WO2009086807A1 - Verfahren und vorrichtung zur ankopplung eines lichtwellenleiters an eine licht emittierende oder licht führende komponente - Google Patents

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WO2009086807A1
WO2009086807A1 PCT/DE2008/002148 DE2008002148W WO2009086807A1 WO 2009086807 A1 WO2009086807 A1 WO 2009086807A1 DE 2008002148 W DE2008002148 W DE 2008002148W WO 2009086807 A1 WO2009086807 A1 WO 2009086807A1
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light
optical waveguide
optical
coupling
core
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Bernhard Zintzen
Hans-Dieter Hoffmann
Jens Geiger
Andreas Baatzsch
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/422—Active alignment, i.e. moving the elements in response to the detected degree of coupling or position of the elements
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for coupling an optical waveguide to a light-emitting or light-guiding component, wherein the optical waveguide has a light waveguide core of a first refractive index and a transparent cladding of a second refractive index which surrounds it and which is smaller than the first refractive index Refractive index is, and wherein an exit surface of the light-emitting or light-guiding component and an entrance surface of the optical waveguide are positioned relative to each other in order to achieve a coupling of exit from the exit surface exiting optical radiation in the core of the optical waveguide.
  • Devices can be used in particular for the coupling of double-core fibers with large-mode-area (LMA) design, as they are used, for example, in fiber lasers.
  • LMA large-mode-area
  • To the signal-carrying core is also formed in this double-core fibers a light-conducting coat.
  • NA numerical aperture
  • Transport fibers are usually used, in which the radiation emitted by the fiber laser is coupled.
  • double-core fibers of identical construction can be used as transport fibers, the core of which is not doped in contrast to the active core of the double-core fiber of the fiber laser.
  • the object of the present invention is to specify a method and a device for coupling an optical waveguide to a light-emitting or light-guiding component which are suitable for the low-loss coupling of LMA fibers and in which the resulting coupling point is also suitable for the Transmission of high light outputs of more than 100 W can be used.
  • an exit surface of the light-emitting or light-guiding component and an entrance surface of the optical waveguide are positioned relative to each other, to a coupling of exiting from the exit surface optical radiation in the core of the optical waveguide to reach.
  • the intensity of the exiting portion is detected.
  • the relative positioning of the exit surface of the light-emitting or light-guiding component and the entrance surface of the light waveguide then takes place as a function of the detected intensity such that the detected intensity is minimized.
  • the relative position obtained in the minimum of the detected intensity enables optimal coupling of the optical radiation into the core of the optical waveguide.
  • the output signal of the optical waveguide itself can not be used for such a regulation of the relative positioning, since light, which is not coupled into the core of the fiber, due to the double core structure in the jacket out and thus also detected at the output of the optical waveguide. This also applies to light, which is due to another Cause escapes from the core.
  • One cause of this may be, for example, a macro or microbending of the optical waveguide. Since the light emerging at the other end of the optical waveguide has the same wavelength in the core as in the cladding, the fundamental-mode nuclear light can not be readily separated from the cladding light there. However, blending the two light components results in an unwanted beam quality reduction for many applications.
  • the light propagating in the transparent cladding is detected either by targeted manipulation of the optical waveguide or by utilization of already present in the light waveguide by a side of this cladding on a specially prepared or already for some other reason emerging proportion of this light is detected.
  • the intensity of this detected fraction is a measure of the intensity of the optical radiation propagating in the cladding. The lower this intensity, the less optical radiation goes through in the coupling of the optical waveguide to the light-emitting or light-guiding component
  • the measuring principle used in the method can also be used generally to control the relative position of an optical waveguide and a light-emitting or light-guiding component, is coupled into the optical radiation from the light-emitting or light-guiding component.
  • the detected intensity is used as a measure of the relative position or a position change. This can be used, for example, to identify problems in fiber connectors or problems during assembly.
  • reference measurements can be carried out in advance on a reference system, in which the intensity of the laterally emerging from the jacket optical
  • Radiation is measured at different known relative positions. In the later implementation of the method can then be obtained by comparison with the reference measurements from the detected intensity directly the relative position. Continuous monitoring of the decoupled intensity or comparison with measurements preceding the time can be concluded from a change in this intensity to a change in position.
  • the mutual positioning is performed by electrically controllable actuators, which allow the positioning of the two components to be coupled in at least one degree of freedom.
