DE60222111T2

DE60222111T2 - Optische Faser

Info

Publication number: DE60222111T2
Application number: DE60222111T
Authority: DE
Inventors: William John Bath WADSWORTH; Brian Joseph Bath MANGAN; Timothy A. Bath BIRKS; Jonathan Cave Wellow Knight; Philip St. Bath RUSSELL
Original assignee: Crystal Fibre AS
Current assignee: Crystal Fibre AS
Priority date: 2001-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2022-05-01
Also published as: US20040151450A1; WO2002088802A1; DK1388018T3; EP1388018B1; EP1388018A1; ATE371878T1; US20020181911A1; DE60222111D1; US7116875B2

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet optischer Materialien, insbesondere von Verbundmaterialien, einschließlich Fasern, die Verbundmaterialien enthalten.
Das Europäische Patent Nr. EP0520653 beschreibt eine optische Faser mit einem Brechungsindex unter dem, der herkömmlicherweise verfügbar ist. Die Faser mit kleinem Brechungsindex verfügt über einen Faserkern mit einem ersten Brechungsindex. Die Faser umgibt eine Längsachse, und sie ist von einer Mantelschicht mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, umgeben. Innerhalb der Mantelschicht sind mehrere Rohrstrukturen um den Faserkern herum angeordnet. Die Rohrstrukturen erzeugen mehrere Kanäle innerhalb der Mantelschicht, um dadurch in dieser zu einem niedrigen Brechungsindex zu führen.
Die internationale Patentanmeldung Nr. WO 99/00685 beschreibt eine Faser mit großem Kern aus einem photonischen Kristall zum Übertragen von Strahlung, mit einem Kern mit einem Kerndurchmesser von mindestens 5 μ und einem Mantelbereich. Der Mantelbereich verfügt über ein im Wesentlichen transparentes Mantelmaterial mit einem ersten Brechungsindex, wobei darin entlang der Länge ein im Wesentlichen periodisches Array von Löchern angeordnet ist, die mit einem zweiten Mantelmaterial gefüllt sind, das über einen zweiten Brechungsindex verfügt, der kleiner als der erste Brechungsindex ist. In die optische Faser eingegebene Strahlung wird entlang der Länge des Kernmaterials mit einer einzelnen Ausbreitungsmode übertragen.
Die internationale Patentanmeldung Nr. WO 00/37974 beschreibt eine Vorform einer optischen Wellenleiterfaser, wobei es sich um eine Anordnung eines oder mehrerer Kernstäbe handelt, die von mehreren Mantelstäben umgeben sind. Die Mantelstäbe verfügen über einen zentralen Abschnitt und eine umgebende Schicht, wobei der Brechungsindex des zentralen Abschnitts kleiner als der der umgebenden Schicht ist. Die Vorform wird zu einer optischen Wellenleiterfaser gezogen, die über eine zweikomponentige Mantelschicht verfügt. Die geeignete Wahl des zentralen Abschnitts und der umgebenden Schicht sorgt für eine endlose Einzelmode-Wellenleiterfaser.
Das US-Patent Nr. 5,802,236 beschreibt unperiodische, mikrostrukturierte optische Fasern, die Strahlung durch Indexführung führen. Beispielsweise verfügt eine Faser gemäß der Erfindung über einen massiven Kernbereich aus Siliciumoxid, der von einem inneren Mantelbereich und einem äußeren Mantelbereich umgeben ist. Die Mantelbereiche verfügen über Kapillarhohlräume, die sich in der axialen Faserrichtung erstrecken, wobei die Hohlräume im äußeren Mantelbereich über einen größeren Durchmesser als die im inneren Mantelbereich verfügen, so dass der effektive Brechungsindex des äußeren Mantelbereichs größer als der des inneren Mantelbereichs ist.
Die internationale Patentanmeldung Nr. WO 00/06506 beschreibt einen Weg, um das herzustellen, was als "Glaserzeugnis" mit anisotropen optischen Eigenschaften beschrieben wird. Eine Vorform mit Längskanälen wird durch eine Zugeinrichtung dünner gezogen, um einen Stab oder eine Faser herzustellen.
Das US-Patent Nr. 5,155,792 gibt eine optische Faser mit niedrigem Brechungsindex an. Bei einer in diesem Patent beschriebenen Ausführungsform verfügt der Mantelaufbau der Faser über ein gleichmäßiges Array von Rohrstrukturen, von denen jede über einen Durchmesser verfügt, der kleiner als die kürzeste Wellenlänge des durch die Faser geführten Lichts ist. Der Kern kann aus einem Stab oder mehreren Stäben mit gleichmäßigem Brechungsindex hergestellt werden. Bei einer anderen Ausführungsform verfügt der Kern der Faser auch über ein gleichmäßiges Array von Rohrstrukturen mit jeweils einem Durchmesser, der kleiner als die kürzeste Wellenlänge von durch die Faser geführtem Licht ist, wobei der Kern über einen höheren Brechungsindex als der Mantel verfügt, jedoch einen gleichmäßigen und niedrigen Brechungsindex.
Jedoch zieht dieses US-Patent nicht die Möglichkeit in Betracht, die optischen Eigenschaften eines Materials auf andere Weise als dadurch hin zu trimmen, dass für einen gleichmäßigen und niedrigen Brechungsindex gesorgt wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine optische Faser mit einem Kernmaterial mit optischen Eigenschaften zu schaffen, die leicht hingetrimmt werden können. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Hintrimmen derartiger Eigenschaften abhängig von der Anwendung zu schaffen.
Gemäß der Erfindung ist eine optische Faser geschaffen, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, mit einem Kern mit einem Verbundmaterial zum Unterstützen der Ausbreitung von Licht einer Wellenlänge λ, mit mehreren länglichen Bereichen in Form von Zylindern, die durch Bereiche eines Matrixmaterials voneinander getrennt sind und eine Längsachse definieren, wobei das Verbundmaterial so angeordnet ist, dass es die Ausbreitung von Licht in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur genannten Längsachse unterstützt, jeder Zylinder aus einem Material besteht, das sich von einem benachbarten Bereich aus Matrixmaterial in einer optischen Eigenschaft unterscheidet, und wobei jeder Zylinder über eine Querschnittsfläche verfügt, die ausreichend klein dafür ist, dass das Verbundmaterial in Bezug auf Licht der Wellenlänge λ im Wesentlichen optisch homogen ist.
Eine derartige Anordnung von Bereichen wird unten als "Nanostruktur" bezeichnet, obwohl die Bereiche, in einigen Fällen, von Abmessungen und/oder Abständen mit größerem Maßstab als einem solchen von Nanometern sein können.
