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Toleranzanalyse einer Faserkopplung

Ein kollimierter Lichtstrahl verlässt ein Gerät, eine kleine Linse bündelt ihn, eine Glasfaser nimmt ihn auf.

01Ausgangslage

Ein kollimierter Lichtstrahl verlässt ein Gerät, eine kleine Linse bündelt ihn, eine Glasfaser nimmt ihn auf. Klingt harmlos. Der Faserkern ist aber nur 100 µm dick, und die spannende Frage ist nicht, ob das funktioniert, sondern wie schief die ganze Anordnung stehen darf, bevor kein Licht mehr ankommt. Und zwar in sechs Richtungen gleichzeitig: seitlich, axial und verkippt, jeweils für Strahl, Linse und Faser. Ohne diese Antwort lässt sich keine Mechanik konstruieren – fünf Mikrometer und vierzig Mikrometer sind schlicht nicht dasselbe Bauteil.

02Vorgehen

Wir haben eine optische Toleranzanalyse rechnen lassen, und zwar als nichtsequentielle Strahlverfolgung mit einer Quelle von 440 bis 640 nm und einer 100-µm-Blende als Stellvertreter für den Faserkern. Als Kennzahl zählt nur eines: welcher Anteil der Lichtleistung tatsächlich in der Faser landet. Zuerst wurden 18 Kataloglinsen von zwölf Herstellern im Bereich 3 bis 5 mm Brennweite durchgerechnet, danach wurde die beste Kandidatin systematisch verschoben, verkippt und defokussiert. Der Bericht kam in zwei Fassungen, acht Tage auseinander – die zweite ergänzte genau ein Kapitel: dieselbe Analyse noch einmal mit einem farbkorrigierten Linsenpaar.

03Ergebnis

Genau dieses Zusatzkapitel hat den Unterschied gemacht. Bei der Einzellinse fällt die Effizienz ab dem ersten Mikrometer – eine schiefe Ebene, auf der jede Toleranzangabe Verhandlungssache ist. Beim Achromaten passiert bis 40 µm seitlich gar nichts, dann bricht es innerhalb von zehn Mikrometern ein. Aus einer Diskussion wird eine prüfbare Vorgabe. Genauso wichtig ist die Rangliste der sechs Freiheitsgrade, die überhaupt nicht der Intuition folgt: Die Faser darf um 5° verkippt stehen, das kostet nichts. Axial sind ±100 µm gratis. Der Strahl darf sich seitlich um Zehntelmillimeter verschieben. Aber verkippen darf er sich nur um 0,5° – bei 0,7° sind noch 11 % übrig, ab 0,8° nichts mehr. Das teuerste Budget im ganzen System liegt damit ausgerechnet dort, wo die Steckverbindung gar nichts ausrichten kann: beim Kollimator davor.

Was steckt drin

Eine durchgerechnete Linsenrecherche über 18 Kandidaten mit Spotgrössen von 1 µm bis 700 µm, eine vollständige Toleranzanalyse in sechs Richtungen für zwei Optikvarianten, dazu die Strahlverfolgungsmodelle. Und eine ehrliche Angabe dessen, was die Studie bewusst nicht enthält: Preisabklärungen zu den Linsen wurden ausdrücklich ausgeklammert, statt sie nebenbei schlecht zu beantworten.

Und wie ging es weiter

Die Zahlen aus dieser Analyse wurden zur Vorgabe für alles Folgende – für die Suche nach einer bezahlbaren Einweg-Ferrule ebenso wie für die Frage, welches Bauteil die verbleibenden Mikrometer am Ende aufnimmt. Und der Bericht macht eine Einschränkung selbst sichtbar, statt sie zu verstecken: Die beiden Optikvarianten wurden mit leicht unterschiedlichen Strahldurchmessern gerechnet, und ein kleinerer Strahl ergibt nun einmal auch einen kleineren Spot. An der Richtung des Ergebnisses ändert das nichts, an der Genauigkeit der Plateaubreiten schon.

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