  • positioning with electrically activatable actuators can also take place in two or three degrees of freedom (displacement in the x, y and z directions).
  • actuators are used which enable a positioning, which in this case also includes the mutual alignment, in at least five degrees of freedom.
  • the two other degrees of freedom relate to the Tilting in two vertical planes.
  • the actuators can act on one or on both components. To compensate for coupling losses due to thermal or other misalignment, the coupling or the relative positioning is controlled by a control loop.
  • Errors in the positioning are detected and adjusted via the control loop by means of actuators, the actuators.
  • the controlled variable used is, for example, the intensity, measured with a photodiode, of the portion of the optical radiation propagating laterally out of the cladding. This intensity is minimized in the regulation of the relative positioning in order to achieve the optimal coupling.
  • This control of the coupling can be done once, repeatedly or preferably continuously during the operation of the fibers. Continuous operation offers the advantage that even a maladjustment caused by thermal effects can no longer occur.
  • a Mantelmodenabstreifer is used on the optical waveguide to achieve lateral leakage of propagating in the cladding optical radiation.
  • a jacket-type wiper is preferably used at the end of the optical waveguide opposite the coupling point in order to achieve the highest possible beam quality of the radiation emerging there from the optical waveguide.
  • a jacket-type wiper can also be applied at other locations on the lightwave ladder.
  • the Mantelmodenabstreifer may already be present in the optical waveguide used or attached specifically for the realization of the present method.
  • the cladding wiper can be realized, for example, by removing the low-breaking plastic cladding of the fiber at one point and replacing it with a layer of a high-refractive polymer. The total reflection of the light propagating in the lower refractive transparent cladding then no longer takes place at this point and the light exits laterally from the transparent cladding.
  • already existing splices can be used, which lead to such a lateral coupling.
  • additional manipulation of the outer surface of the transparent shell for example. By roughening, such a lateral coupling can be achieved.
  • the proposed method and the associated apparatus can be used in particular for low-loss fiber coupling in high-power laser applications with diffraction-limited beam quality, for example for fiber laser or disk laser applications. They are particularly suitable for the coupling of two double-core fibers, in particular for the coupling of a transponder. port fiber to an active fiber of a fiber laser, both fibers may be LMA fibers. Due to the precise coupling and possibly continuous readjustment, it is possible to advantageously transmit optical powers above 100 W via the coupling point, without producing undesirably high thermal losses.
  • the two fibers are not permanently connected, so that the coupling can be solved again at any time.
  • fiber switches can be realized in this way, in which, for example, a light-emitting fiber can be coupled alternately to different transport fibers.
  • any other optical waveguide or, for example, a laser diode or a laser diode system can also be used as the light-emitting or light-guiding component in the present method.
  • the device designed for carrying out the method comprises an electrically controllable actuator, which enables a mutual positioning of an exit surface of a light-emitting or light-guiding component and an entrance surface of an optical waveguide in at least one degree of freedom, preferably in five degrees of freedom. Furthermore, at least one detector is arranged at a location of the optical waveguide at which a portion of optical radiation emerges laterally from the optically transparent cladding of the optical waveguide. The detector is designed and arranged to detect the intensity of the emerging portion.
  • the device further comprises a control circuit via which the electric 2008/002148
  • controllable actuator in response to the detected intensity is controlled so that the detected intensity is always kept to a minimum.
  • the method requires no further parts or processing steps in order to provide a high-resolution feedback signal for controlling the adjustment of the coupling point, so that the method can be realized very inexpensively.
  • a further advantage of the method and apparatus is that the coupling site remains accessible during coupling, i. is not surrounded by other components, so that cooling measures at this coupling point are fully possible.
  • Fiber intensity monitoring can also be realized via the intensity detected by the detector by evaluating signal amplitudes outside of a predefined value range or window as an indication of a failure of the fiber.
  • Fig. 1 is a schematic representation of
  • Coupling according to the proposed method shows an example of a detector signal as a function of the misalignment of the coupling point
  • Fig. 3 is a schematic representation of the apparatus for carrying out the proposed method.
  • the emerging from a light transmitting double-core fiber 1 light is to be coupled into a light-receiving double-core fiber 2, which serves as a transport fiber.
  • the fibers each have a signal-carrying core 3, which is surrounded by an optically transparent jacket 4, also referred to in some applications as a pump core.
  • Refractive index of the signal-carrying core 3 is.
  • the two double-core fibers 1, 2 are enclosed by a fiber sheath 5.
