DE102021210825B4

DE102021210825B4 - OPTICAL WAVEGUIDE SECTION, DEVICE FOR OPTICAL APPLICATIONS, SPECTROMETER SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING OPTICAL WAVEGUIDE SECTION

Info

Publication number: DE102021210825B4
Application number: DE102021210825.3A
Authority: DE
Inventors: Philip Erik Gühlke; Jan Christian Koch; Wolfgang Schippers; Christian Waltermann
Original assignee: Fisens GmbH
Current assignee: Fisens GmbH
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2023-05-25
Anticipated expiration: 2041-09-29
Also published as: DE102021210825A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiterabschnitt, Vorrichtungen für optische Anwendungen, ein Spektrometersystem und ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterabschnitts. Der optische Wellenleiterabschnitt umfasst einen Lichtleiter und eine Vielzahl länglicher Streustrukturen, die in Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse angeordnet sind. Jede längliche Streustruktur hat eine lange Achse und eine kurze Achse, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse ist, die sich in einem Querschnitt des Lichtleiters befindet und einer Richtung entspricht, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist. Die Anordnung länglicher Streustrukturen streut Licht, das den Lichtleiter in Richtung der Lichtausbreitungsachse durchläuft, in verschiedene Richtungen, wobei die länglichen Streustrukturen in den Ebenen so angeordnet und voneinander beabstandet sind, dass eine konstruktive Interferenz in einem ausgewählten Wellenlängenbereich erzielt wird.The present invention relates to an optical waveguide section, devices for optical applications, a spectrometer system and a method for manufacturing an optical waveguide section. The optical waveguide section includes a light guide and a plurality of elongated scattering structures arranged in planes parallel to the light propagation axis. Each elongate scattering structure has a long axis and a short axis that is substantially perpendicular to the long axis that is in a cross section of the light guide and corresponds to a direction that is substantially perpendicular to the light propagation axis. The arrangement of elongate scattering structures scatters light passing through the light guide in the direction of the light propagation axis in different directions, the elongate scattering structures being arranged and spaced apart in the planes so that constructive interference is achieved in a selected wavelength range.

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

Die vorliegende Anmeldung betrifft einen optischen Wellenleiterabschnitt, Vorrichtungen für optische Anwendungen, ein Spektrometersystem und ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterabschnitts, und insbesondere einen optischen Wellenleiterabschnitt, der einen Lichtleiter mit einem ersten Brechungsindex und längliche Streustrukturen mit einem zweiten Brechungsindex umfasst.The present application relates to an optical waveguide section, devices for optical applications, a spectrometer system and a method for manufacturing an optical waveguide section, and in particular to an optical waveguide section comprising an optical waveguide having a first refractive index and elongated scattering structures having a second refractive index.

Hintergrundbackground

Für verschiedene Anwendungen in der Faseroptik und insbesondere in der Sensortechnologie mit Faseroptikbasierten Vorrichtungen ist es wünschenswert, Licht effizient in einen Wellenleiter ein- oder auszukoppeln.For various applications in fiber optics and in particular in sensor technology with fiber optic based devices, it is desirable to efficiently couple light into or out of a waveguide.

Wellenlängenselektive Reflexion und Lichtkopplung können mit optischen Bragg-Gittern, wie z.B. einem Faser-Bragg-Gitter (FBG), erreicht werden.Wavelength-selective reflection and light coupling can be achieved with optical Bragg gratings, such as a fiber Bragg grating (FBG).

Ein FBG ist eine Art verteilter Bragg-Reflektor in einer optischen Faser, der ausgewählte Wellenlängen des Lichts reflektiert und andere durchlässt. Der Aufbau des Bragg-Gitters besteht aus einer periodischen Veränderung des Brechungsindex des Faserkerns, wobei durch ausgewählte Interferenzen ein wellenlängenspezifischer dielektrischer Spiegel entsteht. Ein FBG kann somit als optischer Filter fungieren, der bestimmte Wellenlängen blockiert/reflektiert. Das in einer Faser gebildete Bragg-Gitter belegt üblicherweise ein kleines Segment der Faser mit einer Länge im Bereich von einem Millimeter bis zu mehreren Zentimetern. An FBG is a type of distributed Bragg reflector in an optical fiber that reflects selected wavelengths of light and transmits others. The structure of the Bragg grating consists of a periodic change in the refractive index of the fiber core, with selected interferences resulting in a wavelength-specific dielectric mirror. An FBG can thus act as an optical filter that blocks/reflects certain wavelengths. The Bragg grating formed in a fiber typically occupies a small segment of the fiber, ranging in length from one millimeter to several centimeters.

Um Licht einer bestimmten Wellenlänge aus dem Wellenleiter auszukoppeln, können optische Faser-Bragg-Gitter verwendet werden, bei denen der Brechungsindex entlang der optischen Achse oder der Lichtausbreitungsachse des Wellenleiters, z.B. einer optischen Faser, nicht gleichmäßig über die Breite der Faser variiert, sondern die Variation des Brechungsindex in einem Winkel zwischen der optischen Achse und einer dazu senkrecht stehenden Achse verläuft. Daher werden solche Gitter als gekippte Faser-Bragg-Gitter bezeichnet. Der Kippwinkel muss ausreichend groß gewählt werden, damit das Licht mit einer Wellenlänge, die die Bragg-Bedingung erfüllt, aus dem Wellenleiter austreten kann. Die resultierende Reflexion ist jedoch polarisationsabhängig, so dass nur das in der Ebene des Gitters linear polarisierte Licht reflektiert wird. Dementsprechend ist ein solches Gitter zwar wellenlängen- und polarisationsselektiv, aber nicht sehr effizient.In order to couple out light of a certain wavelength from the waveguide, optical fiber Bragg gratings can be used, in which the refractive index along the optical axis or the light propagation axis of the waveguide, e.g. an optical fiber, does not vary uniformly over the width of the fiber, but rather the Variation of the refractive index runs at an angle between the optical axis and an axis perpendicular thereto. Therefore, such gratings are called canted fiber Bragg gratings. The tilt angle must be chosen large enough so that the light with a wavelength that satisfies the Bragg condition can exit the waveguide. However, the resulting reflection is polarization-dependent, so that only light that is linearly polarized in the plane of the grating is reflected. Accordingly, although such a grating is wavelength and polarization selective, it is not very efficient.

Dispersive Streuung von Licht an/in Gittern ist ebenfalls bekannt, aber üblicherweise unerwünscht, da sie zu einer Abschwächung des Lichts beim Durchgang durch den Wellenleiter führt. Besonders starke Verluste durch diffraktive Streuung sind bei Gittern vom Typ II zu beobachten, die mit UV-Lasern hoher Intensität oder Femtosekundenlasern beschrieben werden, die beide oberhalb des Schadensschwellwertes von Glas arbeiten. Zum Beispiel kann ein Femtosekundenlaser verwendet werden, um ein Gitter Punkt für Punkt mit einer Pulsenergie von etwa 0,1 pJ oder mehr und einer Pulsdauer von etwa 100 fs zu schreiben.Dispersive scattering of light on gratings is also known, but is usually undesirable because it causes light to attenuate as it travels through the waveguide. Particularly large diffractive scattering losses are observed in Type II gratings written with high intensity UV lasers or femtosecond lasers, both operating above the damage threshold of glass. For example, a femtosecond laser can be used to write a grating point by point with a pulse energy of about 0.1 pJ or more and a pulse duration of about 100 fs.

Durch eine genauere Untersuchung der Streuung von Gittern kam der Erfinder zu dem Schluss, dass der üblicherweise unerwünschte Streueffekt, der durch Mängel in beschädigten Fasern entsteht, für optische Anwendungen genutzt werden könnte, indem das Gitter gemäß den Anforderungen konstruiert wird, so dass eine Vereinfachung und Miniaturisierung optischer Apparate möglich ist. Dementsprechend wurden Simulationen und Experimente ausgeführt, bei denen Streuzentren in der Größenordnung von oder kleiner als die betrachtete Wellenlänge selektiv in einen Wellenleiter eingebracht wurden und die daraus resultierenden Muster aus Lichtstreuung analysiert wurden.By examining the scattering of gratings in more detail, the inventor came to the conclusion that the usually undesirable scattering effect that arises from imperfections in damaged fibers could be exploited for optical applications by designing the grating according to the requirements, allowing a simplification and Miniaturization of optical devices is possible. Accordingly, simulations and experiments were carried out in which scattering centers of the order of or smaller than the wavelength under consideration were selectively introduced into a waveguide and the resulting patterns of light scattering were analyzed.

Da der Effekt, der bei solchen Streuzentren dieser Größe hauptsächlich auftritt, Mie-Streuung ist, die weitgehend isotrop ist und von sich aus keine Vorzugsrichtung erzeugt, ist es eine Herausforderung, ein anisotropes Verhalten des gestreuten Lichts zu erzeugen. Insbesondere ist es daher schwierig, Licht effizient in einen Wellenleiter ein- oder auszukoppeln.Since the main effect that occurs with such scattering centers of this size is Mie scattering, which is largely isotropic and does not inherently produce a preferred direction, it is a challenge to produce anisotropic behavior of the scattered light. In particular, it is therefore difficult to efficiently couple light into or out of a waveguide.

A. RAHNAMA et al. beschreibt ein „2D filament grating array: enabling an efficient, high resolution lens-less all-fiber spectrometer“ in Proceedings of SPIE 11676, Frontiers in Ultrafast Optics: Biomedical, Scientific, and Industrial Applications XXI, 116760Y, 29.03.2021, 1-7. - ISSN doi: 10.1117/12.2581898.A. RAHNAMA et al. describes a "2D filament grating array: enabling an efficient, high resolution lens-less all-fiber spectrometer" in Proceedings of SPIE 11676, Frontiers in Ultrafast Optics: Biomedical, Scientific, and Industrial Applications XXI, 116760Y, 03/29/2021, 1- 7. - ISSN doi: 10.1117/12.2581898.

US 2021/0181021 A1 beschreibt eine Vorrichtung für optische Anwendungen, Spektrometersystem und Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung. U.S. 2021/0181021 A1 describes a device for optical applications, a spectrometer system and a method for producing such a device.

ZusammenfassungSummary

Ziel ist es daher, einen neuartigen optischen Wellenleiterabschnitt, Vorrichtungen für optische Anwendungen, die einen solchen optischen Wellenleiterabschnitt verwenden, ein Spektrometersystem und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.Therefore, the aim is to provide a novel optical waveguide section, devices for optical applications using such an optical waveguide section, a spectrometer system and to provide a method for its manufacture.

Dies wird erreicht durch die unabhängigen Ansprüche.This is achieved by the independent claims.

Gemäß einem Beispiel umfasst ein optischer Wellenleiterabschnitt einen Lichtleiter mit einem ersten Brechungsindex, der konfiguriert ist, um Licht in Richtung einer Lichtausbreitungsachse zu leiten, und einer Vielzahl länglicher Streustrukturen mit einem zweiten Brechungsindex. Die Vielzahl länglicher Streustrukturen ist in mindestens zwei Ebenen parallel zu der Lichtausbreitungsachse angeordnet. Jede längliche Streustruktur hat eine lange Achse und eine kurze Achse, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse ist. Die lange Achse liegt in einem Querschnitt des Lichtleiters und entspricht einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist, so dass Licht, das in Richtung der Lichtausbreitungsachse durch den Lichtleiter läuft, von den länglichen Streustrukturen in verschiedene Richtungen gestreut wird. Insbesondere sind die länglichen Streustrukturen in den mindestens zwei Ebenen so angeordnet und voneinander beabstandet, dass in einer Hauptstreurichtung eine konstruktive Interferenz in einem ausgewählten Wellenlängenbereich erzielt wird. Die Hauptstreurichtung unterscheidet sich von einer Richtung der Lichtausbreitungsachse. Dementsprechend kann ein optischer Wellenleiterabschnitt bereitgestellt werden, der eine effiziente Lichtauskopplung ermöglicht.According to one example, an optical waveguide section includes a light guide having a first index of refraction configured to direct light toward a light propagation axis and a plurality of elongated scattering structures having a second index of refraction. The multiplicity of elongate scattering structures are arranged in at least two planes parallel to the light propagation axis. Each elongated scattering structure has a long axis and a short axis that is substantially perpendicular to the long axis. The long axis lies in a cross section of the light guide and corresponds to a direction substantially perpendicular to the light propagation axis, so that light passing through the light guide in the direction of the light propagation axis is scattered in different directions by the elongated scattering structures. In particular, the elongated scattering structures are arranged in the at least two planes and spaced apart from one another in such a way that constructive interference is achieved in a main scattering direction in a selected wavelength range. The main scattering direction differs from a direction of the light propagation axis. Accordingly, an optical waveguide section that enables efficient light extraction can be provided.

