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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Koppelanordnung für
Lichtwellenleiter, die einen Grundkörper mit einer Durchführung
für den Lichtwellenleiter aufweist, durch die der Lichtwellenleiter
in einem Bereich eines seiner Enden geführt ist.
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Bei
der Einkopplung von Licht in Lichtwellenleiter tritt vor allem bei
der Einkopplung hoher Leistungen eine starke thermische Belastung
der Einkoppelstelle auf. Hohe optische Leistungen liegen beispielsweise
bei fasergekoppelten Diodenlasermodulen vor, wie sie bei der Direktbearbeitung
oder zum Pumpen von Faserlasern eingesetzt werden. Aufgrund der
hohen Leistung führen Einkoppelverluste im Einkoppelbereich
des Lichtes in die Faser zu einer Erwärmung und in Folge
davon ggf. zu einer Dejustage oder einer Zerstörung der
Faser. Für das Pumpen von Faserlasern sollte zusätzlich
das unerwünscht in den Mantel der Faser eingekoppelte Licht entfernt
werden, da es die nachgeschalteten Koppler sonst zusätzlich
thermisch belastet.
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Es
besteht daher grundsätzlich ein Bedarf an einer Koppelanordnung
für Lichtwellenleiter, insbesondere optische Fasern, die
eine thermisch stabile Einkoppelstelle mit guter Wärmeabfuhr
bereitstellt und Licht, das in den Mantel des Lichtwellenleiters eingekoppelt
wird, zuverlässig und möglichst restlos entfernt
oder unterdrückt.
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Stand der Technik
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Für
die Einkopplung von optischer Strahlung in Lichtwellenleiter sind
analog zur Hochfrequenztechnik sog. SMA-Stecker bekannt. 1 zeigt
den Aufbau eines Standard-SMA-Steckers, in dem der Lichtwellenleiter 1 an
einem Ende geführt wird. Der Lichtwellenleiter 1 besteht
in bekannter Weise aus einem Kern und einem Mantel, die außerhalb
des Steckers von einer Schutzummantelung 2 und einem Jacket 3 geschützt
sind. Der Stecker selbst weist ein Übergangsstück 5 und
eine Ferrule 4 mit einer Mikrobohrung für den
Lichtwellenleiter 1 auf. Eine Überwurfmutter 6 dient
der lösbaren Verbindung dieses Steckers mit einem entsprechenden
Gegenstück. Für die Einkopplung der optischen
Strahlung weist das Ende des Lichtwellenleiters 1 eine
polierte Facette 8 an einem Ausgang der Mikrobohrung der
Ferrule 4 auf. Der Lichtwellenleiter 1 mit der
Schutzummantelung 2 und dem Jacket 3 ist über
einen Kleber 7 im Übergangsstück 5 fixiert,
das gleichzeitig als Zugentlastung und Knickschutz dient. Der gleiche
Kleber 7 wird auch für die Fixierung des Lichtwellenleiters 1 in der
Mikrobohrung der Ferrule 4 eingesetzt.
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Der
Leistungsbereich eines derartigen Standard-SMA-Steckers ist allerdings
begrenzt, da sich der Klebstoff 7 auch im Einkoppelbereich,
d. h. im Bereich der polierten Facette 8 befindet. Dieser
Klebstoff 7 überhitzt bei höheren optischen
Leistungen, wodurch der Stecker zerstört werden kann. Zur
Vermeidung dieser Problematik besitzen Hochleistungs-SMA-Stecker
ein freistehendes Faserende, damit der Anteil der optischen Strahlung,
der nicht in die Faser eingekoppelt wird, nicht direkt auf die Klebstoffschicht
und das umgebende Material trifft. Ein Beispiel für die
Ausgestaltung der Ferrule 4 eines derartigen Hochleistungs-SMA-Steckers
ist in 2 dargestellt. Die Ferrule 4 weist hierbei
an dem Einkoppelende eine zusätzliche mit Luft gefüllte
Ausnehmung 9 auf, so dass das freie Faserende 10 über
die Mikrobohrung der Ferrule 4 hinausragt. Eine durch Einkoppelverluste
auftretende Erwärmung der Ferrule 4 kann hier
aber dennoch zu unerwünschten thermischen Problemen führen.
