DE4206358C1 - Radiation-concentrating system - has planar wave guide arrangements partly coupled to have common light outlet aperture - Google Patents

Radiation-concentrating system - has planar wave guide arrangements partly coupled to have common light outlet aperture

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Abstract

A system for concentrating the radiation from a plurality of light sources arranged in a row. A plurality of planar wave guide systems are arranged on top of each other. The planar wave guides of these systems are partly coupled to each other in a first plane (21). At least part of the wave guides not coupled to each other have a grid structure (201, 202) by means of which the light fed into the guides can be decoupled. Each light source is associated with a light inlet aperture of a waveguide (211, 213...). The coupled waveguides have a common light outlet aperture (24; 34; 44). A second plane (22; 23) of planar wave guides (22-224, 231-233) is arranged parallel to the first plane (21). ADVANTAGE - The light outlet aperture is as loss-free possible when coupled to other devices.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Konzentration der Strahlung einer Vielzahl von nebeneinander in einer Reihe angeordneter Lichtquellen mittels in mindestens einer Ebene angeordneter, planarer, zumindest teilweise gekoppelter Lichtwellenleiter, wobei jeder Lichtquelle eine Lichteintrittsöffnung eines Lichtwellenleiters zugeordnet ist und die gekoppelten Lichtwellenleiter eine gemeinsame Lichtaustrittsöffnung aufweisen.The invention relates to an arrangement for concentrating the radiation a plurality of arranged side by side in a row Light sources by means of planar, arranged in at least one plane, at least partially coupled optical fiber, each Light source is a light entry opening of an optical waveguide is assigned and the coupled optical waveguide is a common one Have light exit opening.

Aus der US-PS 48 46 540 ist die Kopplung planarer optischer Wellenleiter bekannt, welche es ermöglicht, eine Anzahl räumlich getrennter Wellenleiterkanäle zu einem einzigen Ausgangskanal zu vereinen, so daß als Ausgangsapertur die Summe der einzelnen Wellenleiteraperturen zur Verfügung steht. Auf diese Weise ist es möglich, mehrere Lichtquellen zu einer einzigen strahlenden Lichtfläche zu vereinen, ohne daß, wie mit herkömmlicher Optik, die nichtstrahlende Fläche zwischen den einzelnen Lichtemittern mitabgebildet werden würde. Hierdurch ist es möglich, die Leistungsdichte räumlich getrennter, strahlender Emitter so zu integrieren, daß, ohne Verletzung des Satzes von Liouville (nach welchem das Produkt aus Abstrahlungswinkel und Fläche konstant bleibt) eine Maximierung der Strahlungsleistungsdichte erfolgt.From US-PS 48 46 540 is the coupling of planar optical waveguides known, which enables a number of spatially separate Unite waveguide channels into a single output channel, so that as the starting aperture the sum of the individual waveguide apertures Available. In this way it is possible to have multiple light sources to unite a single radiant light surface without, as with conventional optics, the non-radiating surface between the individual Light emitters would also be depicted. This makes it possible to Power density of spatially separated, radiating emitters integrate that, without violating Liouville's theorem (according to which the product of the radiation angle and area remains constant) Radiation power density is maximized.

Nachteilig bei dieser Vorgehensweise der Strahlvereinigung ist jedoch, daß mit zunehmender Zahl von Eingangskanälen der Ausgangskanal asymmetrisch wird, d. h. daß bei der Integration einer hohen Zahl von Eingangskanälen der Ausgangskanal in der einen Raumrichtung anwächst, in der anderen Raumrichtung jedoch konstant bleibt. So entsteht ein zunehmend linienförmiger Ausgangskanal. Bei einer anschließenden Verwendung einer herkömmlichen abbildenden Linsenoptik am Ausgang wird es somit zunehmend schwieriger, einen solchen Ausgangskanal mit hinreichender Apertur effizient zu kollimieren und zu fokussieren.A disadvantage of this approach of beam union is, however, that with increasing number of input channels the output channel becomes asymmetrical, d. H. that when integrating a large number of The output channel grows in one spatial direction, in the other direction remains constant. This is how a increasingly linear output channel. With a subsequent Using a conventional imaging lens optics at the output it is becoming increasingly difficult to have such an output channel sufficient aperture to collimate and focus efficiently.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Konzentration der Strahlung einer Vielzahl von nebeneinander in einer Reihe angeordneter Lichtquellen zu schaffen, deren Ausgangsapertur möglichst verlustfrei über herkömmliche abbildende Linsenoptiken an weitere optische Einrichtungen ankoppelbar ist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildete Anordnung.It is an object of the present invention to provide an arrangement for Concentration of the radiation of a large number in a row  To create a series of arranged light sources, their output aperture as lossless as possible via conventional imaging lens optics further optical devices can be coupled. The solution to this The object is achieved by means of one of the features of patent claim 1 trained arrangement.