  • the light-receiving fiber 2 additionally lies on an aluminum heat sink 6 in order to reduce the thermal load.
  • the light-receiving fiber 2 is provided with a cladding wiper at one location.
  • this potting compound 7 By means of this potting compound 7, light guided in the optically transparent jacket 4 can emerge laterally from this jacket, as indicated in the figure by the arrows.
  • a photodiode 8 is positioned, which detects the intensity of the exiting light component.
  • FIG. 2 shows an example of such a measurement as a function of the lateral misalignment s y at the coupling point 9. With this signal, it is possible without additional effort to regulate the positioning of the two fibers 1, 2 at the coupling point 9. This is done by using a controller and suitable actuators to set the degrees of freedom of the coupling, as is strongly schematized in Figure 3 is indicated.
  • the actuator 10 can be seen, which takes over the adjustment of the spatial position and orientation of the light-receiving fiber 2 in this example.
  • Such an actuator can, for example, piezo drives or plunger coils include the light Position receiving fiber 2 over a suitable bracket. 2, and transmits the detected signal to the controller 11.
  • the controller 11 controls the actuator 10 such that the measured by the photodiode 8 intensity of the photodiode 8 is attached to a corresponding location, for example in the region of Mantelmodeabstreifers emerging light component is minimized.
  • a stable coupling with minimal losses can be achieved. This is particularly important for fiber coupling stations that are to transmit power in the kilowatt range.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ankopplung eines Lichtwellenleiters (2) an eine Licht emittierende Komponente (1), wobei der Lichtwellenleiter (2) einen Lichtwellen leitenden Kern sowie einen diesen umschließenden transparenten Mantel (4) aufweist. Eine Austrittsfläche der Licht emittierenden Komponente (1) und eine Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters (2) werden relativ zueinander positioniert, um eine Einkopplung von aus der Austrittsfläche austretender optischer Strahlung in den Kern des Lichtwellenleiters (2) zu erreichen. An wenigstens einer Stelle des Lichtwellenleiters (2), an der ein Anteil von im transparenten Mantel (4) propagierender optischer Strahlung seitlich aus dem Mantel austritt, wird eine Intensität des austretenden Anteils detektiert. Die relative Positionierung erfolgt dann derart, dass die detektierte Intensität minimiert wird. Mit dem Verfahren und der zughörigen Vorrichtung lässt sich auf kostengünstige Weise eine optimale Kopplung zweier LMA-Fasern erreichen, die eine Übertragung hoher optischer Leistung über die Koppelstelle ermöglicht.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ankopplung eines
Lichtwellenleiters an eine Licht emittierende oder
Licht führende Komponente
Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ankopplung eines Lichtwellenleiters an eine Licht emittierende oder Licht führende Komponente, wobei der Lichtwellenleiter einen Lichtwellen leitenden Kern eines ersten Brechungsindex und einen diesen umschließenden transparenten Mantel eines zweiten Brechungsindex aufweist, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, und wobei eine Austrittsfläche der Licht emittierenden oder Licht führenden Komponente und eine Eintrittsfläche des Lichtwellen- leiters relativ zueinander positioniert werden, um eine Einkopplung von aus der Austrittsfläche austretender optischer Strahlung in den Kern des Lichtwellenleiters zu erreichen.
Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige
Vorrichtung lassen sich insbesondere für die Ankopplung von Doppelkernfasern mit Large-Mode-Area (LMA) Design einsetzen, wie sie bspw. in Faserlasern Anwendung finden. Um den signalführenden Kern ist bei diesen Doppelkernfasern ein ebenfalls Licht führender Mantel ausgebildet. Die numerische Apertur (NA) des Kerns liegt üblicherweise bei ca. 0,06 und ist damit sehr klein. Für den Transport der in einem Faserlaser mit einer derartigen Doppelkernfaser erzeugten optischen Strahlung werden in der Regel sog. Transportfasern eingesetzt, in die die vom Faserlaser emittierte Strahlung eingekoppelt wird. Als Transportfasern können hierbei Doppelkernfasern mit identischem Aufbau eingesetzt werden, deren Kern im Gegensatz zu dem aktiven Kern der Doppelkernfaser des Faserlasers nicht dotiert ist. Für den Transport muss eine geeignete Kopplung zwischen Faserlaser und Transportfaser erfolgen. Für die verlustarme Kopplung der optischen Strahlung von einer Large-Mode-Area Faser in eine andere müssen diese in fünf Freiheitsgraden zueinander ausgerichtet werden. Die hierfür erforderliche Genauig¬ keit liegt im Submikrometerbereich, da diese Fasern nahezu einmodig sind und kleine Ausrichtungsfehler bereits große Verluste erzeugen. Soll über die Koppel- stelle Leistung von mehreren 100 W transportiert werden, so ist mit einer Erwärmung der Koppelstelle bereits durch geringfügige Verluste zu rechnen. Die aus den Verlusten resultierende thermische Ausdehnung der Umgebung der Koppelstelle kann eine Dejustage der Kopplung zur Folge haben.
