DE60029315T2

DE60029315T2 - Photonische kristallfaser und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE60029315T2
Application number: DE60029315T
Authority: DE
Inventors: Philip St.John Russell; Timothy Adam Birks; Jonathan Cave Knight; Brian Joseph Mangan
Original assignee: NKT Research and Innovation AS
Current assignee: NKT Research and Innovation AS
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2020-04-01
Also published as: PL350990A1; CN1353824A; HK1046037A1; ATE333103T1; EP1166160A1; AU3827400A; PL197264B1; HK1046037B; RU2226705C2; DE60029315D1; NO20014740L; AU763796B2; WO2000060388A1; CA2368778A1; CN1192261C; CA2368778C; NO20014740D0; EP1166160B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine photonische Kristallfaser, ein Verfahren zum Herstellen einer photonischen Kristallfaser und ein Verfahren zum Übertragen von Licht über eine photonische Kristallfaser.
Zum Übertragen von Licht von einer Stelle zu einer anderen werden optische Fasern verwendet. Normalerweise bestehen optische Fasern aus mehr als einem Material. Mit einem ersten Material wird ein zentraler, lichtübertragender Teil der Faser ausgebildet, der Kern genannt wird. Ein zweites Material umgibt das erste Material und bildet den Teil der Faser, der Mantel genannt wird. Durch innere Totalreflexion an der Grenzfläche Kern/Mantel wird Licht im Kern eingeschlossen. Durch die innere Totalreflexion entstehen im allgemeinen außer den mit den Materialien selbst verbundenen Absorptions- und Streuverlusten keine Verluste. Die herkömmlichen, kommerziellen optischen Niedrigverlustfasern weisen in der Regel eine Struktur mit innerer Totalreflexion auf; eine Einschränkung des Wellenleitungsmechanismusses (den wir als "Indexführung" bezeichnen) ist jedoch, daß der Brechungsindex des Materials für den Kern höher sein muß als der des Materials für den Mantel, um eine innere Totalreflexion zu erhalten. Auch wenn der Mantel Luft ist (mit einem Brechungsindex von etwa eins), muß das Kernmaterial immer noch ein festes Material sein, damit die Faser von Nutzen ist. In der Praxis ist die Verwendung von Luft als Mantelmaterial nicht ratsam, da Luft keinen ausreichenden mechanischen oder optischen Schutz des wellenleitenden Kerns bietet. Herkömmliche optische Fasern bestehen daher aus einem festen oder flüssigen Kernmaterial, das von einem festen Mantel umgeben ist.
Es wurde bereits eine optische Wellenleiterfaser mit einer Struktur vorgestellt, die sich wesentlich von der Struktur der herkömmlichen optischen Fasern unterscheidet. Zur Ausbildung des Faserkerns und des Mantels wird dabei nur ein einziges mikrostrukturiertes Material verwendet. Die Einbringung einer morphologischen Mikrostruktur in die Faser – in der Regel in der Form einer Anordnung von kleinen Löchern, die in der Längsrichtung der Faser verlaufen – verändert die lokalen optischen Eigenschaften der Faser und ermöglicht es, komplizierte Wellenleiterstrukturen mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu entwerfen und herzustellen. Eine photonische Kristallfaser ist ein Beispiel für eine solche Faser.
Bei einer Art der photonischen Kristallfaser bildet eine Faser mit einem periodischen Muster von Luftlöchern im Querschnitt und mit einem einzigen fehlenden Luftloch in der Mitte (einem "Defekt" in der Kristallstruktur) einen verlustarmen optischen Wellenleiter aus einzig und allein Siliziumoxid, der für alle Wellenlängen im Transmissionsfenster des Siliziumoxids eine Monomodenfaser bildet. Der Wellenleitungsmechanismus ist in diesem Fall eng mit dem in herkömmlichen optischen Fasern verbunden und hat die Form einer inneren Totalreflexion an einem Material mit einem kleineren scheinbaren Brechungsindex als dem von reinem Siliziumoxid.
In einer photonischen Kristallfaser mit einer periodischen Anordnung von Luftlöchern wurde auch eine andere Art von Wellenleitung demonstriert. Das Licht bleibt in der Umgebung eines zusätzlichen Luftlochs im Kristallgitter des photonischen Kristalls (d.h. einem Gitterfehler mit "niedrigem Index") gefangen, wenn der photonische Kristall so ausgeführt ist, daß er eine "photonische Bandlücke" aufweist. Eine photonische Bandlücke ist ein Bereich von Parametern – zum Beispiel ein Bereich von Frequenzen oder Wellenvektoren – in dem normalerweise zu erwarten ist, daß sich Licht im Mantelmaterial ausbreitet, wobei es aber aufgrund der Einzelheiten der Mikrostruktur keine Ausbreitungsmoden gibt. In den bis heute vorgeführten Fasern dieser Art (siehe zum Beispiel J. C. Knight, J. Broeng, T. A. Birks und P. St. J. Russel, "Photonic Band Gap Guidance in Optical Fibres", Science 282 1476 (1998)) bleibt das sich längs der Faser ausbreitende Licht in der Umgebung eines Niedrigindexdefekts in einer Faser mit einer wabenförmigen Anordnung von Luftlöchern gefangen, ist jedoch nichtsdestoweniger stark auf die Hochindexphase des mikrostrukturierten Materials beschränkt. Das Licht klingt in Luft ab, so daß sich der beobachtete geführte Modus im Siliziumoxid konzentriert, das das zusätzliche Luftloch im Kern umgibt.
