WO2015121412A1 - Photonische kristallfaser, insbesondere single-mode-faser für den ir-wellenlängenbereich und verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Photonische kristallfaser, insbesondere single-mode-faser für den ir-wellenlängenbereich und verfahren zur herstellung derselben Download PDF

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photonic crystal
core
crystal fiber
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Bernd Hoppe
Wolfgang Mannstadt
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Schott Ag
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    • G02B6/102—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type for infrared and ultraviolet radiation

Definitions

  • Photonic crystal fiber in particular single-mode fiber for the IR wavelength range and method for producing the same
  • the invention relates to a photonic crystal fiber, in particular single-mode fiber for the IR wavelength range and a method for producing such a microstructured fiber in a drawing process.
  • Glass fibers for light conduction as they are often described, for example in Lexikon der Optik, pages 213-214, usually comprise a combination of two materials with different refractive index, one higher
  • refractive photoconductive core material encased in a lower refractive index material.
  • these are glass materials, with the glass material for the core light-conducting glass being different from the glass material of the sheathing glass having a lower refractive index.
  • Such fibers are referred to as so-called step index fibers.
  • Wavelength of the radiation have the highest possible transparency, so that the absorption losses in the fiber can be kept as low as possible.
  • a material for the transmission of CO2 laser radiation therefore a material must be used, which in the laser wavelength range of z. B. 9 ⁇ to 12 ⁇ wavelength has the highest possible transmission.
  • the only known class of material which is transparent enough in the stated wavelength range are the so-called chalcogenides. From this, core cladding fibers can be made, but with a relatively high absorption of 5 dB / m, i. Only 30% of the coupled radiation reaches the fiber output after 1 m of travel.
  • quartz glass tubes can be coated on the inside with silver for reflection of the CO2 laser radiation and thus transmission of the radiation in this glass tube over a certain distance of one to several meters for better transmission of CO2 laser radiation. Typical absorptions are in the range of more than 1 dB / m.
  • An alternative option is the inner coating of glass tubes with up to 40
  • Interference layers alternately consisting of a polymer and a chalcogenide glass. This is a reflectivity, for example, at 10 ⁇
  • Typical absorptions or attenuations are in the range of more than 1 dB / m.
  • All of these fiber tubes are non-modal, i. they are multimode fibers.
  • optical fibers are the so-called photonic crystal fibers, which are also referred to as photonic crystal fibers (PCF).
  • PCF photonic crystal fibers
  • the light conduction does not take place by the refractive index of different materials, for example different glasses, but by an effective generated by means of gas, in particular air
  • the effective refractive index difference within the glass produced by means of gas, in particular air is achieved by means of a hole structure arranged around the photoconductive core.
  • the photoconductive core may either be a solid material or a gas, in particular air or a noble gas, such. Argon.
  • the effective refractive index difference in the PCF fiber is achieved by a periodic hole structure arranged around the photoconductive core.
  • PCF fibers are made of quartz glass.
  • suitable glass tubes are assembled into a pre-form, wherein a tube is replaced centrally by a rod of the same size, which later forms the photoconductive core.
  • a pre-form contains up to several hundred individual tubes and usually has a diameter of 50 mm.
  • the pre-form is tapered to a 125 ⁇ fiber, with a scale reduction of the hole structure must be achieved.
  • the rod in the middle of the structure may be omitted while pulling the fiber to form a hollow core fiber.
  • PCF fibers made of tellurium glasses are known, which are transparent in the wavelength range of 3 ⁇ to 5 ⁇ .
  • the PCF fibers described in CN 10 298 1212 A are described as single-mode fibers, but CN 10 298 1212 A does not specify the sizes of the hollow core and gives no attenuation. Also, a method for drawing a thin fiber is not specified. Furthermore, no size data are given to the fibers after the drawing process.
  • Drawing process has become known, with two heaters are used.
  • heating takes place in two separate heating zones, which are arranged one behind the other.
  • materials which are heated by means of the device according to FR 2 606 866 polymers are described, in particular PMMA.
  • the inner region of the glass tube is heated from the inside by the open-top glass tube with radiation (by CO2 laser), which can not penetrate the glass from the outside.
  • microstructured fibers so PCF fibers, known in which it succeeds microstructured fibers, most preferably photonic
  • the fiber material is heated to a drawing temperature by means of a drawing process from a preform of the fiber, in particular the microstructured fibers, by means of at least one first heating device and at least one second heating device, the first heating device being a heating device, which provides a temperature which is above the softening temperature of the fiber material. Preference is given to the temperatures at which the
  • the second heating device is an IR heating device, as disclosed, for example, in WO 00/56674, whose disclosure content is fully included in the present application, with a temperature> 1300K, in particular> 1500K, in particular> 2000K, preferably> 2500K.
  • First and second heaters act substantially simultaneously in a single heating zone. In a single-stage heating, the preform of the fiber is then preferably heated from the outside.
  • the softening point T E w is the
  • Heavy flint glass z. B. the glass SF6 SCHOTT AG, Mainz, with a
  • US 2005/0025965 A1 discloses an optical glass fiber with a hollow core made of a chalcogenide glass.
  • the glass fiber known from US 2005/0025965 A1 is a photonic band gap glass fiber, a so-called "photonic band gap.”
  • From US 2005/0025965 A1 no arrangement has been known on hollow bodies which have been attenuated to less than 2 dB / m, preferably less than 1 dB / m, in particular less than 0.3 dB / m leads.
  • the crystal fiber is a mode-preserving crystal fiber.
  • the US 2012/0141080 A1 also shows a glass fiber with photonic
  • US 2012/0141080 A1 does not disclose any arrangements of the hollow tubes which result in low attenuation or mode preservation upon transmission
  • US 2008/0199135 A1 describes a glass fiber in which a cladding, which can be formed from a chalcogenide glass, surrounds a photoconductive core
  • the cladding itself has a large number of holes which are arranged in hexagonal cells, which in turn form a
  • there is no information on the arrangement of the hollow tubes around the core which leads to low attenuation.
  • the object is achieved by a photonic crystal fiber, which is designed in particular as a single-mode fiber, the ⁇ the transmission of electromagnetic radiation in the IR wavelength range with wavelengths> 1, in particular in the wavelength range 1 ⁇ to 14 ⁇ , preferably 9 ⁇ to 12 ⁇ with a photoconductive hollow core and a plurality of arranged around the photoconductive hollow core hollow bodies, in particular hollow tubes, from a
  • the photonic crystal fiber is characterized in that the hollow bodies are arranged such that the diameter D of the hollow core of the photonic crystal fiber is greater than the smallest wavelength to be transmitted, preferably at least 20 ⁇ , preferably at least 50 ⁇ , particularly preferably
  • Photonic crystal fibers having such low attenuations have not been disclosed in the art, and in particular, the prior art fibers and fabrication methods are not suitable for providing a low attenuation modal sustaining fiber for the transmission range of 9 ⁇ to 12 ⁇ wavelength.
  • the hollow bodies arranged individually around the light-guiding hollow core are arranged in a ring around the hollow core in so-called structural rings.
  • the inventors have found that only starting from a certain number of structure (hole) rings around the hollow core a low attenuation of, for example, below 2dB / m is achieved. This was surprising because the state of the art has suggested that a small number of structural rings, for example two, at most three structural rings around the hollow core are sufficient to obtain a good beam guidance. This assumption is based on the wavelength of the leading
  • Wavelength, d. H. at least two structural rings around the hollow core, should be sufficient to ensure the radiation guidance.
  • a number of at least 6 structural rings can result in attenuation, for example, less than 2dB / m.
  • an attenuation below 1 dB / m and 10 structural rings were attenuated below 0.5 dB / m attenuation. This can be explained by an evanescent field of radiation penetrating deeper into a medium than can be explained by classical laws of physics.
  • Chalcogenide glasses are glasses in whose network the glass-forming elements silicon and oxygen by germanium, arsenic and the heavier
  • the stated photonic crystal fiber is characterized by the fact that it has a high IR transmission on the one hand due to the use of chalcogenide glasses, on the other hand despite the very large diameter of the hollow core of at least 20 ⁇ , preferably at least 50 ⁇ , more preferably at least mecanic ⁇ a very low attenuation, preferably in the IR wavelength range> 1 ⁇ , preferably in the range 1 to 14 ⁇ , in particular 9 to 12 ⁇ , less than 2 dB / m, preferably 1 dB / m, preferably less than 0.3 dB / m , in particular less than 0.1 dB / m.
  • the low attenuation values are surprisingly achieved in particular when the hollow tubes have a specific geometry. So have the Surprisingly, the inventors found out that the hollow bodies have a circular or a hexagonal cross-section.
  • Attenuations ⁇ 2 dB / m preferably ⁇ 1 dB / m, in particular ⁇ 0.3 dB / m, more preferably ⁇ 0.1 dB / m, can be achieved when the hollow core has a non-circular structure as in the prior art but a polygonal
  • Cross section in particular a hexagonal cross section.
  • Hexagonal hollow core can achieve attenuation of 0.01 dB / m or less. Very particular preference is hexagonal cross sections of
  • Photonic crystal fibers which are characterized by a low attenuation, thereby show one of the following configurations: the hollow bodies are in the form of hollow tubes with a substantially circular inner cross section and with closed packing gaps, the hollow bodies are in the form of hollow tubes with substantially round inner and Outer cross sections and formed with open packing gaps,
  • the hollow bodies are dense packs of hexagonal hollow tubes, and the hexagonal hollow tubes are surface-connected, or
  • the hollow bodies are hexagonal hollow tubes with closed
  • the hollow bodies have a distance a from each other and the distance a> 5 ⁇ , in particular a> 10 ⁇ , preferably in the range of 5 to 50 ⁇ , preferably in the range 10 to 20 ⁇ , is at
  • Geometry condition which is determined by the ratio of the distance a through the transmitted wavelength ⁇ is then advantageous for the largely lossless transmission, if: a / ⁇ > 1, that is, for example, at a wavelength to be transmitted of 9 ⁇ the distance of the hollow fibers 9 ⁇ or greater.
  • the inventors have further surprisingly found that the attenuation depends on the degree of accuracy of the hole structure around the hollow core. This applies both to the distance between two holes, which has been denoted by a, and the diameter of the holes themselves.
  • the geometry is complied with, ie. H. the holes are either perfectly round or perfectly hexagonal depending on how the structure should look. Oval holes or deviations in the diameters of adjacent holes should be avoided.
