DE102011080328B4

DE102011080328B4 - Wellenleiter und Verbindungselement

Info

Publication number: DE102011080328B4
Application number: DE102011080328.9A
Authority: DE
Inventors: Carl-Michael Weinert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2031-08-04
Also published as: US20130108218A1; DE102011080328A1; EP2555029A2; EP2555029A3; US8837887B2

Abstract

Wellenleiter (1) mit einem ersten Längsabschnitt (11), welcher zumindest einen Kern (21) mit einem ersten Brechungsindex (n) und einen diesen umgebenden Mantel (22) mit einem zweiten Brechungsindex (n) aufweist, wobei zumindest ein optisches Signal (S) im Kern (21) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dassder Wellenleiter (1) weiterhin einen dritten Längsabschnitt (13) mit dem Mantel (22) und einer diesen ungebenden Beschichtung (23) mit einem dritten Brechungsindex (n) aufweist, wobei im dritten Längsabschnitt (13) das optische Signal (S) im Mantel (22) führbar ist, undder Wellenleiter (1) einen zweiten Längsabschnitt (12) aufweist, welcher den ersten Längsabschnitt (11) und den dritten Längsabschnitt (13) verbindet und in welchem der Durchmesser des Kernes (21) im Verlauf des zweiten Längsabschnittes (12) abnimmt, wobeidie Parameterim ersten und zweiten Längsabschnitt (11, 12) und der Parameterim dritten Längsabschnitt (13) um weniger als 5% oder weniger als 2% oder weniger als 0,5% voneinander abweichen, wobei nden ersten Brechungsindex, nden zweiten Brechungsindex, nden dritten Brechungsindex, dden Durchmesser des Kernes (21), dden Durchmesser des Mantels (22) und λ die Wellenlänge des in dem Wellenleiter (1) führbaren optischen Signals (S) bezeichnen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiter mit einem ersten Längsabschnitt, welcher zumindest einen Kern mit einem ersten Brechungsindex und einen diesen umgebenden Mantel mit einem zweiten Brechungsindex aufweist, wobei zumindest ein optisches Signal im Kern führbar ist. Wellenleiter der eingangs genannten Art werden beispielsweise in der Kommunikationstechnik zur optischen Signalübertragung verwendet.
Aus der EP 0 299 603 B1 ist ein Modenfeldmodifizierer zur Verwendung mit einer optischen Faser bekannt. Der Modenfeldmodifizierer umfasst einen Modifikatorkern mit einem Brechungsindex n1. Den Modifikatorkern umgibt eine erste Mantelschicht mit einem Brechungsindex n2, der kleiner als n1 ist. Auf der Oberfläche der ersten Mantelschicht befindet sich eine zweite Mantelschicht mit einem Brechungsindex n3, der kleiner als n2 ist. Der Modifikator ist zwischen seinen Enden verjüngt, wodurch er ein Ende mit großem Durchmesser und ein Ende mit kleinem Durchmesser hat. Die Durchmesser von zumindest dem Kern und der ersten Mantelschicht am Ende mit großem Durchmesser sind größer als die entsprechenden Durchmesser am Ende mit kleinem Durchmesser. Das Modenfeld eines Signals, das von der Faser an den Modenfeldmodifizierer gekoppelt wird, dehnt sich aus, wenn es sich durch den verjüngten Abschnitt des Modenfeldmodifizierer zum Ende mit kleinem Durchmesser ausbreitet.
Die US 2004/0202429 A1 beschreibt eine planare optische Komponente, welche einen optischen Pfad für die Lichtausbreitung zwischen einem ersten Wellenleiter und einer optischen Faser definiert. Die optische Komponente umfasst eine Wellenleiterstruktur, die einen Übergangsbereich zwischen dem ersten Wellenleiter und der optischen Faser definiert, wobei der Übergangsbereich durch eine erste und eine zweite Mantelschicht und ein erstes und ein zweites Kernsegment gebildet wird.
US 2010/0266288 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung, die ein optischer Leistungstransformator ist, der Licht in einer Modentransformationsrichtung akzeptiert, wobei der Transformator an einem Halbleitermikrochip angebracht oder in diesen eingebettet ist.
Die DE 197 02 969 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung optischer Bauelemente, bei dem in einem lichtempfindlichen Substrat mindestens eine dreidimensionale Lichtleiterstruktur erzeugt wird, wobei Bereiche des Substrats freigelegt werden, so dass sich ein Unterschied im Brechungsindex zwischen dem Substrat ergibt und mindestens einen Bereich, der die Lichtleiterstruktur bildet.
Aus der US 6,229,947 B1 ist ein monolithisch verjüngter Rippenwellenleiter zur Umwandlung der Lichtfleckgröße zwischen einer optischen Halbleitervorrichtung und einer optischen Faser bekannt. Der sich verjüngende Rippenwellenleiter ist auf einer Mesastruktur eines Halbleiterbauelementes integriert. Der verjüngte Rippenwellenleiter überführt das geleitete Licht nach unten in die Mesastruktur.