Die Erfindung macht sich die beispielsweise aus der EP 03 83 627 A2 oder DE 38 42 480 A1 bekannten Gitterkoppler zunutze, um damit das in einer Ebene empfangene Licht mehrerer Lichtquellen auf weitere Ebenen aufzuteilen. Die Lichtaustrittsöffnungen der Ebenen sind unmittelbar übereinander angeordnet, so daß bei zunehmender Anzahl der Eingangskanäle die gesamtwirksame Ausgangsapertur nicht nur in einer sondern in zwei Raumrichtungen zunimmt. Wenn die intensitätsmäßige Aufteilung des eingekoppelten Lichtes auf die einzelnen Ebenen gleich ist und die Breite der Lichtaustrittsöffnungen der einzelnen Ebenen ebenfalls gleich sind, so kann beispielsweise ein quadratischer Leuchtfleck konstanter Leuchtdichte erzeugt werden. Bei entsprechender anderer Aufteilung der Intensitäten und der Lichtaustrittsbreiten läßt sich in vorteilhafter Weise auch ein nahezu kreisförmiger Leuchtfleck erzeugen.The invention makes itself known for example from EP 03 83 627 A2 or DE 38 42 480 A1 known lattice coupler to use it in a Level received light from multiple light sources on further levels split up. The light exit openings of the levels are immediate arranged one above the other, so that with increasing number of Input channels the overall effective output aperture not only in one but increases in two spatial directions. If the intensity Distribution of the coupled light on the individual levels equally and the width of the light exit openings of the individual levels are also the same, for example a square one Luminous spot of constant luminance are generated. With appropriate different distribution of the intensities and the light exit widths an almost circular light spot is also advantageous produce.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Figuren teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.The invention is based on the partial in the figures schematically illustrated embodiment.

Zur Integration der Strahlung aus einer Leistungslaserdiodenzeile 1 ist eine aus drei Wellenleitersystemen 21, 22 und 23 bestehende Anordnung gemaß Fig. 1 vorgesehen. Das Licht der einzelnen Laserdioden 11, 12, 13 . . . wird dabei in die Stirnflächen von planaren Lichtwellenleitern 211, 212, 213 . . . eingekoppelt, die in gleichen Abständen wie die Laserdioden 11, 12, 13 . . . an einer Seite des Wellenleitersystems 21 angeordnet sind. Drei der planaren Wellenleiter 212, 215 und 218 werden in bekannter Weise (siehe z. B. US-PS 48 46 540) zusammengeführt und bilden am gegenüberliegenden Ende des Wellenleitersystems 21 eine gemeinsame Lichtaustrittsöffnung 24.In order to integrate the radiation from a power laser diode line 1 , an arrangement according to FIG. 1 consisting of three waveguide systems 21 , 22 and 23 is provided. The light from the individual laser diodes 11 , 12 , 13 . . . is in the end faces of planar optical fibers 211 , 212 , 213 . . . coupled in at the same intervals as the laser diodes 11 , 12 , 13 . . . are arranged on one side of the waveguide system 21 . Three of the planar waveguides 212 , 215 and 218 are brought together in a known manner (see, for example, US Pat. No. 4,846,540) and form a common light exit opening 24 at the opposite end of the waveguide system 21 .