Gemäß einem vorteilhaften Beispiel ist die Vielzahl länglicher Streustrukturen in mindestens drei Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse angeordnet. In diesem Fall kann die mittlere Ebene die Lichtausbreitungsachse umfassen. Durch die Erhöhung der Anzahl der Ebenen kann die Intensitätsverteilung des gestreuten Lichts besser definiert werden, so dass die Effizienz weiter verbessert werden kann.According to an advantageous example, the multiplicity of elongate scattering structures are arranged in at least three planes parallel to the light propagation axis. In this case, the median plane may include the light propagation axis. By increasing the number of levels, the intensity distribution of the scattered light can be better defined, so that the efficiency can be further improved.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel liegt eine lange Achse einer langgestreckten Streustruktur jeder Ebene im Querschnitt des Lichtleiters. Diese langen Achsen der länglichen Streustrukturen der Ebenen sind im Wesentlichen parallel zueinander. Mit anderen Worten, der Querschnitt umfasst eine lange Achse einer länglichen Streustruktur jeder Ebene und die langen Achsen sind vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Vorzugsweise haben die langen Achsen einen Abstand von einem oder mehreren Vielfachen der Wellenlänge des Lichts zueinander, d.h. einen Abstand, der durch ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge angenähert wird. Dementsprechend wird eine konstruktive Interferenz von Licht eines Wellenlängenbereichs (mit einer gewünschten zentralen Wellenlänge) erreicht und eine Kopplung mit hoher Effizienz außerhalb des optischen Wellenleiters erzielt.According to a further advantageous example, a long axis of an elongate scattering structure of each plane lies in the cross-section of the light guide. These long axes of the elongated plane scattering structures are essentially parallel to each other. In other words, the cross-section includes a long axis of an elongate scattering structure of each plane, and the long axes are preferably arranged substantially parallel to each other. Preferably, the long axes are spaced by one or more multiples of the wavelength of the light, i.e., a spacing approximated by an integer multiple of the wavelength. Accordingly, constructive interference of light of a wavelength range (having a desired center wavelength) is achieved and high-efficiency coupling is achieved outside the optical waveguide.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel werden mehrere längliche Streustrukturen mit ihren langen Achsen im Wesentlichen parallel zueinander in jeder Ebene angeordnet. Je mehr Streustrukturen in jeder Ebene in Lichtausbreitungsrichtung bereitgestellt werden, desto mehr Licht wird beeinflusst, das sich in Lichtausbreitungsrichtung ausbreitet, und es kann eine höhere Intensität des gestreuten Lichts erzielt werden.According to a further advantageous example, several elongate scattering structures are arranged with their long axes substantially parallel to each other in each plane. The more scattering structures provided in each plane in the light propagation direction, the more light that propagates in the light propagation direction is affected, and a higher intensity of scattered light can be obtained.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel sind die Abstände zwischen den langen Achsen der länglichen Streustrukturen in Richtung der Lichtausbreitungsachse in jeder Ebene gleich groß, d.h. es ist ein periodischer Abstand vorhanden. Dies ermöglicht ein Streugitter, das wellenlängenempfindlich ist und somit Licht unterschiedlicher Wellenlängen in entsprechend unterschiedliche Richtungen aus-/einkoppeln kann.According to a further advantageous example, the distances between the long axes of the elongate scattering structures in the direction of the light propagation axis are equal in each plane, i.e. there is a periodic distance. This enables a scattering grating that is wavelength-sensitive and can thus couple out/in light of different wavelengths in correspondingly different directions.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel liegen die Abstände zwischen den langen Achsen der länglichen Streustrukturen in Richtung der Lichtausbreitungsachse in der Größenordnung von oder kleiner als die lange Achse und/oder größer als die halbe Wellenlänge des Lichts und kleiner als das 1,5-fache der Wellenlänge des Lichts. Zum Beispiel können bei Abständen, die zwischen dem 0,5-0,6-fachen der Wellenlänge liegen, optische Funktionen wie die Fokussierung realisiert werden. Dementsprechend ist der Wellenleiterabschnitt mit der Vielzahl länglicher Streustrukturen nicht auf periodisch angeordnete Strukturen in einer Ebene beschränkt, sondern die Abstände zwischen den Strukturen können so gewählt und gestaltet werden, dass Streuung oder Beugung an den Strukturen zu Interferenzeffekten führt, die optischen Linsenfunktionen entsprechen.According to another advantageous example, the distances between the long axes of the elongated scattering structures in the direction of the light propagation axis are of the order of or less than the long axis and/or greater than half the wavelength of the light and less than 1.5 times the wavelength of the light. For example, optical functions such as focusing can be implemented at distances between 0.5-0.6 times the wavelength. Accordingly, the waveguide section with the multiplicity of elongated scattering structures is not limited to periodically arranged structures in one plane, but the distances between the structures can be chosen and designed such that scattering or diffraction at the structures leads to interference effects that correspond to optical lens functions.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel liegt die lange Achse in der Größenordnung von oder größer als das Doppelte der Wellenlänge des im Lichtleiter geführten Lichts und die kurze Achse in der Größenordnung von oder kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Dementsprechend wird viel mehr Licht in einer Hauptstreuebene gestreut, einer Ebene, die durch eine Achse definiert ist, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse und zur Lichtausbreitungsachse steht, z.B. entspricht die lange Achse der Normalen der Hauptstreuebene.According to another advantageous example, the long axis is of the order of or greater than twice the wavelength of the light guided in the light guide and the short axis is of the order of or less than the wavelength of the light. Accordingly, much more light is scattered in a principal scattering plane, a plane defined by an axis substantially perpendicular to the long axis and the light propagation axis, e.g., the long axis is normal to the principal scattering plane.

Zum Beispiel wird eine Nebenstreuebene durch die lange Achse und die Lichtausbreitungsachse definiert.For example, a side scattering plane is defined by the long axis and the light propagation axis.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel umfasst jede längliche Streustruktur eine Vielzahl von Streupartikeln. Dementsprechend bilden eine Vielzahl einzelner Streuzentren das resultierende Streumuster der länglichen Streustruktur. Zum Beispiel sind im Volumen der länglichen Streustruktur Streupartikel in der Größenordnung von 100 bis 1000 enthalten, was als ein übergeordnetes Streusystem angesehen werden kann.According to a further advantageous example, each elongated scattering structure comprises a multiplicity of scattering particles. Accordingly form a Large number of individual scattering centers the resulting scattering pattern of the elongated scattering structure. For example, scattering particles in the order of 100 to 1000 are contained in the volume of the elongated scattering structure, which can be regarded as a superordinate scattering system.

Vorzugsweise hat jedes Streupartikel eine Größe in der Größenordnung von oder kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Gemäß diesem Beispiel ist die Mie-Streuung die dominierende Streuung.Preferably, each scattering particle has a size on the order of or smaller than the wavelength of the light. According to this example, Mie scattering is the dominant scattering.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel hat jede längliche Streustruktur eine Form, die einem Ellipsoid oder einem Zylinder mit langer und kurzer Achse nahekommt. Dementsprechend lassen sich unterschiedliche Strukturen realisieren, die insgesamt zu ähnlich vorteilhaften Streueffekten führen. Selbstverständlich können auch andere längliche Streustrukturen zwischen der Form eines Ellipsoids und eines Zylinders verwendet werden.According to another advantageous example, each elongated scattering structure has a shape close to an ellipsoid or a cylinder with long and short axes. Accordingly, different structures can be realized which, overall, lead to similarly advantageous scattering effects. Of course, other elongated scattering structures between the shape of an ellipsoid and a cylinder can also be used.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel ist der Querschnitt des Lichtleiters im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse oder in einem Winkel von kleiner als 90 Grad zur Lichtausbreitungsachse. Dementsprechend kann die Richtung der Streuebene zu einem Detektor oder Sender modifiziert werden, so dass für das aus dem Wellenleiter austretende Licht andere Winkel als 90 Grad gewählt werden können.According to another advantageous example, the cross-section of the light guide is essentially perpendicular to the light propagation axis or at an angle of less than 90 degrees to the light propagation axis. Accordingly, the direction of the scattering plane to a detector or transmitter can be modified so that angles other than 90 degrees can be chosen for the light exiting the waveguide.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel ist eine erste Gruppe von mindestens zwei Ebenen auf einer Seite des Lichtleiters angeordnet und eine zweite Gruppe von mindestens zwei weiteren Ebenen auf der gegenüberliegenden anderen Seite des Lichtleiters, wobei der Abstand zwischen den beiden Gruppen um ein Vielfaches größer ist als die Abstände zwischen den mindestens zwei Ebenen in jeder Gruppe. Da der Intensitätsgradient von Licht, das sich durch einen Wellenleiter ausbreitet, an der Seite des Lichtleiters größer ist als in der Mitte, erfährt das Licht effektiv kleinere Streustrukturen.According to another advantageous example, a first group of at least two levels is arranged on one side of the light guide and a second group of at least two other levels on the opposite other side of the light guide, the distance between the two groups being many times greater than that Distances between the at least two levels in each group. Since the intensity gradient of light propagating through a waveguide is greater at the side of the light guide than at the center, the light effectively experiences smaller scattering structures.

Gemäß einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung für optische Anwendungen den optischen Wellenleiterabschnitt eines der obigen Absätze und einen Empfänger, der an einer Seite und außerhalb des optischen Wellenleiterabschnitts angeordnet ist, wobei der Empfänger so angeordnet ist, dass er Licht empfängt, das von der Vielzahl länglicher Streustrukturen in einer Streurichtung gestreut wird, die in einer Hauptstreuebene liegt. Dementsprechend kann eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die es ermöglicht, Licht aus einem optischen Wellenleiterabschnitt effizient auszukoppeln und das Licht an der Seite des Wellenleiterabschnitts unter einem bestimmten Winkel in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse des Wellenleiters zu empfangen.According to one example, an apparatus for optical applications comprises the optical waveguide section of any of the above paragraphs and a receiver arranged to one side and outside of the optical waveguide section, the receiver being arranged to receive light emitted by the plurality of elongate scattering structures is scattered in a scattering direction that lies in a main scattering plane. Accordingly, an apparatus can be provided which makes it possible to efficiently extract light from an optical waveguide section and receive the light at the side of the waveguide section at a certain angle with respect to the light propagation axis of the waveguide.

Gemäß einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung für optische Anwendungen den optischen Wellenleiterabschnitt eines der obigen Absätze und einen an einer Seite und außerhalb des optischen Wellenleiters angeordneten Sender, wobei der Sender so angeordnet ist, dass er Licht an die Vielzahl länglicher Streustrukturen in einer Streurichtung überträgt, die in einer Hauptstreuebene liegt. Die Streurichtung hat einen Streuwinkel in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse. Dementsprechend kann eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die eine effiziente Einkopplung von Licht in einen optischen Wellenleiterabschnitt ermöglicht, indem das Licht auf den Wellenleiter, insbesondere auf den Wellenleiterabschnitt mit der Vielzahl länglicher Streustrukturen in einem bestimmten Winkel in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse des Wellenleiters gesendet wird.According to one example, an apparatus for optical applications comprises the optical waveguide section of any of the above paragraphs and a transmitter arranged on one side and outside of the optical waveguide, the transmitter being arranged to transmit light to the plurality of elongate scattering structures in a scattering direction which lies in a main scattering plane. The scattering direction has a scattering angle with respect to the light propagation axis. Accordingly, a device can be provided that enables efficient coupling of light into an optical waveguide section by sending the light onto the waveguide, in particular onto the waveguide section with the plurality of elongated scattering structures, at a certain angle with respect to the light propagation axis of the waveguide.

Gemäß einem Beispiel wird ein Spektrometersystem bereitgestellt, das die oben erwähnte Vorrichtung und einen Lichteinkoppler umfasst, wobei das in das Spektrometersystem eingespeiste Licht durch den Lichteinkoppler in den optischen Wellenleiterabschnitt eingekoppelt wird, um das Licht entlang der Lichtausbreitungsachse zu leiten. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Spektrometersystem mit einer geringen Größe realisiert werden.According to an example, there is provided a spectrometer system comprising the above-mentioned device and a light coupler, wherein the light input into the spectrometer system is coupled into the optical waveguide section by the light coupler to guide the light along the light propagation axis. According to another embodiment, a small-sized spectrometer system can be realized.

