WO1999042876A1

WO1999042876A1 - Positioniervorrichtung zum positionieren und fixieren von optischen fasern sowie steckverbinder mit einer solchen positioniervorrichtung

Info

Publication number: WO1999042876A1
Application number: PCT/CH1999/000073
Authority: WO
Inventors: Andreas Heier; Kurt Ruess
Original assignee: Huber & Suhner Ag
Priority date: 1998-02-23
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 1999-08-26
Also published as: JP2002504707A; US6457873B1; EP1058859A1

Abstract

Bei einer Positioniervorrichtung (10) zum selbsttätigen Positionieren und Fixieren weingstens einer in die Positioniervorrichtung (10) eingeführten optischen Faser entlang einer vorgegebenen optischen Achse, welche Positioniervorrichtung (10) ein Basiselement (18) mit einer ebenen Oberseite und einem in die Oberseite eingelassenen, parallel zur Oberseite verlaufenden V-förmigen Aufnahmekanal zur Aufnahme der wenigstens einen optischen Faser sowie ein auf der Oberseite des Basiselements (21) angeordnetes, federndes Halteelement (17) zum Halten der in den Aufnahmekanal eingeführten wenigstens einen optischen Faser umfasst, wird ein einfacher Aufbau und eine präzise und mechanisch robuste Kopplung dadurch erreicht, dass das Halteelement (17) eine parallel zur Oberseite des Basiselements (18) über dem Aufnahmekanal (21) angeordnete und senkrecht zur Oberseite des Basiselements (18) elastisch auslenkbare Membran (22) umfasst, welche beim Einführen der wenigstens einen optischen Faser in den Aufnahmekanal (21) ausgelenkt wird und mit ihrer Rückstellkraft die wenigstens eine optische Faser in dem Aufnahmekanal (21) fixiert.

Description

BESCHREIBUNG

POSITIONIERVORRICHTUNG ZUM POSITIONIEREN UND FIXIEREN VON OPTISCHEN FASERN SOWIE STECKVERBINDER MIT EINER SOLCHEN

POSITIONIERVORRICHTUNG

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbindungstechnik optischer Fasern. Sie betrifft eine Positioniervorrichtung zum selbsttätigen Positionieren und Fixieren wenigstens einer in die Positioniervorrichtung eingeführten optischen Faser entlang einer vorgegebenen optischen Achse (2), welche Positioniervorrichtung ein Basiselement mit einer ebenen Oberseite und einem in die Oberseite eingelassenen, parallel zur Oberseite verlaufenden V-förmigen Aufnahmekanal zur Aufnahme der wenigstens einen optischen Faser sowie ein auf der Oberseite des Basiselements angeordnetes, separates und federndes Halteelement zum Halten der in den Aufnahmekanal eingeführten wenigstens einen optischen Faser umfasst. 2

Eine solche Positioniervorrichtung ist z.B. aus der Druckschrift US-A-4,973,126 bekannt.

STAND DER TECHNIK

Mit der zunehmenden Verbreitung von optischen Fasern, die wegen ihrer hohen Uebertragungskapazität und Unempfindlichkeit gegen Störfelder geschätzt sind, werden auch zunehmend Steckverbindungen benötigt, die es ermöglichen, zwei optische Fasern lösbar und mit möglichst geringer Dämpfung optisch aneinander anzukoppeln oder eine optische Faser mit einem Sende- oder Empfangselement zu verbinden. Es versteht sich von selbst, dass bei der optischen Ankopplung wegen des geringen Durchmessers der Fasern (Faserdurchmesser z.B. 125 μm) und wegen des noch wesentlich kleineren Modenfelddurchmessers (bei einer Mono- modefaser z.B. ca. 10 μm) eine sehr grosse Präzision (< 1 μm) bei der Positionierung und Ankopplung der Fasern notwendig ist, um kleine Werte für die Einfügedämpfung (z.B. < 0,5 dB) und hohe Werte für die Rückflussdämpfung (z.B. > 60 dB) zu erhalten. Gleichzeitig soll die Ankopplungsvorrichtung mechanisch robust, auch bei wiederholten Steckvorgängen funktionssicher, einfach zu handhaben und in grösseren Stückzahlen kostengünstig herzustellen sein.

