DE102012209628A1

DE102012209628A1 - Faserkoppler

Info

Publication number: DE102012209628A1
Application number: DE201210209628
Authority: DE
Inventors: Marcin Kozak; Malte Kumkar; Peter Riedel; Hagen Zimer
Original assignee: Jenoptik Laser GmbH; Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2013-12-12
Also published as: CN203337856U

Abstract

Es wird ein Faserkoppler mit
mehreren Eingangsfasern (6), die jeweils einen Eingangsstrahl (16) führen und die die Eingangsstrahlen (16) über ihre nebeneinander liegenden Austrittsenden (5) abgeben,
einem Hauptkörper (4), mit dem die nebeneinander liegenden Austrittsenden (5) verbunden sind, und
mehreren im Hauptkörper (4) eingebetteten Strahlformungselementen (13) mit örtlich variierender Brechzahl, bereitgestellt,
wobei die Anzahl der Strahlformungselemente (13) gleich der Anzahl der Eingangsfasern (6) ist, jedes Strahlformungselement (13) genau einem Austrittsende (5) einer der Eingangsfasern (6) nachgeordnet ist und den aus dem Austrittsende (5) kommenden Eingangsstrahl (16) als Ausgangsstrahl (17) abgibt, der im Vergleich zum entsprechenden Eingangsstrahl (16) aufgeweitet ist und eine kleinere Divergenz aufweist,
und wobei die Ausgangsstrahlen (17) ein gemeinsames Strahlenbündel (18) bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Faserkoppler mit mehreren Eingangsfasern, die jeweils einen Eingangsstrahl führen und die die Eingangsstrahlen über ihre nebeneinander liegenden Austrittsenden abgeben, wobei der Faserkoppler die Eingangsstrahlen führt und als Ausgangsstrahlen abgibt, die zusammen ein gemeinsames Strahlenbündel bilden.
Solche Faserkoppler zur geometrischen Kopplung von Eingangsstrahlen mehrerer Eingangsfasern können z.B. dadurch gebildet werden, daß die Eingangsfasern gezogen und verschmolzen werden. Zur Erzielung einer hohen Brillanz im gemeinsamen Strahlenbündel kann das Verhältnis von Kerndurchmesser zu Gesamtdurchmesser der Eingangsfasern zur Ausgangsseite hin im Koppler gesteigert werden, wie z.B. in der EP 2 071 376 A1 beschrieben ist. Alternativ kann das Verhältnis von Modenfelddurchmesser der in den Eingangsfasern geführten Eingangsstrahlen zu Kerndurchmesser im Koppler angehoben werden ( US 2010/0278486 A1 , US 2010/0189138 A1 ), wobei bei einer Verjüngung durch Ziehen der Eingangsfasern von mehr als dem Faktor drei komplexe Brechzahlstrukturen erforderlich sind, um eine hohe Brillanz zu erzielen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Faserkoppler bereitzustellen, der die Eingangsstrahlen mehrere Eingangsfasern in ein gemeinsames Strahlenbündel von Ausgangsstrahlen transferiert, wobei das gemeinsame Strahlenbündel eine hohe Brillanz aufweist und die Brillanz der einzelnen Ausgangsstrahlen möglichst der der Eingangsstrahlen entspricht.
Die Aufgabe wird durch einen Faserkoppler mit mehreren Eingangsfasern, die jeweils einen Eingangsstrahl führen und die die Eingangsstrahlen über ihre nebeneinander liegenden Austrittsenden abgeben, einem Hauptkörper, mit dem die nebeneinander liegenden Austrittsenden verbunden sind, und mehreren im Hauptkörper eingebetteten Strahlformungselementen mit örtlich variierender Brechzahl gelöst, wobei die Anzahl der Strahlformungselemente gleich der Anzahl der Eingangsfasern ist, jedes Strahlformungselement genau einem Austrittsende einer Eingangsfaser nachgeordnet ist und den aus dem Austrittsende kommenden Eingangsstrahl als Ausgangsstrahl abgibt, der im Vergleich zum entsprechenden Eingangsstrahl aufgeweitet ist und eine kleinere Divergenz aufweist, und wobei die Ausgangsstrahlen ein gemeinsames Strahlenbündel bilden.
Mit einem solchen Faserkoppler kann einerseits die gewünschte geometrische Kopplung der Ausgangsstrahlen bei bestmöglicher Brillanz des gemeinsamen Strahlenbündels erreicht werden. Darüber hinaus wird die Brillanz der einzelnen Strahlen nur unwesentlich verschlechtert, so daß die einzelnen Eingangsstrahlen des gemeinsamen Strahlenbündels, sofern dies gewünscht ist, einzeln adressierbar bzw. einzeln genutzt werden können. Das gemeinsame Strahlenbündel ermöglicht eine hohe Füllung des Phasenraums und erlaubt aufgrund der einzeln adressierbaren Ausgangsstrahlen eine gezielte zeitliche und räumliche Strahlformung. So kann z.B. die Lage und die Strahlparameter jedes einzelnen Ausgangsstrahls individuell vorbestimmt werden. Die hohe Füllung des Phasenraums ist gekennzeichnet durch eine kleine Separation und geringe Abmessung der Teilstrahlen sowohl in der Ortsverteilung als auch in der Winkelverteilung, so daß das Produkt aus Orts- und Winkelverteilung für das Strahlenbündel möglichst klein ist. Eine solche Phasenfüllung erlaubt somit bekanntermaßen eine gute Fokussierbarkeit des gemeinsamen Strahlenbündels
Die Eingangsfasern bei dem erfindungsgemäßen Faserkoppler sind insbesondere als grundmodige oder niedermodige Lichtleitfasern ausgebildet.
Insbesondere weisen die Eingangsfasern einen Faserkern und einen diesen umgebenden Fasermantel (mit bevorzugtem homogenen Brechzahlprofil) auf, wobei die Strahlführung in bekannter Weise erfolgt.
Mit dem erfindungsgemäßen Faserkoppler ist es somit möglich, durch unterschiedliche Strahlformungselemente die entsprechenden Eingangsstrahlen unterschiedlich zu behandeln. So können z.B. unterschiedliche Fokuslagen für die einzelnen Ausgangsstrahlen bewirkt werden, aus denen sich dann das gemeinsame Strahlenbündel zusammensetzt.