Gemäß einem Beispiel umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterabschnitts das Bereitstellen eines optischen Wellenleiters, der einen Lichtleiter mit einem ersten Brechungsindex umfasst, der konfiguriert ist zum Leiten von Licht in Richtung einer Lichtausbreitungsachse, und das Fokussieren eines gepulsten Laserstrahls in den Lichtleiter, um eine Vielzahl länglicher Streustrukturen bereitzustellen, die einen zweiten Brechungsindex haben und in mindestens zwei Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse konfiguriert sind und so angeordnet und voneinander getrennt sind, dass konstruktive Interferenz eines ausgewählten Wellenlängenbereichs in einer Hauptstreurichtung erhalten wird. Die Hauptstreurichtung unterscheidet sich von einer Richtung der Lichtausbreitungsachse. Jede längliche Streustruktur ist so hergestellt, dass sie eine lange Achse und eine kurze Achse hat, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse steht. Die lange Achse liegt in einem Querschnitt des Lichtleiters und entspricht einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist, so dass Licht, das in Richtung der Lichtausbreitungsachse durch den Lichtleiter läuft, von den länglichen Streustrukturen in unterschiedliche Richtungen gestreut wird. Dementsprechend wird ein optischer Wellenleiterabschnitt hergestellt, der es ermöglicht, Licht von/zu einem optischen Wellenleiter effizient auszukoppeln und das Licht an/von der Seite des Wellenleiters unter einem bestimmten Winkel in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse des optischen Wellenleiters zu empfangen/zu senden.According to one example, a method of fabricating an optical waveguide section includes providing an optical waveguide that includes a light guide having a first refractive index configured to direct light toward a light propagation axis, and focusing a pulsed laser beam into the light guide to create a to provide a plurality of elongate scattering structures having a second refractive index and configured in at least two planes parallel to the light propagation axis and arranged and separated from each other to obtain constructive interference of a selected wavelength range in a main scattering direction. The main scattering direction differs from a direction of the light propagation axis. Each elongated scattering structure is fabricated to have a long axis and a short axis that is substantially perpendicular to the long axis. The long axis lies in a cross section of the light guide and corresponds to a direction that is substantially perpendicular to the light propagation axis, so that light passing through the light guide in the direction of the light propagation axis is scattered in different directions by the elongated scattering structures. Accordingly, an optical waveguide section is manufactured which enables light to/from an optical waveguide to be efficiently coupled out and the light to/from the waveguide side to receive/transmit at a certain angle with respect to the light propagation axis of the optical waveguide.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen offenbart.Further advantageous developments of the invention are disclosed in the claims.

Figurenlistecharacter list

1 illustrates a simulation of the light intensity distribution by scattering on an elongated scattering structure.
2A illustrates a simulation of the light intensity distribution from scattering at several elongated scattering structures.
2 B illustrates another simulation of the light intensity distribution from scattering at several elongated scattering structures.
2C illustrates a spherical wave simulation using principles of geometric optics.
2D 12 illustrates, in a cross-sectional view, an exemplary waveguide that can be used as an optical waveguide section.
3A illustrates a cross-section of an optical waveguide section with an elongated scattering structure.
3B illustrates a plan view of the optical waveguide section of FIG 3A .
4A illustrates a cross-section of another optical waveguide section with elongated scattering structures.
4B Figure 12 illustrates a plan view of the other optical waveguide section 4A .
4C Figure 12 illustrates a side view of an optical waveguide section with an elongated scattering structure.
4D 12 illustrates a side view of another optical waveguide section having an elongated scattering structure.
5A Figure 11 illustrates a cross-section of another optical waveguide section with elongated scattering structures according to another embodiment of the invention.
5B Figure 12 illustrates a plan view of the other optical waveguide section 5A and the light intensity distribution in the waveguide.
6A 12 illustrates elements of a device for optical applications according to another embodiment of the invention.
6B Figure 12 illustrates elements of a device for optical applications according to another embodiment of the invention.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenDetailed Description of Preferred Embodiments

Bevorzugte Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die folgende Beschreibung nur Beispiele enthält und nicht als Einschränkung der Erfindung verstanden werden sollte.Preferred embodiments are described with reference to the figures. It is noted that the following description contains examples only and should not be construed as limiting the invention.

Im Folgenden weisen ähnliche oder gleiche Bezugszeichen auf ähnliche oder gleiche Elemente oder Vorgänge hin.In the following, similar or the same reference symbols refer to similar or the same elements or processes.

Die Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf einen optischen Wellenleiterabschnitt, der in ein Spektrometersystem oder eine Vorrichtung für optische Anwendungen eingebaut werden kann, wie z.B. ein Faserkoppler zum Einkoppeln von Licht in oder aus einer Faser. Der optische Wellenleiterabschnitt umfasst einen Lichtleiter und eine Vielzahl länglicher Streustrukturen, die in Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse und parallel zueinander angeordnet sind. Jede längliche Streustruktur hat eine lange Achse und eine kurze Achse, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse ist, die sich in einem Querschnitt des Lichtleiters befindet und einer Richtung entspricht, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist. Die Anordnung länglicher Streustrukturen streut Licht, das den Lichtleiter in Richtung der Lichtausbreitungsachse durchläuft, in verschiedene Richtungen, wobei die länglichen Streustrukturen in den Ebenen so angeordnet und voneinander beabstandet sind, dass eine konstruktive Interferenz in einem ausgewählten Wellenlängenbereich erzielt wird.The embodiments generally relate to an optical waveguide section that can be incorporated into a spectrometer system or a device for optical applications, such as a fiber coupler for coupling light into or out of a fiber. The optical waveguide section includes a light guide and a plurality of elongated scattering structures arranged in planes parallel to the light propagation axis and parallel to each other. Each elongate scattering structure has a long axis and a short axis that is substantially perpendicular to the long axis that is in a cross section of the light guide and corresponds to a direction that is substantially perpendicular to the light propagation axis. The arrangement of elongate scattering structures scatters light passing through the light guide in the direction of the light propagation axis in different directions, the elongate scattering structures being arranged and spaced apart in the planes so that constructive interference is achieved in a selected wavelength range.

Das heißt, in den Ausführungsformen wird eine gitterartige Struktur mit Strukturen zur Änderung des Brechungsindexes in einen Abschnitt eines Wellenleiters eingeführt. Die länglichen Streustrukturen sind in einem Querschnitt nebeneinander angeordnet und können auch auf der Lichtausbreitungsachse hintereinander angeordnet sein und ein Material mit einem anderen Brechungsindex als dem des Lichtleiters des Wellenleiters aufweisen, so dass das gestreute Licht unter bestimmten Winkeln in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse des optischen Wellenleiterabschnitts konstruktiv interferiert. Auf diese Weise kann Licht aus dem Wellenleiterabschnitt heraus oder in ihn hinein gekoppelt werden. Die zentrale Achse oder Symmetrieachse eines Wellenleiters, wie z.B. das Zentrum eines Faserkerns einer optischen Faser (optische Achse der Faser), kann als grundlegende Bestimmung der Lichtausbreitungsachse angesehen werden.That is, in the embodiments, a grating-like structure having refractive index changing structures is introduced into a portion of a waveguide. The elongate scattering structures are arranged side by side in a cross section and can also be arranged one behind the other on the light propagation axis and have a material with a different refractive index than that of the light guide of the waveguide, so that the scattered light is constructive at certain angles with respect to the light propagation axis of the optical waveguide section interferes. In this way, light can be coupled out of or into the waveguide section. The central axis or axis of symmetry of a waveguide, such as the center of a fiber core of an optical fiber (optical axis of the fiber), can be considered as the fundamental determination of the axis of light propagation.

1 illustriert eine Simulation der Lichtintensitätsverteilung durch Lichtstreuung an einer länglichen Streustruktur 130 in einem Lichtleiter 110, die im Querschnitt dargestellt ist. Die Simulation der gezeigten länglichen Streustruktur basiert auf 100 zufällig verteilten Streupartikeln, die in der umgebenden ellipsoidartigen Struktur mit den Abmessungen 1000 x 300 x 300 nm enthalten sind. Die Streupartikel haben eine Größe in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts, das im Lichtleiter 110 läuft, oder kleiner, vorzugsweise ein paar hundert Nanometer oder/und ein paar zehn Nanometer. Bei dem Lichtleiter 110 kann es sich um den Kern eines Wellenleiters handeln, beispielsweise um einen Faserkern. Im Falle einer Faser leitet der Faserkern üblicherweise die größten Teile der Lichtintensität, so dass der Mittelpunkt des Kerns der optischen Faser im Wesentlichen die Richtung der Lichtausbreitungsachse bestimmt. Die Intensitätsverteilung in Polarkoordinaten ist schematisch mit dem Bezugszeichen 105 dargestellt. 1 Figure 11 illustrates a simulation of the light intensity distribution by light scattering at an elongate scattering structure 130 in a light guide 110, which is shown in cross-section. The simulation of the elongated scattering structure shown is based on 100 randomly distributed scattering particles contained in the surrounding ellipsoidal structure with the dimensions 1000 x 300 x 300 nm. The scattering particles have a size on the order of the wavelength of the light traveling in the light guide 110 or smaller, preferably a few hundred nanometers and/or a few tens of nanometers. The light guide 110 can be the core of a waveguide, for example a fiber core. In the case of a fiber, the fiber core usually conducts most of the light intensity, so the center of the core of the optical fiber essentially determines the direction of the light propagation axis. The intensity distribution in polar coordinates is shown schematically with reference number 105 .

Anhand der Intensitätsverteilung 105 in der Figur ist leicht zu erkennen, dass das von der länglichen Streustruktur 130 gestreute Licht, das sich im Lichtleiter 110 in eine Richtung in oder aus der Papierebene ausbreitet, stark anisotrop ist. Dies ist etwas überraschend, da die Mie-Streuung der dominierende Effekt bei der Lichtstreuung ist, die sich aus den oben genannten Abmessungen ergibt. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, dass die gezeigte Intensitätsverteilung stark mit der länglich Streustruktur 130 verknüpft ist. Es ist also möglich, Licht aus einem Wellenleiter auszukoppeln, indem man selektiv Streupartikel in der Größenordnung von oder kleiner als die betrachtete Wellenlänge einführt.It is easy to see from the intensity distribution 105 in the figure that the light scattered by the elongated scattering structure 130 and propagating in the light guide 110 in a direction into or out of the plane of the paper is strongly anisotropic. This is somewhat surprising as Mie scattering is the dominant effect in light scattering resulting from the above dimensions. This effect is due to the fact that the intensity distribution shown is strongly linked to the elongated scattering structure 130 . Thus, it is possible to extract light from a waveguide by selectively introducing scattering particles of the order of or smaller than the wavelength of interest.

Wenn eine große Anzahl solcher Streupartikel in einer ellipsoid- oder zylinderähnlichen Struktur oder einfach einer Struktur mit länglicher Form angeordnet ist, wobei die kurze Achse der Struktur vorzugsweise kleiner ist als die betrachtete Wellenlänge, dann kommt es aus Symmetriegründen zu einer konstruktiven Interferenz von Photonen, die an verschiedenen Streupartikeln senkrecht zur langen Achse abgelenkt werden. Auf diese Weise kann eine bevorzugte, weitgehend wellenlängenunabhängige Streuebene geschaffen werden.If a large number of such scattering particles are arranged in an ellipsoidal or cylinder-like structure or simply an elongated structure, with the short axis of the structure preferably being smaller than the considered wavelength, then, for reasons of symmetry, constructive interference of photons occurs, which be deflected perpendicular to the long axis by different scattering particles. In this way, a preferred, largely wavelength-independent scattering plane can be created.

Eine einzelne längliche Streustruktur kann bereits Licht in einer bevorzugten Ebene/Richtung streuen; da die Struktur jedoch dünn ist, ist die Menge an Licht, die ausgekoppelt werden könnte, gering.A single elongated scattering structure can already scatter light in a preferred plane/direction; however, since the structure is thin, the amount of light that could be extracted is small.

Wenn eine Vielzahl solcher länglicher Streustrukturen mit definierten periodischen Entfernungen entlang der Lichtausbreitungsrichtung des Wellenleiters realisiert wird, kann ein Streugitter realisiert werden, das Licht wellenlängenselektiv wie ein Gitter in verschiedene Richtungen auskoppelt. Wenn die länglichen Streustrukturen nicht mit konstantem Abstand, d.h. ohne periodische Entfernungen, realisiert werden, lassen sich optische Abbildungseffekte, wie z.B. die Fokussierung einer bestimmten Wellenlänge an einer bestimmten Position erzielen, worauf weiter unten eingegangen wird.If a large number of such elongated scattering structures with defined periodic distances are realized along the direction of light propagation of the waveguide, a scattering grating can be realized which couples out light wavelength-selectively like a grating in different directions. If the elongated scattering structures are not realized with a constant distance, i.e. without periodic distances, optical imaging effects, such as the focusing of a specific wavelength at a specific position, can be achieved, which will be discussed below.

Alle Wellenlängen eines Wellenlängenbereichs, z.B. von 100 oder 500 nm, haben eine ungefähr gleiche Strahlungswahrscheinlichkeit. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass die Effizienz der Lichteinkopplung oder - auskopplung begrenzt ist. Eine übermäßige Beschädigung des Wellenleiters bei der Herstellung der länglichen Streustrukturen führt zu unerwünschter Absorption und einer Verschlechterung der Abbildungsqualität. Wenn außerdem eine der länglichen Streustrukturen zu breit wird (größer als die Wellenlänge), kommt es bereits innerhalb jeder Struktur zu destruktiven Interferenzen, selbst in der bevorzugten Ebene.All wavelengths in a wavelength range, e.g. 100 or 500 nm, have approximately the same radiation probability. However, the inventors have found that the efficiency of light coupling or decoupling is limited. Excessive damage to the waveguide during manufacture of the elongated scattering structures leads to undesirable absorption and a deterioration in imaging quality. In addition, if one of the elongated scattering structures becomes too broad (larger than the wavelength), destructive interference will already occur within each structure, even in the preferred plane.

Für eine hohe Effizienz ist der in 1A beschriebene Ansatz nicht ausreichend. Insbesondere wenn es um hochempfindliche Anwendungen wie die Raman-Spektroskopie geht, sind hohe Quanteneffizienzen erforderlich.For high efficiency, the in 1A described approach is not sufficient. High quantum efficiencies are required, especially when it comes to highly sensitive applications such as Raman spectroscopy.