  • the damping increases. For round holes with a diameter of holes of 10 ⁇ 4% would mean that the holes 9,6 ⁇ or 10,4 ⁇ may be large. This also applies to all sizes (distance, diameter, change from adjacent holes). From a deviation of 10% is the
  • the inventors have further recognized that the guiding behavior in the fiber also depends on the refractive index of the material, in particular the glass material depends. If a structure is determined for a particular value of the
  • Refractive index n shows sufficiently good guidance, it has been shown that small deviations of about 10% already significantly increase the attenuation. For example, it is not possible to transfer a design of a PCF for a specific material with refractive index ni to a material with refractive index n 2 .
  • the damping is due to the combination of structure and glass type, ie the
  • Wavelength range influenced It is particularly preferred if the fiber structure comprises a glass type with refractive index n of 2.0-2.7, so that the fiber has a fundamental mode at 10 ⁇ wavelength. Refractive powers n ⁇ 2 then lead to high coupling-out of the radiation in the structure, which leads to high attenuation. It is particularly preferred if the photonic crystal fibers from a
  • Chalcogenide consist of at least one of the following elements:
  • Germanium (Ge) Germanium (Ge)
  • chalcogenide infrared glasses are chalcogenide infrared glasses from SCHOTT AG, Mainz. These are, for example, the glass IG2 of SCHOTT AG, Mainz, a Ge33.As12.Se55 infrared-transparent chalcogenide glass for infrared radiation in the range of 3 to 5 ⁇ and 8 to 12 ⁇ .
  • a fiber with a hollow core of at least 20 ⁇ , preferably at least 50 ⁇ , more preferably at least 100 ⁇ diameter for transporting laser radiation in single-mode operation is provided for the first time.
  • Known structures from the prior art have hollow core sizes of less than 20 ⁇ , which is not sufficient for practical use.
  • the invention discloses for the first time the combination of hollow core sizes greater than 20 ⁇ , preferably at least 50 ⁇ , more preferably at least 100 ⁇ in combination with single-mode transmission while low attenuation of ⁇ 2dB / m for a photonic crystal fiber.
  • the invention is characterized by a combination of the material class of chalcogenide glasses with a preferred refractive index n> 2 in the IR wavelength range and mikrostru cured hollow core fibers, wherein the
  • Structure has a hollow core diameter of> 20 ⁇ , preferably at least 50 ⁇ , more preferably at least auf utilizat ⁇ and allows the transport of single-mode laser radiation with a loss less than 2dB / m.
  • the invention also provides a method for producing such a photonic crystal fiber.
  • such fibers can only be produced by special drawing methods, as described in DE 10 201 1 103 686 A1, with sufficient precision.
  • Cooling the fiber from outside e.g., by water or gas flow
  • internally by gas flow in the structure or hollow core
  • a conventional electric heater which may be, for example, the first heater
  • the hollow structure Furnace atmosphere to the surface of the preform, which is a hollow body transmitted and from there by conduction into the interior of the hollow structure, the hollow structure is a particularly high thermal resistance, and the temperature gradient increases sharply in this region of the preform. It is then necessary to heat the surface of the outer structure beyond the actually necessary drawing temperature, so that the interior of the hollow structure can be heated
  • Heating device such as designed as an electric heater first heater is therefore not possible.
  • the sole use of a second heating device which is based essentially on an IR heater that emits locally infrared radiation, is not possible. Although the infrared radiation can freely affect the exterior of the structure
  • Heating device i. the usually conventional heating elements, only as much heat energy is introduced into the exterior of the structure, as is necessary to bring the outer structure, in particular the cladding tube, exactly to the drawing temperature for a subsequent drawing process.
  • heating with infrared radiation it is only necessary to transport so much energy into the internal structure or
  • the outer structure and the hollow structure influence each other, and there is a certain heat exchange.
  • the drawing temperature is preferably in one
  • the viscosity of the fiber material in the range ⁇ 10 4 to 10 8 dPasliegt.
  • the height of the pressure should be selected so that exactly the amount of surface tension is compensated for and the desired structure size is established. In particular, it is possible by applying an overpressure to adjust the structures targeted.
  • the method preferably heats from room temperature simultaneously to both heaters in a single common heating zone and thus produces a homogeneous temperature field.
  • This avoids a geometric change in the internal microstructure in contrast to a method according to DE 37 04 054. Namely, in the method according to DE 37 04 054, by heating the inner portion of the glass tube from inside through the glass tube open at the top with radiation (by CO2 laser) which can not penetrate the glass from the outside, the glass tube is collapsed.
  • the drawn glass material according to the invention is a chalcogenide glass, preferably the chalcogenide glass IG6 from SCHOTT AG, Mainz
  • the tube is replaced by a rod of the same diameter either in the center of the preform before the fiber drawing, which later forms the photoconductive core or central inner tubes, for example, seven pieces removed, so that a hollow core is formed, which later forms the light-conducting part.
  • the thus assembled shape is tapered in a first drawing step, for example with a fiber draw tower, with a conventional electric heater.
  • the hollow core can be stabilized by inserting a support tube which is thin-walled and bears against the hollow core on the inside. If the tube is thin-walled, it does not affect the bandgap effect and does not disturb it.
  • the glass transition temperature necessary for drawing is included
  • the glass transition temperature required for drawing from the mold into the preform depends on the diameter of the fiber to be drawn, between 10K to 100K, in particular 20K to 60K, above the softening point with a viscosity of 10 7.6 dPas ,
  • a conventional electric heating unit As a result of the first drawing step, the individual tubes stick to their surface along the axis of the mold, so that a solid rod having a hole structure is produced.
  • the structure of the individual tubes in the structured rod is scaled down to scale. In the first drawing step, however, the hole diameters obtained are still so great that collapse due to surface tensions does not occur.
  • such a diameter is achieved by surrounding the rod obtained in the first drawing step with a thick-walled cladding tube of the same material.
  • the temperature at which the second drawing process according to the invention is carried out with two heating units is in the range of 10K to 100K
  • Fiber material in particular glass material.
  • Temperature measuring device used a pyrometer. With the help of a pyrometer, it is possible to detect and evaluate the heat radiation emitted by a body. Since the heat radiation depends on the temperature in its intensity, it is possible with the help of the pyrometer to determine the temperature.
  • a pyrometer is preferably used depending on the type of material, in particular for example of the type of glass, in which the material or the glass is transparent to the measuring location for the radiation used by the pyrometer.
  • temperatures determined by means of the temperature measuring device, in particular of the pyrometer are used for this purpose
  • Heating power of the heaters to influence, in particular to regulate.
  • the pyrometer measurement it is possible to make a statement about the heating of the preform and to control the heating device accordingly so that the desired drawing temperature is achieved.
  • a photonic crystal fiber having an arrangement of the hollow bodies in a structure at a distance a of
  • Hollow body and / or a cross section of the hollow body are produced with each other.
  • the method is characterized in that deviation of the
  • a and / or the cross section of the hollow body for different hollow body less than 10%, preferably less than 4%, in particular less than 1%.
  • a preform may comprise more cores so that a multi-core microstructured fiber can be drawn from such a preform.
  • a coating of the fiber for example with a plastic layer, can be carried out directly after the drawing process according to the invention.
  • UV-curing acrylate is particularly preferred here.
  • the invention also provides a laser device comprising such a crystal fiber.
  • Fig. 1 shows a cross section through a photonic inventive
  • Figures 3f-3j show modes in the fiber at different geometry
  • FIG. 4a shows a pre-preform of a microstructured fiber as a basis for a first drawing step
  • FIG. Fig. 4b shows a multifiber rod after performing the first drawing step, yielding the preform (preform) for the second drawing step with two heaters
  • FIG. 1 the cross section through a hollow core fiber according to the invention is shown as a photonic crystal fiber according to the invention in cross section.
  • the complete fiber is designated 1.
  • the fiber after the double drawing process has a cladding tube 3.
  • the cladding tube 3 is usually applied to the pre-form after the first drawing process and serves to stabilize the fiber in the second drawing process at a draw ratio, for example 200.
  • the cladding tube is also referred to as cladding.
  • the determined by the cladding fiber outer diameter ÜFaser the total fiber is 450 ⁇ to 1000 ⁇ .
  • Cross section of the individual tubes 10 could also be hexagonal, as shown in Figures 2c to 2e.
  • the plurality of individual tubes 10 forms a structure 40, which is surrounded by the cladding tube 3.
  • the diameter of the structure 40 consisting of a plurality of individual hollow tubes 10, in the present embodiment is 350 ⁇ .
  • the diameter of the structure 40 is marked Dstmktur.
  • a hollow core 5 In the middle of the assembled structure of individual tubes 10 structure 40 is a hollow core 5, which, in contrast to the structure 40, also has a hexagonal contour and a diameter D Ho hi of 130 ⁇ arranged in the final fiber after the second drawing process.
  • Hollow core 5 is responsible for the very good damping behavior of the illustrated fiber. 1
  • the attenuation of the fiber is in the range of 0.2 to 0.01 dB / m.
  • Structural rings which are arranged around the hollow core, namely the first
  • Other structural rings, such as the third structural ring are not shown, but join in the same way.
  • the shape of the structural rings 50.1, 50.2 for present embodiment is, without limitation, that of a hexagon.
  • the inventors have recognized that the attenuation is significantly influenced by the number of structural rings. For example, 6 structural rings can be attenuated below 2 dB / m, 8
  • Structural rings lead to attenuation below 1 dB / m and 10 structural ring to attenuation below 0.5 dB / m.
  • the tubes 10 are for different structural types
  • the glass material between the individual tubes 10 is 1 1
  • Wavelength ⁇ of 10.6 ⁇ and a distance a of the individual holes equal to 10.6 ⁇ follows for the Geometriebonditionung a value of about 1
  • the illustrated embodiment in Figure 2a is due to the substantially hexagonal outer shape of the hollow core 5 having a diameter D of 130 Ho hi ⁇ a photonic crystal fiber with attenuation provided m ⁇ 0.01 dB /.
  • the space between the individual hollow tubes is made with glass material 1 1.
  • FIG. 2b shows an alternative embodiment of a structuring with respect to FIG. 2a.
  • the cross section of the individual hollow tubes 10 is again a round, but is not between the individual hollow tubes of the space 14 with a
  • the diameter D Ho hi of the hollow core 5 of the structure 40 shown in Figure 2b is approximately 1 17 ⁇ .
  • the intermediate space 14 between the hollow tubes 10 is not filled with a glass material and the glass material is made available only through the wall n of the hollow tubes.
  • the attenuation of the structure in Figure 2b is approximately 0.01 dB / m.
  • FIG. 2c shows a further variant of the invention.
  • the structure is achieved by placing hollow tubes 20 into one another with a hexagonal cross section.
  • the hollow core 5 then has a non-round shape, in the present case, the contour is hexagonal with edges
  • Diameter of a hexagonal honeycomb is 0.48 xa, the diameter of the hollow core 5 D Ho hi about 1 15 ⁇ . Due to the very irregular shape of the hollow core 5, the loss of attenuation of a structure as shown in Figure 2c is relatively high at about 0.2 dB / m.