Herkömmliche Steckverbinder für optische Fasern, wie sie beispielsweise von der Anmelderin unter der Bezeichnung "Optoclip II" kommerziell angeboten werden, verwenden zur Positionierung bzw. Zentrierung ein feinmechanisch aufgebautes Zentrierelement, bei welchem die einzuführenden Fasern jeweils durch eine in einem gleichseitigen Dreieck angeordnete Dreiergruppe von Kugeln mittig hindurchgeführt und so vorzentriert werden. Im Inneren des Elementes ist zur Feinzentrierung und Fixierung ein Paar von untereinander und zur optischen Achse parallel ausgerichteten, eng beabstandeten Zylindern vorgesehen, zwischen denen die beiden zu koppelnden Faserende zu liegen kommen und durch von oben federnd aufsitzende Kugeln fixiert werden. Ein solcher herkömmlicher Steckver- 3

binder ist aufwendig in der Herstellung und Montage, und mechanisch vergleichsweise empfindlich.

Es ist daher bereits verschiedentlich vorgeschlagen worden, unter Anwendung der relativ neuen, auf der Siliziumtechnologie basierenden Mikromechanik Positionier- und Zentrierelemente und -Vorrichtungen für die Kopplung von optischen Fasern herzustellen, die mechanisch robust sind, sich durch bewährte Techniken vergleichsweise einfach herstellen lassen und sich durch hohe Präzision auszeichnen. Eine Vielzahl von Vorschlägen verwendet dabei zur Aufnahme und Lagerung der optischen Fasern Körper aus einkristallinem Silizium und vorgegebener Kristallorientierung, in welche durch nasschemisches Aetzen oder vergleichbare Bearbeitungsvorgänge eine in Richtung der optischen Achse verlaufende, V- förmige Nut oder Furche in den Siliziumkörper eingebracht wird. Die Enden der zu koppelnden optischen Fasern werden dann in diesen V-förmigen Aufnahmekanal eingeführt oder eingelegt und durch eine von oben federnd auf den Körper drückende herkömmliche mechanische Vorrichtung in dem Kanal zentriert und fixiert. Eine typische Lösung dieser Art ist in der eingangs genannten Druckschrift US-A-4,973,126 zu finden. Bei dieser Lösung nimmt eine in einem Kunststoffblock gelagerte Siliziumplatte mit V-Nut die beiden Faserenden auf. Die federnde Druckvorrichtung besteht dabei aus einer Abdeckplatte aus Glass und einem Federclip, der seitlich über die gesamte Anordnung geschoben wird und die Abdeckplatte gegen die Siliziumplatte presst. Diese bekannte Lösung hat insbesondere den Nachteil, dass sie nicht für einen Steckverbinder geeignet ist, sondern bei jedem Kopplungsvorgang aus den verschiedenen Einzelteilen sorgfältig zusammengebaut werden muss. Eine vergleichbare Lösung für die Ankopplung einer optischen Faser an ein aktives optisches Element findet sich beispielsweise in der US-A-4,756,591 oder in der US-A-4,802,727.

Eine weitergehende mikromechanische Lösung für einen Verbinder für optische Fasern ist aus der US-A-5,377,289 bekannt. Dort werden für die Zentrierung und Fixierung der eingeführten optischen Fasern Positionierungsvorrichtungen einge- 4

setzt, die ganz durch mikromechanische Bearbeitung aus Silizium hergestellt sind, und jeweils zwei Arme umfassen. Die Arme sind jeweils mit einer V-Nut versehen und liegen so übereinander, dass die V-Nuten einander gegenüberliegen und einen Aufnahmekanal für die Fasern bilden. Am einen Ende ist der Kanal durch richtungsselektives Aetzen konisch erweitert und erleichtert so das Einführen der Fasern. Am anderen Ende verjüngt sich der Kanal. Gleichzeitig lassen sich dort die Arme nach aussen biegen, so dass eine in den Kanal eingeschobene Faser dort die Arme auseinanderbiegt und gleichzeitig aufgrund der Rückstellkräfte zentrierend zwischen den Armen eingeklemmt wird. Der vollständige Verbinder besteht jedoch auf einer Vielzahl von kleinen, präzise zu montierenden Einzelteilen, so dass sich insbesondere die Montage schwierig und aufwendig gestaltet.

Andere Lösungen, bei denen zum Halten der optischen Fasern in der V-Nut der Si-Aufnahmeplatte seitlich über die Nut ragende federnde Zungen verwendet werden, die durch Aufbringen und Abätzen einer geeigneten Schicht auf der Oberfläche der Si-Aufnahmeplatte erzeugt werden, sind beispielsweise aus der EP-A1-0 805 994 oder aus dem Artikel von C. Strandman und Y. Bäcklund, "Bulk Silicon Holding Structures for Mounting of Optical Fibers in V-Grooves", J. of Micromechanical Systems, Vol. 6, No. 1 , March 1997, S. 35-40, bekannt. Bei diesen Lösungen sind die Zungen einerseits mechanisch relativ empfindlich gegen ein Abbrechen. Andererseits wird die gesamte Vorrichtung in einer durchgehenden und sehr aufwendigen Folge von Prozessschritten hergestellt, was die Ausbeute begrenzt und die Herstellung aufwendig und teuer macht.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Positionieπtorrichtung für optische Fasern zu schaffen, die einfach aufgebaut und herzustellen ist, sich leicht montieren lässt, eine hohe Präzision aufweist, mechanisch robust ist, und durch eine relative 5

wenige Schritte umfassende mikromechanische Bearbeitung kostengünstig und sicher erzeugt werden kann.