Es wurde zwar bereits die Führung von Licht durch Hohlfasern in der Form von Glaskapillaren demonstriert, solche Anordnungen sind jedoch unvermeidlich sehr undicht.
Die internationale Anmeldung WO 99/00685A beschreibt eine photonische Einmoden-Kristallfaser, deren Führung durch die herkömmlichen Indexführungseigenschaften erfolgt.
In Optics Letter, Bd. 24, Nr. 1 1999, Barkou et al. "Silica-Air Photonic Crystal Fiber Design That Permits Waveguiding By A True Photonic Bandgap Effect" wird eine Faser beschrieben, in der die Führungsmode wieder im Siliziumoxidmaterial konzentriert ist.
Das langfristige Ziel unserer Forschung war die Schaffung einer Bandgap-Wellenleiterfaser, in der das Licht in einem Luftloch oder einem anderen Bereich mit niedrigem Brechungsindex gefangen gehalten wird und ohne wesentliche Verluste durch diesen Bereich mit niedrigem Brechungsindex geführt wird. Bei einer solchen Anordnung können die Verluste vermieden werden, die sich aus dem Faser-Mantelmaterial ergeben. Bis jetzt war jedoch nicht klar, daß dieses Ziel zu erreichen ist.
Erfindungsgemäß wird eine photonische Kristallfaser geschaffen mit einem Bereich mit einem im wesentlichen gleichmäßigen, niedrigen Brechungsindex, der im wesentlichen von einem Mantel umgeben ist, der Bereiche mit höherem Brechungsindex aufweist und der im wesentlichen periodisch ist, wobei die photonische Kristallfaser dadurch gekennzeichnet ist, daß der Bereich mit niedrigerem Brechungsindex eine größte Querabmessung hat, die mindestens das 1,5-fache der einfachen kürzesten Periode des Mantels beträgt, wodurch Licht aufgrund einer photonischen Bandlücke des Mantelmaterials im wesentlichen auf den Bereich mit niedrigerem Brechungsindex begrenzt und mit dieser Begrenzung längs der Faser geführt werden kann.
Wir haben festgestellt, daß durch die Verwendung eines Bereichs mit niedrigerem Brechungsindex, der relativ groß ist, eine Führung im Bereich des niedrigeren Brechungsindex erreicht werden kann, und wir haben eine Faser hergestellt, in der das Licht im wesentlichen in einem hohlen Kern geführt wird, ohne diesen zu verlassen. Der Bereich mit "niedrigerem" Brechungsindex weist einen Brechungsindex auf, dessen Wert kleiner ist als der Brechungsindex im Bereich mit höherem Brechungsindex.
Eine solche Faser weist gegenüber anderen optischen Fasern Vorteile auf; zum Beispiel wird die Leistungsfähigkeit wesentlich weniger durch Wechselwirkungen (absorptiv oder nichtlinear) zwischen dem sich ausbreitenden Licht und dem Material der Faser eingeschränkt. Etwas Licht kann zwar merklich in das Material mit größerem Brechungsindex eindringen, das meiste Licht ist jedoch auf den Bereich mit niedrigerem Brechungsindex begrenzt, der zum Beispiel aus einem Luftloch bestehen kann. Die erfindungsgemäßen Fasern können zum Beispiel in der Telekommunikation, in der Überwachung und Erfassung von Umgebungsbedingungen, bei Hochleistungs-Laserübertragungen, bei der Übertragungen von langen Wellenlängen und in anderen optischen Geräten Verwendung finden.
Die Leistungsgrenze einer Faser wird von nichtlinearen Prozessen in dem Material bestimmt, aus dem die Faser besteht. In einer Faser, in der das Licht in Luft konzentriert ist und sich nur ein kleiner Teil davon im Glas befindet, ist die Leistungsübertragungsfähigkeit viel größer als bei herkömmlichen Fasern.
Eine mögliche Anwendung einer solchen Faser ist die Übertragung einer einzigen Mode ultrahoher Leistung, sogar von Licht, das von Silikaglas stark absorbiert wird, etwa das von einem CO₂-Laser. Die Abgabe von Laserlicht hoher Leistung ist eine andere Anwendungsmöglichkeit, die ebenfalls von der Fähigkeit der Faser zur Übertragung einer viel größeren Leistung als mit einer herkömmlichen Faser Gebrauch macht. Zum Beispiel sind von einem großen Laser 100 W bis 1 kW zu einem Bearbeitungskopf zu übertragen. Hochleistungslaser stellen ein Gebiet mit vielen Anwendungsmöglichkeiten dar, zum Beispiel Hochgeschwindigkeitsdrucken, Laserbearbeiten von Material, und möglicherweise auch die Chirurgie. Faserlaser sind wirkungsvoll und bieten viel Leistung pro kg. Ihre Kompaktheit und die hohe Qualität der Strahlen, die sie erzeugen, machen sie bei allen Arten von tragbaren Lasergeräten sehr attraktiv.
Eine andere Anwendung der erfindungsgemäßen Faser liegt auf dem Gebiet der Telekommunikation. Die Fähigkeit der Faser, hohe Leistungen zu übertragen, ermöglicht es, viel Licht in einen Abschnitt einer Kommunikationsverbindung einzustrahlen. Die Verbindung kann daher länger sein, ohne daß die optische Abschwächung das Signal zu klein für die Erfassung werden läßt. Eine (durch eine Erbiumdotierung) verstärkende Faser kann als Hochleistungsverstärker verwendet werden, der für eine Kette von solchen Verbindungen einen Repeater darstellt.