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Die
US 5619602 A zeigt
eine Koppelanordnung, bei der das eine Ende des Lichtwellenleiters
in einem rohrförmigen Grundkörper geführt
wird, ohne direkt in Kontakt mit der Innenwandung des Grundkörpers
zu treten. Ein Bereich des Mantels des Lichtwellenleiters ist mit
einem Modenabstreifer versehen, um den im Mantel geführten
Strahlungsanteil auszukoppeln. Strahlung, die nicht in die Faser
eingekoppelt oder über den Modenabstreifer ausgekoppelt wird,
trifft auf einen Reflektor innerhalb des Grundkörpers,
der diese Strahlung auf einen Absorber an der Innenwandung des Grundkörpers
lenkt. Die am Absorber dadurch entstehende Wärme wird über
den wärmeleitenden Grundkörper gekühlt.
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Die
EP 0910810 B1 zeigt
eine Koppelanordnung, bei der das eine Ende des Lichtwellenleiters ebenfalls
in einem rohrförmigen Grundkörper geführt wird,
ohne in Kontakt mit der Innenwandung des Grundkörpers zu
treten. Im Einkoppelbereich ist eine Aperturblende angebracht, an
der der größte Teil der nicht in den Lichtwellenleiter
eintretenden Strahlung absorbiert oder reflektiert wird. Diese Blende
ist gegenüber der restlichen Anordnung thermisch entkoppelt.
Strahlungsanteile, die dennoch in die Koppelanordnung eindringen,
werden über darin angeordnete Blenden aufgehalten, die
nicht in Kontakt zur Faser stehen. Über einen zusätzlichen
Mantelmodenabstreifer werden auch die im Mantel geführten
Strahlungsanteile ausgekoppelt und vom Grundkörper absorbiert.
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Ein
weiteres Beispiel für eine Koppelanordnung für
Lichtwellenleiter ist in der
US
4575181 A beschrieben. Auch bei dieser Anordnung wird der
Lichtwellenleiter in einem rohrförmigen Grundkörper
mit einem Abstand zu den Innenflächen des Grundkörpers
geführt. Der Zwischenraum zwischen dem Lichtwellenleiter
und der Innenwandung des Grundkörpers wird von einem flüssigen
Kühlmedium durchströmt, das selbst teilweise die
Strahlung absorbiert. Auch hier bildet die Innenwandung des Grundkörpers einen
Absorber für die Strahlung, der gleichzeitig durch das
durchströmende Medium gekühlt wird. Ein transparentes
Fenster dichtet den Hohlraum nach außen ab und fixiert
gleichzeitig den Lichtwellenleiter durch eine Schweißverbindung.
Auf dem Lichtwellenleiter ist zusätzlich ein Modenabstreifer
ausgebildet, der die im Mantel geführte Strahlung in das
Kühlmedium und auf die Innenwandung des Grundkörpers lenkt.
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Während
sich die Standard-SMA-Stecker sowie die Hochleistungs-SMA-Stecker
mit geringen bis mittleren Kosten realisieren lassen, jedoch nur
für Leistungen von < 20
W bzw. < 100 W
einsetzbar sind, verursachen die für höhere Leistungen
ausgebildeten Koppelanordnungen auch entsprechend höhere Herstellungskosten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Koppelanordnung
für Lichtwellenleiter anzugeben, die sich mit geringeren
Kosten als die für höhere Leistungen ausgebildeten
Koppelanordnungen realisieren und für höhere Leistungen
als die oben beschriebenen SMA-Stecker einsetzen lässt.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit der Koppelanordnung gemäß Patentanspruch
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Koppelanordnung
sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche
oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel
entnehmen.