Ein im Wesentlichen optisch homogenes Material verursacht keine wesentliche Störung des Profils des transversalen optischen Felds von Licht, das sich im Verbundmaterial ausbreitet. Selbstverständlich handelt es sich um eine Frage, die experimentell beantwortet werden kann, ob die Bereiche zu einer deutlichen Störung des Profils des transversalen optischen Felds des sich ausbreitenden Lichts führen oder nicht. Jedoch besteht eine Art zum theoretischen Quantifizieren des Effekts der Bereiche darin, eine modifizierte Version des gut bekannten Parameters V (auch als V-Wert oder normierte Frequenz bezeichnet) zu berechnen. Bei einem einfachen Fall von Zylindern mit einer Querschnittsfläche A und einem Material mit dem Brechungsindex n_Zylinder, das in Bereiche eines Matrixmaterials mit dem Brechungsindex n_Matrix eingebettet ist, ist der modifizierte V-Wert V wie folgt gegeben: V2 = (4πA/λ2)|nZylinder 2 – nMatrix 2| (1)
Der modifizierte V-Wert bildet ein Maß dafür, wie eingeengt in die Zylinder das transversale optische Feld ist. Wenn der V-Wert klein ist (beispielsweise kleiner als 1), ist das optische Feld nicht gut eingegrenzt, und die Zylinder führen zu keiner wesentlichen Störung. Im Allgemeinen sind noch kleinere Werte von V bevorzugt, beispielsweise V < 0,6 oder sogar V < 0,4.
Bei komplizierteren Ausführungsformen der Erfindung, wie beispielsweise dann, wenn jeder der Zylinder über einen Bereich mit dem Brechungsindex n₁ und einer Fläche A₁ verfügt, der von einem ringförmigen Außenbereich vom Brechungsindex n₂ und der Fläche A₂ umgeben ist, kann ein "kollektiver V-Wert" V_c berechnet werden. Bei p Bereichen, die direkt oder indirekt in ein Matrixmaterial eingebettet sind, wobei jeder Bereich den Brechungsindex n_p und die Fläche A aufweist, wird Folgendes definiert:
Wenn der V-Wert klein ist, ist wiederum das optische Feld nicht gut eingegrenzt, und die eingebetteten Bereiche führen zu keiner wesentlichen Störung des transversalen Profils eines optischen Felds der Wellenlänge λ.
In einigen Fällen, wie dann, wenn ein Wellenleiter im Material ausgebildet ist, kann ein anderer Hinweis für den Effekt, den die Bereiche auf ein optisches Feld haben, dadurch erhalten werden, dass eine Transversalkomponente ksinθ des Wellenvektors k für die Lichtausbreitung unter einem Winkel θ zur Längsachse des Wellenleiters abgeschätzt wird. Diese Komponente führt zu einer effektiven transversalen Wellenlänge von λeff = 2π/ksinθ (3),was allgemein größer als λ ist. Das Material ist im Wesentlichen optisch homogen, wenn die größte Transversalabmessung jedes Bereichs klein in Bezug auf λ_eff ist.
Die Bereiche können aus einem dielektrischen Material oder einem Halbleiter bestehen. Die Bereiche können aus einem Metall bestehen.
Einige Teile des Materials können über andere Eigenschaften als andere Teile desselben verfügen.
Vorzugsweise weisen die Bereiche nicht alle denselben Brechungsindex auf.
Vorzugsweise sind mindestens einige der Bereiche mit einem Dotiermittel dotiert. Dotieren ist eine zweckdienliche Art zum Ändern der optischen Eigen schaften eines Materials; Verspannungen im Material können viel kleiner sein als dann, wenn zwei verschiedene Materialien verwendet und miteinander verschmolzen werden.
Vorzugsweise führt das Dotieren zu einer Änderung des Brechungsindex. Das Dotieren kann dazu verwendet werden, für einen ausgewählten effektiven Brechungsindex des Materials zu sorgen, und um, beispielsweise, Brechungsindexstrukturen in das Material einzuführen.
Vorzugsweise sind mindestens einige der Bereiche mit einem optisch aktiven Dotiermittel dotiert.
Vorzugsweise macht das optisch aktive Dotiermittel das Material photoempfindlich; Beispiele geeigneter Dotiermittel sind Germanium, Bor oder Zinn. Es kann der Fall sein, dass nicht alle Bereiche auf dieselbe Weise dotiert sind, so dass nicht alle Bereiche des Materials in gleicher Weise photoempfindlich sind. Ein derartiges Material könnte in beispielsweise eine Faser mit mehreren Kernen eingebaut werden.
Das optisch aktive Dotiermittel kann für eine optische Verstärkung sorgen; beispielsweise kann das optisch aktive Dotiermittel Ytterbium oder Erbium enthalten. Es kann auch der Fall sein, dass nicht alle Bereiche mit demselben optisch aktiven Dotiermittel dotiert sind, so dass für Verstärkung bei zwei oder mehr verschiedenen Wellenlängen gesorgt wird; so kann ein Betrieb bei "zwei Wellenlängen" erzielt werden.
Vorzugsweise verfügt das Verbundmaterial über ein ausgewähltes Profil des effektiven Brechungsindex. Ein derartiges ausgewähltes Profil des effektiven Brechungsindex kann beispielsweise dadurch geschaffen werden, dass der Brechungsindex eines Volumenmaterials durch irgendeine der oben beschriebenen Maßnahmen geändert wird.
Vorzugsweise ist das Material länglich, und das ausgewählte Profil des effektiven Brechungsindex zeigt eine allmähliche Abnahme für den Brechungsindex radial ausgehend vom Zentrum des Materials in der Ebene orthogonal zur Längsachse. Eine derartige Struktur mit Indexgradation kann eine nützliche Wellenleiterstruktur sein.
Ein Nanostrukturieren gemäß der Erfindung bildet eine zweckdienliche Maßnahme zum Einleiten anderer Profile des effektiven Brechungsindex in ein Material. Beispielsweise kann das ausgewählte Profil des effektiven Brechungsindex ein regelmäßiges Vieleck bilden. Alternativ kann das ausgewählte Profil des effektiven Brechungsindex eine unregelmäßige Figur bilden.
Vorzugsweise sorgt das ausgewählte Profil des effektiven Brechungsindex für einen Wellenleiter mit einem Kern mit einem effektiven Brechungsindex, der größer als derjenige des ihn umgebenden Materials ist. Vorzugsweise ist der Kern in seiner kleinsten Querabmessung größer als 10 Mikrometer, und die Differenz zwischen dem effektiven Brechungsindex des Kerns und dem effektiven Brechungsindex des Materials um ihn herum ist ausreichend klein dafür, dass der Wellenleiter eine Einzelmodeausbreitung von Licht unterstützt (beispielsweise würde ein Kern mit einem Durchmesser von 25 Mikrometern bei einem Brechungsindex von 1,5 die Ausbreitung von Licht mit einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometer in eine Einzelmode unterstützen, wenn die Brechungsindexdifferenz kleiner als 0,0007 wäre). Noch größere Kerne können bei vielen Anwendungen bevorzugt sein; vorzugsweise ist der Kern größer als 15 Mikrometer, bevorzugter größer als 20 Mikrometer, und noch bevorzugter größer als 25 Mikrometer, was seine kleinste Querabmessung betrifft.
Das Brechungsindexprofil kann zu zusätzlichen Änderungen der optischen Eigenschaften des Materials führen; beispielsweise kann es ein optisch dispersives Material definieren.
Doppelbrechung ergibt sich im Allgemeinen dann, wenn das Material über keine Rotationssymmetrie über einer zweifachen Rotationssymmetrie verfügt, und zwar um jede Längsachse, entlang der sich Licht ausbreiten kann. So kann das Material über zweifache Rotationssymmetrie oder keine Rotationssymmetrie um eine derartige Achse verfügen.
