DE19715807C1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Gitterstrukturen in Lichtleitfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Gitterstrukturen in Lichtleitfasern durch lokale Laserbestrahlung, mit einem Laseremitter, dessen Strahlung auf die Mantelfläche der Lichtleitfaser gerichtet ist, wobei zwischen dem Laseremitter und der Lichtleitfaser Strahltransformationseinrichtungen angeordnet sind.

Zur Dispersionskorrektur in Lichtleitfasern sowie zum Ausgleich einer gege­ benen Amplituden-Frequenz-Kennlinie der jeweils verwendeten Lichtquelle werden an der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel oder im äußeren Mantelbereich quer zur Faserlängsrichtung im Material optische Gitter erzeugt. Die Gitterkonstanten liegen dabei in der Größenordnung von ca. 0,5 µ für eine schmalbandige Verstärkung zur Durchführung von Wellenlän­ gen-Multiplexing, beispielsweise in Erbium-Verstärkern, oder in der Größen­ ordnung von einigen hundert µ, um unterschiedliche Amplituden-Frequenz- Charakteristiken der eingesetzten Emitter auszugleichen. Mitunter werden in optischen Filterstrukturen für die vorgenannten Anwendungen Gitter mit unterschiedlichen Gitterkonstanten miteinander kombiniert. Im Normalfall sind die Gitter äquidistant; für besondere Anwendungsfälle gelangen jedoch auch nicht-äquidistante Gitter zum Einsatz.

Zur Erzeugung der Gitterstrukturen wird die Lichtleitfaser von außen durch den Mantel mit einem linienförmigen Laserstrahl ausreichender Intensität belichtet. Durch Energieabsorption im Bereich der Grenzflächen tritt dabei eine lokale Strukturänderung des Materials auf, die an diesen Stellen zu einer bleibenden Änderung des Brechungsindexes führt. Zur Erzeugung eines Diffraktionsgitters werden solche Strukturen im Abstand der gewünschten Gitterkonstante generiert.

Die Herstellung einer kompletten Gitterstruktur durch sequentielle Belich­ tung mittels eines einzigen fokussierten Laserstrahls ist ausgesprochen zeitaufwendig und demzufolge unwirtschaftlich. Außerdem können Unge­ nauigkeiten durch die vielfache Relativbewegung von Faser und optischem System zueinander auftreten. Es sind deswegen verschiedene Methoden bekannt, die eine gleichzeitige Belichtung der Faser entsprechend der gewünschten Gitterstruktur erlauben. Eine bekannte Möglichkeit besteht beispielsweise darin, das Beugungsmuster eines Diffraktionsgitters zur Belichtung heranzuziehen. Dabei ist die Intensität der einzelnen Beugungs­ maxima jedoch zum einen relativ gering, zum anderen ist der Gesamtwir­ kungsgrad dadurch relativ niedrig, daß nur Maxima niedriger Ordnung aus­ genutzt werden können. Eine weitere bekannte Möglichkeit sieht die Belich­ tung durch eine Schlitzmaske vor. Die Nachteile dieser Methode liegen darin, daß der Wirkungsgrad aufgrund des größtenteils von der Maske absorbierten einfallenden Lichts sehr niedrig ist und die Masken aufwendig und entsprechend teuer in der Herstellung sind. Hinzu kommt, daß die Breite der erzeugbaren Strukturen durch Beugungseffekte an den Masken­ öffnungen begrenzt ist. Nicht zuletzt ist diese Methode relativ unflexibel, da die Maske selbst nach dem Belichtungsvorgang in der Regel weitgehend unbrauchbar ist.

Aus der EP 0 770 890 A1 sind derartige Verfahren zur Herstellung von Gitterstrukturen in Lichtleitfasern durch lokale Laserbestrahlung bekannt. Dabei wird als Laseremitter ein Ultraviolett-Laser verwendet, dessen Strahlung auf die Mantelfläche der Lichtleitfaser gerichtet ist. Zwischen dem Laseremitter und der Lichtleitfaser sind dabei Strahltransformationseinrichtungen zur Erzeugung eines der Gitterstruktur entsprechenden Belichtungsmusters angeordnet. Zur Erzeugung eines Beugungsmusters wird darin vorgeschlagen, eine Anordnung mit einem Strahlteiler und zwei Spiegeln vorzusehen. Dabei treten jedoch gleichfalls die bereits erläuterten Nachteile bei der Ausnutzung der Beugungsmaxima auf. Alternativ wird ein sogenanntes Phasenmasken-Verfahren angegeben, womit die vorangehend beschriebene Belichtung durch eine Schlitzmaske gemeint ist. Dabei treten ebenfalls die bereits erwähnten Nachteile auf.

