DE2159327B2 - Vorrichtung zur Justierung zweier optischer Bauelemente - Google Patents
Vorrichtung zur Justierung zweier optischer BauelementeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Justierung zweier optischer Bauelemente, von denen mindestens
eines eine einzige Lichtleitfaser ist, auf einer gemeinsamen optischen Achse, zur Verwendung als
Koppelglied in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem.
Die Einkopplung von Lichtenergie in optische Bauelemente, in denen nur eine geringe Anzahl von Moden
ausbreitungsfähig ist, beispielsweise in Lichtleitfasern, bereitet bekanntlich große Schwierigkeiten, da die
wirksame Eintritts- oder Austrittsöffnung für Lichtstrahlen bei solchen Fasern äußerst klein ist. Es ist
vorgeschlagen worden, solche Kopplungen mit Hilfe von Linsenanordnungen durchzuführen, jedoch treten
hierbei Modenfehlanpassungen auf, welche zu Übertragungsverlusten führen. Weiterhin ist vorgeschlagen
worden, die Kopplung mittels eines Hologrammes oder eines optischen Resonators vorzunehmen, jedoch
erhöhen diese zusätzlichen Koppelelemente die Gesamtkosten der Koppelanordnung. Die wirksame Eintritts-
oder Austrittsöffnung von Lichtleitfasern kann zwar einem weiteren Vorschlag entsprechend durch
eine Änderung des Brechungsindexverlaufs in der Lichtleitfaser im Bereich der Koppelstelle vergrößert
werden, jedoch ist eine genaue Justierung der zu koppelnden Faser auch hierbei nicht zu umgehen.
Es ist ein Verfahren zur Herstellung einer faseroptischen Lichtübertragungsleitung bekannt (USA.-Patentschrift
3 004 368), die aus einer Vielzahl von Einzelfasern besteht, um ein großes Auflösungsvermögen
zu erreichen. Dem Verfahren liegt die Aufgabe zugründe, eine aus vielen Einzelfasern bestehende Lichtleitanordnung,
die für eine Verwendung als Gastroskop bestimmt ist und deshalb an sich flexibel sein
muß, derart auszubilden, daß die Einzelfasern am Endbzw. Anfangsteil der Lichtübertragungseinrichtung
unverrückbar in identischer Lage zueinander angeordnet sind, um ein am Eingang aufgenommenes Bild
am Ausgang wirklichkeitsgetreu wiederzugeben. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vielzahl von Einzeifasern
in ein Glasrohr eingeführt, zusammen mit diesem erhitzt und zu einem aus einer Vielzahl von
gegeneinander unverrückbar festgelegten Einzelfasern bestehenden Lichtleitkabel ausgezogen. Dieses bereits
bekannte Verfahren bietet jedoch keinen Hinweis zur
Lösung des der Erfindung zugrundeliegenden Problems.
Es ist ein optisches Verbindungsglied bekannt (britische Patentschrift 1017 354 und österreichische
Patentschrift 244 626), das zur Kopplung lichtleitender und/oder lichtspendender Elemente unterschiedlicher
Querschnitte dient. Dieses Verbindungsglied hat eine rotationssymmetrisch zu den miteinander zu koppelnden
Elementen angeordnete Reflexionsfläche, die mindestens teilweise im wesentlichen die Form eines koaxial
zu dem ersten und dem zweiten Element angeordneten Ellipsoides hat, dessen einer Brennpunkt in
einer Stirnfläche des zweiten Elementes liegt. Ein derartiges Verbindungsglied ist zunächst ein zusätzliches
teures optisches Bauelement. Wenngleich dieses Verbindungsglied offensichtlich zur Kopplung von
Elementen mit relativ großer Lichteintrittsfläche, beispielsweise von aus einer Vielzahl von Einzelfasern
bestehenden Lichtleitern geeignet ist, dürfte eine Herstellung eines derartigen Verbindungsgliedes in den
für die Verbindung von Einzelfasern, beispielsweise Monomodefasern, erforderlichen Abmessungen nicht
möglich sein. Eine Anwendung eines derartigen Verbindungsgliedes in einem breitbandigen optischen
Nachrichtenübertragungssystem ist weiterhin deshalb nicht angebracht, weil sich durch unterschiedliche
Lichtausbreitungswege in diesem Verbindungsglied Signalverzerrungen ergeben können.
Es ist eine optische Kopplung für faserartige transparente
Lichtleiter, insbesondere konvergente Lichtleiter, deren Brechungsindex von der Achse radial zur
Oberfläche abnimmt, bekannt (deutsche Offenlegungsschrift
1 941 923). Die optische Kopplung besteht aus einer Linse, die den gleichen Brechungsindexgradienten
aufweist wie die Lichtleiter und die in bestimmten beiderseitigen Abständen gegenüber den benachbarten
rindflächen zweier Lichtleiter angeordnet ist, deren optische Achse in der optischen Achse der Linse liegt.
