EP3980823A1 - Lichtwellenleiter - Google Patents

Lichtwellenleiter

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EP3980823A1
EP3980823A1 EP20734649.5A EP20734649A EP3980823A1 EP 3980823 A1 EP3980823 A1 EP 3980823A1 EP 20734649 A EP20734649 A EP 20734649A EP 3980823 A1 EP3980823 A1 EP 3980823A1
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EP
European Patent Office
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optical waveguide
cores
light
optical
core
Prior art date
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Pending
Application number
EP20734649.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
César JÁUREGUI MISAS
Jens Limpert
Andreas TÜNNERMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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    • H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping

Definitions

  • the invention relates to an optical waveguide with two or more parallel to one another along the longitudinal extension of the optical waveguide, spaced from one another, continuously from one light-guiding cores extending to the other end of the optical waveguide and with a first cladding surrounding the cores.
  • the invention also relates to a laser system with a laser light source and an optical amplifier coupled thereto.
  • the invention also relates to a method for guiding light in an optical waveguide.
  • Optical waveguides (often in the form of optical fibers made of quartz glass or plastic) are known in various configurations from the prior art.
  • Optical fibers are cables used to transmit light.
  • the known optical waveguides are dielectric waveguides which are constructed from concentric layers. In the center there is a light-guiding core which is enclosed by a cladding which has a lower refractive index than the core.
  • protective layers made of plastic that surround the jacket are also provided.
  • the core has a diameter of a few micrometers to over a millimeter.
  • optical waveguides among other things, according to the number of modes of the electromagnetic radiation of light that can propagate, which is limited by the core diameter (singlemode / multimode fibers).
  • the further development of fiber lasers in recent times has led to the fact that fiber optics as an active medium provide a reliable concept for high-power lasers.
  • the development from low-energy lasers to high-power lasers for industrial applications is based on the ability of optical fibers to handle high power.
  • the very good ratio of surface area to active volume allows heat to be dissipated efficiently. This is an excellent prerequisite for high-performance operation.
  • conditions in the fiber optic lead to various problems. For example, the restriction of the light signal to the core of the optical waveguide leads to high light intensity and interactions between the material of the optical waveguide and the light signal. In particular, this also creates non-linear effects that are difficult to control. This severely affects the signal quality.
  • Optical waveguides should therefore be designed in such a way that non-linear effects and interactions with the fiber material are reduced.
  • the easiest and most effective way to reduce nonlinear effects is to increase the diameter of the core. On the one hand, this reduces the intensity of the light in the core and, on the other hand, the absorption of pump light can be increased, for example in the case of double-clad optical waveguides. Due to the improved absorption of the pump light, the optical waveguide can be shortened and thus non-linear effects can be further reduced.
  • the partial beams are amplified, spectrally broadened or transported in several spatially separated, independent optical elements / channels and finally combined again in an output beam.
  • the same spectral components propagate in the different channels, only a division of the power takes place at the beam splitter.
  • the spectral combination on the other hand, there is also a spectral division of the input signal. Combinations of both methods are possible.
  • the independent channels can be formed by the different cores of a multi-core fiber, each carrying a partial beam, in which the cores are surrounded by a common jacket (into which the pump light can be coupled for optical amplification) are.
  • the threshold from which mode instability and non-linear effects occur, scales approximately with the number of cores.
  • the distribution of the radiation on the individual nuclei and the recombination of the radiation according to The multicore fiber is passed through outside the multicore fiber by means of suitable optical components (beam splitters).
  • phase adjustment elements assigned to the individual channels are usually provided in front of or behind the multicore fiber in the beam direction, which influence the phase of the radiation in the respective partial beam.
  • the different phase shifts occurring in the individual channels can be compensated for in order to enable the partial beams to be superimposed in the correct phase in the output beam.
  • a control loop is used in which the phases of the radiation in the partial beams are manipulated variables. Properties of the output beam (e.g. average power, peak pulse power) that are appropriately detected are controlled variables. In this way, phase shifts in the individual channels can be automatically compensated.
  • the object of the invention is to provide a multi-core optical waveguide for high-performance operation with a system that is less complex than the prior art.
  • the invention achieves this object on the basis of an optical waveguide of the type specified in that the cores are arranged and spaced from one another in such a way that the propagation modes of the couple to each other in the optical waveguide at a working wavelength propagating light, the length of the optical waveguide being selected so that the light coupled into a single one of the cores at one end of the optical waveguide initially propagates through the optical waveguide to the other cores and after passing through it of the optical waveguide at the other end leaves the optical waveguide in turn from a single core with at least 60%, preferably at least 75% of the total light power propagating in the optical waveguide.
  • the invention deviates from the cited prior art, in which cores of the multicore fibers that are carefully shielded from one another guide the partial beams.
  • the cores are arranged and spaced such that they interact with one another, i. are coupled.
  • the targeted coupling between the cores of the optical waveguide enables the light, which is initially only coupled into one of the cores, to propagate to the other cores. This corresponds to the beam splitting in conventional systems. Then the light returns to a single nucleus, e.g. back to the original nucleus into which the light was coupled. This corresponds to the recombination in conventional systems.
  • the light is coupled into one core and then spreads through the mutual coupling of the propagation modes over a certain propagation path into the other cores, in order to form a single core, e.g. to return to the original core.
  • the intensity pattern that the light generates over the cross-section of the optical waveguide while it propagates along it changes periodically and, as a function of the propagation distance, first detects one core, then several cores and then another core. This cycle can be repeated several times along the optical fiber.
  • the main feature of the invention is that the light is coupled into a single core at the input of the optical waveguide and the majority of the light power (at least 60%) leaves the optical waveguide again from a single core at the output.
  • the reason for the automatic recombination of light after a certain propagation distance in a nucleus, in particular the original nucleus, is the Talbot Effect.
  • This effect ensures that the periodic structure in which the cores running through the entire optical waveguide are arranged at the input end of the optical waveguide, with the resulting intensity distribution of the light in cross-sectional planes of the optical waveguide, which are at certain periodic intervals along the optical waveguide are located.
  • the periodicity of this mapping along the optical waveguide depends on the distances between the cores, ie on the period length of the structure on the input side, and on the refractive indices of the cores.
  • the length of the optical waveguide can be selected in accordance with the arrangement and spacing of the cores and the refractive index ratios in such a way that the light at the output of the optical waveguide is (almost) completely fed back into a single, preferably the same core into which the light is was originally coupled at the entrance of the fiber optic cable.
  • the division of the light radiation into partial beams takes place automatically through the coupling of the propagation modes, as does the recombination.