Eine andere Anwendung kann die Atomführung sein, bei der einzelne Atome den hohlen Kern entlang geführt werden, ohne daß sie auf die Wände treffen, wobei sie durch einen leistungsfähigen Lichtstrahl "getragen" werden.
Ultralange Weglängen von Licht durch Gase in einem einzigen Transversalmodus ergeben viele Möglichkeiten für eine hochauflösende Spektroskopie und Erfassungsanwendungen.
Fresnel-Reflexionen, die in Faservorrichtungen ein Problem sind, bei denen das Licht aus einer Faser herausgeführt und dann nach einer Modulation oder Verstärkung wieder eingeführt wird, sind wegen der geringen Diskontinuität des Brechungsindexes zwischen der äußeren Welt und der Fasermode sehr klein. Möglicherweise werden dadurch erstmals optische Volumengeräte möglich, deren Einführungsverlust nahezu Null ist. Die Stufe im Brechungsindex zwischen einer herkömmlichen Faser und Luft hat immer zur Folge, daß an der Faser-Endfläche etwas Licht reflektiert wird. Dadurch geht nicht nur Licht verloren, unerwünschte Reflexionen können beim Wiedereintritt auch Laserquellen ernsthaft destabilisieren und bewirken, daß optische Verstärker wie Laser oszillieren (ein hochgradig unerwünschtes Ereignis).
Die Führung im Bereich mit niedrigem Brechungsindex ist möglich, da das Material des Fasermantels mit photonischer Bandlücke sich so verhält, daß es in mancher Beziehung einem totalreflektierenden, perfekten Metall unter gewissen Umständen ähnlich ist, wobei dieses Quasi-Metall jedoch im Gegensatz zu realen Metallen bei optischen Frequenzen sehr geringe Verluste aufweist. Das Material mit photonischer Bandlücke verhält sich wie ein Metall, wenn es eine volle zweidimensionale photonische Bandlücke aufweist; das heißt, wenn Licht, das sich mit einer bestimmten Wellenvektorkomponente und mit einer bestimmen Frequenz entlang der Faser ausbreitet, unter allen Azimuthwinkeln Material mit einer Bandlücke sieht. Nur bestimmte Wellenlängenbänder werden eingeschlossen und die Faser entlang geleitet, wobei diese Bänder dem Vorhandensein von vollen zweidimensionalen photonischen Bandlücken im Mantel des photonischen Kristalls entsprechen.
Die Wellenvektorkomponente entlang des Wellenleiters, als Ausbreitungskonstante β bekannt, bestimmt, ob Licht sich in einem Teil des Wellenleiters ausbreitet oder abklingt. Wenn β < kn ist, breitet sich das Licht unter dem Winkel θ zur Achse im Material mit dem Brechungsindex n aus, wobei β = kncosθ ist und k die Vakuum-Wellenkonstante. Wenn β > kn ist, ist θ imaginär, und das Licht klingt ab. Die herkömmliche innere Totalreflexion stellt mit einem Kern mit einem Brechungsindex n₁, der größer ist als der Brechungsindex n₂ des Mantels, sicher, daß es einen Bereich von Werten für β gibt, in dem sich Licht im Kern ausbreitet, während es im Mantel abklingt.
Im Gegensatz dazu kann Licht zwischen zwei dielektrischen Multilagenstapeln in einem Kern mit beliebigem Brechungsindex eingeschlossen werden, wenn die Stapel für einen Bereich von β bei einer gegebenen optischen Frequenz eine photonische Bandlücke aufweisen. Wir identifizierten zwei unterschiedliche Gebiete mit photonischer Bandlückenführung. Im ersten breitet sich das Licht (β < kn₁) in den Lagen mit großem Bre chungsindex n₁ aus und klingt (β > kn₂) in den Lagen mit kleinem Brechungsindex n₂ ab. Die Lagen mit großem Brechungsindex wirken wie einzelne Wellenleiter mit innerer Totalreflexion und unterstützen Bindungsmoden an bestimmten Werten von β = β_m. Ein Resonanztunneln zwischen benachbarten Lagen mit großem Brechungsindex erlaubt das Hindurchtreten von Licht, vorausgesetzt, β liegt in den Durchlaßbändern, die sich um jedes β_m herum öffnen. Die Breite der Durchlaßbänder hängt von der Stärke der Kopplung zwischen den Lagen ab. Zwischen den Durchlaßbändern liegen Bandlücken; wenn eine Kernlage mit hohem Brechungsindex mit einer anderen (möglicherweise kleineren) Breite eine Mode mit einem β innerhalb einer Bandlücke unterstützt, befindet er sich nicht mit den anderen Lagen in Resonanz, und das Austreten von Licht durch Tunneln ist nicht möglich. Die Mode wird daher aufgrund der unterbundenen Tunnelung durch photonische Bandlückenführung strikt geführt.
Im zweiten Gebiet der photonischen Bandlückenführung kann sich das Licht in allen Lagen ausbreiten (β < kn₂). Bandlücken treten unter der Bragg-Bedingung als Folge mehrfacher Streuung und Interferenz auf und führen zu der Bragg-Form der photonischen Bandlückenführung.