Vorzugsweise beinhalten die länglichen Bereiche mehrere Zylinder, die durch Bereiche eines Matrixmaterials voneinander getrennt sind.
Da sich im Material ausbreitendes Licht im Allgemeinen nur den Mittelwert der optischen Eigenschaften der Zylinder und der Matrixbereiche sieht, können die optischen Eigenschaften des Materials durch geeignete Wahl der Zylinder- und Matrixeigenschaften sowie durch die Anordnung der Zylinder in der Matrix hin getrimmt werden. Es kann ein weiter Bereich von Eigenschaften herbeigeführt werden, beispielsweise unter Verwendung von Zylindern aus verschiedenen Materialien in verschiedenen Teilen des Materials, oder durch Dotieren der Zylinder.
Vorzugsweise ist das Verbundmaterial so aufgebaut, dass es die Ausbreitung von Licht in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Längsachse unterstützt. Vorzugsweise ist das Material so aufgebaut, dass es Licht führt, das sich in einer Richtung ausbreitet, die nicht in der Ebene orthogonal zur Längsachse liegt.
Vorzugsweise sind die Zylinder massiv. Mindestens einige der Zylinder können über durch die Matrixbereiche definierte Löcher verfügen. Die Löcher können mit einem Fluid gefüllt sein; eine derartige Anordnung von mit einem Gas, insbesondere einem anderen Gas als Luft, oder einer Flüssigkeit gefüllter Löcher kann dazu verwendet werden, ein nicht lineares Material zu schaffen. Es ist zu beachten, dass das Wort "Zylinder" jede beliebige dreidimensionale Figur mit gleichmäßigem Querschnitt bezeichnet, der nicht notwendigerweise kreisförmig ist. Vorzugsweise sind die Zylinder von kreisförmigem Querschnitt.
Vorzugsweise ist der Durchmesser der Zylinder kleiner als 1 Mikrometer.
Der Brechungsindex der Zylinder kann kleiner als der der Bereiche eines Matrixmaterials sein. Der Brechungsindex der Zylinder kann größer als der der Bereiche eines Matrixmaterials sein. Änderungen an den Brechungsindizes können auf verschiedene Arten erzielt werden, von denen einige unten erörtert werden.
Vorzugsweise verfügen die Zylinder über einen Innenbereich mit einem ersten Brechungsindex n_innen und einen Außenbereich mit einem zweiten Brechungsindex n_außen um den Brechungsindex herum, so dass der Brechungsindex des Zylinders ein effektiver Brechungsindex ist, der zwischen dem ersten und dem zweiten Brechungsindex liegt. Wenn der Durchmesser der Zylinder klein im Vergleich zur Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts ist, und wenn die Absolutvariation des Brechungsindex klein ist, ist der effektive Brechungsindex n_eff ^Zyl ungefähr wie folgt gegeben: neff Zyl = (ninnenAinnen + naußenAaußen)/(Ainnen + Aaußen) (4)wobei A_innen und A_außen Querschnittsflächen des Innen- beziehungsweise Außenbereichs jedes Zylinders sind. Die Gleichung (4) ist eine Näherung, die zum Zweck angegeben wird, das Verständnis der Erfindung zu unterstützen; im Allgemeinen sind Ausdrücke für den effektiven Brechungsindex nicht einfach, jedoch können sie durch einen Fachmann leicht berechnet werden.
Der effektive Brechungsindex kann dem Brechungsindex der Matrixbereiche entsprechen. So ist es möglich, im Innenbereich, im Außenbereich und im Matrixbereich verschiedene Materialien zu verwenden, von denen jedes über andere, wünschenswerte Eigenschaften verfügt, wobei sich jedoch immer noch ein gleichmäßiger effektiver Brechungsindex für das sich ausbreitende Licht ergibt. Die Zylinder können in verschiedenen Teilen des Matrixmaterials mit verschiedenen Dichten im Material verteilt sein. Es kann der Fall sein, dass die Bereiche eines Matrixmaterials nicht alle aus demselben Material bestehen und/oder dass die Zylinder nicht alle einander gleich sind; beispielsweise kann es der Fall sein, dass die Zylinder nicht alle über denselben Brechungsindex, dieselbe Form, und dieselbe Größe und/oder dasselbe Material verfügen. Mindestens einige der Zylinder oder Bereiche eines Matrixmaterials können mit einem Dotiermittel dotiert sein. Das Verbundmaterial kann aufgrund mechanischer Verspannungen zwischen den Zylindern und den Bereichen aus einem Matrixmaterial Doppelbrechung zeigen.
Die Rotationssymmetrie des Materials kann zumindest teilweise aus der Verteilung der Zylinder herrühren. Die Rotationssymmetrie des Materials kann zumindest teilweise aus der Form der Zylinder herrühren.
Die länglichen Bereiche im Material sind massiv. Es kann der Fall sein, dass das Material keine Hohlräume enthält.
Auch ist gemäß der Erfindung ein optischer Verstärker mit einem Kern mit einem Verbundmaterial, wie es oben beschrieben ist, geschaffen. Vorzugsweise ist der optische Verstärker ein solcher mit großer Modenfläche. Auch ist gemäß der Erfindung die Verwendung eines Lasers mit einem derartigen optischen Verstärker geschaffen.
Ein Verbundmaterial zum Unterstützen der Ausbreitung von Licht einer Wellenlänge λ kann gemäß einem Verfahren hergestellt werden, zu dem Folgendes gehört: (i) Bereitstellen mehrerer Stäbe mit jeweils einer Längsachse; (ii) Herstellen eines Bündels der Stäbe, in dem die Längsachsen der Stäbe im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen; (iii) Ziehen eines länglichen, geschmolzenen Stabs aus dem Bündel; Zerschneiden des geschmolzenen Stabs in mehrere Stücke; und (iv) Wiederholen der Schritte (ii) und (iii) mindestens einmal durch Herstellen des Bündels aus den Stücken des geschmolzenen Stabs, und weiteres Ziehen eines länglichen, geschmolzenen Stabs aus dem Bündel;
wobei der weitere, längliche, geschmolzene Stab, der am Ende des Schritts (iv) hergestellt ist, mehrere massive Zylinder mit jeweils einer Längsachse beinhaltet, die durch Bereiche eines Matrixmaterials voneinander getrennt sind und deren Längsachsen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei jeder Zylinder über einen Durchmesser, in der Ebene orthogonal zur Längsachse, verfügt, der ausreichend klein dafür ist, dass das Verbundmaterial in Bezug auf Licht einer Wellenlänge λ im Wesentlichen optisch homogen ist.
So werden die optischen Eigenschaften des Verbundmaterials dadurch fixiert, dass makroskopische Objekte angeordnet werden und dann durch Ziehen die Abmessungen der Struktur verkleinert werden, bis das Material im Wesentlichen optisch homogen ist. So kann aus einer Struktur, die optisch relativ weniger homogen ist, eine optisch relativ homogenere Struktur erzeugt werden.
Vorzugsweise verfügen die im Schritt (i) verwendeten Stäbe über einen Innenbereich aus einem ersten massiven Material und einen Außenbereich aus einem zweiten massiven Material, das den Innenbereich umgibt, wobei die Innenbereiche dieser Stäbe die mehreren massiven Zylinder bilden.