Der erfindungsgemäße Faserkoppler kann zusätzlich noch eine oder mehrere weitere Eingangsfasern aufweisen, denen kein Strahlformungselement im Hauptkörper nachgeordnet ist. Statt dessen kann der einen oder den weiteren Eingangsfasern z.B. Strahlführungselemente im Hauptkörper nachgeordnet sein. Es ist auch möglich, daß die eine weitere Eingangsfaser oder zumindest eine der mehreren weiteren Eingangsfasern durch den Hauptkörper hindurchgeführt ist bzw. sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Faserkoppler können die Austrittsenden direkt oder indirekt mit dem Hauptkörper verbunden sein. Insbesondere können die Eingangsfasern mit ihren Austrittsenden in einem Faserkörper eingebettet sein, der mit dem Hauptkörper verbunden ist. Der Faserkoppler umfaßt somit mindestens zwei Segmente (den Hauptkörper mit eingebetteten Strahlformungselementen und den Faserkörper mit den eingebetteten Austrittsenden der Eingangsfasern), die miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann z.B. mittels einer Bondfläche realisiert sein. Dies bietet den Vorteil gegenüber herkömmlicher Faserkopplern, dass die verwendetet einzelnen Komponenten groß sind und so ein einfaches Handling erlauben und kein Ziehproszess benötigt wird, so dass die Prozesssicherheit erhöht wird
Bei dem erfindungsgemäßen Faserkoppler kann jedes Austrittsende eine Endfläche aufweisen, wobei alle Endflächen in einer Ebene liegen. Damit liegt eine einzige Ebene vor, aus der die Eingangsstrahlen austreten. Dies vereinfacht z.B. die Herstellung des Faserkopplers.
Die Ebene, in der die Endflächen liegen, kann senkrecht zur Achse des Hauptkörpers sein. Es ist aber auch möglich, daß sie nicht senkrecht zur Achse des Hauptkörpers ausgerichtet ist.
Ferner können die Strahlformungselemente so ausgebildet sein, daß ihre den Austrittsenden zugewandten Eintrittsflächen in einer Ebene liegen. Zusätzlich oder alternativ können die an den Austrittsenden abgewandten Austrittsflächen der Strahlformungselemente ebenfalls in einer Ebene liegen. Die Ebene, in der die Eintrittsflächen liegen, und/oder die Ebene, in der die Austrittsflächen liegen, können senkrecht zur Achse des Hauptkörpers oder auch nicht senkrecht zur Achse des Hauptkörpers ausgerichtet sein. Bevorzugt sind die Ebenen, in denen die Eintritts- und Austrittsflächen liegen, zueinander parallel. Ferner ist auch die Ebene, in der die Endflächen der Austrittsenden liegen, parallel zu der Ebene, in der die Eintrittsflächen der Strahlformungselemente liegen und/oder parallel zu der Ebene, in der die Austrittsflächen der Strahlformungselemente liegen.
Des weiteren können die Eintritts- und/oder Austrittsflächen der Strahlformungselemente nicht nur plan ausgebildet sein, sondern auch eine gekrümmte Form aufweisen.
Ferner kann zumindest einem Strahlformungselement ein abbildendes Element, wie z.B. eine Linse, vor- und/oder nachgeordnet sein. Die Linsen können im Hauptkörper eingebettet sein.
Bei den Strahlformungselementen liegt der örtliche variierende Brechzahlverlauf bevorzugt quer zur Ausbreitungsrichtung des geführten Eingangsstrahls und somit bevorzugt über weitgehend den gesamten Querschnitt vor.
Bei dem erfindungsgemäßen Faserkoppler kann jedes Strahlformungselement den Ausgangsstrahl so abgeben, daß er im Vergleich zum entsprechenden in den Hauptkörper eintretenden Eingangsstrahl aufgeweitet ist und eine kleinere Divergenz aufweist. Insbesondere kann diese Strahlaufweitung und die Divergenzverringerung durch das Strahlformungselement bedingt sein. Das Strahlformungselement übt also zur Erzielung der verminderten Divergenz des Ausgangstrahls eine Linsenwirkung aus. Diese Linsenwirkung wird im folgenden als fokussierde Eigenschaft oder fokussierend bezeichnet, unabhängig davon, ob damit eine Steigerung oder verminderung der Divergenz einhergeht.
Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Faserkoppler jedes Strahlformungselement in Längsrichtung einen konstanten Querschnitt aufweisen. Dies führt vorteilhaft zu der Erhaltung bzw. nur geringfügigen Verschlechterung der Brillanz des Ausgangsstrahls im Vergleich zur Brillanz des Eingangsstrahls.
Von den Strahlformungselementen ist zumindest eines (und bevorzugt alle) als Gradientenindex-Element ausgebildet. Damit kann die gewünschte Strahlaufweitung und Verringerung der Divergenz sicher erreicht werden. Die Ausbildung als Gradientenindex-Element führt zu dem Vorteil, daß das Element ebene Grenzflächen aufweist. Dies erleichtert die Herstellung und die Verbindung mit anderen Elementen.
Das Gradientenindex-Element kann beispielsweise als Multimode-Faser ausgebildet sein, die jedoch nicht an den Eingangsstrahl bezüglich der Grundmode angepaßt ist, so daß die Multimode-Faser mit einer nicht angepaßten Grundmode bei Führung des Eingangsstrahls beaufschlagt ist.
Zumindest eines der Strahlformungselemente kann fokussierend ausgebildet sein. Insbesondere können alle Strahlformungselemente so ausgebildet sein. Es ist jedoch ferner möglich, daß die einzelnen Strahlformungselemente unterschiedliche fokussierende Eigenschaften oder sonst unterschiedliche optische Eigenschaften (z.B. Abbildungseigenschaften) aufweisen. Auch können sich die Strahlformungselemente in ihrer Querschnittsform unterscheiden. Wesentlich ist, daß zwischen den Austrittsenden und den Strahlformungselementen eine 1:1-Zuordnung vorliegt, so daß jedem Austrittsende das optimale Strahlformungselement nachgeordnet ist. Die 1:1-Zuordnung kann insbesondere dadurch erreicht werden, daß die nebeneinander liegenden Austrittsenden, in Draufsicht gesehen, ein erstes Muster bilden, das mit einem zweiten Muster, das die Strahlformungselemente, in Draufsicht gesehen, bilden, deckungsgleich oder ähnlich ist.
Unter ähnlich wird hier insbesondere verstanden, daß jedes Austrittsende das zugeordnete Strahlformungselement, in Draufsicht gesehen, zumindest teilweise überlappt.
Es ist ferner möglich, daß die beiden Muster um eine gedachte Achse senkrecht zur Draufsicht zueinander verdreht sind, so daß dadurch die Ausgangsstrahlen einen Twist aufweisen.
In jedem Fall kann der erfindungsgemäße Faserkoppler so ausgebildet sein, daß die Strahlachse der Eingangsstrahlen bzw. die Mittelachse der Austrittsenden mit den Mittelachsen der Strahlformungselemente zusammenfallen oder zu diesen parallel sind. Ferner kann z.B. eine mittlere Eingangsfaser vorliegen und um diese herum die zueinander verdreht angeordneten Muster vorliegen, so daß das gemeinsame Ausgangsstrahlenbündel in der Mitte den entsprechenden Ausgangsstrahl der mittleren Eingangsfaser und im Außenbereich einen getwisteten Strahl aufweist.
Insbesondere ist es z.B. möglich, daß die Strahlformungselemente, in Draufsicht gesehen, näher aneinander angeordnet sind als die Austrittsenden. Dies kann zwar dazuführen, daß etwas Leistung verloren geht, aber dafür ist die Füllung des Phasenraums verbessert und kann das Ausgangsstrahlenbündel auf einen Punkt gelenkt werden.