Bei beiden Formen der photonischen Bandlückenführung kann der Brechungsindex des Kerns viel freier gewählt werden als bei der Führung durch innere Totalreflexion, da die Bedingungen für photonische Bandlücken nur von den Eigenschaften des Mantelstapels abhängen. Es gibt Führungsmoden mit Modenindizes β/k, die kleiner sind als der "mittlere" Brechungsindex der Stapel (der Fall der Führung mit unterbundener Tunnelung) und auch kleiner als der kleinste Brechungsindex des Stapels (der Fall der Bragg-Führung), so daß sich gegenüber der Führung durch innere Totalreflexion zusätzliche Konstruktionsfreiheiten ergeben und der Einschluß in einen hohlen Kern möglich ist.
Der im wesentlichen periodische Mantel kann eine dreieckige Gitterstruktur aufweisen. Das dreieckige Gitter kann aus Luftlöchern in einer festen Matrix bestehen.
Vorzugsweise bestehen die Bereiche mit höherem Brechungsindex im wesentlichen aus Siliziumoxid. Es kann auch ein anderes Material als Siliziumoxid verwendet werden, einschließlich anderer Silikatgläser und Weichgläser mit anderen Zusammensetzungen. Der Luftanteil in diesem Teil der Faser muß relativ groß sein, um eine ausreichend breite Bandlücke zu erzeugen. Vorteilhaft beträgt der Luftanteil im Mantel mindestens 15 Vol.-%, bezogen auf das Volumen des Mantels. Der Luftanteil kann größer als 30 Vol.-% sein.
Es liegt zwar auch innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, einen Bereich mit niedrigerem Brechungsindex vorzusehen, der eine längliche Querschnittform aufweist, im allgemeinen hat der Bereich jedoch vorzugsweise einen im wesentlichen runden Querschnitt.
Die Faser kann mehr als einen Bereich mit niedrigerem Brechungsindex aufweisen.
Vorzugsweise enthält der Bereich mit niedrigerem Brechungsindex ein Gas oder Vakuum; der Bereich mit niedrigerem Brechungsindex kann sich auf atmosphärischem Druck (oder auch einem höheren Druck) befinden, es kann aber auch ein Bereich mit nied rigem Druck sein. Das Gas ist vorzugsweise Luft. Die Einschränkung des Lichts auf im wesentlichen den Bereich mit niedrigerem Brechungsindex heißt, daß die photonische Kristallfaser Licht mit einer Leistung und/oder bei Wellenlängen übertragen kann, bei der oder denen es nicht möglich ist, Licht mit herkömmlichen Fasern zu übertragen.
In einem im folgenden beschriebenen Beispiel der Erfindung hat der Bereich mit niedrigerem Brechungsindex einen im wesentlichen runden Querschnitt und einen Durchmesser, der etwa das 2,5-fache der kürzesten Periode des Mantels ist. Es können auch größere oder kleinere Durchmesser verwendet werden. Die größte Querabmessung des Bereiches mit niedrigerem Brechungsindex ist wenigstens um das wenigstens 1,5-fache länger und vorzugsweise um wenigstens das 2-fache länger als eine einzelne der kürzesten Periode des Mantels.
Die tatsächlichen Abmessungen des Querschnitts des Bereiches mit niedrigerem Brechungsindex hängen von der/den Wellenlänge(n) des die Faser entlang geleiteten Lichts, der Periode des Mantels und in einigen Fällen vom Brechungsindex des Bereiches mit niedrigerem Brechungsindex ab. In einem im folgenden beschriebenen Beispiel der Erfindung hat der Bereich mit niedrigerem Brechungsindex einen im wesentlichen runden Querschnitt und einen Durchmesser von etwa 15 μm. In der Regel hat vorzugsweise der Bereich mit niedrigerem Brechungsindex eine größte Querabmessung von wenigstens 9 μm und vorzugsweise von wenigstens 12 μm.
Zwischen dem Licht in der geführten Mode und dem Fluid, das den wellenleitenden Kern mit niedrigem Brechungsindex bildet, ist eine starke Wechselwirkung möglich; diese Wechselwirkung kann zum Beispiel beim Erfassen und Überwachen von Gasen ausgenutzt werden. Der Bereich mit niedrigerem Brechungsindex kann ein Material mit nichtlinearer optischer Charakteristik umfassen, so daß durch nichtlineare Vorgänge in dem Bereich mit niedrigerem Brechungsindex Licht erzeugt oder moduliert werden kann.
Nachdem die Größe der Faser festgelegt ist, können die optischen Eigenschaften der Faser genau berechnet werden. Die photonische Bandlücke des periodischen Fasermantels kann sich über einen breiten Frequenzbereich erstrecken; im allgemeinen wird jedoch die Mode nur über einen relativ schmalen Frequenzbereich im Bereich mit niedrigem Brechungsindex geleitet. Die schmalbandige Eigenart der Faser legt nahe, sie als spektrale Filtereinrichtung zu nutzen.
Die erfindungsgemäße photonische Kristallfaser kann alternativ hinsichtlich des Bereichs mit niedrigerem Brechungsindex so definiert werden, daß dieser groß genug ist, um mindestens einen Transversalmodus zu unterstützen. Erfindungsgemäß wird damit eine photonische Kristallfaser geschaffen mit einem Bereich mit einem im wesentlichen gleichmäßigen, niedrigen Brechungsindex, der im wesentlichen von einem Mantel umgeben ist, der Bereiche mit höherem Brechungsindex aufweist und der im wesentlichen periodisch ist, wobei die photonische Kristallfaser dadurch gekennzeichnet ist, daß der Bereich mit niedrigerem Brechungsindex groß genug ist, um mindestens einen Transversalmodus zu unterstützen.
