DE102021210825B4

DE102021210825B4 - Optischer wellenleiterabschnitt, vorrichtung für optische anwendungen, spektrometersystem und verfahren zur herstellung eines optischen wellenleiterabschnitts

Info

Publication number: DE102021210825B4
Application number: DE102021210825.3A
Authority: DE
Inventors: Philip Erik Gühlke; Jan Christian Koch; Wolfgang Schippers; Christian Waltermann
Original assignee: Fisens GmbH
Current assignee: Fisens GmbH
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2023-05-25
Anticipated expiration: 2041-09-29
Also published as: DE102021210825A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiterabschnitt, Vorrichtungen für optische Anwendungen, ein Spektrometersystem und ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterabschnitts. Der optische Wellenleiterabschnitt umfasst einen Lichtleiter und eine Vielzahl länglicher Streustrukturen, die in Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse angeordnet sind. Jede längliche Streustruktur hat eine lange Achse und eine kurze Achse, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse ist, die sich in einem Querschnitt des Lichtleiters befindet und einer Richtung entspricht, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist. Die Anordnung länglicher Streustrukturen streut Licht, das den Lichtleiter in Richtung der Lichtausbreitungsachse durchläuft, in verschiedene Richtungen, wobei die länglichen Streustrukturen in den Ebenen so angeordnet und voneinander beabstandet sind, dass eine konstruktive Interferenz in einem ausgewählten Wellenlängenbereich erzielt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Anmeldung betrifft einen optischen Wellenleiterabschnitt, Vorrichtungen für optische Anwendungen, ein Spektrometersystem und ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterabschnitts, und insbesondere einen optischen Wellenleiterabschnitt, der einen Lichtleiter mit einem ersten Brechungsindex und längliche Streustrukturen mit einem zweiten Brechungsindex umfasst.
Hintergrund
Für verschiedene Anwendungen in der Faseroptik und insbesondere in der Sensortechnologie mit Faseroptikbasierten Vorrichtungen ist es wünschenswert, Licht effizient in einen Wellenleiter ein- oder auszukoppeln.
Wellenlängenselektive Reflexion und Lichtkopplung können mit optischen Bragg-Gittern, wie z.B. einem Faser-Bragg-Gitter (FBG), erreicht werden.
Ein FBG ist eine Art verteilter Bragg-Reflektor in einer optischen Faser, der ausgewählte Wellenlängen des Lichts reflektiert und andere durchlässt. Der Aufbau des Bragg-Gitters besteht aus einer periodischen Veränderung des Brechungsindex des Faserkerns, wobei durch ausgewählte Interferenzen ein wellenlängenspezifischer dielektrischer Spiegel entsteht. Ein FBG kann somit als optischer Filter fungieren, der bestimmte Wellenlängen blockiert/reflektiert. Das in einer Faser gebildete Bragg-Gitter belegt üblicherweise ein kleines Segment der Faser mit einer Länge im Bereich von einem Millimeter bis zu mehreren Zentimetern.
Um Licht einer bestimmten Wellenlänge aus dem Wellenleiter auszukoppeln, können optische Faser-Bragg-Gitter verwendet werden, bei denen der Brechungsindex entlang der optischen Achse oder der Lichtausbreitungsachse des Wellenleiters, z.B. einer optischen Faser, nicht gleichmäßig über die Breite der Faser variiert, sondern die Variation des Brechungsindex in einem Winkel zwischen der optischen Achse und einer dazu senkrecht stehenden Achse verläuft. Daher werden solche Gitter als gekippte Faser-Bragg-Gitter bezeichnet. Der Kippwinkel muss ausreichend groß gewählt werden, damit das Licht mit einer Wellenlänge, die die Bragg-Bedingung erfüllt, aus dem Wellenleiter austreten kann. Die resultierende Reflexion ist jedoch polarisationsabhängig, so dass nur das in der Ebene des Gitters linear polarisierte Licht reflektiert wird. Dementsprechend ist ein solches Gitter zwar wellenlängen- und polarisationsselektiv, aber nicht sehr effizient.
Dispersive Streuung von Licht an/in Gittern ist ebenfalls bekannt, aber üblicherweise unerwünscht, da sie zu einer Abschwächung des Lichts beim Durchgang durch den Wellenleiter führt. Besonders starke Verluste durch diffraktive Streuung sind bei Gittern vom Typ II zu beobachten, die mit UV-Lasern hoher Intensität oder Femtosekundenlasern beschrieben werden, die beide oberhalb des Schadensschwellwertes von Glas arbeiten. Zum Beispiel kann ein Femtosekundenlaser verwendet werden, um ein Gitter Punkt für Punkt mit einer Pulsenergie von etwa 0,1 pJ oder mehr und einer Pulsdauer von etwa 100 fs zu schreiben.
Durch eine genauere Untersuchung der Streuung von Gittern kam der Erfinder zu dem Schluss, dass der üblicherweise unerwünschte Streueffekt, der durch Mängel in beschädigten Fasern entsteht, für optische Anwendungen genutzt werden könnte, indem das Gitter gemäß den Anforderungen konstruiert wird, so dass eine Vereinfachung und Miniaturisierung optischer Apparate möglich ist. Dementsprechend wurden Simulationen und Experimente ausgeführt, bei denen Streuzentren in der Größenordnung von oder kleiner als die betrachtete Wellenlänge selektiv in einen Wellenleiter eingebracht wurden und die daraus resultierenden Muster aus Lichtstreuung analysiert wurden.
Da der Effekt, der bei solchen Streuzentren dieser Größe hauptsächlich auftritt, Mie-Streuung ist, die weitgehend isotrop ist und von sich aus keine Vorzugsrichtung erzeugt, ist es eine Herausforderung, ein anisotropes Verhalten des gestreuten Lichts zu erzeugen. Insbesondere ist es daher schwierig, Licht effizient in einen Wellenleiter ein- oder auszukoppeln.
A. RAHNAMA et al. beschreibt ein „2D filament grating array: enabling an efficient, high resolution lens-less all-fiber spectrometer“ in Proceedings of SPIE 11676, Frontiers in Ultrafast Optics: Biomedical, Scientific, and Industrial Applications XXI, 116760Y, 29.03.2021, 1-7. - ISSN doi: 10.1117/12.2581898.
US 2021/0181021 A1 beschreibt eine Vorrichtung für optische Anwendungen, Spektrometersystem und Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.
Zusammenfassung
Ziel ist es daher, einen neuartigen optischen Wellenleiterabschnitt, Vorrichtungen für optische Anwendungen, die einen solchen optischen Wellenleiterabschnitt verwenden, ein Spektrometersystem und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
Dies wird erreicht durch die unabhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Beispiel umfasst ein optischer Wellenleiterabschnitt einen Lichtleiter mit einem ersten Brechungsindex, der konfiguriert ist, um Licht in Richtung einer Lichtausbreitungsachse zu leiten, und einer Vielzahl länglicher Streustrukturen mit einem zweiten Brechungsindex. Die Vielzahl länglicher Streustrukturen ist in mindestens zwei Ebenen parallel zu der Lichtausbreitungsachse angeordnet. Jede längliche Streustruktur hat eine lange Achse und eine kurze Achse, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse ist. Die lange Achse liegt in einem Querschnitt des Lichtleiters und entspricht einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist, so dass Licht, das in Richtung der Lichtausbreitungsachse durch den Lichtleiter läuft, von den länglichen Streustrukturen in verschiedene Richtungen gestreut wird. Insbesondere sind die länglichen Streustrukturen in den mindestens zwei Ebenen so angeordnet und voneinander beabstandet, dass in einer Hauptstreurichtung eine konstruktive Interferenz in einem ausgewählten Wellenlängenbereich erzielt wird. Die Hauptstreurichtung unterscheidet sich von einer Richtung der Lichtausbreitungsachse. Dementsprechend kann ein optischer Wellenleiterabschnitt bereitgestellt werden, der eine effiziente Lichtauskopplung ermöglicht.