Aus der US 5,333,218 A ist ein Wellenleiter mit einem Kern, einem Mantel und einer Beschichtung bekannt. In den Kern dieses bekannten Wellenleiters kann Laserlicht einer vorgebbaren Wellenlänge eingekoppelt werden, welches durch Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel innerhalb des Kerns geführt wird. Die äußere Beschichtung dient zum Schutz des Mantels vor mechanischer Beschädigung und Verschmutzung. Weiterhin ist dieser bekannte Wellenleiter an einem Ende kegelförmig verjüngt, so dass die als Lichtaustrittsfläche dienende Stirnseite des Wellenleiters kleiner und die Winkeldivergenz des austretenden Lichtstrahles größer wird. Auf diese Weise kann die Überkopplung optischer Leistung zwischen verschiedenen Wellenleitern oder die Einkopplung eines einfallenden Freistrahls in den Wellenleiter verbessert werden.
Diese bekannte Lösung weist den Nachteil auf, dass bei Modulationsformaten, welche die modale Dispersion des Wellenleiters ausnutzen, die Zuordnung der Information zu den verschiedenen im Wellenleiter geführten Moden an den Anschlussstellen verloren gehen kann. Weiterhin können einzelne Moden außerhalb der Akzeptanz des Wellenleiters liegen, so dass diese bei der Einkopplung verloren gehen und dauerhaft aus dem optischen Signal entfernt sind. Dies führt bei optischer Datenübertragung zu unerwünschtem Datenverlust.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Überkopplung optischer Leistung zwischen dielektrischen Wellenleitern zu verbessern. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wellenleiter gemäß Anspruch 1, einen Wellenleiter gemäß Anspruch 3 und ein Verbindungselement gemäß Anspruch 9 gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das optische Signal, welches über die größte Länge des Wellenleiters an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel totalreflektiert und dadurch im Kern geführt wird, zumindest in einem Endabschnitt bzw. im Bereich einer Koppelstelle im Mantel zu führen, so dass dieses an der Grenzfläche zwischen Mantel und Beschichtung geführt wird. Hierdurch wird der effektive Durchmesser der Faser vergrößert und gemäß dem Liouville-Theorem die Winkeldivergenz verkleinert, so dass das vom optischen Signal besetzte Phasenraumvolumen verlustfrei und/oder mit geringeren Verzerrungen in eine angrenzende optische Faser eingekoppelt werden kann.
Der erfindungsgemäße Wellenleiter ist somit in drei Längsabschnitte unterteilt. Im ersten Längsabschnitt im Sinne der vorliegenden Beschreibung weist der Lichtwellenleiter einen an sich bekannten Aufbau mit einem Kern und einem Mantel auf. Der Kern kann einen Durchmesser von etwa 10 µm bis etwa 80 µm aufweisen. Der umgebende Mantel kann einen Durchmesser von etwa 50 µm bis etwa 250 µm haben. Der Mantel kann von einer optionalen Beschichtung umgeben sein, welche eine mechanische Beschädigung und/oder die Verschmutzung der Außenseite des Mantels verhindert. Sofern die Beschichtung opak ist, kann diese auch das Eindringen von Streulicht verhindern. Der Kern, der Mantel und die Beschichtung können aus einem Polymer bzw. aus unterschiedlichen Polymeren gefertigt sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können der Kern und/oder der Mantel aus einem Glas oder einer Keramik gefertigt sein. Kern, Mantel und/oder Beschichtung können in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Dotierstoff enthalten, um die elektrische Leitfähigkeit und/oder den Brechungsindex auf vorgebbare Werte einzustellen.
Im Bereich des Endes des Lichtwellenleiters schließt sich an den ersten Längsabschnitt ein zweiter Längsabschnitt an, in welchem das Signal vom Kern in den Mantel überleitbar ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann diese Überleitung für unterschiedliche im Kern geführte Moden an unterschiedlichen Stellen entlang der Längserstreckung des zweiten Längsabschnittes erfolgen. Am Ende des zweiten Längsabschnittes wird die gesamte, noch in den Wellenleiter eingekoppelte optische Leistung im Mantel geführt, d.h. die Totalreflexion des Signals erfolgt an der Grenzfläche zwischen Mantel und Beschichtung.
An den zweiten Längsabschnitt schließt sich ein dritter Längsabschnitt an, welcher bis zum Ende des Wellenleiters reicht. In diesem dritten Längsabschnitt wird die gesamte, noch in den Wellenleiter eingekoppelte optische Leistung im Mantel geführt, d.h. die Totalreflexion des Signals erfolgt an der Grenzfläche zwischen Mantel und Beschichtung. Am Ende des dritten Längsabschnittes kann das optische Signal bzw. die im Wellenleiter geführte optische Leistung über die Stirnseite des Wellenleiters austreten.
