Tutorial: Passive Faseroptik

Dies ist Teil 5 eines Tutorials über passive Faseroptik von Dr. Paschotta.

Teil 5: Faserendflächen

Saubere Faserenden herstellen: Abisolieren, Brechen, Polieren

In den meisten Fällen, in denen eine Faser eingesetzt wird, ist es wichtig, saubere Endflächen herzustellen. Ein erster Schritt besteht gewöhnlich darin, die Polymerbeschichtung auf den letzten Zentimetern mit einem Abisolierwerkzeug zu entfernen. In problematischen Fällen muss man unter Umständen ein Lösungsmittel verwenden (chemisches Abisolieren). Die Oberfläche der Glasfaser ist dann meist recht sauber, aber das Faserende hat, wenn es einfach abgebrochen wurde, immer noch eine unregelmäßige Form. Wir brauchen also eine Methode, um eine schöne Oberfläche zu erhalten – normalerweise eine ebene Fläche, die senkrecht zur Faserachse steht, manchmal auch mit einem anderen Winkel.

Die gebräuchlichste Methode zur Herstellung sauberer Enden ist das Brechen (“Cleaven”). Im Wesentlichen bedeutet dies ein kontrolliertes Brechen des Glases der blanken Faser. Man beginnt damit, einen winzigen Kratzer an der Seite der Faser anzubringen, z. B. mit einer scharfen Diamant-, Karbid- oder Keramikklinge, bevor oder während eine definierte Zugspannung oder Biegung auf die Faser ausgeübt wird. Dadurch bricht die Faser, ausgehend von der genannten Bruchstelle. Oft ist die entstehende Oberfläche recht glatt.

Das Brechen wird oft mit einer einfachen Diamantklinge ausgeführt. Man ritzt die Faser leicht an und bricht sie dann, z. B. indem man ein Ende mit dem Finger antippt. Dieses Vorgehen erfordert etwas Übung, und die Ergebnisse sind einigermaßen unterschiedlich. Für gleichmäßigere Ergebnisse muss man unter besser kontrollierten Bedingungen brechen und dazu ein Präzisionsgerät verwenden, einen Cleaver (Faserbrecher). Manche dieser Geräte lassen sich auch für Schrägbrüche (siehe Abbildung 2) verwenden, mit einem relativ gut kontrollierten Winkel zwischen der Bruchfläche und der Faserachse.

Das Brechen wird in nicht standardmäßigen Situationen schwieriger, etwa bei großen Faserdurchmessern oder nicht standardmäßigen Glaszusammensetzungen. Beim Brechen von Fluoridfasern muss man beispielsweise zumindest angepasste Parameter für einen Präzisions-Cleaver verwenden.

Weitere Einzelheiten finden Sie in unserem Enzyklopädieartikel über das Brechen von Fasern. Auch Teil 13 über Faserzubehör und Werkzeuge enthält einige weitere Einzelheiten zu Werkzeugen für das Brechen.

Ein erneutes Brechen einer Faser kann das Reinigen ersetzen, denn Faserenden lassen sich nur schwer zuverlässig reinigen.

Für Faseroberflächen sehr hoher Qualität, bei der Verwendung von Fasern mit großem Durchmesser oder beim Anbringen eines Steckverbinders kann es nötig sein, nach dem Brechen noch ein Polierverfahren anzuwenden. Typischerweise führt man das Faserende in eine Ferrule (ein hohles Rohr aus Keramik, Glas oder Metall) ein und fixiert es dort mit einem Klebstoff. Die Faser wird dann zusammen mit der Ferrule mit einer speziellen Poliermaschine abpoliert. Dieses Verfahren erlaubt es, eine Oberfläche hoher Qualität mit beliebiger, wohldefinierter Orientierung der Faserfläche herzustellen. Es dauert allerdings wesentlich länger als einfaches Brechen, und natürlich ist es wesentlich, alle Details einer Poliermaschine (z. B. Anpresskraft, Geschwindigkeit und Dauer) sowie das Poliermittel gut an das Material und die Größe von Ferrule und Faser anzupassen. Handpolieren ist ebenfalls möglich, führt aber meist zu schlechteren Ergebnissen. Einzelheiten finden Sie im Artikel über das Polieren von Fasern.

Polierte Faserenden können im Gegensatz zu gebrochenen Enden eine konvexe Krümmung aufweisen, die von der Verwendung einer flexiblen Polierunterlage herrührt. Eine solche “gewölbte Fläche” erleichtert einen guten physischen Kontakt, z. B. zwischen zwei einmodigen Fasern in einem Steckverbindersatz.

In jedem Fall kann es wichtig sein, die erreichte Qualität der Faserendflächen sorgfältig zu prüfen. Dafür gibt es verschiedene Arten der Inspektion von Faserendflächen, von einfachen Fasermikroskopen bis hin zu aufwendigen interferometrischen Analysatoren.

Bedeutung der Bruchwinkel

In manchen Fällen ist es wichtig, eine gebrochene Faserfläche genau senkrecht zur Faserachse zu haben. Das ist zum Beispiel oft der Fall, wenn eine Faser in einen Steckverbinder eingesetzt wird (siehe Teil 6), obwohl manche Steckverbinder Schrägbrüche erfordern. Auch mechanische Spleiße funktionieren mit nicht senkrechten Enden nicht gut (siehe Abbildung 1).