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Die
vorgeschlagene Koppelanordnung weist einen Grundkörper
mit einer Durchführung für den Lichtwellenleiter
auf, in dem der Lichtwellenleiter in einem Bereich eines seiner
Enden geführt ist. Die Koppelanordnung zeichnet sich dadurch
aus, dass der Lichtwellenleiter zumindest im Bereich der Durchführung
zumindest teilweise auf dem Mantel metallisiert ist, wobei die Metallisierung
in thermischem Kontakt mit dem Grundkörper steht. Vorzugsweise
ist der Lichtwellenleiter im Bereich der Durchführung über
seinen gesamten Umfang auf dem Mantel metallisiert.
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Die
Durchführung des Grundkörpers ist dabei als entsprechende
Bohrung bzw. Mikrobohrung ausgeführt, durch die sich der
Lichtwellenleiter, bestehend aus Kern und Mantel, mit der Metallisierung erstreckt.
Die Mikrobohrung ist dabei so ausgeführt, dass die Metallisierung
vorzugsweise in direktem Kontakt mit der Innenwandung der Durchführung steht.
Selbstverständlich ist es auch möglich, ein zusätzliches
wärmeleitendes Medium zwischen Metallisierung und Innenwandung
der Durchführung einzubringen, um den wärmeleitenden
Kontakt herzustellen oder zu verbessern. Hierbei kann es sich bspw. um
eine wärmeleitende Paste oder ein Lot zur Fixierung des
Lichtwellenleiters handeln.
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Der
Grundkörper ist vorzugsweise aus einem wärmeleitenden
Material, beispielsweise aus einem Metall, gebildet. Der Lichtwellenleiter
selbst ist vorzugsweise als lichtleitende Faser ausgebildet, bei der
in üblicher Weise der Mantel, der bspw. aus Quarzglas oder
einem transparenten Kunststoff bestehen kann, einen kleineren optischen
Brechungsindex als der Kern aufweist. Es kann sich hierbei um eine
Gradientenfaser oder auch um eine Stufenfaser handeln. Der Lichtwellenleiter
ist in der Durchführung des Grundkörpers fixiert.
Diese Fixierung kann bspw. durch Klemmung, Lötung oder
Klebung erreicht werden. Bei einer Fixierung durch Lot kann nach
dem Aufbringen und vor der Verfestigung des Lotes eine Feinjustage
des Lichtwellenleiters in der Durchführung erfolgen.
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Durch
die metallische Beschichtung wird eine Absorption der im Mantel
geführten Strahlung erreicht. Die metallische Beschichtung
weist gegenüber mit Kunststoff ummantelten Fasern eine
wesentlich höhere thermische Beständigkeit und
höhere Wärmeleitfähigkeit auf. Durch
den thermischen Kontakt der Metallisierung mit dem Grundkörper
wird im Bereich der Einkoppelstelle entstehende Wärme effizient
an den Grundkörper abgeführt. Der Grundkörper
selbst ist dabei vorzugsweise zusätzlich mit einer Wärmesenke
in thermischem Kontakt, durch die eine schnelle Abführung
der Wärme gewährleistet ist. Bei dieser Wärmesenke
kann es sich beispielsweise um einen wärmeleitenden Körper
mit einer vielfachen Masse des Grundkörpers oder auch um
ein Kühlsystem mit Wasserkühlung handeln.
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Durch
die optischen Eigenschaften der für die Metallisierung
verwendeten Metalle, wie bspw. Gold, Kupfer oder Indium, werden
die im Mantel geführten Moden direkt absorbiert und die
dabei entstehende Wärme effizient über den Grundkörper
und eine mit diesem in Kontakt stehende Wärmesenke abgeführt.