Sofern ein optisches Signal in den vorgeschlagenen Wellenleiter eingekoppelt werden soll, kehrt sich der beschriebene Strahlengang um, d.h. das optische Signal wird zunächst im Freistrahl oder einem Zufuhrwellenleiter zur Stirnseite geführt, dann im dritten Längsabschnitt im Mantel geführt und im Verlauf des zweiten Längsabschnittes des Wellenleiters allmählich in den Kern eingekoppelt, bis das Signal im ersten Längsabschnitt ausschließlich im Kern geführt wird.
Es versteht sich von selbst, dass der erste, zweite und dritte Längsabschnitt im Sinne der Beschreibung lediglich ein gedankliches Konzept darstellt, ohne dass der Wellenleiter eine quer zu seiner Längserstreckung verlaufende Unterbrechung oder eine Fügestelle zwischen den Längsabschnitten aufweisen muss.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Durchmesser des Kernes im Verlauf des zweiten Längsabschnittes abnehmen. Da die Anzahl der Moden, welche in einem Wellenleiter geführt werden kann, mit dem Durchmesser des Kernes abnimmt, kann der Kern mit abnehmendem Durchmesser im Verlauf des zweiten Längsabschnittes eine kontinuierlich sinkende Anzahl von Moden aufnehmen. Die jeweils nicht mehr im Kern führbaren Moden werden aus dem Kern aus- und in den umgebenden Mantel eingekoppelt. Sofern der Durchmesser des Kernes am Ende des zweiten Längsabschnittes bis auf null abgenommen hat, der Wellenleiter an dieser Stelle somit keinen Kern mehr enthält, ist die gesamte optische Leistung am Ende des zweiten Längsabschnittes in den Mantel eingekoppelt. Einem vollständigen Auslaufen des Kernes gleichwirkend ist eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher der Kerndurchmesser so weit abnimmt, dass die im ersten Längsabschnitt geführten Moden nicht mehr im verringerten Kerndurchmesser geführt werden können und daher in den Mantel übertreten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung nimmt der Durchmesser des Kernes im Verlauf des zweiten Längsabschnittes in einem streng monoton fallenden Verlauf ab. Dies führt zu einer gleichmäßigen Auskopplung der ausbreitungsfähigen Moden aus dem Kern in den Mantel. Durch die Vermeidung von Diskontinuitäten im Verlauf des Durchmessers des Kernes und der Abnahme des Durchmessers werden Modenverzerrungen reduziert, welche die Reduktion der aufmodulierten Daten schwieriger gestalten oder unmöglich machen. Der streng monotone Verlauf kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung linear, quadratisch oder exponentiell mit der Längserstreckung erfolgen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung geht der Brechungsindex des Kernes im Verlauf des zweiten Längsabschnittes in den Brechungsindex des Mantels über. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ändert sich der Durchmesser des Kernes nicht, jedoch wird der Unterschied des Brechungsindex zwischen Kern und Mantel mit zunehmender Längserstreckung des zweiten Längsabschnittes zunehmend geringer, ähnlich wie dies für eine bekannte Gradientenfaser in radialer Richtung erfolgt. Durch den zunehmend geringeren Unterschied zwischen Kern und Mantel, welcher sich schließlich am Ende des zweiten Längsabschnittes vollständig auflösen kann, werden die im Kern ausbreitungsfähigen Moden entlang des zweiten Längsabschnittes in den Mantel überführt, bis diese schließlich vollständig entlang der Grenzfläche des Mantels und der Beschichtung geführt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung geht der Brechungsindex des Kernes in Abhängigkeit der Länge des zweiten Längsabschnittes in einen streng monoton fallenden Verlauf in den Brechungsindex des Mantels über. Dies führt zu einer kontinuierlichen Abnahme der im Kern geführten Moden, bis schließlich am Ende des zweiten Längsabschnittes keine Moden mehr im Kern des Wellenleiters geführt werden. Der streng monotone Verlauf kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung linear, quadratisch oder exponentiell mit der Längserstreckung erfolgen.
