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Fachgebiet
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- Einkopplung in Lichtleiter.
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Patenklassenvorschlag
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- G02B Optische Elemente, Systeme oder Geräte
- .G02B6 Lichtleiter; Strukturelle Einzelheiten von Anordnungen
- .G02B6/42 Verbinden von Lichtleitern mit opto-elektronischen Bauelementen
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Technisches Feld der Erfindung
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Zu Grunde liegende Aufgabe
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In vielen Anwendungsfällen werden einfarbige/monochromatische Lichtquellen benötigt. Wenn diese in Verbindung mit Lichtleitern/optischen Fasern verwendet werden sollen, so müssen die Lichtquellen in Form und Größe zu den Dimensionen der Lichtleiter passen und so beschaffen sein, dass möglichst viel Licht/Strahlung von dieser Quelle in den lichtleitenden Bereich, beschränkt durch den sog. Kerndurchmesser und den sog. Akzeptanzwinkel, eingekoppelt werden kann. Eine spezielle Ausführungsform von optischen Fasern können sog. polymer-optische Fasern (POF) aus PMMA sein mit typischem Kerndurchmesser von 1 mm und einem Akzeptanzwinkel von ±30°. Für derartige Fasern hat die spektrale Dämpfung ihr absolutes Minimum bei 570 nm (1), erlaubt daher die maximale möglichen Übertragungslängen, jedoch gibt es bei dieser Wellenlänge derzeit keine geeigneten Lichtquellen.
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Aufgabe der Erfindung
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Einkopplung von Licht in eine Lichtleitfaser, wobei die Strahlführung zur Einkopplung und die Wellenlängenkonvertierung auf den Bereich geringster Faserdämpfung innerhalb einer einzigen Vorrichtung optimal gelöst werden.
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Stand der Technik
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Einfarbiges Licht lässt sich auf verschiedene Arten erzeugen:
Man nimmt eine breitbandige z. B. weiße Lichtquelle und schränkt den verwendeten spektralen Bereich durch ein schmalbandiges Filter ein, oder man verwendet eine von Hause aus spektral schmale Lichtquelle wie z. B. eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode.
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Bekannt sind auch sog. phosphor-konvertierte LEDs welche mit einer z. B. blau emittierenden LED einen Leuchtstoff bestrahlen, der seinerseits durch Phosphoreszenz eine zusätzliche Strahlung mit Schwerpunkt im gelben Bereich erzeugt, die im Gemisch mit der ursprünglichen blauen Strahlung, weißes Licht erzeugt. Dabei gibt es auch Leuchtstoffe, die die blaue Strahlung komplett absorbieren und nur die konvertierte Strahlung nach außen treten lassen.
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Alternativ kann man auch einen Lichtleiter verwenden, der mit Fluoreszenzfarbstoffen dotiert ist, die bei einer bestimmten Wellenlänge (z. B. von einer blauen LED) angeregt, d. h. zum Leuchten gebracht werden, und mit ihrer jeweiligen Farbe um einige 10 nm gegenüber der Anregung in den längerwelligen Teil des Spektrums verschoben wieder emittieren.
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Für die Einkopplung von Licht in Lichtleitfasern ist ein breiter Stand der Technik bekannt. So werden z. B. in
US 6 227 682 und
US 6 739 726 Reflektorsysteme dargestellt, welche paraboloide oder parabolische Reflektorelemente nutzen, um Licht einer zugeordneten Lichtquelle zu sammeln.
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Mit dem Ziel, möglichst viel der von der Lichtquelle abgestrahlten Energie zu sammeln, offenbart die
US 6 144 536 im wesentlichen eine Ulbricht-Kugel mit darin integrierter, im wesentlichen der Form der Kugel angepasster Strahlungsquelle. Zur Lichtauskopplung weist die Kugel eine Öffnung auf, welcher ein lichtleitendes Element zur Auskopplung des Lichtes zugeordnet ist.
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In
EP 1 007 993 wird eine zweifarbige LED als Lichtquelle beschrieben, welche eine Anregung durch Laserdioden ersetzen soll. Das Lichtemissionsmaterial der LED ist in einem Schalen-förmigen Reflektor untergebracht. Weitere Linsensystem kollimieren das Licht zur Einleitung in eine optische Faser.
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Die
EP 2 051 118 nutzt mindestens zwei aspherische Linsen, um mehrere LED-Lichtquellen auf einen Lichtleiter zu fokussieren.
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Eine LED mit Wellenlängen-Konverter ist in
EP 1 411 558 beschrieben.
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Bisherige Lösungsversuche und dabei auftretende, technische Probleme
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Die Verwendung von schmalbandigen Filtern führt i. d. R zu einem schlechten Wirkungsgrad, denn es wird ein Großteil der Leistung verworfen. Zudem sind Filter teuer und müssen extra angefertigt und montiert werden
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Bei der Verwendung einer von Hause aus spektral schmalen Lichtquelle ist derzeit die Auswahl an verschiedenen Wellenlängen immer noch beschränkt; speziell im gelben Spektralbereich um 570 nm sind die Wirkungsgrade der entsprechenden LEDs deutlich kleiner als im Roten oder Blauen. Zudem ist die Einkopplung von LEDs in Lichtleiter wegen der LED Abstrahlcharakteristik aufwendig und meist nur mit kleinen Wirkungsgraden typisch unter 25% machbar. Laserdioden (LD) gibt es derzeit bei 570 nm noch keine.
