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Hocheffizienter Faserkoppler

Ein neues System zum hocheffizienten Zusammenführen mehrerer Lichtquellen mittels optischer Glasfasern wird vorgestellt. Durch einen neuen Herstellungsprozess und neue Komponenten vereinfacht sich der Prozess, mit dem man eine Anordnung zum Einkoppeln von Pumplichtstrahlung über die Mantelfläche in eine Doppelkernfaser realisiert. Zusätzlich wird die Koppeleffizienz im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik optimiert.

Problemstellung

Um eine hohe Leistung in eine Glasfaser einzukoppeln, verwendet man üblicherweise mehrere Lichtquellen und versucht deren jeweilige Leistung freistrahlend oder faserbasiert über die Endflächen oder den Mantel in eine Zielfaser einzukoppeln. Als besonders effektiv hat sich dabei die faserbasierte Einkopplung über die Mantelfläche erwiesen. Beim Versuch, eine hohe Überkoppelwahrscheinlichkeit zu erhalten, stößt diese Methode fertigungstechnisch allerdings schnell an die Grenzen des Machbaren. So muss z.B. der Mantel einer Zuführungsfaser im Einkoppelbereich entfernt werden, was mit relativ großem Aufwand verbunden ist oder es muss die Faser so stark verjüngt werden, dass sie durch die mechanische Belastung bei der Weiterverarbeitung beschädigt wird. Eine hohe Koppeleffizienz ist jedoch unumgänglich, um thermische Probleme durch Verlustleistung in den Zuführungsfasern zu minimieren.

Unsere Lösung

Das hier vorgestellte Verfahren zum hocheffizienten Zusammenführen mehrerer Lichtquellen beinhaltet sowohl neue Komponenten als auch einen verbesserten Herstellungsprozess. Durch den Einsatz von mantellosen Zwischenfasern auf Zuführungsseite müssen die eigentlichen Zuführungsfasern weder chemisch noch mechanisch bearbeitet werden. Ein oktogonaler Querschnitt dieser Zwischenfasern erhöht zudem die Koppeleffizienz und verspiegelte Endflächen reflektieren nicht eingekoppeltes Licht zurück in Richtung des Koppelbereiches wodurch die Effizienz des Aufbaus weiter gesteigert wird.
Beim anschließenden Zusammenführen von Zielfaser und Zuführungsfasern sorgt eine spezielle Vorrichtung dafür, dass Verspannungen der Zielfaser deutlich reduziert werden. Zudem können Zielfaser und Zuführungsfasern unterschiedlich stark gezogen werden, wodurch sich der Durchmesser der Zielfaser beim Verjüngen weniger stark ändert als der der Zuführungsfasern. Zusätzlich werden die Zuführungsfasern mit Hilfe dieser Vorrichtung so um die Zielfaser angeordnet, dass ein erneutes Auskoppeln von bereits eingekoppeltem Licht stark unterdrückt wird.
Durch den Einsatz einer weiteren Zwischenfaser (diesmal als Teil der Zielfaser) wird es möglich, den Koppelbereich zu verjüngen, ohne dabei den Signalkern und damit den Modenfelddurchmesser der Zielfaser signifikant zu verändern.

Vorteile

  • Einkoppeleffizienzen von bis zu 98%
  • Nichtlineare Effekte in der Faser werden unterdrückt
  • Verringerung von thermischen Problemen, die bei geringer Einkopplung entstehen
  • Monolithischer Aufbau, d.h. platzsparend und mechanisch robust
  • Hohe optische Isolation der Pumpdioden gegenüber rückwärtiger Leistung
  • Sowohl in gepulsten als auch in kontinuierlich arbeitenden Lasersystemen einsetzbar
  • Für aktive, passive sowie polarisationserhaltende Anwendungen geeignet
  • Für Zielfasern mit Ein- oder Mehrmodensignalkern oder ganz ohne Signalkern
  • Hohe Flexibilität bei der Wahl der Fasermaterialien (Ytterbium, Erbium, Thulium)
  • Geeignet für einen großen Wellenlängenbereich

Anwendungsbereiche

Der Einsatz der hier beschriebenen Komponenten ermöglicht gegenüber auf dem Markt verfügbaren Anordnungen die Erschließung neuer Faserlaserarchitekturen, wie z.B. das gegenläufige Pumpen von Faserverstärkern. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der großen Flexibilität und der großen Robustheit des Aufbaus.

Entwicklungsstand

Die Qualität des Konzepts konnte sowohl durch Messungen als auch durch Simulationen bestätigt werden.

Patentsituation

EP Patentanmeldung: EP2618191 (A2)
US Patentanmeldung: US2013188911 (A1)
Patentanmelder: Laser Zentrum Hannover e.V.

Weiterführende Informationen

Pump and signal combiner for bi-directional pumping of all-fiber lasers and amplifiers
Optics Express, Vol. 20, Issue 27, pp. 28125-28141 (2012) (doi: 10.1364/OE.20.028125)
Theeg T, Sayinc H, Neumann J, Overmeyer L, Kracht D
Laser Zentrum Hannover e.V., Hollerithallee 8, 30419 Hannover, Germany

Kontakt

Dr. Alexander Brinkmann
Patentmanager
E-Mail: abrinkmann(at)sciencebridge.de
Tel.: +49 (0)551 30724 159
Referenz: CPA-1528-LZH

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