Die Aufgabe wird bei einer Positionieπ/orrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Halteelement eine parallel zur Oberseite des Basiselements über dem Aufnahmekanal angeordnete und senkrecht zur Oberseite des Basiselements elastisch auslenkbare Membran umfasst, welche beim Einführen der wenigstens einen optischen Faser in den Aufnahmekanal ausgelenkt wird und mit ihrer Rückstellkraft die wenigstens eine optische Faser in dem Aufnahmekanal fixiert. Durch die Verwendung der erfindungsgemässen Membran ergibt sich ein mechanisch sehr robuster, kompakter Aufbau der Vorrichtung, deren Einzelteile sich auf einfache Weise herstellen und montieren lassen. Insbesondere eignet sich das Membran-Haltelement für die Herstellung mittels mikromechanischer Verfahren.

Um die Einführung der optischen Fasern in den Aufnahmekanal zu erleichtern , ist gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung an wenigstens einem Ende des Aufnahmekanals in dem Basiselement ein sich von aussen nach innen zum Ende des Aufnahmekanals hin verengender Zentrierbereich vorgesehen ist, welcher die wenigstens eine optische Faser beim Einführen in die Positioniervorrichtung auf das Ende des Aufnahmekanals ausrichtet.

Die erfindungsgemässe Positioniervomchtung lässt für die Ankopplung einer optische Faser an ein aktives optische Element wie z.B. eine Laserdiode oder dgl. einsetzen. Die Vorrichtung lässt sich aber insbesondere auch zur Kopplung zweier optischer Fasern einsetzen, wenn sie gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform zum Positionieren und Fixieren von zwei aus entgegengesetzten Richtungen in die Positioniereinrichtung eingeführten und mit ihren eingeführten Enden aneinanderstossenden optischen Fasern vorgesehen ist, und an beiden Enden des Aufnahmekanals ein Zentrierbereich ausgebildet ist. Die Zentrierung der eingeführten optischen Fasern kann weiter verbessert werden, wenn gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der bzw. die Zentrierbereich(e) des Basiselements jeweils in einen Vorzentrierbereich und einen zwischen dem Vorzentrierbereich und dem jeweiligen Ende des Aufnahmekanals angeordneten Feinzentrierbereich aufgeteilt ist bzw. sind. Der Vorzentrierbereich engt zunächst den Spielraum für das eingeführte Faserende auf einen kleineren Bereich ein, während die eigentliche Einzentrierung auf den Eingang des Aufnahmekanals dann durch den Feinzentrierbereich erfolgt.

Bevorzugt ist das Basiselement als massive Platte aus einem einkristallinen Material, insbesondere aus Silizium, ausgebildet, und der V-förmige Aufnahmekanal und ggf. die Zentrierbereiche und Vor- und Feinzentrierbereiche innerhalb des Basiselements sind durch mikromechanische Bearbeitung, insbesondere durch Aetzen, aus der massiven Platte herausgearbeitet. Hierdurch wird mit bewährten Verfahren ein robustes und hochpräzises Basiselement bereitgestellt.

Wenn die Positioniervorrichtung nach der Erfindung für das lösbare Einstecken der optischen Fasern vorgesehen ist, ist es wegen der mechanischen Belastung durch die eingeführten Faserenden von Vorteil, wenn gemäss einer weiteren Ausführungsform zumindest der V-förmige Aufnahmekanal und ggf. die Zentrierbereiche und Vor- und Feinzentrierbereiche gegen eine mechanische Beanspruchung durch eine Verschleissschicht, insbesondere aus SiO₂, geschützt sind.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Positioniervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Membran auf der Unterseite des Halteelements angeordnet ist, dass die Membran wenigstens eine Durchbrechung aufweist, und dass oberhalb der Membran in dem Halteelement eine wannenför- mige Vertiefung zur Aufnahme einer Indexanpassungsflüssigkeit vorgesehen ist. In der wannenförmigen Vertiefung kann ein Vorrat an Indexanpassungsflüssigkeit vorgehalten werden, der durch die Durchbrechung in der Membran die darunter 7

liegenden Enden der optischen Fasern umgibt. Werden die Faser - wie bei einem Steckverbinder üblich - mehrmals eingeführt und wieder herausgezogen, kann der damit verbundene Verlust an Indexanpassungsflüssigkeit aus dem Reservoir der wannenförmigen Vertiefung ausgeglichen werden. Der Gebrauchsdauer des Steckverbinders wird auf diese Weise erheblich verlängert.