Natürlich kann der erfindungsgemäße Faserkoppler neben den Strahlformungselementen mit örtlich variierender Brechzahl noch zumindest ein Strahlformungselement aufweisen, das keine über weitgehend den gesamten Durchmesser variierende Brechzahl, sondern beispielsweise ähnlich der Eingangsfasern einen Kern und einen Mantel aufweist. Diesem Strahlformungselement kann z.B. eine weitere Eingangsfaser zugeordnet sein. Das zumindest eine weitere Strahlformungselement mit eingeschränkt örtlich variierender Brechzahl kann, muß aber nicht, eine Strahlaufweitung sowie eine Divergenzverringerung bewirken.
Bei dem erfindungsgemäßen Faserkoppler kann zumindest eines der Strahlformungselemente (und insbesondere alle Strahlformungselemente) im Querschnitt gesehen ein Brechzahlprofil aufweisen, das von der Mitte nach Außen hin abnimmt. Insbesondere kann das Brechzahlprofil parabolisch sein oder einem parabolischen Verlauf angenähert sein.
Jedes der Strahlformungselemente kann jeweils eine Eintrittsfläche und jedes Austrittsende jeweils eine Endfläche aufweisen, wobei die Eintrittsfläche des jeweiligen Strahlformungselementes mit der Endfläche des zugeordneten Austrittsendes in direktem Kontakt steht. Damit wird sicher eine gute Einkopplung der Eingangsstrahlen in die Strahlformungselemente erreicht. Die Eintrittsflächen und die Endflächen können z.B. durch einen Bondprozeß (wie z.B. thermische Diffusion) miteinander verbunden sein.
Alternativ ist es möglich, daß der Faserkoppler zwischen den Austrittsenden und den Strahlformungselementen einen Abstandshalter aufweist. Der Abstandshalter kann mit dem Hauptkörper und mit den Austrittsenden der Eingangsfasern (bzw. dem Faserkörper, in den die Austrittsenden eingebettet sein können) verbunden sein (z.B. mittels Bonden). Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß die Intensität oder Leistungsdichte beim Eintritt in das Strahlformungselement im Vergleich zu einer direkten Kontaktierung verringert ist. Dadurch können störende Einflüsse, die durch eine hohe Intensität bedingt sind, sowie mögliche ungünstige Einflüsse durch eine Abweichung vom idealen Brechzahlverlauf in den Strahlformungselementen vermindert werden. Ferner ist die Flexibilität bei der Auswahl der Strahlformungselemente (insbesondere um Kollimation bei den Ausgangsstrahlen zu erreichen) erhöht.
Der erfindungsgemäße Faserkoppler kann ein den Strahlformungselementen nachgeordneten und mit dem Hauptkörper verbundenen (z.B. mittels Bonden) Abstandshalter aufweisen.
Der bzw. die Abstandshalter können aus einem hochleistungstauglichen Material hergestellt sein. Ferner kann der zumindest eine Abstandshalter zumindest eine gekrümmte Oberfläche aufweisen (beispielsweise die dem Hauptkörper abgewandte Oberfläche des Abstandshalters) und somit abhängig von der Form der Oberfläche entsprechende optische Eigenschaften bereitstellen, wie z.B. eine zusätzliche Fokussierung.
Des weiteren kann der Abstandshalter, der dem Hauptkörper nachgeordnet ist, beispielsweise eine so große Dicke aufweisen, daß eine merkliche Aufweitung der Ausgangsstrahlen erfolgt und der Abstandshalter somit als sogenanntes Endcap fungiert.
Es können z.B. beidseitig des Hauptkörpers jeweils ein Abstandshalter vorgesehen sein. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die beiden Abstandshalter gleiche Eigenschaften aufweisen, da dadurch eine Verschiebung der Strahltaille des gemeinsamen Strahlenbündels verhindert werden kann, die auftreten kann, wenn nur ein Abstandshalter vorgesehen ist.
Der erfindungsgemäße Faserkoppler kann ein dem Hauptkörper nachgeordnetes fokussierendes Element aufweisen. Insbesondere kann das fokussierende Element so ausgebildet sein, daß es für das gemeinsame Strahlenbündel fokussierend ist. Das fokussierende Element kann als Gradientenindex-Element und/oder mit zumindest einer gekrümmten Fläche ausgebildet sein, das bevorzugt in direktem Kontakt zum vorangehenden Element (z.B. zum Hauptkörper) steht.
Bei dem erfindungsgemäßen Faserkoppler kann eine Lichtleitfaser direkt oder über einen Abstandshalter mit einem ausgangsseitigen Ende des Hauptkörpers verbunden sein, in die das gemeinsame Strahlenbündel eingekoppelt ist. Natürlich ist es auch möglich, daß die Lichtleitfaser von dem Faserkoppler beabstandet ist, so daß zwischen dem austrittseitigen Ende des Hauptkörpers und der Lichtleitfaser eine Freistrahlstrecke vorliegt. In dieser Freistrahlstrecke können, falls dies gewünscht ist, ein oder mehrere optische Elemente angeordnet werden.
Der Faserkörper und/oder der Hauptkörper können jeweils als Multikapillare ausgebildet sein, die für das jeweilige Eintrittsende bzw. das jeweilige Strahlformungselement eine entsprechende Bohrung aufweist. Es ist jedoch auch möglich, daß die Eintrittsenden und/oder die Strahlformungselemente eine solche Außenkontur aufweisen, daß sie selbst dicht gepackt werden können. Beispielsweise können sie eine rechteckige, quadratische, sechseckige, ... Außenkontur aufweisen.
Die Eintrittsenden sind bevorzugt direkt und/oder über den Faserkörper miteinander verschweißt. In gleicher Weise können die Strahlformungselemente direkt und/oder über den Hauptkörper miteinander verschweißt sein.
Die Verbindung von Faser- und Hauptkörper erfolgt bevorzugt durch einen Bondprozeß, wie z.B. durch thermische Diffusion. Dadurch wird beim Verbinden ein substantieller Schmelzprozeß vermieden, der zu Schwierigkeiten an den Kontaktstellen führen kann.
Der Bondprozeß zum Verbinden von Faser- und Hauptkörper ist vorteilhaft, da dadurch die Eigenschaften von Faser- und Hauptkörper weitgehend nicht beeinflußt werden. Dies ist insbesondere darin begründet, daß Bonden anders als Spleißen großflächig und bei niedriger Temperatur durchgeführt wird.
Somit können Faser- und Hauptkörper als einzelne Segmente vorgefertigt und geprüft werden, die danach mittels Bonden verbunden werden. Dies erleichtert die Herstellung und das Handling von Faser- und Hauptkörper.
Der erfindungsgemäße Faserkoppler kann insbesondere im Bereich der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung eingesetzt werden, wie z.B. Schneiden oder Schweißen von metallischen Werkstücken.
