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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kupplungselement zum lösbaren Verbinden mindestens eines ersten Lichtwellenleiters mit mindestens einem zweiten Lichtwellenleiter und/oder mindestens einem elektrooptischen Bauelement. Derartige Kupplungselemente werden auch häufig als Ferrule bezeichnet.
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Bei der Kopplung von elektrooptischen Sendern, wie z. B. LEDs und Laserdioden, und elektrooptischen Empfängern, wie z. B. Fotodioden und Fototransistoren, mittels einer lichtleitenden Faser, oder bei der optischen Verbindung von zwei getrennten Lichtwellenleitern miteinander, ergibt sich das Problem, dass die Stirnflächen der lichtleitenden Fasern zu den korrespondierenden Sende- oder Empfangsflächen wie auch zu den entsprechenden Stirnflächen eines zweiten Lichtwellenleiters sehr genau in Position gebracht und gehalten werden müssen. Dabei müssen die optischen Achsen präzise zur Deckung gebracht werden und sehr nahe aneinander anschließen, d. h., die zu koppelnden optischen Achsen müssen sowohl in radialer als auch in axialer Richtung exakt positioniert werden.
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Um eine einwandfreie Ankopplung eines Lichtwellenleiters zu einem Sender oder zu einem Empfänger oder eine einwandfreie Kopplung zwischen zwei Fasern zu gewährleisten, wird bei den bekannten optischen Steckverbindungen das Ende des Lichtwellenleiters mit einem Röhrchen, einer sogenannten Ferrule, im Englischen auch häufig „Insert” genannt, konfektioniert. Die Befestigung der Ferrule auf bzw. an dem Lichtwellenleiter muss zugfest erfolgen, ohne dabei den Lichtwellenleiter zu beschädigen oder gar seine optischen Eigenschaften zu beeinflussen.
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Bekannte Befestigungen an einem Lichtwellenleiter stellen zu diesem eine mechanische Verbindung her, indem beispielsweise eine Crimpverbindung an den Lichtwellenleiter angebracht wird. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass der Lichtwellenleiter beschädigt wird oder seine optischen Eigenschaften negativ beeinflusst werden.
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Um dieses Problem zu lösen, wird in der Europäischen Patentschrift
EP 1 180 248 B1 vorgeschlagen, Kunststoff-Ferrulen mittels einer Laserschweißung an dem Lichtwellenleiter zu befestigen. Die bekannte Ferrule gemäß dieser Druckschrift hat jedoch den Nachteil, dass die radiale Justierung eines ersten Lichtwellenleiters bezüglich eines zweiten Lichtwellenleiters oder eines elektrooptischen Bauelements, wie eines elektrooptischen Senders oder Empfängers, mit ausreichender Genauigkeit nur unter Verwendung von zeit- und kostenintensiven Technologien möglich ist.
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Aus der
US 4,186,997 sowie dem
Fachartikel William L. Schumacher: "Fiber Optic Connector Design to Eliminate Tolerance Effects", presented at the 10th Annual Connector Symposium, Cherry Hill, New Jersey, 1977, ist weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden optischer Wellenleiter bekannt, die eine verbesserte Justierung von zwei Wellenleitern zueinander sowie einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen erlauben.
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Diese bekannte Anordnung hat aber den Nachteil, dass sie vergleichsweise aufwändig und teuer in der Fertigung ist.
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Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht daher darin, ein Kupplungselement für mindestens einen ersten Lichtwellenleiter anzugeben, so dass zum einen eine sichere Befestigung des Kupplungselements an dem Lichtwellenleiter, zum anderen eine robuste und sichere Befestigung des Kupplungselements an einem zweiten Lichtwellenleiter und/oder einem optischen Bauelement gewährleistet werden kann. Zudem sollte insbesondere für eine Verwendung in einem Kraftfahrzeug eine hohe Zuverlässigkeit und Robustheit der Verbindung sowie für die Fertigung kurze Taktzeiten und geringe Kosten verursacht werden.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, dass ein Lichtwellenleiter in axialer Richtung in einer unlösbar an ihm fixierten Ferrule justiert ist und die Ausrichtung mit seinem zu verbindenden Gegenstück mittels zweier sogenannter Innenprismen erfolgt, von denen jedes jeweils Teil einer der Ferrulen ist.