Gemäß einem vorteilhaften Beispiel ist die Vielzahl länglicher Streustrukturen in mindestens drei Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse angeordnet. In diesem Fall kann die mittlere Ebene die Lichtausbreitungsachse umfassen. Durch die Erhöhung der Anzahl der Ebenen kann die Intensitätsverteilung des gestreuten Lichts besser definiert werden, so dass die Effizienz weiter verbessert werden kann.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel liegt eine lange Achse einer langgestreckten Streustruktur jeder Ebene im Querschnitt des Lichtleiters. Diese langen Achsen der länglichen Streustrukturen der Ebenen sind im Wesentlichen parallel zueinander. Mit anderen Worten, der Querschnitt umfasst eine lange Achse einer länglichen Streustruktur jeder Ebene und die langen Achsen sind vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Vorzugsweise haben die langen Achsen einen Abstand von einem oder mehreren Vielfachen der Wellenlänge des Lichts zueinander, d.h. einen Abstand, der durch ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge angenähert wird. Dementsprechend wird eine konstruktive Interferenz von Licht eines Wellenlängenbereichs (mit einer gewünschten zentralen Wellenlänge) erreicht und eine Kopplung mit hoher Effizienz außerhalb des optischen Wellenleiters erzielt.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel werden mehrere längliche Streustrukturen mit ihren langen Achsen im Wesentlichen parallel zueinander in jeder Ebene angeordnet. Je mehr Streustrukturen in jeder Ebene in Lichtausbreitungsrichtung bereitgestellt werden, desto mehr Licht wird beeinflusst, das sich in Lichtausbreitungsrichtung ausbreitet, und es kann eine höhere Intensität des gestreuten Lichts erzielt werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel sind die Abstände zwischen den langen Achsen der länglichen Streustrukturen in Richtung der Lichtausbreitungsachse in jeder Ebene gleich groß, d.h. es ist ein periodischer Abstand vorhanden. Dies ermöglicht ein Streugitter, das wellenlängenempfindlich ist und somit Licht unterschiedlicher Wellenlängen in entsprechend unterschiedliche Richtungen aus-/einkoppeln kann.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel liegen die Abstände zwischen den langen Achsen der länglichen Streustrukturen in Richtung der Lichtausbreitungsachse in der Größenordnung von oder kleiner als die lange Achse und/oder größer als die halbe Wellenlänge des Lichts und kleiner als das 1,5-fache der Wellenlänge des Lichts. Zum Beispiel können bei Abständen, die zwischen dem 0,5-0,6-fachen der Wellenlänge liegen, optische Funktionen wie die Fokussierung realisiert werden. Dementsprechend ist der Wellenleiterabschnitt mit der Vielzahl länglicher Streustrukturen nicht auf periodisch angeordnete Strukturen in einer Ebene beschränkt, sondern die Abstände zwischen den Strukturen können so gewählt und gestaltet werden, dass Streuung oder Beugung an den Strukturen zu Interferenzeffekten führt, die optischen Linsenfunktionen entsprechen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel liegt die lange Achse in der Größenordnung von oder größer als das Doppelte der Wellenlänge des im Lichtleiter geführten Lichts und die kurze Achse in der Größenordnung von oder kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Dementsprechend wird viel mehr Licht in einer Hauptstreuebene gestreut, einer Ebene, die durch eine Achse definiert ist, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse und zur Lichtausbreitungsachse steht, z.B. entspricht die lange Achse der Normalen der Hauptstreuebene.
Zum Beispiel wird eine Nebenstreuebene durch die lange Achse und die Lichtausbreitungsachse definiert.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel umfasst jede längliche Streustruktur eine Vielzahl von Streupartikeln. Dementsprechend bilden eine Vielzahl einzelner Streuzentren das resultierende Streumuster der länglichen Streustruktur. Zum Beispiel sind im Volumen der länglichen Streustruktur Streupartikel in der Größenordnung von 100 bis 1000 enthalten, was als ein übergeordnetes Streusystem angesehen werden kann.
Vorzugsweise hat jedes Streupartikel eine Größe in der Größenordnung von oder kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Gemäß diesem Beispiel ist die Mie-Streuung die dominierende Streuung.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel hat jede längliche Streustruktur eine Form, die einem Ellipsoid oder einem Zylinder mit langer und kurzer Achse nahekommt. Dementsprechend lassen sich unterschiedliche Strukturen realisieren, die insgesamt zu ähnlich vorteilhaften Streueffekten führen. Selbstverständlich können auch andere längliche Streustrukturen zwischen der Form eines Ellipsoids und eines Zylinders verwendet werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel ist der Querschnitt des Lichtleiters im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse oder in einem Winkel von kleiner als 90 Grad zur Lichtausbreitungsachse. Dementsprechend kann die Richtung der Streuebene zu einem Detektor oder Sender modifiziert werden, so dass für das aus dem Wellenleiter austretende Licht andere Winkel als 90 Grad gewählt werden können.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel ist eine erste Gruppe von mindestens zwei Ebenen auf einer Seite des Lichtleiters angeordnet und eine zweite Gruppe von mindestens zwei weiteren Ebenen auf der gegenüberliegenden anderen Seite des Lichtleiters, wobei der Abstand zwischen den beiden Gruppen um ein Vielfaches größer ist als die Abstände zwischen den mindestens zwei Ebenen in jeder Gruppe. Da der Intensitätsgradient von Licht, das sich durch einen Wellenleiter ausbreitet, an der Seite des Lichtleiters größer ist als in der Mitte, erfährt das Licht effektiv kleinere Streustrukturen.
Gemäß einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung für optische Anwendungen den optischen Wellenleiterabschnitt eines der obigen Absätze und einen Empfänger, der an einer Seite und außerhalb des optischen Wellenleiterabschnitts angeordnet ist, wobei der Empfänger so angeordnet ist, dass er Licht empfängt, das von der Vielzahl länglicher Streustrukturen in einer Streurichtung gestreut wird, die in einer Hauptstreuebene liegt. Dementsprechend kann eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die es ermöglicht, Licht aus einem optischen Wellenleiterabschnitt effizient auszukoppeln und das Licht an der Seite des Wellenleiterabschnitts unter einem bestimmten Winkel in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse des Wellenleiters zu empfangen.
Gemäß einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung für optische Anwendungen den optischen Wellenleiterabschnitt eines der obigen Absätze und einen an einer Seite und außerhalb des optischen Wellenleiters angeordneten Sender, wobei der Sender so angeordnet ist, dass er Licht an die Vielzahl länglicher Streustrukturen in einer Streurichtung überträgt, die in einer Hauptstreuebene liegt. Die Streurichtung hat einen Streuwinkel in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse. Dementsprechend kann eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die eine effiziente Einkopplung von Licht in einen optischen Wellenleiterabschnitt ermöglicht, indem das Licht auf den Wellenleiter, insbesondere auf den Wellenleiterabschnitt mit der Vielzahl länglicher Streustrukturen in einem bestimmten Winkel in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse des Wellenleiters gesendet wird.
Gemäß einem Beispiel wird ein Spektrometersystem bereitgestellt, das die oben erwähnte Vorrichtung und einen Lichteinkoppler umfasst, wobei das in das Spektrometersystem eingespeiste Licht durch den Lichteinkoppler in den optischen Wellenleiterabschnitt eingekoppelt wird, um das Licht entlang der Lichtausbreitungsachse zu leiten. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Spektrometersystem mit einer geringen Größe realisiert werden.
Gemäß einem Beispiel umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterabschnitts das Bereitstellen eines optischen Wellenleiters, der einen Lichtleiter mit einem ersten Brechungsindex umfasst, der konfiguriert ist zum Leiten von Licht in Richtung einer Lichtausbreitungsachse, und das Fokussieren eines gepulsten Laserstrahls in den Lichtleiter, um eine Vielzahl länglicher Streustrukturen bereitzustellen, die einen zweiten Brechungsindex haben und in mindestens zwei Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse konfiguriert sind und so angeordnet und voneinander getrennt sind, dass konstruktive Interferenz eines ausgewählten Wellenlängenbereichs in einer Hauptstreurichtung erhalten wird. Die Hauptstreurichtung unterscheidet sich von einer Richtung der Lichtausbreitungsachse. Jede längliche Streustruktur ist so hergestellt, dass sie eine lange Achse und eine kurze Achse hat, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse steht. Die lange Achse liegt in einem Querschnitt des Lichtleiters und entspricht einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist, so dass Licht, das in Richtung der Lichtausbreitungsachse durch den Lichtleiter läuft, von den länglichen Streustrukturen in unterschiedliche Richtungen gestreut wird. Dementsprechend wird ein optischer Wellenleiterabschnitt hergestellt, der es ermöglicht, Licht von/zu einem optischen Wellenleiter effizient auszukoppeln und das Licht an/von der Seite des Wellenleiters unter einem bestimmten Winkel in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse des optischen Wellenleiters zu empfangen/zu senden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen offenbart.
Figurenliste

1 illustriert eine Simulation der Lichtintensitätsverteilung durch Streuung an einer länglichen Streustruktur.
2A illustriert eine Simulation der Lichtintensitätsverteilung aus der Streuung an mehreren länglichen Streustrukturen.
2B illustriert eine weitere Simulation der Lichtintensitätsverteilung aus der Streuung an mehreren länglichen Streustrukturen.
2C illustriert eine Simulation mit sphärischen Wellen unter Verwendung von Prinzipien der geometrischen Optik.
2D illustriert in einer Querschnittsansicht einen beispielhaften Wellenleiter, der als optischer Wellenleiterabschnitt verwendet werden kann.
3A illustriert einen Querschnitt eines optischen Wellenleiterabschnitts mit länglicher Streustruktur.