Diese Kopplung eignet sich offensichtlich nur zur Verbindung der sehr speziellen Klasse von konvergenten
Lichtleitern. Über die Möglichkeit einer Kopplung von Lichtleitern mit beispielsweise abruptem Übergang
zwischen Kern- und Mantelbereich ist in dieser Druckschrift nichts ausgesagt. Die für die Kopplung erforderliche
Linse ist wiederum ein sehr spezielles und teures optisches Bauelement. Für die beabsichtigte
Wirkungsweise dieser Kopplung ist weiterhin eine genau vorgeschriebene Justierung zwischen der Linse
und den angekoppelten. Lichtleitern wesentlich. Die Druckschrift enthält keine Lehre, auf welche Weise 5c
eine derartig genaue Justierung auf einfache Weise erzielt werden könnte.
Es ist ein flexibles Verbindungsstück zur Verwendung in einer optischen Nachrichtenübertragungsstrecke mit kohärentem Licht bekannt (USA.-Patent-
schrift 3 454 330). Die Übertragungsstrecke bestellt dabei aus Hohlrohren, durch die ein kohärenter Lichtstrahl
geleitet wird, und die im allgemeinen möglichst geradlinig ausgerichtet sind. Um das kohärente Licht
auch bei Versetzungen oder Krümmungen der Rohrleitung weiterleiten zu können, wird eine Anordnung
von Flüssigkeitsprisrnen vorgesehen. Beim Passieren dieser Prismenanordinung wird der kohärente Lichtstrahl
in die gewünschte neue Richtung abgelenkt. Diese Patentschrift gibt keinen Hinweis zur Lösung des der
Erfindung zugrundeliegenden Problems.
Es ist eine Kopplungsvorrichtung zur Verbindung von Teilstücken eines aus einer Vielzahl von Einzelfasern
bestehenden Lichtleitkabels bekannt (USA.-Patentschrift 3 455 625), bei der jeweils die Enden der
Teilstücke mit Außengewinde- tragende Hülsen umgeben sind. Durch eine auf die Hülsen aufschraubbare
Überwurfmutter können jeweils zwei Teilstücke miteinander verbunden werden. Durch eine mit einer
Schraube verschließbare Bohrung in der Überwurfmutter kann zusätzlich eine reflexvermindernde Flüssigkeit
zwischen die Stirnflächen der angekoppelten Lichtleiterstücke eingebracht werden. Diese Kopplungsvorrichtung
dient zur Kopplung eines Kabels aus einer Vielzahl von Einzelfasern; sie ist nicht geeignet
zur Kopplung von Einzelfasern. Zudem ist offensichtlich nur eine Justierungsmöglichkeit in Richtung der
Längsachsen der Kabel gegeben, während eine für die Ankopplung von Einzelfasern unbedingt erforderliche
Justierungsmögüchkeit in radialer Richtung ausgeschlossen
ist.
Weiterhin ist eine Vorrichtung zum Einführen einer Buchse in eine zur Mittelachse exzentrisch liegende
Bohrung bekannt (deutsches Gebrauchsmuster 1 924 190), wodurch beispielsweise im Turbinenbau ein
Vorsatz zwischen Gehäuseober- und -unterteil ausgeglichen werden kann.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe eine einfache
und sichere Justierung zweier optischer Bauelemente auf einer gemeinsamen optischen Achse möglich ist
und die in Nachrichtenübertragungssystemen als billig herzustellendes Koppelglied eingebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die optischen Bauelemente in einem festen
Abstand (T1, r2) um räumlich gegeneinander versetzte
Achsen (o,, ab), deren gegenseitiger konstanter Abstand
d innerhalb der durch die Randbedingung I rx — /"2 ! <
d < ί rx + r2 I festgelegten Grenzen liegt,
drehbar angeordnet sind und daß Mittel vorgesehen sind, die optischen Bauelemente in der durch die
Justierung herbeigeführten optimalen gegenseitigen Ausrichtung fest einzustellen.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind darin zu sehen, daß die Justierung der beiden
optischen Bauelemente auf einer gemeinsamen optischen Achse mit einer nahezu beliebig hohen Genauigkeit
und einem verhältnismäßig geringen Zeitaufwand erreicht werden kann. Durch die im Hauptanspruch
festgelegte Randbedingung wird zudem erreicht, daß die optimale Justierungsposition mit Sicherheit einstellbar
ist.
Die Erfindung soll im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels
unter Zuhilfenahme der Fig. 1 bis näher erläutert werden.