In der Spektroskopie werden sogenannte „Blaze“-Gitter verwendet, um eine maximale Effizienz des Gitters für eine bestimmte Wellenlänge zu erreichen. Zu diesem Zweck werden z.B. die Gitterebenen abgeschrägt. Dasselbe könnte in Form eines „gekippten“ Bragg-Gitters innerhalb einer optischen Faser realisiert werden. Aber, wie oben erläutert, ist dies für den vorliegenden Fall nicht sinnvoll, da ein gekipptes Gitter nur einen engen Wellenlängenbereich und auch nur eine Polarisationsrichtung des Lichts auskoppelt. Noch wichtiger ist, dass aus der obigen Simulation in 1 abgeleitet werden kann, dass das Kippen der länglichen Streustruktur, um so etwas wie ein „gekipptes“ Bragg-Gitter zu erreichen, keinen Nutzen bringt, da die beiden resultierenden Richtungen, die bevorzugte Strahlungsrichtung der länglichen Streustruktur und die bevorzugte Richtung gemäß Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel eines gekippten Gitters, nicht in dieselbe Richtung zeigen können.So-called "blaze" gratings are used in spectroscopy in order to achieve maximum efficiency of the grating for a specific wavelength. For this purpose, for example, the lattice planes are bevelled. The same could be realized in the form of a "tilted" Bragg grating within an optical fiber. But, as explained above, this does not make sense for the present case, since a tilted grating couples out only a narrow wavelength range and also only one direction of polarization of the light. More importantly, from the above simulation in 1 it can be deduced that tilting the elongated scattering structure to achieve something like a "tilted" Bragg grating brings no benefit, since the two resulting directions, the preferred radiation direction of the elongated scattering structure and the preferred direction according to the angle of incidence equal the angle of reflection of one tilted grid, cannot point in the same direction.

Um die Lichtintensitätsverteilung und damit die Effizienz der Ein-/Auskopplung von Licht aus/in einen Wellenleiter zu verbessern, sind in 2A mehrere längliche Streustrukturen 230 parallel im Querschnitt des Lichtleiters 210 angeordnet.In order to improve the light intensity distribution and thus the efficiency of coupling/decoupling light from/into a waveguide, in 2A a plurality of elongate scattering structures 230 arranged in parallel in the cross section of the light guide 210 .

Dieses Beispiel zeigt fünf längliche Streustrukturen 230, die jeweils eine Vielzahl von Streupartikeln, wie z.B. 100, umfassen, die zufällig in jeder Struktur 230 angeordnet sind. Jede längliche Streustruktur ist wiederum 1000 x 300 x 300 nm groß, wobei in der Simulation von 2A die Abstände zwischen den länglichen Streustrukturen im gezeigten Querschnitt Vielfache der Wellenlänge sind (x mal die Wellenlänge, wobei x eine ganze Zahl ist); wobei auch eine Entfernung von einer Wellenlänge möglich wäre. Die Wellenlänge des Lichts, das sich durch den Lichtleiter 210 ausbreitet, wurde in der Simulation auf 840 nm festgelegt. Wie in 2A gezeigt, ist die Intensitätsverteilung in Polarkoordinaten 205 in Richtung der langen Achse der länglichen Streustruktur ausgeprägter, d.h. kleiner, und in der anderen Richtung senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung, d.h. in Richtung der Lichtausbreitungsachse, breiter, d.h. stärker.This example shows five elongated scattering structures 230 each comprising a plurality of scattering particles, such as 100, randomly arranged in each structure 230. FIG. Each elongated scattering structure is again 1000 x 300 x 300 nm big, being in the simulation of 2A the spacings between the elongate scattering structures in the cross-section shown are wavelength multiples (x times the wavelength, where x is an integer); a distance of one wavelength would also be possible. The wavelength of the light propagating through the light guide 210 was set to 840 nm in the simulation. As in 2A As shown, the intensity distribution in polar coordinates 205 is more pronounced, ie smaller, in the direction of the long axis of the elongated scattering structure, and broader, ie stronger, in the other direction perpendicular to the light propagation direction, ie in the direction of the light propagation axis.

Die in 2B gezeigte Simulation unterscheidet sich von 2A dadurch, dass die Entfernungen zwischen den länglichen Streustrukturen 230 kleiner gewählt werden als die betrachtete Wellenlänge des Lichts. In diesem Beispiel werden die Entfernungen mit 640 nm gewählt, während das betrachtete Licht wiederum 840 nm beträgt. Der Fachmann versteht, dass die Entfernungen und Wellenlängen in Bezug auf den Brechungsindex des Lichtleiters 210 angegeben sind. Wenn hier von Licht die Rede ist, ist das Licht nicht auf sichtbares Licht beschränkt, sondern die hier beschriebene Technologie ist auch auf ultraviolettes (UV) und infrarotes (IR) Licht anwendbar.In the 2 B simulation shown differs from 2A in that the distances between the elongate scattering structures 230 are chosen smaller than the considered wavelength of the light. In this example, the distances are chosen to be 640 nm, while the observed light is again 840 nm. Those skilled in the art will understand that the distances and wavelengths are given in terms of the index of refraction of the light guide 210 . When light is mentioned here, the light is not limited to visible light, but the technology described here is also applicable to ultraviolet (UV) and infrared (IR) light.

Vergleicht man die 2A und 2B, so wird deutlich, dass die gewünschte anisotrope Intensitätsverteilung nicht einfach mit länglichen Streustrukturen oder durch eine bloße Erhöhung ihrer Anzahl erreicht werden kann.If you compare them 2A and 2 B , it becomes clear that the desired anisotropic intensity distribution cannot simply be achieved with elongated scattering structures or simply by increasing their number.

Um die Strahlungsintensität für einen bestimmten Wellenlängenbereich und/oder eine bestimmte Gitterordnung durch Hinzufügen weiterer länglicher Streustrukturen gezielt zu erhöhen, sollten diese Strukturen parallel zu ihren langen Achsen mit einer für die betrachtete Wellenlänge geeigneten Entfernung angeordnet sein. Mit anderen Worten, die Entfernungen zwischen den Strukturen sollten so gewählt werden, dass die Strukturen zueinander in Resonanz stehen, d.h. dass eine konstruktive Interferenz für eine ausgewählte Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich erzielt wird. Zum Beispiel sollte, wie oben beschrieben, die Entfernung zwischen den langen Achsen zweier länglicher Streustrukturen x mal der betrachteten Wellenlänge gewählt werden, wobei x eine ganze Zahl ist.In order to specifically increase the radiation intensity for a specific wavelength range and/or a specific grating order by adding further elongated scattering structures, these structures should be arranged parallel to their long axes at a suitable distance for the wavelength under consideration. In other words, the distances between the structures should be chosen so that the structures are in resonance with each other, i.e. constructive interference is achieved for a selected wavelength or wavelength range. For example, as described above, the distance between the long axes of two elongated scattering structures should be chosen x times the wavelength of interest, where x is an integer.

2D illustriert eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Wellenleiters 200 mit einem Lichtleiter (Kern) 210 und einem Mantel 240. In der Lichtausbreitungsrichtung ist der Lichtleiter mit einem ersten Brechungsindex, wie z.B. 1,460, durch längliche Streustrukturen 230 mit einem zweiten Brechungsindex, wie z.B. 1,462, unterbrochen. Der in 2C gezeigte Querschnitt zeigt eine Abschnittsstruktur 230, die den Lichtleiter unterbricht, so dass Licht, das sich durch den Lichtleiter 210 ausbreitet, d.h. in oder aus der Ebene, eine Änderung des Brechungsindexes erfährt. Die lange Achse 234 entspricht in der Figur der vertikalen Achse und die kurze Achse 236 entspricht in der Figur der horizontalen Achse. Die längliche Streustruktur 230 ist eine der Vielzahl von Strukturen mit einer Form, die sich einem Ellipsoid in drei Dimensionen annähert (eine Ellipse ist in der zweidimensionalen 2 illustriert), wobei die lange Achse des Ellipsoids vorzugsweise größer als das Doppelte der Wellenlänge des im optischen Wellenleiter geleiteten Lichts ist und die kurze Achse des Ellipsoids in der Größenordnung von (d.h. 1 x Wellenlänge +/-0,5 x Wellenlänge) oder kleiner als die Wellenlänge des Lichts liegt. Gemäß einem bevorzugten Beispiel kann die lange Achse das Dreifache der Wellenlänge oder größer sein und die kurze Achse das Einfache der Wellenlänge oder kleiner. 2D 1 illustrates a cross-sectional view of an exemplary waveguide 200 having a light guide (core) 210 and a cladding 240. In the direction of light propagation, the light guide having a first refractive index, such as 1.460, is interrupted by elongated scattering structures 230 having a second refractive index, such as 1.462. the inside 2C The cross-section shown shows a sectional structure 230 that disrupts the light guide so that light propagating through the light guide 210, ie, in or out of plane, experiences a change in index of refraction. The long axis 234 corresponds to the vertical axis in the figure and the short axis 236 corresponds to the horizontal axis in the figure. The elongated scattering structure 230 is one of the plurality of structures having a shape approximating an ellipsoid in three dimensions (an ellipse is in the two-dimensional 2 illustrated), with the long axis of the ellipsoid preferably being greater than twice the wavelength of the light being guided in the optical waveguide and the short axis of the ellipsoid being of the order of (ie 1 x wavelength +/-0.5 x wavelength) or less than is the wavelength of the light. According to a preferred example, the long axis can be three times the wavelength or larger and the short axis can be one times the wavelength or smaller.

2C illustriert eine Simulation der oben erläuterten und in den folgenden Ausführungsformen angewandten Streueffekte unter Verwendung von Kugelwellen und den Prinzipien der geometrischen Optik. Gemäß der geometrischen Optik kann die Überlagerung von Kugelwellen, die von den fünf dargestellten Streupartikeln erzeugt werden, z.B. von fünf länglichen Streustrukturen, wie sie in der Draufsicht zu sehen sind, in 2C als Sterne (*) dargestellt, zu den beobachteten richtungs- und wellenlängenabhängigen konstruktiven Interferenzen in bestimmten Winkeln in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse (die horizontale Achse in 2C) führen. Im Allgemeinen tritt die Beugungsstreuung über die Länge eines Gitters auf und es kann mindestens eine Beugungsordnung mit einem bestimmten Beugungswinkel beobachtet werden, der durch die Bragg-Gleichung für die Beugung angenähert werden kann. In einem Wellenleiter, wie z.B. einer optischen Faser, die eine zylindrische Symmetrie aufweist, wird das Licht also in Form eines Kegels um die Lichtausbreitungsachse der Faser als Symmetrieachse mit einem Öffnungswinkel, der dem Beugungswinkel entspricht, emittiert (konstruktive Interferenz wird durch die vier Strahlen im rechten oberen Quadranten bei etwa 80° in 2C dargestellt). 2C Figure 12 illustrates a simulation of the scattering effects discussed above and applied in the following embodiments using spherical waves and the principles of geometric optics. According to geometric optics, the superposition of spherical waves generated by the five scattering particles shown, e.g. by five elongated scattering structures, as can be seen in the plan view, can be 2C shown as asterisks (*), to the observed directional and wavelength dependent constructive interferences at certain angles with respect to the light propagation axis (the horizontal axis in 2C ) to lead. In general, diffraction scattering occurs along the length of a grating and at least one diffraction order can be observed with a specific diffraction angle, which can be approximated by the Bragg equation for diffraction. Thus, in a waveguide such as an optical fiber, which has a cylindrical symmetry, the light is emitted in the form of a cone around the light propagation axis of the fiber as the axis of symmetry with an included angle equal to the diffraction angle (constructive interference is caused by the four rays in the right upper quadrant at about 80° in 2C shown).

Unter Berücksichtigung der oben genannten Effekte lässt sich ein optischer Wellenleiterabschnitt realisieren, der im Folgenden mit Bezug auf die 3A und 3B näher erläutert wird.Taking the above effects into account, an optical waveguide section can be realized, which is described below with reference to FIG 3A and 3B is explained in more detail.

Wie in 2A hat der Lichtleiter 310 der 3A und 3B einen ersten Brechungsindex, der so konfiguriert ist zum Leiten von Licht in Richtung einer Lichtausbreitungsachse (in oder aus der Papierebene) und eine Vielzahl länglicher Streustrukturen 330 mit einem zweiten Brechungsindex. Zum Beispiel liegt der erste Brechungsindex in einem Bereich von 1,458 bis 1,462, vorzugsweise 1,460, und der zweite Brechungsindex der länglichen Streustrukturen liegt in einem Bereich von 1,461 bis 1,465, vorzugsweise 1,462. In jedem Fall sind der erste und der zweite Brechungsindex unterschiedlich und haben zum Beispiel eine Differenz von 0,001 oder 0,002.As in 2A has the light guide 310 of 3A and 3B a first index of refraction configured to direct light toward a light propagation axis (into or out of the plane of the paper); and a plurality of elongated scattering structures 330 having a second index of refraction. For example, the first refractive index is in a range from 1.458 to 1.462, preferably 1.460, and the second refractive index of the elongated scattering structures is in a range from 1.461 to 1.465, preferably 1.462. In any case, the first and second refractive indices are different, for example having a difference of 0.001 or 0.002.