3B illustriert eine Draufsicht auf den optischen Wellenleiterabschnitt von 3A.
4A illustriert einen Querschnitt eines anderen optischen Wellenleiterabschnitts mit länglichen Streustrukturen.
4B illustriert eine Draufsicht auf den anderen optischen Wellenleiterabschnitt aus 4A.
4C illustriert eine Seitenansicht auf einen optischen Wellenleiterabschnitt mit länglicher Streustruktur.
4D illustriert eine Seitenansicht eines anderen optischen Wellenleiterabschnitts mit länglicher Streustruktur.
5A illustriert einen Querschnitt eines anderen optischen Wellenleiterabschnitts mit länglichen Streustrukturen gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
5B illustriert eine Draufsicht auf den anderen optischen Wellenleiterabschnitt aus 5A sowie die Lichtintensitätsverteilung im Wellenleiter.
6A illustriert Elemente einer Vorrichtung für optische Anwendungen gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
6B illustriert Elemente einer Vorrichtung für optische Anwendungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bevorzugte Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die folgende Beschreibung nur Beispiele enthält und nicht als Einschränkung der Erfindung verstanden werden sollte.
Im Folgenden weisen ähnliche oder gleiche Bezugszeichen auf ähnliche oder gleiche Elemente oder Vorgänge hin.
Die Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf einen optischen Wellenleiterabschnitt, der in ein Spektrometersystem oder eine Vorrichtung für optische Anwendungen eingebaut werden kann, wie z.B. ein Faserkoppler zum Einkoppeln von Licht in oder aus einer Faser. Der optische Wellenleiterabschnitt umfasst einen Lichtleiter und eine Vielzahl länglicher Streustrukturen, die in Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse und parallel zueinander angeordnet sind. Jede längliche Streustruktur hat eine lange Achse und eine kurze Achse, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse ist, die sich in einem Querschnitt des Lichtleiters befindet und einer Richtung entspricht, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist. Die Anordnung länglicher Streustrukturen streut Licht, das den Lichtleiter in Richtung der Lichtausbreitungsachse durchläuft, in verschiedene Richtungen, wobei die länglichen Streustrukturen in den Ebenen so angeordnet und voneinander beabstandet sind, dass eine konstruktive Interferenz in einem ausgewählten Wellenlängenbereich erzielt wird.
Das heißt, in den Ausführungsformen wird eine gitterartige Struktur mit Strukturen zur Änderung des Brechungsindexes in einen Abschnitt eines Wellenleiters eingeführt. Die länglichen Streustrukturen sind in einem Querschnitt nebeneinander angeordnet und können auch auf der Lichtausbreitungsachse hintereinander angeordnet sein und ein Material mit einem anderen Brechungsindex als dem des Lichtleiters des Wellenleiters aufweisen, so dass das gestreute Licht unter bestimmten Winkeln in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse des optischen Wellenleiterabschnitts konstruktiv interferiert. Auf diese Weise kann Licht aus dem Wellenleiterabschnitt heraus oder in ihn hinein gekoppelt werden. Die zentrale Achse oder Symmetrieachse eines Wellenleiters, wie z.B. das Zentrum eines Faserkerns einer optischen Faser (optische Achse der Faser), kann als grundlegende Bestimmung der Lichtausbreitungsachse angesehen werden.
1 illustriert eine Simulation der Lichtintensitätsverteilung durch Lichtstreuung an einer länglichen Streustruktur 130 in einem Lichtleiter 110, die im Querschnitt dargestellt ist. Die Simulation der gezeigten länglichen Streustruktur basiert auf 100 zufällig verteilten Streupartikeln, die in der umgebenden ellipsoidartigen Struktur mit den Abmessungen 1000 x 300 x 300 nm enthalten sind. Die Streupartikel haben eine Größe in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts, das im Lichtleiter 110 läuft, oder kleiner, vorzugsweise ein paar hundert Nanometer oder/und ein paar zehn Nanometer. Bei dem Lichtleiter 110 kann es sich um den Kern eines Wellenleiters handeln, beispielsweise um einen Faserkern. Im Falle einer Faser leitet der Faserkern üblicherweise die größten Teile der Lichtintensität, so dass der Mittelpunkt des Kerns der optischen Faser im Wesentlichen die Richtung der Lichtausbreitungsachse bestimmt. Die Intensitätsverteilung in Polarkoordinaten ist schematisch mit dem Bezugszeichen 105 dargestellt.
Anhand der Intensitätsverteilung 105 in der Figur ist leicht zu erkennen, dass das von der länglichen Streustruktur 130 gestreute Licht, das sich im Lichtleiter 110 in eine Richtung in oder aus der Papierebene ausbreitet, stark anisotrop ist. Dies ist etwas überraschend, da die Mie-Streuung der dominierende Effekt bei der Lichtstreuung ist, die sich aus den oben genannten Abmessungen ergibt. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, dass die gezeigte Intensitätsverteilung stark mit der länglich Streustruktur 130 verknüpft ist. Es ist also möglich, Licht aus einem Wellenleiter auszukoppeln, indem man selektiv Streupartikel in der Größenordnung von oder kleiner als die betrachtete Wellenlänge einführt.
Wenn eine große Anzahl solcher Streupartikel in einer ellipsoid- oder zylinderähnlichen Struktur oder einfach einer Struktur mit länglicher Form angeordnet ist, wobei die kurze Achse der Struktur vorzugsweise kleiner ist als die betrachtete Wellenlänge, dann kommt es aus Symmetriegründen zu einer konstruktiven Interferenz von Photonen, die an verschiedenen Streupartikeln senkrecht zur langen Achse abgelenkt werden. Auf diese Weise kann eine bevorzugte, weitgehend wellenlängenunabhängige Streuebene geschaffen werden.
Eine einzelne längliche Streustruktur kann bereits Licht in einer bevorzugten Ebene/Richtung streuen; da die Struktur jedoch dünn ist, ist die Menge an Licht, die ausgekoppelt werden könnte, gering.
Wenn eine Vielzahl solcher länglicher Streustrukturen mit definierten periodischen Entfernungen entlang der Lichtausbreitungsrichtung des Wellenleiters realisiert wird, kann ein Streugitter realisiert werden, das Licht wellenlängenselektiv wie ein Gitter in verschiedene Richtungen auskoppelt. Wenn die länglichen Streustrukturen nicht mit konstantem Abstand, d.h. ohne periodische Entfernungen, realisiert werden, lassen sich optische Abbildungseffekte, wie z.B. die Fokussierung einer bestimmten Wellenlänge an einer bestimmten Position erzielen, worauf weiter unten eingegangen wird.
Alle Wellenlängen eines Wellenlängenbereichs, z.B. von 100 oder 500 nm, haben eine ungefähr gleiche Strahlungswahrscheinlichkeit. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass die Effizienz der Lichteinkopplung oder - auskopplung begrenzt ist. Eine übermäßige Beschädigung des Wellenleiters bei der Herstellung der länglichen Streustrukturen führt zu unerwünschter Absorption und einer Verschlechterung der Abbildungsqualität. Wenn außerdem eine der länglichen Streustrukturen zu breit wird (größer als die Wellenlänge), kommt es bereits innerhalb jeder Struktur zu destruktiven Interferenzen, selbst in der bevorzugten Ebene.
Für eine hohe Effizienz ist der in 1A beschriebene Ansatz nicht ausreichend. Insbesondere wenn es um hochempfindliche Anwendungen wie die Raman-Spektroskopie geht, sind hohe Quanteneffizienzen erforderlich.
In der Spektroskopie werden sogenannte „Blaze“-Gitter verwendet, um eine maximale Effizienz des Gitters für eine bestimmte Wellenlänge zu erreichen. Zu diesem Zweck werden z.B. die Gitterebenen abgeschrägt. Dasselbe könnte in Form eines „gekippten“ Bragg-Gitters innerhalb einer optischen Faser realisiert werden. Aber, wie oben erläutert, ist dies für den vorliegenden Fall nicht sinnvoll, da ein gekipptes Gitter nur einen engen Wellenlängenbereich und auch nur eine Polarisationsrichtung des Lichts auskoppelt. Noch wichtiger ist, dass aus der obigen Simulation in 1 abgeleitet werden kann, dass das Kippen der länglichen Streustruktur, um so etwas wie ein „gekipptes“ Bragg-Gitter zu erreichen, keinen Nutzen bringt, da die beiden resultierenden Richtungen, die bevorzugte Strahlungsrichtung der länglichen Streustruktur und die bevorzugte Richtung gemäß Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel eines gekippten Gitters, nicht in dieselbe Richtung zeigen können.
Um die Lichtintensitätsverteilung und damit die Effizienz der Ein-/Auskopplung von Licht aus/in einen Wellenleiter zu verbessern, sind in 2A mehrere längliche Streustrukturen 230 parallel im Querschnitt des Lichtleiters 210 angeordnet.