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Diese durch vorzugsweise V-förmige Innennuten gebildeten Justierprismen sind vorzugsweise aus einem kompressiblen Material, um Toleranzeffekte ausgleichen zu können, wie dies beispielsweise aus dem
Artikel William L. Schumacher: "Fiber Optic Connector Design to Eliminate Tolerance Effects", presented at the 10th Annual Connector Symposium, Cherry Hill, New Jersey, 1977, bekannt ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Führungsnut direkt einstückig mit dem Kupplungselement, beispielsweise durch Spritzgießen, hergestellt. Die Führungsnut hat einen ersten Bereich, in welchem der mindestens eine erste Lichtwellenleiter teilweise aufgenommen ist, und einen zweiten Bereich zum Aufnehmen des mindestens einen zweiten Lichtwellenleiters.
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Wenn diese Verbindung als sogenannte faseroptische Inlineverbindung, d. h. zum Verbinden zweier Lichtleiter mit jeweils einem identischen Kupplungselement verwendet wird, kann die gesamte Verbindung unter Verwendung eines lediglich sehr einfach gestalteten Umgehäuses geschlossen werden. Dadurch ist die Herstellung sowie das Schließen und Lösen der optischen Verbindung besonders einfach und kostengünstig. Andererseits ermöglicht die erfindungsgemäße Justierung in zwei einander gegenüberliegenden Führungsnuten der zu verbindenden Kupplungselemente eine besonders exakte und zuverlässige Ausrichtung der optischen Achsen zueinander. Dies ist auch dadurch bedingt, dass die einstückige Fertigung eine wesentlich kürzere Toleranzkette beinhaltet als mehrstückig assemblierte Ferrulen.
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Das Prinzip der vorliegenden Erfindung kann aber nicht nur zur Verbindung gleichartiger Lichtleitfasern, sondern auch zum Verbinden einer Lichtleitfaser (z. B. eines Pigtail) mit elektrooptischen Empfängern oder Sendern eingesetzt werden, deren Gehäuse dann das entsprechend passende Gegenstück zu der erfindungsgemäßen Ferrule darstellt. Dadurch wird eine exakte Ausrichtung der optischen Achse zum Einkoppeln in einem Empfänger oder zum Auskoppeln aus einem Sender mit der optischen Achse des Lichtwellenleiters auf besonders einfache Weise erreicht.
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Weiterhin ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, dass nur eine Faser in dem Kupplungselement angeordnet ist. Selbstverständlich können auch mehrere Lichtleiter darin positioniert sein. Weiterhin müssen die Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden werden, nicht zwangsläufig denselben Querschnitt haben. Üblicherweise werden aber die Faserpaare, die jeweils zu verbinden sind, annähernd denselben Querschnitt haben, damit die radiale Justierung über die erfindungsgemäße Führungsnut erfolgen kann.
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Insbesondere bei sehr dünnen, sogenannten plastic clad silica (PCS) Fasern, die Durchmesser in der Größenordnung von 200 μm haben können, kann die vorliegende Erfindung die nötige Justiergenauigkeit bei ausreichend geringen Fertigungskosten ermöglichen.
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Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit dem in der Kraftfahrzeugindustrie eingesetzten optischen Multimedianetzwerk MOST von Bedeutung. Hier werden diverse Verbinder benötigt, welche hohe Datenübertragungsraten, z. B. im Zusammenhang mit dem Empfang und der Anzeige von Verkehrsinformation oder dem Entertainment innerhalb des Automobils, ermöglichen.
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Ein optoelektronisches Steckverbindersystem, das in dem medienorientierten Systemtransport (MOST) Netzwerk verwendbar ist, umfasst Steckverbinder zum Ankoppeln diverser optoelektronischer Komponenten, sogenannte Pigtails, d. h. kurze Lichtleitfasern, die mit einer solchen elektrooptischen Komponente verbunden sind, verschiedene Hybridsteckverbinder und entsprechende Kunststofflichtwellenleiter-Kabelsätze. Insbesondere durch die Anwendungsumgebung im Kraftfahrzeug ist neben dem Kostenfaktor auch die Langzeitstabilität, Vibrationsfestigkeit und Temperaturbeständigkeit der Verbindungen von essentieller Bedeutung. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kupplungstechnologie können all diese Anforderungen erfüllt werden.