Es versteht sich, dass der Brechungsindex jeder länglichen Streustruktur in allen Ausführungsformen ein effektiver Brechungsindex ist, der sich aus einer Vielzahl von Streupartikeln 335 ergibt, die die längliche Streustruktur bilden. Wie oben erläutert, kann jedes Streupartikel eine Größenordnung von oder größer als die Wellenlänge des Lichts haben, vorzugsweise größer als 10nm. Es ist zu beachten, dass die Streupartikel nicht identisch groß sein müssen und aufgrund des bevorzugten Herstellungsprozesses mit einem Laser, der Mikrodefekte im Lichtleiter erzeugt, bereits kleine Abweichungen aufweisen. Bei der Herstellung einer länglichen Streustruktur mit einem Laser, z.B. einem Femtosekundenlaser, ist diese Struktur nicht homogen und mehrere mikroskopische Streupartikel unterschiedlicher Größe führen zu unterschiedlichen Streu- und Beugungseffekten. Dementsprechend kann der Brechungsindex eines streuenden Teils als ein durchschnittlicher Brechungsindex betrachtet werden, der sich aus mehreren verschiedenen mikroskopischen Defekten ergibt, die durch die gepulsten Laserpulse entstehen, die die homogene Struktur des Kerns des Wellenleiters zerstören.It should be understood that the index of refraction of each elongated scattering structure in all embodiments is an effective index of refraction resulting from a plurality of scattering particles 335 forming the elongated scattering structure. As discussed above, each scattering particle may have a magnitude at or greater than the wavelength of the light, preferably greater than 10nm. It should be noted that the scattering particles do not have to be of the same size and, due to the preferred manufacturing process with a laser that creates micro-defects in the light guide, already show small deviations. When producing an elongated scattering structure with a laser, e.g. a femtosecond laser, this structure is not homogeneous and several microscopic scattering particles of different sizes lead to different scattering and diffraction effects. Accordingly, the refractive index of a scattering portion can be considered as an average refractive index resulting from several different microscopic defects created by the pulsed laser pulses destroying the homogeneous structure of the core of the waveguide.

Genauer gesagt, umfasst die längliche Streustruktur 330 eine Vielzahl dieser Streupartikel, vorzugsweise in der Größenordnung von 100 bis 1000 Streupartikeln oder mehr. Diese Streupartikel können zufällig verteilt und in der umgebenden ellipsoidischen oder zylinderförmigen Struktur enthalten sein, zum Beispiel mit Abmessungen von 1000 x 300 x 300nm. Mit anderen Worten, die längliche Streustruktur kann die Form eines Ellipsoids oder Zylinders mit langer und kurzer Achse haben. Dementsprechend sind sehr kleine Variationen des zweiten Brechungsindexes zwischen den Strukturen möglich.More specifically, the elongate scattering structure 330 comprises a multiplicity of these scattering particles, preferably on the order of 100 to 1000 scattering particles or more. These scattering particles can be randomly distributed and contained in the surrounding ellipsoidal or cylindrical structure, for example with dimensions of 1000 x 300 x 300 nm. In other words, the elongated scattering structure can be in the form of an ellipsoid or cylinder with long and short axes. Accordingly, very small variations in the second refractive index between the structures are possible.

Wie in 2D erläutert, hat jede längliche Streustruktur 330 eine lange Achse und eine kurze Achse, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse ist, wobei die lange Achse in der Größenordnung von oder größer als das Doppelte der Wellenlänge des im Lichtleiter 310 geleiteten Lichts liegt und die kurze Achse in der Größenordnung von oder kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist.As in 2D As explained above, each elongated scattering structure 330 has a long axis and a short axis that is substantially perpendicular to the long axis, with the long axis being on the order of or greater than twice the wavelength of the light guided in light guide 310 and the short axis is on the order of or smaller than the wavelength of light.

Die Vielzahl länglicher Streustrukturen ist in mindestens zwei parallelen Ebenen angeordnet, die parallel zur Lichtausbreitungsachse liegen. Insbesondere wenn eine gerade Anzahl von Ebenen verwendet wird, muss die Lichtausbreitungsachse nicht mit einer der Ebenen zusammenfallen (oder innerhalb dieser liegen). Bei einer ungeraden Anzahl von Ebenen kann die Lichtausbreitungsachse mit der mittleren Ebene zusammenfallen (oder innerhalb dieser liegen). Jede Ebene kann als eine 2-dimensionale Anordnung länglicher Streustrukturen 330 betrachtet werden, wobei die Ebenen parallel zueinander liegen. Im Allgemeinen liegt eine lange Achse einer länglichen Streustruktur 330 jeder Ebene im Querschnitt des Lichtleiters 310, wobei die langen Achsen der länglichen Streustrukturen der Ebenen im Wesentlichen parallel zueinander sind.The plurality of elongate scattering structures are arranged in at least two parallel planes that are parallel to the light propagation axis. In particular, when an even number of planes is used, the light propagation axis need not coincide with (or be within) any of the planes. With an odd number of planes, the light propagation axis may be coincident with (or within) the median plane. Each plane can be viewed as a 2-dimensional array of elongated scattering structures 330, with the planes being parallel to one another. In general, a long axis of an elongate scattering structure 330 of each plane lies in the cross-section of the light guide 310, with the long axes of the elongate scattering structures of the planes being substantially parallel to one another.

Die länglichen Streustrukturen 330 in den mindestens zwei Ebenen, z.B. fünf Ebenen in 3 oder drei Ebenen in 4, sind so angeordnet und voneinander beabstandet, dass in der Hauptstreurichtung der Hauptstreuebene, die als eine durch die Lichtausbreitungsachse und eine Achse senkrecht zur langen Achse und zur Lichtausbreitungsachse definierte Ebene angesehen werden kann, eine konstruktive Interferenz eines ausgewählten Wellenlängenbereichs erzielt wird. Vorzugsweise ist der Abstand so konfiguriert, dass zwischen diesen langen Achsen desselben Querschnitts eine Entfernung liegt, die ein oder ein Vielfaches der Wellenlänge des Lichts beträgt. Dementsprechend wird eine konstruktive Interferenz von Licht eines Wellenlängenbereichs (mit einer gewünschten zentralen Wellenlänge) erreicht.The elongated scattering structures 330 in the at least two levels, e.g. five levels in 3 or three levels in 4 , are arranged and spaced apart so as to achieve constructive interference of a selected range of wavelengths in the main scattering direction of the main scattering plane, which can be viewed as a plane defined by the light propagation axis and an axis perpendicular to the long axis and the light propagation axis. Preferably, the spacing is configured so that there is a distance between these long axes of the same cross-section that is one or a multiple of the wavelength of the light. Accordingly, constructive interference of light of a range of wavelengths (having a desired center wavelength) is achieved.

Genauer gesagt, liegt die lange Achse einer Streustruktur 330 in einem Querschnitt des Lichtleiters 310 und entspricht einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist. Das heißt, eine längliche Streustruktur 330 jeder Ebene befindet sich im Querschnitt, z.B. fünf in 3A, und die langen Achsen der Streustrukturen im Querschnitt sind parallel zueinander. Zum Beispiel, im Falle von zwei Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse, liegen zwei zueinander parallele lange Achsen im selben Querschnitt; im Falle von drei Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse, liegen drei zueinander parallele lange Achsen im selben Querschnitt; und im Falle von fünf Ebenen in 3, liegen fünf zueinander parallele lange Achsen im selben Querschnitt.
In 3A sind die langen Achsen vertikal, und die Lichtausbreitungsachse liegt in/aus der Ebene, so dass die langen Achsen und die Lichtausbreitungsachse im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen. Das Licht, das sich entlang der Lichtausbreitungsachse, d.h. durch den Lichtleiter 310, ausbreitet, wird von den länglichen Streustrukturen 330 in verschiedene Richtungen gestreut. Wie aus 2A ersichtlich, wird das meiste Licht in eine Hauptstreuebene gestreut, die im Wesentlichen senkrecht zu den langen Achsen (links/rechts in den 2A und 3A) ist und sich in und aus der Papierebene heraus erstreckt. Die Hauptstreuebene kann durch die Lichtausbreitungsachse und eine Achse senkrecht zur langen Achse definiert sein, wobei die Hauptstreurichtung eine Richtung in der Hauptstreuebene ist, die durch die konstruktive Interferenz einer Vielzahl länglicher Streustrukturen in einem Querschnitt definiert ist (siehe Pfeile in den 3B, 4B und 5B).More specifically, the long axis of a scattering structure 330 lies in a cross section of the light guide 310 and corresponds to a direction substantially perpendicular to the light propagation axis. That is, an elongated scattering structure 330 of each level is in cross-section, e.g., five in 3A , and the long axes of the scattering structures in the cross-section are parallel to each other. For example, in the case of two planes parallel to the light propagation axis, two mutually parallel long axes lie in the same cross-section; in the case of three planes parallel to the light propagation axis, three mutually parallel long axes lie in the same cross-section; and in the case of five levels in 3 , five mutually parallel long axes lie in the same cross-section.
In 3A the long axes are vertical and the light propagation axis is in/out of plane such that the long axes and light propagation axis are substantially perpendicular to each other. The light, which propagates along the light propagation axis, ie through the light guide 310, is scattered in different directions by the elongate scattering structures 330. FIG. How out 2A As can be seen, most of the light is scattered into a main scattering plane which is essentially perpendicular to the long axes (left/right in the 2A and 3A) and extends in and out of the plane of the paper. The main scattering plane can be defined by the light propagation axis and an axis perpendicular to the long axis, where the main scattering direction is a direction in the main scattering plane defined by the constructive interference of a multitude of elongated scattering structures in a cross-section (see arrows in Figures 3B , 4B and 5B) .

Außerdem können mehrere längliche Streustrukturen 330 mit ihren langen Achsen parallel zueinander in jeder Ebene angeordnet sein. Zum Beispiel sind in 3B fünf Strukturen in jeder Ebene auf der Lichtausbreitungsachse dargestellt, deren lange Achsen parallel zueinander verlaufen (dies ist in der Draufsicht von 3 nicht optimal zu sehen, so dass auch auf die Seitenansicht in 4C verwiesen wird). In der Praxis können viel mehr Strukturen auf der Lichtausbreitungsachse verwendet werden. Je mehr Querschnitte entlang der Lichtausbreitungsrichtung angeordnet sind, desto höher ist die Intensität des gestreuten Lichts.Additionally, multiple elongated scattering structures 330 may be arranged with their long axes parallel to each other in each plane. For example are in 3B five structures are shown in each plane on the light propagation axis, the long axes of which are parallel to each other (this is shown in the top view of Fig 3 not optimal to see, so also on the side view in 4C is referenced). In practice, many more structures on the light propagation axis can be used. The more cross sections are arranged along the light propagation direction, the higher the intensity of the scattered light.

Die Entfernungen zwischen den langen Achsen der länglichen Streustrukturen in Richtung der Lichtausbreitungsachse können in jeder Ebene gleich groß sein. In einer anderen Ausführungsform können die Entfernungen zwischen den langen Achsen der länglichen Streustrukturen in Richtung der Lichtausbreitungsachse in der Größenordnung von oder größer als die lange Achse liegen und/oder größer als die halbe Wellenlänge des Lichts und kleiner als das 1,5-fache der Wellenlänge des Lichts sein.The distances between the long axes of the elongated scattering structures in the direction of the light propagation axis can be the same in each plane. In another embodiment, the distances between the long axes of the elongated scattering structures in the direction of the light propagation axis can be of the order of or greater than the long axis and/or greater than half the wavelength of the light and less than 1.5 times the wavelength be of the light.

Statt konstanter Entfernungen (Perioden) zwischen länglichen Streustrukturen in Richtung der Lichtausbreitungsachse kann alternative auch eine optische Fokussierungsfunktion für Licht in einer Ausbreitungsrichtung durch Streustrukturen realisiert werden, wenn die Entfernungen unterschiedlich groß sind, z.B. 0,5-0,6 mal die Wellenlänge. Dementsprechend ist der Wellenleiterabschnitt mit der Vielzahl von Strukturen, die ein Gitter bilden, nicht auf periodisch angeordnete Strukturen auf der Lichtausbreitungsachse beschränkt, sondern die Entfernungen können so gewählt und gestaltet werden, dass Streuung oder Beugung zu Interferenzeffekten führt, die optischen Linsenfunktionen entsprechen.Instead of constant distances (periods) between elongated scattering structures in the direction of the light propagation axis, an optical focusing function for light in one propagation direction can alternatively be implemented by scattering structures if the distances are different, e.g. 0.5-0.6 times the wavelength. Accordingly, the waveguide section with the plurality of structures forming a grating is not limited to periodically arranged structures on the light propagation axis, but the distances can be chosen and designed such that scattering or diffraction leads to interference effects corresponding to optical lens functions.