Dieses Beispiel zeigt fünf längliche Streustrukturen 230, die jeweils eine Vielzahl von Streupartikeln, wie z.B. 100, umfassen, die zufällig in jeder Struktur 230 angeordnet sind. Jede längliche Streustruktur ist wiederum 1000 x 300 x 300 nm groß, wobei in der Simulation von 2A die Abstände zwischen den länglichen Streustrukturen im gezeigten Querschnitt Vielfache der Wellenlänge sind (x mal die Wellenlänge, wobei x eine ganze Zahl ist); wobei auch eine Entfernung von einer Wellenlänge möglich wäre. Die Wellenlänge des Lichts, das sich durch den Lichtleiter 210 ausbreitet, wurde in der Simulation auf 840 nm festgelegt. Wie in 2A gezeigt, ist die Intensitätsverteilung in Polarkoordinaten 205 in Richtung der langen Achse der länglichen Streustruktur ausgeprägter, d.h. kleiner, und in der anderen Richtung senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung, d.h. in Richtung der Lichtausbreitungsachse, breiter, d.h. stärker.
Die in 2B gezeigte Simulation unterscheidet sich von 2A dadurch, dass die Entfernungen zwischen den länglichen Streustrukturen 230 kleiner gewählt werden als die betrachtete Wellenlänge des Lichts. In diesem Beispiel werden die Entfernungen mit 640 nm gewählt, während das betrachtete Licht wiederum 840 nm beträgt. Der Fachmann versteht, dass die Entfernungen und Wellenlängen in Bezug auf den Brechungsindex des Lichtleiters 210 angegeben sind. Wenn hier von Licht die Rede ist, ist das Licht nicht auf sichtbares Licht beschränkt, sondern die hier beschriebene Technologie ist auch auf ultraviolettes (UV) und infrarotes (IR) Licht anwendbar.
Vergleicht man die 2A und 2B, so wird deutlich, dass die gewünschte anisotrope Intensitätsverteilung nicht einfach mit länglichen Streustrukturen oder durch eine bloße Erhöhung ihrer Anzahl erreicht werden kann.
Um die Strahlungsintensität für einen bestimmten Wellenlängenbereich und/oder eine bestimmte Gitterordnung durch Hinzufügen weiterer länglicher Streustrukturen gezielt zu erhöhen, sollten diese Strukturen parallel zu ihren langen Achsen mit einer für die betrachtete Wellenlänge geeigneten Entfernung angeordnet sein. Mit anderen Worten, die Entfernungen zwischen den Strukturen sollten so gewählt werden, dass die Strukturen zueinander in Resonanz stehen, d.h. dass eine konstruktive Interferenz für eine ausgewählte Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich erzielt wird. Zum Beispiel sollte, wie oben beschrieben, die Entfernung zwischen den langen Achsen zweier länglicher Streustrukturen x mal der betrachteten Wellenlänge gewählt werden, wobei x eine ganze Zahl ist.
2D illustriert eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Wellenleiters 200 mit einem Lichtleiter (Kern) 210 und einem Mantel 240. In der Lichtausbreitungsrichtung ist der Lichtleiter mit einem ersten Brechungsindex, wie z.B. 1,460, durch längliche Streustrukturen 230 mit einem zweiten Brechungsindex, wie z.B. 1,462, unterbrochen. Der in 2C gezeigte Querschnitt zeigt eine Abschnittsstruktur 230, die den Lichtleiter unterbricht, so dass Licht, das sich durch den Lichtleiter 210 ausbreitet, d.h. in oder aus der Ebene, eine Änderung des Brechungsindexes erfährt. Die lange Achse 234 entspricht in der Figur der vertikalen Achse und die kurze Achse 236 entspricht in der Figur der horizontalen Achse. Die längliche Streustruktur 230 ist eine der Vielzahl von Strukturen mit einer Form, die sich einem Ellipsoid in drei Dimensionen annähert (eine Ellipse ist in der zweidimensionalen 2 illustriert), wobei die lange Achse des Ellipsoids vorzugsweise größer als das Doppelte der Wellenlänge des im optischen Wellenleiter geleiteten Lichts ist und die kurze Achse des Ellipsoids in der Größenordnung von (d.h. 1 x Wellenlänge +/-0,5 x Wellenlänge) oder kleiner als die Wellenlänge des Lichts liegt. Gemäß einem bevorzugten Beispiel kann die lange Achse das Dreifache der Wellenlänge oder größer sein und die kurze Achse das Einfache der Wellenlänge oder kleiner.
2C illustriert eine Simulation der oben erläuterten und in den folgenden Ausführungsformen angewandten Streueffekte unter Verwendung von Kugelwellen und den Prinzipien der geometrischen Optik. Gemäß der geometrischen Optik kann die Überlagerung von Kugelwellen, die von den fünf dargestellten Streupartikeln erzeugt werden, z.B. von fünf länglichen Streustrukturen, wie sie in der Draufsicht zu sehen sind, in 2C als Sterne (*) dargestellt, zu den beobachteten richtungs- und wellenlängenabhängigen konstruktiven Interferenzen in bestimmten Winkeln in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse (die horizontale Achse in 2C) führen. Im Allgemeinen tritt die Beugungsstreuung über die Länge eines Gitters auf und es kann mindestens eine Beugungsordnung mit einem bestimmten Beugungswinkel beobachtet werden, der durch die Bragg-Gleichung für die Beugung angenähert werden kann. In einem Wellenleiter, wie z.B. einer optischen Faser, die eine zylindrische Symmetrie aufweist, wird das Licht also in Form eines Kegels um die Lichtausbreitungsachse der Faser als Symmetrieachse mit einem Öffnungswinkel, der dem Beugungswinkel entspricht, emittiert (konstruktive Interferenz wird durch die vier Strahlen im rechten oberen Quadranten bei etwa 80° in 2C dargestellt).
Unter Berücksichtigung der oben genannten Effekte lässt sich ein optischer Wellenleiterabschnitt realisieren, der im Folgenden mit Bezug auf die 3A und 3B näher erläutert wird.
Wie in 2A hat der Lichtleiter 310 der 3A und 3B einen ersten Brechungsindex, der so konfiguriert ist zum Leiten von Licht in Richtung einer Lichtausbreitungsachse (in oder aus der Papierebene) und eine Vielzahl länglicher Streustrukturen 330 mit einem zweiten Brechungsindex. Zum Beispiel liegt der erste Brechungsindex in einem Bereich von 1,458 bis 1,462, vorzugsweise 1,460, und der zweite Brechungsindex der länglichen Streustrukturen liegt in einem Bereich von 1,461 bis 1,465, vorzugsweise 1,462. In jedem Fall sind der erste und der zweite Brechungsindex unterschiedlich und haben zum Beispiel eine Differenz von 0,001 oder 0,002.
Es versteht sich, dass der Brechungsindex jeder länglichen Streustruktur in allen Ausführungsformen ein effektiver Brechungsindex ist, der sich aus einer Vielzahl von Streupartikeln 335 ergibt, die die längliche Streustruktur bilden. Wie oben erläutert, kann jedes Streupartikel eine Größenordnung von oder größer als die Wellenlänge des Lichts haben, vorzugsweise größer als 10nm. Es ist zu beachten, dass die Streupartikel nicht identisch groß sein müssen und aufgrund des bevorzugten Herstellungsprozesses mit einem Laser, der Mikrodefekte im Lichtleiter erzeugt, bereits kleine Abweichungen aufweisen. Bei der Herstellung einer länglichen Streustruktur mit einem Laser, z.B. einem Femtosekundenlaser, ist diese Struktur nicht homogen und mehrere mikroskopische Streupartikel unterschiedlicher Größe führen zu unterschiedlichen Streu- und Beugungseffekten. Dementsprechend kann der Brechungsindex eines streuenden Teils als ein durchschnittlicher Brechungsindex betrachtet werden, der sich aus mehreren verschiedenen mikroskopischen Defekten ergibt, die durch die gepulsten Laserpulse entstehen, die die homogene Struktur des Kerns des Wellenleiters zerstören.
Genauer gesagt, umfasst die längliche Streustruktur 330 eine Vielzahl dieser Streupartikel, vorzugsweise in der Größenordnung von 100 bis 1000 Streupartikeln oder mehr. Diese Streupartikel können zufällig verteilt und in der umgebenden ellipsoidischen oder zylinderförmigen Struktur enthalten sein, zum Beispiel mit Abmessungen von 1000 x 300 x 300nm. Mit anderen Worten, die längliche Streustruktur kann die Form eines Ellipsoids oder Zylinders mit langer und kurzer Achse haben. Dementsprechend sind sehr kleine Variationen des zweiten Brechungsindexes zwischen den Strukturen möglich.
