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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Übertragungen durch eine optische
Faser und im Besonderen photonische optische Fasern.
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Bei
optischen Fasern wird das Indexprofil im Allgemeinen in Abhängigkeit
vom Verlauf des Graphen der Funktion eingestuft, der den Radius
der Faser mit dem Brechungsindex in Beziehung setzt. Klassischerweise
wird auf den Abszissen die Entfernung r zum Mittelpunkt der Faser
und auf den Ordinaten die Differenz zwischen dem Brechungsindex der
Hülle und
dem Brechungsindex der Faser dargestellt. Man spricht somit von
einem "stufenförmigen", "trapezförmigen" oder "dreieckigen" Indexprofil bei Graphen,
die jeweils die Form einer Stufe, eines Trapezes bzw. eines Dreiecks
aufweisen. Diese Kurven sind im Allgemeinen für das theoretische oder Sollprofil
der Faser repräsentativ,
wobei die Sachzwänge bei
der Herstellung der Faser zu einem erheblich abweichenden Profil
führen
können.
Die Veränderungen
des Index je nach Profil ermöglichen,
die Ausbreitung des Lichts entlang der Faser zu kontrollieren.
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In
jüngster
Zeit sind so genannte "photonische" Fasern aufgetaucht,
die auf Englisch auch als "photonic
crystal fibres" (PFC)
bezeichnet werden: Diese Fasern bestehen nicht wie die klassischen
Fasern vollständig
aus einem festen transparenten Werkstoff wie dotiertes Silizium;
im Querschnitt weist eine photonische Faser eine Vielzahl von Luftlöchern auf.
Diese Löcher
liegen parallel zur Achse der Faser und verlaufen in Längsrichtung
entlang der Faser. In der praktischen Ausführung können diese Löcher erzielt
werden, indem die Vorform durch Zusammenfügen von Kapillarrohren oder
Zylindern aus Silizium hergestellt wird, wobei das Muster der Löcher, die
die Faser aufweisen soll, eingehalten wird. Das Ziehen einer solchen
Vorform liefert eine Faser mit Löchern, die
den Kapillarrohren entsprechen.
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Das
Vorhandensein dieser Löcher
im Werkstoff der Faser erzeugt Veränderungen des mittleren [Brechungs-]
Indexes des Werkstoffs; diese Indexveränderungen können, wie in einer klassischen
optischen Faser, zum Leiten von Lichtsignalen mit geeigneten Wellenlängen genutzt
werden. Eine Beschreibung derartiger optischer Fasern wird in
US 5802236 und in
WO-A-00 49 435 geliefert;
dieses letztgenannte Dokument beschreibt außer dem Funktionsprinzip der
photonischen Fasern ein Verfahren, welches die Zusammenstellung
solcher Fasern ermöglicht.
Im geraden Querschnitt verwenden die in diesem Dokument vorgeschlagenen
Lochmuster eine dreieckige Lochmatrix, das heißt, dass die möglichen
Löcher
Linien in drei Richtungen bilden, die zueinander in einem Winkel
von 60° stehen.
Das Weglassen bestimmter Löcher
in der Matrix ermöglich
es, das Licht zu leiten; insbesondere wird in einer Ausführungsform
das Loch in der Mitte der Faser weggelassen, sodass die Faser im
Querschnitt aus einem massiven Kern besteht, der von entsprechend der
dreieckigen Matrix gebildeten Löchern
umgeben ist. In der zweiten Ausführungsform
sind in der Mitte der Faser sieben Löcher vorgesehen, welche die Eckpunkte
und den Mittelpunkt eines regelmäßigen Sechsecks
bilden; um dieses zentrale Sechseck herum sind die Löcher über den
Eckpunkten der Sechsecke angeordnet, die eine "Pflasterung" des Faserquerschnitts bilden; allerdings
ist ein Loch im Mittelpunkt der Sechsecke nur im zentralen Sechseck
vorgesehen. Dieses Dokument schlägt
auch noch vor, Löcher
von unterschiedlichem Durchmesser zu verwenden, wobei die Symmetrie
der Faser durch Rotation um einen Winkel von 60° um ihren Mittelpunkt durchbrochen
wird; dies hat zum Ziel, die Doppelbrechung der Faser zu verändern.
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R.F.