Ausgehend von dieser Problematik ergibt sich die der Erfindung zugrunde­ liegende Aufgabenstellung, eine Belichtungsvorrichtung für Lichtleitfasern zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Lichtausnutzung erlaubt, d. h. einen besseren Wirkungsgrad hat, und in der Anwendung flexibler ist als die bisher bekannten Systeme.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung schlägt die Erfindung vor, daß die Strahltransformationseinrichtungen mindestens ein quer zur Lichleitfaser ausgerichtetes fächerförmiges Zylinderlinsenarray aufweisen, in dessen Fokusebene sich die Lichtleitfaser befindet und welches relativ zur Lichtleitfaser verschiebbar ist.

Erfindungsgemäß wird ein Zylinderlinsenarray mit einem kollimierten, in Längsrichtung der zu belichtenden Faser in etwa linienförmigem Laserstrahl, der die gesamte Breite des Arrays ausleuchtet, beleuchtet. Durch jede einzelne Zylinderlinse wird der Laserstrahl in der Faser, d. h. an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel, oder im Mantel, fokussiert, so daß an diesen Stellen die zur Strukturumwandlung erforderliche Energiedichte vorliegt. Die Gitterperiode ergibt sich dabei durch den Relativabstand der Zylinderlinsen, die quer zur Lichtleitfaser ausgerichtet sind.

Ein Vorteil der Erfindung ergibt sich bereits durch die Verwendung eines Zylinderlinsenarrays an sich. Dadurch wird nämlich praktisch das gesamte einfallende Laserlicht zur Belichtung ausgenutzt. Der Wirkungsgrad ist somit entsprechend hoch und liegt nahezu bei 1. Demzufolge lassen sich die Gitterstrukturen schnell und wirtschaftlich fertigen.

Die besondere Flexibilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Folge der fächerförmigen Anordnung der Zylinderlinsen im Array. Diese Anord­ nung kommt dadurch zustande, daß sich die Zylinderlinsen bei gleichblei­ bender Brennweite in Längsrichtung verbreitern, beispielsweise von einer anfänglichen Breite A bis hin zu A + dx. Dies hat zur Folge, daß sich die Abstände der Brennpunkte bzw. -linien der nebeneinander nichtparallel lie­ genden Zylinderlinsen im Array ebenfalls voneinander entfernen, beispiels­ weise von einem anfänglichen Abstand p bis hin zu einem Abstand p + dx am anderen Ende des Arrays.

Daraus ergibt sich der besondere Vorteil der Erfindung, daß - bei einer oben liegenden Beleuchtung - eine unterhalb des Zylinderlinsenarrays angeord­ nete Lichtleitfaser lediglich durch eine Verschiebung des Arrays in Zylinder­ linsenlängsrichtung relativ zur Lichtleitfaser stufenlos mit einer Gitterperi­ ode zwischen p und p + dx belichtet werden kann. Für eine Veränderung der gewünschten Gitterperiode ist also lediglich eine Verstellung des Zylin­ derlinsenarrays erforderlich.

Neben der dargestellten Möglichkeit, durch Verschiebung des Arrays quer zur Lichtleitfaser die Gitterperiode zu vergrößern, ist es außerdem denkbar, für eine Kombination unterschiedlicher Gitterkonstanten das gesamte Array schrittweise in Längsrichtung der Faser zu bewegen und dabei jeweils eine Belichtung vorzunehmen. Erfolgt beispielsweise mehrfach hintereinander eine Verschiebung um einen Abstand dy, werden mehrere Gitter mit dieser Periode im Abstand p + dx voneinander generiert.