Vorzugsweise ist die photonische Kristallfaser eine Einmodenfaser.
Es ist eine Vielzahl von optischen Geräten mit einer erfindungsgemäßen photonischen Kristallfaser denkbar. Wie erwähnt kann ein solches Gerät zum Beispiel einen Sensor zum Erfassen einer Eigenschaft des Gases, aus dem der Bereich mit niedrigerem Brechungsindex besteht, umfassen, oder eine Spektralfiltereinrichtung. Andere Geräte mit einer solchen Faser können einen optischen Verstärker oder einen Laser umfassen.
In der Telekommunikationsindustrie werden oft optische Fasern verwendet. Ein Telekommunikationssystem kann eine erfindungsgemäße photonische Faser umfassen und Teil eines Telekommunikationsnetzwerks sein.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer photonischen Faser mit den folgenden Schritten geschaffen:

(a) Ausbilden eines Stapels von Stäben, wobei der Stapel mindestens einen abgeschnittenen Stab enthält, der in dem Stapel einen Hohlraum festlegt; und
(b) Ziehen des Stapels zu einer Faser mit einem länglichen Hohlraum.

Diese Vorgehensweise stellt eine Modifikation des bekannten Herstellungsverfahrens für photonische Kristallfasern dar; bei dem bekannten Prozeß gibt es keine abgeschnittenen Stäbe im Stapel. Wenn jedoch aus der Mitte eines solchen Stapels Stäbe entfernt werden und insbesondere wenn zwei oder mehr nebeneinanderliegende Stäbe entfernt werden, ist der sich ergebende Rohling nicht mehr stabil und selbsttragend. Auch das Entfernen nur eines Stabes kann zu einem Problem führen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Stababschnitte oder Stabbündel an den entgegengesetzten Enden des Stapels in diesen eingebettet, die eine Form und Größe haben, wie es für die endgültige Öffnung erforderlich ist. Diese eingebetteten Stäbe weisen eine solche Länge auf, daß sie sich in der Mitte des Stapels nicht treffen. Statt dessen bleibt zwischen den Enden des Rohlings ein Abschnitt (der etwa 15 cm lang sein kann), der das erforderliche große Luftloch aufweist. Der Stapel wird an jedem Ende stabil gestützt. Nachdem der (komplette) Rohling (in einem oder mehr Schritten) zu einer Faser ausgezogen wurde, wird nur die Faser aus dem Mittelteil des Rohlings entnommen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine große Vielzahl von Faserstrukturen hergestellt werden, die anders nur schwierig herzustellen sind.
Das Verfahren kann das Ausbilden eines Stapels umfassen, der mehr als einen Hohlraum im Stapel aufweist. Auf diese Weise kann eine Faser mit mehr als einem länglichen Hohlraum ausgebildet werden.
Vorzugsweise weist der Hohlraum eine Querabmessung auf, die größer ist als die entsprechende Querabmessung der Stäbe. Die Querabmessung kann größer sein als die Summe der entsprechenden Abmessungen zweier Stäbe.
Vorzugsweise enthält der Stapel Stäbe solche, die Kapillaren sind, die eine dreieckige Anordnung bilden können. Die Kapillaren können mit Luft oder mit einem von Luft verschiedenen Material gefüllt sein; sie können auch teilweise oder vollständig evakuiert sein. Der Hohlraum kann eine Querschnittfläche aufweisen, die im wesentlichen gleich oder größer ist als die Querschnittfläche eines Bündels aus vier und vorzugsweise eines Bündels aus sieben Stäben.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Übertragen von Licht über eine photonische Kristallfaser geschaffen, wobei die Faser eine Faser wie oben definiert ist.
Beispielhaft wird nun eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch eine optische Faser;
2 einen Teil eines Rohlings für die Herstellung der optischen Faser der 1;
3 eine Rasterelektronenmikrophotographie einer tatsächlichen Faser der schematisch in der 1 gezeigten Art;
4 ein mit einer Faser wie der in der 3 aufgenommenes Emissionsspektrum; und
5 ein weiteres mit einer Faser wie der in der 3 aufgenommenes Emissionsspektrum, wobei das Spektrum in diesem Fall nur für den roten Spektralbereich aufgezeichnet wurde.
In einem Faser-Wellenleiter wie dem der 1 kann Licht in einer Öffnung in einer "Luft-Mode" geleitet werden. Die Faser weist einen Mantel aus einer dreieckigen Anordnung von verschmolzenen, langgestreckten Röhren 1 auf, die aus Siliziumoxid-Kapillaren gezogen wurden und langgestreckte Luftlöcher 2 enthalten. Die Kapillaren haben einen kreisförmigen Querschnitt, so daß sich zwischen den Röhren 1 Zwischenöffnungen 3 ergeben. Die Faser weist in der Mitte auch einen Kern in der Form eines großen Luftlochs 4 auf. Das Luftloch 4 wird bei dem vorliegenden Beispiel wie im folgenden noch beschrieben durch Weglassen eines Bündels aus sieben Kapillaren aus einem Teil des Rohlings für die Faser gebildet und hat daher die Größe von sieben Einheitszellen des Mantelmaterials; das Loch 4 ist somit viel größer als die Löcher 2 in den verschmolzenen Röhren 1 und auch viel größer als die Zwischenöffnungen 3. Es wurde festgestellt, daß Fasern, bei denen nur ein einziger Stab weggelassen wurde, keine Moden im Luftloch führen.
