Tutorial: Passive Faseroptik

Dies ist Teil 8 eines Tutorials über passive Faseroptik von Dr. Paschotta.

Teil 8: Faserkoppler und Splitter

Beim Einsatz von Faseroptik benötigt man häufig Faserkoppler für verschiedene Zwecke. Einige Beispiele:

• Ein Koppler kann als Splitter verwendet werden, um beispielsweise einen Teil des im Resonator eines Faserlasers umlaufenden Lichts auszukoppeln. Für solche Zwecke werden üblicherweise direktionale 2×2-Koppler eingesetzt (siehe Abbildung 1).
• Dieselbe Art von Bauelement ist in Faser-Interferometern nützlich, auch zum Kombinieren zweier Eingänge. (Beachten Sie, dass dabei Polarisationsaspekte auftreten können.)
• Dichroitische Koppler können eingesetzt werden, um einen Pump- und einen Signaleingang für einen Faserverstärker zusammenzuführen, oder um nach dem Verstärker das restliche Pumplicht zu entfernen.
• Für Hochleistungs-Faserlaser und -verstärker benötigt man oft Pumpkoppler mit mehreren Eingängen, welche die Ausgänge mehrerer Hochleistungs-Diodenbarren zusammenführen.

Das häufigste Funktionsprinzip eines direktionalen Faserkopplers ist die Kopplung über evaneszente Wellen in einer Anordnung, bei der zwei Faserkerne einander nahekommen. Ein solches Bauelement kann hergestellt werden, indem man zwei blanke Fasern so erhitzt, dass das Glas zu schmelzen beginnt und die Fasern miteinander verschmelzen. Man kann die Fasern während dieses Vorgangs auch leicht auseinanderziehen. Ein auf diese Weise erhaltenes Brechungsindexprofil ist in Abbildung 2 dargestellt:

Beide Wellenleiter sind einmodige Wellenleiter mit einem super-gaußförmigen Indexprofil. Der Koppelbereich in der Mitte ist nur wenige Millimeter lang. Außerhalb dieses Bereichs ist die Kopplung vernachlässigbar, da sich die Modenfelder wirklich nicht berühren.

Mit numerischer Strahlausbreitung kann man nun prüfen, was geschieht, wenn Licht nur in den oberen linken Eingangsport eingespeist wird:

In dieser speziellen Situation koppelt das Licht nach einer kurzen Strecke zunächst fast vollständig in den unteren Wellenleiter, dann aber wieder zurück in den oberen Wellenleiter, und schließlich verbleibt der größte Teil der Leistung dort. Da die Koppelstärke empfindlich von der Wellenlänge abhängt, kann man für manche anderen Wellenlängen beispielsweise erreichen, dass nahezu die gesamte Leistung zum unteren Ausgangsport übertritt. Die simulierte Wellenlängenabhängigkeit ist in Abbildung 4 dargestellt. Die etwas seltsame Form der Kurve im längerwelligen Bereich rührt von Biegeverlusten der Wellenleiter her, die in diesem Bereich beträchtlich werden.

Wenn die Kopplung schwach gemacht wird (über den Abstand der Wellenleiter), dafür aber über eine größere Länge erfolgen kann, wird die Wellenlängenempfindlichkeit stärker. Umgekehrt erfordern breitbandige Koppler eine starke Kopplung über eine kurze Länge.

Man beachte, dass solche Koppler Richtkoppler sind: Praktisch kein Licht koppelt in die “rückwärtige” Richtung.

Natürlich kann man Licht in beide Eingangsports eines solchen Faserkopplers einspeisen. Die Ausgänge sind dann eine lineare Überlagerung der von den beiden Eingängen verursachten elektrischen Feldamplituden, sofern die optischen Intensitäten nicht hoch genug sind, um nichtlineare optische Effekte hervorzurufen. Besonders bei Faserkopplern aus einmodigen Fasern kann man destruktive Interferenz in einem der Ausgangsports erhalten, wenn zwei kohärente Eingangssignale mit richtig gewählten Leistungen, Polarisationsrichtungen und relativen Phasen eingespeist werden. In einem solchen Fall tritt am anderen Ausgangsport konstruktive Interferenz auf; die Gesamtleistung muss natürlich erhalten bleiben, abgesehen von möglichen parasitären Leistungsverlusten.

Pumpkoppler für Hochleistungs-Faserlaser und -verstärker unterscheiden sich in mancher Hinsicht. Die Eingangs- und Ausgangsfasern sind stark multimodig, mit großen Kernen und hoher numerischer Apertur. Auch die Koppelprinzipien können sich von denen im obigen Beispielfall unterscheiden. Beispielsweise kann man statt der Kopplung über evaneszente Wellen einfach Licht aus kleineren Kernen in einen großen Kern für den Ausgang einspeisen. Leistungsverluste müssen sorgfältig minimiert werden – unter anderem deshalb, weil verlorenes Licht bei hohen Leistungspegeln den Koppler zerstören könnte.

Weiter zu Teil 9: Polarisationsaspekte oder zurück zur Startseite.