Die übrigen Wellenleiter des Wellenleitersystems 21 sind nicht miteinander gekoppelt und sind in zwei Gruppen von Wellenleitern unterschiedlicher Länge aufgeteilt, die jeweils am Ende einen Gitterkoppler aufweisen, wie er beispielsweise aus der vorgenannten EP 03 83 627 A2 oder DE 38 42 480 A1 bekannt ist. Zunächst sei der Wellenleiter 211 der ersten Gruppe betrachtet, zu der noch die Wellenleiter 214, 217 und 220 gehören. Das in diesen Wellenleiter 211 eingekoppelte Licht wird am Gitterkoppler 201 unter einem Winkel α aus dem Wellenleiter 211 ausgekoppelt. Das auf diese Weise ausgekoppelte und durch Pfeile dargestellte Licht trifft ggf. durch eine transparente Abstandsschicht 31 auf das zweite Wellenleitersystem 22, welches in den äußeren Abmessungen deckungsgleich mit dem Wellenleitersystem 21 ist und vier miteinander gekoppelte planare Wellenleiter 221 bis 224 aufweist. Diese Wellenleiter besitzen als Lichteintrittsfläche Gitterkoppler der o.g. Art, wobei diese so angeordnet sind, daß sie das von den Gitterkopplern des Wellenleitersystems 21 ausgesandte Licht unter dem gleichen Winkel α empfangen und in die Wellenleiterbahnen 221 bis 224 einkoppeln können. Hierzu ist jedem Gitterkoppler (z. B. 201) eines Wellenleiters (z. B. 211) des Wellenleitersystems 21 ein Gitterkoppler (z. B. 2010) eines Wellenleiters (z. B. 221) des Wellenleitersystems 22 zugeordnet.The remaining waveguides of the waveguide system 21 are not coupled to one another and are divided into two groups of waveguides of different lengths, each of which has a grating coupler at the end, as is known, for example, from the aforementioned EP 03 83 627 A2 or DE 38 42 480 A1. First, consider the waveguide 211 of the first group, which also includes the waveguides 214 , 217 and 220 . The light coupled into this waveguide 211 is coupled out of the waveguide 211 at the grating coupler 201 at an angle α. The light coupled out in this way and represented by arrows may strike the second waveguide system 22 through a transparent spacer layer 31 , which is congruent in its outer dimensions with the waveguide system 21 and has four planar waveguides 221 to 224 coupled to one another. These waveguides have grating couplers of the above-mentioned type as the light entry surface, these being arranged such that they receive the light emitted by the grating couplers of the waveguide system 21 at the same angle α and can couple them into the waveguide paths 221 to 224 . For this purpose, each grating coupler (e.g. 201 ) of a waveguide (e.g. 211 ) of the waveguide system 21 is assigned a grating coupler (e.g. 2010 ) of a waveguide (e.g. 221 ) of the waveguide system 22 .

In der Darstellung des Ausführungsbeispieles sind die Wellenleitersysteme 21, 22 und 23 bewußt mit großem Abstand voneinander gezeichnet; in der Realität sollten sie jedoch so nah wie möglich beieinander liegen, wobei die Abstandsschichten 31 und 32 nur dann notwendig sind, falls sich die Gitterkoppler gegenseitig berühren würden. Die jeweils zugehörigen Gitterkoppler, z. B. 201 und 2010 liegen also direkt übereinander, so daß die Überkopplung des Lichtes vom Wellenleiter 211 zum Wellenleiter 221 mit möglichst geringen Verlusten erfolgt.In the illustration of the exemplary embodiment, the waveguide systems 21 , 22 and 23 are deliberately drawn at a large distance from one another; in reality, however, they should be as close as possible to one another, the spacer layers 31 and 32 being necessary only if the grating couplers would touch one another. The associated grating coupler, e.g. B. 201 and 2010 are therefore directly one above the other, so that the coupling of the light from the waveguide 211 to the waveguide 221 takes place with the lowest possible losses.

Das in die vier Wellenleiter 221 bis 224 des Wellenleitersystems 22 eingekoppelte Licht wird nach Kopplung der Wellenleiter über die Austrittsöffnung 34 abgestrahlt. The light coupled into the four waveguides 221 to 224 of the waveguide system 22 is emitted via the exit opening 34 after the waveguides have been coupled.

Analog wird nun aus der zweiten Gruppe der Wellenleiter (213, 216 und 219) des Wellenleitersystems 21 das eingekoppelte Licht über Gitterkoppler in korrespondierende Wellenleiter (231, 232 und 233) des Wellenleitersystems 23 eingekoppelt und zwar ebenfalls derart, daß je einem Gitterkoppler (z. B. 202) des Wellenleitersystems 21 ein Gitterkoppler (z. B. 2020) des Wellenleitersystems 23 zugeordnet ist. Die Abstrahl- und Empfangswinkel β der Gitterkoppler sind wiederum aufeinander abgestimmt; bei der Festlegung der Position der Gitterkoppler auf dem Wellenleitersystem 23 muß jedoch berücksichtigt werden, daß hier das Licht vorher durch das Wellenleitersystem 22 hindurchtreten und daher eine größere Wegstrecke zurücklegen muß.Analogously, from the second group of waveguides ( 213 , 216 and 219 ) of the waveguide system 21, the light coupled in via grating couplers is now coupled into corresponding waveguides ( 231 , 232 and 233 ) of the waveguide system 23 , likewise in such a way that one grating coupler (e.g. B. 202 ) of the waveguide system 21 is assigned a grating coupler (e.g. 2020 ) of the waveguide system 23 . The radiation and reception angles β of the grating couplers are in turn matched to one another; When determining the position of the grating couplers on the waveguide system 23 , however, it must be taken into account that the light has to pass through the waveguide system 22 beforehand and must therefore travel a greater distance.

Die drei Wellenleiter 231, 232 und 233 sind wie beim Welleleitersystem 21 miteinander gekoppelt und bilden eine Lichtaustrittsöffnung 44.The three waveguides 231 , 232 and 233 are coupled to one another like in the waveguide system 21 and form a light exit opening 44 .

