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Flexibel und kostengünstigOptische Faserkabel für Laseranwendungen und Spektroskopie Markus Pulka und Jiayu Wang

Die optische Leistung einer Glasfaser hängt nicht nur vom Design der Fa-ser und ihrer inneren Dämpfung ab, sondern auch davon, wie effizient ein Laser- oder Lichtstrahl in die Faser ein-gekoppelt wird.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Laserstrahl zur gewünschten Bearbei­tungsstelle zu bringen. Eine davon ist die Führung über starre Spiegelsysteme und Scanner. Bei Robotern verwendete man vor einigen Jahren eine integrierte Strahlführung durch die Drehachsen zur Roboterhand. Dazu waren mehrere Spiegel notwendig, die justiert, gekühlt und von Verschmutzung freigehalten werden mussten.

Der Einsatz einer flexiblen Glasfaser ist dagegen einfacher, betriebssicherer und kosteneffizienter. Außerdem eig­nen sich Glasfasern sehr gut für viele Anwendungen wie z. B. die Mikrostruk­turierung von Oberflächen. Um indus­trierelevante Flächen zu bearbeiten,

agieren in der Regel mehrere Laserstrah­len parallel. Kostengünstiger ist es dann, den Laserstrahl auf mehrere Fasern auf­zusplitten und so zu den Arbeitsköpfen zu führen. Es wirkt sich auch positiv auf die Kosten aus, den Laserstrahl über verschiedene Fasern zu mehreren Ar­beitsplätzen zu führen, um so die teure Laserquelle effizienter zu nutzen. Des Weiteren erhöht es die Effizienz einer Fertigungsstraße, wenn der Laserstrahl per Faser zum Bearbeitungskopf der Roboterhand gelangt und dann schnell und flexibel einen 3D­Schweißprozess durchführen kann. Eine weitere An­wendung kommt aus dem Hundert­Watt­Bereich: Ein gepulster Laserstrahl schweißt die Elektrode eines Akkus an, wie man ihn bei Handys einsetzt. Auch hier wird der Laserstrahl über ein Faser­kabel an den Bearbeitungsplatz geführt.

Eine weitere Anwendung ist die Prozessüberwachung etwa beim Extru­dieren von Kunststoffen (Abb. 1). Der Farbton eines extrudierten Materials ist ein Indikator für die Änderungen der Prozessparameter, des Materials oder der Materialzuführung. Eine normale

manuelle Probenentnahme und de­ren Prüfung dauert Stunden, in denen unter Umständen schon viel von der Produktion verdorben sein kann. Die kontinuierliche Inline­Farbmessung direkt in der Schmelze an der Ausstoß­zone eines Extruders bietet die Mög­lichkeit, den Gesamtprozess lückenlos zu kontrollieren und bei Abweichungen sofort in den laufenden Prozess einzu­greifen. Das spart deutlich Kosten und lässt eine laufende Prozessoptimierung im Betrieb zu. In der Spektroskopie gehören Glasfaserkabel zur modernen Ausrüstung eines Spektrometers. Sie stellen die Verbindung zwischen dem Spektrometer, den Quellen von Mess­ und Beleuchtungslicht und der Auswer­tetechnik her (Abb. 2). In der Medizin hat die Glasfaser den Lasereinsatz ei­gentlich erst richtig ermöglicht. In der Kommunikationstechnik erlauben die Fasern Übertragungsraten bis in den Terabit­Bereich bei Reichweiten bis zu mehreren hundert Kilometern ohne Zwischenverstärker. Dadurch lassen sich Installations­ und Wartungskosten deutlich senken.

Abb. 1 Eine wichtige Anwendung von Glasfasern ist die Prozessüberwachung etwa beim Extrudieren von Kunststoffen.

Abb. 2 Die Glasfaser stellt die Verbindung zwischen dem Spektrometer, den Quellen von Mess- und Beleuchtungslicht und der Auswertetechnik her.