Cregan und andere, Distribution of Spontaneous Emission from an
Er3-Doped
Photonic Crystal Fiber, Journal of Lightwave Technology, Band 17,
Nr. 11, November 1999, untersucht die spontane Emission in einer
photonischen Faser. Die Luftlöcher sind
entsprechend einer dreieckigen Matrix verteilt, wobei die Faser
eine sechseckige Form aufweist; im Mittelpunkt des Sechsecks weist
die Faser kein Loch auf, und das Silizium ist erbiumdotiert. Dieses
Dokument untersucht die räumliche
Verteilung der spontanen Emission während des axialen Pumpens der
Faser; es zeigt, dass die Verteilung von der Anordnung der Löcher in
der Faser abhängt,
was mit der Simulation übereinstimmt.
Auf die Nutzung der dotierten Faser wird in keiner Weise Bezug genommen.
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Thomas
Sondergaard, Photonic Crystal Distributed Feedback Fiber Lasers
with Bragg Gratings, Journal of Lightwave Technology, Band 18, Nr.
4, April 2004, diskutiert die Verwendung photonischer Fasern zur
Herstellung von Faserlasern; er führt aus, dass die Modenflächen für das Signal
oder für
die Pumpe kleiner oder größer sein
können
als die entsprechenden Modenflächen
von klassischen Fasern mit Indexsprung. Die Verwendung von photonischen Fasern
ermöglicht
folglich die Herstellung von Faserlasern mit niedriger Pumpschwelle – im Fall
von schwachen Modenflächen – oder die
Herstellung von Lasern mit hoher Leistung – im Fall von starken Modenflächen. Dieses
Dokument verweist nur auf digitale Simulationen ohne jede praktische
Ausführung.
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W.J.
Wadsworth und andere, Yb3+ doped photonic
crystal fibre laser, Electronics Letters, Band 36, Nr. 17, August
2000, weist experimentell einen Lasereffekt in einer photonischen
Faser nach; die Faser wird aufgebaut, indem ein mit Yb dotiertes
und mit Al co-dotiertes Siliziumrohr mit Kapillaren aus reinem Silizium
umgeben wird; die Gesamtanordnung wird anschließend in die Länge gezogen,
um eine Faser zu bilden, um die herum eine Hülse aus reinem Silizium angeordnet
wird. Zwei Reihen von Löchern umgeben
den dotierten Kern, und das Licht wird stark im dotierten Kern der
Faser eingeschlossen.
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EP-A-1 043 816 beschreibt
eine Faser mit doppelter Hülle;
das Signal wird im dotierten Kern der Faser übertragen, und eine Pumpe wird
in die erste Hülle
eingefügt.
Um das Licht der Pumpe zum dotierten Kern zu leiten, wird vorgeschlagen,
in der ersten Hülle
Bereiche mit modifiziertem Index vorzusehen. Diese Bereiche mit
modifiziertem Index können
insbesondere aus Luftlöchern
bestehen. In einer Ausführungsform
sind drei Bereiche mit modifiziertem Index vorgesehen, die über die
Peripherie der ersten Hülle
verteilt sind. In einer anderen Ausführungsform sind sechs Bereiche
mit modifiziertem Index vorgesehen, die die Eckpunkte und die Mittelpunkte
der Seiten eines gleichseitigen Dreiecks bilden. Es wird vorgeschlagen,
dass die Bereiche mit modifiziertem Index so weit wie möglich vom
Kern der Faser entfernt angeordnet werden sollten, um eine Veränderung
der Polarisation im Kern der Faser zu vermeiden.
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Das
Problem der Erfindung besteht in der Verteilung der Löcher in
einer photonischen Faser, um die effektive Fläche zu verbessern. Die Erfindung schlägt in einer
Ausführungsform
eine Verteilung der Löcher
einer photonischen Faser vor, die es ermöglicht, eine starke effektive
Fläche
zu erzielen; sie schlägt
in einer anderen Ausführungsform
eine Faser mit doppelter Hülle
vor, in welcher Löcher
vorgesehen sind, die die Überlappung
zwischen dem Signal und der Pumpe verbessern.
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Genauer
gesagt, schlägt
die Erfindung eine photonische optische Faser vor, die eine Vielzahl
von über
die Punkte einer regelmäßigen Matrix
verteilten Löchern
aufweist; in dieser Faser
- – sind die Löcher der
Faser auf mindestens zwei konzentrischen Schichten von Punkten der
Matrix angeordnet, die auf den Mittelpunkt der Faser zentriert sind;
- – weisen
die auf einer Schicht angeordneten Löcher der Faser jeweils dieselbe
Abmessung auf und belegen sämtliche
Punkte der Schicht;
- – weisen
die auf mindestens einer Schicht angeordneten Löcher der Faser eine andere
Abmessung auf als die Abmessung der Löcher der Faser, die auf mindestens
einer anderen Schicht angeordnet sind;
wobei die Faser
mindestens eine konzentrische Schicht von Punkten der Matrix ohne
Löcher
aufweist, die zwischen zwei konzentrischen Schichten liegt, welche
Löcher
umfassen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Matrix eine dreieckige Matrix, und die Schichten weisen
eine sechseckige Form auf.