In Fig. 2 ist eine Aufsicht auf die Lichtaustrittsöffnungen 24, 34 und 44 der Wellenleitersysteme 21, 22 und 23 dargestellt, woraus ersichtlich wird, daß die Lichtaustrittsöffnungen 24 und 44 etwa gleich groß sind, die mittlere Lichtaustrittsöffnung 34 jedoch breiter ist. So kann bereits mit drei derartig übereinander gelegenen Lichtaustrittsöffnungen ein annähernd kreisförmiger Leuchtfleck erzeugt werden, der sich leicht über sphärische Linsen in weitere optische Systeme, z. B. Lichtleitfasern, einkoppeln läßt. Da zur Speisung der mittleren Lichtaustrittsöffnung 34 das Licht aus vier Leuchtdioden verwendet wird, zur Speisung der Lichtaustrittsöffnungen 24 und 44 jedoch nur drei Leuchtdioden, ist bei entsprechender Dimensionierung der Breite der Öffnung 34 die Leuchtdichte aller drei Lichtaustrittsöffnungen etwa gleich groß.In Fig. 2 is a plan view of the light exit openings 24, 34 and 44 of the waveguide systems 21, 22 and 23, which it will be seen that the light outlet openings 24 and 44 are approximately equal, the average light exit opening 34, however, is broader. Already with three such light exit openings one above the other, an approximately circular light spot can be generated, which can easily be transformed into additional optical systems, e.g. B. optical fibers can be coupled. As for feeding the central light emission aperture 34, the light is used from four LEDs, for feeding the light exit openings 24 and 44, however, only three light emitting diodes, with appropriate dimensioning of the width of the opening 34, the luminance of the three light apertures approximately equal.

Claims (3)

1. Anordnung zur Lonzentration der Strahlung einer Vielzahl von nebeneinander in einer Reihe angeordneten Lichtquellen mittels in mindestens einer Ebene angeordneter, planarer, zumindest teilweise gekoppelter Lichtwellenleiter, wobei jeder Lichtquelle eine Lichteintrittsöffnung eines Lichtwellenleiters zugeordnet ist und die gekoppelten Lichtwellenleiter eine gemeinsame Lichtaustrittsöffnung aufweisen, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest der Teil der nicht miteinander gekoppelten Lichtwellenleiter (211, 213 . . .) eine Gitterstruktur (201, 202 . . .) aufweist, mittels welcher das im Lichtwellenleiter geführte Licht auskoppelbar ist,
daß parallel zur ersten Ebene (21) zumindest eine weitere Ebene (22; 23) von planaren, zumindest teilweise gekoppelten Lichtwellenleitern (222-224; 231-233) angeordnet ist, die an den Stellen, an denen sie von austretendem Licht der ersten Ebene (21) getroffen werden eine Gitterstruktur (2010, . . .; 2020, . . .) zur Einkopplung dieses Lichtes aufweisen und,
daß die Mitten der Lichtaustrittsöffnungen (24; 34; 44) der Ebenen (21; 22; 23) unmittelbar übereinander angeordnet sind.1. Arrangement for the concentration of the radiation of a plurality of light sources arranged side by side in a row by means of planar, at least partially coupled optical waveguides arranged in at least one plane, each light source being assigned a light entry opening of an optical waveguide and the coupled optical waveguides having a common light exit opening, characterized in that ,
that at least the part of the non-coupled optical waveguides ( 211 , 213... ) has a grating structure ( 201 , 202... ), by means of which the light guided in the optical waveguide can be coupled out,
that parallel to the first plane (21) at least one further plane (22; 23); is arranged at the points at which they of outgoing light of the first plane of planar, at least partially coupled optical waveguides (231-233 222-224) ( 21 ) will have a lattice structure ( 2010 ,..; 2020 ,...) For coupling this light and,
that the centers of the light exit openings ( 24 ; 34 ; 44 ) of the levels ( 21 ; 22 ; 23 ) are arranged directly one above the other. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander angeordneten Lichtaustrittsöffnungen (24; 34; 44) mehrerer Ebenen (21; 22; 23) von planaren, gekoppelten Lichtwellenleitern (212, 215, 218; 222-224; 231-233) unterschiedliche Breiten aufweisen derart, daß ein insgesamt nahezu kreisförmiger Leuchtfleck entsteht.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the superimposed light exit openings ( 24 ; 34 ; 44 ) of several planes ( 21 ; 22 ; 23 ) of planar, coupled optical fibers ( 212 , 215 , 218 ; 222-224 ; 231-233 ) have different widths in such a way that an overall almost circular light spot is created. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichten der Lichtaustrittsöffnungen (24; 34; 44) der Ebenen gleich sind.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the luminance of the light exit openings ( 24 ; 34 ; 44 ) of the planes are the same.
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