  • no separate components are therefore required for the beam splitting and beam combination.
  • a regulation with phasing to stabilize the recombination can also be omitted.
  • a laser system in which the optical waveguide according to the invention is used is therefore significantly less complex and less error-prone compared to the prior art.
  • the optical waveguide according to the invention when used, the entire light power is distributed over several cores, so that non-linear effects are avoided and, due to the distribution of the thermal load over several cores, the power threshold from which the mode instability occurs is raised.
  • the optical waveguide according to the invention behaves like a single-core optical waveguide with a larger core diameter and can be handled accordingly in the application. With five cores, for example, an effective core diameter can be achieved that is two to three times as large as the core diameter of a corresponding single-core optical waveguide.
  • the periodicity of the Talbot effect depends on the wavelength of the light.
  • the length of the optical waveguide and the arrangement of the cores and their refractive index profiles must be designed for a specific working wavelength.
  • the working wavelength does not mean a single wavelength value, but rather a mean wavelength value.
  • the principle of the optical waveguide according to the invention works around this value with a spectral bandwidth which is sufficient for most applications. The requirement that more than 60% or even more than 75% of the power leave the fiber optic cable from the one core is met for a wide range of wavelengths.
  • the optical waveguide in the case of the optical waveguide according to the invention, it expediently has a lower refractive index in the area forming the first cladding than in the areas forming the cores.
  • the differences in the refractive index ensure that the light is guided in the various core areas.
  • the cores have (slightly) different refractive indices from one another.
  • An embodiment is particularly advantageous in which a central core responsible for coupling the light in and out has a different refractive index than the other cores surrounding this central core into which the light propagates as a result of the coupling.
  • the optical waveguide according to the invention can be designed as a step index fiber.
  • Another implementation e.g. however, it is also conceivable as a photonic crystal fiber.
  • the refractive index ie the refractive index profile, seen in the cross section of the optical waveguide
  • the refractive index of one core into which the light is coupled into the optical waveguide can initially (continuously) be increased (or decreased) with increasing propagation distance, while the refractive index in the other cores remains constant. In this way it can be achieved that after the spread of the in the one Core coupled light to the other cores over long propagation distances the mutual coupling of the cores is canceled, so that in the course of the optical waveguide the light cannot get back into one core. Only at the end of the waveguide does one core again reach its original refractive index value, so that the light couples back into this core and finally leaves the optical waveguide again from this core.
  • the optical waveguide in a preferred embodiment can have a second jacket which, viewed in the cross section of the optical waveguide, encloses the first jacket, wherein the optical waveguide has a lower refractive index in the region forming the second cladding than in the region of the first cladding.
  • a pump light source can be optically coupled to the first cladding, which is shared by all the cores of the optical waveguide. The pump light is then guided in the first jacket.
  • the optical gain in the optical waveguide can e.g. by non-linear effects (e.g.
  • the radiation emitted by a laser light source is coupled into one core at one end of the optical waveguide according to the invention, runs through the optically pumped optical waveguide, the intensity distribution, as described above, being distributed periodically alternately to the other cores, so that all cores on the guide and Amplification of the laser radiation are involved, so the laser radiation, in other words, is distributed to all nuclei during the amplification process.
  • the amplified radiation is again coupled out from the one core using the Talbot effect with at least 60% of the total power generated in the optical waveguide.
  • At least one of the cores of the optical waveguide is doped with rare earth ions.
  • all cores are doped.
  • an embodiment is particularly preferred in which at least one of the cores is not doped with rare earth ions, i.e. is passive. All but the one core into which the light is coupled and from which the light leaves the optical waveguide are preferably doped with rare earth ions. The amplification therefore only takes place in the other nuclei in which the light propagates after being coupled into the one nucleus.
  • the passive core which, for example, is arranged centrally when viewed in the cross section of the optical waveguide and is surrounded by the other (active) cores, only serves to couple the light in and out and does not take part in the amplification.
  • the optical waveguide according to the invention is not only suitable as an optical amplifier, but also, without optical pumping, as a simple transport fiber or as a spectral broadening fiber in which nonlinear effects (e.g. self-phase modulation) are permitted and even desired in the cores to a certain extent.
  • a centrally arranged central core, seen in the cross section of the optical waveguide is provided, which is expediently used for coupling light in and out.
  • the central core is surrounded by at least four further cores in a cross-shaped arrangement. This results in a periodic arrangement of the cores in cross-section, which is advantageous for exploiting the Talbot effect.
  • An alternative periodic arrangement results when the central core is surrounded by the further cores in one or more concentric, circular arrangements.
  • the cores have the same or different diameters and / or refractive index profiles.
  • a configuration with a circular cross section is expedient for the production of the optical waveguide, for example as an optical fiber.
  • the optical fiber can be designed like a conventional multicore fiber.
  • the invention also relates to a method for guiding light in an optical waveguide which has two or more light-guiding cores running parallel to one another, spaced apart from one another along the longitudinal extension of the optical waveguide, and a first cladding surrounding the cores.
  • the light is coupled into only one of the cores at one end of the optical waveguide, the cores being arranged and spaced from one another in such a way that the propagation modes of the light propagating in the optical waveguide at a working wavelength couple to one another and the light is extracted the one core spreads into the other cores, the length of the optical waveguide being chosen so that the light using the Talbot effect after passing through the optical waveguide at the other end of the optical waveguide again consists of only one core with at least 60%, preferably at least 75% the total light power propagating in the optical waveguide leaves.
  • Figure 1 a) Cross section of an inventive
  • FIG. 2 cross-sectional views of various embodiments of the optical waveguide with different arrangements of the cores
  • FIG. 3 a schematic representation of a MOPA laser system with the optical waveguide according to the invention as an optical amplifier.
  • Figure 1 a shows an optical waveguide according to the invention in a cross-sectional illustration.
  • the optical waveguide has five parallel to one another, spaced apart from one another, in each case continuously from one end to the other, along the longitudinal extension of the optical waveguide (ie perpendicular to the plane of the drawing) of the optical waveguide running light-guiding cores 1 a, 1 b, 1 c, 1 d, 1 e, and a first cladding 2 that jointly encloses the cores 1 a-1 e.
  • the cores 1 b-1 e are around the central core 1 a arranged around in a cross shape.
  • the optical waveguide has a lower refractive index in the area forming the first cladding 2 than in the areas forming the cores 1a-1e.
  • a second jacket 3 is also provided, which surrounds the first jacket 2 serving as a pump jacket, the optical waveguide in the area 3 forming the second jacket having a lower refractive index than in the area of the first jacket 2.