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Bei phosphor-konvertierten LEDs beruht die konvertierte Strahlung meist auf Phosphoreszez, ist also wegen der damit verbundenen hohen Nachleuchtdauer für schnelle Modulation nicht geeignet. Außerdem ist die spektrale Breite der konvertierten Strahlung bei den bekannten LEDs enorm hoch und deutlich breiter als der spektral deutlich schmälere Bereich in dem sich das Dämpfungsminimum der Faser befindet.
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Bei der Verwendung eines Lichtleiters, der mit Fluoreszenzfarbstoffen dotiert ist, wird die konvertierte Strahlung im Lichtleiter isotrop emittiert und nur der Teil davon im Lichtleiter geführt, der innerhalb des inneren Akzeptanzwinkels abgestrahlt wird. Dieser geringe Anteil beträgt für die o. g. POF, die einen für optische Fasern schon großen Akzeptanzwinkel hat, in beide Richtungen, also zum vorderen und hinteren Faserende nur jeweils ca. 5% (sog. piping efficiency). Ein technisches Problem dabei ist auch, dass der Leuchtstoff üblicherweise bei der Faserherstellung eingebracht werden muss und bei den hohen Temperaturen, wie sie beim Ziehen der Faser auftreten, zerstört werden kann.
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Lösung der Aufgabe der Erfindung
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Der hier vorgestellte Vorschlag zur Lösung der Aufgabe beruht auf Wellenlängenkonversion von kurzwelliger Strahlung aus einem Halbleiter-Bauelement, jedoch mit folgenden Unterschieden:
Die konvertierte Strahlung beruht auf Fluoreszenz mit deutlich kürzeren Nachleuchtdauern im Bereich um/unter 1 ns. Derartige LED-Konfigurationen sind schon bekannt [1]. Als Fluoreszenz-Medien kommen (an-)organische Farbstoffe oder sog. Quantum Dots in Frage
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Die Farbumsetzung erfolgt durch Bestrahlung eines Konverters der sich innerhalb einer geeigneten Reflektoranordnung befindet. Der Konverter muss nicht zwangsläufig fest im LED Gehäuse untergebracht sein. Der bei der Bestrahlung vorteilhafterweise verwendete Reflektor kann u. a. ein Ellipsoid, Paraboloid oder ein CPC (compound parabolic concentrator) sein, er kann aus transparentem Vollmaterial sein oder auch als Hohlkörper ausgeführt werden. Der Reflektor gewährleistet, dass ein Großteil der konvertierten Strahlung so umgelenkt wird, dass er in eine anschließende Faser geführt werden kann.
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Prinzipieller schematischer Aufbau
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Der prinzipielle schematische Aufbau gemäß der vorgeschlagenen Lösung wird in 2 am Beispiel eines parabolischen Reflektors gezeigt, in dessen Brennpunkt sich die kleine mit Farbstoff dotierte Einheit befindet, die das Licht der Primärlichtquelle in den gewünschten Wellenlängen-Bereich konvertiert. Das konvertierte Licht wird über den entsprechend dimensionierten Reflektor so umgelenkt, dass es bevorzugt in den Akzeptanzbereich den anstoßenden POF landet. Die Primärlichtquelle kann eine LED oder eine LD sein.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung weist einen einfachen Aufbau auf, der in 3 hinsichtlich seiner optischen Eigenschaften simuliert wurde.
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Bildunterschriften:
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1: Spektrale Dämpfungskurve einer PMMA POF (gestrichelt) mit geeigneten Anregungs- (A) und Emissionswellenlängen (E). Über der Wellenlänge in nm ist gestrichelt die Dämpfung in db/km aufgetragen. Monofrequente Anregungen A führen zu Emissionsspektren E.
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Anmerkung: Bei der 1 handelt es sich um die Darstellung des Standes der Technik, wie sie z. B. zu finden ist in „POF-Handbuch: Optische Kurzstrecken-Übertragungssysteme" (von Olaf Ziemann, Jürgen Krauser, Werner Daum, Peter E. Zamzow, ISBN 978-3-540-49093-7, Abbildung 6.101 in Abschnitt 6.3.3. auf Seite 472)
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2: Der prinzipielle schematische Aufbau gemäß der vorgeschlagenen Lösung wird am Beispiel eines parabolischen Reflektors (1) gezeigt, in dessen Brennpunkt (2) sich die kleine mit Farbstoff dotierte Einheit (3) mit dem Matrixpolymer befindet, die das Licht der Laserdiode (4) in den gewünschten Wellenlängen-Bereich konvertiert. Das konvertierte Licht wird über den entsprechend dimensionierten Reflektor so umgelenkt, dass es bevorzugt in den Akzeptanzbereich den anstoßenden POF (5) landet. Die Primärlichtquelle (4) kann eine LED oder eine LD sein.
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3: Optische Simulation der vorgeschlagenen Vorrichtung anhand eines einfachen Aufbaus: Mit einem Ray-Tracing Programm beispielhaft gerechneter Verlauf von Strahlen, die von einer kugelförmigen Quelle (6) am schmalen Ende eines CPC (7) in eine anschließende optische Faser (8) mit hoher Effizienz eingekoppelt werden. Die nach hinten emittierte Strahlung wird über einen weiteren, hier in erster Näherung halbkugelförmig angenommenen Reflektor (9) ebenfalls zurück in die Richtung Faser umgelenkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6227682 [0006]
- US 6739726 [0006]
- US 6144536 [0007]
- EP 1007993 [0008]
- EP 2051118 [0009]
- EP 1411558 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Optische Kurzstrecken-Übertragungssysteme” (von Olaf Ziemann, Jürgen Krauser, Werner Daum, Peter E. Zamzow, ISBN 978-3-540-49093-7, Abbildung 6.101 in Abschnitt 6.3.3. auf Seite 472) [0020]