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Man
kann auch vorsehen, dass die auf einer Schicht angeordneten Löcher der
Faser eine größere oder
gleiche Abmessung aufweisen als die Abmessung der Löcher der
Faser, die auf einer anderen, in ihrem Inneren liegenden Schicht
angeordnet sind.
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Vorzugsweise
ist die Faser so angeordnet, dass sie eine effektive Fläche größer oder
gleich 150 μm2 aufweist. Die Erfindung schlägt auch
ein Übertragungssystem
vor, welches als Leitungsfaser eine solche Faser aufweist; sie schlägt auch
einen optischen Verstärker
vor, der einen Abschnitt dieser Faser umfasst, wobei diese Faser
mit mindestens einem Seltene-Erden-Ion dotiert ist. Sie betrifft
schließlich
einen Faserlaser, der einen Abschnitt einer solchen Faser umfasst.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der Lektüre der nachfolgenden
Ausführungsformen
der Erfindung ersichtlich werden, die als Beispiele und unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
gegeben werden, auf denen
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1 eine
schematische Darstellung des Querschnitts einer photonischen optischen
Faser nach einer Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 eine
Darstellung des Soll-Indexprofils der Faser von 1 ist;
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3 eine
Darstellung der Signalstärke
auf einem Radius der Faser von 1 ist.
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Die
Erfindung schlägt
in einer photonischen Faser eine Verteilung der Löcher in
der Lochmatrix nach einem Muster vor, das so weit wie möglich die Symmetrie
der Faser um ihre Längsachse
erhält.
Sie schlägt
dagegen vor, dass die Verteilung in einer radialen Richtung unregelmäßig ist:
Zum Bespiel ist es möglich,
bestimmte Löcher
wegzulassen oder auch deren Durchmesser zu verringern.
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Im
weiteren Verlauf der Beschreibung wird der Begriff "Matrix" verwendet, um sämtliche
möglichen
Orte der Löcher
in der photonischen Faser zu bezeichnen; insofern, als die Vorform
der Faser durch Zusammenfügen
von Kapillarrohren und Vollzylindern gebildet wird, ist diese "Matrix" durch die Anordnung
der Rohre und der Zylinder in der Vorform definiert. In den weiter
oben erwähnten
Beispielen des Stands der Technik ist die Matrix dreieckig: Die Rohre
und Zylinder sind in Reihen angeordnet, wobei zwei benachbarte Reihen
um einen Abstand verschoben sind, der dem Abstand zwischen zwei
benachbarten Rohren oder Zylindern in der Reihe entspricht. Andere
Matrixformen sind möglich – zum Beispiel
eine quadratische Matrix. In allen Fällen wird die Matrix von einer
Menge von Punkten gebildet, an denen es gegebenenfalls möglich ist,
ein Loch vorzusehen.