Der erfindungsgemäße Faserkoppler kann ferner Strahlführungselemente aufweisen. Insbesondere kann z.B. jeder Eingangsfaser oder jedem Strahlformungselement ein Strahlführungselement zugeordnet sein. Die Strahlführungselemente können zwischen den Austrittsenden der Eingangsfasern und den Strahlformungselementen und/oder den Strahlformungselementen nachgeordnet sein. Ferner ist es möglich, daß die Strahlführungselemente in zumindest einem der optional vorsehbaren Abstandshalter angeordnet oder eingebettet sind. Auch ist eine Einbettung der Strahlführungselemente im Faserkörper und/oder im Hauptkörper möglich.
Der erfindungsgemäße Faserkoppler kann zusätzlich eine sich durch den Hauptkörper und gegebenenfalls durch den Faserkörper erstreckende strahlführende Struktur aufweisen, wie z.B. eine Lichtleitfaser. Ferner ist es möglich, daß der Hauptkörper und gegebenenfalls der Faserkörper eine Durchgangsbohrung aufweist, in die eine strahlführende Struktur, wie z.B. eine Lichtleitfaser, eingesetzt werden kann.
Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Faserkopplers, bei dem mehrere Eingangsfasern mit ihren Austrittsenden nebeneinander liegend in einem Faserkörper so fixiert werden, daß die Austrittsenden, in Draufsicht gesehen, ein erstes Muster bilden, Strahlformungselemente mit örtlich variierender Brechzahl in einem Hauptkörper so fixiert werden, daß sie, in Draufsicht gesehen, ein zweites Muster bilden, und bei dem der Faserkörper und der Hauptkörper relativ zueinander so ausgerichtet und dann miteinander verbunden werden, daß, in Draufsicht gesehen, jedes Austrittsende mit einem Strahlformungselement zumindest teilweise überlappt, bereitgestellt.
Mit diesem Herstellungsverfahren kann der erfindungsgemäße Faserkoppler (einschließlich seiner Weiterbildung) kostengünstig und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden.
Die Austrittsenden können zum Fixieren im Faserkörper direkt und/oder über den Faserkörper miteinander verschmolzen werden. In gleicher Weise können die Strahlformungselemente zum Fixieren im Hauptkörper direkt und/oder über den Hauptkörper miteinander verschmolzen werden. Dieses Verschmelzen wird bevorzugt vor dem Verbinden von Faser- und Hauptkörper durchgeführt.
Der Faserkörper und der Hauptkörper werden bevorzugt in einem Bondprozeß, wie z.B. durch thermische Diffusion, miteinander verbunden.
Der Faserkörper und/oder der Hauptkörper können/kann als Multikapillare ausgebildet sein, die für jedes Eintrittsende bzw. für jedes Strahlformungselement eine entsprechende Durchgangsbohrung aufweist. Insbesondere können die beiden Körper aus derselben Multikapillare durch Trennung in Multikapillare kleinerer Ausdehnung gebildet werden.
Das erste und zweite Muster können gleich (z.B. deckungsgleich) oder ähnlich sein.
Der Faserkörper und der Hauptkörper können so zueinander ausgerichtet sein, daß die beiden Muster zueinander verdreht sind. Dies kann zu einer tangentialen Ablenkung der Eingangsstrahlen und somit zu einem Twist der Strahlachsen führen. Ferner können die beiden Körper so zueinander ausgerichtet sein, daß jeweils die zentrale Achse des Eingangsstrahls ungestört in das zugeordnete Strahlformungselement eintritt.
Die beiden Muster können ähnlich aber zueinander größenskaliert sein, was zu einer radialen Ablenkung der Strahlachsen der Eingangsstrahlen führen kann.
Das Verfahren kann ferner noch Verfahrensschritte aufweisen, die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Faserkoppler angegeben sind.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserkopplers;
2 eine Explosionsdarstellung des Faserkopplers gemäß 1;
3a eine Draufsicht auf die Kontaktfläche 9 des Faserkörpers 3;
3b eine Seitenansicht zur Darstellung gemäß 3a;
4a eine Draufsicht auf die Endfläche 15 des Hauptkörpers 4;
4b eine Seitenansicht zur Darstellung gemäß 4a;
5 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserkopplers;
6 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserkopplers;
7 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserkopplers;
8 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserkopplers;
9 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserkopplers;
10 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserkopplers;
11 eine Draufsicht zur Erläuterung einer anderen Außenkontur der Eintrittsenden und/oder Strahlformungselemente;
12 eine Draufsicht zur Erläuterung einer anderen Außenkontur der Eintrittsenden und/oder Strahlformungselemente;
13 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserkopplers;
14 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserkopplers, und
15 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der möglichen individuellen Beeinflussung der einzelnen Eingangsstrahlen im Hauptkörper des erfindungsgemäßen Faserkopplers.
In 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Faserkopplers 1 gezeigt, wobei 1 eine schematische Perspektivdarstellung ist und 2 eine Explosionsdarstellung von 1 zur detaillierten Erläuterung des Aufbaus des Faserkopplers 1 ist.
Der Faserkoppler 1 umfaßt einen Koppelkörper 2 mit einem vorderen Teil 3 (der nachfolgend auch Faserkörper 2 genannt wird) und einem hinteren Teil 4 (der nachfolgend auch Hauptkörper 4 genannt wird).
Der Faserkörper 3 nimmt die Austrittsenden 5 von mehreren (hier sieben) Eingangsfasern 6 auf. Dazu ist im Faserkörper 3 für jedes Austrittsende 5 eine zylinderförmige Durchgangsbohrung 7 ausgebildet (zur Vereinfachung der Darstellung ist nur eines der Austrittsenden mit dem Bezugszeichen 5 und ist nur eine der Durchgangsbohrungen mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet). Der Durchmesser jeder Durchgangsbohrung 7 ist dabei so gewählt, daß das entsprechende Eintrittsende 5 in die Bohrung 7 eingeführt werden und ein Formschluß über Wärmeintrag erhalten werden kann. Der Faserkörper 3 mit den eingesetzten Eingangsfasern 6 ist so gestaltet, daß die vordere Endfläche 8 jedes Austrittsendes 5 jeder Eingangsfaser 6 bündig ist mit der dem Hauptkörper 4 zugewandten Kontaktfläche 9 des Faserkörpers 3. In 3a ist eine Draufsicht auf die Kontaktfläche 9 gezeigt, in der auch schematisch der Aufbau jeder Eingangsfaser 6 dargestellt ist. Jede Eingangsfaser 6 umfaßt einen Faserkern 10 und einen den Faserkern 10 umgebenden Fasermantel 11, dessen Brechzahl geringer ist als die Brechzahl des Faserkerns, so daß Laserstrahlung im Faserkern 10 in bekannter Weise geführt wird.
Der Faserkern 10 weist z.B. einen Durchmesser zwischen 10 und 25 µm auf und der Fasermantel weist z.B. einen Durchmesser zwischen 100 und 250 µm auf.