Vorzugsweise verfügt bei mindestens einigen der Stäbe der Innenbereich über einen ersten Brechungsindex, und der Außenbereich verfügt über einen zweiten, anderen Brechungsindex.
Vorzugsweise differieren mindestens zwei der Stäbe hinsichtlich einer optischen Eigenschaft. Beispielsweise können die verschiedenen Stäbe hinsichtlich des Brechungsindex verschieden sein.
Die Stäbe können mit einem Dotiermittel dotiert sein, das nicht gleichmäßig über den Querschnitt des Stabs verteilt ist. Ein derartiger dotierter Stab kann eine relativ gleichmäßige Dotiermittelverteilung aufweisen, und er kann einen perfekten, vernünftig führenden Kern aufweisen, wenn er zu einer Faser gezogen ist. Jedoch kann es möglich sein, dass ein viel besserer Kern, mit einer noch viel gleichmäßigeren Dotiermittelverteilung, erzeugt wird, wenn ein mehrfaches Aufstapeln und Ziehen der Stäbe verwendet wird. Anders gesagt, kann ein optisch relativ homogeneres Material durch dieses Verfahren erzeugt werden, als es ansonsten bereit gestellt würde.
Es kann selbstverständlich jede beliebige geeignete Kombination verschiedener Arten vorgeformter Elemente verwendet werden.
Vorzugsweise wird das Bündel der Stäbe im Schritt (ii) in einem Mantel eingeschlossen. Ein Vorteil beim Verwenden eines Mantels besteht darin, dass die Räume zwischen den Stäben evakuiert werden können, um unerwünschte Luftlöcher zu beseitigen, die andernfalls beim Ziehprozess erzeugt würden.
Auch ist gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser geschaffen, das den Schritt des Ziehens einer optischen Faser aus einer Vorform mit mindestens einem durch ein derartiges Verfahren hergestellten Stab beinhaltet. Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren den Schritt des Einschließens der Vorform in einen Mantel vor dem Ziehen der Faser.
Auch ist gemäß der Erfindung eine optische Faser mit einem Verbundmaterial, wie es oben beschrieben ist, das ein solches gemäß der Erfindung ist, geschaffen. Vorzugsweise ist die Faser eine solche aus einem photonischen Kristall. Fasern aus einem photonischen Kristall sind auch als mikrostrukturierte Fasern bekannt. Derartige Fasern verfügen typischerweise über einen Mantelaufbau mit einem Array länglicher Löcher. Wenn der effektive Brechungsindex des Mantelaufbaus kleiner als der des Kerns ist, führt eine Faser aus einem photonischen Kristall im Allgemeinen Licht durch interne Totalreflexion. Andernfalls sind bei einer Faser aus einem photonischen Kristall die länglichen Löcher in ihr in einem periodischen Gitter angeordnet, das Licht mit bestimmten Frequenzen ausschließt, wodurch eine photonische Bandlücke geschaffen ist. Der Kern in einer derartigen Faser wirkt als Defekt, der die Periodizität des Gitters bricht und die Ausbreitung von Licht mit Frequenzen in der photonischen Bandlücke erlaubt; dadurch wird das Licht auf den Kern eingegrenzt.
Auch ist gemäß der Erfindung ein Faserverstärker mit einer derartigen Faser geschaffen. Auch ist ein Faserlaser mit einem derartigen Verstärker geschaffen.
Auch ist ein Verfahren zum Übertragen von Licht in einem Verbundmaterial, wie es oben beschrieben ist, das ein solches gemäß der Erfindung ist, geschaffen.
Nun werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, nur beispielhaft, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine mit einem optischen Mikroskop aufgenommene Photografie einer Vorform, die in einem Schritt bei einem Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser gemäß der Erfindung verwendet wird;
2 und 3 sind mit einem optischen Mikroskop aufgenommene Photografien der gespalteten Enden von Fasern aus einem photonischen Kristall gemäß der Erfindung, die aus der Vorform gemäß der 1 gezogen wurden;
4 und 5 sind schematische Schnittansichten durch optische Fasern gemäß der Erfindung, die in ihren Kernen ein optisches Material enthalten, das über eine Struktur mit Brechungsindexgradation verfügt;
6 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Einzelmode-Wellenleiterlaser oder -verstärker gemäß der Erfindung mit einem sehr großen Kern mit einem optischen Material.
7 ist ein schematischer Querschnitt durch eine optische Einzelmodefaser gemäß der Erfindung mit unüblichen Dispersionseigenschaften, die sich aus der Verwendung eines Kerns mit einem optischen Material ergeben;
8 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Faser aus einem photonischen Kristall gemäß der Erfindung, die Photoempfindlichkeit zeigt, die sich daraus ergibt, dass in ihren Kern ein optisches Material eingeschlossen ist;
9 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Faserlaser oder -verstärker aus einem photonischen Kristall gemäß der Erfindung, der Verstärkung bei zwei Wellenlängen zeigt;
10 und 11 sind schematische Querschnitte durch optischen Fasern gemäß der Erfindung, die Doppelbrechung zeigen;
12 ist ein schematischer Querschnitt durch eine weitere Faser aus einem photonischen Kristall gemäß der Erfindung;
13 ist eine Vorform zur Verwendung bei einem Verfahren mit mehrfachem Aufschichten und Ziehen;
14 ist eine andere Vorform zur Verwendung bei einem Verfahren mit mehrfachem Aufschichten und Ziehen;
15 ist eine andere Vorform zur Verwendung bei einem Verfahren mit mehrfachem Aufschichten und Ziehen;
Die schematischen Figuren sind selbstverständlich nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
Bei einer Ausführungsform wird ein Bündel 1000 aus Stäben 1010 mit jeweils einem Kernbereich 1020 aus dotiertem Siliciumoxid und einem zweiten Bereich, einem Außenbereich 1030, aus undotiertem Siliciumoxid, der den Kernbereich 1020 umgibt, hergestellt (13). Um das Bündel 1000 herum wird ein Mantel in Form eines Rohrs 1040 aus undotiertem Siliciumoxid herum angeordnet. Aus dem ummantelten Bündel wird ein länglicher, geschmolzener Stab dadurch gezogen, dass er erwärmt und gestreckt wird, was auf eine im Stand der Technik gut bekannte Weise erfolgt. Der geschmolzene Stab wird in Segmente gleicher Länge zerschnitten, und aus diesen Stücken des geschmolzenen Stabs wird ein weiteres Bündel erzeugt. Dieses weitere Bündel wird innerhalb eines Mantels aus undotiertem Siliciumoxid platziert, und in ähnlicher Weise wird aus diesem weiteren Bündel ein weiterer geschmolzener Stab gezogen. Der Stab, der sich aus diesen drei Bündelungsschritten ergibt, ist in der 1 dargestellt. Aus den dotierten Kernen und den (jeweiligen) undotierten Außenbereichen der zunächst bereit gestellten Stäbe ergeben sich dotierte Bereiche 10 und undotierte Matrixbereiche 20. Die um diese Stäbe herum platzierten Mäntel bilden Matrixbereiche 30, und der um die weiteren Stäbe herum platzierte Mantel bildet einen Bereich 40. Das ummantelte Bündel wurde auch zu einem weiteren Stab gezogen, der mit Stäben in Form von Kapillaren gebündelt wurde. Auch dieses Bündel wird ummantelt und gezogen. Die Vorformelemente werden vor jedem Ziehvorgang unter Verwendung standardmäßiger, gut bekannter, industrieller Techniken gründlich gereinigt. Aus den Hohlkernen der Kapillaren ergeben sich längliche Löcher 50, und aus dem Material der Kapillarwände ergeben sich Bereiche 60. Aus der unvollkommenen Anordnung der Kapillarquerschnitte ergeben sich Zwischenraumlöcher 70.