Wie in 2D erläutert, hat jede längliche Streustruktur 330 eine lange Achse und eine kurze Achse, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse ist, wobei die lange Achse in der Größenordnung von oder größer als das Doppelte der Wellenlänge des im Lichtleiter 310 geleiteten Lichts liegt und die kurze Achse in der Größenordnung von oder kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist.
Die Vielzahl länglicher Streustrukturen ist in mindestens zwei parallelen Ebenen angeordnet, die parallel zur Lichtausbreitungsachse liegen. Insbesondere wenn eine gerade Anzahl von Ebenen verwendet wird, muss die Lichtausbreitungsachse nicht mit einer der Ebenen zusammenfallen (oder innerhalb dieser liegen). Bei einer ungeraden Anzahl von Ebenen kann die Lichtausbreitungsachse mit der mittleren Ebene zusammenfallen (oder innerhalb dieser liegen). Jede Ebene kann als eine 2-dimensionale Anordnung länglicher Streustrukturen 330 betrachtet werden, wobei die Ebenen parallel zueinander liegen. Im Allgemeinen liegt eine lange Achse einer länglichen Streustruktur 330 jeder Ebene im Querschnitt des Lichtleiters 310, wobei die langen Achsen der länglichen Streustrukturen der Ebenen im Wesentlichen parallel zueinander sind.
Die länglichen Streustrukturen 330 in den mindestens zwei Ebenen, z.B. fünf Ebenen in 3 oder drei Ebenen in 4, sind so angeordnet und voneinander beabstandet, dass in der Hauptstreurichtung der Hauptstreuebene, die als eine durch die Lichtausbreitungsachse und eine Achse senkrecht zur langen Achse und zur Lichtausbreitungsachse definierte Ebene angesehen werden kann, eine konstruktive Interferenz eines ausgewählten Wellenlängenbereichs erzielt wird. Vorzugsweise ist der Abstand so konfiguriert, dass zwischen diesen langen Achsen desselben Querschnitts eine Entfernung liegt, die ein oder ein Vielfaches der Wellenlänge des Lichts beträgt. Dementsprechend wird eine konstruktive Interferenz von Licht eines Wellenlängenbereichs (mit einer gewünschten zentralen Wellenlänge) erreicht.
Genauer gesagt, liegt die lange Achse einer Streustruktur 330 in einem Querschnitt des Lichtleiters 310 und entspricht einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist. Das heißt, eine längliche Streustruktur 330 jeder Ebene befindet sich im Querschnitt, z.B. fünf in 3A, und die langen Achsen der Streustrukturen im Querschnitt sind parallel zueinander. Zum Beispiel, im Falle von zwei Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse, liegen zwei zueinander parallele lange Achsen im selben Querschnitt; im Falle von drei Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse, liegen drei zueinander parallele lange Achsen im selben Querschnitt; und im Falle von fünf Ebenen in 3, liegen fünf zueinander parallele lange Achsen im selben Querschnitt.
In 3A sind die langen Achsen vertikal, und die Lichtausbreitungsachse liegt in/aus der Ebene, so dass die langen Achsen und die Lichtausbreitungsachse im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen. Das Licht, das sich entlang der Lichtausbreitungsachse, d.h. durch den Lichtleiter 310, ausbreitet, wird von den länglichen Streustrukturen 330 in verschiedene Richtungen gestreut. Wie aus 2A ersichtlich, wird das meiste Licht in eine Hauptstreuebene gestreut, die im Wesentlichen senkrecht zu den langen Achsen (links/rechts in den 2A und 3A) ist und sich in und aus der Papierebene heraus erstreckt. Die Hauptstreuebene kann durch die Lichtausbreitungsachse und eine Achse senkrecht zur langen Achse definiert sein, wobei die Hauptstreurichtung eine Richtung in der Hauptstreuebene ist, die durch die konstruktive Interferenz einer Vielzahl länglicher Streustrukturen in einem Querschnitt definiert ist (siehe Pfeile in den 3B, 4B und 5B).
Außerdem können mehrere längliche Streustrukturen 330 mit ihren langen Achsen parallel zueinander in jeder Ebene angeordnet sein. Zum Beispiel sind in 3B fünf Strukturen in jeder Ebene auf der Lichtausbreitungsachse dargestellt, deren lange Achsen parallel zueinander verlaufen (dies ist in der Draufsicht von 3 nicht optimal zu sehen, so dass auch auf die Seitenansicht in 4C verwiesen wird). In der Praxis können viel mehr Strukturen auf der Lichtausbreitungsachse verwendet werden. Je mehr Querschnitte entlang der Lichtausbreitungsrichtung angeordnet sind, desto höher ist die Intensität des gestreuten Lichts.
Die Entfernungen zwischen den langen Achsen der länglichen Streustrukturen in Richtung der Lichtausbreitungsachse können in jeder Ebene gleich groß sein. In einer anderen Ausführungsform können die Entfernungen zwischen den langen Achsen der länglichen Streustrukturen in Richtung der Lichtausbreitungsachse in der Größenordnung von oder größer als die lange Achse liegen und/oder größer als die halbe Wellenlänge des Lichts und kleiner als das 1,5-fache der Wellenlänge des Lichts sein.
Statt konstanter Entfernungen (Perioden) zwischen länglichen Streustrukturen in Richtung der Lichtausbreitungsachse kann alternative auch eine optische Fokussierungsfunktion für Licht in einer Ausbreitungsrichtung durch Streustrukturen realisiert werden, wenn die Entfernungen unterschiedlich groß sind, z.B. 0,5-0,6 mal die Wellenlänge. Dementsprechend ist der Wellenleiterabschnitt mit der Vielzahl von Strukturen, die ein Gitter bilden, nicht auf periodisch angeordnete Strukturen auf der Lichtausbreitungsachse beschränkt, sondern die Entfernungen können so gewählt und gestaltet werden, dass Streuung oder Beugung zu Interferenzeffekten führt, die optischen Linsenfunktionen entsprechen.
Vorzugsweise werden die Entfernungen zwischen den Streustrukturen und ihre Abmessungen so gewählt, dass das meiste Licht in einer Hauptstreuebene (in den 1 und 2A mit den Bezugszeichen 105 und 205 gekennzeichnet) in einem Winkel zwischen 30 und 150 Grad zur Lichtausbreitungsachse in die Lichtstreurichtung emittiert wird. Zum Beispiel kann sich die Lichtstreurichtung mit einer Beugungsordnung überschneiden, vorzugsweise mit der ersten Beugungsordnung.
In 3B ist eine Hauptstreurichtung in der Hauptstreuebene durch den Pfeil 338 gekennzeichnet. Die durch Pfeil 338 angezeigte Richtung kann eine Hauptstreurichtung einer gewünschten zentralen Wellenlänge eines ausgewählten Wellenlängenbereichs/Bandes sein. Die Hauptstreurichtung, die in der Hauptstreuebene liegt, die durch die Lichtausbreitungsachse und eine Achse senkrecht zur langen Achse definiert ist, ist eine Richtung, in der das meiste Licht aufgrund konstruktiver Interferenz eines ausgewählten Wellenlängenbereichs an den länglichen Streustrukturen im Querschnitt gestreut wird, was zum Beispiel in 3A gezeigt ist. Das von den Streustrukturen 330 gestreute/gebeugte Licht tritt aus dem in 3B gezeigten Wellenleiterabschnitt im Wesentlichen senkrecht aus und fällt auf den Empfänger 350, z.B. einen Detektor mit mehreren Fotodetektorelementen. Es ist also klar, dass die Hauptstreurichtung immer anders ist als die Richtung der Lichtausbreitungsachse. Aufgrund der Reziprozität in der Optik kann der Empfänger auch durch einen Sender ersetzt werden, der Licht in einen optischen Wellenleiterabschnitt sendet, so dass es durch die Streustrukturen im Wellenleiter in den Wellenleiterabschnitt eingekoppelt wird.
Dementsprechend kann ein Sender oder Empfänger in der bevorzugten Streuebene (senkrecht zu den langen Achsen der Streustrukturen) positioniert werden, im Falle des Empfängers z.B. parallel dazu.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Vielzahl länglicher Streustrukturen mit ihren langen Achsen im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse angeordnet ist, wobei die langen Achsen dieser Strukturen parallel zueinander verlaufen. Diese Strukturen sind so zueinander positioniert, dass es zwischen den Strukturen zu einer konstruktiven Interferenz von Licht eines gewünschten Wellenlängenbandes oder einer zentralen Wellenlänge kommt, wenn Licht vom Wellenleiter in Richtung eines Empfängers gestreut (oder von einem Sender auf die Struktur abgestrahlt) wird. Dies geschieht in einer Entfernung zwischen diesen Strukturen, d.h. den Schwerpunkten dieser Strukturen, von ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge.