Zweckmäßigerweise ist zur Durchführung der Bewegungen das Zylinderlin­ senarray auf Führungen angeordnet. Je nach der gewünschten Bewe­ gungsrichtung kann das Array beispielsweise auf hochpräzisen Linearfüh­ rungen laufen, die quer und/oder längs der Faser ausgerichtet sind. Auf diese Weise ist eine genaue und reproduzierbare Positionierung gewährlei­ stet.

Vorzugsweise sind die vorgenannten Führungen mit motorischen Stellantrieben versehen. Durch derartige Stellantriebe, beispielsweise Piezo-, Schrittmotor- oder sonstige Antriebe, kann die Verstellung hochge­ nau und weitgehend automatisiert vorgenommen werden. Der Anschluß der Stellantriebe an rechnergestützte Steueranlagen erlaubt eine rationelle automatisierte Fertigung und damit die programmgesteuerte Generierung unterschiedlicher Gittertypen.

Eine vorteilhafte, wesentliche Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten ergibt sich daraus, daß die einzelnen Zylinderlinsen im Zylinderlinsenarray relativ zueinander bewegbar sind. Dadurch ergibt sich nämlich die zusätzli­ che Möglichkeit, die Abstände der Zylinderlinsen innerhalb des Zylinderlin­ senarrays und damit die erzeugbaren Gitterperiode weitgehend frei zu vari­ ieren. Damit sind praktisch beliebige, auch nicht-äquidistante Gitterstruktu­ ren besonders rationell generierbar. Die erreichbare Flexibilität bei der indi­ viduellen Anpassung an unterschiedlichste Anwendungen ist somit gege­ ben.

Zweckmäßigerweise sind die einzelnen Zylinderlinsen in der vorgenannten Ausführungsform ebenfalls auf hochgenauen Führungen angebracht, die vorzugsweise ebenfalls mit motorischen Stellantrieben versehen sind. Diese Ausbaustufe ermöglicht dann praktisch eine weitgehend automatische, rechnergestützte Erzeugung von programmierten Gitterstrukturen.

In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung sind mehrere erfindungsgemäße Zylinderlinsenarrays auf einem Wechselträger angebracht, die jeweils zwischen Laseremitter und Lichtleitfaser einschwenkbar sind. Aus Gründen der Handhabung bzw. der Fertigung sollte mit einem einzigen Zylinderlinsenarray jeweils ein begrenzter Bereich abgedeckt werden. Durch die Zusammenfassung von Arrays mit aneinander anschließenden Verstellbereichen in einem magazinartigen Wechselträger läßt sich - beispielsweise in automatisierten Fertigungsanlagen - eine entsprechend großer Bereich abdecken. Außerdem wird die Kombination von Gitterstrukturen mit unterschiedlichen Perioden erheblich vereinfacht.

In praktischen Ausführungsformen können die einzelnen Zylinderlinsenar­ rays beispielsweise zeilen- und spaltenweise neben- bzw. übereinander - auf einem rechteckigen Magazinträger angeordnet sein oder kreissymme­ trisch auf einem runden, revolverartigen Träger.

Ausführungsbeispiele sind im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Perspektivansicht;

Fig. 2 erfindungsgemäße Wechselträger mit Zylinderlinsenarrays.

In Fig. 1 ist in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Vor­ richtung zur Erzeugung von Gitterstrukturen dargestellt und als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Diese weist ein fächerförmiges Zylinderlin­ senarray 2 auf, welches aus einer Vielzahl von einzelnen Zylinderlinsen 3 gebildet wird.

Das Zylinderlinsenarray 2 ist auf einer hochpräzisen Linearführung 4 ange­ bracht, die mittels nicht dargestellter Stellantriebe in Längsrichtung der Zylinderlinsen 3 und damit quer zu einer in dieser Darstellung unterhalb des Arrays 2 angeordneten Lichtleitfaser 5 verschiebbar ist.

In dieser Darstellung ist mit einem im einzelnen nicht dargestellten Laser von oben, d. h. in der Zeichnungsebene, ein kollimierter, linienförmiger Laserstrahl 6 einstrahlbar, dessen Querschnitt schraffiert angedeutet ist. Die Lichtleitfaser 5 ist dabei so im Fokus des Zylinderlinsenarrays 2 angeordnet, daß bei Beleuchtung mit dem Laserstrahlbündel 6 Gitterstrukturen 7 erzeugt werden.