Vorzugsweise werden die Entfernungen zwischen den Streustrukturen und ihre Abmessungen so gewählt, dass das meiste Licht in einer Hauptstreuebene (in den 1 und 2A mit den Bezugszeichen 105 und 205 gekennzeichnet) in einem Winkel zwischen 30 und 150 Grad zur Lichtausbreitungsachse in die Lichtstreurichtung emittiert wird. Zum Beispiel kann sich die Lichtstreurichtung mit einer Beugungsordnung überschneiden, vorzugsweise mit der ersten Beugungsordnung.Preferably, the distances between the scattering structures and their dimensions are chosen so that most of the light falls in a main scattering plane (in the 1 and 2A denoted by reference numerals 105 and 205) is emitted at an angle between 30 and 150 degrees to the light propagation axis in the light scattering direction. For example, the light scattering direction can intersect with a diffraction order, preferably with the first diffraction order.

In 3B ist eine Hauptstreurichtung in der Hauptstreuebene durch den Pfeil 338 gekennzeichnet. Die durch Pfeil 338 angezeigte Richtung kann eine Hauptstreurichtung einer gewünschten zentralen Wellenlänge eines ausgewählten Wellenlängenbereichs/Bandes sein. Die Hauptstreurichtung, die in der Hauptstreuebene liegt, die durch die Lichtausbreitungsachse und eine Achse senkrecht zur langen Achse definiert ist, ist eine Richtung, in der das meiste Licht aufgrund konstruktiver Interferenz eines ausgewählten Wellenlängenbereichs an den länglichen Streustrukturen im Querschnitt gestreut wird, was zum Beispiel in 3A gezeigt ist. Das von den Streustrukturen 330 gestreute/gebeugte Licht tritt aus dem in 3B gezeigten Wellenleiterabschnitt im Wesentlichen senkrecht aus und fällt auf den Empfänger 350, z.B. einen Detektor mit mehreren Fotodetektorelementen. Es ist also klar, dass die Hauptstreurichtung immer anders ist als die Richtung der Lichtausbreitungsachse. Aufgrund der Reziprozität in der Optik kann der Empfänger auch durch einen Sender ersetzt werden, der Licht in einen optischen Wellenleiterabschnitt sendet, so dass es durch die Streustrukturen im Wellenleiter in den Wellenleiterabschnitt eingekoppelt wird.In 3B a main scattering direction in the main scattering plane is indicated by the arrow 338 . The direction indicated by arrow 338 may be a main scattering direction of a desired center wavelength of a selected wavelength range/band. The principal scattering direction, which lies in the principal scattering plane defined by the light propagation axis and an axis perpendicular to the long axis, is a direction in which most of the light is scattered due to constructive interference of a selected wavelength range at the elongated scattering structures in cross-section, which is, for example in 3A is shown. The light scattered/diffracted by the scattering structures 330 emerges from the in 3B The waveguide section shown extends essentially perpendicularly and impinges on the receiver 350, eg a detector with a plurality of photodetector elements. So it is clear that the main scattering direction is always different from the direction of the light propagation axis. Due to the reciprocity in the optics, the receiver can also be replaced by a transmitter that sends light into an optical waveguide section so that it is coupled into the waveguide section by the scattering structures in the waveguide.

Dementsprechend kann ein Sender oder Empfänger in der bevorzugten Streuebene (senkrecht zu den langen Achsen der Streustrukturen) positioniert werden, im Falle des Empfängers z.B. parallel dazu.Accordingly, a transmitter or receiver can be positioned in the preferred scattering plane (perpendicular to the long axes of the scattering structures), e.g. parallel to it in the case of the receiver.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Vielzahl länglicher Streustrukturen mit ihren langen Achsen im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse angeordnet ist, wobei die langen Achsen dieser Strukturen parallel zueinander verlaufen. Diese Strukturen sind so zueinander positioniert, dass es zwischen den Strukturen zu einer konstruktiven Interferenz von Licht eines gewünschten Wellenlängenbandes oder einer zentralen Wellenlänge kommt, wenn Licht vom Wellenleiter in Richtung eines Empfängers gestreut (oder von einem Sender auf die Struktur abgestrahlt) wird. Dies geschieht in einer Entfernung zwischen diesen Strukturen, d.h. den Schwerpunkten dieser Strukturen, von ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge.In summary, a plurality of elongate scattering structures are arranged with their long axes substantially perpendicular to the light propagation axis, with the long axes of these structures being parallel to one another. These structures are positioned relative to each other such that constructive interference of light of a desired wavelength band or central wavelength occurs between the structures as light is scattered from the waveguide toward a receiver (or radiated onto the structure from a transmitter). This occurs at a distance between these structures, i.e. the centroids of these structures, of integral multiples of the wavelength.

Viele dieser Querschnitte mit langgestreckten Streustrukturen, die auf der Lichtausbreitungsachse im Wellenleiter hintereinander angeordnet sind, bilden ein optisches Gitter.Many of these cross-sections with elongated scattering structures, which are arranged one behind the other on the light propagation axis in the waveguide, form an optical grating.

In den 4A und 4B ist ein optischer Wellenleiterabschnitt mit dem Lichtleiter 410 illustriert, der im Grunde derselbe ist wie der oben beschriebene Lichtleiter 310. Der Lichtleiter 410 enthält auch längliche Streustrukturen 430 mit Streupartikeln 435 darin. In den Beispielen der 4A und 4B sind jedoch drei Ebenen parallel zueinander und parallel zur Lichtausbreitungsachse dargestellt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der Querschnitt mit drei länglichen Streustrukturen, eine für jede Ebene, nicht senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist, sondern zum Beispiel einen Winkel zwischen 10 und 80 Grad zu dieser Achse aufweist. Das heißt, der Querschnitt des Lichtleiters 310 in den 3A und 3B steht im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse, aber der Querschnitt des Lichtleiters 410 in den 4A und 4B hat einen Winkel von kleiner als 90 Grad zur Lichtausbreitungsachse. Hinsichtlich der weiteren Merkmale und insbesondere der länglichen Streustruktur wird auf die obigen Ausführungen zu den 2 und 3 verwiesen.In the 4A and 4B Illustrated is an optical waveguide section having light guide 410 that is basically the same as light guide 310 described above. Light guide 410 ent also holds elongated scattering structures 430 with scattering particles 435 therein. In the examples of 4A and 4B however, three planes are shown parallel to each other and parallel to the light propagation axis. Another difference is that the cross-section with three elongated scattering structures, one for each plane, is not perpendicular to the light propagation axis but has, for example, an angle between 10 and 80 degrees to this axis. That is, the cross section of the light guide 310 in FIGS 3A and 3B is substantially perpendicular to the light propagation axis, but the cross-section of the light guide 410 in the 4A and 4B has an angle of less than 90 degrees to the light propagation axis. With regard to the other features and in particular the elongated scattering structure, reference is made to the above statements on the 2 and 3 referred.

4B illustriert eine Draufsicht auf den optischen Wellenleiterabschnitt der 4A, in der die drei Ebenen mit jeweils fünf länglichen Streustrukturen zu sehen sind und die zeigt, dass der Querschnitt so gekippt ist, dass das im Lichtleiter 410 gestreute Licht in einem Winkel von kleiner als 90 Grad gerichtet ist, der durch den Pfeil 438 angezeigt wird. Dieser Winkel erlaubt es, das Licht aus dem Lichtleiter auszukoppeln und auf den Empfänger 450 zu richten. Die durch Pfeil 438 angezeigte Richtung kann eine Hauptstreurichtung einer gewünschten zentralen Wellenlänge eines ausgewählten Wellenlängenbereichs/Bandes sein. Wie oben erläutert, kann der Empfänger durch einen Sender ersetzt werden, um Licht in den Wellenleiter einzukoppeln. 4B illustrates a plan view of the optical waveguide section of FIG 4A , showing the three planes each with five elongated scattering structures and showing that the cross-section is tilted such that the light scattered in light guide 410 is directed at an angle less than 90 degrees, indicated by arrow 438 . This angle allows the light to be coupled out of the light guide and directed onto the receiver 450. The direction indicated by arrow 438 may be a main scattering direction of a desired central wavelength of a selected wavelength range/band. As explained above, the receiver can be replaced by a transmitter to couple light into the waveguide.

4C illustriert eine Seitenansicht des optischen Wellenleiterabschnitts der 4A und 4B mit denselben länglich streuenden Strukturen. In dieser Figur ist die Lichtausbreitungsachse durch das Bezugszeichen 420 gekennzeichnet, das im Wesentlichen durch die Mitte der länglichen Streustrukturen 430 verläuft. Diese Strukturen sind nur zur Veranschaulichung als feste Strukturen in Schwarz illustriert, enthalten aber, wie oben erläutert, mehrere Streupartikel, die eine heterogene Struktur bilden. Diese Strukturen haben also den oben beschriebenen effektiven Brechungsindex, wobei der Lichtleiter 410 einen anderen Brechungsindex hat, der mit n_K angegeben wird. 4C illustrates a side view of the optical waveguide section of FIG 4A and 4B with the same longitudinally scattering structures. In this figure, the light propagation axis is identified by reference numeral 420, which passes substantially through the center of the elongated diffusing structures 430. FIG. These structures are illustrated as solid structures in black for illustrative purposes only, but as discussed above contain multiple scattering particles forming a heterogeneous structure. Thus, these structures have the effective index of refraction described above, with light guide 410 having a different index of refraction, indicated as _nK .

Die Entfernungen zwischen den länglichen Streustrukturen in 4C betragen in diesem Beispiel etwa das 0,6-fache der Wellenlänge. Wie bereits erwähnt, können diese Entfernungen, d.h. insbesondere die Entfernungen zwischen den parallelen langen Achsen dieser Strukturen, in der Größenordnung von oder größer als die lange Achse liegen und/oder größer als die halbe Wellenlänge des Lichts und kleiner als das 1,5-fache der Wellenlänge des Lichts sein.The distances between the elongated scattering structures in 4C are about 0.6 times the wavelength in this example. As already mentioned, these distances, ie in particular the distances between the parallel long axes of these structures, can be of the order of or greater than the long axis and/or greater than half the wavelength of the light and less than 1.5 times be the wavelength of the light.

Insbesondere müssen die Entfernungen nicht gleich sein und durch ihre Variation können optische Funktionen wie die Fokussierung realisiert werden. Genauer gesagt kann die Vielzahl der Strukturen 430 ein Beugungsgitter im Lichtleiter 410 des Wellenleiters in Richtung der Lichtausbreitungsachse bilden, wobei das Gitter auch als Abbildungsoptik wirken kann, indem es Licht fokussiert. Dies kann durch Variationen zwischen dem 0,5-0,6-fachen der Wellenlänge realisiert werden. Selbstverständlich ist die optische Funktion, die in der Vielzahl der Strukturen kodiert ist, nicht auf eine fokussierende Linsenfunktion beschränkt.In particular, the distances do not have to be the same and optical functions such as focusing can be implemented by varying them. More specifically, the plurality of structures 430 can form a diffraction grating in the light guide 410 of the waveguide in the direction of the light propagation axis, which grating can also act as imaging optics by focusing light. This can be realized by variations between 0.5-0.6 times the wavelength. Of course, the optical function encoded in the multitude of structures is not limited to a focusing lens function.

Mit anderen Worten, die Entfernungen zwischen den Strukturen sind so gewählt, dass in der Hauptstreuebene eine Linsenfunktion durch Interferenz des an der Vielzahl von Strukturen gestreuten Lichts erhalten werden kann, wobei in einem Beispiel die Linsenfunktion einer fokussierenden Linse entspricht, die das an der Vielzahl von Abschnitten gestreute Licht bündelt. Dementsprechend ist eine direkte Abbildung von Licht auf einen Empfänger/Detektor möglich, da durch bestimmte Entfernungen zwischen den Gitterelementen eine asphärische Abbildungsfunktion in den Wellenleiter integriert werden kann.In other words, the distances between the structures are chosen so that in the main scattering plane a lens function can be obtained by interference of the light scattered at the plurality of structures, in one example the lens function corresponding to a focussing lens that at the plurality of Sections scattered light bundles. Accordingly, direct imaging of light onto a receiver/detector is possible, since an aspheric imaging function can be integrated into the waveguide through certain distances between the grating elements.

Dementsprechend ist der Wellenleiterabschnitt mit der Vielzahl länglicher Streustrukturen nicht auf periodisch angeordnete Strukturen beschränkt, sondern die Entfernungen zwischen den Strukturen können so gewählt und konstruiert werden, dass Streuung oder Beugung an den Strukturen zu Interferenzeffekten führt, die optischen Linsenfunktionen entsprechen.Accordingly, the waveguide section with the plurality of elongate scattering structures is not restricted to periodically arranged structures, but the distances between the structures can be chosen and designed such that scattering or diffraction at the structures leads to interference effects that correspond to optical lens functions.

Außerdem zeigt die Illustration in 4C auf der linken und rechten Seite, dass der optische Wellenleiterabschnitt ein Teil eines größeren optischen Wellenleiters sein kann.In addition, the illustration in 4C on the left and right that the optical waveguide section can be a part of a larger optical waveguide.