  • the matrix material of the optical waveguide designed as an optical fiber can be, for example Be quartz glass.
  • light at a working wavelength is only coupled into one of the identically designed cores 1 a-1 e, specifically into the central core 1a.
  • the propagation modes of the light initially coupled into the core 1 a couple between the central core 1a and the surrounding cores 1 b-1e. or several times back and forth so that the light in the optical waveguide is guided over long distances in separate channels 1 a-1 e as partial beams.
  • the desired recombination of the partial beams in turn in the one core 1 a at the end of the optical waveguide is achieved by choosing the appropriate length of the optical waveguide. Because of the Talbot effect, this condition is met after periodic propagation intervals.
  • FIG. 1b This periodic behavior is illustrated in FIG. 1b.
  • the five diagrams are overwritten with the reference numerals 1 a-1 e of the five cores of the arrangement of FIG. 1 a and show the light power P of the light propagating in the respective core 1 a-1 e as a function of the propagation distance D.
  • the functions Optical fiber as an optical amplifier, so that the maximum power increases over the propagation distance D.
  • the power P begins only in the core 1 a with a value other than zero, into which the light (in the diagrams from the left) is coupled.
  • the intensity P then oscillates in the five cores 1 a-1 e as a function of the propagation distance, specifically in the cores 1 b-1 e with a phase opposite to the core 1a, from which it can be seen that the light between the channels 1 a -1 e during the propagation back and forth here changes, ie is divided and recombined several times.
  • the length of the optical waveguide is chosen so that the light output P in the core 1 a at the output of the optical waveguide (in the diagrams on the right) is maximum and in the other cores 1 b-1 e it is minimal. Accordingly, most of the power (more than 75%) of the light leaves the optical waveguide from the central core 1 a.
  • FIG. 2 shows various possible arrangements of the cores in the optical waveguide according to the invention.
  • the number of cores 1 is greater than in Figure 1.
  • the cross shape is retained.
  • the cores 1 have different diameters.
  • the cross shape according to FIG. 2a is again selected, the cores 1 having different diameters in a symmetrical arrangement.
  • the central core 1a is ring-shaped surrounded by further cores, in Figure 2e in two concentric rings with different radii.
  • the optical waveguide is shown schematically in a sectional side view, which is integrated into a laser system.
  • the radiation from a laser light source 4 (for example a conventional pulsed fiber laser) is coupled into the central core 1a.
  • the sheath 2 of the optical waveguide is coupled to a pump light source 5 (for example a conventional diode laser).
  • the cores 1 a-1 e are doped with rare earth ions. Core-pumped operation, in which the pump light is coupled into at least some of the cores (1a-1e), is also conceivable.
  • the power is distributed in the drawing from the left between the central core 1 a and the other cores 1 b-1 e, as indicated in FIG. 3 by the different shading along the longitudinal extension of the light waveguide.
  • the length L of the optical waveguide is chosen so that the light output from the center of the optical waveguide to the exit end on the right, using the Talbot effect, couples back into the central core 1a, where the amplified light leaves the optical waveguide.
  • the entire light output is distributed over the cores 1 a-1 e, so that non-linear effects are avoided and, due to the distribution of the thermal load on all cores 1a-1 e, mode instability is avoided.
  • the optical waveguide according to the invention can be like a single-core optical waveguide with a larger Core diameter can be used. Complex optical arrangements for beam splitting and combination as well as control arrangements for stabilizing the phases of the partial beams are not required.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter mit zwei oder mehr entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters parallel zueinander, voneinander beabstandet, durchgehend von einem zum anderen Ende des Lichtwellenleiters verlaufenden lichtführenden Kernen (1a-1e) und mit einem die Kerne (1a-1e) umschließenden ersten Mantel (2). Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Mehrkern- Lichtwellenleiter für den Hochleistungsbetrieb bei gegenüber dem Stand der Technik reduzierter Systemkomplexität bereitzustellen. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass die Kerne (1a-1e) in der Weise zueinander angeordnet und voneinander beabstandet sind, dass die Ausbreitungsmoden des in dem Lichtwellenleiter bei einer Arbeitswellenlänge propagierenden Lichts aneinander koppeln, wobei die Länge des Lichtwellenleiters so gewählt ist, dass sich das in nur einen einzigen der Kerne (1a-1e) an einem Ende des Lichtwellenleiters eingekoppelte Licht während der Propagation durch den Lichtwellenleiter zunächst auf die anderen Kerne (1a-1e) ausbreitet und nach Durchlaufen des Lichtwellenleiters am anderen Ende den Lichtwellenleiter wieder aus einem einzigen Kern (1a) mit wenigstens 60%, vorzugsweise wenigstens 75% der insgesamt in dem Lichtwellenleiter propagierenden Lichtleistung verlässt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Lasersystem mit einem solchen Lichtwellenleiter als optischer Verstärker, sowie ein Verfahren zur Führung von Licht in einem Lichtwellenleiter.

Description

Lichtwellenleiter Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter mit zwei oder mehr entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters parallel zueinander, voneinander beabstandet, durchgehend von einem zum anderen Ende des Lichtwellenleiters verlaufenden lichtführenden Kernen und mit einem die Kerne umschließenden ersten Mantel. Außerdem betrifft die Erfindung ein Lasersystem mit einer Laserlichtquelle und einem daran gekoppelten optischen Verstärker. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Führung von Licht in einem Lichtwellenleiter.
Lichtwellenleiter (häufig in Form von optischen Fasern aus Quarzglas oder Kunststoff) sind in verschiedenen Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt. Lichtwellenleiter sind Leitungen zur Übertragung von Licht. Die bekannten Lichtwellenleiter sind dielektrische Wellenleiter, die aus konzentrischen Schichten aufgebaut sind. Im Zentrum liegt ein lichtführender Kern, der umschlossen ist von einem Mantel, der einen gegenüber dem Kern niedrigeren Brechungsindex aufweist. Bei kommerziellen Lichtwellenleitern sind außerdem den Mantel umgebende Schutzschichten aus Kunststoff vorgesehen. Je nach Anwendungsfall hat der Kern einen Durchmesser von einigen Mikrometern bis zu über einem Millimeter. Man unterscheidet Lichtwellenleiter unter anderem nach der Anzahl von ausbreitungsfähigen Moden der elektromagnetischen Strahlung des Lichts, die durch den Kerndurchmesser limitiert wird (Singlemode-/Multimodefasern). Die Weiterentwicklung von Faserlasern in jüngerer Zeit hat dazu geführt, dass Lichtwellenleiter als aktives Medium ein zuverlässiges Konzept für Hochleistungslaser liefern. Die Entwicklung von Niedrigenergielasern zu Hochleistungslasern für industrielle Anwendungen basiert auf der Fähigkeit von Lichtwellenleitern, hohe Leistung handhaben zu können. Das sehr gute Verhältnis von Oberfläche zu aktivem Volumen erlaubt es, Wärme effizient abzuführen. Dies ist eine hervorragende Voraussetzung für einen Hochleistungsbetrieb. Allerdings führen Bedingungen im Lichtwellenleiter zu verschiedenen Problemen. So führt beispielsweise die Einschränkung des Lichtsignals auf den Kern des Lichtwellenleiters zu hoher Lichtintensität und zu Wechselwirkungen zwischen dem Material des Lichtwellenleiters und dem Lichtsignal. Dabei entstehen insbesondere auch schwer zu kontrollierende nichtlineare Effekte. Damit wird die Signalqualität stark beeinträchtigt.