Der Stab der 1 ist eine Vorform zum Herstellen einer optischen Faser. Der Stab wird, auf übliche Weise, gezogen, um eine Faser aus einem photonischen Kristall mit einem Durchmesser von 120 μm und einem Kerndurchmesser von 15 μm zwischen den innersten Luftlöchern herzustellen. 2 zeigt eine derartige Faser, die über ein Verhältnis des Lochdurchmessers d zur Lochschrittweite λ von d/λ = 0,3 verfügt. Die 3 zeigt eine Faser, die aus derselben Vorform gezogen wurde, jedoch so, dass sie über größere Löcher, mit d/λ = 0,55, verfügt. Verschiedene Lochgrößen werden dadurch erzielt, dass die Ziehspannung durch Kontrollieren der Temperatur des Ziehofens geändert wird.
Bei den gezogenen Fasern der 2 und 3 ist der Kernbereich 80 optisch homogen, obwohl er aus zylindrischen, dotierten Bereichen, die durch Matrixbereiche aus Siliciumoxid getrennt sind, gebildet ist (die Bereiche, in die die Zylinder eingebettet sind, sind in den 2 und 3 unsichtbar, jedoch entsprechen sie den dotierten Bereichen 10 und den Matrixbereichen 20 und 30 in der 1; bei dieser Ausführungsform hängen die Bereiche eines Matrixmaterials miteinander und mit dem Siliciumoxid der Ummantelung 82 aus einem Photonischen Kristall und dem Fasermantel 87 zusammen). Die Stufe im effektiven Brechungsindex beträgt ungefähr 0,001. Es ergibt sich optische Homogenität, da jeder der zylindrischen, dotierten Bereiche über einen Durchmesser von unter 250 nm verfügt, was klein im Vergleich mit der effektiven, transversalen Wellenlänge der geführten Lichtmode ist, die die Faser führen soll (in diesem Fall 1040 nm). Der Bereichfüllungsbruchteil des dotierten Glases beträgt einige wenige Prozent, so dass die sich ergebende Stufe im effektiven Brechungsindex unzureichend dafür ist, dass Führung von Licht innerhalb der Zylinder selbst auftritt.
Die 4 bis 12 zeigen andere Arten, gemäß denen Material mit einer Struktur mit einem Maßstab, der ausreichend klein dafür ist, dass das Material für Licht homogen erscheint, verwendet werden kann, um Fasern und andere Bauteile mit interessierenden Eigenschaften zu erzeugen.
Die optische Einzelmodefaser (das dargestellte Beispiel ist keine Faser aus einem photonischen Kristall) der 4 verfügt über Indexgradationsstruktur. Die Indexgradationsstruktur wird dadurch erzielt, dass dotierte Zylinder 110, 120 in einer Faser untergebracht werden, die hauptsächlich aus volumenmäßigem, undotiertem Siliciumoxid 130 besteht. Die Zylinder 110 werden so angeordnet, dass sie im Zentrum des Faserquerschnitts einen Sechseckbereich 140 bilden. Der Bereich 140 ist von sechs Sechseckbereichen 150, die aus Zylindern 120 bestehen, umschlossen. Die Sechseckbereiche 140, 150 ergeben sich aus dem Bündelungs- und Ziehprozess. Die Zylinder 110 (und in ähnlicher Weise die Zylinder 120) sind durch ein Matrixmaterial 160 getrennt, das sich aus den Außenbereichen aus undotiertem Siliciumoxid der Stäbe ergibt, aus denen das Material gezogen wird. Die Bereiche 140, 150 sind durch ein Matrixmaterial 170 getrennt, das sich aus einer Ummantelung der Stäbe beim Bündelungs- und Ziehprozess ergibt, und bei dieser Ausführungsform bestehen sie ebenfalls aus undotiertem Siliciumoxid. Die Bereiche 140, 150 selbst sind durch einen dicken Mantelbereich 140 umgeben, der dadurch erzeugt wird, dass die Mantelbildung eines Bündels mit den Vorformen für die Bereiche 140, 150 wiederholt wird.
Die Zylinder 110 bestehen aus mit Germaniumionen dotiertem Siliciumoxid. Derartiges dotiertes Siliciumoxid verfügt über einen Brechungsindex, der höher als der von volumenmäßigem Siliciumoxid ist. Die Trennung der Zylinder 110 ist klein im Vergleich mit der Wellenlänge des Lichts, das die zu verwendende Faser führen soll, und so ist der effektive Brechungsindex, wie ihn das Licht sieht, der Mittelwert des Brechungsindex n_Zylinder des dotierten Siliciumoxids und des Brechungsindex n_Matrix der undotierten Matrixbereiche zwischen den Zylindern 110. Der Durchmesser der Zylinder ist klein im Vergleich mit der Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts, und die absolute Variation des Brechungsindex ist klein, so dass der effektive Brechungsindex n_eff des Bereichs 130 näherungsweise wie folgt gegeben ist: neff = (nZylinderAZylinder + nMatrixAMatrix/(AZylinder + AMatrix) (5) wobei A_Zylinder und A_Matrix die Flächen sind, die die Zylinder und die Matrixbereiche im Bereich 140 einnehmen.
Die Zylinder 120 bestehen aus Siliciumoxid, das weniger stark dotiert ist. Jeder dieser Zylinder 120 verfügt so über einen Brechungsindex, der höher als der von volumenmäßigem Siliciumoxid, jedoch niedriger als der des dotierten Siliciumoxids in den Zylindern 110 ist. Der effektive Brechungsindex des Bereichs 150 ist so höher als der der Ummantelung 180, jedoch kleiner als der des Bereichs 140.
Der Brechungsindex, den das Licht sieht, das sich in der Faser ausbreitet, nimmt so vom Zentrum der Faser radial nach außen hin ab. Licht wird durch die interne Totalreflexion geführt, jedoch ist die Grenzfläche zwischen dem Kernbereich 110 und der Ummantelung 180 der Faser über einen Abschnitt des Faserdurchmessers verteilt, anstatt dass es sich um eine einzelne, abrupte Stufe handeln würde. So wirkt die Faser als Faser mit Indexgradation. Das Profil der Brechungsindexvariation kann in verschiedenen Fasern leicht dadurch eingestellt werden, dass die Dotiermittelkonzentrationen an verschiedenen Orten eingestellt werden.