Bevorzugt ist das Halteelement als massive Platte aus einem einkristallinen Material, insbesondere aus Silizium, ausgebildet, und die Membran ist innerhalb des Halteelements durch mikromechanische Bearbeitung, insbesondere durch Aet- zen, aus der massiven Platte herausgearbeitet. Insbesondere besteht das Halteelement aus in (IOO)-Richtung orientiertem Silizium, wobei in Richtung der optischen Achse im Halteelement vor und/oder hinter der Membran ein Zentrierbereich zum Zentrieren der optischen Faser beim Einführen vorgesehen ist, und die Zentrierbereiche des Halteelements jeweils seitlich durch richtungsselektiv geätzte Wände in der [111]-Kristallebene begrenzt werden. Auch die Unterseite der Membran und die Zentrierbereiche sind vorzugsweise gegen eine mechanische Beanspruchung durch eine Verschleissschicht, insbesondere aus SiO₂, geschützt.

Der erfindungsgemässe Steckverbinder für die lösbare Verbindung von zwei optische Fasern ist dadurch gekennzeichnet, dass er zum Positionieren und Fixieren der beiden optischen Fasern eine Positioniervorrichtung nach der Erfindung umfasst.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Steckverbinder zeichnet sich dadurch aus, dass der Steckverbinder ein Gehäuse mit einer Vorrichtung für die Montage der Positioniervorrichtung umfasst, dass die Montagevorrichtung einen senkrechten Montageschacht aufweist, in welchen die Positioniervorrichtung eingesetzt und dort mittels eines Montageelementes gehalten ist, dass der Montageschacht in Richtung der optischen Achse durch Einführbohrungen aufweisende Querwände begrenzt ist, durch welche Einführbohrungen die zu verbindenden optischen Fasern seitlich in den Montageschacht bzw. die Positio- 8

niervorrichtung eingeführt werden können, dass der Montageschacht nach unten zu durch einen parallel zur optischen Achse verlaufenden V-förmigen Schachtboden begrenzt ist, dass die Positioniervorrichtung mit dem Basiselement nach unten in den Montageschacht eingesetzt ist, und dass die Positioniervorrichtung durch dem V-förmigen Schachtboden angepasste Schrägen an der Unterseite des Basiselements Basiselements im Montageschacht zentriert ist. Durch den Montageschacht wird die Montage und Zentrierung erleichtert und die Positioniervorrichtung geschützt. Gleichzeitig ergibt sich ein weitgehend abgeschlossener Raum..

Insbesondere wird der Abschluss für eine Indexanpassungsflüssigkeit dadurch erreicht, dass in der Positioniervorrichtung oberhalb der Membran in dem Halteelement eine wannenförmige Vertiefung zur Aufnahme einer Indexanpassungsflüssigkeit vorgesehen ist, und dass zwischen dem Montageelement und dem Halteelement eine Dichtung, insbesondere in Form eines O-Rings, angeordnet ist, welche die wannenförmige Vertiefung umschliesst und nach oben hin abdichtet.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERl_ÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen lösbaren Steckverbinder für zwei optische Fasern mit herkömmlichem Gehäuse und einem Montageschacht für die Aufnahme der erfindungsgemässen Positioniervorrichtung; 9

Fig. 2 das teilweise geschnittene Gehäuse des Steckverbinders aus Fig.

1 mit einer eingesetzten Positioniervorrichtung gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 in einer vergrösserten Darstellung die aus einem unteren Basiselement und einem oberen Halteelement bestehende Positioniervorrichtung aus Fig. 2;

Fig. 4 das mit einer elastischen Membran ausgestattete Halteelement aus Fig. 3;

Fig. 5 das mit einem V-förmigen Aufnahmekanal und beidseitig angeordneten Zentrierbereichen ausgestattete Basiselement aus Fig. 3;

Fig. 6 in einer Achsenansicht den Steckverbinder aus Fig. 2 mit einem stempeiförmigen Montageelement und einer Dichtung; und

Fig. 7 das Halteelement in der Draufsicht von oben.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist in perspektivischer Ansicht ein lösbarer Steckverbinder für zwei optische Fasern für die Aufnahme der erfindungsgemässen Positioniervorrichtung dargestellt. Der Steckverbinder 1 umfasst ein sich entlang einer optischen Achse 2 erstreckendes längliches Gehäuse 11 aus Kunststoff, welches im Mittelbereich einen senkrecht zur optischen Achse 2 von oben in das Gehäuse 11 hineinreichenden Montageschacht 14 zur Aufnahme einer Positioniervorrichtung aufweist. Die Positioniervomchtung selbst ist in dieser Darstellung der Uebersichtlichkeit wegen nicht eingezeichnet. Der Montageschacht 14 ist in Richtung der optischen 10

Achse 2 durch Querwände 16 begrenzt und von beidseitig angeordneten Einstecköffnungen 7 abgetrennt.