In Fig. 1 und 2 ist eine Vorrichtung zur Justierung der beiden optischen Bauelemente 1, 2 dargestellt. Die
Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse3, vorzugsweise in Form eines Kreiszylinders, in das voneinander
gegenüberliegenden Seiten her gegeneinander versetzte Bohrungen eingebracht sind. In diese Bohrungen sind
die Führungsstifte 4 und 5 eingeführt, welche zumindest um ihre Drehachse a4 und O5 während des Justiervorgangs
frei beweglich sind. Durch Drehen der Führungsstifte 4 und 5 können die optischen Bauelemente
1, 2 entsprechend F i g. 2 auf Kreisen mit den Radien i\
und r2 um die Achsen α, und a5 geführt werden. Die
Mittelpunkte der Kreise müssen dabei einen Abstand voneinander aufweisen, der innerhalb der durch die
Randbedingung j ι\ — r21 S d s | rx + r2 j festgelegten
Grenzen liegt. Aus den Fig. 3 bis 5 läßt sich anschau-
[ich erkennen, in weichen Positionen eine Überdeckung
der optischen Bauelemente 1, 2 in der Zeichenebene, d. h. also eine Justierung auf einer gemeinsamen optischen
Achse, möglich ist. dmn in Fig. 3 ist beispielsweise
der kleinste, dmax in Fig. 5 der größte Abstand,
den die beiden Achsen o., und ab voneinander noch
einnehmen dürfen. Die Verhältnisse für einen zwischen diesen Extremen liegenden Fall {d = C1) sind in der
dazwischen liegenden Fig. 4 dargestellt.
Die Justierung kann sowohl durch Drehen beider Führungsstifte in einem fest gehaltenen Gehäuse als
auch durch Drehen des Gehäuses um die Drehachse eines fest gehaltenen Führungsstiftes im Zusammenwirken
mit einer Drehung des anderen Führungsstiftes um dessen Achse erfolgen. Im letzteren Fall ist es vorteilhaft,
das Gehäuse schnell rotieren zu lassen und den anderen Führungsstift währenddessen langsam
um seine Achse zu drehen.
Zum Abschluß des Justiervorganges müssen die optischen Bauelemente noch in ihrer optimalen gegenseitigen
Ausrichtung arretiert werden. Dies kann beispielsweise durch mechanischen Andruck erfolgen,
etwa in der Weise, daß das Gehäuse während des Justiervorgangs kurzzeitig durch eine Heizvorrichtung
erwärmt wird. 1st die Justierung abgeschlossen, wird die Heizvorrichtung entfernt und das Gehäuse
schrumpft mit zunehmender Abkühlung so weit zusammen, bis die beiden Führungsstifte fest eingespannt
sind. Neben dieser Schrumpfanpassung sind jedoch auch noch andere Verfahren wie z. B. Löten,
Schweißen, Klemmen oder Kleben zum Befestigen der Führungsstifte im Gehäuse zu erwähnen.
Unter den optischen Bauelementen sind in erster Linie solche zu verstehen, die eine kleine Eintritts- oder
Austrittsöffnung für Lichtstrahlen aufweisen. Hierunter fallen Laserdioden oder Fotodioden oder auch
Lichtleitfasern, d. h. also Bauelemente, die vorteilhaft in optischen Nachrichtenübertragungssystemen eingesetzt
werden können. Die erfindungsgemäße Justiervorrichtung läßt sich in optischen Übertragungssystemen
auch zugleich als Koppelglied verwenden, wobei insbesondere hervorzuheben ist, daß eine solche Verbindung
jederzeit wieder gelöst und das Koppelglied auch jederzeit wieder verwendet werden kann.
Weist ein optisches Bauelement einen sehr kleinen Durchmesser auf, beispielsweise etwa 100 μ, so ist es
schwierig, eine zur Aufnahme dieses Bauelementes dienende Bohrung mit entsprechendem Innendurchmesser
in den Führungsstift einzubringen. Hier kann aber dadurch Abhilfe geschaffen werden, daß eine
Bohrung größeren Durchmessers in den Führungsstift eingebracht und das optische Bauelement, beispielsweise
eine Lichtleitfaser, zumindest in der Nähe des: zu koppelnden Endteils der Faser durch einen Kleber
in der Bohrung befestigt wird. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, die Faser in eine Kapillare einzuführen und die Bohrung im Führungsstift
auf den Außendurchmesser dieser Kapillare abzustimmen.