Die Faser der 5 realisiert eine andere Vorgehensweise zum Bereitstellen einer Faser mit Indexgradation durch Bereitstellen einer Nanostruktur. Der zentrale Bereich 240 entspricht dem Bereich 140 in der 4. Jedoch sind Bereiche 250 aus Bündeln gebildet, bei denen Stäbe, die mit derselben Konzentration wie derjenigen der Stäbe, die den Bereich 240 bilden, mit undotierten Stäben vermischt vorliegen. Diese Anordnung von Stäben führt zu Bereichen 250 mit kleinerem Brechungsindex als im Bereich 240, und ferner sind Zylinder 220, die sich aus den dotierten Stäben ergeben, selbst im Bereich 250 so angeordnet, dass sie stärker zum Zentrum der Faser hin konzentriert sind, so dass der effektive Brechungsindex der Bereiche 250 selbst radial nach außen hin abnimmt.
Der Einzelmode-Wellenleiterlaser der 6 verfügt über einen sehr großen Kern 300, der unter Verwendung eines nanostrukturierten Materials aufgebaut wurde, um einen sehr kleinen, jedoch gleichmäßigen Brechungsindexunterschied zu erzeugen. Der Kern 300 verfügt über eine ungefähr rechteckige Anordnung von Sechseckbereichen 330, die Zylinder enthalten, die aus dotiertem Siliciumoxid bestehen, getrennt durch Matrixbereiche aus undotiertem Siliciumoxid.
Der Kern 300 ist in einen Innenmantel 340 (der aus volumenmäßigem, undotiertem Siliciumoxid besteht) eingebettet, um ein Pumpen über den Mantel zu erleichtern. Der Innenmantel 340 ist in einem Glasrohr 360 festgehalten, so dass sich ein äußerer Mantelbereich aus Luft 270 ergibt, der den Innenmantel 340 innerhalb des Rohrs 360 umgibt.
Die die Zylinder bildenden Bereiche 230 sind von zwei Typen. Diejenigen des ersten Typs, mit einem Brechungsindex n^Er _Zylinder, sind mit Erbiumionen dotiert, um für eine mittlere Verstärkung zu sorgen (sie sind auch mit Aluminium dotiert, um die Löslichkeit der Erbiumionen zu verbessern). Diejenigen des zweiten Typs, mit einem Brechungsindex n^Ge _Zylinder, sind mit Germanium dotiert, um den effektiven Brechungsindex des Kerns 300 zu kontrollieren. Der Durchmesser der Zylinder ist klein im Vergleich mit der Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts, und die Absolutvariation des Brechungsindex ist klein, so dass der effektive Brechungsindex des Kerns 300 näherungsweise wie folgt gegeben ist: neff = (nMatrixAMatrix + nGe ZylinderAGe Zylinder + nEr ZylinderAEr Zylinder/(AMatrix + AGe Zylinder + AEr Zylinder) (6)wobei A_Matrix, A^Ge _Zylinder und A^Er _Zylinder die Flächen sind, die von den Matrixbereichen, den mit Germanium dotierten Zylindern und den mit Erbium dotierten Zylindern im Querschnitt des Kerns 300 eingenommen werden.
Die Zylinder aus mehreren verschiedenen Materialien werden während des Bündelns und Ziehens wiederholt gemischt, um die Gleichmäßigkeit zu erhöhen.
Der effektive Brechungsindex des Kerns 300 wird so kontrolliert, dass die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern 300 und dem Innenmantel 340 ausreichend klein dafür ist, dass der Wellenleiter Licht führt, das sich in einer großen Einzelmode ausbreitet. Die Bedingung für den Einzelmodebetrieb ist gut bekannt. Die normierte Frequenz V muss kleiner als 2,405 sein, wobei in diesem Fall V2 = (4πA/λ2)(neff 2 – nMantel 2) (7) gilt, wobei A die Fläche des Kerns ist und n_Mantel der Brechungsindex des Mantels ist.
Es ist interessant, darauf hinzuweisen, dass dann, wenn dieselbe Menge an dotiertem Glas innerhalb eines einzelnen dotierten Bereiches enthalten wäre, die geführte Mode der Faser im dotierten Bereich einen sehr starken Spitzenwert zeigen würde. Um eine größere Modenfläche zu erzielen, müsste ein einzelner dotierter Bereich viel kleiner sein, und er würde demgemäß weniger Dotiermittelionen enthalten, wodurch sich die Absorption und die Verstärkung verringern würden.
Die optische Einzelmodefaser der 7 verfügt über eine unübliche Dispersionscharakteristik, die der von bekannten W-Indexfasern ähnlich ist. Die Faser besteht aus einem Kern 400, der durch einen Mantel 470 umgeben ist. Der Kern 400 enthält Sechseckbereiche 430, 440, 450, die jeweils Zylinder 410 aus mit Germanium dotiertem Siliciumoxid enthalten, getrennt von Matrixbereichen aus undotiertem Siliciumoxid. Der Bereich 430 wird aus gebündelten, dotierten Stäben gezogen. Der Bereich 450 wird ebenfalls aus gebündelten, dotierten Stäben gezogen, jedoch ist die Konzentration des Dotiermittels in den dotierten Kernen niedriger als dies für den Bereich 430 gilt. Der Bereich 440 wird aus einem Bündel gezogen, das Stäbe wie diejenigen enthält, aus denen der Bereich 450 gezogen wird, jedoch sind im Bereich 440 die dotierten Stäbe mit Stäben aus undotiertem Siliciumoxid vermischt. Der effektive Brechungsindex des Kerns nimmt so radial nach außen von einem Maximum im Bereich 430, über ein lokales Minimum im Bereich 440, ab, er nimmt im Bereich 450 auf eine größere Zahl zu (jedoch nicht so hoch wie im Bereich 430), und dann fällt er erneut auf den Index des volumenmäßigen Siliciumoxids, das den Mantel 470 bildet.
Die Faser der 8 ist eine Faser aus einem photonischen Kristall, in die ein photoempfindliches Material mittels eines nanostrukturierten Kerns 500 eingebaut wurde. Der Kern ist durch einen Ummantelungsbereich 530 aus einem photonischen Kristall umgeben, der durch einen Mantelbereich 570 umgeben ist. Der Ummantelungsbereich 530 verfügt über ein periodisches Array zylindrischer Löcher, die in einem Dreiecksgitter angeordnet sind, wobei sie durch volumenmäßiges Siliciumoxid verlaufen. Der Mantel besteht aus volumenmäßigem Siliciumoxid. Der Kern 400 wirkt als Defekt im photonischen Kristall, und Licht bestimmter Wellenlängen, für die eine Ausbreitung im photonischen Kristall aus geschlossen ist, kann sich im Defekt ausbreiten. Der Kern 500 verfügt über Sechseckbereiche 520, die wiederum aus Zylindern 510 bestehen, die durch Matrixbereiche aus undotiertem Siliciumoxid getrennt sind. Die Zylinder 510 bestehen aus mit Germaniumionen dotiertem Siliciumoxid. Mit Germanium dotiertes Siliciumoxidglas ist photoempfindlich, so dass sich der Brechungsindex des mit Germanium dotierten Siliciumoxids beim Belichten mit Licht ändert. Eine derartige Faser kann dazu verwendet werden, Faser-Bragg-Gitter durch Belichten mit Licht auszubilden, beispielsweise um einen optischen Resonator innerhalb der Faser auszubilden, oder um ein Wellenlängen-selektives Filter auszubilden.