  • Interspace 24 between the individual hollow tubes 20 with hexagonal cross section no glass material is present, analogous to the embodiment according to FIG. 2b.
  • the diameter of the hollow core 5, which essentially has a hexagonal outer diameter, is D Hoh i approximately 109 ⁇ .
  • an attenuation of ⁇ 1 dB / m is measured.
  • FIG. 2e shows a structure that differs from FIG. 2d in that between the individual hollow tubes 20, which have an essentially hexagonal cross-section, the gaps 24 are filled with glass material 21.
  • the hollow tubes 20 have a hexagonal
  • the gaps 24 are, however, as in the embodiment of Figure 2a, filled with glass material 21st
  • the hollow core 5 again has in
  • FIGS. 2 a to 2 e The different types of structures shown in FIGS. 2 a to 2 e are summarized in tabular form in FIGS. 3 a to 3 e, wherein the
  • FIG. 3b shows a photonic crystal fiber in which the hollow bodies are designed in the form of hollow tubes with substantially round inner and outer cross sections and with open packing gaps.
  • FIG. 3c the photonic crystal fibers on the hollow body in the form of dense packs of hexagonal hollow tubes, wherein the hexagonal hollow tubes are surface-connected.
  • FIG. 3e shows photonic crystal fibers in which the hollow bodies are designed as hexagonal hollow tubes with closed packing gaps.
  • FIGS. 3f-3h show the attenuation of the fundamental mode in a crystal fiber as a function of the accuracy of the hole structure.
  • the damping also depends on the degree of accuracy of the hole structure around the hollow core. This affects both the distance between two holes (labeled a) and the diameter of the holes themselves. It is also critical that the holes are either perfectly round or perfectly hexagonal, depending on how the structure should look. Oval holes or deviations in the diameters of adjacent holes will cause the damping to increase as the pattern accuracy deviates by more than 4%. If the diameter of the holes is 10 ⁇ , a deviation of 4% will allow the holes to assume dimensions of 9,6 ⁇ or 10,4 ⁇ . This applies to all sizes (distance, diameter, change from adjacent holes) from a deviation of 10% The damping is so high that no radiation can be effectively transported through a fiber longer than 50cm. This is shown in FIGS. 3f-3h.
  • FIGS. 3i-3j show the dependence of the mode guide on the refractive index of the underlying glass with the same structure. If a structure is determined which shows sufficiently good guidance for a given value of the refractive index n, small deviations of about 10% already lead to a significant increase in the attenuation. For example, it is not possible to design a PCF for a particular material with refractive index ni
  • FIG. 3i shows the basic mode for a specific geometric arrangement.
  • the refractive power is changed by one with respect to Fig. 3i, resulting in a complete loss of the guiding behavior for radiation of the same wavelength. This means that if a fiber structure in combination with a glass type z. B. to a refractive index n of 2.0-2.7, optimized a refractive index n ⁇ 2 to extremely high
  • Coupling of the radiation in the structure leads, so that no light mode is performed.
  • FIG. 4 a is a pre-preform of a microstructured fiber which is drawn into a preform (preform) in a first step and then in a second drawing or drawing process is drawn to the desired mikrostruktu erten fiber shown.
  • microstructured fiber or photonic crystal fiber consists of several, juxtaposed tubes or tubes 100.
  • the tubes of the material in particular the technical or optical glass from which the complete glass fiber is to be produced.
  • the pipes are made
  • the outer diameter D out of the tubes is for example 4 mm and the inner diameter D inn en 3 mm, with solid material, the cylindrical body or the tube has only one
  • the pre-pre-form as shown, consists of side-by-side tubes with 4 mm outer diameter, the total diameter of the Pre-Pre-form number of tubes x 4 mm. With 15 pipes, the
  • a pre-form ie, a preform, for example with a 10-fold lower outer diameter which is, for example D aU SEN (pre-form) 6 mm.
  • the preform which is shown in FIG. 4b, is further processed in a second drawing step using the method according to the invention.
  • the pre-form is introduced with an outer diameter D aU SSE n of 6 mm, for example, in a hollow cladding tube and a cladding such that the cladding tube completely surrounding the pre-form.
  • the diameter of the opening of the cladding tube, in which the pre-form is inserted corresponds approximately to the outer diameter of the pre-form, ie about 6 mm.
  • the preform is drawn together with the surrounding cladding tube.
  • the outer diameter of the cladding tube is inside lying fibers, for example, 400 ⁇ and the hollow core more than 20 ⁇ , preferably at least 50 ⁇ , more preferably at least ⁇ ⁇ ..
  • the length D L of the pre-pre-form, the pre-form and the fiber may be one meter or more.
  • central inner tubes for example seven, have been removed to form a hollow core 120, which later forms the photoconductive member.
  • the pre-preform is tapered to a diameter D new by drawing from 60 mm to, for example, 6 mm.
  • the drawn and tapered preform 135 is shown in Figure 4b.
  • the individual tubes of the mold 1 10, as shown in FIG. 4 a bond to the surface thereof along the axis 140 of the mold 1 10, so that a solid rod with a
  • Hole structure with a hollow core 130 is formed.
  • the individual tubes 100 are scaled down in scale in this structured rod.
  • the preform according to FIG. 4b is introduced into a cladding tube, for example with an outer diameter of 25 mm, and then the second drawing process according to the invention is carried out.
  • the total diameter of the fiber D Fa ser is after pulling about 400 - 1000 ⁇ .
  • a fiber with a diameter of 400 - 1000 ⁇ as shown in Fig. 5, to As is described above, it is advantageous to draw the bar obtained in the first drawing step in FIGS. 4a and 4b, the so-called pre-form with a
  • the diameter of the fiber, not shown, with such a cladding tube is then 25 mm.
  • Reference numeral 210 denotes the individual tubes with reference numeral 200 and the hollow core with reference numeral 230.
  • the enveloping body surrounding the hole structure is designated by reference numeral 250. As stated above, the enveloping body is placed around the preform 135 after the first drawing process, giving the starting shape with a diameter of 25 mm for the fiber drawing process according to the invention.
  • Heating the envelope body 250 causes and a second heater, which causes the heating of the hollow structure with holes and hollow core to the light pipe.
  • the two heaters act in a single heating zone on the preform, which is heated substantially simultaneously or simultaneously.
  • the preform thus acts from the outside in one stage.
  • heating unit is a conventional heating unit.
  • Heating for the enveloping body and heating of the hollow structure, consisting of holes and hollow conductive core, which is surrounded by the enveloping body, with the help of IR radiation sources during the drawing process is shown in detail in FIG. Shown in FIG. 6 is the drawing tower 1000 into which the preform with enveloping body as described is introduced. The pre-form with enveloping body is pulled by a drawing process at a drawing temperature, which is adjusted by means of the heating device according to the invention. The drawn fiber is designated 1 100.
  • the device comprises two heating devices.
  • the second heating device 1200 which in the present embodiment comprises a total of four IR radiators 1201 .1, 1201 .2, 1201 .3, 1201 .4.
  • the IR emitters used can be halogen IR emitters with a rated power of 2000 watts at a voltage of 230 V, which preferably have a color temperature of 2400K. These IR emitters have according to the Wien'schen
  • the heating cavity 1300 ensures that the heating of the glass to be drawn takes place partly directly through the IR radiation of the IR emitters and secondly indirectly through the walls, the Ceiling and / or the bottom of the IR radiation cavity reflected or backscattered IR radiation. It is particularly advantageous if the proportion of indirect, i. the backscattered or reflected radiation on the glass to be heated or
  • Glass ceramic blank here the fiber to be drawn 1 100, acts, more than 50%, preferably more than 60%, preferably more than 70%, preferably more than 80%, more preferably more than 90%, in particular more than 98%.
  • a particular advantage of using an IR radiation cavity is that when using highly reflective and / or backscattering wall, floor and / or ceiling materials is a high-quality resonator, which is associated with only low losses and therefore a high
  • IR emitters and backscattering materials are also possible as wall, ceiling and / or floor materials or coatings of the IR radiation cavity, for example one or more of the following materials:
  • the IR radiators have a color temperature which is preferably> 1500K, more preferably> 2000K, most preferably> 2400K, in particular> 2700K, most preferably> 3000K.
  • IR emitters are advantageously cooled, in particular air or water cooled (not shown).
  • the fiber to be drawn 1 100 and the IR rays 1201 .1, 1201 .2, 1201 .3, 1201 .4 is in the illustrated embodiment a metal sleeve 1500 with openings 1600.1, 1600.2, 1600.3, 1600.4, 1600.5, 1600.6, 1600.7, 1600.8 arranged.
  • the metal sleeve 1500 with opening is a so-called radiation perturbation, which is introduced between the IR heating elements and the fiber to be pulled 1 100.
  • the metal sleeve 1500 or the radiation interfering body itself heats up to a specific temperature and thus itself to the heating element, in this case the first heating element, the convective and radiation releases heat in the direction of the pulling fiber 1 100.
  • a portion of the radiation of the IR heating elements passes through the openings, z. B. axial slots on the circumference of the hollow cylinder to the preform or to be pulled fiber and from there into the interior of the preform, ie in the hollow structure.
  • This IR heater is referred to as a second heating element.
  • First and second heating elements together heat the glass body to be drawn.
  • active cooling or additional heating may be provided on the metal sleeve 1500 (not shown)
  • the quartz glass tube 1700 is highly transparent for wavelengths from 200 nm to 4000 nm, ie from the UV range far into the IR range, with a transmission of more than 80%, in particular more than 90%.
  • the drawing of the fiber takes place within the quartz glass tube 1700 in a largely hermetically sealed volume. This has the advantage that no convection occurs and soiling is largely avoided. By doping or coating this tube, in addition, the temperature homogeneity can be adjusted.
  • the chalcogenide glass IG6 from SCHOTT AG (as a chalcogenide glass) was grown to a photonic crystal fiber
  • Inner diameter 2.6 mm tapers.
  • One such pre-form contains 15 hexagonal rings of tubes plus a tube at the center of the pre-form.
  • the innermost 5 rings which are exactly around the center of the pre-form incl.
  • the middle tube in the center of the pre- Form itself, are taken without substitution.
  • This cavity forms the later light-conducting hollow core, which is denoted by 5 in FIGS. 2a-2e.
  • the preform is then in a first drawing step with a
  • Fiber draw tower tapered to a diameter of 10.5 mm with conventional electric heating.
  • the desired hole size 1 1, 28 ⁇
  • the total diameter of the fiber should be 500 ⁇ , a corresponding draw ratio (ratio Pre-form diameter to fiber diameter) must be set.