Fasern und Faseroptiken

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Steckerdesign für minimale Einkoppelverluste

Damit die Glasfasern auch in rauen industriellen Umgebungen zuverläs­sig funktionieren, benötigen sie eine gewisse Robustheit. Die Firma FCC bezieht die Fasern von den Herstellern und nimmt bei deren Auswahl vor allem Einfluss auf die Dicke des Claddings und das Material des Jackets. Die Faser­kabel werden je nach Bedarf individuell konfektioniert und mit flexiblen Schutz­schläuchen oder Metallschläuchen mit Biegebegrenzung ausgestattet. Die ein­gesetzten Fasern werden so gewählt, dass die Dämpfung in der Faser für die Wellenlänge des jeweils verwendeten Lichts beziehungsweise Laserstrahls möglichst gering ist. Damit die Glasfa­ser als Lichtleitfaser funktioniert, hat das Cladding um den eigentlichen Fa­serkern eine niedrigere Brechzahl als der Kern. Dabei gibt es Gradientenin­dexfasern mit einem in radialer Rich­tung abnehmenden Brechungsindex und Stufenfasern mit einer stufenweisen Änderung der Brechzahl.

Um eine gute Übertragungsleistung zu erhalten, muss der Strahl optimal in die Faser einkoppeln. Dafür darf der Fo­kus auf dem Faserkern in der Regel nicht mehr als 85 bis 90 % des Faserkerndurch­messers betragen. Gleichzeitig ist es nö­tig, dass sein Divergenzwinkel kleiner als die numerische Apertur der Faser ist. Dies spielt besonders bei Diodenlasern eine Rolle, die ein viereckiges Strahl­profil besitzen. Für sie sind mittlerweile Spezialfasern mit quadratischem Kern auf dem Markt erhältlich.

Einkoppeln mit hoher LeistungsdichteBeim Einkoppeln wird der Laserstrahl in den Faserkern fokussiert, dabei entsteht auf der Stirnfläche eine hohe Leistungs­dichte. Die Antireflex­(AR)­Beschich­tung dieser Fläche reduziert zwar den Fresnel­Verlust, verträgt aber auch bei großem Kerndurchmesser keine hohe Leistungsdichte. Eine Faserend fläche ohne AR­Beschichtung erlaubt eine grö­ßere Leistung, führt aber gleichzeitig an der Ausgangsseite mehr Wärme in den Stecker ab. Das muss beim Wärmema­nagement berücksichtigt werden.

Ab einem Kilowatt Leistung domi­nieren zurzeit LLK­ und QBH­Faserste­cker mit einer zylindrischen Endkappe aus Quarzglas. Diese Endkappe ist grö­ßer als der Faserkern und wird an die optische Faser gespleißt. Dabei wird der

Laserstrahl auf die Endfläche dieser Quarzkappe fokussiert, wo bei gleicher Laserleistung die Leistungsdichte deut­lich niedriger ist. Bei einer Einkopplung von z. B. 500 W Laserleistung in eine 200 µm Faser verändert eine 3 mm lange Quarzkappe die Energiedichte an der Oberfläche um den Faktor 30 (Abb. 3). Dies ermöglicht den Einsatz von AR­Be­schichtung auch im Kilowattbereich. Die Methode setzt ein robustes und verlust­geringes Spleißen voraus, das eine hohe Zerstörschwelle an der Grenze zwischen Endkappe und Faser gewährleistet.

Bei sehr hohen Leistungen im Ki­lowattbereich benötigt der Stecker zu­sätzlich ein Sicherheitssystem, das die Temperatur und einen möglichen Faserbruch überwacht. Dazu kann es kommen, wenn bei der Anwendung die Faser zu eng gebogen oder zu stark

FCC FibreCableConnect GmbH Berlin-Adlershof

FCC FibreCableConnect GmbH ist ein Technologieunternehmen im Bereich der Photonik mit Sitz in Berlin-Adlershof. Die Spezialdisziplin der FCC sind optische Kabel für die Übertragung von hohen Leistungen in Industrie- und Medizinanwendungen sowie optische Faserbündel für die Spektroskopie. In diesen Bereichen werden Speziallösungen ausschließlich nach Kundenanforderungen von der Entwicklung bis zur Serienproduktion angeboten. Ein weiteres Anwendungsfeld sind optische Koppler für Faser-Faser-Kopplung.

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Die Firma

Abb. 3 Vergleich der Energie dichte an der Ein koppel fläche bei der Faser mit und ohne End kappe.