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Eine besonders zuverlässige Justierung von zwei optischen Achsen zueinander kann durch die Verwendung von Führungsnuten mit im Wesentlichen V-förmigem Querschnitt erreicht werden. Dabei kann zusätzlich vorgesehen sein, dass das Material, aus dem das Kupplungselement gefertigt ist, eine gewisse Kompressibilität aufweist, um unterschiedliche Faserquerschnitte mit möglichst geringer Abweichung mit Bezug aufeinander zu zentrieren. Beispielsweise kann Polyamid als Material für das Kupplungselement verwendet werden. Selbstverständlich kommen aber auch alle anderen üblichen Materialien in Betracht. Die Abmessung der V-förmigen Nut können für den ersten Bereich und den zweiten Bereich unterschiedlich gewählt sein, so dass z. B. die Abmessungen der Seitenwände im ersten Bereich so gewählt sind, dass die Führungsnut des zweiten Bereichs in der Führungsnut des ersten Bereichs eines komplementären Kupplungselements aufgenommen ist, wenn die beiden Kopplungselemente miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung hat das Kupplungselement zum Einstellen einer axialen definierten Position des ersten Lichtwellenleiters einen terrassenförmigen Vorsprung, der eine Bezugsfläche quer zur Längsachse der Führungsnut definiert. Damit kann mit sehr geringen Toleranzen die Position der Lichtleitfaser in Längsrichtung festgelegt werden, bevor die Faser mittels einer Schweißverbindung mit der Ferrule verbunden wird. Crimpen von einem z. B Messing oder Zink-Druckgussteil ist hier auch denkbar. Die Automobilindustrie fordert Wartungs-/Reparaturlösungen, die mit üblichen Werkzeugen zu fügen sind. Bei den bestehenden MOST-Ferrulen wird z. B. eine gedrehte Messing-Ferrule gecrimpt.
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Für eine besonders effiziente und kostengünstige Ausbildung eines Inlinesteckverbinders ist das erfindungsgemäße Kupplungselement so geformt, dass es mit einem identischen zweiten Kupplungselement, welches um 180° um eine Längsachse der Führungsnut gedreht an dem ersten Kupplungselement angeordnet und mit diesem zum Herstellen der Verbindung zusammenwirkt.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf einen Steckverbinder zum lösbaren Verbinden mindestens eines ersten Lichtwellenleiters mit mindestens einem zweiten Lichtwellenleiter und/oder mindestens einem optischen Bauelement, der mindestens ein Kupplungselement gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Weiterhin ist ein Gehäuse vorgesehen, das die zusammengesteckten Kupplungselemente und/oder das mit dem mindestens einen optischen Bauelement zusammengesteckte Kupplungselement aufnimmt und fixiert. Damit können universell einsetzbare Lichtleitfasern konfektioniert werden, die sowohl für eine Verbindung mit weiteren Lichtleitfasern wie auch für den Anschluss von elektrooptischen Bauteilen geeignet sind.
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Im Falle einer Verbindung zwischen zwei Lichtwellenleitern kann das Gehäuse als eine einfache Abdeckhülse ausgebildet sein. Auf diese Weise wird ein kostengünstiger, robuster und einfacher optischer Steckverbinder bereitgestellt, der dennoch die hohen Genauigkeitsanforderungen für sehr dünne Lichtwellenleiterquerschnitte erfüllt. Um die Montage zu erleichtern und darüber hinaus im Betrieb die geschlossene Verbindung zusätzlich mechanisch zu sichern, kann die Abdeckhülse eine Rastvorrichtung zum Sichern des ersten Kupplungselements aufweisen. Ebenso kann selbstverständlich auch das zugehörige zweite Kupplungselement in der Abdeckhülse verrastet sein.
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Um die insbesondere in der Kraftfahrzeugumgebung auftretenden Belastungen durch Vibration und Temperaturwechsel sicher aufnehmen zu können, weist der erfindungsgemäße Steckverbinder außerdem eine lösbare Halterung auf, die im montierten Zustand Kräfte in axialer und radialer Richtung ausübt. Beispielsweise kann dies eine federnde Halteklammer sein, die zum einen Federarme hat, welche einen radialen Druck auf die Kupplungselemente ausüben und weiterhin Federarme besitzt, welche die Kupplungselemente in axialer Richtung aufeinander zu drückt.