Die Faser der 9 zeigt eine Verstärkung über zwei Wellenlängenbänder, die zentrisch an zwei unabhängigen Übergängen liegen, und so verfügt sie über ein erweitertes Verstärkungsspektrum. Ein derartiger Betrieb bei zwei Wellenlängen ist möglich, da die Faser über einen nanostrukturierten Kern 600 verfügt, der sowohl mit Ytterbiumionen als auch mit Erbiumionen dotiert ist. Ytterbium zeigt Verstärkung bei einer Mittenwellenlänge von ungefähr 1040 nm, und Erbium zeigt Verstärkung bei einer Mittenwellenlänge von ungefähr 1550 nm. Der Kern 600 ist durch eine Ummantelung 620 aus volumenmäßigem Siliciumoxid umgeben, und er verfügt über Sechseckbereiche 640. Jeder Sechseckbereich 640 wird aus einem Bündel von Stäben gezogen, von denen eine Hälfte mit Ytterbiumionen und eine Hälfte mit Erbiumionen dotiert wurde. Die Dotiermittelionen sorgen so über den Kern 600 hinweg für eine gleichmäßige Verstärkung bei beiden Laserwellenlängen. Da jedoch die Zylinder 610, die aus den dotierten Stäben gezogen wurden, durch volumenmäßiges Matrixmaterial in Form von Siliciumoxid (das vom äußeren, undotierten Teil jedes dotierten Stabs herrührt) auf der Nanometerskala räumlich getrennt sind, sind Energieübertragungseffekte zwischen den Dotiermittelionen verringert.
Die Fasern der 10 und 11 sind aufgrund der Symmetrien der Nanostrukturierung ihrer Kerne doppelbrechend. Die Faser der 10 verfügt über einen im Wesentlichen kreisförmigen Kern 700 aus vielen Zylindern 710 mit im Wesentlichen elliptischem Querschnitt, wobei die Ellipsen erheblich exzentrisch sind. Der Kern 700 ist hier aus einem Bündel von Stäben gezogen, die in einer Richtung orthogonal zu ihrer Längsachse abgeflacht wurden, so dass sie über einen elliptischen Querschnitt verfügen. Die zweifache Rotationssymmetrie jedes der Zylinder führt zu Doppelbrechung, da Licht, das in einer Richtung parallel zur Hauptachse jeder Ellipse polarisiert ist, einen anderen Brechungs index als Licht sieht, das in einer Richtung orthogonal zu dieser Richtung polarisiert ist. Da jedoch die Zylinder über Durchmesser verfügen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, die die Faser unterstützen soll, kann die Doppelbrechung als charakteristische optische Eigenschaft des nanostrukturierten Materials angesehen werden, statt als Struktur, die das Licht entsprechend der Skala des Faserquerschnitts beeinflusst. Der Kern 700 ist durch eine Ummantelung 770 umgeben.
Die Faser der 11 erzielt dasselbe Ergebnis – Erzeugung eines doppelbrechenden, nanostrukturierten Materials – durch Ziehen eines Rechteckkerns 800 aus einem Bündel von Stäben, die in diagonalen Reihen angeordnet sind. Über den Querschnitt der Faser hinweg bestehen die Reihen aus abwechselnden Stäben aus volumenmäßigem Siliciumoxid und Stäben aus mit Germanium dotiertem Siliciumoxid. In der Faser bilden die dotierten Kerne Zylinder 810, die ähnlich in Reihen angeordnet sind, und das undotierte Siliciumoxid bildet Matrixbereiche 820. Licht, das in einer Richtung parallel zu den Reihen polarisiert ist, sieht daher einen anderen Brechungsindex als Licht, das in einer Richtung orthogonal zu dieser Richtung polarisiert ist, so dass die Faser Doppelbrechung zeigt, erneut entsprechend der Skala des Materials statt der des Faserkerns. Die Ummantelung 870 umgibt den Kern 800.
Die Faser aus einem photonischen Kristall der 12 verfügt über einen Kern 900, der durch einen Ummantelungsbereich aus einem periodischen Array länglicher Löcher 950 (es sind nicht alle dargestellt) umgeben ist, der wiederum durch einen Mantel 970 umgeben ist. Der Kern 900 besteht aus Sechseckbereichen 930, von denen jeder über ein Array von Zylindern 910 verfügt, die aus einem Bündel von Stäben gezogen wurden. Wie es im vergrößerten Abschnitt der 12 dargestellt ist, verfügt jeder Zylinder über einen Innenbereich 912 und einen Außenbereich 970, und die Zylinder sind, wie bei den anderen veranschaulichten Ausführungsformen, durch eine Matrix 920 aus undotiertem Siliciumoxid getrennt. Die Innenbereiche 912 sind mit Germanium dotiert, so dass sie über einen Brechungsindex n^Ge _innen verfügen, der höher als der Brechungsindex n_Matrix von Silicium ist. Die Außenbereiche 917 wurden mit Fluor dotiert, so dass sie über einen Brechungsindex n^F _außen verfügen, der kleiner als der von Silicium. Die Zylinder werden aus Stäben gezogen, die dadurch hergestellt werden, dass ein mit Germanium dotierter Stab in einen mit Fluor dotierten Mantel eingeschlossen wird. Die Dotierungsgrade werden so gewählt, dass, da Bereiche mit erhöhtem Index und verkleinertem Index mit einem Maßstab auftre ten, der klein im Vergleich zur Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts ist, und da die Absolutvariation des Brechungsindex klein ist, der effektive Brechungsindex des Materials ungefähr dem Brechungsindex n^Si von volumenmäßigem Siliciumoxid entspricht: neff = (nMatrixAMatrix + nGe innenAGe innen + nF außenAF außen/(AMatrix + AGe innen + AF außen) = nSi (4)wobei A_Matrix, A^Ge _innen und A^F _außen die Flächen sind, die an den Matrixbereichen, den mit Germanium dotierten Bereichen beziehungsweise den mit Fluor dotierten Bereichen eingenommen werden. So können, durch Nanostrukturierung, die Dotiermittel in ein Material eingebaut werden, ohne dass der Volumenbrechungsindex dieses Materials geändert würde.
Ein anderes Beispiel einer Vorform 1100, die zur Verwendung bei einem Verfahren gemäß der Erfindung geeignet ist, ist in der 14 dargestellt. Die Vorform 1100 besteht aus einem Bündel von Stäben 1120, 1130. Die Stäbe 1120 bestehen aus mit Erbium dotiertem Siliciumoxid, wohingegen die Stäbe 1130 aus reinem Siliciumoxid bestehen. Die dotierten Stäbe 1120 liegen vermischt zwischen den Stäben 1130 vor, so dass sie in einem Quadratgitter vorliegen, während sich die Stäbe 1130 in einem Sechseckgitter befinden (die Stäbe 1120, 1130 bilden gemeinsam ein Dreiecksgitter).
Die Vorform 1100 wird zu einem Stab gezogen, der zu Stücken zerschnitten wird, die neu gebündelt und neu gezogen werden, bis die Schrittweite der Stäbe 1120 ausreichend dafür verringert ist, dass das sich ergebende Material für Licht einer ausgewählten Wellenlänge im Wesentlichen optisch homogen erscheint.