  • Diameter Such a single fiber consisting only of extremely thin-walled tubes without a solid outer fiber protective layer and provides for both the subsequent handling and for the drawing process itself a great
  • Diameter of 15 mm This is done by sheathing the im obtained first drawing step obtained 10.5 mm rod with a cladding tube of the same material, whose inner diameter is exactly adapted.
  • the final assembled pre-form obtained in this way is now tapered in a second drawing step, as described above, at a furnace temperature of about 240 ° C to a diameter of 500 ⁇ .
  • an 8-14 m pyrometer For this purpose, an optical access from the outside into the interior of the heating unit must be present up to the surface of the pre-form. If you want to determine a temperature from inside the pre-form, say from the surface of the inner structure, you have to use a pyrometer with a wavelength at which the glass is transparent up to the measuring location.
  • a coating of the fiber was connected with a plastic layer to increase the strength.
  • the final fiber was passed through a coating die, which has coated the fiber with a liquid 50 ⁇ thick acrylate layer.
  • a UV irradiation of the UV-curing acrylate for which a
  • UV source which was placed around the fiber was used.
  • the length of the UV path should be chosen in such a way that depends on the
  • the residence time in the UV irradiation zone is so high that the acrylate can cure completely.
  • the winding of the fiber takes place on a suitable coil with a diameter of for example 400 mm.
  • the invention thus for the first time specifies a photonic crystal fiber with which it is possible to transmit electromagnetic radiation in the IR wavelength range from 5 ⁇ to 15 ⁇ largely loss-free, ie. with attenuations ⁇ 2 dB / m, preferably ⁇ 1 dB / m, in particular ⁇ 0.1 dB / m. This allows the
  • the photonic is suitable
  • Crystal fiber in particular for use in CO 2 laser devices.
  • a method for producing the same from a pre-form largely without change in shape or without collapsing of the microstructure is given in a drawing process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine photonische Kristallfaser, insbesondere Single-Mode-Faser für die Übertragung elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich > 1 µm, insbesondere im Wellenlängenbereich 1 µm bis 20 µm, bevorzugt 9 µm bis 12 µm, mit einem lichtleitenden Hohlkern, insbesondere eines Hohlkernes mit einem Durchmesser D und mehrere um den lichtleitenden Hohlkern angeordnete Hohlkörper, insbesondere Hohlrohre aus einem Chalkogenidglas. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (10, 20) derart angeordnet sind, dass der Durchmesser D des lichtleitenden Hohlkernes größer als die kleinste zu übertragende Wellenlänge, bevorzugt mindestens 20 µm, bevorzugt mindestens 50µm, besonders bevorzugt mindestens 100µm ist, bevorzugt im Bereich 100 µm bis 500 µm, insbesondere im Bereich 150 µm bis 350 µm liegt und die Dämpfung für die Übertragung von elektromagnetischer Strahlung < 2 dB/m, insbesondere < 1 dB/m, bevorzugt < 0,3 dB/m, insbesondere < 0,1 dB/m ist.

Description

Photonische Kristallfaser, insbesondere Single-Mode-Faser für den IR- Wellenlängenbereich und Verfahren zur Herstellung derselben
Die Erfindung betrifft eine photonische Kristallfaser, insbesondere Single-Mode- Faser für den IR-Wellenlängenbereich und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen mikrostrukturierten Fasern in einem Ziehprozess.
Glasfasern zur Lichtleitung, wie sie vielfach beschrieben werden, beispielsweise in Lexikon der Optik, Seiten 213-214, umfassen üblicherweise eine Kombination zweier Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex, einem höher
brechenden lichtleitenden Kernmaterial, das ummantelt wird von einem Material mit niedrigerem Brechungsindex. Im Allgemeinen handelt es sich hierbei um Glasmaterialien, wobei sich das Glasmaterial für das lichtleitende Kernglas von dem Glasmaterial des ummantelnden Glases mit niedrigerem Brechungsindex unterscheidet. Mit einem derartigen Aufbau kann Licht durch Totalreflektion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel entlang der Achse der Faser im Kern geführt werden, ohne dass das Licht durch den Mantel nach außen tritt. Derartige Fasern werden als so genannte Stufen indexfasern bezeichnet. Bei einer derartigen Faser muss das Kernglas für die gewünschte zu führende
Wellenlänge der Strahlung eine möglichst hohe Transparenz aufweisen, damit die Absorptionsverluste in der Faser möglichst gering gehalten werden können. Zur Transmission von CO2-Laserstrahlung muss deshalb ein Material genutzt werden, welches im Laserwellenlängenbereich von z. B. 9 μιτι bis 12 μιτι Wellenlänge eine möglichst hohe Transmission hat. Die einzig bekannte Materialklasse, die im genannten Wellenlängenbereich transparent genug ist, sind die sogenannten Chalkogenide. Daraus lassen sich Kern-Mantelfasern herstellen, die aber eine relativ hohe Absorption von 5 dB/m aufweisen, d.h. nur 30 % der eingekoppelten Strahlung erreichen den Faserausgang nach 1 m Wegstrecke.
Derartige Fasern können aber nur mit extrem kleinen Laserleistungen von wenigen Watt belastet werden, da die sehr hohe Absorption für höhere Leistungen zu einer starken Erwärmung und damit Zerstörung der Faser führt. Für eine industrielle Anwendung sind diese Fasern deshalb nicht geeignet.
Alternativ zu den oben beschriebenen Fasern können zur besseren Transmission von CO2-Laserstrahlung Quarzglasrohre innen mit Silber zur Reflexion der CO2- Laserstrahlung und damit Transmission der Strahlung in diesem Glasrohr über eine gewisse Strecke von ein bis mehreren Metern beschichtet werden. Typische Absorptionen liegen dabei im Bereich von mehr als 1 dB/m. Eine alternative Möglichkeit ist die Innenbeschichtung von Glasrohren mit bis zu 40
Interferenzschichten abwechselnd bestehend aus einem Polymer und einem Chalkogenidglas. Damit wird eine Reflektivität beispielsweise bei 10 μιτι
Wellenlänge erzielt, so dass die CO2-Laserstrahlung an der Innenwand reflektiert und damit in einem solchen Faserrohr transmittiert wird. Typische Absorptionen bzw. Dämpfungen liegen im Bereich von mehr als 1dB/m.
Alle diese Faserrohre sind nicht modenerhaltend, d.h. es handelt sich um multi- moden Fasern.
Beide Varianten mit beschichtetem Innenrohr haben den Nachteil, dass bedingt durch die hohe Absorption nur ein gepulster Laserbetrieb mit niedriger
Laserleistung möglich ist, da sich sonst die Fasern auf Grund der Absorption aufheizen und zerstört werden würden. Auch bei niedrigen Leistungen beträgt die Lebensdauer einer solchen Faser nur wenige Betriebsstunden. Deshalb werden solche Fasern meist zur Einmalbenutzung, z. B. für medizinische Anwendungen in der Laserchirurgie verwendet. Außerdem besitzen diese Faserrohre einen sehr großen Innen- bzw. Außendurchmesser von bis zu 1 mm, was nur einen sehr großen Biegeradius erlaubt.
Eine andere Art von optischen Fasern stellen die sogenannten photonischen Kristallfasern, die auch als photonic-crystal-fibres (PCF) bezeichnet werden, dar. Bei derartigen Glasfasern erfolgt die Lichtleitung nicht durch den Brechungsindex unterschiedlicher Materialien, beispielsweise unterschiedlicher Gläser, sondern durch einen mittels Gas, insbesondere Luft erzeugten effektiven
Brechungsindexunterschied innerhalb des Materials. Betreffend derartige Fasern wird beispielsweise auf P. St. J. Rüssel,„Photonic Crystal Fibres", Science 299, 358 - 362 (2003) verwiesen sowie P. St. J. Rüssel„Photonic Crystal Fibres", J. Light Wave Technology, 24(12), 4729-4749 (2006), deren Offenbarungsgehalt voll umfänglich in vorliegende Anmeldung mit aufgenommen wird. Der mittels Gas, insbesondere Luft erzeugte effektive Brechungsindexunterschied innerhalb des Glases wird durch eine um den lichtleitenden Kern angeordnete Lochstruktur erreicht. Der lichtleitende Kern kann entweder ein Vollmaterial sein oder ein Gas, insbesondere Luft oder ein Edelgas, wie z. B. Argon.
Der effektive Brechungsindexunterschied in der PCF-Faser wird durch eine um den lichtleitenden Kern angeordnete periodische Lochstruktur erreicht.
Üblicherweise werden PCF-Fasern aus Quarzglas hergestellt. Dabei werden geeignete Glasrohre zu einer Pre-Form zusammengestellt, wobei mittig ein Rohr durch einen Stab gleicher Größe ersetzt wird, welcher später den lichtleitenden Kern bildet. Eine solche Pre-Form enthält bis zu mehrere hundert einzelne Rohre und weist üblicherweise einen Durchmesser von 50 mm auf. In einem
nachfolgenden ein- oder mehrstufigen Ziehprozess wird die Pre-Form auf eine 125 μιτι Faser verjüngt, wobei eine maßstäbliche Verkleinerung der Lochstruktur erreicht werden muss. Alternativ kann auch der Stab in der Mitte der Struktur beim Ziehen der Faser weggelassen werden, so dass eine Hohlkernfaser entsteht.
Wenn die Symmetrie und Genauigkeit der Mikrostruktur in der Faser gut genug ist, dann erfolgt auch in dieser Faser eine Leitung der Strahlung wie in einer klassischen Kern-Mantel Faser, beruhend auf dem sogenannten Bandgap-Effekt, der hier nicht näher beschrieben werden soll. Da bei dieser Hohlkernfaser kein absorbierendes Medium in der Mitte vorhanden ist, sollte sich damit prinzipiell CO2-Laserstrahlung leiten lassen. Herkömmliche strukturierte Hohlkernfasern aus Quarzglas sind aber ab 5 μιτι Wellenlänge nicht mehr transparent und die CO2- Laserstrahlung muss mit der Mikrostruktur außerhalb des Hohlkerns
wechselwirken, um den Bandgap-Effekt zu erzielen. Da beim Auftreffen der CO2- Laserstrahlung auf das Quarzglas diese absorbiert wird, kommt es nicht zum Bandgap-Effekt, sondern zur Aufheizung der Faser bis zu deren Zerstörung.
Aus der CN 10 298 1212 A sind PCF-Fasern aus Tellurgläsern bekannt geworden, die im Wellenlängenbereich von 3 μιτι bis 5 μιτι transparent sind. Die in der CN 10 298 1212 A beschriebenen PCF-Fasern werden als Single-Mode-Fasern beschrieben, allerdings sind in der CN 10 298 1212 A keine Größenangaben zum Durchmesser des Hohlkernes gemacht und keine Dämpfungen angegeben. Auch ein Verfahren zum Ziehen einer dünnen Faser ist nicht angegeben. Des Weiteren sind keine Größenangaben zu den Fasern nach dem Ziehprozess gemacht.
