Methodology for the fabrication of novel mode selective fiber couplers using fused biconical taper process and UV induced grating structures
Final Report Abstract
Das Forschungsprojekt hatte die Erforschung und den Machbarkeitsnachweis eines gitterunterstützten Glasfaserkopplers zum selektiven Koppeln zwischen einer Einmodenfaser und individuellen Moden einer Vielmodenfaser zum Ziel. Im Rahmen dieses Projektes konnte durch ein maßgeschneidertes Simulationsmodell auf der Basis kommerziell verfügbarer Glasfasern gezeigt werden, dass ein modenselektives Koppeln mit Hilfe von Fasergittern mit geringem Modenübersprechen und hoher Modenselektivität möglich ist. Aufbauend auf den Simulationsergebnissen wurden parallel zwei Prozessketten basierend auf einem Glasfaseranschliff und einem Verschmelzen und Verstrecken von Glasfasern zur Herstellung eines gitterunterstützten Glasfaserkopplers erforscht und miteinander verglichen. Der Anschliffprozess erwies sich dabei aufgrund einer höheren Anzahl an Prozessschritten und hohem Justageaufwand resultierend in höheren Prozessdauern im Vergleich zum Schmelzzugprozess als aufwendiger. Darüber hinaus verfügen die Anschliffkoppler über eine geringere Langzeitstabilität als die Schmelzkoppler. Überlegen ist der Anschliffprozess dem Schmelzzugprozess in den Punkten Reproduzierbarkeit und Annäherung der Faserkernabstände, wobei kleine Kernabstände höhere Koppelraten ermöglichen. Das Einbringen der Fasergitter in den Faserkern der Einmodenfaser erwies sich beim Schmelzkoppler als besser realisierbar, da hier eine Echtzeitprozessüberwachung möglich ist, die beim Anschliffprozess nur indirekt gegeben ist. Aufgrund der aufwendigeren Fertigung, der schlechteren Prozessüberwachung beim Einschreiben der Fasergitter sowie der hohen Fragilität der Anschliffkoppler wurde die Erforschung eines modenselektiven Glasfaserkopplers auf der Grundlage eines Glasfaserschmelzkopplers fortgeführt. Zur Realisierung eines UV-induzierten Fasergitters in dem Glasfaserkoppler wurde zunächst ein neuartiges Verfahren zum Einschreiben eines langperiodischen Fasergitters in stark Germanium-dotierten Glasfasern mit großer NA entwickelt und in der Fachzeitschrift MDPI Sensors publiziert. Dieses Verfahren bzw. die daraus gewonnen Prozessparameter wurden anschließend auf die Faserkoppler angewendet. Die hergestellten gitterunterstützten modenselektiven Glasfaserkoppler wurden anschließend charakterisiert. Hierfür wurde ein optischer Aufbau entwickelt der eine teil-automatisierte Charakterisierung relevanter Parameter, wie beispielsweise Modenselektivität, Wellenlängenabhängigkeit, Polarisationsabhängigkeit und Modenübersprechen ermöglicht. Eine Weiterentwicklung / Adaptierung dieses Aufbaus könnte in Zukunft ebenfalls für eine Moden Multiplexingbasierte Datenübertragung verwendet werden. Die Charakterisierung der Koppler zeigte, dass eine gitterunterstützte, modenselektive Kopplung mit einem vollständigen glasfaserbasierten Koppler möglich ist. Die erzielte modenselektive Überkopplung war jedoch mit 2,3 % gering. Durch eine Weiterentwicklung des Schmelzzugprozesses hinsichtlich einer stärkeren Annäherung der Faserkerne und besseren Reproduzierbarkeit, z.B. durch Verwendung spezieller Glasfasern, könnte die Koppeleffizienz vermutlich signifikant gesteigert werden. Durch eine Prozessweiterentwicklung könnte so eine wettbewerbsfähige MDM-Technik realisiert werden, welche existierenden vollständig glasfaserbasierten Konzepten hinsichtlich Modenübersprechen und kosteneffizienter Herstellung überlegen sein könnte.
Publications
- Grating assisted mode selective optical waveguide coupler, Proceedings of the International Conference on Applied Optics and Photonics 2016 (German Society of Applied Optics DGAO and International Commission for Optics ICO) and 117th Annual Meeting of the German Society of Applied Optics DGAO, Hannover, Germany, 2016
S. Schlangen, K. Bremer, S. Lochmann, L. Overmeyer, B. Roth
- Grating assisted optical waveguide couplers for Mode Division Multiplexing, Proceeding of CLEO®/Europe-EQEC, 2017
S. Schlangen, K. Bremer, J. Neumann, G. Pelegrina Bonilla, B. Roth, L. Overmeyer
(See online at https://doi.org/10.1109/CLEOE-EQEC.2017.8086970) - Long-Period Gratings in Highly Germanium-Doped, Single-Mode Optical Fibers for Sensing Applications, Sensors 2018, 18(5), 1363, 2018
S. Schlangen, K. Bremer, Y. Zheng, S. Böhm , M. Steinke, F. Wellmann, J. Neumann, B. Roth, L. Overmeyer
(See online at https://doi.org/10.3390/s18051363) - Manufacturing and characterization of asymmetric evanescent field polished fiber couplers for fiber grating assisted mode selective coupling, Proc. SPIE Photonics Europe, Strasbourg, France, 2018
S. Schlangen, K. Bremer, Y. Zheng, A. Isaak, M. Wurz, S. Böhm, F. Wellmann, M. Steinke, G. Pelegrina-Bonilla, J. Neumann, D. Kracht, B. Roth, L. Overmeyer
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2306772) - Mode-selective Polished Fiber Couplers based on Fiber Gratings, Proc. of the Optical Fiber Communication Conference, San Diego, USA, 2018
S. Schlangen, K. Bremer, A. Isaak, M. C. Wurz, G. Pelegrina-Bonilla, J. Neumann, B. Roth, L. Overmeyer
(See online at https://doi.org/10.1364/OFC.2018.Th1K.6)