Lichtwellenleiter sollten demnach derart ausgelegt werden, dass nichtlineare Effekte und Wechselwirkungen mit dem Fasermaterial reduziert werden. Am einfachsten und effektivsten werden nichtlineare Effekte durch ein Vergrößern des Durchmessers des Kerns reduziert. Dadurch wird zum einen die Intensität des Lichts im Kern reduziert und zum anderen kann, beispielsweise bei doppelmanteligen Lichtwellenleitern, die Absorption von Pumplicht erhöht werden. Aufgrund der verbesserten Absorption des Pumplichts kann der Lichtwellenleiter verkürzt werden und damit können nichtlineare Effekte weiter reduziert werden.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass diese Maßnahmen zur Optimierung von Lichtwellenleitern für den Hochleistungsbetrieb nicht verhindern können, dass es zu Modeninstabilität bei hohen Leistungen kommt. Dabei wird das Ausgangsignal des Lichtwellenleiters oder eines damit realisierten Faserlasers instabil, sobald eine bestimmte Leistungsschwelle überschritten wird. Es wird Energie von einer Grundmode in Moden höherer Ordnung übertragen. Das z.B. ursprünglich stabil Gauß-förmige Strahlprofil der im Lichtwellenleiter propagierenden Strahlung beginnt sich zu verändern und das Strahlprofil fluktuiert zeitlich aufgrund einer zeitlich veränderlichen Überlagerung der Grundmode mit einer oder mehreren Moden höherer Ordnung. Das Zeitverhalten dieser Fluktuationen kann deterministisch oder, je nach Leistung der propagierenden Strahlung, auch zufällig oder chaotisch sein. Dabei ist es bekannt, dass die Modeninstabilität auf räumlichen Temperaturvariationen innerhalb des Lichtwellenleiters aufgrund der Modeninterferenz basiert. Diese bewirkt eine räumlich und zeitlich veränderliche Strahlungsabsorption im Material des Lichtwellenleiters. Aufgrund thermooptischer Effekte wirkt sich dies unmittelbar auf die Lichtführung aus. Durch das sich aufgrund der Modeninterferenz einstellende räumliche Temperaturprofil des Lichtwellenleiters entsteht eine Gitterstruktur des Brechungsindexprofils, die einen Energietransfer zwischen den verschiedenen Moden der propagierenden Strahlung begünstigt. Zur Überwindung der existierenden Begrenzungen und zur Steigerung der erreichbaren Lichtleistung, z.B. in Lasersystemen zur Materialbearbeitung, ist es aus dem Stand der Technik bekannt (siehe z.B. DE 10 2014 001 252 A1 ), räumlich getrennte optische Verstärker, spektrale Verbreiterungselemente oder auch nur Transportkanäle zu verwenden, wobei eine Aufspaltung eines Eingangsstrahls mittels Strahlteilern in mehrere Teilstrahlen erfolgt. Die Teilstrahlen werden in mehreren räumlich getrennten, unabhängigen optischen Elementen/Kanälen verstärkt, spektral verbreitert oder transportiert und schließlich wieder in einem Ausgangstrahl kombiniert. Dabei ist zwischen Kombination von Signalen gleicher oder unterschiedlicher Spektren zu unterscheiden. Bei der spektral gleichen Kombination propagieren in den verschiedenen Kanälen die gleichen spektralen Komponenten, es findet am Strahlteiler nur eine Teilung der Leistung statt. Bei der spektralen Kombination hingegen findet zusätzlich noch eine spektrale Teilung des Eingangssignals statt. Kombinationen beider Verfahren sind möglich. Bei der zuvor beschriebenen Methode der Aufteilung und Rekombination der Strahlung können die unabhängigen Kanäle durch die verschiedenen, jeweils einen Teilstrahl führenden Kerne einer Mehrkernfaser gebildet sein, bei der die Kerne von einem gemeinsamen Mantel (in den zur optischen Verstärkung das Pumplicht eingekoppelt werden kann) umgeben sind. Es ist bekannt, dass in einer solchen Mehrkernfaser die Schwelle, ab der Modeninstabilität und nichtlineare Effekte auftreten, in etwa mit der Zahl der Kerne skaliert. Die Aufteilung der Strahlung auf die einzelnen Kerne und die Rekombination der Strahlung nach Durchlaufen der Mehrkernfaser erfolgt dabei außerhalb der Mehrkernfaser mittels geeigneter optischer Komponenten (Strahlteiler).
Bei der Rekombination der Teilstrahlen ist die zeitliche Phasenlage der einzelnen Strahlen von fundamentaler Bedeutung, welche im sub-Wellenlängenbereich übereinstimmen muss. Eine Abweichung führt zu einer Verringerung der Kombinationseffizienz. Um dies zu erreichen, ist eine aktive Stabilisierung der Phasenlagen nötig. Hierzu werden in der Regel in Strahlrichtung vor oder hinter der Mehrkernfaser den einzelnen Kanälen zugeordnete Phasenanpassungs elemente vorgesehen, die die Phase der Strahlung im jeweiligen Teilstrahl beeinflussen. Dadurch können die in den einzelnen Kanälen auftretenden unterschiedlichen Phasenverschiebungen ausgeglichen werden, um eine phasenrichtige Überlagerung der Teilstrahlen im Ausgangsstrahl zu ermöglichen. Hierzu wird ein Regelkreis verwendet, in dem die Phasen der Strahlung in den Teilstrahlen Stellgröße sind. Eigenschaften des Ausgangsstrahls (z.B. Durchschnittsleistung, Pulsspitzenleistung), die geeignet detektiert werden, sind Regelgröße. Auf diese Weise können Phasenverschiebungen in den einzelnen Kanälen automatisch ausgeglichen werden.