Die Herstellung von photonischen Kristallfasern bereitet erhebliche Probleme, da bei einem herkömmlichen Ziehprozess die Vorform der Faser, insbesondere der mikrostrukturierten Faser, aufgrund der Hohlräume sehr kompliziert war. Die Hohlräume tendieren bei steigender Temperatur und kleineren Strukturgrößen dazu, aufgrund der Oberflächenspannung zu kollabieren.
Das Kollabieren einzelner Strukturteile führte zum Kollabieren der gesamten Vorform, so dass im ungünstigsten Fall die komplette Struktur der Faser kollabiert ist.
Aus der FR 2 606 866 ist ein Verfahren zur Herstellung von Fasern mittels
Ziehprozess bekannt geworden, wobei zwei Heizeinrichtungen eingesetzt werden. Bei dem Verfahren gemäß der FR 2 606 866 erfolgt ein Erwärmen in zwei getrennten Heizzonen, die hintereinander angeordnet sind. Als Materialien, die mit Hilfe der Einrichtung gemäß der FR 2 606 866 erwärmt werden, sind Polymeren beschrieben, insbesondere PMMA.
Die in der FR 2 606 866 gezeigte zweistufige Erwärmung verhindert ein
gleichzeitiges Aufheizen des äußeren Teils und des inneren Teils einer Pre-Form bzw. Vorform. Das hieraus resultierende inhomogene Aufheizen mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der FR 2 606 866 führt zu einem
Kollabieren der inneren Struktur der Pre-Form.
Weitere Schriften, die die Herstellung von Glasfasern betreffen sind die US
7,374,714 und die US 2005/0274149, allerdings mit nur einer Heizeinrichtung.
Aus der DE 37 04 054 ist ein Verfahren zum Kollabieren eines Glasrohres bekannt geworden. Da das Glasrohr zuerst kollabiert werden muss, d. h. es muss schon heiß sein, bevor die CO2-Strahlung überhaupt einen Effekt hervorrufen kann, kann die in der DE 37 04 054 erwähnte CO2 -Laserstrahlung nicht zur simultanen Aufheizung durch mehrere Heizeinrichtungen verwendet werden,
Des Weiteren wird in der DE 37 04 054 der innere Bereich des Glasrohres von innen geheizt und zwar durch das oben offene Glasrohr mit Strahlung (durch CO2- Laser), welche das Glas von außen nicht durchdringen kann.
Weitere Schriften, die Glasfasern bzw. die Herstellung von Fasern zum
Gegenstand haben sind die DE 698 27 630 und US 6,861 ,148. Aus der DE 10 201 1 103 686 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von
mikrostrukturierten Fasern, also PCF-Fasern, bekannt geworden, bei dem es gelingt, mikrostrukturierte Fasern, ganz besonders bevorzugt photonische
Kristallfasern zu ziehen. Gemäß der DE 10 201 1 103 686 A1 , deren
Offenbarungsgehalt in vorliegende Anmeldung voll umfänglich mit aufgenommen wird, wird das Fasermaterial mittels eines Ziehprozesses aus einer Vorform der Faser, insbesondere der mikrostrukturierten Fasern, mittels wenigstens einer ersten Heizeinrichtung und wenigstens einer zweiten Heizeinrichtung auf eine Ziehtemperatur erwärmt, wobei die erste Heizeinrichtung eine Heizeinrichtung ist, die eine Temperatur zur Verfügung stellt, die oberhalb der Erweichungstemperatur des Fasermateriales liegt. Bevorzugt sind die Temperaturen, bei denen die
Viskosität im Bereich η = 104 dPas bis 107 6 dPas liegt. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur bevorzugt 10 K bis 100 K, insbesondere 20 K bis 60 K oberhalb der Erweichungstemperatur des Fasermaterials liegt. Die zweite Heizeinrichtung ist gemäß der DE 10 201 1 103 686 A1 eine IR-Heizeinrichtung, wie beispielsweise in der WO 00/56674 offenbart, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung voll umfänglich mit aufgenommen wird, mit einer Temperatur > 1300K, insbesondere > 1500K, insbesondere > 2000K, bevorzugt > 2500K, ist. Erste und zweite Heizeinrichtung wirken im Wesentlichen simultan bzw. gleichzeitig in einer einzigen Heizzone. In einer einstufigen Erwärmung wird dann die Vorform der Faser bevorzugt von außen erwärmt. Durch die einstufige Erwärmung gemäß der DE 10 201 1 103 686 A1 in einer Heizzone mit zwei Heizeinrichtungen wird ein gleichzeitiges Aufheizens des äußeren und inneren Teils der Pre-Form erreicht und ein Kollabieren der inneren Struktur vermieden. Der Erweichungspunkt für unterschiedliche Fasermaterialien ist je nach Klasse des Fasermaterials bei unterschiedlichen Viskositäten definiert. Im Allgemeinen liegt der Erweichungspunkt im Viskositätsbereich von η = 104 bis 108 dPas.
Für Glas- und Glaskeramikmaterialien ist der Erweichungspunkt TEw die
Temperatur, bei der das Glas in Umgebungsatmosphäre eine Viskosität η = 107 6 dPas aufweist. Diesbezüglich wird auf„Schott-Guide to Glass", by Heinz G.
Pfänder, Chapman & Hall, 1996, Seite 21 , insbesondere Tabelle 2.1 , verwiesen, deren Offenbarungsgehalt voll umfänglich in vorliegende Anmeldung mit aufgenommen wird. Wie ebenfalls in Heinz G. Pfänder„Schott-Guide to Glass", Chapman & Hall, 1996, Seite 21 in Fig. 2.3 gezeigt, ist der Viskositätsverlauf über der Temperatur für unterschiedliche Glassorten unterschiedlich. Damit ergeben sich für unterschiedliche Glassorten unterschiedliche Erweichungspunkte bzw. Erweichungstemperaturen TEw- Ein Beispiel in der DE 10 201 1 103 686 A1 eines Glases mit niedrigen Erweichungstemperaturen ist beispielsweise ein
Schwerflintglas, z. B. das Glas SF6 der SCHOTT AG, Mainz, mit einer
Erweichungstemperatur von TEw = 519° C (n = 107 6 dPas). Durch die Verwendung von zwei Heizeinrichtungen wird mit dem Verfahren gemäß der DE 10 201 1 103 686 A1 verhindert, dass eine unkontrollierte
Veränderung der Hohlstruktur auftritt. Aus der US 2005/0025965 A1 ist eine optische Glasfaser mit einem hohlen Kern aus einem Chalkogenidglas bekannt geworden. Bei der aus der US 2005/0025965 A1 bekannten Glasfaser handelt es sich um eine Glasfaser mit photonischer Bandlücke, einem sogenannten„photonic band gap". Aus der US 2005/0025965 A1 ist keine Anordnung an Hohlkörpern bekannt geworden, die zu Dämpfungen kleiner 2dB/m, bevorzugt kleiner 1 dB/m, insbesondere kleiner 0,3 dB/m, führt.
Ebenso wenig ist in der US 2005/0025965 A1 offenbart, dass die Kristallfaser eine Moden-erhaltende Kristallfaser ist.
Die US 2012/0141080 A1 zeigt ebenfalls eine Glasfaser mit photonischer
Bandlücke, einem sogenannten„photonic gap" sowie einem Hohlkern aus einem Chalkogenidglas. Wie in der US 2005/0025965 A1 , sind in der US 2012/0141080 A1 keine Angaben zu Anordnungen der Hohlrohre, die zu niedrigen Dämpfungen führen oder die Modenerhaltung bei Übertragung, gemacht. Die US 2008/0199135 A1 beschreibt eine Glasfaser, bei der ein Cladding, das aus einem Chalkogenidglas gebildet werden kann, einen lichtleitenden Kern umgibt. Das Cladding selbst weist eine Vielzahl von Löchern auf, die in hexagonalen Zellen angeordnet sind, die wiederum ein archimedisches Gitter ausbilden. Wie in den zuvor genannten Schriften fehlen Angaben zur Anordnung der Hohlrohre um den Kern, der zu niedrigen Dämpfungen führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu
überwinden und eine optische Faser anzugeben, die eine Übertragung von elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich bei geringen Verlusten ermöglicht. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Faser angegeben werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine photonische Kristallfaser, die insbesondere als Single-Mode-Faser ausgelegt ist, gelöst, die die Übertragung elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich mit Wellenlängen > 1 μιτι, insbesondere im Wellenlängenbereich 1 μιτι bis 14 μιτι, bevorzugt 9 μιτι bis 12 μιτι mit einem lichtleitenden Hohlkern und mehreren, um den lichtleitenden Hohlkern angeordneten Hohlkörpern, insbesondere Hohlrohren, aus einem
Glasmaterial, insbesondere einem Chalkogenidglas, ermöglicht. Erfindungsgemäß ist die photonische Kristallfaser dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper derart angeordnet sind, dass der Durchmesser D des Hohlkerns der photonischen Kristallfaser größer als die kleinste zu übertragende Wellenlänge, bevorzugt mindestens 20 μιτι, bevorzugt mindestens 50μηη, besonders bevorzugt
mindestens Ι ΟΟμιτι beträgt, bevorzugt im Bereich 100 μιτι bis 500 μιτι liegt, insbesondere im Bereich 150 μιτι bis 350 μιτι und die Dämpfung für die
Übertragung von elektromagnetischer Strahlung < 2 dB/m, bevorzugt < 1 dB/m, bevorzugt < 0,3 dB/m, insbesondere < 0,1 dB/m ist.
Photonische Kristallfasern mit derart niedrigen Dämpfungen sind aus dem Stand der Technik nicht bekannt geworden, insbesondere sind die im Stand der Technik dargestellten Fasern und Herstellmethoden nicht geeignet sind, um eine niedrig dämpfende, modenerhaltende Faser für den Übertragungsbereich 9μηη bis 12μηη Wellenlänge zur Verfügung zur stellen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die einzeln um den lichtleitenden Hohlkern angeordneten Hohlkörper, insbesondere Hohlrohre aus Chalkogenidglas, um den Hohlkern ringförmig in sogenannten Strukturringen angeordnet.