Lasereinkopplung ohne Quarzkappe

Energiedichte Einkoppelfläche

Laserstrahl

Faser

Lasereinkopplung mit Quarzkappe

Laserstrahl

FaserQuarzkappe

Energiedichte Einkoppelfläche

Abb. 4 Freistehende Faserspitze in der Steckerferrule.

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verdreht wurde. In diesem Fall sinkt die Laserintensität im Stecker auf der Aus­gangsseite, die sich leicht mit einer Pho­todiode oder einem lichtempfindlichem Widerstand detektieren lässt. Ein Inter­lock, der die Konnektivität des Steckers im Gegenstecker überwacht, gewähr­leistet die Verbindungssicherheit.

Verluste können auch beim Ein­koppeln des Lichts in die Faser bzw. beim Verbinden zweier Kabel über eine Steckverbindung auftreten. Um sie zu reduzieren, sollte die Faser möglichst zentrisch in der Ferrule verlaufen. Fer­rulen sind federnd gelagerte, sehr prä­zise zylindrische Hülsen zur Faserauf­nahme, die in den Steckeraufnahmen in direkten Kontakt mit der Faser stehen und eine Einfügedämpfung von 0,1 bis 0,5 dB besitzen. FCC akzeptiert nur To­leranzen zwischen 5 µm und 10 µm bei Multimode­Fasern. In diesem Fall ist der austretende Lichtkegel aus der Faser symmetrisch und es entstehen weder Abbildungsfehler noch Intensitätsver­luste. Bei einer Faserführung, die nicht parallel zur Ferrulenachse verläuft, ist der Lichtkegel beim Austritt unsym­metrisch und es kommt zu Intensitäts­verlusten, Abbildungsfehlern und Ex­zentrizität. Diese Fehler sind besonders bei Anwendungen in der Sensorik und Spektroskopie zu vermeiden.

Die Mehrheit der Steckverbindun­gen in der Telekommunikation sind Stecker­Stecker­Verbindungen. Die verwendeten Stecker müssen eine mög­lichst geringe Signaldämpfung oder Einfügedämpfung und eine hohe Rück­flussdämpfung besitzen. Außerdem ist eine hohe Reproduzierbarkeit dieser Para meter über mehrere hundert Ver­bindungszyklen Voraussetzung. Hier

werden die hauptsächlich aus Metall oder Keramik bestehenden Ferrulen mit der eingeklebten Faser speziell ange­schliffen oder poliert. Heute verwendet man in der Regel PC­Stecker (physical contact) mit einer abgerundeten End­fläche (Radius etwa 10 bis 15 mm), die beim Stecken einen physischen Kontakt der Faserkerne herstellen. Die am häu­figsten verwendeten Steckerarten sind LC (local connector) und SC (subscriber connector). Eine Erhöhung der Port­dichte lässt sich mit Mehrfasersteckern mit MT­Ferrulen (mechanical transfer) erreichen, wie etwa dem MTRJ­, MPO­ und MTP­Stecker. Die Faser ist im Ste­cker als rundes Faserbündel angeordnet oder als Faserband mit mehreren paral­lelen Fasern in 300 µm­Abstand. Auch die Anordnung als Matrix kommt vor, d. h. rechteckig in Reihen übereinan­

der, eventuell mit Lochplatte, in die die Fasern eingeklebt sind. In MT­Ferrulen sind typischerweise 2 (MTRJ) bis 16 (MPO/MTP) Fasern pro Reihe, bei ei­nem Faserabstand von 250 bis 750 µm, untergebracht.

Ab 10 W Leistung muss die Faser­spitze freistehen (Abb. 4) und wird me­chanisch gehalten, damit notfalls kein Kleber brennt. Je höher die Leistung, umso größer müssen der Faserkern und der Stecker sein, damit sie mehr Leis­tungswärme aufnehmen können. Bei hoher Leistung ist die Leistungsdichte beim Einkoppeln in einen kleineren Faserkerndurchmesser höher als bei ei­nem größeren Durchmesser.

Bei der Laseranwendung hat sich eine quasi Standard­Steckverbindung etabliert: SMA (oder FSMA – beide Be­zeichnungen sind üblich). SMA­Stecker

Abb. 5 Je nach Leistung benötigen die Ferrulen unterschiedliche Kühlung: entweder mit Luft (links) oder aktive Kühlung mit Wasser (rechts).