Stand der Technik
Bisher sind den Erfindern keine wiederholt trenn- baren Faserkopplungen für LMA-Fasern für Lichtleistungen > 30 W bekannt, die über die Fasern transportiert werden.
Aus der US 4193662 A ist ein optischer Faser- Schalter bekannt, bei dem die Kopplung zwischen zwei Fasern mit einer optoelektronischen Einrichtung überwacht wird. Hierzu ist beidseits der Koppelstelle an den zu koppelnden Fasern ein zusätzlicher optischer Sender und ein korrespondierender optischer Empfänger angebracht, über die die Positionierung der Fasern bei der Kopplung erfolgt. Mit einer derartigen Ausgestaltung lässt sich allerdings nicht die für LMA-Fasern erforderliche Genauigkeit der gegenseitigen Positionierung und Ausrichtung erreichen.
Darstellung der Erfindung Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ankopplung eines Lichtwellenleiters an eine Licht emittierende oder Licht führende Komponente anzugeben, die sich für die verlustarme Kopplung von LMA-Fasern eignen und bei denen die resultierende Koppelstelle auch für die Übertragung hoher Lichtleistungen von mehr als 100 W eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Ankopplung eines Lichtwellenleiters an eine Licht emittierende oder Licht führende Komponente werden eine Austrittsfläche der Licht emittierenden oder Licht führenden Komponente und eine Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters relativ zueinander positioniert, um eine Einkopplung von aus der Austrittsfläche austretender optischer Strahlung in den Kern des Lichtwellenleiters zu erreichen. Bei dem Verfahren wird die Struktur des Lichtwellenleiters mit einem Lichtwellen leitenden Kern eines ersten Brechungsindex und einem diesen umschließenden transparenten Mantel eines zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, ausgenutzt, da bei einem derartigen Lichtwellenleiter immer auch optische Strahlung in den transparenten Mantel gelangt und dort propagiert. Bei ungünstiger Positionierung der beiden zu koppelnden Komponenten gelangt ein größerer Anteil der optischen Strahlung in den Mantel als bei optimaler Ankopplung. Beim vorgeschlagenen Verfahren wird daher während der Positionierung an wenigstens einer Stelle des Lichtwellenleiters, an der ein Anteil der im transparenten Mantel propagierenden optischen Strahlung seitlich aus dem Mantel austritt, die Intensität des austretenden Anteils detektiert. Die relative Positionierung der der Austrittsfläche der Licht emittierenden oder Licht führenden Komponente und der Eintrittsfläche des Licht- Wellenleiters erfolgt dann in Abhängigkeit von der detektieren Intensität derart, dass die detektierte Intensität minimiert wird. Die im Minimum der detektierten Intensität erhaltene relative Position ermöglicht eine optimale Einkopplung der optischen Strahlung in den Kern des Lichtwellenleiters.
Das Ausgangssignal des Lichtwellenleiters selbst kann für eine derartige Regelung der relativen Positionierung nicht verwendet werden, da Licht, das nicht in den Kern der Faser eingekoppelt wird, aufgrund der Doppelkernstruktur im Mantel geführt und damit am Ausgang des Lichtwellenleiters ebenfalls detektiert wird. Dies gilt auch für Licht, das durch eine andere Ursache aus dem Kern austritt. Eine Ursache hierfür kann bspw. eine Makro- oder Mikrobiegung des Lichtwellenleiters sein. Da das am anderen Ende des Lichtwellenleiters austretende Licht im Kern wie im Mantel die gleiche Wellenlänge hat, kann dort das grundmodige Kernlicht nicht ohne weiteres vom Mantellicht getrennt werden. Eine Vermengung der beiden Lichtanteile hat insgesamt jedoch eine für viele Anwendungen unerwünschte Reduzierung der Strahlqualität zur Folge.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun entweder durch gezielte Manipulation des Lichtwellenleiters oder durch Ausnutzung von bereits im Licht- Wellenleiter vorhandenen Strukturen das im transparenten Mantel propagierende Licht detektiert, indem ein an einer speziell präparierten oder bereits aus anderem Grund vorhandenen Stelle des Lichtwellenleiters aus diesem Mantel seitlich austretender Anteil dieses Lichts erfasst wird. Die Intensität dieses erfassten Anteils ist ein Maß für die Intensität der im Mantel propagierenden optischen Strahlung. Je geringer diese Intensität ist, desto weniger optische Strahlung geht bei der Kopplung des Lichtwellenleiters an die Licht emittierende oder Licht führende Komponente durch
Einkopplung in den Mantel verloren und desto mehr Licht koppelt in den Kern ein. Bei größerer Dejustage wird auf der anderen Seite eine höhere Intensität gemessen.
