DE10248851A1 - Anordnung zur Übertragung optisher oder elektromagnetischer Wellen - Google Patents

Anordnung zur Übertragung optisher oder elektromagnetischer Wellen Download PDF

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Abstract

Es wird eine Anordnung zur Übertragung optischer oder elektromagnetischer Wellen unter Verwendung eines Wellenleiters angegeben, der in vorgegebener Länge in einem Bauteil angeordnet ist. Um einen möglichst kompakten Aufbau zu erreichen, ist der Wellenleiter im Bauteil in mindestens zwei Abschnitte (6) unterteilt, die an ihren Enden jeweils durch Rückwärtswellenkoppler (G1) in Reihenschaltung miteinander verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung optischer oder elektromagnetischer Wellen unter Verwendung eines Wellenleiters, der in vorgegebener Länge in einem Bauteil angeordnet ist.
  • Eine solche Anordnung wird beispielsweise in der optischen Übertragungstechnik verwendet, in welcher das Bauteil beispielsweise ein Faserlaser oder ein Faserverstärker oder ein integriert-optischer Verstärker sein kann. Sie kann beispielsweise auch für medizinische Anwendungen zum Aufbau eines Laserhandstücks eingesetzt werden. Die Anordnung ist jedoch auch bei der Übertragung von elektromagnetischen Wellen verwendbar, beispielsweise bei Hohlleitern oder planaren Wellenleitern in Streifenleitertechnik. Stellvertretend für alle möglichen Anwendungsfälle wird im folgenden die optische Anwendung berücksichtigt. Statt der Worte „Wellenleiter" bzw. "Lichtwellenleiter" wird dabei der Einfachheit halber das Wort „Faser" verwendet.
  • In bekannter Technik werden in bestimmten Faserkomponenten, wie Faserlasern und Faserverstärkern, relativ lange Fasern benötigt. Eine beispielsweise in einem Faserlaser eingesetzte Faser hat eine typische Länge von mehreren Dezimetern bis Metern. Fasern in Faserverstärkern erreichen Längen von Dekametern. Um einen kompakten Aufbau des entsprechenden Bauteils zu erreichen, wird die Faser beispielsweise in einem Ring mit mehreren Windungen gelegt oder auf eine Spule aufgewickelt. Das führt zu Bauteilen mit relativ großen Abmessungen, weil zur Vermeidung von zu hohen Verlusten durch Makrobiegungen Biegeradien von einigen cm bis dm verwendet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Anordnung so zu gestalten, dass die Abmessungen des die Faser enthaltenden Bauteils vermindert werden können, ohne dass zu große Verluste auftreten.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Faser im Bauteil in mindestens zwei Abschnitte unterteilt ist, die an ihren Enden jeweils durch Rückwärtswellenkoppler in Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
  • Das Bauteil dieser Anordnung hat bei entsprechender Bemessung der Faserabschnitte kleine Abmessungen und nur geringe durch die Rückwärtskopplung bedingte Verluste. Es liegt ein Verbund bzw. bei einer größeren Anzahl von Abschnitten ein Bündel von Faserabschnitten vor, der bzw. das beispielsweise einen gestreckten, quasilinearen Aufbau oder z. B. bei Handstücken einen nur schwach gekrümmten Aufbau ermöglicht. Die freien Arme der Rückwärtswellenkoppler stehen außerdem zum Anschluß an andere Elemente zur Verfügung. So kann beispielsweise zur Kompensation von Kopplerverlusten gegebenenfalls Pumpstrahlung in laseraktiv dotierte Fasern eingekoppelt werden.
  • Rückwärtswellenkoppler sind an sich bekannt, und zwar in der optischen Nachrichtentechnik. Sie werden beispielsweise zum schmalbandigen Auskoppeln und/oder Einfügen eines Kanals aus einer bzw. in eine Faserstrecke verwendet. Solche Rückwärtswellenkoppler mit eingeschriebenen Bragg-Gittern gehen beispielsweise aus der Druckschrift von Yokota, H. et al.: „Analysis of filtering characteristics of apodized optical fiber grating couplers", Technical Digest of the 3rd Optoelectronics and Communications Conference; July 1988, Makuhari Messe (Japan), Seiten 160 und 161 hervor.
  • Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch ein in der Anordnung nach der Erfindung verwendbares Bauteil mit darin angeordneten Abschnitten einer Faser.
  • 2, 3 und 5 Rückwärtswellenkoppler für optische Wellen bzw. Signale.
  • 4 einen normalen Richtkoppler, wie er zum Aufbau von Rückwärtskopplern nach
  • 5 aus diskreten Bauteilen benötigt wird.
  • 6 und 7 das Bauteil nach 1 mit unterschiedlich ausgeführten Rückwärtswellenkopplern.
  • In der folgenden Beschreibung wird weiterhin statt der Worte „Wellenleiter" bzw. „Lichtwellenleiter" das Wort „Faser" verwendet. In den dargestellten und beschriebenen Ausführungen der Anordnung sind die Fasern lineare bzw. quasi lineare Elemente. Sie sind außerdem räumlich nebeneinander angeordnet. Die Fasern können aber auch alle gekrümmt verlaufen oder in einer anderen geometrischen, raumsparenden Form angeordnet sein. Das kann insbesondere für planare Wellenleiter in Streifenleitertechnik gelten.
  • In einem in 1 gestrichelt umrandeten Bauteil 5 soll eine vorgegebene Länge einer Faser angebracht sein. Dazu sind in dem Bauteil 5 beispielsweise vier relativ kurze Abschnitte 6 einer Faser angeordnet, die durch Rückwärtswellenkoppler G – im folgenden kurz „Gitterkoppler G" genannt – in Reihe geschaltet sind. Der Aufbau eines Gitterkopplers G geht beispielsweise aus den 2, 3 und 5 hervor. Die durch die Gitterkoppler G verbundenen Abschnitte 6 der Faser haben zusammen eine Länge, welche der insgesamt vorgegebenen Länge derselben im Bauteil 5 entspricht. Ihre Anzahl richtet sich nach dieser vorgegebenen Länge. Im Bauteil 5 sollen mindestens zwei Abschnitte 6 enthalten sein.
  • 2 zeigt einen durch Verschmelzen zweier Fasern gefertigten Gitterkoppler G mit vier Armen 1 , 2, 3 und 4, bei dem in die Verschmelzungszone ein Bragg-Gitter 7 eingeschrieben ist. Wenn in den Arm 1 optische Wellen mit Wellenlängen im Bereich von λ1 ... λN eingespeist werden, wird durch das Bragg-Gitter 7 eine in diesem Bereich liegende Wellenlänge, die Bragg-Wellenlänge λD, so reflektiert, dass sie am Arm 2 wieder austritt. Alle anderen Wellenlängen verlassen den Gitterkoppler G im wesentlichen über den Arm 4. Dieser Gitterkoppler G ist in 3 in schematischer Ausführung dargestellt. Dabei sind seine Arme 1 bis 4 als Anschlußpunkte wiedergegeben.
  • 4 zeigt ebenfalls schematisch einen einfachen, aus zwei Fasern erzeugten Schmelzkoppler S ohne Bragg-Gitter 7, der als Richtkoppler wirkt und gemäß 5 zum Aufbau eines gegenüber 3 anders aufgebauten Gitterkopplers G verwendet werden kann. Es sind dazu zwei Schmelzkoppler S1 und S2 hintereinandergeschaltet und an ihren Armen 3 und 4 einerseits sowie 1 und 2 andererseits durch Fasern 8 und 9 miteinander verbunden. In die Fasern 8 und 9 sind Bragg-Gitter 7 eingeschrieben. In ihrer Funktion sind die Gitterkoppler G nach den 3 und 5 äquivalent. Es stehen an ihren Enden jeweils Anschlußpunkte 1 bis 4 zur Verfügung.