Abb. 6 Anordnung der Fasern in der Sondenspitze als Spalt.

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mit freistehender Faser werden bis etwa 200 Watt verwendet. Bei höheren Leis­tungen hat sich der Stecker LD80 etab­liert. FCC setzt beide Steckertypen ein, jedoch in modifizierter Ausführung. Nur die Abmessungen der Ferrule und der Überwurfmutter bleiben unverän­dert, damit sie in das Gegenstück im Lasergehäuse passen. Den Rest des Ste­ckers, also das Material, die Außenmasse und die Klemmvorrichtungen für die Faser entwickelt FCC selbst. Die Faser soll im Stecker stress­ und verdrehfrei, aber auch mechanisch sehr stabil, zug­ und reißfest befestigt sein, damit die optischen Eigenschaften gewährleistet bleiben. Außerdem muss ein Stecker die darin entstehende Wärme aufnehmen und abgeben können. Die Steckerferrule besteht ab Laserleistungen von 500 Watt aus gut wärmeleitenden Kupferlegie­rungen, für höhere Leistungen ist eine Wasserkühlung notwendig (Abb. 5).

Das Cladding der Faser besteht genau wie der Faserkern aus Quarz, kann aber, um den Brechungsindex zu verändern, mit Zusätzen dotiert werden. Der Bre­chungsindex des Faserkerns liegt über dem des Claddings, damit die Moden im Kern laufen. Wenn der Laserstrahl nicht nur in den Kern, sondern auch in das Cladding einkoppelt, werden die Mo­den auch im Cladding geführt. Um diese aus dem Cladding wieder zu entfernen, hat FCC in seine Stecker das so genannte Mode­Stripping eingebaut. Dieser Mo­den­Stripper (Moden­Abstreifer) ent­

zieht über eine bestimmte Länge die Mantelmoden und sorgt dafür, dass das Strahlprofil am Faserausgang optimal aussieht. Die abgezogenen Mantelmo­den werden im Steckerkörper in Wärme umgewandelt. Wird der Stecker in die­sem Fall nicht ausreichend gekühlt, kann die Faser im Stecker abbrennen.

In der Spektroskopie verwendet man für ein Faserbündel spezielle, mit Poly­imiden beschichtete Fasern. Diese Poly­imid­Schicht ist nur wenige Mikrometer dick und muss bei der Herstellung eines Faserbündels nicht abgezogen werden, weil sie den Abstand der Fasern im Bün­del nur geringfügig vergrößert. Gleich­zeitig stabilisiert sie die Faser. Außer den SMA­Steckern werden auch FC/PC­Stecker verwendet. In den Steckern sind mehrere Fasern als Faserbündel verklebt, teilweise hochtemperaturresis­tent, mit spezieller Faseranordnung als Spalt (Abb. 6) oder Matrix, passend zum Empfänger. Bei den Steckern greift FCC auf das standardmäßige auf dem Markt verfügbare Sortiment zurück. Die Son­denspitzen entwickelt die Firma selbst. Sie müssen je nach Anwendung beson­deren Anforderungen standhalten und haben dann jeweils eine andere Geome­trie beziehungsweise Abmessung.

[1] F. Eker: Inline Process Monitoring, ColVisTec AG 1, 2013

DOI: 10.1002/opph.201300012

Die Autoren

Markus Pulka arbeitete nach dem Abschluss seines Fachhoch-schuldiplomes an der Fachhochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin im Fachbereich

Wirtschaftsinformatik als Business Developer im Bereich der Glasfasertechnik in der Telekommunikationsbranche. Seit 2007 ist er Geschäftsführer der FCC FibreCableConnect GmbH.

Jiayu Wang studierte Physik und promovier-te an der Universität Bonn im Fachbereich Laserphysik. Er arbei-tet an diodengepump-ten Festkörperlasern und fasergekoppel-ten Diodenlasern.

Zusammen mit der Firma FCC FibreCableConnect GmbH entwickelt Jiayu Wang Hochleistungsfaserkabel.

FCC FibreCableConnect GmbH, Max-Planck-Str. 3, 12489 Berlin-Adlershof, Tel.: +49-30-6392-6362, Fax: +49-30-6392-6363, E-Mail: info@fibrecableconnect.de, www.fibrecableconnect.de