In die Einstecköffnungen 7 werden beim Einsatz des Steckverbinders 1 in an sich bekannter Weise von beiden Seiten spezielle (nicht dargestellte) Stecker einrastend eingesteckt, in welchen die Enden der zu verbindenden optischen Fasern 3, 4 durch zurückschiebbare Hülsen geschützt gehaltert sind. Beim Einstecken der Stecker schieben sich die Schutzhülsen selbsttätig zurück und die freiliegenden Enden der optischen Fasern 3, 4 schieben sich durch entsprechende Einführbohrungen 5, 6 in den Querwänden 16 bis in das Innere des Montageschachtes 14. Das Gehäuse 11 ist zu Zwecken der Befestigung mit zwei seitlich herausstehenden Befestigungsflanschen 8, 9 ausgerüstet, in welchen jeweils eine Befestigungsöffnung 12 bzw. 13 zum Anschrauben oder dgl. vorgesehen ist.

Der Steckverbinder 1 mit der eingesetzten Positioniervorrichtung 10 ist in einer teilweise geschnittenen Darstellung in Fig. 2 wiedergegeben. Die Positioniervorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus einem unteren plattenförmigen Basiselement 18, in welchem die eingeführten optischen Fasern aufgenommen und gelagert werden, und einem direkt aufliegenden, ebenfalls plattenförmigen Halteelement 17, welches die eingeführten optischen Fasern in dem Basiselement 18 hält und fixiert. Das Basiselement 18 hat auf seiner Unterseite zwei in Richtung der optischen Achse verlaufenden Schrägen (26 und 27 in Fig. 3). Die Schrägen sind den schrägen Wänden eines V-förmigen Schachtbodens 15 angepasst, der - sich in Richtung der optischen Achse erstreckend - den Montageschacht 14 nach unten hin abschliesst. Durch diese Massnahmen wird die Positioniervorrichtung 10 beim Einsetzen in den Montageschacht 14 automatisch parallel zur optischen 2 Achse ausgerichtet.

Der detaillierte Aufbau der beiden separaten Elemente 17 und 18 der Positioniervorrichtung 10 wird aus der vergrösserten Darstellung der Fig. 3, 4 und 5 deutlich. Sowohl das Halteelement 17 als auch Basiselement 18 sind vorzugsweise durch 11

mikromechanische Bearbeitungsverfahren aus einkristallinen Platten hergestellt, die in (IOO)-Richtung orientiert sind. In die plane Oberseite das Basiselement 18 ist gemäss Fig. 5 zur Aufnahme und Halterung der Enden der beiden optischen Fasern 3, 4 in an sich bekannter Weise ein V-förmiger Aufnahmekanal eingebracht (eingeätzt), dessen Wände in den [111]-Ebenen des Si-Einkristalls liegen. Das Basiselement 18 hat beispielsweise Aussenabmessungen (der Platte) von 4,5 x 3,2 x 1 mm (Länge x Breite x Höhe) und der V-förmige Aufnahmekanal für optische Fasern mit einem Aussendurchmesser von 125 μm hat beispielsweise eine Breite von 228 μm, eine Tiefe von 162 μm und eine Länge von 1 ,15 mm.

Damit die optischen Fasern 3, 4 beim Einführen in die Positioniervorrichtung 10 selbsttätig und präzise auf die beiden Enden bzw. Eingänge des Aufnahmekanals 21 ausgerichtet und einzentriert werden, sind vor beiden Enden des Aufnahmekanals 21 jeweils spezielle Zentrierbereiche 19 und 20 in das Basiselement 18 eingearbeitet (eingeätzt). Jeder der Zentrierbereiche 19, 20 ist dabei zur Verbesserung der Zentrierung und Vergleichmässigung des Zentriervorgangs in einen (breiteren) Vorzentrierbereich 28 und einen (engeren) Feinzentrierbereich 29 unterteilt (Fig. 5). Der Vorzentrierbereich 28 dabei jeweils seitlich durch richtungsselektiv geätzte Wände in der [133]-Kristallebene bzw. [313]-Kristallebene begrenzt, während der Feinzentrierbereich 29 jeweils seitlich durch richtungsselektiv geätzte Wände in der [-133]-Kristallebene bzw. der [3-13]-Kristallebene begrenzt wird. Die Tiefe der Zentrierbereiche 19, 20 beträgt bei dem o.g. Beispiel 250 μm, die maximale Breite des Vorzentrierbereiches 28 beträgt 1865 μm, die maximale Breite des Feinzentrierbereiches 665 μm. Die konische Gestaltung der Zentrierbereiche 19, 20 mit den schräg stehenden Seitenwänden sorgt dafür, dass die Enden der optischen Fasern 3, 4 beim Einführen selbsttätig auf die Eingänge des Aufnahmekanals 21 hin einzentriert werden. Eine mechanische Beschädigung des Basiselementes 18 durch die auf der Oberfläche schabenden Faserenden wird dadurch vermieden bzw. verringert, dass die beanspruchten Flächen mit einer (nicht dargestellten) Verschleissschicht aus SiO₂ überzogen sind. 12