Das bei dem Verfahren eingesetzte Messprinzip lässt sich auch allgemein zur Kontrolle der relativen Position eines Lichtwellenleiters und einer Licht emittierenden oder Licht führenden Komponente nutzen, in den optische Strahlung aus der der Licht emittierenden oder Licht führenden Komponente eingekoppelt wird. In diesem Fall wird die detektierte Intensität als Maß für die relative Position oder eine Positions- änderung herangezogen. Damit lassen sich beispielsweise Probleme in Fasersteckern oder Probleme bei der Konfektionierung erkennen. In einer Ausgestaltung können vorab an einem Referenzsystem Referenzmessungen durchgeführt werden, bei denen die Intensität der seitlich aus dem Mantel austretenden optischen
Strahlung bei unterschiedlichen bekannten relativen Positionen gemessen wird. Bei der späteren Durchführung des Verfahrens kann dann durch Vergleich mit den Referenzmessungen aus der detektierten Intensität direkt die relative Position erhalten werden. Durch kontinuierliche Überwachung der ausgekoppelten Intensität oder Vergleich mit zeitlich vorangegangenen Messungen kann aus einer Veränderung dieser Intensität auf eine Positionsänderung geschlossen werden.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird die gegenseitige Positionierung durch elektrisch ansteuerbare Aktoren vorgenommen, die die Positionierung der beiden zu koppelnden Komponenten in zumindest einem Freiheitsgrad ermöglichen. In weiteren Ausgestaltungen kann eine Positionierung mit elektrisch ansteuerbaren Aktoren auch in zwei oder drei Freiheitsgraden (Verschiebung in x-, y- und z-Richtung) erfolgen. Vorzugsweise werden Aktoren eingesetzt, die eine Positionierung, die in diesem Fall auch die gegenseitige Ausrichtung umfasst, in zumindest fünf Freiheitsgraden ermöglichen. Die beiden weiteren Freiheitsgrade betreffen hierbei die Verkippung in zwei senkrechten Ebenen. Die Aktoren können hierbei auf eine oder auch auf beide Komponenten einwirken. Um Koppelverluste durch thermische oder anderweitige Dejustage auszugleichen, wird die Kopplung bzw. die relative Positionierung über einen Regelkreis geregelt. Fehler in der Positionierung werden detektiert und über den Regelkreis mittels Stellgliedern, den Aktoren, nachgestellt. Als Regelgröße wird die bspw. mit einer Photodiode gemessene Intensität des seitlich aus dem Mantel austretenden Anteils der im Mantel propagierenden optischen Strahlung genutzt. Diese Intensität wird bei der Regelung der relativen Positionierung minimiert, um die optimale Kopplung zu erreichen.
Diese Regelung der Kopplung kann einmalig, wiederholt oder vorzugsweise kontinuierlich während des Betriebs der Fasern erfolgen. Der kontinuierliche Betrieb bietet den Vorteil, dass auch eine aufgrund thermischer Effekte verursachte Dejustage nicht mehr auftreten kann.