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Beim Zusammenstecken zweier Kupplungselemente ist wichtig, dass die Lichtwellenleiter erst im allerletzten Moment der Montage Kontakt zueinander und zu dem gegenüberliegenden Kupplungselement erhalten, damit Beschädigungen durch Schleifbewegungen verhindert werden können. Zu diesem Zweck besitzt gemäß der vorliegenden Erfindung die Abdeckhülse Führungsschrägen, die so angeordnet sind, dass sie die Kupplungselemente während des Einsteckens in die Hülse von dem jeweils anderen Kupplungselement so lange fernhalten, bis die axiale Position im Wesentlichen erreicht ist. Durch diesen Sicherheitsfreiraum in radialer Richtung kann eine Beschädigung der empfindlichen Stirnflächen der Lichtwellenleiter effektiv vermieden werden. Das ist z. B. bei der aus dem
Artikel „Fiber Optic Connector Design to Eliminate Tolerance Effects", presented at the 10th Annual Connector Symposium, Cherry Hill, New Jersey, 1977, bekannten Anordnung anders gelöst: Bei der bekannten Lösung weisen beide Hälften einstückig eine Rampe auf, welche die Fasern erst gegen Ende der Paarung radial ausrichtet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird darauf verzichtet, um das formgebende Werkzeug einfach zu halten Erfindungsgemäß werden Lichtwellenleiter konfektioniert, indem ein einstückig gefertigtes Kupplungselement in axialer Richtung an dem Lichtwellenleiter positioniert wird und anschließend die beiden Teile mittels einer Verschweißung aneinander gesichert werden. Für die Verschweißung können alle bekannten Verfahren, insbesondere die in der
EP 1 180 248 B1 gezeigten Laserschweißtechniken eingesetzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Lichtwellenleiter um sogenannte polymer clad silica (PCS) Lichtleiter. Diese PCS Faser besitzt einen Kern (core) mit einem Mantel (cladding) sowie eine innere und äußere Schutzhülle (inner jacket, outer jacket).
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Wie dies allgemein bekannt ist, besteht der Kern beispielsweise aus Siliciumoxid und die Mantelschicht kann z. B. aus einem Tetrafluoroethylenhexafluoropropylencopolymer oder einem Tetrafluoroethylenvinylidenfluoridcopolymer bestehen. Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung mit jeder Art von Cladding eingesetzt werden und insbesondere mit Fasern, die Durchmesser von 200 μm oder weniger oder mehr (z. B. 980 μm POF) haben.
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Zum Schutz des Lichtwellenleiters ist üblicherweise ein Kunststoff wie z. B. Polyamid 12, der eine ausreichende Beständigkeit für die aggressiven Bedingungen im Automobil mitbringt. Das erfindungsgemäße Konfektionierungsverfahren umfasst daher auch den Schritt des teilweisen Freilegens des Wellenleiterkerns und Wellenleitermantels durch Entfernen der Schutzhülle sowie das Konditionieren der Faserendfläche (z. B durch Laser-Cleaven), bevor der Lichtwellenleiter in dem Kupplungselement montiert wird. Das Verschweißen mit dem Lichtwellenleiter erfolgt vorzugsweise zwischen der Innenwand des Kupplungselements und der Außenwand der inneren Schutzhülle, kann aber auch zwischen der Innenwand des Kupplungselements und der Außenwand der äußeren Schutzhülle vorgesehen sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden zweiter gleichartiger Kupplungselemente wird in besonders einfacher und sicherer Art und Weise so durchgeführt, dass zunächst ein erstes mit einer axial positionierten und laserverschweißten Faser ausgestattetes Kupplungselement in einer Abdeckhülse montiert und verrastet wird. Anschließend wird das zweite Kupplungselement eingeschoben. Erfindungsgemäß hat die Abdeckhülse eine Führungsschräge, die beim Einschieben des zweiten Kupplungselementes dieses so auslenkt, dass der bereits montierte erste Lichtwellenleiter und der sich bewegende zweite Lichtwellenleiter nicht miteinander in Berührung kommen, um Beschädigungen zu vermeiden. Erst, wenn der zweite Lichtwellenleiter im Wesentlichen seine axiale Position erreicht hat, schnappt die Rastverbindung zwischen dem zweiten Kupplungselement und der Abdeckhülse ein und die beiden zu verbindenden Lichtwellenleiter werden vorläufig mit Bezug aufeinander justiert.