Dies wird auch in 4D angedeutet, die eine Seitenansicht eines anderen optischen Wellenleiterabschnitts illustriert, der längliche Streustrukturen 430 enthält. Dieser Wellenleiterabschnitt umfasst außerdem ein Mantelteil 440 mit einem Brechungsindex n_C, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet und um den Lichtleiter 410 angeordnet ist. Dementsprechend kann jeder hier besprochene Wellenleiterabschnitt einen Lichtleiter als Kern und ein Mantelteil haben, das den Lichtleiter umgibt, und Teile jeder Streustruktur von wenigen oder sogar allen länglichen Streustrukturen können in das Mantelteil reichen.This will also in 4D 10, which illustrates a side view of another optical waveguide section that includes elongated scattering structures 430. FIG. This waveguide section also comprises a cladding part 440 with a refractive index n _C different from the first refractive index and arranged around the light guide 410 . Accordingly, any waveguide section discussed herein may have a light guide as the core and a cladding portion surrounding the light guide, and portions of each scattering structure of a few or even all of the elongate scattering structures may extend into the cladding portion.

5A illustriert einen Querschnitt eines anderen optischen Wellenleiterabschnitts mit länglichen Streustrukturen gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den anderen Ausführungsformen lediglich dadurch, dass die länglichen Streustrukturen 530 an den Seiten des Lichtleiters 510 angeordnet sind. Zum Beispiel können bei einem Wellenleiter mit Mantelteil Teile der Streustrukturen, die am weitesten vom Zentrum des Lichtleiters entfernt sind, im Mantelteil angeordnet sein. 5A Figure 11 illustrates a cross-section of another optical waveguide section with elongated scattering structures according to another embodiment of the invention. This embodiment differs from the other embodiments only in that the elongated scattering structures 530 are arranged on the sides of the light guide 510 . For example, in a cladding waveguide, portions of the scattering structures furthest from the center of the light guide may be located in the cladding portion.

Zum Beispiel wird eine erste Gruppe 560 von mindestens zwei Ebenen auf einer Seite des Lichtleiters 510 angeordnet und eine zweite Gruppe 565 von mindestens zwei anderen Ebenen auf der gegenüberliegenden anderen Seite des Lichtleiters, wobei der Abstand zwischen den beiden Gruppen um ein Vielfaches größer ist als die Entfernungen zwischen den mindestens zwei Ebenen in jeder Gruppe. Wenn die Entfernung zwischen zwei Streustrukturen 530 einer Gruppe eine Wellenlänge beträgt, ist die Entfernung zwischen den Gruppen (gemessen vom Zentrum der Gruppe) eine Vielzahl ganzer Zahlen der Wellenlänge, z.B. das 6-fache der Wellenlänge. In einem Beispiel kann sich eine Streustruktur 530 jeder Gruppe sogar im Mantelteil befinden.For example, a first group 560 of at least two planes is placed on one side of the light guide 510 and a second group 565 of at least two other planes on the opposite other side of the light guide, with the distance between the two groups being many times greater than that Distances between the at least two levels in each group. If the distance between two scattering structures 530 of an array is one wavelength, the distance between the arrays (measured from the center of the array) is a number of integers of wavelengths, e.g., 6 wavelengths. In one example, a scattering structure 530 of each group can even be in the cladding part.

5B illustriert eine Draufsicht auf den anderen optischen Wellenleiterabschnitt der 5A sowie die Lichtintensitätsverteilung in dem Wellenleiter. Aus der Intensitätsverteilung geht hervor, dass der Intensitätsgradient des Lichts, das sich durch einen Wellenleiter ausbreitet, an den Seiten des Lichtleiters größer ist als in der Mitte, so dass das Licht effektiv auf kleinere Streustrukturen trifft. Die Positionierung der Struktur am Rand des Lichtleiters, wo sich die Intensität des Lichtfeldes deutlich ändert, ist vorteilhaft, da die technische Umsetzung für solch kleine Strukturen, die kurzen Achsen der länglichen Streustrukturen liegen in der Größenordnung der Wellenlänge, z.B. 500nm, schwierig ist. Dies führt zu einer effektiv schmaleren Struktur, da mehr Photonen mit den Streupartikeln auf der Innenseite als auf der Außenseite wechselwirken können. 5B 12 illustrates a plan view of the other optical waveguide section of FIG 5A and the light intensity distribution in the waveguide. The intensity distribution shows that the intensity gradient of light propagating through a waveguide is greater on the sides of the light guide than in the middle, so the light effectively hits smaller scattering structures. The positioning of the structure at the edge of the light guide, where the intensity of the light field changes significantly, is advantageous since the technical implementation for such small structures, the short axes of the elongated scattering structures are in the order of the wavelength, eg 500 nm, is difficult. This leads to an effectively narrower structure since more photons can interact with the scattering particles on the inside than on the outside.

Daher kann der Sonderfall von nur zwei oder vier länglichen Streustrukturen am Rand des Lichtleiters, an der Stelle des größten Intensitätsgradienten des in einem Wellenleiter geleiteten Lichts, besonders nützlich sein.Therefore, the special case of only two or four elongated scattering structures at the edge of the light guide, at the point of greatest intensity gradient of light guided in a wave guide, can be particularly useful.

Auch in dieser Ausführungsform kann das Licht zum Empfänger 550 ausgekoppelt werden, der durch einen Sender ersetzt werden kann.In this embodiment, too, the light can be coupled out to the receiver 550, which can be replaced by a transmitter.

6A illustriert Elemente einer Vorrichtung für optische Anwendungen gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. In 6A umfasst die Vorrichtung 600A einen optischen Wellenleiterabschnitt einer der obigen Ausführungsformen mit einem Lichtleiter 610 und optional einem Mantelteil 640 sowie einen Empfänger 650, der in diesem Beispiel als Detektor realisiert ist. Dieser Detektor detektiert Licht, das von den länglichen Streustrukturen 630 gestreut wird. Obwohl diese Strukturen in den 6A und 6B vereinfacht als durchgezogene schwarze Linien dargestellt sind, enthält jede Linie/Struktur tatsächlich mehrere Streupartikel, die eine heterogene Struktur bilden. Um das gestreute Licht zu detektieren, ist der Empfänger 650 auf einer Seite des optischen Wellenleiters angeordnet, so dass er den größten Teil des gestreuten Lichts empfängt, nämlich auf einer Seite in der Hauptstreuebene. Die lange Achse ist im Wesentlichen senkrecht, d.h. normal, zu der Ebene, in der die Empfängereinheit angeordnet ist. 6A 12 illustrates elements of a device for optical applications according to another embodiment of the invention. In 6A the device 600A comprises an optical waveguide section of one of the above embodiments with a light guide 610 and optionally a cladding part 640 as well as a receiver 650, which is implemented as a detector in this example. This detector detects light scattered by the elongated scattering structures 630 . Although these structures in the 6A and 6B simplified as solid black lines, each line/structure actually contains multiple scattering particles forming a heterogeneous structure. In order to detect the scattered light, the receiver 650 is placed on one side of the optical waveguide so that it receives most of the scattered light, namely on one side in the main scattering plane. The long axis is essentially perpendicular, ie normal, to the plane in which the receiver unit is arranged.

Wie in 6A zu sehen ist, sind drei verschiedene Lichtstreurichtungen in der Hauptstreuebene (der Ebene, zu der die lange Achse senkrecht steht) für verschiedene Wellenlängen dargestellt: die gestrichelte Linie für blaues Licht, die gepunktete Linie für grünes Licht und die durchgezogene Linie für rotes Licht. Die Hauptstreuebene entspricht im Wesentlichen der Ebene, in der die Lichtausbreitungsachse liegt und die senkrecht zur langen Achse der Streustrukturen ist.As in 6A As can be seen, three different directions of light scattering are shown in the main scattering plane (the plane to which the long axis is perpendicular) for different wavelengths: the dashed line for blue light, the dotted line for green light, and the solid line for red light. The main scattering plane essentially corresponds to the plane in which the light propagation axis lies and which is perpendicular to the long axis of the scattering structures.

In einer Ausführungsform umfasst der Detektor 650 der Vorrichtung 600A Detektorelemente, die in einer Linie angeordnet sind, um das von der Vielzahl der Strukturen 630 in der/den Hauptstreurichtung(en) gestreute Licht zu detektieren, wobei die Linie der Detektorelemente im Wesentlichen parallel zur Lichtausbreitungsachse ist und in der Hauptstreuebene liegt. Zum Beispiel können die Detektorelemente auf der rechten Seite des Detektors in 6A das blaue Licht detektieren, die Detektorelemente in der Mitte das grüne Licht detektieren und die Detektorelemente auf der linken Seite das rote Licht detektieren. Beispiele für einen Detektor mit Detektorelementen sind ein CCD-Chip, eine lineare Diodenanordnung oder ähnliches.In one embodiment, the detector 650 of the device 600A comprises detector elements arranged in a line to detect the light scattered from the plurality of structures 630 in the main scattering direction(s), the line of detector elements being substantially parallel to the light propagation axis and lies in the main scattering plane. For example, the detector elements on the right side of the detector in 6A detect the blue light, the detector elements in the middle detect the green light and the detector elements on the left detect the red light. Examples of a detector with detector elements are a CCD chip, a linear diode array or the like.

In dem Beispiel der 6A ist die Linie der Detektorelemente im Wesentlichen parallel zur Lichtausbreitungsachse und liegt in der Hauptstreuebene. Insbesondere ist der Detektor 650 auf der rechten Seite des Lichtleiters, z.B. des Faserkerns, positioniert, wenn eine Lichtausbreitungsrichtung von der linken zur rechten Seite des Papiers betrachtet wird.In the example of 6A the line of detector elements is essentially parallel to the light propagation axis and lies in the main scattering plane. In particular, the detector 650 is positioned on the right side of the light guide, eg the fiber core, when viewing a light propagation direction from the left to the right side of the paper.

Es versteht sich, dass der Detektor auch auf der linken Seite (in der durch den Pfeil angezeigten Lichtausbreitungsrichtung) in der gleichen Ebene platziert sein kann. Obwohl das von den Strukturen 630 gestreute und gebeugte Licht in einer symmetrischen Kegelform emittiert wird, bei der die Symmetrieachse des Kegels der Faserkern ist, kann es jedoch von Nachteil sein, den Detektor in Richtung der langen Achse zu positionieren, da dann weniger Licht empfangen werden kann.It is understood that the detector can also be placed on the left side (in the direction of light propagation indicated by the arrow) in the same plane. However, although the light scattered and diffracted by the structures 630 is emitted in a symmetrical cone shape where the symmetry axis of the cone is the fiber core, it can be disadvantageous to position the detector in the long axis direction because less light is then received can.

In 6B ist die Vorrichtung 600B illustriert, die den gleichen optischen Wellenleiterabschnitt wie die Vorrichtung 600A umfasst, mit dem Unterschied, dass die Empfangseinheit 650 durch den Sender 660 ersetzt wurde. Wie oben erläutert, kann der optische Wellenleiterabschnitt eine optische Faser mit einem Faserkern 610 und einem Mantel 640 sein. Die Strukturen 630 streuen und beugen wiederum Licht, aber in 6B wird das Licht in den Lichtleiter 610 eingekoppelt, da es vom Sender 660, z.B. einer Lichtquelle, außerhalb des Wellenleiters kommt. Eine einzelne Wellenlänge wird durch eine gestrichelte Linie illustriert, die von einem Laser emittiert wird, der ein Beispiel für einen Sender 660 ist.In 6B Illustrated is device 600B, which comprises the same optical waveguide section as device 600A, with the difference that receiver unit 650 has been replaced by transmitter 660. FIG. As discussed above, the optical waveguide section may be an optical fiber having a fiber core 610 and a cladding 640. FIG. Structures 630, in turn, scatter and diffract light, but in 6B the light is coupled into the light guide 610 because it comes from the transmitter 660, eg a light source, outside the waveguide. A single wavelength is illustrated by a dashed line emitted by a laser, which is an example of a transmitter 660.

Der Sender 660 ist auch an einer Seite des optischen Wellenleiters angeordnet. Insbesondere ist der Sender so angeordnet, dass er Licht von der Außenseite des optischen Wellenleiters zu der Vielzahl von Strukturen in einer in der Hauptstreuebene liegenden Streurichtung überträgt. Wie in 6B angedeutet, hat die Streurichtung einen Streuwinkel in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse.The transmitter 660 is also located on one side of the optical waveguide. In particular, the transmitter is arranged to transmit light from the outside of the optical waveguide to the plurality of structures in a scattering direction lying in the main scattering plane. As in 6B indicated, the scattering direction has a scattering angle with respect to the light propagation axis.

In den Vorrichtungen 600A und 600B wird das Licht lokal an den Änderungen des Brechungsindexes gestreut, die durch die Streustrukturen einschließlich der Streupartikel verursacht werden. Gemäß der geometrischen Optik kann die Überlagerung der von den Streupartikeln erzeugten sphärischen Wellen zu den beobachteten richtungs- und wellenlängenabhängigen konstruktiven Interferenzen in bestimmten Winkeln in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse führen (siehe 2C). Durch Manipulation der Entfernungen zwischen den Strukturen, die im Wesentlichen den „Linien“ eines Gitters entsprechen, können die optischen Eigenschaften der Interferenzen konstruiert werden, wobei die Intensität durch Hinzufügen paralleler Ebenen mit länglichen Streustrukturen erhöht werden kann, um die Effizienz zu verbessern.In the devices 600A and 600B, the light is scattered locally at the refractive index changes caused by the scattering structures including the scattering particles. According to geometric optics, the superposition of the spherical waves generated by the scattering particles can lead to the observed direction- and wavelength-dependent constructive interferences at certain angles with respect to the light propagation axis (see 2C ). By manipulating the distances between the structures, which essentially correspond to the “lines” of a grating, the optical properties of the interference can be engineered, where the intensity can be increased by adding parallel planes with elongated scattering structures to improve efficiency.