Nachteiligerweise ist der vorbekannte Ansatz der Strahllaufteilung und Rekombination in Mehrkernwellenleitern sehr aufwendig und damit in der praktischen Umsetzung teuer. Der Grund dafür ist die Komplexität des Systems mit externen, d.h. separat von der Faser angeordneten optischen Komponenten zur Aufteilung der Strahlung auf die einzelnen Kerne und die Rekombination der Strahlung nach Durchlaufen der Mehrkernfaser, sowie den erforderlichen Sensoren, Reglern und Stellelementen für die erforderliche Phasen- anpassungsregelung und Stabilisierung.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen Mehrkern- Lichtwellenleiter für den Hochleistungsbetrieb bei gegenüber dem Stand der Technik reduzierter System komplexität bereitzustellen.
Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Lichtwellenleiter der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die Kerne in der Weise zueinander angeordnet und voneinander beabstandet sind, dass die Ausbreitungsmoden des in dem Lichtwellenleiter bei einer Arbeitswellenlänge propagierenden Lichts aneinander koppeln, wobei die Länge des Lichtwellenleiters so gewählt ist, dass sich das in einen einzigen der Kerne an einem Ende des Lichtwellenleiters eingekoppelte Licht während der Propagation durch den Lichtwellenleiter zunächst auf die anderen Kerne ausbreitet und nach Durchlaufen des Lichtwellenleiters am anderen Ende den Lichtwellenleiter wiederum aus einem einzigen Kern mit wenigstens 60%, vorzugsweise wenigstens 75% der insgesamt in dem Lichtwellenleiter propagierenden Lichtleistung verlässt.
Die Erfindung weicht von dem zitierten Stand der Technik, in dem sorgfältig voneinander abgeschirmte Kerne der Mehrkernfaser die Teilstrahlen führen, ab. In dem für Hochleistungsanwendungen konzipierten Lichtwellenleiter der Erfindung sind die Kerne so angeordnet und beabstandet, dass sie miteinander interagieren, d.h. gekoppelt sind. Die gezielte Kopplung zwischen den Kernen des Lichtwellenleiters ermöglicht, dass sich das Licht, das zunächst nur in einen einzigen der Kerne eingekoppelt wird, auf die anderen Kerne ausbreitet. Dies korrespondiert zu der Strahlteilung in herkömmlichen Systemen. Danach kehrt das Licht wiederum zu einem einzigen Kern, z.B. zu dem ursprünglichen Kern, in den das Licht eingekoppelt wurde, zurück. Dies entspricht der Rekombination in herkömmlichen Systemen. An einem Ende des Lichtwellenleiters wird also das Licht in den einen Kern eingekoppelt und breitet sich dann durch die gegenseitige Kopplung der Ausbreitungsmoden über eine gewisse Propagationsstrecke in die anderen Kerne aus, um nach einer weiteren Propagationsstrecke zu einem einzigen Kern, z.B. dem ursprünglichen Kern zurückzukehren. Auf diese Weise ändert sich das Intensitätsmuster, das das Licht über den Querschnitt des Lichtwellenleiters erzeugt, während es sich entlang desselben ausbreitet, periodisch und erfasst, als Funktion der Propagationsstrecke, zunächst einen Kern, dann mehrere Kerne und dann wieder einen Kern. Dieser Zyklus kann mehrmals entlang des Lichtwellenleiters wiederholt werden. Das Hauptmerkmal der Erfindung ist, dass das Licht am Eingang des Lichtwellenleiters in einen einzigen Kern gekoppelt wird und am Ausgang der Großteil der Lichtleistung (wenigstens 60%) den Lichtwellenleiter wieder aus einem einzigen Kern verlässt.
Der Grund für die automatische Rekombination des Lichts nach einer bestimmten Propagationsstrecke in einem Kern, insbesondere dem ursprünglichen Kern ist der Talbot-Effekt. Dieser Effekt sorgt dafür, dass die periodische Struktur, in der die den gesamten Lichtleiter durchgehend durchlaufenden Kerne am eingangsseitigen Ende des Lichtwellenleiters angeordnet sind, mit der dort sich ergebenden Intensitätsverteilung des Lichts, in Querschnittsebenen des Lichtwellenleiters, die sich in bestimmten periodischen Abständen entlang des Lichtwellenleiters befinden, abgebildet wird. Die Periodizität dieser Abbildung entlang des Lichtwellenleiters hängt dabei von den Abständen der Kerne zueinander, d.h. von der Periodenlänge der eingangsseitigen Struktur ab, sowie von den Brechungsindizes der Kerne. Aus diesem Grund kann die Länge des Lichtwellenleiters nach Maßgabe der Anordnung und Beabstandung der Kerne sowie der Brechungsindexverhältnisse gezielt so gewählt werden, dass das Licht am Ausgang des Lichtwellenleiters wieder (nahezu) vollständig in einen einzigen, vorzugsweise denselben Kern zurückgekoppelt wird, in den das Licht ursprünglich am Eingang des Lichtwellenleiters eingekoppelt wurde. Gemäß der Erfindung erfolgt die Aufteilung der Lichtstrahlung in Teilstrahlen durch die Kopplung der Ausbreitungsmoden automatisch, ebenso wie die Rekombination. Anders als im Stand der Technik sind daher keine separaten Komponenten für die Strahlaufteilung und Strahlkombination erforderlich. Auch eine Regelung mit Phasenstellung zur Stabilisierung der Rekombination kann entfallen. Damit ist ein Lasersystem, in dem der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter zum Einsatz kommt, gegenüber dem Stand der Technik deutlich weniger komplex und weniger fehleranfällig.