  • 6 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung, in welcher zwei Abschnitte 6 einer Faser durch einen Gitterkoppler G1 miteinander verbunden sind. Dazu sind die beiden Abschnitte an die Arme 3 und 4 des Gitterkopplers G1 angeschlossen, dessen Arme 1 und 2 reflexionsfrei abgeschlossen sind oder ggf. frei bleiben, wenn keine störenden Reflexionen zu erwarten sind. An ihren anderen Enden sind die Abschnitte 6 an den Arm 2 eines Gitterkopplers G2 einerseits und an den Arm 1 eines Gitterkopplers G3 andererseits angeschlossen. Durch die Verbindung der beiden Abschnitte 6 mittels des Gitterkopplers G1 entsteht für die Bragg-Wellenlänge λD durch die Rückwärtskopplung bei G1 eine gefaltete Faser, deren Länge etwas größer als die Summe der Längen der beiden Abschnitte 6 ist, da die Wellen auch ein Stück in den Gitterkopplern G1, G2 und G3 geführt werden. Beispielsweise wird eine in den Arm 1 des Gitterkopplers G2 eingespeiste Welle nach Reflexion an dessen Bragg-Gitter 7 in den oberen Abschnitt 6 geführt. Sie verläßt die Anordnung nach Reflexion am Bragg-Gitter 7 des Gitterkoppler G3 durch dessen Arm 2.
  • Dieses Faltungsprinzip läßt sich mit einer entsprechend erhöhten Anzahl von Abschnitten 6 fortsetzen. Dazu werden an den jeweiligen Enden der Abschnitte 6 jeweils weitere Gitterkoppler G angeschlossen. So kann beispielsweise in 6 am Arm 1 des Gitterkopplers G2 und am Arm 2 des Gitterkopplers G3 jeweils ein weiterer Abschnitt 6 angeschlossen werden, die räumlich neben den eingezeichneten beiden Abschnitten 6 liegen. Die effektive Gesamtlänge der Faser wird dadurch ungefähr um die Länge der beiden zusätzlichen Abschnitte 6 vergrößert. Mit weiteren, durch Gitterkoppler G verbundenen Abschnitten 6 kann so die effektive Faserlänge nahezu beliebig vergrößert werden, ohne dass sich der die Länge des Bauteils 5 bestimmende Abstand der durch Abschnitte 6 verbundenen Gitterkoppler G vergrößert.
  • Die Anordnung nach 6 kann auch als gefalteter Faser-Resonator verwendet werden. Wenn die Arme 1 des Gitterkopplers G2 und 2 des Gitterkopplers G3 mit Reflektoren 10 und 1 1 abgeschlossen werden, so erhält man einen Resonator für die Bragg-Wellenlänge λD. Wenn die Abschnitte 6 oder die Fasern in den Gitterkopplern G zumindest teilweise laseraktiv dotiert sind, z. B. mit Seltenerdionen, und mit Pumpstrahlung angeregt werden, so ergibt sich ein Faserlaser-Resonator, aus dem beispielsweise Energie über den dann als Spiegel ausgeführten Reflektor 10 ausgekoppelt werden kann, wenn dieser teilreflektierend ausgeführt wird. Das ist durch die gestrichelte Darstellung des Spiegels 10 angedeutet.
  • Im wesentlichen wird nur die Bragg-Wellenlänge λD an den Gitterkopplern G reflektiert, während andere Wellenlängen im Arbeitsbereich eines Gitterkopplers G, wie oben für den Gitterkoppler G nach 3 beschrieben, an den Armen 3 und/oder 4 austreten. Daher besteht in vielen Fällen aufgrund der Reziprozität der Gitterkoppler G die Möglichkeit, Pumpenergie für die als Faserlaser ausgeführte Anordnung nach 6 über die Arme 3 und/oder 4 des Gitterkopplers G2 und/oder die Arme 1 und/oder 2 des Gitterkopplers G1 und/oder die Arme 3 und/oder 4 des Gitterkopplers G3 zuzuführen. Eine derartig verteilte Einkopplung von Pumpenergien ist besonders bei Einmodenfaser-Lasern von Vorteil. Eine direkte Einkopplung großer Pumpenenergien in den Kern einer Einmodenfaser ist in üblicher Technik sehr schwierig.