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Die endgültige Fixierung erfolgt erfindungsgemäß durch Anbringen einer lösbaren Halterung, die im montierten Zustand Kräfte in axialer und radialer Richtung ausübt. Dies kann beispielsweise ein aufgeschobener Haltebügel sein, der durch mindestens eine Aussparung in der Abdeckhülse hindurch radiale Anpresskraft auf die zusammengefügten Kupplungselemente ausübt und andererseits an äußeren Peripheriebereichen der Kupplungselement angreift, um axialen Druck der Kupplungselemente aufeinander zu auszuüben, so dass die Stirnseiten der Lichtwellenleiter miteinander in Kontakt kommen.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Kupplungselements gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 einen Längsschnitt durch das Kupplungselement mit montierter Lichtleitfaser gemäß 1;
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3 eine Ansicht auf die Stirnseite der Anordnung aus 1;
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4 eine Schnittdarstellung eines Steckverbinders mit zwei identischen Kupplungselementen gemäß den 1 bis 3;
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5 ein Detail aus 7;
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6 eine Seitenansicht der Anordnung aus 4 mit geschnittener Lichtleitfaser;
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7 einen Querschnitt durch die Anordnung der 6;
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8 eine Seitenansicht der Anordnung aus 4;
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9 bis 15 verschiedene Arbeitsschritte bei der Verbindung zweier Lichtleitfasern gemäß der vorliegenden Erfindung;
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16 eine perspektivische Darstellung eines Montagesockels für die Verbindung zwischen einem elektrooptischen Bauelement und einer Lichtleitfaser unter Verwendung eines Kupplungselements gemäß der vorliegenden Erfindung;
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17 eine perspektivische Darstellung des Montagesockels mit einer angeschlossenen Lichtleitfaser;
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18 eine Schnittdarstellung einer an den Verbindungsblock der 16 angeschlossenen Lichtleitfaser;
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19 eine Seitenansicht der Anordnung aus 17.
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Mit Bezug auf die 1 bis 3 soll nunmehr zunächst der Aufbau eines Kupplungselements 100 gemäß der vorliegenden Erfindung näher betrachtet werden. Das Kupplungselement 100, das häufig auch als Ferrule bezeichnet wird, dient zum lösbaren Verbinden eines ersten Lichtwellenleiters 102 mit einem weiteren Lichtwellenleiter oder optischen Bauelement. In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei dem Lichtwellenleiter 102 um einen sogenannten PCS Lichtleiter, also einen mit Polymerummantelung versehenen Silicakern. Die Kern-Mantel-Struktur 104 kann Durchmesser in der Größenordnung 200 μm aufweisen. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Lösung aber auch für dickere und dünnere Lichtwellenleiter, beispielsweise solche mit Durchmessern von 8 μm oder 980 μm verwendet werden. Weiterhin muss das Kupplungselement 100 nicht zwingend so ausgestaltet sein, dass darin nur ein Lichtwellenleiter 102 Aufnahme finden kann. Selbstverständlich kann auch eine Vielzahl von Lichtwellenleitern in entsprechend ausgestalteten Kupplungselementen untergebracht werden.
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Wie aus
2 ersichtlich, besitzt der Lichtwellenleiter
102 eine innere Schutzhülle (englisch: inner jacket)
106 und eine äußere Schutzhülle (outer jacket)
108. Gemäß dem vorliegenden Design wird die innere Schutzhülle
106 nicht ganz so weit entfernt wie die äußere Schutzhülle
108 und dient als Einführhilfe entlang einer trichterförmigen Einführschräge
110 beim Einschieben des Lichtwellenleiters
102 in das Kupplungselement
100. In einem Verbindungsbereich
118 ist die Kern-Mantel-Struktur
104 freigelegt, damit die erfindungsgemäße radiale Ausrichtung erfolgen kann. Das einstückig gefertigte Kupplungselement
100 wird mit der Außenseite der äußeren Schutzhülle
108 mittels einer Schweißverbindung
112 unlösbar verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann diese Schweißverbindung auch, wie in
4 dargestellt, zwischen der Innenwandung des Kupplungselements
100 und der Außenschicht der inneren Schutzhülle
106 erfolgen. Dabei können alle bekannten Schweißverfahren, beispielsweise die in der
EP 1 180 248 B1 vorgeschlagenen Laserschweißverfahren Einsatz finden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Kupplungselement 100 eine quer zu der eingeschobenen Lichtleitfaser angeordnete Referenzfläche 114 auf. Bevor die Schweißverbindung 112 angebracht wird, wird die Stirnfläche 116 des ersten Lichtwellenleiters bündig mit der Referenzfläche 114 ausgerichtet. Erst dann wird der Lichtwellenleiter 102 mit dem Kupplungselement 100 verschweißt und die Position der Stirnfläche 116 in axialer Richtung fixiert.
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Das Kupplungselement 100 weist gemäß der vorliegenden Erfindung einen Verbindungsbereich 118 auf, der mit einem zweiten Kupplungselement oder einem elektrooptischen Bauelement in Kontakt gebracht werden kann. In diesem Verbindungsbereich 118 ist eine Führungsnut 120 vorgesehen, die sich in zwei Bereiche 122, 124 untergliedert. in dem ersten Bereich ist die Kern-Mantel-Struktur 104 der ersten Lichtleitfaser aufgenommen. Der zweite Bereich 124 ist so geformt, dass er bei der Verbindung mit einer zweiten Lichtleitfaser mit deren Kern-Mantel-Struktur zusammenwirken kann. Umgekehrt kann beim Zusammenfügen des Kupplungselements 100 mit einem weiteren identischen Kupplungselement dessen zweiter Bereich 124 der Nut 120 mit der Kern-Mantel-Struktur 104 des ersten Lichtwellenleiters zusammenwirken.