Überraschenderweise haben die Erfinder herausgefunden, dass erst ab einer gewissen Anzahl von Struktur(Loch)-Ringen um den Hohlkern herum eine niedrige Dämpfung von beispielsweise unter 2dB/m erreicht wird. Dies war deswegen überraschend, weil der Stand der Technik nahegelegt hat, dass eine geringe Anzahl von Strukturringen, beispielsweise zwei, höchstens drei Strukturringe um den Hohlkern genügen, um eine gute Strahlführung zu erhalten. Diese Annahme ist begründet aus der Wellenlänge der zu führenden
elektromagnetischen Strahlung, welche im Bereich von 10μηη liegt. Somit sind für die Erzeugung eines band gap Effektes auch Strukturgrößen, d. h. Löcher um den Hohlkern im Bereich von 10μηη Durchmesser erforderlich. Da die Strahlung ja nur im Hohlkern geführt werden soll, darf das Strahlungsfeld nicht zu tief in die Lochstruktur„eindringen", um nicht absorbiert oder ausgekoppelt zu werden. Der Fachmann nimmt daher an, dass eine Strukturbreite von mehr als einer
Wellenlänge, d. h. mindestens zwei Strukturringe um den Hohlkern, ausreichen sollte, um die Strahlungsführung zu gewährleisten.
Überraschenderweise haben die Erfinder festgestellt, dass eine Anzahl von mindestens 6 Strukturringen zu einer Dämpfung beispielsweise kleiner als 2dB/m führen kann. Für 8 Strukturringen wurde eine Dämpfung unter 1 dB/m und 10 Strukturringen eine Dämpfung unter 0,5 dB/m Dämpfung erreicht. Erklären kann man das mit einem evaneszenten Feld der Strahlung, das tiefer in ein Medium eindringt, als es mit klassischen physikalischen Gesetzen erklärbar ist.
Zurückführen kann man dies auf dem unterschiedlichen Führungsmechanismus der vorliegenden Fasern. Analog der quantenmechanischen Beschreibung eines Dotieratoms in einem Halbleiter und dessen elektronischer Struktur, werden die Photonen (Licht) bei den hier betrachteten Fasern durch Defektzustände/-moden in der Bandlücke geführt.
Eine Abweichung der perfekten unendlich ausgedehnten photonischen Struktur um den Kern, hier das Loch, herum führen zu einer Ankopplung des
Defektmodenfelds an seiner Umgebung. Diese Ankopplung hängt extrem sensitiv von der Anzahl der Ringe ab und bereits eine Reduktion um einen Ring führt zu einem drastischen Anstieg der Verluste. Chalkogenidgläser sind Gläser, in deren Netzwerk die glasbildenden Elemente Silizium und Sauerstoff durch Germanium, Arsen und dem schwereren
chalkogenen Schwefel, Selen und Tellur ersetzt sind. Wegen der schwereren Elemente und schwächeren chemischen Bindung verschiebt sich die
Lichtdurchlässigkeit von Chalkogenidgläsern aus dem sichtbaren in den infraroten Spektralbereich. Bei Chalkogenidgläsern handelt es sich in der Regel um
Halbleiter, wobei die mechanische Festigkeit und thermische Beständigkeit kleiner, aber die Wärmedehnung deutlich größer als bei Gläsern für den
sichtbaren Spektralbereich ist.
Die angegebene photonische Kristallfaser zeichnet sich dadurch aus, dass sie zum einen aufgrund der Verwendung von Chalkogenidgläsern eine hohe IR- Transmission aufweist, zum anderen trotz des sehr großen Durchmessers des Hohlkerns von mindestens 20 μιτι, bevorzugt mindestens 50μηη, besonders bevorzugt mindestens Ι ΟΟμιτι eine sehr niedrige Dämpfung aufweist, die bevorzugt im IR-Wellenlängenbereich > 1 μιτι, bevorzugt im Bereich 1 bis 14 μιτι, insbesondere 9 bis 12 μιτι, geringer als 2 dB/m, bevorzugt 1 dB/m, bevorzugt geringer als 0,3 dB/m, insbesondere geringer als 0,1 dB/m, ist.
Überraschenderweise lässt sich trotz des Hohlkernes von mehr als 100 μιτι eine einzige Mode- eine sogenannte Single-mode - übertragen. Dies war nicht vorhersehbar, da Single-mode Fasern im Stand der Technik immer nur dann erhalten wurden, wenn der Kerndurchmesser bzw. der Hohlkern der Faser nur unwesentlich größer oder gleich groß war, wie die zu übertragende Wellenlänge. Würde der Kerndurchmesser wesentlich größer gewählt als die zu übertragende Wellenlänge beispielsweise doppelt so groß, so stellte sich automatisch eine multi- moden Übertragung ein. Die vorliegenden Fasern erlauben aber trotz eines mehr als 10x so großen Kerndurchmessers bei IR-Strahlung im Wellenlängenbereich von 1 μιτι bis 14 μιτι, insbesondere 9 μιτι bis 12 μιτι eine Übertragung im Singlemode mit Dämpfungen < 2 dB/m.
Die niedrigen Dämpfungswerte werden, überraschenderweise insbesondere dann erreicht, wenn die Hohlrohre eine bestimmte Geometrie aufweisen. So haben die Erfinder überraschenderweise heraus gefunden., dass die Hohlkörper einen kreisrunden oder einen sechseckigen Querschnitt aufweisen.
Überraschender Weise hat sich herausgestellt, dass besonders niedrige
Dämpfungen < 2 dB/m, bevorzugt < 1 dB/m, insbesondere < 0,3 dB/m, besonders bevorzugt < 0,1 dB/m, dann erreicht werden, wenn der Hohlkern eine nicht runde Struktur wie im Stand der Technik aufweist, sondern einen vieleckigen
Querschnitt, insbesondere einen sechseckigen Querschnitt. Für einen
sechseckigen Hohlkern lassen sich Dämpfungen von 0,01 dB/m oder geringer erreichen. Ganz besonders bevorzugt sind sechseckige Querschnitte des
Hohlkerns mit sechseckigen Querschnitten der Rohre zu kombinieren. Hierfür können Verluste < 0,01 dB/m erzielt werden.
Photonische Kristallfasern, die sich durch eine niedrige Dämpfung auszeichnen, zeigen dabei eine der folgenden Konfigurationen: die Hohlkörper sind in Form von Hohlröhren mit im Wesentlichen runden Innenquerschnitt und mit geschlossenen Packungslücken ausgebildet, die Hohlkörper sind in Form von Hohlröhren mit im Wesentlichen runden Innen- und Außenquerschnitten und mit offenen Packungslücken ausgebildet,
die Hohlkörper sind dichte Packungen aus sechskantigen Hohlröhren, und die sechskantigen Hohlröhren sind flächenverknüpft, oder
die Hohlkörper sind sechskantige Hohlröhren mit geschlossenen
Packungslücken.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Hohlkörper einen Abstand a zueinander aufweisen und der Abstand a > 5 μιτι, insbesondere a > 10 μιτι, bevorzugt im Bereich 5 bis 50 μιτι, bevorzugt im Bereich 10 bis 20 μιτι, liegt bei zu
übertragenden Wellenlängen im Bereich 1 μιτι bis 14 μιτι. Diese Absolutwerte ergeben sich daraus, dass die Erfinder herausgefunden haben, dass eine
Geometriebedingung, die durch das Verhältnis des Abstandes a durch die zu übertragende Wellenlänge λ definiert ist dann vorteilhaft für die weitgehend verlustfreie Übertragung ist, wenn gilt: a/λ > 1 , d. h. das beispielsweise bei einer zu übertragenden Wellenlänge von 9 μηη der Abstand der Hohlfasern 9 μηη oder größer ist.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Hohlkörper einen Innen-Durchmesser d = 2 r aufweisen und der Durchmesser d im Bereich 0,98■ a bis 0,90■ a liegt, wobei a der Abstand der Hohlkörper zueinander ist, da die Wandstärke der Rohre so dünn als möglich ist,damit der Bandgap-Effekt besonders ausgeprägt ist.
Die Erfinder haben des Weiteren überraschenderweise herausgefunden, dass die Dämpfung vom Maß der Genauigkeit der Lochstruktur um den Hohlkern abhängt. Dies betrifft sowohl den Abstand zwischen zwei Löchern, der mit a bezeichnet wurde, als auch den Durchmesser der Löcher selbst. Hier ist auch wichtig, dass die Geometrie eingehalten ist, d. h. die Löcher entweder perfekt rund sind oder perfekt sechseckig sind, je nachdem, wie die Struktur aussehen soll. Ovale Löcher oder Abweichungen in den Durchmessern von benachbarten Löchern sind zu vermeiden. Bereits bei einer Abweichung der Struturgenauigkeit von mehr als 4% steigt die Dämpfung an. Bei runden Löchern mit einem Durchmesser der Löcher von 10μηη würden 4% bedeuten, dass die Löcher 9,6μηη oder 10,4μηη groß sein dürfen. Dies gilt darüberhinaus für alle Größen (Abstand, Durchmesser, Änderung gegenüber benachbartne Löchern). Ab einer Abweichung von 10% ist die
Dämpfung so hoch, dass keine Strahlung mehr effektiv durch eine Faser mit mehr als 50cm Länge transportiert werden kann.
Bei einer Änderung des Lochradius um < 10 % beispielsweise 9.5% ist eine deutliche Abweichung der sphärischen Mode sowie ein Verlust erkennbar.
Die Erfinder haben des weiteren erkannt, dass das Führungsverhalten in der Faser auch vom Brechwert des Materials, insbesondere des Glasmaterials abhängt. Ist eine Struktur bestimmt, die für einen bestimmten Wert des
Brechungsindexes n ausreichend gute Führung zeigt, so hat sich gezeigt, dass kleine Abweichungen von ca 10 % bereits die Dämpfung signifikant erhöhen. So ist es beispielsweise nicht möglich ein Design einer PCF für ein bestimmtes Material mit Brechwert ni auf ein Material mit Brechwert n2 zu übertragen. Die Dämpfung wird durch die Kombination aus Struktur und Glastyp, d. h. dem
Brechungsindex und die Transmission des Bulkglases im interessierenden
Wellenlängenbereich beeinflusst. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Faserstruktur einen Glastyp mit Brechwert n von 2,0-2,7, umfasst so, dass die Faser eine Grundmode bei 10μηη Wellenlänge hat. Brechwerte n<2 führen dann zu hoher Auskopplung der Strahlung in der Struktur, was zu hoher Dämpfung führt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die photonischen Kristallfasern aus einem
Chalkogenidglas bestehen, die wenigstens eines der folgenden Elemente umfasst:
Germanium (Ge)
Arsen (As)
Selen (Se)
Tellur (Te)
Antimon (Sb)
Besonders bevorzugte Chalkogenidgläser sind Chalcogenid-Infrarotgläser der SCHOTT AG, Mainz. Hierbei handelt es sich beispielsweise um das Glas IG2 der SCHOTT AG, Mainz, einem Ge33.As12.Se55 infrarotdurchlässigen Chalkogenidglas für Infrarotstrahlung im Bereich 3 bis 5 μιτι und 8 bis 12 μιτι. Alternativ hierzu ist das Glas IG3 der SCHOTT AG, Mainz, ein Ge3o-Asi3.Se32-Te25-Glas oder das Glas IG4 der VITRON Spezialwerkstoffe GmbH, einem Geio.As4o.Se5o-Glas.