Gleichzeitig ist bei Verwendung des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters die gesamte Lichtleistung über mehrere Kerne verteilt, so dass nichtlineare Effekte vermieden werden und, aufgrund der Verteilung der thermischen Last auf mehrere Kerne, die Leistungsschwelle, ab der Modeninstabilität auftritt, angehoben wird. Damit ist der Lichtwellenleiter für Hochleistungsanwendungen, wie z.B. in der lasergestützten Materialbearbeitung, gut geeignet. Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter verhält sich wie ein Einzelkern- Lichtwellenleiter mit größerem Kerndurchmesser und kann in der Anwendung entsprechend gehandhabt werden. Mit z.B. fünf Kernen kann ein effektiver Kerndurchmesser erzielt werden, der zwei- bis dreimal so groß ist wie der Kerndurchmesser eines entsprechenden Einzelkern-Lichtwellenleiters. Die Periodizität des Talbot-Effekts hängt von der Wellenlänge des Lichts ab. Aus diesem Grund ist der Lichtwellenleiter hinsichtlich seiner Länge und der Anordnung der Kerne und deren Brechungsindexprofile auf eine bestimmte Arbeitswellenlänge auszulegen. Mit Arbeitswellenlänge ist im Sinne der Erfindung nicht ein einziger Wellenlängenwert gemeint, sondern ein mittlerer Wellenlängenwert. Um diesen Wert herum funktioniert das Prinzip des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters mit für die meisten Anwendungen hinreichender spektraler Bandbreite. Die Anforderung, dass mehr als 60% oder auch mehr als 75% der Leistung den Lichtwellenleiter aus dem einen Kern verlassen, ist für ein breites Wellenlängenspektrum erfüllt.
Bei dem erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter weist dieser in dem den ersten Mantel bildenden Bereich zweckmäßig einen niedrigeren Brechungsindex auf als in den die Kerne bildenden Bereichen. Dies entspricht dem herkömmlichen Design von Lichtwellenleitern. Die Brechungsindexunterschiede gewährleisten die Führung des Lichts in den verschiedenen Kernbereichen. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Kerne voneinander (leicht) verschiedene Brechungsindizes aufweisen. Vorteilhaft ist insbesondere eine Ausgestaltung, bei der ein zentraler, für die Ein- und Auskopplung des Lichts zuständiger Kern, einen anderen Brechungsindex aufweist als die anderen, diesen zentralen Kern umgebenden Kerne, in die sich das Licht durch die Kopplung ausbreitet.
Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter als Stufenindexfaser ausgebildet sein. Eine andere Realisierung, z.B. als photonische Kristallfaser ist aber ebenfalls denkbar.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung variiert der Brechungsindex (d.h. das Brechungsindexprofil, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen) in den die Kerne bildenden Bereichen entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters, und zwar als Funktion der Propagationsdistanz, bevorzugt für jeden Kern mit unterschiedlichem Verlauf. Z.B. kann der Brechungsindex des einen Kerns, in den das Licht in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, mit zunehmender Propagationsdistanz zunächst (kontinuierlich) angehoben (oder abgesenkt) werden, während der Brechungsindex in den anderen Kernen konstant bleibt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass nach der Ausbreitung des in den einen Kern eingekoppelten Lichts auf die anderen Kerne über weite Propagationsdistanzen die gegenseitige Kopplung der Kerne aufgehoben wird, so dass im Verlauf des Lichtwellenleiters das Licht nicht wieder zurück in den einen Kern gelangen kann. Erst zum Ende des Wellenleiters hin erreicht der eine Kern wieder seinen ursprünglichen Brechungsindexwert, so dass das Licht in diesen Kern zurückkoppelt und schließlich aus diesem Kern den Lichtwellenleiter wieder verlässt.
Für den Einsatz des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters als optischer Verstärker, beispielsweise in einem MOPA-Lasersystem („Master Oscillator Power Amplifier“), kann der Lichtwellenleiter in einer bevorzugten Ausgestaltung einen zweiten Mantel aufweisen, der, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, den ersten Mantel umschließt, wobei der Lichtwellenleiter in dem den zweiten Mantel bildenden Bereich einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als im Bereich des ersten Mantels. Bei dieser Ausgestaltung kann an den ersten Mantel, den sich alle Kerne des Lichtwellenleiters teilen, eine Pumplichtquelle optisch gekoppelt werden. Das Pumplicht wird dann in dem ersten Mantel geführt. Die optische Verstärkung in dem Lichtwellenleiter kann z.B. durch nichtlineare Effekte (z.B. stimulierte Raman-Streuung) in den Kernbereichen erfolgen oder durch stimulierte Emission, wozu die Kerne zweckmäßig mit Seltenerdionen dotiert sind. Die von einer Laserlichtquelle emittierte Strahlung wird in den einen Kern an einem Ende des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters eingekoppelt, durchläuft den optisch gepumpten Lichtwellenleiter, wobei die Intensitätsverteilung, wie oben beschrieben, periodisch wechselnd auf die anderen Kerne verteilt wird, so dass sämtliche Kerne an der Führung und Verstärkung der Laserstrahlung beteiligt sind, die Laserstrahlung also, mit anderen Worten, während des Verstärkungsvorgangs auf sämtliche Kerne verteilt ist. Am anderen Ende des Lichtwellenleiters wird die verstärkte Strahlung wiederum unter Ausnutzung des Talbot-Effekts aus dem einen Kern mit wenigstens 60% der insgesamt in dem Lichtwellenleiter erzeugten Leistung ausgekoppelt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest einer der Kerne, des Lichtwellenleiters mit Seltenerdionen dotiert. Bei einer möglichen Ausgestaltung sind alle Kerne dotiert. Besonders bevorzugt ist allerdings eine Ausgestaltung, bei der zumindest einer der Kerne nicht mit Seltenerdionen dotiert, also passiv ist. Vorzugsweise sind alle bis auf den einen Kerne, in den das Licht eingekoppelt wird und aus dem das Licht den Lichtwellenleiter wieder verlässt, mit Seltenerdionen dotiert. Die Verstärkung findet demnach nur in den anderen Kernen statt, in die sich das Licht nach der Einkopplung in den einen Kern ausbreitet. Der passive Kern, der z.B., im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, zentral angeordnet ist und von den anderen (aktiven) Kernen umgeben ist, dient nur der Ein- und Auskopplung des Lichts und nimmt nicht an der Verstärkung teil. Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter eignet sich aber nicht nur als optischer Verstärker, sondern, ohne optisches Pumpen, auch als einfache Transportfaser oder als Spektralverbreiterungsfaser, bei der nichtlineare Effekte (z.B. Selbstphasenmodulation) in den Kernen in gewissem Ausmaß zugelassen und sogar erwünscht sind. Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, mittig angeordneter zentraler Kern vorgesehen, der zweckmäßig zur Lichtein- und -auskopplung dient. Der zentrale Kern ist von mindestens vier weiteren Kernen in kreuzförmiger Anordnung umgeben. So ergibt sich eine im Querschnitt periodische Anordnung der Kerne, was für die Ausnutzung des Talbot-Effekts von Vorteil ist. Eine alternative periodische Anordnung ergibt sich, wenn der zentrale Kern von den weiteren Kernen in einer oder mehreren konzentrischen, kreisförmigen Anordnungen umgeben ist.