Viele dieser Querschnitte mit langgestreckten Streustrukturen, die auf der Lichtausbreitungsachse im Wellenleiter hintereinander angeordnet sind, bilden ein optisches Gitter.
In den 4A und 4B ist ein optischer Wellenleiterabschnitt mit dem Lichtleiter 410 illustriert, der im Grunde derselbe ist wie der oben beschriebene Lichtleiter 310. Der Lichtleiter 410 enthält auch längliche Streustrukturen 430 mit Streupartikeln 435 darin. In den Beispielen der 4A und 4B sind jedoch drei Ebenen parallel zueinander und parallel zur Lichtausbreitungsachse dargestellt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der Querschnitt mit drei länglichen Streustrukturen, eine für jede Ebene, nicht senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist, sondern zum Beispiel einen Winkel zwischen 10 und 80 Grad zu dieser Achse aufweist. Das heißt, der Querschnitt des Lichtleiters 310 in den 3A und 3B steht im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse, aber der Querschnitt des Lichtleiters 410 in den 4A und 4B hat einen Winkel von kleiner als 90 Grad zur Lichtausbreitungsachse. Hinsichtlich der weiteren Merkmale und insbesondere der länglichen Streustruktur wird auf die obigen Ausführungen zu den 2 und 3 verwiesen.
4B illustriert eine Draufsicht auf den optischen Wellenleiterabschnitt der 4A, in der die drei Ebenen mit jeweils fünf länglichen Streustrukturen zu sehen sind und die zeigt, dass der Querschnitt so gekippt ist, dass das im Lichtleiter 410 gestreute Licht in einem Winkel von kleiner als 90 Grad gerichtet ist, der durch den Pfeil 438 angezeigt wird. Dieser Winkel erlaubt es, das Licht aus dem Lichtleiter auszukoppeln und auf den Empfänger 450 zu richten. Die durch Pfeil 438 angezeigte Richtung kann eine Hauptstreurichtung einer gewünschten zentralen Wellenlänge eines ausgewählten Wellenlängenbereichs/Bandes sein. Wie oben erläutert, kann der Empfänger durch einen Sender ersetzt werden, um Licht in den Wellenleiter einzukoppeln.
4C illustriert eine Seitenansicht des optischen Wellenleiterabschnitts der 4A und 4B mit denselben länglich streuenden Strukturen. In dieser Figur ist die Lichtausbreitungsachse durch das Bezugszeichen 420 gekennzeichnet, das im Wesentlichen durch die Mitte der länglichen Streustrukturen 430 verläuft. Diese Strukturen sind nur zur Veranschaulichung als feste Strukturen in Schwarz illustriert, enthalten aber, wie oben erläutert, mehrere Streupartikel, die eine heterogene Struktur bilden. Diese Strukturen haben also den oben beschriebenen effektiven Brechungsindex, wobei der Lichtleiter 410 einen anderen Brechungsindex hat, der mit n_K angegeben wird.
Die Entfernungen zwischen den länglichen Streustrukturen in 4C betragen in diesem Beispiel etwa das 0,6-fache der Wellenlänge. Wie bereits erwähnt, können diese Entfernungen, d.h. insbesondere die Entfernungen zwischen den parallelen langen Achsen dieser Strukturen, in der Größenordnung von oder größer als die lange Achse liegen und/oder größer als die halbe Wellenlänge des Lichts und kleiner als das 1,5-fache der Wellenlänge des Lichts sein.
Insbesondere müssen die Entfernungen nicht gleich sein und durch ihre Variation können optische Funktionen wie die Fokussierung realisiert werden. Genauer gesagt kann die Vielzahl der Strukturen 430 ein Beugungsgitter im Lichtleiter 410 des Wellenleiters in Richtung der Lichtausbreitungsachse bilden, wobei das Gitter auch als Abbildungsoptik wirken kann, indem es Licht fokussiert. Dies kann durch Variationen zwischen dem 0,5-0,6-fachen der Wellenlänge realisiert werden. Selbstverständlich ist die optische Funktion, die in der Vielzahl der Strukturen kodiert ist, nicht auf eine fokussierende Linsenfunktion beschränkt.
Mit anderen Worten, die Entfernungen zwischen den Strukturen sind so gewählt, dass in der Hauptstreuebene eine Linsenfunktion durch Interferenz des an der Vielzahl von Strukturen gestreuten Lichts erhalten werden kann, wobei in einem Beispiel die Linsenfunktion einer fokussierenden Linse entspricht, die das an der Vielzahl von Abschnitten gestreute Licht bündelt. Dementsprechend ist eine direkte Abbildung von Licht auf einen Empfänger/Detektor möglich, da durch bestimmte Entfernungen zwischen den Gitterelementen eine asphärische Abbildungsfunktion in den Wellenleiter integriert werden kann.
Dementsprechend ist der Wellenleiterabschnitt mit der Vielzahl länglicher Streustrukturen nicht auf periodisch angeordnete Strukturen beschränkt, sondern die Entfernungen zwischen den Strukturen können so gewählt und konstruiert werden, dass Streuung oder Beugung an den Strukturen zu Interferenzeffekten führt, die optischen Linsenfunktionen entsprechen.
Außerdem zeigt die Illustration in 4C auf der linken und rechten Seite, dass der optische Wellenleiterabschnitt ein Teil eines größeren optischen Wellenleiters sein kann.
Dies wird auch in 4D angedeutet, die eine Seitenansicht eines anderen optischen Wellenleiterabschnitts illustriert, der längliche Streustrukturen 430 enthält. Dieser Wellenleiterabschnitt umfasst außerdem ein Mantelteil 440 mit einem Brechungsindex n_C, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet und um den Lichtleiter 410 angeordnet ist. Dementsprechend kann jeder hier besprochene Wellenleiterabschnitt einen Lichtleiter als Kern und ein Mantelteil haben, das den Lichtleiter umgibt, und Teile jeder Streustruktur von wenigen oder sogar allen länglichen Streustrukturen können in das Mantelteil reichen.
5A illustriert einen Querschnitt eines anderen optischen Wellenleiterabschnitts mit länglichen Streustrukturen gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den anderen Ausführungsformen lediglich dadurch, dass die länglichen Streustrukturen 530 an den Seiten des Lichtleiters 510 angeordnet sind. Zum Beispiel können bei einem Wellenleiter mit Mantelteil Teile der Streustrukturen, die am weitesten vom Zentrum des Lichtleiters entfernt sind, im Mantelteil angeordnet sein.
Zum Beispiel wird eine erste Gruppe 560 von mindestens zwei Ebenen auf einer Seite des Lichtleiters 510 angeordnet und eine zweite Gruppe 565 von mindestens zwei anderen Ebenen auf der gegenüberliegenden anderen Seite des Lichtleiters, wobei der Abstand zwischen den beiden Gruppen um ein Vielfaches größer ist als die Entfernungen zwischen den mindestens zwei Ebenen in jeder Gruppe. Wenn die Entfernung zwischen zwei Streustrukturen 530 einer Gruppe eine Wellenlänge beträgt, ist die Entfernung zwischen den Gruppen (gemessen vom Zentrum der Gruppe) eine Vielzahl ganzer Zahlen der Wellenlänge, z.B. das 6-fache der Wellenlänge. In einem Beispiel kann sich eine Streustruktur 530 jeder Gruppe sogar im Mantelteil befinden.
5B illustriert eine Draufsicht auf den anderen optischen Wellenleiterabschnitt der 5A sowie die Lichtintensitätsverteilung in dem Wellenleiter. Aus der Intensitätsverteilung geht hervor, dass der Intensitätsgradient des Lichts, das sich durch einen Wellenleiter ausbreitet, an den Seiten des Lichtleiters größer ist als in der Mitte, so dass das Licht effektiv auf kleinere Streustrukturen trifft. Die Positionierung der Struktur am Rand des Lichtleiters, wo sich die Intensität des Lichtfeldes deutlich ändert, ist vorteilhaft, da die technische Umsetzung für solch kleine Strukturen, die kurzen Achsen der länglichen Streustrukturen liegen in der Größenordnung der Wellenlänge, z.B. 500nm, schwierig ist. Dies führt zu einer effektiv schmaleren Struktur, da mehr Photonen mit den Streupartikeln auf der Innenseite als auf der Außenseite wechselwirken können.
Daher kann der Sonderfall von nur zwei oder vier länglichen Streustrukturen am Rand des Lichtleiters, an der Stelle des größten Intensitätsgradienten des in einem Wellenleiter geleiteten Lichts, besonders nützlich sein.
Auch in dieser Ausführungsform kann das Licht zum Empfänger 550 ausgekoppelt werden, der durch einen Sender ersetzt werden kann.