Die Strukturen 630 wirken ähnlich wie die Linien eines Gitters, allerdings handelt es sich bei den Strukturen nicht um Linien, sondern vorzugsweise um elliptische oder zylindrische Strukturen, wie z.B. ein Ellipsoid oder einen Zylinder, was zu einer stärkeren Streuung in einer Ebene führt. Die oben genannten Effekte können zum Ein- oder Auskoppeln von Licht in einer bestimmten Streurichtung genutzt werden, wie oben erläutert.The structures 630 act similarly to the lines of a grid, however the structures are not lines but preferably elliptical or cylindrical structures, such as an ellipsoid or a cylinder, which leads to greater scattering in a plane. The effects mentioned above can be used for coupling or decoupling light in a specific scattering direction, as explained above.

Ein Spektrometersystem umfasst die Vorrichtung 600A und einen Lichteinkoppler, wobei das dem Spektrometersystem zugeführte Licht durch den Lichteinkoppler in den optischen Wellenleiterabschnitt eingekoppelt wird, um das Licht entlang der Lichtausbreitungsachse zu leiten. Der Lichteinkoppler kann ein Koppler sein, der eine optische Faser aufnehmen kann, über die das zu analysierende Licht dem System zugeführt wird, oder er kann einfach eine optische Linse mit einer geeigneten NA sein, um Licht in den Wellenleiterabschnitt einzukoppeln.A spectrometer system comprises the device 600A and a light coupler, wherein the light supplied to the spectrometer system is coupled into the optical waveguide section by the light coupler to guide the light along the light propagation axis. The light launcher can be a coupler capable of receiving an optical fiber through which the light to be analyzed is fed into the system, or it can simply be an optical lens of appropriate NA to launch light into the waveguide section.

In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 600A als Spektrometersystem verwendet werden, in dem ein spezieller Spalt, ein Gitter oder eine abbildende Optik nicht benötigt werden, da der Wellenleiter und sein Lichtleiter als Spalt und die Vielzahl von Streustrukturen als Beugungsgitter fungieren, was den Aufbau des Spektrometersystems weitgehend vereinfacht.In one embodiment, the device 600A can be used as a spectrometer system in which a special slit, grating or imaging optics are not required, since the waveguide and its light guide act as a slit and the plurality of scattering structures as a diffraction grating, which makes the structure of the spectrometer system largely simplified.

Infolgedessen müssen für ein Spektrometersystem lediglich zwei Teile hergestellt und zueinander angeordnet werden, nämlich der oben erwähnte Wellenleiterabschnitt und ein Detektor. Noch wichtiger ist, dass die Fokuslänge, die Größe des Spektrometers und der Wellenlängenbereich, der analysiert werden soll, frei wählbar sind, was zu viel einfacheren und kleineren Spektrometern führt als in der bisherigen Technik, die komplizierte Fokussierungsoptiken und teure Liniengitter erfordert.As a result, for a spectrometer system only two parts have to be manufactured and arranged in relation to one another, namely the waveguide section mentioned above and a detector. More importantly, the focal length, the size of the spectrometer and the wavelength range to be analyzed can be freely selected, resulting in much simpler and smaller spectrometers than in the previous technique, which required complicated focusing optics and expensive line gratings.

Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterabschnitts bereitgestellt. Dieses Verfahren umfasst das Bereitstellen eines optischen Wellenleiters, der einen Lichtleiter mit einem ersten Brechungsindex umfasst, der konfiguriert ist zum Erzeugen von Licht in Richtung einer Lichtausbreitungsachse, und das Fokussieren eines gepulsten Laserstrahls in den Lichtleiter, um eine Vielzahl länglicher Streustrukturen zu erzeugen, die einen zweiten Brechungsindex aufweisen und in mindestens zwei Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse angeordnet und voneinander getrennt sind, so dass eine konstruktive Interferenz eines ausgewählten Wellenlängenbereichs in einer Hauptstreurichtung erhalten wird, die sich von der Richtung der Lichtausbreitungsachse unterscheidet. Die längliche Streustruktur wird so hergestellt, dass sie eine lange Achse und eine kurze Achse hat, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse ist, und dass die lange Achse in einem Querschnitt des Lichtleiters liegt und einer Richtung entspricht, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist, so dass Licht, das in Richtung der Lichtausbreitungsachse durch den Lichtleiter läuft, von den länglichen Streustrukturen in verschiedene Richtungen gestreut wird.According to another embodiment, a method of manufacturing an optical waveguide section is provided. This method includes providing an optical waveguide comprising a light guide having a first index of refraction configured to generate light in the direction of a light propagation axis, and focusing a pulsed laser beam into the light guide to create a plurality of elongated scattering structures comprising a second refractive index and arranged in at least two planes parallel to the light propagation axis and separated from each other such that constructive interference of a selected wavelength range is obtained in a main scattering direction different from the direction of the light propagation axis. The elongate diffusing structure is fabricated to have a long axis and a short axis substantially perpendicular to the long axis, and that the long axis lies in a cross section of the light guide and corresponds to a direction substantially perpendicular to the light propagation axis , so that light that runs through the light guide in the direction of the light propagation axis is scattered in different directions by the elongated scattering structures.

Bei der Herstellung der länglichen Streustrukturen mit einem gepulsten Laser, z.B. einem Femtosekundenlaser, sind die Strukturen nicht homogen und mehrere oben beschriebene mikroskopische Streupartikel unterschiedlicher Größe in den Streustrukturen führen zu unterschiedlichen Streu- und Beugungseffekten.When producing the elongated scattering structures with a pulsed laser, e.g. a femtosecond laser, the structures are not homogeneous and several microscopic scattering particles of different sizes in the scattering structures, as described above, lead to different scattering and diffraction effects.

In gleicher Weise kann ein Spektrometersystem auf Grundlage der oben beschriebenen Methode zur Herstellung eines optischen Wellenleiterabschnitts hergestellt werden, wobei zusätzlich ein Empfänger/Detektor sowie ein Lichteinkoppler angeordnet werden.Similarly, a spectrometer system can be fabricated based on the method described above for fabricating an optical waveguide section, with the addition of a receiver/detector and a light launcher.

Wie oben beschrieben, ermöglichen Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung die Ein- und Auskopplung von Licht in/aus einem Wellenleiterabschnitt. Daher kann eine einfache und effiziente Lichtkopplung bereitgestellt werden.As described above, embodiments and examples of the invention enable the coupling of light into and out of a waveguide section. Therefore, simple and efficient light coupling can be provided.

Es wird deutlich, dass die beschriebenen optischen Wellenleiterabschnitte, Vorrichtungen, Spektrometersysteme und -methoden sowie die Konstruktion dieser Erfindung in vielfältiger Weise modifiziert und variiert werden können, ohne vom Umfang oder Geist der Erfindung abzuweichen.It will be apparent that the described optical waveguide sections, apparatus, spectrometer systems and methods, and construction of this invention can be modified and varied in many ways without departing from the scope or spirit of the invention.

Die Erfindung wurde in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen und Beispiele beschrieben, die in jeder Hinsicht eher illustrativ als einschränkend sein sollen.The invention has been described in relation to specific embodiments and examples which are intended in all respects to be illustrative rather than restrictive.

Außerdem werden andere Ausführungsformen der Erfindung für den Fachmann aus der Betrachtung der hier offenbaren Beschreibung und Praxis der Erfindung ersichtlich sein. Die Beschreibung und die Beispiele sollen nur als beispielhaft angesehen werden. Zu diesem Zweck ist es zu verstehen, dass erfinderische Aspekte in weniger als allen Merkmalen der zuvor offenbaren Implementierung oder Konfiguration liegen.In addition, other embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art from consideration of the specification and practice of the invention disclosed herein. It is intended that the specification and examples be considered as exemplary only. To this end, it is to be understood that inventive aspects lie in less than all features of the previously disclosed implementation or configuration.

Claims

An optical waveguide section comprising a light guide (210, 310, 410, 510) having a first index of refraction configured to direct light toward a light propagation axis (420), and a plurality of elongated scattering structures (230, 330, 430, 530) having a second index of refraction ; wherein the plurality of elongated diffusing structures (230, 330, 430, 530) are arranged in at least two planes parallel to the light propagation axis (420); each elongated scattering structure having a long axis and a short axis substantially perpendicular to the long axis, and wherein the long axis lies in a cross section of the light guide and corresponds to a direction that is substantially perpendicular to the light propagation axis, so that light propagating through the light guide (210, 310, 410, 510) in the direction of the light propagation axis (420), is scattered in different directions by the elongated scattering structures (230, 330, 430, 530), wherein the elongate scattering structures (230, 330, 430, 530) are arranged and spaced apart in the at least two planes such that constructive interference of a selected wavelength range is obtained in a main scattering direction that differs from the direction of the light propagation axis, and a first group of at least two planes being arranged on one side of the light guide and a second group of at least two other planes being arranged on the opposite other side of the light guide, the distance between the two groups being many times greater than the distances between the at least two planes in each group, the distance between the plane of the elongate scattering structure of the first group closest to the center of the light guide and the plane of the elongate scattering structure of the second group closest to the center of the light guide being greater than the distance between the at least two levels in each group.

Optical waveguide section according to claim 1 wherein a long axis of an elongate scattering structure of each plane lies in the cross-section of the light guide, said long axes of the elongate scattering structures of the planes being substantially parallel to one another and preferably spaced one or more multiples of the wavelength of the light from one another.

Optical waveguide section according to claim 1 , wherein a plurality of elongate scattering structures are arranged with their long axes substantially parallel to each other in each plane.

Waveguide section according to one of Claims 1 until 3 , wherein the distances between the long axes of the elongated scattering structures in the direction of the light propagation axis (420) are equal in each plane.

Optical waveguide section according to any one of Claims 1 until 4 , wherein the distances between the long axes of the elongated scattering structures in the direction of the light propagation axis (420) are at least one of - on the order of or less than the long axis, and - greater than half the wavelength of the light and less than 1.5 times the wavelength of light.

Optical waveguide section according to any one of Claims 1 until 5 , where the long axis is on the order of or greater than twice the wavelength of the light guided in the light guide (210) and the short axis is magnitude order of or less than the wavelength of light.

Optical waveguide section according to any one of Claims 1 until 6 , each elongate scattering structure comprising a plurality of scattering particles, preferably in the order of 100 to 1000 scattering particles.

Optical waveguide section according to claim 7 , where each scattering particle has a size on the order of or smaller than the wavelength of the light.

Optical waveguide section according to any one of Claims 1 until 8th , where each elongated scattering structure has a shape that approximates an ellipsoid or a cylinder with the long axis and the short axis.

Optical waveguide section according to any one of Claims 1 until 9 , wherein the cross-section of the light guide is substantially perpendicular to the light propagation axis or at an angle of less than 90 degrees to the light propagation axis.

A device for optical applications, comprising the optical waveguide section according to any one of Claims 1 until 10 , and a receiver arranged on one side of the waveguide section, the receiver being arranged to receive light scattered from the plurality of elongate scattering structures in a scattering direction lying in a main scattering plane.

A device for optical applications, comprising the optical waveguide section according to any one of Claims 1 until 10 , and a transmitter arranged on one side of the optical waveguide, the transmitter being arranged to transmit light to the plurality of elongate scattering structures in a main scattering direction lying in a main scattering plane, the scattering direction having a scattering angle with respect to the light propagation axis having.

Spectrometer system comprising the device according to claim 11 and a light coupler, wherein the light input to the spectrometer system is coupled into the optical waveguide section by the light coupler to guide the light along the light propagation axis.

A method of manufacturing an optical waveguide section comprising providing an optical waveguide comprising a light guide having a first index of refraction configured to direct light in the direction of a light propagation axis, and Focusing a pulsed laser beam into the light guide to produce a plurality of elongate scattering structures having a second refractive index and arranged in at least two planes parallel to the light propagation axis and arranged and separated from each other to obtain constructive interference of a selected wavelength range in a main scattering direction becomes different from the direction of the light propagation axis, each elongated scattering structure having a long axis and a short axis substantially perpendicular to the long axis, and wherein the long axis lies in a cross-section of the light guide and corresponds to a direction that is substantially perpendicular to the light propagation axis, such that light traveling through the light guide in the direction of the light propagation axis is scattered in different directions by the elongated scattering structures, and a first group of at least two planes being arranged on one side of the light guide and a second group of at least two other planes being arranged on the opposite other side of the light guide, the distance between the two groups being many times greater than the distances between the at least two planes in each group, the distance between the plane of the elongate scattering structure of the first group closest to the center of the light guide and the plane of the elongate scattering structure of the second group closest to the center of the light guide being greater than the distance between the at least two levels in each group.