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Diese Zusammenhänge werden aus der Schnittdarstellung der 4 deutlich. Die 4 zeigt einen Steckverbinder 300 zum lösbaren Verbinden zweier identischer Lichtwellenleiter 102 und 202. Dabei ist erfindungsgemäß das zweite Kupplungselement 200 mit Bezug auf das erste Kupplungselement 100 um 180° um eine durch den Lichtwellenleiter definierte Längsachse gedreht.
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In der hier gezeigten Anordnung sind die Stirnflächen 116, 216 des ersten und zweiten Lichtwellenleiters 104, 204 in axialer Richtung mit Hilfe der jeweiligen Referenzflächen mit ausreichender Genauigkeit justiert. Das Justieren in radialer Richtung erfolgt erfindungsgemäß durch das Zusammenwirken der Führungsnuten der beiden Kupplungselemente 100, 200. Dabei kommt im zusammengefügten Zustand jeweils der erste Bereich 122 der Führungsnut des ersten Kupplungselements unter den zweiten Bereich 224 des um 180° gedrehten zweiten Kupplungselements 200 zu liegen. Dazwischen ist die Kern-Mantel-Struktur 104 des ersten Lichtwellenleiters 102 angeordnet und durch das Zusammenwirken dieser beiden Innenprismen in einer definierten radialen Lage gehalten. Umgekehrt wird die Kern-Mantel-Struktur 204 des zweiten Lichtwellenleiters 202 von dem ersten Bereich 222 der Führungsnut des zweiten Kupplungselements und dem zweiten Bereich 124 der Führungsnut des ersten Kupplungselements 100 umschlossen und ebenfalls auf die identische radiale Position wie die erste Kern-Mantel-Struktur 104 gezwungen. Dadurch sind die beiden Stirnflächen 116, 216 der beiden Lichtwellenleiter 102, 202 in radialer Richtung optimal zueinander positioniert.
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Eventuelle Toleranzunterschiede können dadurch ausgeglichen werden, dass für die Kupplungselemente
100,
200 ein nachgiebiges Material wie z. B. Polyamid gewählt wird, das durch Zusammenpressen etwas nachgibt und dadurch den Toleranzausgleich, wie in dem
Artikel William L. Schumacher: "Fiber Optic Connector Design to Eliminate Tolerance Effects", presented at the 10th Annual Connector Symposium, Cherry Hill, New Jersey, 1977, beschrieben, ermöglicht.
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Der Steckverbinder 300 umfasst erfindungsgemäß eine Abdeckhülse 302, in welcher die beiden Kupplungselemente 100, 200 aufgenommen sind. Zur endgültigen mechanischen Fixierung der zusammengefügten Kupplungselemente 100, 200 ist außerdem ein Haltebügel 304 vorgesehen, der zum einen in dem unmittelbaren Verbindungsbereich 118 radialen Anpressdruck ausübt und zum anderen in den peripheren Bereichen 126, 226 Druck in einer Richtung entlang der Lichtleitfaser auf den Verbindungsbereich 118 zu ausübt. Eine Rastschulter 128 an dem Kupplungselement 100 wirkt mit einem Rastarm 306 an Abdeckhülse 302 zusammen, um die beiden Kupplungselemente vorläufig auch ohne den angebrachten Haltebügel 304 in der eingeschobenen Position zu sichern.
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Verschiedene Ansichten, aus denen die Funktionsweise des Haltebügels 304 hervorgeht, sind in den 6 bis 8 gezeigt. Insbesondere ist aus diesen Darstellungen ersichtlich, dass der Haltebügel 304 zum einen mittig angeordnete Federarme 308 zum Ausüben radial auf die Lichtleitfasern zu gerichteten Drucks besitzt und zum anderem zweite Federarme 310, die im Wesentlichen parallel zu den Lichtleitfasern gerichteten Druck auf die peripheren Bereiche 226 und 126 der Kupplungselemente 100 und 200 ausüben. Durch Entfernen des Haltebügels 304 und Betätigung des Rastarms 306 ist die geschlossene Verbindung jederzeit zerstörungsfrei lösbar. Im Normalbetrieb ist aber ein unbeabsichtigtes Lösen nicht möglich.