Das Halteelement 17 hat im vorliegenden Beispiel Abmessungen (der Platte) von 4,5 x 3,2 x 0,5 mm (Länge x Breite x Höhe). Das Halteelement 17 wird im montierten Zustand mit seiner Unterseite auf die Oberseite des Basiselementes 18 gepresst (siehe Fig. 6). Da die Abmessungen des Aufnahmekanals 21 relativ zum Aussendurchmesser der optischen Fasern 3, 4 so gewählt sind, dass die im Aufnahmekanal 21 liegenden Fasern teilweise über die obere Ebene des Basiselementes 18 hinausragen, drückt das Halteelement 17 die Fasern in den V-förmigen Aufnahmekanal 21 und fixiert sie dort. Damit diese Fixierung ein problemloses Einführen und Herausziehen der Fasern ohne mechanische Beschädigung ermöglicht, hat das Halteelement 17 eine spezielle Ausgestaltung. In dem Bereich, der über dem Aufnahmekanal 21 zu liegen kommt, ist auf der Unterseite des Halteelementes 17 aus der Siliziumplatte eine dünne Membran 22 herausgeätzt bzw. die Platte ist in diesem Bereich von oben ausgehend bis auf die Membran 22 abgeätzt (Fig. 4, 7).

Die Membran 22 hat im o.g. Beispiel eine Dicke von 50 μm. Sie ist als gelochte Membran ausgebildet und weist eine Vielzahl von Durchbrechungen 24 auf, die ihr eine erhöhte Flexibilität verleihen. Die Membran 22 weicht beim Einführen der Fasern in den Aufnahmekanal 21 elastisch nach oben aus, so dass die Fasern trotz ihrer Dicke in den Aufnahmekanal 21 eingeschoben werden können. Die Rückstellkraft der ausgelenkten Membran 22 fixiert die Fasern sicher im Aufnahmekanal 21 , ohne ein Herausziehen unnötig zu erschweren. Der Federweg der Membran 22 beträgt im o.g. Beispiel 8 μm. Die Membran 22 ist zu beiden Seiten der optischen Achse 2 bzw. des Aufnahmekanals 21 mit der massiven Platte des Halteelements 17 fest verbunden. In Richtung der Achse sind dagegen Aussparungen 34, 35 in der Membran 22 vorgesehen, welche die Auflagefläche der Membran auf das (kurze) Kanalstück beschränken damit die Fasern ohne Probleme in den Aufnahmekanal 21 eingeführt werden können. Eine Zentrierung der optischen Fasern auch bezüglich des Halteelements 17 wird dadurch erreicht, dass auf der Unterseite des Halteelements 17 ebenfalls konische Zentrierberei- 13

ehe 25, 30 vorgesehen sind, die jeweils seitlich durch richtungsselektiv geätzte Wände in der [111]-Kristallebene begrenzt werden (Fig. 4, 7). Wie beim Basiselement 18 ist auch die mechanisch beanspruchte Unterseite des Halteelementes 17 vorzugsweise mit einer harten Verschleissschicht aus SiO₂ beschichtet.

Durch das Herausätzen der Membran 22 wird in dem Halteelement 17 oberhalb der Membran 22 eine wannenförmige Vertiefung 23 (Fig. 3, 4) gebildet. In dieser wannenförmigen Vertiefung 23 kann Indexanpassungsflüssigkeit für die optische Anpassung der beiden Faserenden vorgehalten werden. Die Indexanpassungsflüssigkeit dringt leicht durch die gelochte Membran 22 zu den darunterliegenden Faserenden. Werden die optischen Fasern 3, 4 aus dem Steckverbinder 1 herausgezogen, kann der damit verbundene Verlust an Flüssigkeit beim nächsten Einführen leicht aus dem Reservoir der wannenförmigen Vertiefung 23 ausgeglichen werden.