Es ist von Nutzen, sich zu überlegen, warum photonische Kristallfasern mit ähnlichen Mantelparametern, jedoch mit einem Defekt, der durch Weglassen nur einer einzigen Kapillare erzeugt wird, keine Moden führen. Die Anzahl von geführten Moden, die eine herkömmliche Faser unterstützt, wird vom Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel und der Größe des Kerns bestimmt. Dies folgt grundsätzlich aus den Phasenraumargumenten in enger Analogie zu den allgemein bekannten Zustandsdichteberechnungen in der Festkörperphysik und führt zu dem Ergebnis, daß die Anzahl von Raummoden in einer herkömmlichen Faser näherungsweise
ist, wobei r_co der Kernradius, n₁ und n₂ die Brechungsindizes von Kern und Mantel und k der Vakuum-Wellenvektor sind. (Pro Raummode gibt es natürlich zwei Polarisationszustände). In einer photonischen Kristallfaser mit Hohlkern kann für die näherungsweise Anzahl von Raummoden im Hohlkern ein ähnlicher Ausdruck abgeleitet werden:
wobei β_H und β_L die oberen und unteren Ränder der photonischen Bandlücke bei einer festen optischen Wellenlänge sind und der zweite Ausdruck gilt, wenn der obere Rand der photonischen Bandlücke sich über den maximalen Kern-Wellenvektor hinaus erstreckt, d.h. wenn k²n₁ ² < β_H ² ist. Die Theorie zeigt, daß für eine typische dreieckige Anordnung von Luftlöchern in Siliziumoxid die Breite Δβ = β_H – β_L der photonischen Bandlücke ein kleiner Teil ihrer Mittelposition β_av = (β_H + β_L)/2 ist. Zum Beispiel ist mit β_avΛ = 9, ΔβΛ = 0,2 und r_co = Λ/2 für einen einzigen fehlenden Stapelstab (Λ ist der Zwischenlochabstand) die zu erwartende Anzahl von Raummoden gleich 0,23, so daß es unwahrscheinlich ist, daß eine luftgeführte Mode zu sehen ist. Wenn dagegen sieben Stapelstäbe entfernt werden, steigt die Fläche des Hohlkerns um den Faktor 7 an und der Kernradius um den Faktor √7 , und die zu erwartende Anzahl von Raummoden wird zu 1,61. Daraus ergibt sich, daß ein sieben-Stab-Hohlkern wenigstens eine einzige Transversalmode (zwei Polarisationszustände) unterstützt und vielleicht noch eine zweite Transversalmode. Diese Voraussagen stimmen mit unseren Beobachtungen überein, daß Fasern mit einem ein-Stab-Luftloch keine luftgeführten Moden unterstützen, während solche mit einem sieben-Stab-Loch Licht in einer oder zwei Moden führen.
Der Abstand, das Gitter und der Füllanteil des Mantelbereichs werden so gewählt, daß sich eine zweidimensionale photonische Bandlücke ergibt (siehe zum Beispiel T. A. Birks, P. J. Roberts, P. St. J. Russell, D. M. Atkin und T. J. Shepherd, "Full 2-d photonic bandgaps in silica/air structures", Electron. Lett. 31 1941 (1995)). Licht im Loch 4 wird von der photonischen Bandlücke des umgebenden Materials eingeschlossen. Folglich kann sich das Licht nicht vom Faserkern weg ausbreiten, sondern ist darauf beschränkt, im wesentlichen auf den Kern begrenzt als geführte Mode die Faserachse entlang zu laufen.
Bei dem bekannten Herstellungsprozeß für photonische Kristallfasern werden mehrere hundert Stäbe, von denen wenigstens einige Kapillarröhren sein können, zusammengelegt, um im makroskopischen Maßstab die erforderliche Kristallstruktur zu bilden. Die Stäbe haben in der Regel einen Außendurchmesser in der Größenordnung von Millimetern. Der ganze Stapel wird dann zusammengehalten und verschmolzen und in einem optischen Faserziehturm zu einer Faser ausgezogen. Diese Standardprozedur ergibt jedoch keinen Rohling, der stabil oder selbsttragend ist, wenn sich in der Mitte das erforderliche große Luftloch befindet.
Der in der 2 teilweise gezeigte Rohling löst dieses Problem. In den Stapel aus den Stäben 5 werden zwei kurze Abschnitte 6 von Stapelstäben eingebettet. Die kurzen Abschnitte 6 befinden sich an beiden Enden des Rohlings, treffen sich jedoch in der Mitte des Stapels nicht. Statt dessen legen sie einen kurzen Hohlraum 7 fest. Die innersten Stäbe 5, die sonst in den Hohlraum fallen würden, werden daher an beiden Enden auf eine stabile Weise gestützt. Ein Querschnitt in Querrichtung durch den vollständigen Rohling und durch den Hohlraum 7 zeigt daher eine Form, die der des Schemas in der 1 ähnlich ist. Der Rohling wird dann auf die übliche Weise (in einem oder mehreren Schritten) zu einer Faser gezogen. Nach dem Ziehen der Faser wird nur die Faser aus dem Mittelteil des Rohlings verwendet.