Der Hauptkörper 4 weist Durchgangsbohrungen 12 auf. Die Durchgangsbohrungen 12 sind in gleicher oder ähnlicher Weise wie die Durchgangsbohrungen 7 angeordnet und weisen auch den gleichen oder einen ähnlichen Durchmesser auf. Man kann auch sagen, daß die Durchgangsbohrungen 7 und 12 oder ihre Flächenschwerpunkte im Querschnitt jeweils ein Muster bilden, wobei beide Muster gleich bzw. zumindest ähnlich sind. In jeder Durchgangsbohrung 12 ist ein Strahlformungselement 13 mit örtlich variierender Brechzahl eingebettet, das sowohl mit der dem Faserkörper 3 zugewandten Kontaktfläche 14 als auch mit der dem Faserkörper 3 abgewandten Endfläche 15 bündig ist. Das Strahlformungselement 13 ist bevorzugt ein Gradientenindex-Element (GRIN-Element). Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist das Strahlformungselement 13 als GRIN-Multimode-Faser mit parabolischen Brechungsindex ausgebildet, der bis an den äußeren Rand reicht, wobei die Brechzahl in der Mitte (im Querschnitt gesehen) am höchsten ist und radial nach außen hin abnimmt.
Ein parabolischer Brechungsindex kann wie folgt beschrieben werden:
Dabei ist n_o die Brechzahl auf der Faserachse, a der Kernradius, r der radiale Abstand zur Faserachse und
wobei n_a die Brechzahl am äußeren Rand des Strahlformungselements 13 ist. In dem beschrieben Ausführungsbeispiel entspricht der Durchmesser des Strahlformungselements dem doppelten Kernradius a.
Zur Vereinfachung der Darstellung in 1 und 2 ist nur eine der Durchgangsbohrungen im Hauptkörper 4 mit dem Bezugszeichen 12 und ist nur eines der Strahlformungselemente mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Faserkopplers 1 ist wie folgt.
In jeder Eingangsfaser 6 wird ein Eingangsstrahl 16 geführt, wie in 1 und 2 durch Pfeile angedeutet ist. Der Eingangsstrahl 16 tritt aus jeder Eingangsfaser 6 an der vorderen Endfläche 8 als divergierender Eingangsstrahl 16 aus, wie in 3b angedeutet ist. Die austretenden Eingangsstrahlen 16 treffen direkt auf die an den vorderen Endflächen 8 anliegenden Strahlformungselemente 13 des Hauptkörpers 4. Jedes Strahlformungselement 13 bewirkt eine Strahlaufweitung bei gleichzeitiger Verringerung der Divergenz und ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel so ausgelegt, daß die dann aus den Strahlformungselementen austretenden Ausgangsstrahlen kollimierte Strahlen 17 sind, wie in 4b angedeutet ist. Die kollimierten Ausgangsstrahlen 17 der sieben Strahlformungselemente 13 bilden zusammen ein gemeinsames Strahlenbündel 18, das den Faserkoppler 1 verläßt, wie in 1 angedeutet ist.
Wie ein Vergleich der Darstellungen in 3b und 4b zeigt, wird der Phasenraum von allen Ausgangsstrahlenbündeln 17 besser gefüllt im Vergleich zu dem Zustand unmittelbar nach Auskopplung der Eingangsstrahlen 16 aus den Eingangsfasern 6 gemäß 3b, da zwar der Strahldurchmesser jedes Teilstrahls im Ausgangsbündel gesteigert wird und der räumliche Abstand der parallelen Teilstrahlen erhalten bleibt, allerdings die Divergenz dieser Teilstrahlen im Ausgangsstrahlenbündel deutlich abgesenkt ist. Bei dieser besseren Phasenraumfüllung durch das gemeinsame Strahlenbündel 18 wird aufgrund des Einsatzes der Strahlformungselemente 13 die Brillanz jedes Ausgangsstrahls 17 im Vergleich zu dem entsprechenden Eingangsstrahl 16 nur unwesentlich verschlechtert. Dies führt insgesamt zu einem gemeinsamen Strahlenbündel mit hoher Brillanz.
Der Faserkoppler 1 ist so ausgelegt, daß die aus den Eingangsfasern 6 austretenden Eingangsstrahlen 16 die einzelnen Strahlformungselemente 13 austrittsseitig weitgehend ausleuchten, ohne daß dabei das Strahlprofil durch Randeffekte (beispielsweise Beugung) nennenswert beeinträchtigt wird.
Die in 4b gezeigte Aufweitung ist nur beispielhaft zu verstehen und betrifft den Fall, bei dem die Strahlformungselemente 13 als GRIN-Multimode-Fasern ausgebildet sind. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform sind die vorderen Endflächen 8 der Eingangsfasern 6 in direktem optischen Kontakt mit den Strahlformungselementen 13, wobei die Achsen der Eingangsfasern 6 am Ort des Kontaktes mit den Achsen der Strahlformungselemente 13 übereinstimmen.
Die direkte optische Kontaktierung wird bei der Herstellung des Faserkopplers 1 beispielsweise durch einen Bondprozeß, wie eine thermische Diffusion, nach dem Kontaktieren der beiden Endflächen 9 und 14 erzielt. Dies hat den Vorteil, daß zur Herstellung des optischen Kontaktes kein Spleißprozeß notwendig ist, wie er in der Fasertechnologie üblich ist. Damit können die mit dem Spleißprozeß verbundenen nennenswerten Schmelzprozesse vorteilhaft vermieden werden.
Insbesondere können der Faserkörper 3 mit den Eingangsfasern 6 und der Hauptkörper 4 mit den Strahlformungselementen 13 als Baugruppen vorgefertigt und anschließend miteinander gekoppelt werden, wobei ein Bonden bevorzugt ist.
Die Eingangsfasern 6 werden dabei in den Faserkörper 3 und die Strahlformungselemente 13 werden dabei derart in den Hauptkörper 4 eingebettet und die Endflächen poliert, daß die einander zugewandten Endflächen der Eingangsfasern 6 und der Strahlformungselemente 13 einen Bondprozeß ohne Zusatzmaterial erlauben.
Zur Vorfertigung der Baugruppen kann z.B. ein Rohling hergestellt werden, der Durchgangsbohrungen gemäß den Durchgangsbohrungen 7 und 12 aufweist und der eine größere Länge in Richtung der Durchgangsbohrungen aufweist als der Faserkörper 3 und der Hauptkörper 4. Der Rohling kann aus Quarzglas gebildet sein. Dieser Rohling wird dann in entsprechende Quarzglasscheiben getrennt, die eine Länge in Richtung der Durchgangsbohrungen aufweisen, die für den Faserkörper 3 und den Hauptkörper 4 gewünscht ist oder diese in einem Maß überschreitet, so daß die gewünschte Länge und die entsprechende Endflächenqualität in einem abtragenden, schneidenden oder brechenden Verfahren mitsamt der bereits integrierten Eingangsfasern, Strahlführungs- oder Strahlformungselemente ermöglicht wird. In dem Faserkörper 3 werden somit die Eingangsfasern 6 in der beschriebenen Art und Weise eingeführt und eine Wärmebeaufschlagung durchgeführt, so daß sie in den Durchgangsbohrungen 7 formschlüssig sitzen. Die Kontaktfläche 9 kann beispielsweise durch abtragende, schneidende oder brechende Verfahren hergestellt werden. Da die Eingangsfasern 6 in den Bohrungen 7 sitzen, kann eine ungewünschte Positionsverschiebung während der Wärmebeaufschlagung minimiert werden, wodurch die Prozeßgenauigkeit erhöht wird.