Denkbar sind Ausgestaltungen, bei denen die Kerne gleiche oder unterschiedliche Durchmesser und/oder Brechungsindexprofile aufweisen. Zweckmäßig für die Herstellung des Lichtwellenleiters, z.B. als Lichtleitfaser, ist eine Ausgestaltung mit kreisförmigem Querschnitt. Grundsätzlich kann die Lichtleitfaser, abgesehen von der Anordnung und Beabstandung der Kerne in Bezug auf die Arbeitswellenlänge, wie eine herkömmliche Mehrkernfaser ausgebildet sein. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Führung von Licht in einem Lichtwellenleiter, der zwei oder mehr entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters parallel zueinander, voneinander beabstandet verlaufende lichtführende Kerne und einen die Kerne umschließenden ersten Mantel aufweist. Gemäß der Erfindung wird das Licht an einem Ende des Lichtwellenleiters in nur einen der Kerne eingekoppelt, wobei die Kerne in der Weise zueinander angeordnet und voneinander beabstandet sind, dass die Ausbreitungsmoden des in dem Lichtwellenleiter bei einer Arbeitswellenlänge propagierenden Lichts aneinander koppeln und sich das Licht aus dem einen Kern in die anderen Kerne ausbreitet, wobei die Länge des Lichtwellenleiters so gewählt ist, dass das Licht unter Ausnutzung des Talbot-Effekts nach Durchlaufen des Lichtwellenleiters am anderen Ende den Lichtwellenleiter wiederum aus nur einem Kern mit wenigstens 60%, vorzugsweise wenigstens 75% der insgesamt in dem Lichtwellenleiter propagierenden Lichtleistung verlässt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : a) Querschnitt eines erfindungsgemäßen
Lichtwellenleiters mit fünf Kernen in kreuz förmiger Anordnung,
b) Leistungsverteilung des in dem Licht wellenleiter propagierenden Lichts als Funktion der Propagationsdistanz;
Figur 2: Querschnittdarstellungen von verschiede nen Ausführungsformen des Lichtwellen leiters mit unterschiedlichen Anordnungen der Kerne;
Figur 3: schematische Darstellung eines MOPA- Lasersystems mit dem erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter als optischer Verstärker.
Figur 1 a zeigt einen erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter in einer Querschnitt darstellung. Der Lichtwellenleiter weist fünf entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters (d.h. senkrecht zur Zeichnungsebene) parallel zueinander, voneinander beabstandet, jeweils durchgehend von einem zum anderen Ende des Lichtwellenleiters verlaufende lichtführende Kerne 1 a, 1 b, 1 c, 1 d, 1 e auf, sowie einen die Kerne 1 a-1 e gemeinsam umschließenden ersten Mantel 2. Die Kerne 1 b-1 e sind um den zentralen Kern 1 a herum kreuzförmig angeordnet. Der Lichtwellenleiter weist in dem den ersten Mantel 2 bildenden Bereich einen niedrigeren Brechungsindex auf als in den die Kerne 1a-1 e bildenden Bereichen. Weiter ist ein zweiter Mantel 3 vorgesehen, der den als Pumpmantel dienenden ersten Mantel 2 umschließt, wobei der Lichtwellenleiter in dem den zweiten Mantel bildenden Bereich 3 einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als im Bereich des ersten Mantels 2. Das Matrixmaterial des als Lichtleitfaser ausgebildeten Lichtwellenleiters kann z.B. Quarzglas sein.
Gemäß der Erfindung wird Licht bei einer Arbeitswellenlänge nur in einen der identisch ausgebildeten Kerne 1 a-1 e, und zwar in den zentralen Kern 1a eingekoppelt. Je nach Ausführung der Kerne 1 a-1 e (nach Größe, Abstand und Führungseigenschaften) und der Länge des Lichtwellenleiters koppeln die Ausbreitungsmoden des in den Kern 1 a zunächst eingekoppelte Licht zwischen dem zentralen Kern 1a und den umgebenden Kernen 1 b-1e ein- oder mehrmals hin und her, so dass das Licht in dem Lichtwellenleiter über weite Distanzen in separaten Kanälen 1 a-1 e als Teilstrahlen geführt wird. Die gewünschte Rekombination der Teilstrahlen wiederum in dem einen Kern 1 a am Ende des Lichtwellenleiters wird durch die Wahl der geeigneten Länge des Lichtwellenleiters erreicht. Diese Bedingung ist aufgrund des Talbot-Effekts nach periodischen Propagationsintervallen erfüllt.
Dieses periodische Verhalten ist in Figur 1 b illustriert. Die fünf Diagramme sind mit den Bezugszeichen 1 a-1 e der fünf Kerne der Anordnung der Figur 1 a überschrieben und zeigen die Lichtleistung P des in dem jeweiligen Kern 1 a-1 e propagierenden Lichts als Funktion der Propagationsdistanz D. In dem Ausführungsbeispiel fungiert der Lichtwellenleiter als optischer Verstärker, so dass die Maximalleistung über die Propagationsdistanz D zunimmt. Die Leistung P beginnt nur im Kern 1 a mit einem von null verschiedenen Wert, in den das Licht (in den Diagrammen von links) eingekoppelt wird. Die Intensität P oszilliert dann in den fünf Kernen 1 a-1 e als Funktion der Propagationsdistanz, und zwar in den Kernen 1 b-1 e mit einer zu dem Kern 1a gegenläufigen Phase, woraus erkennbar ist, dass das Licht zwischen den Kanälen 1 a-1 e während der Propagation hin und her wechselt, d.h. mehrfach aufgeteilt und rekombiniert wird. Die Länge des Lichtwellenleiters ist so gewählt, das die Lichtleistung P im Kern 1 a am Ausgang des Lichtwellenleiters (in den Diagrammen rechts) maximal und in den anderen Kernen 1 b-1 e minimal ist. Entsprechend verlässt das Licht mit dem Großteil der Leistung (mehr als 75%) den Lichtwellenleiter aus dem zentralen Kern 1 a.
Die Figur 2 zeigt verschiedene mögliche Anordnungen der Kerne in dem erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter. In Figur 2a ist die Zahl der Kerne 1 größer als in Figur 1. Die Kreuzform wird jedoch beibehalten. In Figur 2b haben die Kerne 1 unterschiedliche Durchmesser. In Figur 2c ist wiederum die Kreuzform nach Figur 2a gewählt, wobei die Kerne 1 unterschiedliche Durchmesser in einer symmetrischen Anordnung haben. In Figur 2d ist der zentrale Kern 1a ringförmig von weiteren Kernen umgeben, in Figur 2e in zwei konzentrischen Ringen mit unterschiedlichen Radien.