In der bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird ein Mantelmodenabstreifer am Lichtwellenleiter genutzt, um ein seitliches Austreten der im Mantel propagierenden optischen Strahlung zu erreichen. Ein derartiger Mantelmodenabstreifer wird vorzugsweise an dem der Koppelstelle gegenüberliegenden Ende des Lichtwellenleiters eingesetzt, um eine möglichst hohe Strahlqualität der dort aus dem Lichtwellenleiter austretenden Strahlung zu erreichen. Selbstverständlich kann ein derartiger Mantelmoden- abstreifer auch an anderen Stellen des Lichtwellen- leiters eingesetzt werden. Der Mantelmodenabstreifer kann bei dem eingesetzten Lichtwellenleiter bereits vorhanden sein oder für die Realisierung des vorliegenden Verfahrens gezielt angebracht werden. Bei Einsatz einer Doppelkernfaser als Lichtwellenleiter kann der Mantelmodenabstreifer bspw. dadurch realisiert werden, dass der niedrig brechende Kunststoffmantel der Faser an einer Stelle entfernt und durch eine Schicht aus einem hoch brechenden Polymer ersetzt wird. Die Totalreflexion des im niedriger brechenden transparenten Mantel propagierenden Lichts findet an dieser Stelle dann nicht mehr statt und das Licht tritt seitlich aus dem transparenten Mantel aus.
Selbstverständlich bieten sich auch andere
Möglichkeiten, im transparenten Mantel propagierendes Licht seitlich zumindest in geringen Anteilen auszukoppeln, um dessen Intensität zu erfassen. So können bspw. in dem Lichtwellenleiter bereits vorhandene Spleißstellen genutzt werden, die zu einer derartigen seitlichen Auskopplung führen. Weiterhin kann auch durch zusätzliche Manipulation der äußeren Oberfläche des transparenten Mantels, bspw. durch Aufrauen, eine derartige seitliche Auskopplung erreicht werden. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung.
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung sind insbesondere für die verlustarme Faserkopplung in Hochleistungslaseranwendungen mit beugungsbegrenzter Strahlqualität einsetzbar, bspw. für Faserlaser- oder Scheibenlaser-Anwendungen. Besonders eignen sie sich für die Kopplung von zwei Doppelkernfasern, insbesondere für die Ankopplung einer Trans- portfaser an eine aktive Faser eines Faserlasers, wobei beide Fasern LMA-Fasern sein können. Durch die genaue Kopplung und ggf. kontinuierliche Nachregelung lassen sich vorteilhaft optische Leistungen oberhalb von 100 W über die Koppelstelle übertragen, ohne unerwünscht hohe thermische Verluste zu erzeugen. Die beiden Fasern werden hierbei nicht dauerhaft miteinander verbunden, so dass die Kopplung jederzeit wieder gelöst werden kann. Insbesondere lassen sich auf diese Weise auch Faserschalter realisieren, bei denen bspw. eine Licht emittierende Faser abwechselnd an unterschiedliche Transportfasern angekoppelt werden kann.
Als Licht emittierende oder Licht führende Kompo- nente lässt sich beim vorliegenden Verfahren auch jeder andere Lichtwellenleiter oder bspw. eine Laserdiode oder ein Laserdiodensystem einsetzen.
Die für die Durchführung des Verfahrens ausge- bildete Vorrichtung umfasst entsprechend eine elektrisch ansteuerbare Aktorik, die eine gegenseitige Positionierung einer Austrittsfläche einer Licht emittierenden oder Licht führenden Komponente und einer Eintrittsfläche eines Lichtwellenleiters in zumindest einem Freiheitsgrad, vorzugsweise in fünf Freiheitsgraden, ermöglicht. Weiterhin ist mindestens ein Detektor an einer Stelle des Lichtwellenleiters angeordnet, an der ein Anteil an optischer Strahlung seitlich aus dem optisch transparenten Mantel des Lichtwellenleiters austritt. Der Detektor ist zur Erfassung der Intensität des austretenden Anteils ausgebildet und angeordnet. Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Regelkreis, über den die elektrisch 2008/002148
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ansteuerbare Aktorik in Abhängigkeit von der detektierten Intensität so angesteuert wird, dass die detektierte Intensität stets minimal gehalten wird.
Das Verfahren erfordert abgesehen vom Detektor keine weiteren Teile oder Bearbeitungsschritte, um ein hoch aufgelöstes Rückkopplungssignal zur Regelung der Justage der Koppelstelle bereitzustellen, so dass sich das Verfahren sehr kostengünstig realisieren lässt. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens sowie der Vorrichtung besteht darin, dass die Koppelstelle während der Kopplung weiterhin zugänglich, d.h. nicht von weiteren Komponenten umhüllt ist, so dass auch Kühlmaßnahmen an dieser Koppelstelle uneingeschränkt möglich sind. Über die mit dem Detektor detektierte Intensität kann auch eine Faserbruchüberwachung realisiert werden, indem Signalamplituden außerhalb eines vordefinierten Wertebereichs bzw. Fensters als Hinweis auf ein Versagen der Faser gewertet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausfüh- rungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der
Ankopplung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren; Fig. 2 ein Beispiel für ein Detektorsignal in Abhängigkeit von der Dejustage der Koppelstelle; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens.