In gleicher Weise werden die Strahlformungselemente 13 in den Hauptkörper 4 eingesetzt und dann mit dem Hauptkörper 4 verschmolzen. Die Strahlformungselemente 13 können den gleichen Durchmesser auf wie die Eingangsfasern 6 aufweisen und in demselben Muster angeordnet sein (in Draufsicht auf die miteinander zu verbindenden Endflächen von Faser- und Hauptkörper 3, 4 gesehen).
Bei der Herstellung des Hauptkörpers ist es alternativ möglich, einen langen Rohling mit Strahlführungs- und/oder Strahlformungskomponenten zu bestücken und diesen danach in mehrere Hauptkörper zu trennen.
Die Rohlinge für Faser- und Hauptkörper 3, 4 bilden somit jeweils eine Hohlstruktur, die die laterale Anordnung der Eingangsfasern 6 bzw. der Strahlformungselemente 13 vorgibt. Zum Verbinden von Faser- und Hauptkörper 3, 4 müssen diese lediglich zueinander lateral einschließlich einer eventuell notwendigen Rotation um die Längsachse ausgerichtet werden. Die so ausgerichteten Körper 3 und 4 werden dann miteinander verbunden (beispielsweise durch Bonden). Damit kann ein ausgezeichneter optischer Kontakt zwischen den jeweils zugeordneten Eingangsfasern 6 und Strahlformungselementen 13 gewährleistet werden, wodurch sichergestellt ist, daß der gesamte Eingangsstrahl 16 jeweils in das zugeordnete Strahlformungselement 13 gelangt und Kopplungsverluste sehr gering sind.
Durch die Einbettung der Strahlformungselemente 13 in die durch den Rohling für den Hauptkörper 4 bereitgestellten Hohlstruktur wird ein Feld von Linsen gebildet, das mit dem Feld der vorderen Endflächen 8 der im Faserkörper 3 eingebetteten Austrittsenden 5 der Eingangsfasern 6 korrespondiert.
Dies führt dazu, wie bereits beschrieben, daß die Ausgangsstrahlen 17 räumlich deutlich dichter gepackt sind als die Eingangsstrahlen 16 und gleichzeitig die Strahlqualität jedes Ausgangsstrahls 17 nahezu gleich ist zu der Strahlqualität des entsprechenden Eingangsstrahls16. Dabei ist der Durchmesser der Strahlformungselemente 13 in Längsrichtung konstant.
Der so gebildete Faserkoppler 1 kann als monolithischer Koppler 1 bezeichnet werden, da Faser- und Hauptkörper 3, 4, die eine Segmentation des Koppelkörpers 2 des Kopplers 1 in Ausbreitungsrichtung darstellen, in der beschriebenen Art und Weise optisch gekoppelt sind.
Da der Faserkörper 3 mit den Eingangsfasern einerseits und der Hauptkörper 4 mit den Strahlformungselementen 13 andererseits jeweils als Baugruppen vorgefertigt und anschließend miteinander verbunden werden, kann in vorteilhafter Weise jede Baugruppe nach ihrer Herstellung kontrolliert bzw. überprüft werden. Es kann z.B. geprüft werden, ob die gewünschten optischen Eigenschaften vorliegen. Erst wenn dies der Fall ist, werden die beiden Baugruppen miteinander dauerhaft verbunden. Der so gebildete Faserkoppler 1 weist daher die gewünschten Eigenschaften auf und kann mit einer geringen Ausschußrate hergestellt werden.
Neben der beschriebenen Herstellung des Hauptkörpers 4 können auch mehrere Hauptkörper dadurch hergestellt werden, daß ein Rohling aus z.B. Quarzglas gebildet ist, der Durchgangsbohrungen gemäß den Durchgangsbohrungen 12 aufweist und eine größere Länge in Richtung der Durchgangsbohrungen aufweist als der herzustellende Hauptkörper. In die Bohrungen werden dann z.B. GRIN-Multimode-Fasern eingesetzt und der Rohling mit den eingesetzten GRIN-Multimode-Fasern wird getempert, so daß der gewünschte Formschluß zwischen den Fasern und den Bohrungen erzielt wird. Anschließend wird der Rohling in Segmente mit einer Länge gemäß dem herzustellenden Hauptkörper 4 getrennt (z.B. gesägt) und die Endflächen der GRIN-Multimode-Fasern werden poliert, sofern dies gewünscht und/oder notwendig ist. Die für die angestrebte Eigenschaft des Kopplers erforderliche Länge des Hauptkörpers kann durch geeignete Herstellungs- und Prüfverfahren sichergestellt werden.
In dieser Art und Weise können mehrere Hauptkörper 4 mit Strahlformungselementen 13 vorgefertigt werden.
Wie in 1 und 2 angedeutet ist, kann das gemeinsame Strahlenbündel 18 als Freistrahlenbündel ausgekoppelt werden. Hierzu kann z.B. auf der Endfläche 15 eine Antireflexionsschicht aufgebracht sein.
Ferner ist es möglich, zwischen dem Faser- und Hauptkörper 3, 4 einen Abstandshalter 19 anzuordnen, wie in der Explosionsdarstellung gemäß 5 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform sind gleiche Elemente mit gleichem Bezugszeichen bezeichnet, so daß zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Ein solcher Abstandshalter 19 führt zu dem Vorteil, daß aufgrund der Divergenz der aus den vorderen Endflächen 8 austretenden Eingangsstrahlen 16 das Strahlungsfeld aufgeweitet ist, wenn es auf die Strahlformungselemente 13 trifft. Damit können störende Einflüsse hoher Intensität sowie mögliche ungünstige Einflüsse durch eine Abweichung vom idealen Brechzahlprofil der Strahlformungselemente 13 vermindert werden.
In 6 ist eine weitere Abwandlung des Faserkopplers gemäß 1 bis 4b gezeigt. Bei dieser Abwandlung weist der Faserkoppler 1 noch ein Ausgangselement 20 auf. Das Ausgangselement 20 ist so ausgebildet, daß es die Ausgangsstrahlen 17 fokussiert und überlagert, wobei vorzugsweise der Schnittpunkt der Strahlachsen mit den Strahltaillen der einzelnen Ausgangsstrahlen des so gebildeten gemeinsamen Strahlenbündels 18 zusammenfällt. Das Ausgangselement 20 kann z.B. als GRIN-Linse oder als Quarzglasscheibe ausgebildet sein. Das Ausgangselement 20 kann so ausgelegt sein, daß der Schnittpunkt der Ausgangsstrahlen außerhalb des Ausgangselementes 20 liegt. Gleiches gilt für die Strahltaillen der einzelnen Ausgangsstrahlen des gemeinsamen Strahlenbündels 18. Dabei kann der Schnittpunkt und die Strahltaille in Luft oder in einem weiteren Abstandshalter 21 liegen, der in 7 schematisch dargestellt ist. Natürlich kann das Ausgangselement 20 auch so ausgebildet sein, daß der Schnittpunkt der Ausgangsstrahlen 17 innerhalb des Ausgangselementes 20 liegt. Beispielsweise kann der Schnittpunkt an der den Eingangsfasern 6 abgewandten Endfläche 22 (6) liegen. Gleiches gilt für die Strahltaille der einzelnen Ausgangsstrahlen des gemeinsamen Strahlenbündels 18.