Alternativ hierzu ist auch das Glas IG5 der SCHOTT AG, Mainz, ein
Ge28.Sb12.Se60 oder das Glas IG6 der SCHOTT AG, Mainz, ein As4o.Se6o-Glas ein Chalkogenidglas, das in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung Verwendung finden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Faser wird erstmals eine Faser mit einem Hohlkern von mindestens 20 μιτι, bevorzugt mindestens 50μηη, besonders bevorzugt mindestens 100 μιτι Durchmesser zum Transport von Laserstrahlung im single- mode Betrieb zur Verfügung gestellt. Bekannte Strukturen aus dem Stand der Technik weisen Hohlkerngrößen von kleiner 20 μιτι, auf, was zur praktischen Nutzung nicht ausreichend ist. Die Erfindung offenbart erstmals die Kombination von Hohlkerngrößen größer 20 μιτι, bevorzugt mindestens 50μηη, besonders bevorzugt mindestens 100 μιτι in Kombination mit single-mode Transmission bei gleichzeitiger geringer Dämpfung von < 2dB/m für eine photonische Kristallfaser. Die Erfindung zeichnet sich durch eine Kombination der Material klasse der Chalkogenidgläser mit einem bevorzugten Brechwert n > 2 im IR- Wellenlängenbereich und mikrostru kurierten Hohlkernfasern aus, wobei die
Struktur einen Hohlkerndurchmesser von >20 μιτι, bevorzugt mindestens 50μηη, besonders bevorzugt mindestens Ι ΟΟμιτι aufweist und den Transport von Single- Mode-Laserstrahlung mit einer Dämpfungen kleiner 2dB/m ermöglicht.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass hierfür eine beschränkte Auswahl von geometrischen Mikrostrukturen besonders geeignet ist.
Neben Luft im Hohlkern sind auch andere Gase im Hohlkern denkbar, um das umgebende Material vor Schädigung durch thermischen Einfluss und Reaktionen zu schützen. Erst die Kombination von hochbrechenden Gläsern mit komplexen geometrischen Mikrostrukturen und die hochpräzise Fertigung dieser Strukturen hat es möglich gemacht, in einem Hohlkern von >20 μιτι, bevorzugt mindestens 50μηη, besonders bevorzugt mindestens 100 μιτι Durchmesser Single-Mode- Laserstrahlung > 5 μιτι zu transportieren. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die bekannten Geometrien, wie sie in der Literatur bekannt sind, bei denen die Struktur der Faser durch simples stacking von Glasröhrchen und
anschließendem Wiederziehen entsteht, nur bedingt für derartige photonische Kristallfasern geeignet sind. Neben der photonischen Kristallfaser stellt die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen photonischen Kristallfaser zur Verfügung. So können derartige Fasern nur durch spezielle Ziehverfahren, wie in der DE 10 201 1 103 686 A1 beschrieben, in ausreichender Präzision gefertigt werden.
Kleinste Abweichungen können zum Verlust des single-modes führen oder die geringe Dämpfung erhöhen, was letztlich zu einer Zerstörung der Faser führen kann, wie zuvor dargestellt.
Eine Kühlung der Faser von außen (z.B. durch Wasser oder Gasströmung) oder innen (durch Gasströmung in der Struktur bzw. Hohlkern) kann außerdem vorteilhaft für die Funktion sein. Wird entgegen der DE 10 201 1 103 686 A1 nur mit Hilfe einer konventionellen elektrischen Heizung, die beispielsweise die erste Heizeinrichtung sein kann, eine Vorform von außen nach innen durch Wärmeübergang der heißen
Ofenatmosphäre an die Oberfläche der Vorform, die einen Hohlkörper darstellt, übertragen und von dort durch Wärmeleitung in das Innere der Hohlstruktur, so stellt die Hohlstruktur einen besonders hohen Wärmewiderstand dar, und der Temperaturgradient steigt in diesem Bereich der Vorform stark an. Es ist dann notwendig, die Oberfläche der äußeren Struktur über die eigentlich notwendige Ziehtemperatur hinaus zu erwärmen, damit das Innere der Hohlstruktur die
Ziehtemperatur erreicht. Dies führt dazu, dass am äußeren Umfang der Struktur die Temperatur so hoch ansteigt, dass die dort befindlichen Hohlstrukturen aufgrund der Oberflächenspannung, die mit steigender Temperatur und kleineren Strukturgrößen wächst, ihre Form verändert oder sogar kollabiert. In der Folge verändern die weiter innen liegenden und benachbarten Löcher ihre Form ebenfalls, da der Wärmewiderstand von außen aufgrund der in der Form
veränderten bzw. bereits kollabierten Löcher geringer wird und somit der
Wärmeeintrag in die noch vorhandene Struktur ansteigt. Dieser Dominoeffekt setzt sich dann fort, bis die komplette Strukturform verändert bzw. kollabiert ist. Ein stabiler Ziehprozess alleine mit Aufheizen der Vorform durch eine einzige
Heizeinrichtung, beispielsweise einer als elektrischer Heizung ausgelegten ersten Heizeinrichtung, ist daher nicht möglich. Auch der alleinige Einsatz einer zweiten Heizeinrichtung, die im Wesentlichen auf einer IR-Heizung beruht, die lokal Infrarot-Strahlung emittiert, ist nicht möglich. Zwar kann die Infrarot-Strahlung ungehindert das Äußere der Struktur
durchdringen, jedoch erfolgt durch Mehrfachreflexion an den einzelnen
Oberflächen der Hohlstruktur ein Mehrfachdurchgang der IR-Strahlung durch die Hohlstruktur und bewirkt einen lokal erhöhten Anteil absorbierter IR-Strahlung, was zu einer starken Erwärmung der Hohlstruktur im Vergleich zum Äußeren der Struktur führt. Beim Erreichen der Ziehtemperatur im äußeren Bereich der Struktur ist somit in der Hohlstruktur die Temperatur schon deutlich erhöht, was eine geringere Viskosität zur Folge hat, weswegen die Struktur ihre Form verändert bzw. kollabiert.
Bei dem zur Herstellung der photonischen Kristallfaser zum Einsatz gelangten Verfahren gemäß der DE 10 201 1 103 686 A1 werden nunmehr die beiden zuvor einzeln beschriebenen Heizmethoden, die für sich genommen jeweils zu einer unkontrollierten bzw. nicht beeinflussbaren Formveränderung bzw. Kollabieren der Struktur führen, kombiniert, nämlich die konventionelle Beheizung zusammen mit der IR-Beheizung. Überraschender weise führt diese Kombination dazu, dass eine unkontrollierte bzw. nicht beeinflussbare Formveränderung bzw. ein
Kollabieren der Struktur vermieden werden kann, obwohl die jeweilige Methode für sich alleine betrachtet dies nicht leisten kann. Die Erklärung dafür, dass es mit dem Verfahren gemäß der DE 10 201 1 103 686 A1 möglich ist, ohne eine unkontrollierte bzw. nicht beeinflussbare Formveränderung bzw. Kollabieren der Struktur hohle Vorformen, wie sie beim Herstellen von PCF (photonic crystal fiber)-Fasern eingesetzt werden, aufzuheizen, ist darin zu sehen, dass mittels der konventionellen, d.h. der ersten Heizeinrichtung, lediglich das Äußere der Struktur, die auch als Hüllrohr bezeichnet wird, aufgeheizt wird, während mit Hilfe der IR- Beheizung gleichzeitig vorwiegend nur die innere Hohlstruktur erwärmt wird. Es ist dann möglich, die Temperaturen von äußerer Struktur und innerer Struktur nahezu unabhängig voneinander einzustellen. Insbesondere muss über die erste
Heizeinrichtung, d.h. die in der Regel konventionellen Heizelemente, nur so viel Wärmeenergie in das Äußere der Struktur eingebracht werden, wie notwendig ist, um die äußere Struktur, insbesondere das Hüllrohr, exakt auf die Ziehtemperatur für einen nachfolgenden Ziehprozess zu bringen. Ein zusätzlicher, durch den großen Wärmewiderstand der Hohlstruktur relativ hoher Energieeintrag durch das Hüllrohr, der zum Aufheizen der inneren Struktur führt, muss nicht zur Verfügung gestellt werden. Umgekehrt ist es bei der Beheizung mit Infrarot-Strahlung nur erforderlich, so viel Energie in die innere Struktur zu transportieren bzw.
einzutragen, wie im Bereich der inneren Struktur zur Aufheizung derselben auf exakt die Ziehtemperatur notwendig ist. Als weiterer positiver Effekt des
erfindungsgemäßen Verfahrens beeinflussen sich die äußere Struktur sowie die Hohlstruktur gegenseitig, und es findet ein gewisser Wärmeaustausch statt.
Zusammen mit den beiden Heizmethoden führt dies zu einer Homogenisierung der Temperatur über den gesamten Querschnitt der Vorform. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in vorteilhafter Weise das
Temperaturniveau der Vorform im Ziehprozess absenken, da nur so viel Energie lokal eingebracht werden muss, wie lokal benötigt wird, um die Ziehtemperatur exakt zu erreichen. Dies ermöglicht, dass der Ziehprozess mit höchstmöglicher Viskosität durchgeführt wird. Die Ziehtemperatur liegt bevorzugt in einem
Temperaturbereich, in dem die Viskosität des Fasermaterials im Bereich η= 104 bis 108 dPasliegt. Für Glasmaterialien liegt die Viskosität bevorzugt im Bereich η = 104 bis 107 6 dPas, d.h. die Ziehtemperatur des Glasmaterials liegt stets oberhalb der Temperatur des Glasmaterials am Erweichungspunkt, d.h. oberhalb der
Erweichungstemperatur TEw- Da mit Hilfe des Verfahrens gemäß der DE 10 201 1 103 686 A1 die Viskosität auf sehr hohem Niveau bleibt, kann die
Oberflächenspannung in den Löchern der Hohlstruktur niedrig gehalten werden, und eine Formveränderung, insbesondere ein vollständiges Kollabieren, wird verhindert. Um auch eine geringe Verkleinerung der Hohlstruktur beim Ziehen aufgrund der Oberflächenspannung des Glases zu vermeiden, kann in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, durch Anlegen eines inneren Überdruckes an die Löcher der Hohlstruktur einem solchen
Phänomen entgegen zu wirken. Hierbei ist die Höhe des Druckes so zu wählen, dass genau der Betrag der Oberflächenspannung ausgeglichen wird und sich die gewünschte Strukturgröße einstellt. Insbesondere ist es durch Anlegen eines Überdruckes möglich, die Strukturen gezielt einzustellen.