Die Metallisierung bietet hierbei den besonderen Vorteil, das das
Licht beim Auftreffen auf die Metallisierung aufgrund des komplexen
Absorptionskoeffizienten von Metallen nur zum Teil absorbiert und
zum Teil reflektiert wird. Dadurch wird die insgesamt absorbierte
Lichtleistung und somit Wärme vorteilhaft über
einen größeren Bereich entlang des Lichtwellenleiters
verteilt (Wärmespreizung). Die Länge dieses Bereiches
entlang des Lichtwellenleiters lässt sich durch Wahl des
Materials der Metallisierung gezielt beeinflussen. Die Maximaltemperatur, die
sich an dieser Koppelanordnung einstellt, ist abhängig
von der Wärmeleitfähigkeit und dem Absorptionskoeffizienten
der eingesetzten Materialien, der Güte des thermischen
Kontakts zwischen den gepaarten Bauteilen, d. h. zwischen Metallisierung
und Grundkörper und zwischen Grundköper und Wärmesenke,
der Kühlleistung der Wärmesenke und der Verlustleistung
an der Einkoppelstelle. In jedem Falle ergibt sich jedoch eine höhere
Leistungsgrenze als bei den bisher eingesetzten SMA-Steckern. Auf
der anderen Seite lässt sich eine derartige Koppelanordnung
sehr kostengünstig realisieren, da neben dem Grundkörper
mit der entsprechenden Bohrung lediglich eine Metallisierung des
Mantels des Lichtwellenleiters erfolgen muss. Auf diese Weise lässt
sich eine Einkopplung von Laserstrahlung hoher Leistung in den Lichtwellenleiter,
bspw. Laserstrahlung von Diodenlasern oder Diodenlasermodulen, kostengünstig erreichen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Grundkörper
an dem für die Einkopplung genutzten Ende eine Ausnehmung
auf, in die das Ende des Lichtwellenleiters aus der Durchführung
ragt. In dieser Ausnehmung kann um den Lichtwellenleiter zusätzlich
ein optischer Reflektor angeordnet sein, der nicht in den Lichtwellenleiter
eintretende Strahlung in diesem Bereich reflektiert und damit eine
zusätzliche Aufheizung des Grundkörpers an dieser
Stelle verhindert.
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Selbstverständlich
kann die Koppelanordnung auch zusätzliche Elemente aufweisen,
wie sie bspw. von SMA-Steckern bekannt sind. Dies betrifft vor allem
entsprechende Mittel zur lösbaren Verbindung der Koppelanordnung
mit einem entsprechenden Gegenstück, bspw. einem Anschluss
an einem Diodenlasermodul. Hierfür kann bspw. der Grundkörper
an seinem der Einkoppelstelle gegenüberliegenden Ende in
einem Übergangsstück sitzen, wie dies in Verbindung
mit 1 bereits erläutert wurde. Hier kann
dann auch bspw. eine entsprechende Überwurfmutter vorgesehen
sein. In gleicher Weise kann der Lichtwellenleiter außerhalb
des Grundkörpers auch über eine Schutzummantelung
und ein Jacket verfügen, wie dies aus dem Stand der Technik
bekannt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorgeschlagene Koppelanordnung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 ein
Beispiel für einen SMA-Stecker gemäß dem
Stand der Technik;
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2 ein
Beispiel für eine Ausgestaltung des Einkoppelendes der
Ferrule eines Hochleistungs-SMA-Steckers gemäß dem
Stand der Technik; und
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3 eine
schematische Darstellung der Koppelanordnung gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die
bekannte Ausgestaltung eines SMA-Steckers gemäß dem
Stand der Technik, wie sie in den 1 und 2 dargestellt
ist, wurde bereits im einleitenden Teil der Beschreibung erläutert.
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3 zeigt
eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform
der Koppelanordnung der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Koppelanordnung
wird der Lichtwellenleiter 1, der aus einem Kern 11 und einem
Mantel 12 besteht, in einer Durchführung 13 eines
Grundkörpers 14 geführt. Der Grundkörper 14 weist
eine Ausnehmung 9 an dem einkoppelseitigen Ende auf, in
die das freie Faserende 10 des in diesem Beispiel als Faser
ausgebildeten Lichtwellenleiters 1 ragt, wie dies in der
Figur zu erkennen ist. Von dieser Seite wird die optische Strahlung,
bspw. Laserstrahlung eines Diodenlasers, in den Lichtwellenleiter 1 eingekoppelt.