Wege zur Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die
Vorgehensweise bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens. Das aus einer Licht sendenden Doppelkernfaser 1 austretende Licht soll in eine Licht empfangende Doppelkernfaser 2 eingekoppelt werden, die als Transportfaser dient. Die Fasern weisen jeweils einen signalführenden Kern 3 auf, der von einem optisch transparenten Mantel 4, in einigen Anwendungen auch als Pumpkern bezeichnet, umschlossen ist. Der optisch transparente Mantel 4 hat in diesem Beispiel einen Brechungsindex von n = 1,46, der kleiner als der
Brechungsindex des signalführenden Kerns 3 ist. Die beiden Doppelkernfasern 1, 2 sind von einer Faserhülle 5 umschlossen. Im vorliegenden Beispiel liegt die Licht empfangende Faser 2 zusätzlich auf einem Aluminium- kühlkörper 6 auf, um die thermische Belastung zu vermindern.
Für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens ist die Licht empfangende Faser 2 an einer Stelle mit einem Mantelmodenabstreifer versehen. Zu diesem Zweck wurde die niedrigbrechende Faserhülle 5 an dieser Stelle entfernt und durch eine Schicht einer hochbrechenden Polymer-Vergussmasse 7 ersetzt, die einen Br-echungsindex von in diesem Beispiel n = 1,56 aufweist. Durch diese Vergussmasse 7 kann im optisch transparenten Mantel 4 geführtes Licht seitlich aus diesem Mantel austreten, wie in der Figur mit den Pfeilen angedeutet ist. An einer Stelle, an der dieses Licht austritt, wird eine Photodiode 8 positioniert, die die Intensität des austretenden Lichtanteils detektiert. Da nun bei Dejustage der beiden Fasern 1, 2 an der Koppelstelle 9 mehr Licht in den optisch transparenten Mantel 4 eintritt und bis zum Mantel- modenabstreifer geführt wird, tritt in diesem Fall auch mehr Licht dort aus. Umfangreiche Messungen haben gezeigt, dass sich die Dejustage der Einkopplung sehr gut über die Intensität des am Mantelmodenabstreifer austretenden Lichts bestimmen lässt. So konnte bspw. ein Signal von 30 mV pro 1 μm lateraler Dejustage der Einkopplung gemessen werden.
Figur 2 zeigt beispielhaft eine derartige Messung in Abhängigkeit von der lateralen Dejustage sy an der Koppelstelle 9. Mit diesem Signal ist es ohne zusätzlichen Aufwand möglich, die Positionierung der beiden Fasern 1, 2 an der Koppelstelle 9 zu regeln. Dies erfolgt durch Verwendung eines Reglers und geeigneter Aktoren zum Stellen der Freiheitsgrade der Einkopplung, wie dies stark schematisiert in der Figur 3 angedeutet ist.
In dieser Figur 3 ist die Aktorik 10 zu erkennen, die in diesem Beispiel die Einstellung der räumlichen Lage und Ausrichtung der Licht empfangenden Faser 2 übernimmt. Eine derartige Aktorik kann bspw. Piezo- antriebe oder Tauchspulen umfassen, die die Licht empfangende Faser 2 über eine entsprechende Halterung positionieren. Die Photodiode 8 ist an einer entsprechenden Stelle, bspw. im Bereich des Mantel- modenabstreifers der Figur 2 angebracht und übermittelt das detektierte Signal an den Regler 11. Der Regler 11 steuert wiederum die Aktorik 10 derart, dass die durch die Photodiode 8 gemessene Intensität des austretenden Lichtanteils minimiert wird. Damit kann eine stabile Einkopplung mit minimierten Verlusten erreicht werden. Dies ist besonders wichtig für Faserkoppelstellen, die Leistungen im Kilowattbereich übertragen sollen.
Im praktischen Einsatz ist es auch sinnvoll, vor der Koppelstelle 9, d.h. vor der Austrittsfläche der Licht sendenden Faser 1, einen Mantelmodenabstreifer anzubringen. Mantellicht der Eingangsfaser erreicht so die Koppelstelle nicht, so dass damit die thermische Belastung im Koppelbereich zusätzlich reduziert wird.