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Als "Schicht" wird eine Untermenge
der Punktmatrix bezeichnet, die im Querschnitt so weit wie möglich eine
Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der Faser beachtet. Aufeinander
folgende Schichten sind konzentrisch, mit dem Mittelpunkt der Faser
als gemeinsamem Mittelpunkt. In dem Beispiel einer dreieckigen Matrix
wird eine Schicht typischerweise von einer Menge von Löchern gebildet,
die an den Eckpunkten und gegebenenfalls den Seiten eines Sechsecks
angeordnet sind; die erste Schicht weist sechs Punkte auf, die an
den Eckpunkten eines Sechsecks angeordnet sind, dessen Mittelpunkt
der Mittelpunkt der Faser ist; in dem Beispiel der Figur sind Löcher für sämtliche
Punkte dieser Schicht vorgesehen. Die zweite Schicht wird von zwölf Punkten gebildet,
die an den Eckpunkten und den Seitenmittelpunkten eines regelmäßigen Sechsecks
angeordnet sind; die Länge
einer Seite dieses Sechsecks ist gleich zwei Mal der Seitenlänge des
Sechsecks, welches die erste Schicht bildet; in dem Beispiel von 1 sind
Löcher auch
für sämtliche
Punkte dieser Schicht vorgesehen. Die dritte Schicht wird von vierundzwanzig
Punkten gebildet, die an den Eckpunkten eines Sechsecks und an einem
Drittel und zwei Dritteln jeder Seite angeordnet sind; in dem Beispiel von 1 gibt
es keine Löcher
auf der dritten Schicht. Man kann auf dieselbe Weise die folgenden Schichten
definieren. In diesem Beispiel ist jede Schicht bei Drehung um einen
Winkel von 60° um den
Mittelpunkt der Faser invariant; jede Schicht stellt folglich eine
Näherung
eines Kreises dar, wobei die möglichen
Punkte der Matrix verwendet werden. Diese Definition einer "Schicht" kann auf andere
Matrixtypen verallgemeinert werden. So könnte bei einer quadratischen
Matrix eine Schicht aus einer Menge von Punkten gebildet werden,
die auf den Kanten eines Quadrats oder eines Achtecks angeordnet
sind; eine Schicht wäre
dann bei Drehung um einen Winkel von 90° um den Mittelpunkt der Faser
invariant. Das weiter oben zitierte Dokument von W.J. Wadsworth und
anderen stellt zwei "Perioden" von Löchern vor, die
den Mittelpunkt der Faser umgeben; jede "Periode" ist kreisförmig.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des Querschnitts einer Photonischen
optischen Faser nach einer Ausführungsform
der Erfindung; in dem Beispiel von 1 ist die
Matrix dreieckig, mit einem Abstand von 5 μm zwischen den Punkten der Matrix;
jede Schicht bildet ein regelmäßiges Sechseck,
wie weiter oben erklärt.
Der Mittelpunkt der Faser weist kein Loch auf; die erste, zweite
und vierte Schicht weisen Löcher
mit einem Durchmesser von 0,5 μm
auf. Die dritte Schicht weist keine Löcher auf; die fünfte Schicht
weist Löcher
mit einem Durchmesser von 1,5 μm
auf, und die sechste Schicht Löcher mit
einem Durchmesser von 2,0 μm.
Auf einem Radius, der durch die Eckpunkte der Sechsecke verläuft, welche
die verschiedenen Schichten bilden, findet man folglich, ausgehend
vom Mittelpunkt:
- – Löcher mit einem Durchmesser
von 0,5 μm
in Abständen
von 5, 10 und 20 μm;
- – ein
Loch mit einem Durchmesser von 1,5 μm in einem Abstand von 25 μm; und
- – ein
Loch mit einem Durchmesser von 2,0 μm in einem Abstand von 30 μm.
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Die
Schichten der Faser in der Figur sind konzentrisch; wenn eine Schicht
Löcher
aufweist, belegen diese Löcher
sämtliche
Punkte der Schicht: In dem Beispiel umfasst die erste Schicht sechs
Löcher, das
heißt,
alle möglichen
Löcher
der ersten Schicht.
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2 zeigt
ein Indexprofil der Faser auf einem Radius der Faser, der durch
einen Eckpunkt des von den Löchern
gebildeten Sechsecks verläuft.
Auf der Ordinate erscheint der Index, auf der Abszisse der Abstand
zum Mittelpunkt der Faser. In dem Beispiel der Figur wäre die Faser,
wenn keine Löcher vorhanden
sind, eine einfache Faser mit Indexsprung: Der Werkstoff, aus dem
die Faser besteht, weist folglich einen konstanten Index auf, der
einen ersten Wert in der Nähe
von 1,46 für
Radien unter 33 μm
besitzt, und einen Index mit einem Wert in der Nähe von 1,44 jenseits davon,
d.h., in der Hülle. Wenn
keine Löcher
vorhanden sind, würde
ein solches Profil zu einer Faser führen, die keine Einmodenfaser
wäre. Die
Faser aus dem Beispiel ist aufgrund der Löcher bei allen Wellenlängen eine
Einmodenfaser.
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3 zeigt
eine Darstellung der Signalstärke
auf einem Radius der Faser von 1. Auf der Ordinate
wurde die genormte Stärke
des in die Faser eingespeisten Signals aufgetragen und auf der Abszisse
der Abstand zum Mittelpunkt der Faser in μm. Als dünner Strich ist das Schema
des Indexprofils der Faser dargestellt. Die Figur zeigt, dass die
Löcher
die Wirkung haben, "Barrieren" für das Feld
aufzubauen. Genauer gesagt, hat das Profil die Tendenz, sich in die
Teile der Faser auszubreiten, in denen das Verhältnis zwischen der Fläche der
Löcher
und der Siliziumfläche
(Faktor für
die Füllung
mit den Löchern) am
geringsten ist; man stellt daher in 3 einen Einschnitt
in der Signalstärke
in der Umgebung der Löcher
mit 5 und 10 μm
fest; dagegen führt
das Fehlen der Löcher
in der dritten Reihe zu einem lokalen Maximum der Signalstärke in der
Umgebung eines Radius von 12 μm.
