durch den Laserstrahl hindurchbewegt. Die Faser wurde um 180 Grad um ihre Achse gedreht und so ausgerichtet, dass der vierte Schnitt entweder am Mittelpunkt der Faser oder um den gewünschten Betrag bezüglich des Mittelpunkts versetzt ausgeführt werden konnte. Nach diesen Schritten war die Laserbearbeitung der abgeschnittenen Keile und Doppelkeile beendet.

Dieser Prozess ist für die unten beschriebenen Beispiele typisch. Mit dieser Beschreibung ist nicht beabsichtigt, die Anzahl oder die Typen der zum Fokussieren des Laserstrahls zu verwendenden Linsen, die Form des Laserstrahls, die Anzahl der Durchgänge oder die mögliche Ausrichtung der Faser, welche verwendet werden kann, um diese Formen herzustellen, zu beschränken. Tatsächlich sind die mittlere Leistung und die Fleckgröße so beschaffen, dass, wenn die Faser diesem Laserstrahl ausgesetzt wird, ein Abtragen von Material resultiert. Die Ausführung von Durchgängen für die einzelnen Schnittwinkel kann auch hinsichtlich der Reihenfolge geändert werden.

Beispiel 1 (Einfacher Keil)

Um eine keilförmige Linse am Ende einer optischen Faser, wie in 2 dargestellt, herzustellen, wurde die Faser zuerst unter einem Schnittwinkel von 18 Grad durch den elliptischen Laserfleck bewegt (gemessen zwischen der Ausbreitungsrichtung des Lasers und der optischen Achse der Faser), um die Faser zu schneiden. Die Faser wurde dann um 180 Grad gedreht und danach ein zweites Mal durch den Fleck bewegt, wodurch ein keilförmiges Ende hergestellt wurde. Das geformte faseroptische Ende wurde dann durch Schmelzen geglättet, indem das Ende zwischen zwei Elektroden angebracht wurde. Zwischen den zwei Elektroden wurde ein Lichtbogen mit einer Stromstärke von 10–13 Milliampere und einer Dauer von 1–3 Sekunden erzeugt. Für den Schritt des Glättens wurde ein Ericsson FSU 995 Fusionsspleißgerät (Ericsson Cables AB, Stockholm, Schweden) verwendet. Die geglättete Faser wies einen Keilwinkel von 62 Grad (gemessen zwischen einer Seitenfläche des Keils und der gegenüberliegenden Seitenfläche), eine Spitzenlänge von 125 Mikrometern, einen Spitzenradius von 10,6 Mikrometern und eine Spitzenzentrierung bezüglich des Faserkerns von 0,1 Mikrometern auf.

Beispiel 2 (Einfacher Keil)

Eine keilförmige Linse wurde wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Faser mit einem Schnittwinkel von 25 Grad abgeschnitten wurde. Die geglättete Faser wies einen Keilwinkel von 72 Grad (gemessen zwischen einer Seitenfläche des Keils und der gegenüberliegenden Seitenfläche), eine Spitzenlänge von 125 Mikrometern, einen Spitzenradius von 11,4 Mikrometern und eine Spitzenzentrierung bezüglich des Faserkerns von 0,1 Mikrometern auf.

Beispiel 3 (Abgeschnittener Keil)

Um eine Linse von der Form eines abgeschnittenen Keils am Ende einer optischen Faser herzustellen, wie in 3 dargestellt, wurde die Vorgehensweise von Beispiel 1 angewendet, mit der Ausnahme, dass für die ersten zwei Schnitte ein Schnittwinkel von 22 Grad verwendet wurde. Zwei weitere Schnitte mit einem Abstand von 180 Grad voneinander und von 90 Grad von den ersten zwei Schnitten wurden an dem Faserende mit einem Schnittwinkel von 22 Grad ausgeführt. Die geglättete Faser wies einen Keilwinkel von 63 Grad (gemessen zwischen einer Seitenfläche des Keils und der gegenüberliegenden Seitenfläche), eine Spitzenlänge von 30 Mikrometern, einen Spitzenradius von 12,8 Mikrometern und eine Spitzenzentrierung bezüglich des Faserkerns von 0,1 Mikrometern auf.