6A illustriert Elemente einer Vorrichtung für optische Anwendungen gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. In 6A umfasst die Vorrichtung 600A einen optischen Wellenleiterabschnitt einer der obigen Ausführungsformen mit einem Lichtleiter 610 und optional einem Mantelteil 640 sowie einen Empfänger 650, der in diesem Beispiel als Detektor realisiert ist. Dieser Detektor detektiert Licht, das von den länglichen Streustrukturen 630 gestreut wird. Obwohl diese Strukturen in den 6A und 6B vereinfacht als durchgezogene schwarze Linien dargestellt sind, enthält jede Linie/Struktur tatsächlich mehrere Streupartikel, die eine heterogene Struktur bilden. Um das gestreute Licht zu detektieren, ist der Empfänger 650 auf einer Seite des optischen Wellenleiters angeordnet, so dass er den größten Teil des gestreuten Lichts empfängt, nämlich auf einer Seite in der Hauptstreuebene. Die lange Achse ist im Wesentlichen senkrecht, d.h. normal, zu der Ebene, in der die Empfängereinheit angeordnet ist.
Wie in 6A zu sehen ist, sind drei verschiedene Lichtstreurichtungen in der Hauptstreuebene (der Ebene, zu der die lange Achse senkrecht steht) für verschiedene Wellenlängen dargestellt: die gestrichelte Linie für blaues Licht, die gepunktete Linie für grünes Licht und die durchgezogene Linie für rotes Licht. Die Hauptstreuebene entspricht im Wesentlichen der Ebene, in der die Lichtausbreitungsachse liegt und die senkrecht zur langen Achse der Streustrukturen ist.
In einer Ausführungsform umfasst der Detektor 650 der Vorrichtung 600A Detektorelemente, die in einer Linie angeordnet sind, um das von der Vielzahl der Strukturen 630 in der/den Hauptstreurichtung(en) gestreute Licht zu detektieren, wobei die Linie der Detektorelemente im Wesentlichen parallel zur Lichtausbreitungsachse ist und in der Hauptstreuebene liegt. Zum Beispiel können die Detektorelemente auf der rechten Seite des Detektors in 6A das blaue Licht detektieren, die Detektorelemente in der Mitte das grüne Licht detektieren und die Detektorelemente auf der linken Seite das rote Licht detektieren. Beispiele für einen Detektor mit Detektorelementen sind ein CCD-Chip, eine lineare Diodenanordnung oder ähnliches.
In dem Beispiel der 6A ist die Linie der Detektorelemente im Wesentlichen parallel zur Lichtausbreitungsachse und liegt in der Hauptstreuebene. Insbesondere ist der Detektor 650 auf der rechten Seite des Lichtleiters, z.B. des Faserkerns, positioniert, wenn eine Lichtausbreitungsrichtung von der linken zur rechten Seite des Papiers betrachtet wird.
Es versteht sich, dass der Detektor auch auf der linken Seite (in der durch den Pfeil angezeigten Lichtausbreitungsrichtung) in der gleichen Ebene platziert sein kann. Obwohl das von den Strukturen 630 gestreute und gebeugte Licht in einer symmetrischen Kegelform emittiert wird, bei der die Symmetrieachse des Kegels der Faserkern ist, kann es jedoch von Nachteil sein, den Detektor in Richtung der langen Achse zu positionieren, da dann weniger Licht empfangen werden kann.
In 6B ist die Vorrichtung 600B illustriert, die den gleichen optischen Wellenleiterabschnitt wie die Vorrichtung 600A umfasst, mit dem Unterschied, dass die Empfangseinheit 650 durch den Sender 660 ersetzt wurde. Wie oben erläutert, kann der optische Wellenleiterabschnitt eine optische Faser mit einem Faserkern 610 und einem Mantel 640 sein. Die Strukturen 630 streuen und beugen wiederum Licht, aber in 6B wird das Licht in den Lichtleiter 610 eingekoppelt, da es vom Sender 660, z.B. einer Lichtquelle, außerhalb des Wellenleiters kommt. Eine einzelne Wellenlänge wird durch eine gestrichelte Linie illustriert, die von einem Laser emittiert wird, der ein Beispiel für einen Sender 660 ist.
Der Sender 660 ist auch an einer Seite des optischen Wellenleiters angeordnet. Insbesondere ist der Sender so angeordnet, dass er Licht von der Außenseite des optischen Wellenleiters zu der Vielzahl von Strukturen in einer in der Hauptstreuebene liegenden Streurichtung überträgt. Wie in 6B angedeutet, hat die Streurichtung einen Streuwinkel in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse.
In den Vorrichtungen 600A und 600B wird das Licht lokal an den Änderungen des Brechungsindexes gestreut, die durch die Streustrukturen einschließlich der Streupartikel verursacht werden. Gemäß der geometrischen Optik kann die Überlagerung der von den Streupartikeln erzeugten sphärischen Wellen zu den beobachteten richtungs- und wellenlängenabhängigen konstruktiven Interferenzen in bestimmten Winkeln in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse führen (siehe 2C). Durch Manipulation der Entfernungen zwischen den Strukturen, die im Wesentlichen den „Linien“ eines Gitters entsprechen, können die optischen Eigenschaften der Interferenzen konstruiert werden, wobei die Intensität durch Hinzufügen paralleler Ebenen mit länglichen Streustrukturen erhöht werden kann, um die Effizienz zu verbessern.
Die Strukturen 630 wirken ähnlich wie die Linien eines Gitters, allerdings handelt es sich bei den Strukturen nicht um Linien, sondern vorzugsweise um elliptische oder zylindrische Strukturen, wie z.B. ein Ellipsoid oder einen Zylinder, was zu einer stärkeren Streuung in einer Ebene führt. Die oben genannten Effekte können zum Ein- oder Auskoppeln von Licht in einer bestimmten Streurichtung genutzt werden, wie oben erläutert.
Ein Spektrometersystem umfasst die Vorrichtung 600A und einen Lichteinkoppler, wobei das dem Spektrometersystem zugeführte Licht durch den Lichteinkoppler in den optischen Wellenleiterabschnitt eingekoppelt wird, um das Licht entlang der Lichtausbreitungsachse zu leiten. Der Lichteinkoppler kann ein Koppler sein, der eine optische Faser aufnehmen kann, über die das zu analysierende Licht dem System zugeführt wird, oder er kann einfach eine optische Linse mit einer geeigneten NA sein, um Licht in den Wellenleiterabschnitt einzukoppeln.
In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 600A als Spektrometersystem verwendet werden, in dem ein spezieller Spalt, ein Gitter oder eine abbildende Optik nicht benötigt werden, da der Wellenleiter und sein Lichtleiter als Spalt und die Vielzahl von Streustrukturen als Beugungsgitter fungieren, was den Aufbau des Spektrometersystems weitgehend vereinfacht.
Infolgedessen müssen für ein Spektrometersystem lediglich zwei Teile hergestellt und zueinander angeordnet werden, nämlich der oben erwähnte Wellenleiterabschnitt und ein Detektor. Noch wichtiger ist, dass die Fokuslänge, die Größe des Spektrometers und der Wellenlängenbereich, der analysiert werden soll, frei wählbar sind, was zu viel einfacheren und kleineren Spektrometern führt als in der bisherigen Technik, die komplizierte Fokussierungsoptiken und teure Liniengitter erfordert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterabschnitts bereitgestellt. Dieses Verfahren umfasst das Bereitstellen eines optischen Wellenleiters, der einen Lichtleiter mit einem ersten Brechungsindex umfasst, der konfiguriert ist zum Erzeugen von Licht in Richtung einer Lichtausbreitungsachse, und das Fokussieren eines gepulsten Laserstrahls in den Lichtleiter, um eine Vielzahl länglicher Streustrukturen zu erzeugen, die einen zweiten Brechungsindex aufweisen und in mindestens zwei Ebenen parallel zur Lichtausbreitungsachse angeordnet und voneinander getrennt sind, so dass eine konstruktive Interferenz eines ausgewählten Wellenlängenbereichs in einer Hauptstreurichtung erhalten wird, die sich von der Richtung der Lichtausbreitungsachse unterscheidet. Die längliche Streustruktur wird so hergestellt, dass sie eine lange Achse und eine kurze Achse hat, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse ist, und dass die lange Achse in einem Querschnitt des Lichtleiters liegt und einer Richtung entspricht, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist, so dass Licht, das in Richtung der Lichtausbreitungsachse durch den Lichtleiter läuft, von den länglichen Streustrukturen in verschiedene Richtungen gestreut wird.
Bei der Herstellung der länglichen Streustrukturen mit einem gepulsten Laser, z.B. einem Femtosekundenlaser, sind die Strukturen nicht homogen und mehrere oben beschriebene mikroskopische Streupartikel unterschiedlicher Größe in den Streustrukturen führen zu unterschiedlichen Streu- und Beugungseffekten.