Die Halterung der Positioniervorrichtung 10 in dem Montageschacht 14 des Steckverbinders 1 erfolgt gemäss Fig. 6 vorzugsweise dadurch, dass von oben (in Richtung des Pfeiles) ein stempelartiges Montageelement 33 auf das Halteelement 17 gepresst wird. Ein Abdichtung der (flüssigkeitsgefüllten) wannenförmigen Vertiefung 23 im Halteelement 17 wird dabei durch Zwischenlage einer Dichtung, insbesondere eines die Vertiefung 23 umschliessenden O-Rings 31 , erreicht. Damit ergibt sich zugleich eine weitere Kammer 31 für die Flüssigkeit.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Positioniervorrichtung und ein Steckverbinder für optische Fasern, die einfach und mit hoher Präzision herzustellen sind, leicht zu montieren sind, und sich durch eine grosse Genauigkeit in der Anwendung und grosse mechanische Robustheit auszeichnen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Steckverbinder 14

2 optische Achse

3,4 optische Faser

5,6 Einführbohrung

7 Einstecköffnung

8.9 Befestigungsflansch

10 Positioniervorrichtung

11 Gehäuse

12,13 Befestigungsöffnungen

14 Montageschacht

15 Schachtboden (V-förmig)

16 Querwand (Montageschacht)

17 Halteelement

18 Basiselement

19,20 Zentrierbereich (Basiselement)

21 Aufnahmekanal (V-förmig)

22 Membran

23 Vertiefung (wannenförmig)

24 Durchbrechung

25,30 Zentrierbereich (Halteelement)

26,27 Schräge

28 Vorzentrierbereich

29 Feinzentrierbereich

31 O-Ring

32 Kammer

33 Montageelement

34,35 Aussparung

Claims

15PATENTANSPRÜCHE

1. Positioniervorrichtung (10) zum selbsttätigen Positionieren und Fixieren wenigstens einer in die Positioniervorrichtung (10) eingeführten optischen Faser (3, 4) entlang einer vorgegebenen optischen Achse (2), welche Positioniervorrichtung (10) ein Basiselement (18) mit einer ebenen Oberseite und einem in die Oberseite eingelassenen, parallel zur Oberseite verlaufenden V-förmigen Aufnahmekanal (21 ) zur Aufnahme der wenigstens einen optischen Faser sowie ein auf der Oberseite des Basiselements (21 ) angeordnetes, federndes Halteelement (17) zum Halten der in den Aufnahmekanal (21 ) eingeführten wenigstens einen optischen Faser umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (17) eine parallel zur Oberseite des Basiselements (18) über dem Aufnahmekanal (21 ) angeordnete und senkrecht zur Oberseite des Basiselements (18) elastisch auslenkbare Membran (22) umfasst, welche beim Einführen der wenigstens einen optischen Faser in den Aufnahmekanal (21 ) ausgelenkt wird und mit ihrer Rückstellkraft die wenigstens eine optische Faser in dem Aufnahmekanal (21 ) fixiert.

2. Positioniervorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Ende des Aufnahmekanals (21 ) in dem Basiselement (18) ein sich von aussen nach innen zum Ende des Aufnahmekanals (21 ) hin verengender Zentrierbereich (19, 20) vorgesehen ist, welcher die wenigstens eine optische Faser (3, 4) beim Einführen in die Positioniervorrichtung (10) auf das Ende des Aufnahmekanals (21 ) ausrichtet.

3. Positionientorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniervorrichtung (10) zum Positionieren und Fixieren von zwei aus entgegengesetzten Richtungen in die Positioniereinrichtung (10) eingeführten und mit ihren eingeführten Enden aneinanderstossenden optischen Fasern (3, 4) vorgesehen ist, und dass an beiden Enden des Aufnahmekanals (21) ein Zentrierbereich (19 bzw. 20) ausgebildet ist. 16

4. Positioniervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Zentrierbereich(e) (19, 20) des Basiselements (18) jeweils in einen Vorzentrierbereich (28) und einen zwischen dem Vorzentrierbereich (28) und dem jeweiligen Ende des Aufnahmekanals (21 ) angeordneten Feinzentrierbereich (29) aufgeteilt ist bzw. sind.

5. Positioniervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (18) als massive Platte aus einem einkristallinen Material, insbesondere aus Silizium, ausgebildet ist, und dass der V-förmige Aufnahmekanal (21 ) und ggf. die Zentrierbereiche (19, 20) und Vor- und Feinzentrierbereiche (28, 29) innerhalb des Basiselements (18) durch mikromechanische Bearbeitung, insbesondere durch Aetzen, aus der massiven Platte herausgearbeitet sind.

6. Positioniervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der V-förmige Aufnahmekanal und ggf. die Zentrierbereiche (19, 20) und Vor- und Feinzentrierbereiche (28, 29) gegen eine mechanische Beanspruchung durch eine Verschleissschicht, insbesondere aus SiO₂, geschützt sind.

7. Positioniervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (18) aus in (IOO)-Richtung orientiertem Silizium besteht, und dass der V-förmige Aufnahmekanal (21 ) durch richtungsselektiv geätzte Wände in den [111]-Kristallebenen definiert und begrenzt wird.

8. Positioniervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden des V-förmigen Aufnahmekanals (21 ) Zentrierbereiche (19, 20) vorgesehen sind, welche jeweils in einen Vorzentrierbereich (28) und einen zwischen dem Vorzentrierbereich (28) und dem jeweiligen Ende des Aufnahmekanals (21 ) angeordneten Feinzentrierbereich (29) aufgeteilt sind, dass der Vorzentrierbereich (28) jeweils seitlich durch richtungsselektiv geätzte Wände in der [133]- 17

Kristallebene bzw. [313]-Khstallebene begrenzt wird, und dass der Feinzentrier- bereich (29) jeweils seitlich durch richtungsselektiv geätzte Wände in der [-133]- Kristallebene bzw. der [3-13]-Kristallebene begrenzt wird.

9. Positioniervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (22) auf der Unterseite des Halteelements (17) angeordnet ist, dass die Membran (22) wenigstens eine Durchbrechung (24) aufweist, und dass oberhalb der Membran (22) in dem Halteelement (17) eine wannenförmige Vertiefung (23) zur Aufnahme einer Indexanpassungsflüssigkeit vorgesehen ist.

10. Positioniervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (17) als massive Platte aus einem einkristallinen Material, insbesondere aus Silizium, ausgebildet ist, und dass die Membran (22) innerhalb des Halteelements (17) durch mikromechanische Bearbeitung, insbesondere durch Aetzen, aus der massiven Platte herausgearbeitet ist.

11. Positioniervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (18) aus in (IOO)-Richtung orientiertem Silizium besteht, dass in Richtung der optischen Achse (2) im Halteelement (17) vor und/oder hinter der Membran (22) ein Zentrierbereich (25, 30) zum Zentrieren der optischen Faser (3, 4) beim Einführen vorgesehen ist, und dass die Zentrierbereiche (25, 30) des Halteelements (17) jeweils seitlich durch richtungsselektiv geätzte Wände in der [111]-Kristallebene begrenzt werden.

12. Positioniervorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite der Membran (22) und die Zentrierbereiche (25, 30) gegen eine mechanische Beanspruchung durch eine Verschleissschicht, insbesondere aus SiO₂, geschützt sind. 18

13. Steckverbinder (1 ) für die lösbare Verbindung von zwei optische Fasern (3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass der Steckverbinder (1 ) zum Positionieren und Fixieren der beiden optischen Fasern eine Positioniervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst.

14. Steckverbinder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckverbinder (31 ) ein Gehäuse (11 ) mit einer Vorrichtung (14, 15, 33) für die Montage der Positioniervorrichtung (10) umfasst, dass die Montagevorrichtung einen senkrechten Montageschacht (14) aufweist, in welchen die Positioniervorrichtung (10) eingesetzt und dort mittels eines Montageelementes (33) gehalten ist, und dass der Montageschacht (14) in Richtung der optischen Achse durch Einführbohrungen (5, 6) aufweisende Querwände (16) begrenzt ist, durch welche Einführbohrungen (5, 6) die zu verbindenden optischen Fasern (3, 4) seitlich in den Montageschacht (14) bzw. die Positioniervorrichtung (10) eingeführt werden können.

15. Steckverbinder nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Montageschacht (14) nach unten zu durch einen parallel zur optischen Achse verlaufenden V-förmigen Schachtboden (15) begrenzt ist, dass die Positionien orrich- tung (10) mit dem Basiselement (18) nach unten in den Montageschacht (14) eingesetzt ist, und dass die Positioniervorrichtung (10) durch dem V-förmigen Schachtboden (15) angepasste Schrägen (26, 27) an der Unterseite des Basiselements (18) im Montageschacht (14) zentriert ist.

16. Steckverbinder nach einem der Ansprüche 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Positioniervorrichtung (10) oberhalb der Membran (22) in dem Halteelement (17) eine wannenförmige Vertiefung (23) zur Aufnahme einer Indexanpassungsflüssigkeit vorgesehen ist, und dass zwischen dem Montageelement (33) und dem Halteelement (17) eine Dichtung, insbesondere in Form eines O-Rings (31 ) angeordnet ist, welche die wannenförmige Vertiefung (23) um- schliesst und nach oben hin abdichtet.