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Mit Bezug auf die 9 bis 15 soll nunmehr das Verbinden zweier Lichtleitfasern mit Hilfe des in 4 bis 8 gezeigten Steckverbinders 300 näher erläutert werden. Die Abdeckhülse ist hier nur ganz schematisch dargestellt. Wichtig für die Montage ist aber eine Führungsschräge 312, deren Funktion insbesondere mit Bezug auf 12 deutlich wird.
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Wie in 10 gezeigt, wird zunächst das erste Kupplungselement 100 in der Abdeckhülse 302 montiert, so dass die Rastverbindung 128, 306 geschlossen ist. Im nächsten Schritt wird das in Bezug auf das Kupplungselement 100 um 180° gedrehte Kupplungselement 200 in die Abdeckhülse 302 eingeführt. Eine an der Stirnseite des Verbindungsbereichs angeordnete erste Einführschräge sowie eine zweite Einführschräge 230 erleichtern das Einschieben des Kupplungselements.
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Wie in 12 gezeigt, ist an der Innenseite der Abdeckhülse 302 eine Führungsschräge 312 angeordnet, die im Zusammenwirken mit der Einführschräge 230 das zweite Kupplungselement 200 beim weiteren Einschieben in die Abdeckhülse 302 so führt, dass die Stirnfläche 216 des Lichtwellenleiters keinesfalls mit dem ersten Kupplungselement 100 in Berührung kommt. Diese Aufwärtsbewegung ist insbesondere in 13 nochmals verdeutlicht. Gleichzeitig wird, wie in 12 symbolisiert, der Rastarm 306 betätigt.
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Wie in 14 gezeigt, verrastet das zweite Kupplungselement 200 mit dem Rastarm 306 der Abdeckhülse 302, wenn die endgültige axiale Position der beiden Lichtwellenleiter zueinander im Wesentlichen erreicht ist. Diese Primärverriegelung verhindert, dass sich die beiden Kupplungselemente 100, 200 nochmals zu weit voneinander entfernen können.
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Anschließend wird der Haltebügel 304 montiert und übt, wie in 15 symbolisiert, im Verbindungsbereich 118 radial nach innen gerichteten Druck unmittelbar auf die Führungsnuten der jeweiligen Kupplungselemente aus und in dem äußeren Peripheriebereich longitudinale Andruckkraft im Wesentlichen parallel zu den jeweiligen Lichtwellenleitern. Diese Art der Verbindung ermöglicht eine exakte Ausrichtung der optischen Achsen zweier Lichtwellenleiter zueinander. Eine solche Ausrichtung ist wesentlich für die einwandfreie Funktion einer faseroptischen Verbindung. Bei solchen mechanischen Verbindungen können Abweichungen, die meist durch Toleranzen verursacht sind und sowohl in radialer wie auch in axialer Richtung auftreten, Dämpfung verursachen, welche die Eigenschaften der Verbindung signifikant verschlechtern. Während gängige 980 μm POF (plastic optical fibre) Verbindungen mit üblichen Werkzeugen und einfachen Designs zufriedenstellend hergestellt werden können, ist im Zusammenhang mit kleineren Faserdurchmessern (beispielsweise 200 μm PCS-Fasern) für dieselbe Verbindungsgüte eine wesentlich geringere Toleranz und üblicherweise ein wesentlich komplexeres Design erforderlich. Zylindrische Führungen, wie sie eigentlich für Verbindungen im Kraftfahrzeug und insbesondere im Zusammenhang mit Kabelbäumen gewünscht sind, ließen sich mit bekannten Anordnungen nicht realisieren.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wirken zwei V-förmige Führungsnuten zusammen, um eine radiale Ausrichtung der beiden zu verbindenden Fasern mittels eines rhombischen Zentrierquerschnitts durchzuführen, und sind Teil jeweils einer Ferrule. Da nur eine ganz geringe Anzahl von Einzelteilen assembliert werden müssen, sind die Toleranzen gering und da die Ferrulen die einzigen Elemente sind, welche zum Ausrichten der Fasern verwendet werden, kann eine Kette von Einzelteilen, welche Toleranzen akkumulieren, vermieden werden. Zusätzlich zu den beiden einstückig hergestellten Ferrulen muss nur noch eine Abdeckhülse für die Vorausrichtung sowie eine Feder vorgesehen werden, die die für die Ausrichtung der Fasern notwendigen Kräfte bereitstellen und gegebenenfalls einen Luftspalt in axialer Richtung schließt.