Erfindungsgemäß weicht der Parameter $V = \frac{π \cdot d_{K} \cdot \sqrt{n_{K}^{2} - n_{M}^{2}}}{λ}$
im ersten und zweiten Längsabschnitt und der Parameter $V = \frac{π \cdot d_{M} \cdot \sqrt{n_{M}^{2} - n_{B}^{2}}}{λ}$
im dritten Längsabschnitt um weniger als 5 %, weniger als 2 % oder weniger als 0,5 % voneinander ab. Die Parameter V berechnen sich aus dem ersten Brechungsindex n_K des Kernes, dem zweiten Brechungsindex n_M des Mantels, dem dritten Brechungsindex n_B der Beschichtung, dem Durchmesser d_K des Kernes, dem Durchmesser d_M des Mantels und der Wellenlänge Ades in dem Wellenleiter führbaren optischen Signals. Die Parameter V definieren die Zahl und Form der Moden, welche sich in einem Wellenleiter des jeweiligen Querschnittes ausbreiten können. Sofern die Parameter V im ersten und dritten Längsabschnitt und der sich entlang der Längserstreckung des zweiten Längsabschnittes verändernde Parameter V näherungsweise konstant sind, ändert sich die Form und Anzahl der ausbreitungsfähigen Moden im Verlauf des Wellenleiters nicht. Dadurch wird die Signalgüte bzw. die modale Dispersion des Wellenleiters nicht verändert, und das Signal kann unverändert aus dem Wellenleiter aus- oder in diesen eingekoppelt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der dritte Brechungsindex n_B kleiner sein als der zweite Brechungsindex n_M, welcher seinerseits kleiner ist als der erste Brechungsindex n_K. Dadurch kann an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel eine Totalreflexion des Signals auftreten, ebenso wie an der Grenzfläche zwischen Mantel und Beschichtung. An den Orten der Totalreflexion kann ein evaneszentes Feld geringfügig in angrenzende Materiallagen des Mantels bzw. der Beschichtung eintreten. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung soll dies dennoch als Totalreflexion angesehen werden, auch wenn die reflektierte Leistung nicht vollständig der eingestrahlten Leistung entspricht.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der dritte Brechungsindex n_B der Beschichtung aus dem ersten Brechungsindex n_K, dem zweiten Brechungsindex n_M, dem Durchmesser d_K des Kernes und dem Durchmesser d_M des Mantels wie folgt berechnet werden: $n_{B} = n_{M} - (n_{K} - n_{M}) \cdot {(\frac{d_{K}}{d_{M}})}^{2} .$
Der Brechungsindex des Mantels muss dabei zumindest im dritten Längsabschnitt die vorstehende Bedingung erfüllen. Im ersten Längsabschnitt kann der dritte Brechungsindex auch einen anderen Wert annehmen. Im zweiten Längsabschnitt kann der Brechungsindex aufgrund des sich ändernden Durchmessers d_K des Kernes und/oder des sich ändernden Brechungsindex n_K des Kernes einen mit der Längserstreckung des zweiten Längsabschnittes veränderlichen Verlauf aufweisen. Sofern der dritte Brechungsindex die angegebene Bedingung erfüllt, ergibt sich ein nahezu konstanter Parameter V entlang der Längserstreckung des Wellenleiters und damit die oben bereits genannten, günstigen Auswirkungen auf die Qualität des optischen Signals.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der zweite Längsabschnitt eine Länge von etwa 5 mm bis etwa 10 cm, insbesondere etwa 10 mm bis etwa 5 cm aufweisen. Eine solche Längserstreckung führt zu einem allmählichen Übergang der Moden vom Kern in den Mantel, so dass die Signalqualität möglichst wenig beeinflusst wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Durchmesser d_M des Mantels im ersten, zweiten und dritten Längsabschnitt um weniger als 1 %, weniger als 0.5 % oder weniger als 0.1 % voneinander abweichen. Anders als bei dem bekannten Wellenleiter, welcher sich zum Ende hin verjüngt, weist der nun vorgeschlagene Wellenleiter einen näherungsweise konstanten Außendurchmesser auf. Lediglich der Durchmesser und/oder der Brechungsindex des Kernes verändern sich im zweiten Längsabschnitt. Hierdurch wird die Verbindung zweier Wellenleiter vereinfacht und Koppelverluste werden reduziert. Dadurch kann der vorgeschlagene Wellenleiter vorteilhaft in einem Verbindungselement zur Verbindung zumindest zweier Wellenleiter eingesetzt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Stirnseite des Wellenleiters, in welchem sich der Durchmesser und/oder der Brechungsindex des Kernes im zweiten Längsabschnitt verändert, an die Stirnseite eines Wellenleiters mit einem ersten Längsabschnitt angrenzen, welcher zumindest einen Kern mit einem ersten Brechungsindex und einen diesen umgebenden Mantel mit einem zweiten Brechungsindex aufweist, wobei der Durchmesser des Mantels im dritten Längsabschnitt des Wellenleiters um weniger als 1 %, weniger als 0,5 % oder weniger als 0,1 % vom Durchmesser des Kernes im ersten Längsabschnitt des ersten Wellenleiters abweicht. Da der zweite Wellenleiter einen konstanten Durchmesser des Mantels und des Kernes aufweist und die Moden nur im Kern geführt werden, weist dieser Wellenleiter eine große Winkelakzeptanz auf. Sofern ein solcher an sich bekannter Wellenleiter mit dem erfindungsgemäßen Wellenleiter mit reduzierter Winkeldivergenz gekoppelt wird, kann die optische Leistung nahezu verlustfrei übertragen werden.
Ein solches Verbindungselement kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Gehäuse enthalten, mittels welchem die zwei Wellenleiter auf einer gemeinsamen optischen Achse positionierbar sind. Hierdurch können die Wellenleiter mechanisch sicher fixiert und in einfacher Weise miteinander verbunden und bei entsprechender Gehäuseausführung auch wieder getrennt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Hierbei zeigt:

1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Wellenleiters gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen Wellenleiter gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt den radialen Verlauf des Brechungsindex im ersten Längsabschnitt des Wellenleiters.
4 zeigt den Verlauf des Brechungsindex an einer Stelle des zweiten Längsabschnittes.