Bezugs zeichenliste
I Licht sendende Doppelkernfaser 2 Licht empfangende Doppelkernfaser
3 signalführender Kern
4 optisch transparenter Mantel
5 Faserhülle
6 Aluminiumkühlkörper 7 Vergussmasse
8 Photodiode
9 Koppelstelle
10 Aktorik
II Regler

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ankopplung eines Lichtwellenleiters (2) an eine Licht emittierende oder Licht führende Komponente (1), wobei der Lichtwellenleiter (2) einen Lichtwellen leitenden Kern eines ersten Brechungsindex und einen diesen umschließenden transparenten Mantel (4) eines zweiten Brechungsindex aufweist, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, bei dem - eine Austrittsfläche der Licht emittierenden oder Licht führenden Komponente (1) und eine Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters (2) relativ zueinander positioniert werden, um eine Einkopplung von aus der Austrittsfläche austretender optischer Strahlung in den Kern des Lichtwellenleiters (2) zu erreichen, wobei
- an wenigstens einer Stelle des Lichtwellenleiters. (2), an der ein Anteil von im transparenten Mantel (4) propagierender optischer Strahlung seitlich aus dem Mantel austritt, eine Intensität des austretenden Anteils detektiert wird und
- die relative Positionierung so erfolgt, dass die detektierte Intensität minimiert wird.
2. Verfahren zur Kontrolle der relativen Position eines Lichtwellenleiters (2) und einer Licht emittierenden oder Licht führenden Komponente (1), in den optische Strahlung aus der der Licht emittierenden oder Licht führenden Komponente (1) eingekoppelt wird, wobei der Lichtwellenleiter (2) einen Lichtwellen leitenden Kern eines ersten Brechungsindex und einen diesen umschließenden transparenten Mantel (4) eines zweiten Brechungsindex aufweist, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, bei dem
- an wenigstens einer Stelle des Lichtwellenleiters (2), an der ein Anteil von im transparenten Mantel (4) propagierender optischer Strahlung seitlich aus dem Mantel austritt, eine Intensität des aus- tretenden Anteils detektiert wird und
- die detektierte Intensität als Maß für die relative Position oder eine Positionsänderung herangezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die relative Positionierung durch elektrisch ansteuerbare Aktoren (10) erfolgt, die eine gegenseitige Positionierung der Austrittsfläche der Licht emittierenden oder Licht führenden Komponente (1) und der Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters (2) in zumindest 2 Freiheitsgraden ermöglichen und über einen Regelkreis angesteuert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Lichtwellenleiter (2) mit einem Mantelmodenabstreifer versehen ist und die Detektion des aus dem Mantel (4) austretenden Anteils im Bereich des Mantelmodenabstreifers erfolgt.
5. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Lichtwellenleiter (2) eine Spleißnaht aufweist und die Detektion des aus dem Mantel (4) austretenden Anteils im Bereich der Spleißnaht erfolgt .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine Doppelkernfaser als Lichtwellenleiter (2) an die Licht emittierende oder Licht führende Komponente (1) angekoppelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Lichtwellenleiter (2) an einen zweiten Lichtwellenleiter als Licht führende Komponente (1) angekoppelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der zweite Lichtwellenleiter eine Doppelkernfaser ist, die unmittelbar vor der Austrittsfläche mit einem Mantelmodenabstreifer versehen wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit
- mindestens einer elektrisch ansteuerbaren Aktorik (10), die eine gegenseitige Ausrichtung einer Austrittsfläche einer Licht emittierenden oder
Licht führenden Komponente (1) und einer Eintrittsfläche eines Lichtwellenleiters (2) in zumindest einem Freiheitsgrad ermöglicht,
- mindestens einem Detektor (8) an einer Stelle des Lichtwellenleiters (2), an der ein Anteil an optischer Strahlung seitlich aus einem optisch transparenten Mantel (4) des Lichtwellenleiters (2) austritt, wobei der Detektor (8) zur Erfassung einer Intensität des austretenden Anteils ausgebildet und angeordnet ist, und - einem Regelkreis, über den die elektrisch ansteuerbare Aktorik (10) in Abhängigkeit von der detektierten Intensität so angesteuert wird, dass die detektierte Intensität minimiert wird.
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