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Die 16 bis 19 zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das vorkonfektionierte Kupplungselement 100 des ersten Lichtwellenleiters 102 kann nämlich nicht nur für die Verbindung mit einem gleichartigen zweiten Kupplungselement 200 verwendet werden, sondern kann auch elektrooptische Bauteile wie LEDs, VCSELs (vertical cavity surface emitting lasers) und Laserdioden oder Fotodioden und Fototransistoren kontaktieren. Dabei besitzt beispielsweise ein faseroptischer Transmitter (FOT) 400 ein Gehäuse 402. An dem Gehäuse 402 des FOT 400 ist eine Führungsnut 420 vorgesehen, die in der Lage ist, mit der Führungsnut 120 des Kupplungselements 100 zusammenzuwirken. Ein optischer Referenzpunkt 414 stellt das Analogon zu der Referenzfläche 114 dar. Ein Chip 404 erzeugt das Licht 406, das in die Lichtleitfaser 104 eingekoppelt wird. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung lassen sich natürlich auch auf Anordnungen mit mehreren Nuten im FOT Gehäuse, zum Kontaktieren von mehreren Leitungen oder mit kombinierten Gehäusen für Transmitter und Receiver anwenden.
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Wie in 18 symbolisch dargestellt, muss auch bei dieser Ausführungsform sichergestellt werden, dass Federkräfte 408 aufgewendet werden, um das Kupplungselement 100 an dem Gehäuse 402 zu fixieren.
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Die erfindungsgemäße Konfektionierung von Lichtwellenleitern erlaubt daher eine universell einsetzbare Steckverbindung sowohl zwischen gleichartigen Lichtleitfasern wie auch zwischen elektrooptischen Bauelementen und Lichtleitfasern, wie beispielsweise Pigtails. Die erfindungsgemäßen Prinzipien können, auch wenn dies im Detail nicht dargestellt ist, selbstverständlich auch für Steckverbinder angewendet werden, in denen mehr als nur eine Lichtleitfaser angeordnet ist. Natürlich können auch Hybrid-Steckverbinder, die zusätzlich zu der optischen Verbindung auch eine elektrische Verbindung herstellen, gemäß den oben beschriebenen Prinzipien realisiert werden. BEZUGSZEICHENLISTE
| Bezugszeichen | Beschreibung |
| 100, 200 | Kupplungselement |
| 102, 202 | Lichtwellenleiter |
| 104, 204 | Kern-Mantel-Struktur (core-cladding) |
| 106, 206 | Innere Schutzhülle (inner jacket) |
| 108, 208 | Äußere Schutzhülle (outer jacket) |
| 110 | Trichterförmige Einführschräge |
| 112 | Schweißverbindung |
| 114 | Referenzfläche |
| 116, 216 | Stirnfläche des Lichtwellenleiters |
| 118 | Verbindungsbereich |
| 120 | Führungsnut |
| 122, 222 | Erster Bereich der Führungsnut |
| 124, 224 | Zweiter Bereich der Führungsnut |
| 126, 226 | Peripherer Bereich des Kupplungselements |
| 128 | Rastvorrichtung |
| 230 | Einführschräge |
| 300 | Steckverbinder |
| 302 | Abdeckhülse |
| 304 | Haltebügel |
| 306 | Rastarm |
| 308 | Erste Federarme |
| 310 | Zweite Federarme |
| 312 | Führungsschräge |
| 400 | Faseroptischer Transmitter (FOT) |
| 402 | Gehäuse |
| 404 | Chip |
| 406 | Lichtstrahl |
| 408 | Federkräfte |
| 414 | Optischer Referenzpunkt |
| 420 | Führungsnut am FOT-Gehäuse |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1180248 B1 [0005, 0024, 0046]
- US 4186997 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Fachartikel William L. Schumacher: ”Fiber Optic Connector Design to Eliminate Tolerance Effects”, presented at the 10th Annual Connector Symposium, Cherry Hill, New Jersey, 1977 [0006]
- Artikel William L. Schumacher: ”Fiber Optic Connector Design to Eliminate Tolerance Effects”, presented at the 10th Annual Connector Symposium, Cherry Hill, New Jersey, 1977 [0011]
- Artikel „Fiber Optic Connector Design to Eliminate Tolerance Effects”, presented at the 10th Annual Connector Symposium, Cherry Hill, New Jersey, 1977 [0024]
- Artikel William L. Schumacher: ”Fiber Optic Connector Design to Eliminate Tolerance Effects”, presented at the 10th Annual Connector Symposium, Cherry Hill, New Jersey, 1977 [0051]