Der Lichtwellenleiter 1 weist eine Metallisierung 15 auf
dem Mantel 12 auf, die zum einen die Funktion eines Modenabstreifers
und zum anderen die Funktion einer effizienten Wärmeableitung
erfüllt. Die Metallisierung 15 steht in unmittelbarem
thermischem Kontakt mit dem Grundköper 14, so
dass die in der Metallisierung 15 durch Absorption der
Strahlung entstehende Wärme schnell an den Grundkörper 14 abgeführt
wird. Der Grundkörper kann beispielsweise aus Kupfer bestehen.
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Um
die Erwärmung des Einkoppelbereiches durch Streustrahlung
zu minimieren, ist in diesem Beispiel ein zusätzlicher
Reflektor 16 im Bereich der Ausnehmung 9 um den
Lichtwellenleiter 1 angeordnet. Ein unerwünschter
Streustrahl A, der vom Diodenlaser kommend nicht in den Lichtwellenleiter 1 eintritt,
wird an diesem Reflektor 16 reflektiert, so dass er den
Einkoppelbereich nicht zusätzlich aufheizen kann. In der
Figur sind weiterhin ein in den Mantel eingekoppelter Mantelstrahl
B sowie ein in den Kern eingekoppelter Kernstrahl C angedeutet.
Während der Kernstrahl C die gewünschte Einkopplung der
Laserstrahlung im Lichtwellenleiter darstellt, ist der Mantelstrahl
B unerwünscht. Durch die Metallisierung 15 wird
er jedoch in diesem Bereich absorbiert, so dass der Lichtwellenleiter
im weiteren Verlauf frei von Mantelstrahlung ist.
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Vorzugsweise
hat der Grundkörper 14 mit seiner in der Figur
mit dem Bezugszeichen 17 bezeichneten unteren Fläche
Kontakt zu einer Wärmesenke, durch die die Wärme
schnell vom Grundkörper 14 abgeführt
werden kann. Bei einer Einkopplung von Laserstrahlung von einem
Diodenlasermodul kann dessen Wärmesenke gleichzeitig als
Wärmesenke für den Grundkörper genutzt
werden. Selbstverständlich sind auch Ausgestaltungen möglich,
bei denen der Kontakt zur Wärmesenke zusätzlich
oder alternativ über andere Flächen des Grundkörpers
erfolgt.
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Bei
einer derartigen Koppelanordnung bewirkt die metallische Beschichtung
eine effiziente Absorption der Strahlung im Mantel. Ein besonderer Vorteil
der Metallisierung besteht in einer Wärmespreizung, da
die Metallisierung einen auftreffenden Lichtstrahl nur zum Teil
absorbiert und zum Teil auch reflektiert. Der Lichtstrahl wird somit
vor seiner vollständigen Absorption mehrfach im Lichtwellenleiter an
der Metallisierung reflektiert, so dass sich die durch die jeweilige
Teilabsorption erzeugte Wärme über einen größeren
Bereich entlang des Lichtwellenleiters verteilt. Ein weiterer Vorteil
der metallischen Beschichtung besteht darin, dass diese Funktion
der Absorption in Verbindung mit einer hohen thermischen Beständigkeit,
einer guten Wärmeleitfähigkeit und einer einfachen
thermischen Anbindung an den Grundkörper steht. Eine derartige
Metallisierung lässt sich zudem kostengünstig
realisieren.
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- 1
- Lichtwellenleiter
- 2
- Schutzummantelung
- 3
- Jacket
- 4
- Ferrule
mit Mikrobohrung
- 5
- Übergangsstück
- 6
- Überwurfmutter
- 7
- Kleber
- 8
- polierte
Facette
- 9
- Ausnehmung
mit Luft
- 10
- freies
Faserende
- 11
- Kern
- 12
- Mantel
- 13
- Durchführung
- 14
- Grundkörper
- 15
- Metallisierung
- 16
- Reflektor
- 17
- Fläche
für Anbindung an Wärmesenke
- A
- Streustrahl
- B
- Mantelstrahl
- C
- Kernstrahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5619602
A [0006]
- - EP 0910810 B1 [0007]
- - US 4575181 A [0008]