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
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.