Beachten Sie, dass ein nicht senkrechter Bruch wegen der Brechung am Faserende eine Abweichung der Richtung des austretenden Strahls von der Faserachse bewirkt (siehe Abbildung 2). Außerdem benötigt man dann für eine effiziente Einkopplung einen entsprechend geneigten Eingangsstrahl. Das macht die Verwendung von Schrägbrüchen etwas unbequem.

Auch die Richtung des reflektierten Lichts ist eingezeichnet; es gelangt nicht in den Faserkern zurück.

Der Bruchwinkel hat auch einen wichtigen Einfluss auf das rückreflektierte Licht. Ist er klein, so läuft das an der Austrittsfläche reflektierte Licht (Fresnel-Reflexion aufgrund des Indexunterschieds zur Luft) im Wesentlichen im Faserkern zurück. Bei ausreichend großen Bruchwinkeln gelangt das Licht dagegen vollständig in den Mantel und geht dort verloren. Das bedeutet, dass trotz einer erheblichen Reflexion eine sehr große Rückflussdämpfung vorliegt (z. B. 60 dB), während ein senkrechter Bruch nur eine Rückflussdämpfung von 14 dB ergäbe.

Wie groß der Bruchwinkel für eine hohe Unterdrückung der Rückkopplung sein muss, hängt von den Details der Faser ab. Bei einer üblichen einmodigen Faser hat die Mode zum Beispiel eine Strahldivergenz von einigen Grad. Man benötigt dann unter Umständen einen Bruchwinkel von immerhin 8°. Bei einer Faser mit hoher numerischer Apertur kann es sogar noch mehr sein. Bei Fasern mit großer Modenfläche genügen dagegen recht kleine Bruchwinkel, um die Rückkopplung zu unterdrücken.

In manchen Fällen nutzt man die Fresnel-Reflexion an einem Faserende aus, z. B. als effektiven Auskoppler eines Faserlasers oder in der optischen Zeitbereichsreflektometrie (OTDR).

Andere Endformen

In den meisten Fällen sind Faserenden einfach eben – entweder senkrecht geschnitten oder, wie oben besprochen, unter einem Winkel zur Faserachse. In manchen Fällen verwendet man jedoch andere geometrische Formen von Faserenden:

• Linsenförmige Faserenden besitzen eine starke Krümmung, die zur Kollimation oder zumindest zu einer Verringerung der Strahldivergenz des aus der Faser austretenden Strahls führt. Wegen der typischerweise recht kleinen Kerngrößen sind recht kleine Krümmungsradien nötig, um einen wesentlichen Linseneffekt zu erzielen. Eine besondere Ausführung ist die Faserkugellinse, bei der eine winzige Glaskugel an ein Faserende angeschmolzen wird. Dafür lassen sich spezielle Spleißgeräte verwenden. Die natürliche Oberflächenspannung des Glases erleichtert die Herstellung hochwertiger Faserkugellinsen.
• Die oben erwähnte Glaskugel kann auch weiterverarbeitet werden; sie kann zum Beispiel mit einer reflektierenden ebenen Fläche versehen werden, die den austretenden Strahl zur Seite reflektiert. Das ist beispielsweise für manche medizinischen Anwendungen nützlich, bei denen eine Faser in ein Endoskop eingebettet ist.
• Es gibt Faser-Axiconlinsen, bei denen der Faserdurchmesser nahe dem Faserende rasch auf einen sehr kleinen Wert verringert wird. Das lässt sich entweder erreichen, indem man das Ende in eine bleistiftartige Form poliert, oder mithilfe eines Verjüngungsverfahrens. Nur im letzteren Fall wird auch die Kerngröße zum Ende hin verringert; dieser Aspekt ist allerdings für die Funktion des Bauelements möglicherweise nicht wichtig. Licht, das aus der Faser austritt und ein solches Axicon-Ende durchläuft, wird auf einen sehr kleinen Durchmesser fokussiert, so dass es zum Beispiel in einen sehr kleinen Wellenleiter einer photonisch integrierten Schaltung eingekoppelt werden kann. Umgekehrt kann Licht aus einem solchen Wellenleiter effizient in eine einmodige Faser übertragen werden.
• Ein Faserende kann verjüngt werden (→ verjüngte Fasern) und dann im Bereich mit verringertem Faserdurchmesser gebrochen werden. Ein solches Stück lässt sich als Modenfeldkonverter verwenden, wenn die verringerte Modengröße am kleineren Ende zu der einer anderen Faserart passt.
• Eine kernlose Endkappe ist ein homogenes Glasteil, das an das Ende einer Faser gespleißt wird. (Bei einer photonischen Kristallfaser kann man einfach die Löcher im Endbereich mit einem Spleißgerät kollabieren lassen.) Licht, das aus dem Faserkern kommt, weitet sich innerhalb der kernlosen Endkappe auf, so dass sein Strahlradius deutlich vergrößert (und seine Intensität entsprechend verringert) ist, wenn es die Grenzfläche Glas/Luft erreicht. Solche Bauelemente erlauben es, Licht bei sehr hohen Leistungspegeln aus einer Faser in die Luft oder umgekehrt zu übertragen.

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