Gitterunterstützter modenselektiver Glasfaser-Richtkoppler zum räumlichen Multiplexen und Demultiplexen

Abstract

Um in der aufkommenden Epoche der Digitalisierung und Industrie 4.0 mit dem rasant ansteigenden Bedarf an Übertragungsbandbreite schritthalten zu können, gewinnt die optische Signalverarbeitung bzw. optische Telekommunikationstechnik in Form von Glasfasernetzwerken eine immer größere Bedeutung. Durch die Anwendung optischer Multiplexing-Verfahren können mehrere Übertragungskanäle simultan über eine Glasfaser genutzt werden. Multiplexing-Verfahren, die gegenwärtig verbreitet eingesetzt werden, basieren primär auf der Nutzung verschiedener Wellenlängen als Übertragungskanäle (Wellenlängen-Multiplexing). Die Übertragungskapazität dieser Form des Multiplexing ist allerdings nahezu erreicht. Um die wachsende Nachfrage an Übertragungsbandbreite bedienen zu können, wird vermehrt an Moden-Multiplexing geforscht. Bei Moden-Multiplexing dient jede Mode einer Vielmodenfaser als individueller Übertragungskanal, wodurch die Übertragungskapazität annähernd proportional zur Anzahl der geführten Moden erhöht wird. Dabei ist jedoch die Bandbreite durch Signalübersprechen limitiert. Um Moden-Multiplexing nutzbar zu machen nimmt die Entwicklung kostengünstiger und leistungsfähiger, modenselektiver Koppler-Elemente auf Basis von Glasfasern eine Schlüsselposition ein. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz eines modenselektiven Glasfaserkopplers auf Basis von Fasergittern simulativ und experimentell erforscht. Der Glasfaserkoppler ermöglicht eine selektive Kopplung zwischen der Grundmode einer Einmodenfaser und einer individuellen Mode einer Vielmodenfaser, indem die Ausbreitungskonstanten der zu koppelnden Moden durch ein Fasergitter, das in den Kern der Einmodenfaser eingebracht wird, aneinander adaptiert werden. Durch geeignete Wahl der Fasergitterperiode kann zwischen verschiedenen Modenkanälen selektiv gekoppelt werden, ohne das (wie bisher) eine Änderung der Glasfaserkoppler-Geometrie nötig ist. Weiterhin deuten Simulationsergebnisse an, dass der gitterunterstützte Ansatz über ein geringeres Signalübersprechen verfügt. Zur experimentellen Umsetzung wurden verschiedene Verfahren zur Herstellung einer geeigneten Koppler-Geometrie evaluiert. Die Herstellung der Fasergitter basiert auf den im Rahmen dieser Arbeit erzielten Simulationsergebnissen und erfolgte UV-induziert unter Anwendung der Amplitudenmasken-Methode. Die anschließende Charakterisierung der Koppler erfolgte mithilfe eines eigens dafür entwickelten messtechnischen Aufbaus. Der Machbarkeitsnachweis wurde durch einen als Schmelzkoppler hergestellten gitterunterstützten Glasfaserkoppler mit Gitterperioden im Bereich einiger hundert Mikrometer erzielt.