In gleicher Weise kann ein Spektrometersystem auf Grundlage der oben beschriebenen Methode zur Herstellung eines optischen Wellenleiterabschnitts hergestellt werden, wobei zusätzlich ein Empfänger/Detektor sowie ein Lichteinkoppler angeordnet werden.
Wie oben beschrieben, ermöglichen Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung die Ein- und Auskopplung von Licht in/aus einem Wellenleiterabschnitt. Daher kann eine einfache und effiziente Lichtkopplung bereitgestellt werden.
Es wird deutlich, dass die beschriebenen optischen Wellenleiterabschnitte, Vorrichtungen, Spektrometersysteme und -methoden sowie die Konstruktion dieser Erfindung in vielfältiger Weise modifiziert und variiert werden können, ohne vom Umfang oder Geist der Erfindung abzuweichen.
Die Erfindung wurde in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen und Beispiele beschrieben, die in jeder Hinsicht eher illustrativ als einschränkend sein sollen.
Außerdem werden andere Ausführungsformen der Erfindung für den Fachmann aus der Betrachtung der hier offenbaren Beschreibung und Praxis der Erfindung ersichtlich sein. Die Beschreibung und die Beispiele sollen nur als beispielhaft angesehen werden. Zu diesem Zweck ist es zu verstehen, dass erfinderische Aspekte in weniger als allen Merkmalen der zuvor offenbaren Implementierung oder Konfiguration liegen.

Claims

Optischer Wellenleiterabschnitt, umfassend einen Lichtleiter (210, 310, 410, 510) mit einem ersten Brechungsindex, der konfiguriert ist, zum Leiten von Licht in Richtung einer Lichtausbreitungsachse (420), und einer Vielzahl länglicher Streustrukturen (230, 330, 430, 530) mit einem zweiten Brechungsindex; wobei die Vielzahl länglicher Streustrukturen (230, 330, 430, 530) in mindestens zwei Ebenen parallel zu der Lichtausbreitungsachse (420) angeordnet ist; wobei jede längliche Streustruktur eine lange Achse und eine kurze Achse hat, die im Wesentlichen senkrecht zu der langen Achse ist, und wobei die lange Achse in einem Querschnitt des Lichtleiters liegt und einer Richtung entspricht, die im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse ist, so dass Licht, das sich durch den Lichtleiter (210, 310, 410, 510) in Richtung der Lichtausbreitungsachse (420) ausbreitet, von den länglichen Streustrukturen (230, 330, 430, 530) in verschiedene Richtungen gestreut wird, wobei die länglichen Streustrukturen (230, 330, 430, 530) in den mindestens zwei Ebenen so angeordnet und voneinander beabstandet sind, dass eine konstruktive Interferenz eines ausgewählten Wellenlängenbereichs in einer Hauptstreurichtung erhalten wird, die sich von der Richtung der Lichtausbreitungsachse unterscheidet, und wobei eine erste Gruppe von mindestens zwei Ebenen auf einer Seite des Lichtleiters angeordnet ist und eine zweite Gruppe von mindestens zwei anderen Ebenen auf der gegenüberliegenden anderen Seite des Lichtleiters angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen den beiden Gruppen um ein Vielfaches größer ist als die Abstände zwischen den mindestens zwei Ebenen in jeder Gruppe, wobei der Abstand zwischen der Ebene der am nächsten zum Zentrum des Lichtleiters entfernten länglichen Streustruktur der ersten Gruppe und der Ebene der am nächsten zum Zentrum des Lichtleiters entfernten länglichen Streustruktur der zweiten Gruppe größer ist als der Abstand zwischen den mindestens zwei Ebenen in jeder Gruppe.
Optischer Wellenleiterabschnitt nach Anspruch 1, wobei eine lange Achse einer länglichen Streustruktur jeder Ebene im Querschnitt des Lichtleiters liegt, wobei die genannten langen Achsen der länglichen Streustrukturen der Ebenen im Wesentlichen parallel zueinander sind und vorzugsweise einen Abstand von einem oder mehreren Vielfachen der Wellenlänge des Lichts zueinander haben.
Optischer Wellenleiterabschnitt nach Anspruch 1, wobei mehrere längliche Streustrukturen mit ihren langen Achsen im Wesentlichen parallel zueinander in jeder Ebene angeordnet sind.
Wellenleiterabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abstände zwischen den langen Achsen der länglichen Streustrukturen in Richtung der Lichtausbreitungsachse (420) in jeder Ebene gleich sind.
Optischer Wellenleiterabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abstände zwischen den langen Achsen der länglichen Streustrukturen in Richtung der Lichtausbreitungsachse (420) mindestens eines sind von - in der Größenordnung von oder kleiner als die lange Achse, und - größer als die halbe Wellenlänge des Lichts und kleiner als das 1,5-fache der Wellenlänge des Lichts.
Optischer Wellenleiterabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die lange Achse in der Größenordnung von oder größer als das Doppelte der Wellenlänge des im Lichtleiter (210) geleiteten Lichts ist und die kurze Achse in der Größenordnung von oder kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist.
Optischer Wellenleiterabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jede längliche Streustruktur mehrere Streupartikel umfasst, vorzugsweise in der Größenordnung von 100 bis 1000 Streupartikel.
Optischer Wellenleiterabschnitt nach Anspruch 7, wobei jedes Streupartikel eine Größe in der Größenordnung von oder kleiner als die Wellenlänge des Lichts hat.
Optischer Wellenleiterabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede längliche Streustruktur eine Form hat, die einen Ellipsoid oder einen Zylinder mit der langen Achse und der kurzen Achse approximiert.
Optischer Wellenleiterabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Querschnitt des Lichtleiters im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsachse oder in einem Winkel von kleiner als 90 Grad zu der Lichtausbreitungsachse ist.
Eine Vorrichtung für optische Anwendungen, umfassend den optischen Wellenleiterabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, und einen Empfänger, der auf einer Seite des Wellenleiterabschnitts angeordnet ist, wobei der Empfänger so angeordnet ist zum Empfangen von Licht, das von der Vielzahl länglicher Streustrukturen in einer Streurichtung gestreut wird, die in einer Hauptstreuebene liegt.
Eine Vorrichtung für optische Anwendungen, umfassend den optischen Wellenleiterabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, und einen Sender, der auf einer Seite des optischen Wellenleiters angeordnet ist, wobei der Sender so angeordnet ist zum Übertragen von Licht an die Vielzahl länglicher Streustrukturen in einer Hauptstreurichtung, die in einer Hauptstreuebene liegt, wobei die Streurichtung einen Streuwinkel in Bezug auf die Lichtausbreitungsachse aufweist.
Spektrometersystem, umfassend die Vorrichtung nach Anspruch 11 und einen Lichteinkoppler, wobei das dem Spektrometersystem zugeführte Licht durch den Lichteinkoppler in den optischen Wellenleiterabschnitt eingekoppelt wird, um das Licht entlang der Lichtausbreitungsachse zu leiten.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterabschnitts, umfassend Bereitstellen eines optischen Wellenleiters, der einen Lichtleiter mit einem ersten Brechungsindex umfasst, der so konfiguriert ist zum Leiten von Licht in Richtung einer Lichtausbreitungsachse, und Fokussieren eines gepulsten Laserstrahls in den Lichtleiter, um eine Vielzahl länglicher Streustrukturen zu erzeugen, die einen zweiten Brechungsindex aufweisen und in mindestens zwei Ebenen parallel zu der Lichtausbreitungsachse angeordnet sind und so angeordnet und voneinander getrennt sind, dass konstruktive Interferenz eines ausgewählten Wellenlängenbereichs in einer Hauptstreurichtung erhalten wird, die sich von der Richtung der Lichtausbreitungsachse unterscheidet, wobei jede längliche Streustruktur eine lange Achse und eine kurze Achse hat, die im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse ist, und wobei die lange Achse in einem Querschnitt des Lichtleiters liegt und einer Richtung entspricht, die im Wesentlichen senkrecht zu der Lichtausbreitungsachse ist, so dass Licht, das durch den Lichtleiter in Richtung der Lichtausbreitungsachse läuft, von den länglichen Streustrukturen in verschiedene Richtungen gestreut wird, und wobei eine erste Gruppe von mindestens zwei Ebenen auf einer Seite des Lichtleiters angeordnet ist und eine zweite Gruppe von mindestens zwei anderen Ebenen auf der gegenüberliegenden anderen Seite des Lichtleiters angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen den beiden Gruppen um ein Vielfaches größer ist als die Abstände zwischen den mindestens zwei Ebenen in jeder Gruppe, wobei der Abstand zwischen der Ebene der am nächsten zum Zentrum des Lichtleiters entfernten länglichen Streustruktur der ersten Gruppe und der Ebene der am nächsten zum Zentrum des Lichtleiters entfernten länglichen Streustruktur der zweiten Gruppe größer ist als der Abstand zwischen den mindestens zwei Ebenen in jeder Gruppe.