In Figur 3 ist der Lichtwellenleiter schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht gezeigt, der in ein Lasersystem eingebunden ist. Die Strahlung einer Laserlichtquelle 4 (z.B. ein üblicher gepulster Faserlaser) wird in den zentralen Kern 1a eingekoppelt. Der Mantel 2 des Lichtwellenleiters ist an eine Pumplichtquelle 5 (z.B. ein üblicher Diodenlaser) gekoppelt. Die Kerne 1 a-1 e sind mit Seltenerdionen dotiert. Ein kerngepumpter Betrieb, bei dem das Pumplicht in zumindest einige der Kerne (1a-1 e) eingekoppelt wird, ist ebenfalls denkbar. In dem Lichtwellenleiter verteilt sich die Leistung in der Zeichnung von links her kommend zwischen dem zentralen Kern 1 a und den anderen Kernen 1 b-1 e, wie in Figur 3 durch die unterschiedliche Schattierung entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters angedeutet. Die Länge L des Lichtwellenleiters ist so gewählt, dass die Lichtleistung von der Mitte des Lichtwellenleiters bis zum Austrittsende rechts unter Ausnutzung des Talbot-Effekts zurück in den zentralen Kern 1a koppelt, wo das verstärkte Licht den Lichtwellenleiter verlässt. Während der Propagation des Licht durch den Lichtwellenleiter verteilt sich also die gesamte Lichtleistung über die Kerne 1 a-1 e, so dass nichtlineare Effekte vermieden werden und, aufgrund der Verteilung der thermischen Last auf alle Kerne 1a-1 e, Modeninstabilität vermieden wird. Damit ist der Lichtwellenleiter für Hoch- und Höchstleistungsanwendungen gut geeignet. Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter kann wie ein Einzelkern-Lichtwellenleiter mit größerem Kerndurchmesser genutzt werden. Aufwendige optische Anordnungen zur Strahlteilung und -kombination sowie Regelanordnungen zur Stabilisierung der Phasen der Teilstrahlen sind nicht erforderlich.
- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche
1. Lichtwellenleiter mit zwei oder mehr entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters parallel zueinander, voneinander beabstandet, durchgehend von einem zu anderen Ende des Lichtwellenleiters verlaufenden lichtführenden Kernen (1 a-1 e) und mit einem die Kerne (1 a-1 e) umschließenden ersten Mantel (2),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kerne (1 a-1 e) in der Weise zueinander angeordnet und voneinander beabstandet sind, dass die Ausbreitungsmoden des in dem Lichtwellenleiter bei einer Arbeitswellenlänge propagierenden Lichts aneinander koppeln, wobei die Länge des Lichtwellenleiters so gewählt ist, dass sich das in einen einzigen der Kerne (1 a-1e) an einem Ende des Lichtwellenleiters eingekoppelte Licht während der Propagation durch den Lichtwellenleiter zunächst auf die anderen Kerne (1a- 1 e) ausbreitet und nach Durchlaufen des Lichtwellenleiters am anderen Ende den
Lichtwellenleiter wiederum aus einem einzigen Kern (1a) mit wenigstens 60%, vorzugsweise wenigstens 75% der insgesamt in dem Lichtwellenleiter propagierenden Lichtleistung verlässt.
2. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter in dem den ersten Mantel (2) bildenden Bereich einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als in den die Kerne (1 a-1e) bildenden Bereichen.
3. Lichtwellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kerne (1 a-1 e) bildenden Bereiche des Lichtwellenleiters voneinander verschiedene Brechungsindizes aufweisen.
4. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex in dem zumindest einen der Kerne bildenden Bereich entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters als Funktion der Propagationsdistanz variiert.
5. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen zweiten Mantel (3), der, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, den ersten Mantel (2) umschließt, wobei der Lichtwellenleiter in dem den zweiten Mantel bildenden Bereich (4) einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als im Bereich des ersten Mantels (2).
6. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Kerne (1 a-1e) mit Seltenerdionen dotiert sind.
7. Lichtwellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der anderen Kerne (1 a-1e) nicht mit Seltenerdionen dotiert ist, wobei vorzugsweise alle bis auf einen der Kerne (1 a-1 e) mit Seltenerdionen dotiert sind.
8. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, mittig angeordneten zentralen Kern (1 a), der von mindestens vier weiteren Kernen (1 b-1 e) in kreuzförmiger Anordnung umgeben ist.
9. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, mittig angeordneten, zentralen Kern (1 a), der von weiteren Kernen (1 ) in einer zu dem zentralen Kern (1 a) konzentrischen, kreisringförmigen Anordnung umgeben ist.
10. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (1 a-1 e) gleiche oder unterschiedliche Durchmesser und/oder gleiche oder unterschiedliche Brechungsindexprofile aufweisen.
11. Lasersystem mit einer Laserlichtquelle (4) und einem daran gekoppelten optischen Verstärker, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker durch einen Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10 gebildet ist, wobei der Lichtwellenleiters an eine Pumplichtquelle (5) optisch gekoppelt ist.
12. Verfahren zur Führung von Licht in einem Lichtwellenleiter, der zwei oder mehr entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters parallel zueinander, voneinander beabstandet, durchgehend von einem zu anderen Ende des Lichtwellenleiters verlaufende lichtführende Kerne (1 a-1e) und einen die Kerne (1 a-1 e) umschließenden ersten Mantel (2) aufweist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Licht an einem Ende des Lichtwellenleiters in einen einzigen Kern (1 a) eingekoppelt wird, wobei die Kerne (1 a-1 e) in der Weise zueinander angeordnet und voneinander beabstandet sind, dass die Ausbreitungsmoden des in dem Lichtwellenleiter bei einer Arbeitswellenlänge propagierenden Lichts aneinander koppeln und sich das Licht aus dem einen Kern (1 a) zunächst in die anderen Kerne (1 b-1 e) ausbreitet, wobei die Länge des Lichtwellenleiters so gewählt ist, dass das Licht unter Ausnutzung des Talbot-Effekts nach Durchlaufen des Lichtwellenleiters am anderen Ende den Lichtwellenleiter wiederum aus einem einzigen Kern (1 a) mit wenigstens 60%, vorzugsweise wenigstens 75% der insgesamt in dem Lichtwellenleiter propagierenden Lichtleistung verlässt.
- Zusammenfassung -
EP20734649.5A 2019-06-04 2020-06-04 Lichtwellenleiter Pending EP3980823A1 (de)

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