5 zeigt den radialen Verlauf des Brechungsindex im dritten Längsabschnitt.
6 zeigt den Verlauf des Brechungsindex entlang der optischen Achse gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform.
7 zeigt die Verbindung zweier Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt einen Querschnitt durch einen Wellenleiter gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Wellenleiter 1 enthält im ersten Längsabschnitt 11 einen Kern 21, welcher von einem Mantel 22 umgeben ist. Der Mantel 22 ist seinerseits von einer optionalen Beschichtung 23 umgeben. Der Querschnitt des Kernes und des Mantels kann polygonal oder rund sein. Der Durchmesser bzw. der Umkreis des Kernes 21 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen 10 µm und 80 µm betragen. Der Durchmesser bzw. der Umkreis des Mantels kann etwa 50 µm bis etwa 250 µm betragen. Kern und/oder Mantel können aus einem Polymer oder einem Glas bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können der Kern und/oder der Mantel aus SiO₂ bestehen oder dieses enthalten. Das Material des Kernes und/oder das Material des Mantels kann mit Dotierstoffen versehen sein, um einen gewünschten Brechungsindex und/oder eine gewünschte elektrische Leitfähigkeit zu erhalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Kern 21 in einem homogenen Mantel 22 durch Bestrahlung mit UV-Licht oder Femtosekunden-Laserpulsen erzeugt werden.
Der Brechungsindex des Mantels 22 ist geringer als der Brechungsindex des Kernes 21, so dass ein optisches Signal S an der Grenzfläche von Kern und Mantel totalreflektiert wird. Auf diese Weise kann das Signal im Inneren des Kernes entlang der Längserstreckung des Wellenleiters 1 geführt werden. Die im Kern 21 ausbreitungsfähigen Moden hängen dabei vom Brechungsindex, der Wellenlänge und dem Durchmesser des Kernes 21 ab.
Der erste Längsabschnitt 11 kann von einer optionalen Beschichtung 23 umgeben sein, beispielsweise einem Polymer. Die Beschichtung 23 kann die mechanische Beschädigung, die Verschmutzung oder das Eindringen von Streulicht verhindern.
An den ersten Längsabschnitt 11 schließt sich ein zweiter Längsabschnitt 12 an. Im Verlauf des zweiten Längsabschnittes 12 reduziert sich der Durchmesser des Kernes 21. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Durchmesser linear entlang der Längserstreckung des zweiten Längsabschnittes 12 verringert. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Abnahme des Durchmessers auch quadratisch, kubisch, exponentiell oder in einem anderen Verlauf erfolgen. Der jeweils optimal geeignete Kurvenverlauf kann in einfacher Weise mittels einer Computersimulation gefunden werden. Die Erfindung lehrt nicht einen bestimmten Verlauf des Durchmessers als Lösungsprinzip.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 nimmt der Durchmesser des Kernes 21 gegen Ende des zweiten Längsabschnittes 12 bis auf null ab. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann ein verbleibender Restquerschnitt des Kernes bestehen bleiben.
Da die Zahl der im Kern 21 ausbreitungsfähigen Moden mit dem Durchmesser abnimmt, werden entlang der Längserstreckung des zweiten Längsabschnittes 12 zunehmend weniger Moden im Kern 21 geführt. Die im Kern 21 nicht mehr ausbreitungsfähigen Moden verlassen den Kern 21 und treten in den Mantel 22 ein. Das den Mantel 22 umgebende Medium, beispielsweise die Beschichtung 23, weist einen geringeren Brechungsindex auf als das Material des Mantels 22. Hierdurch werden optische Signale an der Grenzfläche zwischen Mantel 22 und Beschichtung 23 totalreflektiert. Die im ersten Längsabschnitt 11 im Kern 21 geführten Moden werden also im Verlauf des zweiten Längsabschnittes 12 zumindest teilweise im Mantel 22 geführt. Der zweite Längsabschnitt kann hierzu eine Länge von etwa 5 mm bis etwa 10 cm, insbesondere etwa 10 mm bis etwa 5 cm aufweisen.
Im dritten Längsabschnitt 13 ist der Querschnitt des Kernes 21 so weit reduziert, dass zumindest eine Mode des Signals S ausschließlich im Kern 21 geführt wird. Sofern der Durchmesser des Kernes 21 bis auf null reduziert wurde, wird das gesamte optische Signal im Mantel 22 geführt. Am Ende des dritten Längsabschnittes 13 erreicht das optische Signal S die Stirnseite 14 des Wellenleiters 1 und tritt durch diese Stirnseite 14 aus dem Wellenleiter 1 aus. Da der Durchmesser des Mantels 22 bzw. der Stirnseite 14 größer ist als der Durchmesser des Kernes 21, ist die Winkeldivergenz des optischen Signales S aufgrund des Liouville-Theorems geringer als die Winkeldivergenz des Signals im Kern 21. Die Darstellung des Signals S in den 1, 2 und 7 ist insofern nur schematisch zu verstehen und nicht maßstabsgetreu.