Natürlich können die beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Faserkopplers 1 untereinander kombiniert werden. So ist in 8z.B. eine Kombination der Ausführungsformen gemäß 5 und 6 dargestellt. Ferner kann bei dem Faserkoppler 1 gemäß 8 noch optional ein Abstandhalter 21 gemäß 7 vorgesehen werden.
In 9 ist eine Abwandlung des Faserkopplers 1 gezeigt, bei der das gemeinsame Strahlenbündel 18 direkt in eine lichtführende Struktur, hier eine optische Faser 23, eingekoppelt wird. Dabei wird bei der Ausführungsform von 9 davon ausgegangen, daß der Faserkoppler 1 das in Verbindung mit 6 beschriebene Ausgangselement 20 enthält. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Es können auch alle anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Faserkopplers dazu eingesetzt werden, daß das gemeinsame Strahlenbündel 18 direkt in eine lichtführende Struktur, wie z.B. die optische Faser 23, eingekoppelt wird.
Bei der optischen Faser 23 kann es sich um eine Multimode-Faser handeln, die so ausgelegt ist, daß das gesamte gemeinsame Strahlenbündel 18 in den Kern der Multimode-Faser 23 überkoppelt. Die Multimode-Faser 23 ist vorzugsweise so ausgelegt, daß die Brillanz des gemeinsamen Strahlenbündels 18 bei Führung in der Multimode-Faser 23 weitgehend beibehalten wird.
Bei der optischen Faser 23 kann es sich auch um eine Doppelkernfaser, insbesondere mit einem in einem Multimode-Kern eingebetteten Grundmode-Kern handeln, so daß zentrale Strahlen des gemeinsamen Strahlenbündels 18 in den inneren Grundmode-Kern und die übrigen Strahlen des gemeinsamen Strahlenbündels 18 in den umgebenden Kern gekoppelt werden.
Statt der Ausbildung der optischen Faser 23 mit einem Doppelkern kann die optische Faser 23 auch mit einem zentralen Kern und diesen umgebenden Ringen ausgebildet sein, in die jeweils ein oder mehrere Strahlen des gemeinsamen Strahlenbündels 18 eingekoppelt werden. Die Strahlführung kann dann im Kern und in den Ringen getrennt erfolgen.
Grundsätzlich kann die optische Faser 23 auch so ausgebildet sein, daß sie eine Multikernfaser ist, wobei jedem Ausgangsstrahl 17 des gemeinsamen Strahlenbündels 18 ein Kern der Multikernfaser zugeordnet ist.
Alternativ zu der in Verbindung mit 9 beschriebenen direkten Kopplung in eine optische Faser 23 kann die Kopplung über eine Freistrahlstrecke erfolgen. Diese kann optional abbildende Elemente beinhalten, wie in 10 durch eine schematisch dargestellte Linse 24 angedeutet ist.
Die einzelnen Teile des Koppelkörpers (wie z.B. der Faser- und Hauptkörper 3, 4) weisen typisch Endflächen normal zur Achse auf. Es können jedoch auch abweichende Winkel realisiert werden. Dies kann Vorteile bei unerwünschten Rückreflexen bieten und auch den Einsatz von spektralen Filtern begünstigen. Solche abgeschrägte Endflächen sind häufig besser bearbeitbar und können zu unterschiedlichen Fokuslagen der einzelnen Strahlen des gemeinsamen Strahlenbündels 18 führen.
Die Eingangsfasern 6 und die Strahlformungselemente 13 weisen bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen jeweils einen runden Querschnitt auf und werden im Faser- und Hauptkörper 3, 4 (die jeweils auch als Multikapillare bezeichnet werden können) weitgehend formschlüssig eingebettet. Alternativ können die Eingangsfasern 6 und die Strahlformungselemente 13 auch einen Querschnitt aufweisen, der direkt eine weitgehend formschlüssige Packung erlaubt, so daß das entstehende Bündel in eine Hüllstruktur eingebettet werden kann. Dies ist in 11 schematisch für einen rechteckigen Querschnitt gezeigt, der dann in eine entsprechende Hüllstruktur 25 eingebettet ist. In 12 ist dies für einen hexagonalen Querschnitt schematisch dargestellt.
Es ist auch möglich, daß unterschiedliche Eingangsfasern (z.B. mit unterschiedlicher Querschnittsform und/oder Querschnittsgröße) eingesetzt werden. In diesem Fall sind die zugeordneten Strahlformungselemente 13 mit entsprechender Querschnittsform- und -größe ausgebildet. Dadurch kann der erfindungsgemäße Strahlkoppler 1 gemäß der gewünschten Strahlformung ausgebildet werden.
Der erfindungsgemäße Faserkoppler 1 kann neben den Strahlformungselementen 13 und den Eingangsfasern 6 noch zumindest eine strahlführende Struktur aufweisen. So kann z.B. in dem Hauptkörper 4 statt dem zentralen Strahlführungselement 13 eine zentrale durchgehende strahlführende Indexstruktur 26 eingebettet sein, wie in 13 angedeutet ist. Die zentrale Indexstruktur 26 führt den Eingangsstrahl 16 der zentralen Eingangsfaser 6 bis zum Austrittsende des Faserkopplers 1. Beim Eingangsstrahl 16 der zentralen Eingangsfaser 6 kann es sich z.B. um Signallicht handeln, während die in den Strahlformungselementen 13 geführten Eingangsstrahlen 16 Pumplicht sind. Sollte der Strahlkoppler 1 Abstandshalter 19, 21 oder ein Ausgangselement 20 aufweisen, so erstreckt sich bevorzugt die strahlführende Indexstruktur 26 auch durch diese Elemente.
In 14 ist in einer schematischen Schnittdarstellung eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserkopplers 1 gezeigt.
Im Faserkörper 3 ist zentral eine Eingangsfaser 6’ angeordnet, die von mehreren Eingangsfasern 6 umgeben ist. Jeder der Eingangsfasern 6 ist, wie bei den bisherigen Ausführungsbeispielen, ein Strahlführungselement 13 im Hauptkörper 4 zugeordnet. Wie für die Fasern 6 schematisch im Bereich des Hauptkörpers, des Ausgangselementes 20 und des Abstandshalters 21 gezeigt ist, werden die Ausgangsstrahlen in den äußeren Kern der Doppelkernfaser 23 gekoppelt.