In der 15 ist ein anderes Beispiel einer Vorform 1200 dargestellt, die zur Verwendung bei der Erfindung geeignet ist. Die Vorform 1200 verfügt über mehrere Stäbe 1210. Die Stäbe 1210 sind mit Zinn dotiert, jedoch ist das Dotiermittel über den Stab hinweg nicht vollkommen homogen. Die Vorform 1200 wird gezogen, zerschnitten, neu gebündelt und neu gezogen, was wiederholt erfolgt, bis die Stäbe 1210 auf eine Größe verkleinert sind, die ausreichend klein dafür ist, dass die optischen Inhomogenitäten über ihren Querschnitt von einer Skala sind, die ausreichend klein dafür ist, dass sie für Licht einer ausgewählten Wellenlänge im Wesentlichen homogen erscheinen.

Claims

Optische Faser mit einem Kern, der ein festes Verbundmaterial zur Stützung der Ausbreitung von Licht einer Wellenlänge λ aufweist, wobei das feste Verbundmaterial mehrere längliche Bereiche in Form fester Zylinder, die durch Bereiche eines festen Matrixmaterials voneinander getrennt sind und eine Längsachse festlegen, aufweist und zur Stützung der Ausbreitung von Licht in eine im wesentlichen parallel zur Längsachse verlaufende Richtung eingerichtet ist, wobei jeder Zylinder aus einem Material hergestellt ist, das sich im Brechungsindex von einem benachbarten Bereich aus Matrixmaterial unterscheidet, und jeder Zylinder in Querrichtung eine ausreichend kleine Querschnittsfläche aufweist, so daß das Verbundmaterial im Kern für Licht der Wellenlänge λ im wesentlichen optisch homogen ist, wobei die Zylinder der Querschnittsfläche A aus einem Material mit dem Brechungsindex n_cylinder eingebettet in die Bereiche aus Matrixmaterial mit dem Brechungsindex n_matrix jeweils einen modifizierten V-Wert in bezug zur Wellenlänge λ aufweisen, der kleiner als 1 ist, wobei V folgendermaßen gegeben ist:
Optische Faser nach Anspruch 1, wobei die Bereiche ein dielektrisches Material oder einen Halbleiter aufweisen.
Optische Faser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bereiche ein Metall aufweisen.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bereiche nicht alle den gleichen Brechungsindex aufweisen.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einige der Bereiche mit einem Dotiermittel dotiert sind.
Optische Faser nach Anspruch 5, wobei die Dotierung eine Änderung des Brechungsindex bewirkt.
Optische Faser nach Anspruch 5 oder 6, wobei mindestens einige der Bereiche mit einem optisch aktiven Dotiermittel dotiert sind.
Optische Faser nach Anspruch 7, wobei das optisch aktive Dotiermittel das Material photoempfindlich macht.
Optische Faser nach Anspruch 8, wobei das optisch aktive Dotiermittel Germanium, Bor oder Zinn ist.
Optische Faser nach Anspruch 8 oder 9, wobei nicht alle der Bereiche in gleicher Weise dotiert sind, so daß nicht alle Teile des Materials gleich photoempfindlich sind.
Optische Faser nach Anspruch 7, wobei das optisch aktive Dotiermittel eine optische Verstärkung liefert.
Optische Faser nach Anspruch 11, wobei nicht alle der Bereiche mit dem gleichen optisch aktiven Dotiermittel dotiert sind, so daß eine Verstärkung bei zwei oder mehr verschiedenen Wellenlängen auftritt.
Optische Faser nach Anspruch 11 oder 12, wobei das optisch aktive Dotiermittel Ytterbium oder Erbium enthält.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem ausgewählten effektiven Brechungsindexprofil in der Ebene senkrecht zu den Längsachsen.
Optische Faser nach Anspruch 14, wobei das ausgewählte effektive Brechungsindexprofil ein allmähliches Abfallen des Brechungsindex in Radialrichtung ausgehend vom Mittelpunkt des Materials ist.
Optische Faser nach Anspruch 14, wobei das ausgewählte effektive Brechungsindexprofil ein regelmäßiges Polygon bildet.
Optische Faser nach Anspruch 14, wobei das ausgewählte effektive Brechungsindexprofil ein unregelmäßiges Muster bildet.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das ausgewählte effektive Brechungsindexprofil ein optisch dispersives Material bildet.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das ausgewählte effektive Brechungsindexprofil einen Wellenleiter mit einem Kern bildet, der einen größeren effektiven Brechungsindex als ein den Kern umgebendes Material aufweist.
Optische Faser nach Anspruch 19, wobei der Kern in seinem kleinsten Quermaß größer als 10 μm ist und die Differenz zwischen dem effektiven Brechungsindex des Kerns und dem des den Kern umgebenden Materials ausreichend klein ist, so daß der Wellenleiter eine Einzelmoden-Ausbreitung von Licht stützt.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material um keine Längsachse eine höhere Rotationssymmetrie als eine zweifache Rotationssymmetrie aufweist, so daß das Verbundmaterial doppelbrechend ist.
Optische Faser nach Anspruch 21, wobei das Material um keine Längsachse eine Rotationssymmetrie aufweist.
Optische Faser nach Anspruch 21, wobei das Material um eine Längsachse eine zweifache Rotationssymmetrie aufweist.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser der Zylinder weniger als ein μm beträgt.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brechungsindex der Zylinder niedriger als der der Bereiche aus Matrixmaterial ist.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Brechungsindex der Zylinder größer als der der Bereiche aus Matrixmaterial ist.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zylinder einen Innenbereich mit einem ersten Brechungsindex und einen den Innenbereich umgebenden Außenbereich mit einem zweiten Brechungsindex aufweisen, so daß der Brechungsindex des jeweiligen Zylinders ein zwischen dem ersten und dem zweiten Brechungsindex liegender effektiver Brechungsindex ist.
Optische Faser nach Anspruch 27, wobei der effektive Brechungsindex gleich dem Brechungsindex der Matrixbereiche ist.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zylinder im Matrixmaterial mit unterschiedlichen Dichten in verschiedenen Teilen des Materials verteilt sind.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bereiche aus Matrixmaterial nicht alle aus dem gleichen Material bestehen.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zylinder einander nicht alle gleich sind.
Optische Faser nach Anspruch 31, wobei die Zylinder nicht alle die gleiche Form aufweisen.
Optische Faser nach Anspruch 31 oder 32, wobei die Zylinder nicht alle die gleiche Querschnittsgröße aufweisen.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 31 bis 33, wobei die Zylinder nicht alle aus dem gleichen Material bestehen.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einige der Zylinder oder Bereiche aus Matrixmaterial mit einem Dotiermittel dotiert sind.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die aufgrund mechanischer Spannungen zwischen den Zylindern und Bereichen aus Matrixmaterial doppelbrechend ist.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren Doppelbrechung zumindest teilweise auf der Verteilung der Zylinder beruht.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zumindest teilweise aufgrund der Form der Zylinder doppelbrechend ist.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 37, wobei die Zylinder einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen optischen Verstärker darstellt.
Laser mit einer optischen Faser nach Anspruch 40.