Zweckmäßig ist es, die zu koppelnden optischen Bauelemente bezüglich ihrer numerischen Apparatur
einander anzupassen. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß eine Laserdiode oder Fotodiode (Fig. 6)
innerhalb ihres Führungsstiftes zunächst optisch an eine· Lichtleitfaser 7 gekoppelt wird und diese Faser
dann erst durch die Justiervorrichtung auf eine andere Lichtleitfaser 8, welche beispielsweise zur Weiterleitung
der Lichtenergie über eine große Entfernung dienen soll, gekoppelt wird. Zur Verringerung von Kopplungsverlusten können die Lichtleitfasern noch im Bereich
ihrer Koppelenden z. B. durch eine thermische Behandlung derart in ihrem Brechungsindexverlauf verändert
werden, daß sich hierdurch eine wirksame Eintrkts- oder Austrittsöffnung für die Lichtstrahlen
ergibt, die größer ist als der Querschnitt des totalreflcktierenden
Kerns im übrigen Teil der Faser. Eine weitere Verbesserung des Koppelwirkungsgrades kann erzielt
werden, wenn der zwischen den zu koppelnden optischen Bauelementen liegende Bereich mit einer reflexmindernden
Substanz, vorzugsweise einem Immersioiisöl,
ausgefüllt ist.
Die Justierung der beiden optischen Bauelemente kann auf einfache Weise dadurch kontrolliert werden,
daß ein Lichtstrahl über eines der beiden Bauelemente in die Justiervorrichtung geleitet und die in das andere
Bauelement wieder eingekoppelte Lichtintensität gemessen wird. In einem optischen Nachrichtenübertragungssystem
läßt sich eine solche Messung beispielsweise in der Weise durchführen, daß die Lichtenergie
an einer Verptärkerstation entnommen, dann über ein anderes Kabel, etwa dem Versorgungskabel für die
Verstärkerstation zur Justiervorrichtung zurückgeführt und dort mit der Energie des eingestrahlten Lichtsirahls
verglichen wird. Es ist aber auch möglich, die Lichtleitfasern durch eine reversible Krümmung lichtdurchlässig
zu machen und das dabei austretende Licht beispielsweise schon unmittelbar hinter der Justiervorrichtung
zu messen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (13)
1. Vorrichtung zur Justierung zweier optischer Bauelemente, von denen mindestens eines eine
einzige Lichtleitfaser ist, auf einer gemeinsamen optischen Achse, zur Verwendung als Koppelglied
in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß
die optischen Bauelemente (1, 2) in einem festen Abstand (rx, r») um räumlich gegeneinander versetzte
Achsen (α4, α5), deren gegenseitiger konstanter
Abstand // innerhalb der durch die Randbedingung Jr1 — r2| S d S I T1 + r2 I festgelegten Grenzen
liegt, drehbar angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die optischen
Bauelemente (1, 2) in der durch die Justierung herbeigeführten optimalen gegenseitigen Ausrichtung
fest einzustellen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der optischen
Bauelemente (1,2) kreiszylindrische Führungsstifte vorgesehen sind, die im Abstand (rx oder r2) von
ihrer Längsachse (a4, a5) in zumindest einer ihrer
beiden Stirnflächen eine öffnung und/oder eine durch den Führungsstift hindurch verlaufende
Bohrung aufweisen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Führungsstifte ein Gehäuse vorgesehen ist, in das von zwei
einander gegenüberliegenden Seiten her parallel zueinander verlaufende und um den Abstand d gegeneinander
versetzte Bohrungen eingebracht sind, deren Durchmesser derart gewählt ist, daß die
Führungsstifte während des Justiervorgangs zumindest um ihre Drehachse (a.:, a5) frei beweglich
sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der
optischen Bauelemente (1, 2) eine Laserdiode ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
eines der optischen Bauelemente (1, 2) eine Fotodiode ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser zur Erhöhung
der wirksamen Eintritts- oder Austrittsfläche für die
Lichtstrahlen in dem zur Justierung verwendeten Endstück der Faser einen vom übrigen Teil der
Faser abweichenden Brechungsindexverlauf aufweist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in
die durch einen Führungsstift hindurch verlaufende Bohrung eine Kapillare zur Aufnahme einer Lichtleitfaser
eingesetzt ist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Verwendung optischer Bauelemente von im wesentlichen gleicher numerischer Apparatur für
die Justierung der optisch wirksame Bereich der Laserdiode oder Fotodiode innerhalb des Führungsstiftes
optisch auf eine kurze Lichtleitfaser gekoppelt ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der zwischen den optischen Bauelementen (1, 2) liegende Bereich mit einer reflexmindernden Substanz,
vorzugsweise Immersionsöl, ausgefüllt ist.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstifte nach dem Justiervorgang durch
mechanischen Andruck fest mit dem Gehäuse verbunden sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch II, dadurch
gekennzeichnet, daß die Führungsstifte während des Justiervorgangs durch Erwärmung des Gehäuses
zumindest um ihre Drehachsen (o4, aä) frei
beweglich und nach der Abkühlung fest im Gehäuse eingespannt sind.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse zumindest während des Justiervorgangs um eine der beiden Achsen (a4, a5) drehbar
angeordnet ist.
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