Erfindungsgemäß ist der Parameter $V = \frac{π \cdot d_{K} \cdot \sqrt{n_{K}^{2} - n_{M}^{2}}}{λ}$
durch Anpassen der jeweiligen Brechungsindizes von Mantel und Beschichtung im Verlauf des ersten, zweiten und dritten Längsabschnittes konstant. Dadurch ändert sich die Zahl und Form der im Wellenleiter ausbreitungsfähigen Moden entlang dessen Längserstreckung nicht. Somit kann das Signal unverändert vom Kern 21 bis zur Stirnseite 14 transportiert werden, ohne dass im zweiten oder dritten Längsabschnitt eine Degenerierung des optischen Signals auftritt. Die durch das Signal S übertragenen Daten können somit weitgehend fehlerfrei rekonstruiert werden.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen Wellenleiter gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform, welche anhand von 1 erläutert wurde.
Auch der Wellenleiter gemäß 2 weist einen ersten, einen zweiten und einen dritten Längsabschnitt 11, 12 und 13 auf. Der Aufbau des ersten Längsabschnittes 11 gemäß 2 ist mit dem Aufbau des ersten Längsabschnittes 11 gemäß 1 identisch. Ebenso kann der Aufbau des dritten Längsabschnittes 13 in beiden Ausführungsformen identisch sein.
Im zweiten Längsabschnitt 12, in dessen Verlauf das im Kern 21 geführte optische Signal in den Mantel 22 übergeleitet wird, ändert sich jedoch der Durchmesser des Kernes 21 nicht. Vielmehr wird der Brechungsindex zwischen dem Kern 21 und dem Mantel 22 im Verlauf des zweiten Längsabschnittes 12 allmählich aneinander angeglichen. Dies kann durch Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung oder durch eine wechselnde Dotierstoffkonzentration erfolgen.
Ein solcher kontinuierlicher Übergang vom Kern zum Mantel durch einen veränderlichen Verlauf des Brechungsindex in radialer Richtung ist als Gradientenfaser bekannt, was dazu führt, dass unterschiedliche ausbreitungsfähige Moden an unterschiedlichen Orten des Kernes totalreflektiert werden. Der effektive Durchmesser des Kernes 21 ist daher für unterschiedliche ausbreitungsfähige Moden unterschiedlich groß. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, solch einen kontinuierlichen Verlauf des Brechungsindex zusätzlich oder ausschließlich entlang der Längserstreckung des zweiten Längsabschnittes 12 zu realisieren. Der Kern 21 löst sich gewissermaßen mit zunehmender Längserstreckung des zweiten Längsabschnittes 12 im Mantel 22 auf, bis der Kern 21 im Mantel 22 nicht mehr erkennbar ist. Auch dies führt dazu, dass die Anzahl ausbreitungsfähiger Moden des Signals S nach und nach abnimmt, und die ausbreitungsfähigen Moden vom Kern 21 in den Mantel 22 überführt werden können.
3 zeigt den Verlauf des Brechungsindex im ersten Längsabschnitt 11 des vorgeschlagenen Wellenleiters. Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen stufenförmigen Verlauf des Brechungsindex. Den größten Brechungsindex n_K weist das Material des Kernes 21 auf, welcher mittig im Wellenleiter 1 angeordnet ist und den Durchmesser d_K aufweist. Konzentrisch um den Kern 21 herum ist der Mantel 22 angeordnet, welcher den Durchmesser d_M und einen etwas geringeren Brechungsindex n_M aufweist. Der Mantel ist seinerseits von einer Beschichtung mit dem Brechungsindex n_B umgeben, welche den Außendurchmesser d_B des Wellenleiters definiert. Aufgrund des sich verringernden Brechungsindex kann Licht an der Grenzfläche zwischen Kern 21 und Mantel 22 totalreflektiert werden. In gleicher Weise kann Licht an der Grenzfläche zwischen Mantel und Beschichtung reflektiert werden. Sofern der vorgeschlagene Wellenleiter im ersten Längsabschnitt eine Gradientenfaser enthält, wäre der Übergang zwischen Kern und Mantel in 3 nicht stufenförmig, sondern würde einen stetigen Verlauf aufweisen.
4 zeigt den Verlauf des Brechungsindex an einer Stelle des zweiten Längsabschnittes 12 für das Ausführungsbeispiel gemäß 1. Wie anhand von 4 erkennbar ist, wird der Durchmesser des Kernes 21 reduziert, ohne dass sich dessen Brechungsindex n_K ändert. Dies führt zu einer Verringerung der Anzahl ausbreitungsfähiger Moden, so dass die überzähligen Moden in den Mantel 21 übertreten können.
Im Falle der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung würde in 4 der Wert des Brechungsindex n_K fortlaufend geringer, ohne dass sich der Durchmesser d_K des Kernes ändern würde. Denkbar wäre schließlich auch eine Kombination der zwei beschriebenen Ausführungsformen, so dass sowohl der Durchmesser als auch der Brechungsindex im Verlauf des zweiten Längsabschnittes reduziert werden.