  • Die jeweils vier Arme 1, 2, 3 und 4 der Gitterkoppler G1, G2 und G3 können auch zur Realisierung eines Faserlasers benutzt werden, der auf zwei oder mehr Wellenlängen schwingt. Dazu kann der Anordnung ein mit einem Bragg-Gitter versehener Abschnitt einer Faser nachgeschaltet werden, dessen Bragg-Wellenlänge der zusätzlich gewünschten Laserwellenlänge entspricht. Das ist aber nur für Wellenlängen möglich, für die eine Übertragung auf die Eingangsseite der Gitterkoppter G möglich ist und die im Fluoreszenzbereichs des laseraktiven Materials liegen. Zur Anregung weiterer Laserwellenlängen können mehrere Faserabschnitte kaskadiert werden. Nicht beschaltete Arme der Gitterkoppler können entweder offen bleiben, falls eine geringe Reflexion in Kauf genommen werden kann, oder sie werden reflexionsfrei abgeschlossen.
  • In Fällen, in denen eine verteilte Einkopplung der Pumpstrahlung nicht möglich ist, bietet sich eine Anordung nach 7 an. Dabei kann statt des Gitterkopplers G3 in einer Faltungsanordnung eine Pump-Laserdiode 12 eingesetzt werden, die über einen dichroitischen Spiegel 13, der als Bandfilter für die Pumpwellenlänge wirkt, Leistung in den entsprechenden Abschnitt 6 der Faser einkoppelt.
  • In den 6 und 7 ist die Anordnung nach der Erfindung so dargestellt, dass ihre freien Enden mit Gitterkopplern G bzw. einer Pump-Laserdiode 12 abgeschlossen sind. Die freien Enden der Anordnung können aber auch ohne solche Bauteile direkt beschaltet werden.

Claims (13)

  1. Anordnung zur Übertragung optischer oder elektromagnetischer Wellen unter Verwendung eines Wellenleiters, der in vorgegebener Länge in einem Bauteil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter im Bauteil in mindestens zwei Abschnitte (6) unterteilt ist, die an ihren Enden jeweils durch Rückwärtswellenkoppler (G) in Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (6) des Wellenleiters räumlich linear bzw. fast linear verlaufen.
  3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (6) des Wellenleiters gekrümmt verlaufen.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (6) des Wellenleiters räumlich nebeneinander angeordnet sind.
  5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung optischer Wellen Rückwärtswellenkoppler (G) eingesetzt sind, in die Bragg-Gitter (7) eingeschrieben sind.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückwärtswellenkoppler (G) aus zwei jeweils vier Arme aufweisenden, gitterfreien Richtkopplern besteht, die an jeweils zwei ihrer Arme durch optische Fasern miteinander verbunden sind, in welche Bragg-Gitter (7) eingeschrieben sind.
  7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einen der freien Arme der Rückwärtswellenkoppler (G) jeweils ein Reflektor (10, 11) angeschlossen ist.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren (10,11) als Spiegel ausgeführt sind.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass teilreflektierende Spiegel eingesetzt sind.
  10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die als optische Fasern ausgeführten Wellenleiter laseraktiv dotiert sind.
  11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente zur Zuführung von Pumpenergie an einen oder mehrere der freien Arme der Rückwärtswellenkoppler (G) angeschlossen sind.
  12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Rückwärtswellenkopplern (G) und den Elementen zur Zuführung von Pumpenergie teilreflektierende oder dichroitische Spiegel angeordnet sind.
  13. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass einem oder mehreren der freien Arme der Rückwärtswellenkoppler (G) Fasern mit eingeschriebenen Bragg-Gittern nachgeschaltet sind.
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