Die in der zentralen Eingangsfaser 6’ geführte Strahlung wird hingegen mittels einem im Hauptkörper 4 angeordneten Strahlführungselement 27 und dem Ausgangselement 20 und dem Abstandshalter 21 in den inneren Kern der Doppelkernfaser 23 eingekoppelt.
Alternativ ist es möglich, die zentrale Eingangsfaser 6’ durch den Faserkörper 3, den Hauptkörper 4, das Ausgangselement 20 und gegebenenfalls durch den Abstandshalter 21 komplett hindurchzuführen, so daß das austrittsseitige Ende der zentralen Faser 6’ am eingangsseitigen Ende der Doppelkernfaser 23 anliegt. Die zentrale Faser 6’ ist in diesem Fall bevorzugt zumindest mit dem Abstandshalter 21 verschmolzen.
Die bereits mehrfach beschriebene Möglichkeit der Individualisierung soll nachfolgend noch kurz in Verbindung mit 15 verdeutlicht werden. Es kann beispielsweise zur Individualisierung ein Rohling 4’ für den Hauptkörper 4 mit verschiedensten Strahlformungselementen 13 und/oder Strahlführungselementen 27 kombiniert werden, wie in 15 schematisch angedeutet ist. Als Strahlführungselemente 27 werden hier solche mit strahlführendem Kern sowie auch solche ohne Kern, in denen die Strahlung dann analog wie in den Abstandskörpern divergiert, bezeichnet. Die in 15 mit 13 bezeichneten Strahlformungselemente sind dabei teilweise kürzer als der Hauptkörper. Die Kombination mit Strahlführungselementen und/oder Abstandselementen bietet neben der Kombination von unterschiedlichen sich über die ganze Länge des Hauptkörpers erstreckenden Elementen in einem Hauptkörper zusätzliches Individualisierungspotenzial. Die Monolithizität wird auch in solchen Ausführungsformen beibehalten, indem die in die Bohrung des Hauptkörpers eingesetzten Kombinationen longitudinal optischen Kontakt aufweisen. Bei der Herstellung von Faserkopplern unter Verwendung solcher serieller Kombinationen aus Strahlformungs- und Strahlführungselementen im Hauptkörper werden dieser seriellen Kombinationen bevorzugt vor dem Einsetzten dieser in den Rohling bereits mechanisch verbunden, beispielsweise entsprechend der bekannten Techniken der optischen Fasertechnologie verspleißt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2071376 A1 [0002]
US 2010/0278486 A1 [0002]
US 2010/0189138 A1 [0002]

Claims

Faserkoppler mit mehreren Eingangsfasern (6), die jeweils einen Eingangsstrahl (16) führen und die die Eingangsstrahlen (16) über ihre nebeneinander liegenden Austrittsenden (5) abgeben, einem Hauptkörper (4), mit dem die nebeneinander liegenden Austrittsenden (5) verbunden sind, und mehreren im Hauptkörper (4) eingebetteten Strahlformungselementen (13) mit örtlich variierender Brechzahl, wobei die Anzahl der Strahlformungselemente (13) gleich der Anzahl der Eingangsfasern (6) ist, jedes Strahlformungselement (13) genau einem Austrittsende (5) einer der Eingangsfasern (6) nachgeordnet ist und den aus dem Austrittsende (5) kommenden Eingangsstrahl (16) als Ausgangsstrahl (17) abgibt, der im Vergleich zum entsprechenden Eingangsstrahl (16) aufgeweitet ist und eine kleinere Divergenz aufweist, und wobei die Ausgangsstrahlen (17) ein gemeinsames Strahlenbündel (18) bilden.
Faserkoppler nach Anspruch 1, bei dem die Eingangsfasern (6) mit ihren Austrittsenden (5) in einem Faserkörper (3) eingebettet sind, der mit dem Hauptkörper (4) verbunden ist.
Faserkoppler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jedes Strahlformungselement (13) den Ausgangsstrahl (17) so abgibt, daß er im Vergleich zum entsprechenden in den Hauptkörper (4) eintretenden Eingangsstrahl aufgeweitet ist und eine kleinere Divergenz aufweist.
Faserkoppler nach einem der obigen Ansprüche, bei dem jedes Austrittsende (5) eine Endfläche (8) aufweist, wobei alle Endflächen (8) in einer Ebene liegen.
Faserkoppler nach einem der obigen Ansprüche, bei dem jedes Strahlformungselement (13) in Längsrichtung einen konstanten Querschnitt aufweist.
Faserkoppler nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zumindest eines der Strahlformungselemente (13) als Gradientenindex-Element ausgebildet ist.
Faserkoppler nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zumindest eines der Strahlformungselemente (13) fokussierend ist.
Faserkoppler nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zumindest eines der Strahlformungselemente (13) im Querschnitt gesehen ein Brechzahlprofil aufweist, das von der Mitte nach Außen hin abnimmt.
Faserkoppler nach einem der obigen Ansprüche, bei dem jedes Strahlformungselement (13) jeweils eine Eintrittsfläche und jedes Austrittsende (5) jeweils eine Endfläche (8) aufweist, wobei die Eintrittsfläche des jeweiligen Strahlformungselements (13) mit der Endfläche des zugeordneten Austrittsendes (5) in direktem Kontakt steht.
Faserkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der zwischen den Austrittsenden (5) und den Strahlformungselementen (13) einen Abstandshalter (19) aufweist.
Faserkoppler nach einem der obigen Ansprüche, der einen den Strahlformungselementen (13) nachgeordneten und mit dem Hauptkörper (4) verbundenen Abstandshalter (20) aufweist.
Faserkoppler nach einem der obigen Ansprüche, der ein den Strahlformungselementen (13) nachgeordnetes fokussierendes Element (20) aufweist.
Faserkoppler nach einem der obigen Ansprüche, bei dem eine Lichtleitfaser (23) mit einem ausgangsseitigen Ende des Hauptkörpers (4) verbunden ist, in die das gemeinsame Strahlenbündel (18) eingekoppelt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Faserkopplers, bei dem mehrere Eingangsfasern mit ihren Austrittsenden in einem Faserkörper so fixiert werden, daß die Austrittsenden, in Draufsicht gesehen, ein erstes Muster bilden, mehrere Strahlformungselemente mit örtlich variierender Brechzahl in einem Hauptkörper so fixiert werden, daß sie, in Draufsicht gesehen, ein zweites Muster bilden, und bei dem der Faserkörper und der Hauptkörper relativ zueinander so ausgerichtet und dann miteinander verbunden werden, daß, in Draufsicht gesehen, jedes Austrittsende mit einem Strahlformungselement zumindest teilweise überlappt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Austrittsenden zum Fixieren im Faserkörper direkt und/oder über den Faserkörper miteinander verschmolzen werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Strahlformungselemente zum Fixieren im Hauptkörper direkt und/oder über den Hauptkörper miteinander verschmolzen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der Faser- und Hauptkörper zum Verbinden gebonded werden.