Die Faser der 3 wurde mit dieser Technik hergestellt. Es ist zu sehen, daß die strukturelle Integrität des Lochs 4 im Ziehprozeß erhalten bleibt. Allgemein ist die hohe Qualität des Gitters der Faser in der 3 bemerkenswert, der Faserquerschnitt entspricht ziemlich genau dem Schema der 1. Es sind einige Defekte 9 zu sehen, deren Einfluß reicht jedoch nicht aus, eine Luftmodenführung in der Faser zu verhindern.
In einem Beispiel der Erfindung wurde die Faser aus 331 Siliziumoxid-Kapillaren mit jeweils kreisförmigen Querschnitt und einem Außendurchmesser von 0,8 mm sowie einem Innendurchmesser von etwa 0,7 mm gebildet. Die Kapillaren wurden wie unter Bezug zur 2 beschrieben angeordnet, wobei in der Mitte der Anordnung sieben Kapillaren im Mittelteil ihrer Länge weggelassen wurden, um einen Hohlraum von 15 cm Länge zu bilden. Der Rohling wurde dann wie beschrieben zu einer Faser gezogen; die sich ergebende Faser hatte einen Außendurchmesser von 90 μm und ein zentrales Loch mit einem Durchmesser von 15 μm.
Eine erste Beurteilung erfolgte dadurch, daß etwa 3 cm lange Proben vertikal gehalten und von unten mit weißem Licht (einer Wolfram-Halogenlampe) bestrahlt wurden, wobei das durchgelassene Licht mit einem optischen Mikroskop beobachtet wurde. Der zentrale Luftkern war mit einer einzigen Keule farbigen Lichts gefüllt, dessen Querprofil glatt verlief mit einem Scheitelwert in der Mitte und einem Abfall auf sehr kleine Intensitäten an der Glas-Luft-Grenze. Im periodischen Mantel gab es eine erhebliche Menge an weißem Licht, und es war überraschend, wie farblos es im Vergleich mit der im Kern gefangenen Mode erschien. Es wurden unterschiedliche Farben von vakuumgeführten Moden gesehen, die von der Gesamtgröße der Faser und den verwendeten Ziehbedingungen abhingen. Es war manchmal schwierig, die genaue Farbe mit dem Auge festzustellen, sie erschien in manchen Fällen als Mischung aus verschiedenen Farben, z.B. rot und blau. Bei einer geeigneten Anregung mit der Quelle weißen Lichts unterstützten einige Proben eine ähnlich gefärbte Zwei-Keulen-Mode, die wir einer zweiten geführten Mode zuordnen, die in die gleiche Bandlücke fällt wie der erste.
Das Transmissionsspektrum des Luftkerns von Faserabschnitten wurde dadurch gemessen, daß das Mikroskop mittels einer herkömmlichen Multimodenfaser mit einem optischen Spektralanalysator verbunden wurde. Die spektrale Abhängigkeit der Wellenlei tung im Luftloch zeigte, daß es mehrere gut definierte Transmissionsbänder gibt, die das ganze sichtbare Spektrum abdecken und sich bis ins Infrarot erstrecken. Jedes dieser Bänder entspricht einer vollen zweidimensionalen photonischen Bandlücke und steht mit Bragg-Bedingungen höherer Ordnung im Mantel des photonischen Kristalls in Beziehung. Da der Abstand des Kristalls im Vergleich zur Wellenlänge groß ist, sind die photonischen Bandlücken, die für die Führung verantwortlich sind, von hoher Ordnung. In einer Auswahl von Faserabschnitten, die gezeigt hatten, daß sie bei geeigneten Wellenlängen eine geführte Mode unterstützen, wurde diese Mode mit Laserquellen angeregt. In jedem Transmissionsband waren die Verluste über Faserlängen von einigen Zentimetern gering oder Null, während zwischen den Bändern die Verluste viel größer waren, wie es bei der Abwesenheit von photonischen Bandlückeneffekten zu erwarten ist. Die Faserlängen waren durch Fluktuationen in den Faserparametern, die eine Veränderung der Wellenlängen der geführten Moden über die Länge der Faser verursachen, begrenzt. In anderen Fasern, die bei diesen Wellenlängen keine geführten Moden unterstützen, trat das Laserlicht nach einer Ausbreitung von nur einem Bruchteil eines Zentimeters vollständig in den Mantel über.
Das in der Luft geführte Laserlicht bildet im Fernfeld ein stabiles, sich kontinuierlich änderndes einziges Keulenmuster aus. Durch das Einfügen eines Faserabschnitts in einen Arm eines Mach-Zehnder-Interferometers konnten wir bestätigen, daß das durch den Kern gelaufene Laserlicht einen hohen Grad an räumlicher Kohärenz hat, was zu gut sichtbaren Streifen am Ausgang des Interferometers führt. Dies wäre nicht der Fall, wenn im Faserkern viele Wellenleitermoden angeregt würden.
