Wie lässt sich die Koppeleffizienz von Glasfasern durch Faserlinsen erhöhen?

Seit dem Start unseres neuen Instituts-Blogs im vergangenen Jahr bin ich bereits mehrfach gefragt worden, was in der Kopfgrafik dieses Blogs denn eigentlich zu sehen ist. Die kurze Antwort lautet: Der Bildausschnitt zeigt die Spitze einer sogenannten Faserlinse unter dem Mikroskop. Die lange Antwort möchte ich heute gerne in einem längeren Blogpost zur Erhöhung von Koppeleffizienzen nachreichen.

In der optischen Nachrichtentechnik dominiert ja schon sehr lange die Glasfaser den Markt für Lichtwellenleiter – auch wenn wir bei HarzOptics für viele Anwendungen im Kurzstreckenbereich eher die polymeroptische Faser (POF) als Alternative bevorzugen. Das in der Glasfaser gelenkte Licht muss in der Regel in ein anderes optisches Bauteil – beispielsweise einen Koppler, einen Switch oder einen Empfänger – eingekoppelt werden. Da die Glasfaser meist nicht die gleiche Feldverteilung wie ein beliebiges optisches Bauteil aufweist, kommt es bei der Verbindung zu einem Koppelverlust, d.h. das austretende Licht gelangt nicht vollständig in die Faser. Bis zu 70% des übertragenen Lichts können an solchen Koppelstellen durch Koppelverluste verloren gehen.

In der Praxis werden diese Koppelverluste meist dadurch reduziert, dass eine Linse zwischen Faserende und Bauteil eingebracht wird, die das austretende Licht auf die Eintrittsfläche des Bauteils fokussiert. Bis zu 90% des Koppelverlusts lassen sich durch die richtige Linse wieder ausgleichen. Allerdings verkompliziert sich durch zusätzliche Linsen natürlich der Aufbau einer optischen Übertragungsstrecke – und nicht immer ist der Einsatz einer Linse (beispielsweise aus Platzgründen) überhaupt möglich. In solchen Fällen können Faserlinsen (die teilweise auch als Fasertaper bezeichnet werden) zum Einsatz kommen.

Verschiedene Möglichkeiten der Ankopplung einer Glasfaser an ein Lasermodul – eine Grafik aus unserem Fernlehrgang „Technische Optik“.

Bei einer Faserlinse handelt es sich um eine Glasfaser, deren Ende – auf unterschiedliche Weise – so modifiziert wird, dass es einer Linse ähnelt, wodurch der Lichtaustritt besser fokussiert und so die Notwendigkeit einer ergänzenden Linse umgangen werden kann. Die Koppeleffizienz einer solchen Faserlinse ist signifikant größer als die einer einfachen Faser – und dies ohne zusätzliche Bauteile oder Mehrkosten. Die linsenartige Form einer Faserlinse ist unter dem Mikroskop (wie auch in unserer Kopfgrafik) gut erkennbar.

Eine von HarzOptics nach dem Schmelzverfahren hergestellte Faserlinse unter dem Mikroskop.

Zur Herstellung von Faserlinsen existieren übrigens zwei mögliche Verfahren. Beim einfacheren und kostengünstigeren dieser Verfahren wird die Spitze einer Glasfaser in Gießharz eingetaucht, wodurch sich beim Herausziehen allein durch die Oberflächenkräfte eine halbkugelförmige Linse bildet, die zu einer um rund 30% erhöhten Koppeleffizienz führt. Das aufwändigere – aber eben auch technisch bessere – Verfahren, welches wir hier bei HarzOptics einsetzen, zielt auf die direkte Veränderung des Materials der Glasfaser an sich ab, die etwa durch Nassätzung, mechanisches Schleifen, Anschmelzen oder Laserablation erfolgen kann. Erhitzt man beispielsweise das Ende einer Glasfaser bis zum Schmelzpunkt und zieht es gleichzeitig in die Länge, so formt sich eine semisphärische Linse, mit der die Koppeleffizienz um bis zu 70% erhöht werden kann. Eine sogar noch bessere Koppeleffizienz von über 90% kann durch das Schleifen zweier unterschiedlicher Radien in vertikaler und horizontaler Richtung in das Faserende erzielt werden.

HarzOptics stellt solche Faserlinsen in kleineren Stückzahlen (bis zu einigen Dutzend) bereits seit 2006 her, wobei theoretisch auch größere Mengen möglich wären (bislang aber noch nie angefragt wurden). Alle Kunden, die für ihre Anwendungen spezielle Fasern einsetzen, können ihre Fasern einfach bei uns einsenden und erhalten sie entsprechend modifiziert zurück; es sind also auch individuelle und maßgeschneiderte Faserlinsen möglich. Wer an den technischen Daten der einzelnen Fasern interessiert ist, kann zusätzlich auch unsere Messprotokolle anfordern – wir vermessen die optischen Eigenschaften aller Linsen bei kleineren Chargen vor der Auslieferung per Hand (bei größeren Chargen ziehen wir dann natürlich eine Stichprobe, es sei denn der Kunde benötigt alle Einzelmessungen).