5 zeigt schließlich den Verlauf des Brechungsindex im dritten Längsabschnitt 13. Erkennbar ist, dass der Wellenleiter im dritten Längsabschnitt 13 keinen Kern mehr enthält. Das optische Signal wird vollständig im Mantel 22 geführt.
6 zeigt den Verlauf des Brechungsindex entlang der optischen Achse OA für die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist der Wert des Brechungsindex n auf der Ordinate und die Längserstreckung l des Wellenleiters auf der Abszisse.
Im ersten Längsabschnitt 11 liegt der Kern 21 auf der optischen Achse, so dass der Brechungsindex entlang der Achse den konstanten Wert n_K des Materials des Kernes annimmt. Im dritten Längsabschnitt 13 ist kein Kern 21 vorhanden, so dass der Brechungsindex auf der optischen Achse den Wert n_M des Materials des Mantels angenommen hat. Dazwischen wird der Brechungsindex entlang des zweiten Längsabschnittes 12 kontinuierlich vom Wert n_K in den Wert n_M überführt.
In 6 ist beispielhaft ein linearer Verlauf dargestellt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann dieser Verlauf jedoch auch quadratisch, kubisch, exponentiell oder in einem anderen Verlauf erfolgen.
7 zeigt die Verbindung eines erfindungsgemäßen Wellenleiters 1 mit einem an sich bekannten Wellenleiter 10. Der Wellenleiter 10 weist eine Querschnittsform auf, welche im Wesentlichen dem ersten Querschnitt 11 des erfindungsgemäßen Wellenleiters entspricht. Der Durchmesser des Kernes 201 des Wellenleiters 10 ist jedoch größer als der Durchmesser des Kernes des Wellenleiters 1.
Ein im erfindungsgemäßen Wellenleiter 1 geführtes optisches Signal S verlässt im Verlauf des zweiten Längsabschnittes den Kern und wird nachfolgend nur noch im Mantel geführt, wie vorstehend bereits beschrieben wurde. An der Stirnseite 14 tritt das optische Signal aus dem Wellenleiter 1 aus. Da die Stirnseite 14 an die Stirnseite 104 des Wellenleiters 10 angrenzt, tritt das optische Signal S nachfolgend in diesen Wellenleiter 10 ein. Sofern die Form des Querschnittes und der Parameter V beider Wellenleiter 1 und 10 unverändert bleibt, treten hierbei keine Verzerrungen oder Signalverluste auf. Da der Übertritt des Signals S vom Wellenleiter 1 in den Wellenleiter 10 adiabatisch erfolgt, kann der beschriebene Übertritt in beide Richtungen erfolgen, d.h. vom Wellenleiter 1 in den Wellenleiter 10 oder vom Wellenleiter 10 in den Wellenleiter 1.
Ein Verbindungselement, welches den erfindungsgemäßen Wellenleiter 1 enthält, kann darüber hinaus ein Gehäuse 30 enthalten, welches beide Wellenleiter auf einer gemeinsamen optischen Achse positioniert und eine mechanische Verbindung der beiden Wellenleiter bereitstellt. Hierzu kann das Gehäuse 30 ein- oder mehrteilig ausgeführt sein.
In 7 weist das Gehäuse 30 einen ersten Gehäuseteil 301 und einen zweiten Gehäuseteil 302 auf, welche an einer Fügestelle 32 miteinander verbunden sind. Die Fügestelle 32 kann eine Klebung oder eine Verschweißung umfassen, wenn das Verbindungselement eine unlösbare Verbindung der Wellenleiter ermöglichen soll. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können beide Gehäuseteile 301 und 302 durch eine Steckverbindung oder eine Verschraubung lösbar an der Fügestelle 32 miteinander verbunden sein.
Der Gehäuseteil 301 weist eine Bohrung 311 auf, in welcher der Wellenleiter 10 durch Klebung, Verschweißung oder Presssitz eingeführt ist. Dementsprechend weist der zweite Gehäuseteil 302 eine Bohrung 312 auf, welche den Wellenleiter 1 aufnimmt. Beide Bohrungen 311 und 312 können als Positionierhilfe verwendet werden, um die Wellenleiter 1 und 10 auf einer gemeinsamen optischen Achse auszurichten.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Wellenleiter (1) mit einem ersten Längsabschnitt (11), welcher zumindest einen Kern (21) mit einem ersten Brechungsindex (n_K) und einen diesen umgebenden Mantel (22) mit einem zweiten Brechungsindex (n_M) aufweist, wobei zumindest ein optisches Signal (S) im Kern (21) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (1) weiterhin einen dritten Längsabschnitt (13) mit dem Mantel (22) und einer diesen ungebenden Beschichtung (23) mit einem dritten Brechungsindex (n_B) aufweist, wobei im dritten Längsabschnitt (13) das optische Signal (S) im Mantel (22) führbar ist, und der Wellenleiter (1) einen zweiten Längsabschnitt (12) aufweist, welcher den ersten Längsabschnitt (11) und den dritten Längsabschnitt (13) verbindet und in welchem der Durchmesser des Kernes (21) im Verlauf des zweiten Längsabschnittes (12) abnimmt, wobei die Parameter $V = \frac{π \cdot d_{K} \cdot \sqrt{n_{K}^{2} - n_{M}^{2}}}{λ}$
im ersten und zweiten Längsabschnitt (11, 12) und der Parameter $V = \frac{π \cdot d_{K} \cdot \sqrt{n_{M}^{2} - n_{B}^{2}}}{λ}$
im dritten Längsabschnitt (13) um weniger als 5% oder weniger als 2% oder weniger als 0,5% voneinander abweichen, wobei n_K den ersten Brechungsindex, n_M den zweiten Brechungsindex, n_B den dritten Brechungsindex, d_K den Durchmesser des Kernes (21), d_M den Durchmesser des Mantels (22) und λ die Wellenlänge des in dem Wellenleiter (1) führbaren optischen Signals (S) bezeichnen.
Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Kernes (21) im Verlauf des zweiten Längsabschnittes (12) in einem streng monoton fallenden Verlauf abnimmt.
Wellenleiter (1) mit einem ersten Längsabschnitt (11), welcher zumindest einen Kern (21) mit einem ersten Brechungsindex (n_K) und einen diesen umgebenden Mantel (22) mit einem zweiten Brechungsindex (n_M) aufweist, wobei zumindest ein optisches Signal (S) im Kern (21) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (1) weiterhin einen dritten Längsabschnitt (13) mit dem Mantel (22) und einer diesen ungebenden Beschichtung (23) mit einem dritten Brechungsindex (n_B) aufweist, wobei im dritten Längsabschnitt (13) das optische Signal (S) im Mantel (22) führbar ist, und der Wellenleiter (1) einen zweiten Längsabschnitt (12) aufweist, welcher den ersten Längsabschnitt (11) und den dritten Längsabschnitt (13) verbindet und in welchem der Brechungsindex des Kernes (21) im Verlauf des zweiten Längsabschnittes (12) in den Brechungsindex (n_M) des Mantels (22) übergeht, wobei die Parameter $V = \frac{π \cdot d_{K} \cdot \sqrt{n_{K}^{2} - n_{M}^{2}}}{λ}$
im ersten und zweiten Längsabschnitt (11, 12) und der Parameter $V = \frac{π \cdot d_{M} \cdot \sqrt{n_{M}^{2} - n_{B}^{2}}}{λ}$
im dritten Längsabschnitt (13) um weniger als 5% oder weniger als 2% oder weniger als 0,5% voneinander abweichen, wobei n_K den ersten Brechungsindex, n_M den zweiten Brechungsindex, n_B den dritten Brechungsindex, d_K den Durchmesser des Kernes (21), d_M den Durchmesser des Mantels (22) und λ die Wellenlänge des in dem Wellenleiter (1) führbaren optischen Signals (S) bezeichnen.
Wellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex des Kernes (21) im Verlauf des zweiten Längsabschnittes (12) in einem streng monoton fallenden Verlauf in den Brechungsindex (n_M) des Mantels (22) übergeht.
Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten Brechungsindex n_K, den zweiten Brechungsindex n_M und den dritten Brechungsindex n_B gilt: n_B ≤ n_M ≤ n_K
Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, das für den ersten Brechungsindex n_K, den zweiten Brechungsindex n_M, den dritten Brechungsindex n_B, den Durchmesser d_k des Kernes (21) und den Durchmesser des Mantels (22) d_M gilt: $n_{B} = n_{M} - (n_{K} - n_{M}) \cdot {(\frac{d_{K}}{d_{M}})}^{2}$
Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Längsabschnitt eine Länge von 5 mm bis 10 cm aufweist oder dass der zweite Längsabschnitt eine Länge von 10 mm bis 5 cm aufweist.
Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d_M des Mantels im ersten, zweiten und dritten Längsabschnitt (11, 12, 13) um weniger als 1%, weniger als 0,5% oder weniger als 0,1% voneinander abweicht.
Verbindungselement zur Verbindung zumindest zweier Wellenleiter, enthaltend zumindest einen Wellenleiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verbindungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (14) des Wellenleiters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 an die Stirnseite (104) eines Wellenleiters (10) mit einem ersten Längsabschnitt (101) angrenzt, welcher zumindest einen Kern (201) mit einem ersten Brechungsindex (n_K) und einen diesen umgebenden Mantel (202) mit einem zweiten Brechungsindex (n_M) aufweist, wobei der Durchmesser (d_M) des Mantels im dritten Längsabschnitt (13) des Wellenleiters (1) um weniger als 1%, weniger als 0,5% oder weniger als 0,1% vom Durchmesser (d_k) des Kernes (201) im ersten Längsabschnitt (101) des Wellenleiters (10) abweicht.
Verbindungselement nach Anspruch 9 oder 10, weiterhin enthaltend ein Gehäuse (30) mittels welchem die zwei Wellenleiter auf einer gemeinsamen optischen Achse positionierbar sind.