Beispiel 4 (Symmetrischer Doppelkeil)

Um eine doppelkeilförmige (pyramidenförmige) Linse am Ende einer optischen Faser herzustellen, wie in 4 dargestellt, wurde die Vorgehensweise von Beispiel 1 angewendet, mit der Ausnahme, dass für die ersten zwei Schnitte ein Schnittwinkel von 22 Grad verwendet wurde. Zwei weitere Schnitte mit einem Abstand von 180 Grad voneinander und von 90 Grad von den ersten zwei Schnitten wurden an dem Faserende mit einem Schnittwinkel von 22 Grad ausgeführt. Die Schnitte waren so positioniert, dass die zwei Paare von Seitenflächen symmetrisch zueinander waren und die Spitze der Faser in einem Punkt endete. Die geglättete Faser wies eine doppelt konvex geformte Spitze mit einem ersten Radius von 14,3 Mikrometern und einen zweiten Radius, orthogonal zum ersten gemessen, von 13,9 Mikrometern, einen Keilwinkel von 63 Grad (gemessen zwischen einer Seitenfläche des Keils und der gegenüberliegenden Seitenfläche) und eine Spitzenzentrierung bezüglich des Faserkerns von 1,4 Mikrometern auf.

Beispiel 5 (Asymmetrischer Doppelkeil)

Um eine doppelkeilförmige (pyramidenförmige) Linse am Ende einer optischen Faser herzustellen, wie in 5 dargestellt, wurde die Vorgehensweise von Beispiel 4 angewendet, mit der Ausnahme, dass für die zweiten zwei Schnitte ein Schnittwinkel von 52 Grad verwendet wurde, was ein asymmetrisches Faserende zur Folge hatte. Die Schnitte waren so positioniert, dass die Spitze der Faser in einem Punkt endete. Die geglättete Faser wies eine doppelt konvex geformte Spitze mit einem ersten Radius von 13 Mikrometern und einen zweiten Radius, orthogonal zum ersten gemessen, von 16,1 Mikrometern, einen Keilwinkel von 63 Grad für das erste Paar von Keilseitenflächen, einen Keilwinkel von 138 Grad für das zweite Paar von Keilseitenflächen und eine Spitzenzentrierung bezüglich des Faserkerns von 0,4 Mikrometern auf.

Verschiedene Modifikationen und Änderungen dieser Erfindung sind für Fachleute offensichtlich, ohne dass dabei Rahmen und Schutzbereich dieser Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, verlassen werden, und es versteht sich, dass diese Erfindung, so wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, nicht in unzulässiger Weise auf die der Veranschaulichung dienenden Ausführungsformen, die hier dargelegt wurden, beschränkt werden darf.


Anspruch[de]
Verfahren zum Herstellen einer Linse auf einer optischen Faser oder einem optischen Wellenleiter mit:

Bereitstellen eines Lasersystems, das eine Laserpulsdauer von einer Picosekunde oder weniger aufweist; und

Aussetzen des Endes der optischen Faser (1) oder des optischen Wellenleiters dem Laser, um einen Abschnitt der optischen Faser (1) oder des optischen Wellenleiters abzutragen, derart, dass eine Linsen-Vorform erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem eine Leistungsdichte von mindestens 1015 W/m2 aufweist, und das Verfahren aufweist, den abgetragenen Abschnitt der optischen Faser der Einwirkung einer Wärmequelle auszusetzen, um die Linsenoberfläche in eine gewünschte Form zu glätten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärmequelle aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem Lichtbogen, einem CO2-Laser und einer Flamme besteht. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Leistungsdichte von ungefähr 1017 bis 1018 W/m2 beträgt. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lasersystem zwei Linsen (5, 6) mit unterschiedlichen Brennweiten aufweist. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lasersystem eine asphärische Linse (5, 6) aufweist. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Linsenform gesteuert werden kann, indem der Schneidwinkel des Lasers eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Linsenform gesteuert werden kann, indem die Intensität und die Dauer der Wärmeeinwirkung gesteuert werden. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optische Faser oder der optische Wellenleiter in mehr als einem Durchgang dem Laser ausgesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laser mit einer Wellenlänge von ungefähr 900 nm oder weniger arbeitet.






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