Das optische Transmissionsspektrum der Faser wurde geprüft und ist in den 4 und 5 gezeigt, in denen jeweils die durchgelassene Intensität gegen die Wellenlänge aufgetragen ist. Die in den 4 und 5 gezeigten optischen Transmissionsspektren zeigen, daß die Faser Luftmoden bei einer Anzahl von Wellenlängen unterstützt; es gibt starke Transmissionsmaxima um 490 nm, 610 nm und 810 nm. Es gibt in der 4 auch einen Hinweis auf eine Transmission im Ultraviolett um 440 nm. Es ist anzumerken, daß die Transmissions-Durchlaßbänder im Vergleich mit solchen von herkömmlichen optischen Fasern schmal sind.
Bei dem mit Bezug zu den Zeichnungen beschriebenen erfindungsgemäßen Beispiel ist der Bereich mit niedrigerem Brechungsindex Luft, und die Faser wird durch Ausbilden eines Stapels von Stäben hergestellt, der abgeschnittene Stäbe enthält, um im Stapel einen Hohlraum auszubilden. Es liegt innerhalb des Umfangs der Erfindung, den Hohlraum im Stapel teilweise oder vollständig mit einem von Luft verschiedenen Material und/oder mit einem oder mit mehreren Stäben mit einem niedrigeren Brechungsindex als bei den Stäben für den Mantel zu füllen.
Wenn in dieser Beschreibung ein Bezug auf "Licht" erfolgt, ist dies so zu verstehen, daß die Bezeichnung "Licht" auch elektromagnetische Strahlung mit Frequenzen außerhalb des sichtbaren Spektrums umfaßt.

Claims

Photonische Kristallfaser mit einem Bereich (4) mit im wesentlichen gleichmäßigem, niedrigeren Brechungsindex, der im wesentlichen von einem Mantel (5) umgeben ist, der Bereiche (1) mit höherem Brechungsindex enthält und eine im wesentlichen periodische Struktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (4) mit niedrigerem Brechungsindex eine größte Querabmessung hat, die mindestens das 1,5-fache der einfachen kürzesten Periode des Mantels beträgt, wodurch Licht dank einer photonischen Bandlücke des Mantelmaterials im wesentlichen auf den Bereich (4) mit niedrigerem Brechungsindex begrenzt und mit dieser Begrenzung längs der Faser geführt werden kann.
Photonische Kristallfaser nach Anspruch 1, wobei der Bereich (4) mit niedrigerem Brechungsindex ein Gas oder Vakuum enthält.
Photonische Kristallfaser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die im wesentlichen periodische Struktur (5) eine dreieckige Gitterstruktur hat.
Photonische Kristallfaser nach Anspruch 3, wobei die dreieckige Gitterstruktur Luftlöcher in einer festen Matrix enthält.
Photonische Kristallfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bereiche (1) mit höherem Brechungsindex im wesentlichen aus Siliziumoxid bestehen.
Photonische Kristallfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Luftanteil in dem Mantel (5) mindestens 15 Vol.-%, bezogen auf das Volumen des Mantels, beträgt.
Photonische Kristallfaser nach Anspruch 6, wobei der Bereich (4) mit niedrigerem Brechungsindex Luft enthält.
Photonische Kristallfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bereich (4) mit niedrigerem Brechungsindex ein Niederdruckbereich ist.
Photonische Kristallfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bereich (4) mit niedrigerem Brechungsindex ein Material mit nichtlinearer optischer Charakteristik enthält, so daß durch nichtlineare Vorgänge in dem Bereich mit niedrigerem Brechungsindex Licht erzeugt werden kann.
Photonische Kristallfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (4) mit niedrigerem Brechungsindex groß genug ist, um mindestens einen Transversalmodus zu unterstützen, wobei Licht im wesentlichen auf den Bereich (4) mit niedrigerem Brechungsindex begrenzt werden kann.
Photonische Kristallfaser nach Anspruch 10, die eine Einmodenfaser ist.
Optisches Gerät mit einer photonischen Kristallfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Optisches Gerät nach Anspruch 12 mit einer Spektralfiltereinrichtung.
Optisches Gerät nach Anspruch 12 mit einem optischen Verstärker.
Optisches Gerät nach Anspruch 12 mit einem Laser.
Optisches Gerät nach Anspruch 12 mit einem Sensor zum Erfassen einer Eigenschaft des Gases, aus dem der Bereich (4) mit niedrigerem Brechungsindex besteht.
Telekommunikationssystem mit einer photonischen Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Telekommunikationssystem mit einem optischen Gerät nach einem der Ansprüche 12 bis 16.
Telekommunikationsnetzwerk mit einem Telekommunikationssystem nach Anspruch 17 oder 18.
Verfahren zur Herstellung einer photonischen Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei (a) ein Stapel von Stäben (5, 6) gebildet wird, der mindestens einen abgeschnittenen Stab (6) enthält, der einen Hohlraum (7) in dem Stapel (5, 6) festlegt, und wobei (b) der Stapel zu einer Faser mit einem länglichem Hohlraum (7) gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Hohlraum (7) eine Querabmessung hat, die größer ist als die entsprechende Querabmessung der Stäbe (5).
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Hohlraum (7) eine Querabmessung hat, die größer ist als die Summe der entsprechenden Abmessungen zweier beliebiger Stäbe (5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei der Stapel aus Stäben (5) solche enthält, die Kapillaren sind.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Kapillaren eine dreieckige Anordnung bilden.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Kapillaren mit einem von Luft verschiedenen Material gefüllt sind.
Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 10 und 11, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25.
Verfahren zur Herstellung einer photonischen Kristallfaser, im wesentlichen wie vorliegend anhand der Zeichnungen beschrieben.