Die Löcher
der vierten, fünften und
sechsten Reihe haben dieselbe Wirkung, die in der Figur durch den
geringen relativen Wert der Signalstärke verdeckt ist.
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Die
Faser von 1 weist eine effektive Fläche von
991 μm2 auf. Sie weist außerdem eine chromatische Dispersion
von 21,2 ps/nm/km mit einer Steigung von 0,071 ps/nm2/km
auf.
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Allgemeiner
ausgedrückt,
kann die Faser wie folgt definiert werden:
- – Die Löcher der
Faser sind auf mindestens zwei konzentrischen Schichten von Punkten
der auf den Mittelpunkt der Faser zentrierten Punktmatrix angeordnet;
- – Die
auf einer Schicht angeordneten Löcher
der Faser weisen dieselbe Abmessung auf und belegen sämtliche
Punkte der Schicht;
- – Die
auf mindestens einer Schicht angeordneten Löcher der Faser weisen eine
andere Abmessung auf als die Abmessung der Löcher der Faser, die auf mindestens
einer anderen Schicht angeordnet sind.
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Gemäß der Erfindung
weist die Faser mindestens eine Schicht ohne Löcher auf; diese Schicht hat
die Wirkung, dass sich das Feld in der Faser ausbreiten kann und
so die effektive Fläche
vergrößert wird.
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Anders
ausgedrückt,
weisen die Löcher
der Faser so weit wie möglich
eine radiale Symmetrie auf, wobei die durch die Punktmatrix auferlegten
geometrischen Sachzwänge
berücksichtigt
werden. Wenn man einem Radius der Faser folgt, können die Löcher jedoch veränderliche
Abmessungen aufweisen.
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Man
kann vorgeben, dass die Löcher
in radialer Richtung ansteigende Abmessungen aufweisen sollen: Anders
ausgedrückt,
sind die Löcher
einer Schicht von einer größeren Abmessung
als die Löcher,
die auf einer Schicht weiter innen angeordnet sind; dies ist bei
der Faser von 1 der Fall, da die Löcher der
fünften
Reihe eine größere Abmessung besitzen
als die Löcher
der Reihen erster, zweiter und vierter Ordnung; außerdem besitzen
die Löcher der
sechsten Reihe eine größere Abmessung
als die Löcher
der Reihen erster, zweiter, vierter und fünfter Ordnung. Diese radiale
Vergrößerung der
Abmessungen der Löcher
ermöglicht,
den Effekt des Einschlusses des Lichts im Innern der Faser zu verbessern;
in qualitativer Hinsicht entsprechen nämlich Löcher von größerer Abmessung einer stärkeren Absenkung
des mittleren Index, und man kann davon ausgehen, dass eine Lochschicht
eine Art Indexsprung bildet, wobei die Änderung des Index umso größer ist,
je stärker
sich die Abmessung der Löcher ändert.
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Diese
charakteristischen Unterschiede ermöglichen, eine Faser mit einer
effektiven Fläche größer oder
gleich 150 μm2 zu erzielen. Die Faser ist bei allen Wellenlängen eine
Einmodenfaser.
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Diese
Merkmale können
sowohl mit einer Dotierung des Siliziums als auch ohne Dotierung
des Siliziums umgesetzt werden. Die Dotierung kann Indexveränderungen
bewirken oder sie kann eine Dotierung mit seltenen Erden für die Verstärkung sein.
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Die
Faser kann als Leitungsfaser in einem auf optischen Fasern basierenden Übertragungssystem
eingesetzt werden; sie kann auch als Bauteil in einem Faserlaser
oder in einem Faserverstärker
genutzt werden; dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sie eine
geeignete Dotierung aufweist. Im Fall eines Verstärkers wird
eine Dotierung mit mindestens einem Seltene-Erden-Ion verwendet,
das eine Ordnungszahl zwischen 57 und 71 aufweist. Man kann insbesondere
Erbium, Ytterbium, Germanium oder die anderen Elemente verwenden,
die als solche für ihren
Einsatz in optischen Verstärkern
allgemein bekannt sind. Die starke effektive Fläche der Faser ist für derartige
Anwendungen besonders vorteilhaft.