Am vorderen Ende des Arrays 2, d. h. in der Darstellung unten, weisen die einzelnen Zylinderlinsen 3 einen Abstand p voneinander auf, der sich nach hinten, d. h. in der Darstellung nach oben, zum Abstand p + dx erweitert. Wird nun das Array 2 auf den Führungen 4 quer zur Lichtleitfaser 5 ver­ schoben, lassen sich Gitterstrukturen mit der kleinsten Periode p herstellen, was in der Darstellung unten in der Zeichnung erläutert ist. Wird das Array in die andere Richtung bis zum Anschlag verschoben, ergibt sich eine Git­ terperiode von p + dx, was schematisch oben in der Zeichnung dargestellt ist.

Die Verstellung kann gegebenenfalls computergesteuert erfolgen, was eine weitgehende Automatisierung des Vorgangs ermöglicht.

Es ist weiterhin denkbar, das Array 4 auf gleichartigen Führungen anzuord­ nen, die parallel zur Lichtleitfaser 5 ausgerichtet sind. Auf diese Weise las­ sen sich die Gitterstrukturen in Faserlängsrichtung schrittweise versetzt mehrfach erzeugen.

Es ist weiterhin denkbar, die einzelnen Zylinderlinsen 3 ebenfalls relativ zueinander verschiebbar auf Führungen anzubringen. Damit lassen sich dann beliebige Abstände p + dx, p + dy usw. völlig unabhängig voneinander einstellen. Auf diese Weise lassen sich dann auch nicht-äquidistante Gitter­ strukturen 7 erzeugen.

Bei alledem ergibt sich durch die nahezu vollständige Ausnutzung des Laserlichtbündels 6 durch das Zylinderlinsenarray 2 ein Wirkungsgrad nahe 1. Entsprechend kurz können auch die Belichtungszeiten ausfallen. Durch die Veränderung des Abstands der Gitterstrukturen 3 durch eine bloße Verschiebung des Arrays 2 in den Führungen 4 ist eine besonders schnelle und flexible Anpassung bei der Herstellung unterschiedlicher Git­ terstrukturen 7 möglich.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Zylinder­ linsenarrays 2 mit jeweils unterschiedlichen Bereichen der Abstände p bis p + dx auf einem Wechselträger 8 angebracht sind. Dieser Wechselträger 8 kann alternativ rechteckig ausgebildet sein, wobei die Arrays 2 in Reihen und Spalten gruppiert sind, oder auch rund, wobei die Arrays 2 über den Umfang verteilt sind.

An einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird beispielsweise eine Einrich­ tung angebracht, die es erlaubt, die einzelnen Arrays 2 wie in Fig. 1 darge­ stellt in den Strahlengang zu bringen. Durch die Gesamtheit der von den einzelnen Arrays 2 abgedeckten Bereiche werden die Anwendungsmöglichkeiten erheblich erweitert.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Gitterstrukturen in Lichtleitfasern durch lokale Laserbestrahlung, mit einem Laseremitter, dessen Strahlung auf die Mantelfläche der Lichtleitfaser gerichtet ist, wobei zwischen dem Laseremitter und der Lichtleitfaser Strahltransformationseinrichtungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahltransformationseinrichtungen mindestens ein quer zur Licht­ leitfaser (5) ausgerichtetes, fächerförmiges Zylinderlinsenarray (2) aufwei­ sen, in dessen Fokusebene sich die Lichtleitfaser (5) befindet und welches relativ zur Lichtleitfaser (5) verschiebbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Zylinderlinsenarray (2) auf Führungen (4) angebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylinderlinsenarray (2) in Zylinderlinsenlängsrichtung verschiebbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylinderlinsenarray (2) quer zur Zylinderlinsenlängsrichtung ver­ schiebbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zylinderlinsen (3) im Zylinderlinsenarray (2) relativ zuein­ ander bewegbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zylinderlinsen (3) auf Führungen (4) angebracht sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (4) mit motorischen Stellantrieben versehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylinderlinsenarrays (2) auf einem Wechselträger (8) ange­ bracht sind, die jeweils zwischen dem Laseremitter und der Lichtleitfaser (5) einschwenkbar sind.