Mit dem Verfahren wird bevorzugt von Raumtemperatur an simultan mit beiden Heizeinrichtungen in einer einzigen gemeinsamen Heizzone geheizt und so ein homogenes Temperaturfeld erzeugt. Damit wird eine geometrische Veränderung der inneren Mikrostruktur im Gegensatz zu einem Verfahren gemäß der DE 37 04 054 vermieden. Bei dem Verfahren gemäß der DE 37 04 054 wird nämlich durch das Heizen des inneren Bereiches des Glasrohres von Innen durch das oben offene Glasrohr mit Strahlung (durch CO2-Laser), welche das Glas von außen nicht durchdringen kann das Glasrohr zum Kollabieren gebracht.
Das erfindungsgemäße gezogene Glasmaterial ist ein Chalkogenidglas, bevorzugt das Chalkogenidglas IG6 der SCHOTT AG, Mainz
Um die Vorform zu erhalten, aus der die mikrostrukturierten Fasern gezogen werden können, ist vorgesehen, eine Vielzahl von einzelnen Hohlrohren
zusammenzustellen, ergebend eine Vorform mit einem Durchmesser von beispielsweise 50 mm und einer Länge von bis zu 1 m. Je nach dem, ob Fasern hergestellt werden sollen, bei denen der Kern lichtleitend aus einem Vollmaterial hergestellt wird, oder alternativ zur Lichtleitung ein Hohlkern verwandt wird, wird vor dem Faserziehen entweder genau in der Mitte der Vorform das Rohr durch einen Stab gleichen Durchmessers ersetzt, der später den lichtleitenden Kern bildet oder mittig liegende innere Rohre, beispielsweise sieben Stück, entfernt, so dass ein Hohlkern entsteht, der später den lichtleitenden Teil bildet. Anschließend wird die so zusammengestellte Form in einem ersten Ziehschritt, beispielsweise mit einem Faserziehturm, mit einer konventionellen elektrischen Heizung verjüngt. Dies ergibt dann die Vorform, wie sie im erfindungsgemäßen Ziehverfahren zum Ziehen der mikrostrukturierten Faser eingesetzt wird. Man kann auch nach Entnahme der Rohre, in einer fortgebildeten Ausführungsform, den Hohlkern noch durch Einfügen eines Stützrohres, welches dünnwandig ist und innen am Hohlkern anliegt, stabilisieren. Ist das Rohr dünnwandig, so hat es keine Auswirkungen auf den Bandgap-Effektund stört diesen nicht.
Je nach Material liegt die zum Ziehen notwendige Glastemperatur bei
unterschiedlichen Temperaturen. Die zum Ziehen notwendige Glastemperatur aus der Form in die Vorform, wie sie dem weiteren Ziehverfahren zugrunde liegt, liegt abhängig vom Durchmesser der zu ziehenden Faser, zwischen 10K bis 100K, insbesondere 20K bis 60K über dem Erweichungspunkt mit einer Viskosität von 107,6 dPas. Bei diesem ersten Ziehschritt ist es also möglich, ein konventionelles elektrisches Heizaggregat einzusetzen. Durch den ersten Ziehschritt verkleben die einzelnen Rohre an deren Oberfläche entlang der Achse der Form, so dass ein fester Stab mit einer Lochstruktur entsteht. Die Struktur der einzelnen Rohre in dem strukturierten Stab wird dabei maßstäblich verkleinert. Bei dem ersten Ziehschritt sind die erzielten Lochdurchmesser aber noch so groß, dass ein Kollabieren infolge von Oberflächenspannungen nicht auftritt.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, um die endgültige Faser in der
gewünschten Lochgröße zu erreichen, einen zweiten Ziehprozess mit zwei Heizeinrichtungen durchzuführen. Hierbei ist zu beachten, dass ein
entsprechendes Ziehverhältnis, d.h. ein Verhältnis von Vorformdurchmesser zu Faserdurchmesser, eingestellt wird.
Bevorzugt wird ein derartiger Durchmesser dadurch erreicht, dass man den im ersten Ziehschritt erhaltenen Stab mit einem dickwandigen Hüllrohr gleichen Materials umgeben wird.
Die Temperatur, mit der der zweite Ziehprozess gemäß der Erfindung mit zwei Heizaggregaten durchgeführt wird, liegt im Bereich von 10K bis 100K,
insbesondere 10K bis 80K, insbesondere 20K bis 60K über dem Erweichungspunkt, d.h. der Erweichungspunkt TEw des zu ziehenden
Fasermaterials, insbesondere Glasmaterials.
Um die Temperatur im Ziehprozess zu bestimmen, ist es vorteilhaft, wenn eine Temperaturmesseinrichtung eingesetzt wird. Bevorzugt wird als
Temperaturmesseinrichtung ein Pyrometer eingesetzt. Mit Hilfe eines Pyrometers ist es möglich, die von einem Körper emittierte Wärmestrahlung zu erfassen und auszuwerten. Da die Wärmestrahlung in ihrer Intensität von der Temperatur abhängt, ist es mit Hilfe des Pyrometers möglich, die Temperatur zu bestimmen.
Um mit Hilfe des Pyrometers die Temperatur im Inneren der Vorform zu
bestimmen, wird bevorzugt ein Pyrometer in Abhängigkeit von der Materialart, insbesondere beispielsweise von der Glassorte, eingesetzt, bei der das Material bzw. das Glas bis zum Messort für die vom Pyrometer verwandte Strahlung transparent ist.
Bevorzugt ist es, wenn die mit Hilfe der Temperaturmesseinrichtung, insbesondere des Pyrometers, bestimmten Temperaturen dazu verwandt werden, die
Heizleistung der Heizeinrichtungen zu beeinflussen, insbesondere zu regeln. Mit Hilfe der Pyrometermessung lässt sich eine Aussage über die Aufheizung der Vorform treffen und die Heizeinrichtung, entsprechend so ansteuern, dass die gewünschte Ziehtemperatur erreicht wird.
Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren kann eine photonische Kristallfaser mit einer Anordnung der Hohlkörper in einer Struktur mit einm Abstand a der
Hohlkörper und/oder einem Querschnitt der Hohlkörper untereinander hergestellt werden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Abweichung des
Abstandes a und/oder des Querschnittes der Hohlkörper für unterschiedliche Hohlkörper geringer als 10%, bevorzugt geringer als 4%, insbesondere geringer als 1 % ist. Neben der Herstellung einer mikrostrukturierten Faser mit einem einzigen lichtleitenden Kern ist es auch möglich, dass eine Vorform mehr Kerne umfassen kann, so dass aus einer derartigen Vorform eine multi-core-mikrostrukturierte Faser gezogen werden kann.
Zur Festigkeit der Faser kann direkt nach dem erfindungsgemäßen Ziehprozess eine Beschichtung der Faser, beispielsweise mit einer Kunststoffschicht, vorgenommen werden.
Besonders bevorzugt ist hierbei die Verwendung von UV-aushärtendem Acrylat als Beschichtungsmaterial.
Neben der photonischen Kristallfaser und dem Verfahren zur Herstellung derselben stellt die Erfindung auch eine Lasereinrichtung mit einer derartigen Kristallfaser zur Verfügung.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße photonische
Kristallfaser;
Fig. 2a-2e Querschnitte durch unterschiedliche Ausführungsformen
photonischer Kristallfasern;
Fig. 3a-3e unterschiedliche Strukturtypen für photonische Kristallfasern;
Fig. 3f-3j zeigen Moden in der Faser bei unterschiedlichen Geometrie
und/oder Brechungsindizes
Fig. 4a eine Pre-Pre-Form einer mikrostrukturierten Faser als Basis für einen ersten Ziehschritt; Fig. 4b einen Multifaserstab nach Durchführen des ersten Ziehschrittes, ergebend die Vorform (Pre-Form) für den zweiten Ziehschritt mit zwei Heizeinrichtungen; Fig. 5 gezogene Fasern nach dem zweiten Ziehschritt mit zwei
Heizeinrichtungen;
Fig. 6 Vorrichtungen zum Ziehen einer Faser aus einer Pre-Form mit zwei
Heizeinrichtungen;
Bei den Figuren handelt es sich um Prinzipskizzen, aus denen die exakten
Größen sowohl des Hohlkernes als auch der einzelnen, den Hohlkern
umgebenden Hohlrohre nicht abgeleitet werden können. In Figur 1 ist der Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Hohlkernfaser als photonische Kristallfaser gemäß der Erfindung im Querschnitt gezeigt. Die komplette Faser ist mit 1 bezeichnet.
Die Faser nach dem zweifachen Ziehprozess weist ein Hüllrohr 3 auf. Das Hüllrohr 3 wird in der Regel nach dem ersten Ziehprozess auf die Pre-Form aufgebracht und dient dazu, dass beim zweiten Ziehprozess bei einem Ziehverhältnis, beispielsweise von 200, die Faser stabilisiert wird. Das Hüllrohr wird auch als Cladding bezeichnet. Der durch das Hüllrohr bestimmte Faser-Außendurchmesser ÜFaser der Gesamtfaser beträgt 450 μιτι bis 1000 μιτι.
In dem ersten Ziehschritt wird eine Vielzahl von einzelnen Rohren bzw. Röhren 10, die in der dargestellten Ausführungsform einen runden Querschnitt aufweisen, zusammengestellt, wobei die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Der
Querschnitt der einzelnen Rohre 10 könnte auch sechseckig sein, wie in Figuren 2c bis 2e gezeigt. Die Vielzahl der einzelnen Rohre 10 bildet eine Struktur 40 aus, die von dem Hüllrohr 3 umgeben wird. Der Durchmesser der Struktur 40, bestehend aus einer Vielzahl von einzelnen Hohlrohren 10, beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 350 μιτι. Der Durchmesser der Struktur 40 ist mit Dstmktur gekennzeichnet. In der Mitte der aus einzelnen Rohren 10 zusammengestellten Struktur 40 ist ein Hohlkern 5, der, im Gegensatz zur Struktur 40, ebenfalls eine sechseckige Kontur aufweist und einen Durchmesser DHohi von 130 μιτι in der endgültigen Faser nach dem zweiten Ziehprozess angeordnet. Die sechseckige Außenkontur des
Hohlkerns 5 ist verantwortlich für das sehr gute Dämpfungsverhalten der dargestellten Faser 1 . Die Dämpfung der Faser liegt im Bereich von 0,2 bis 0,01 dB/m. Der Brechungsindex des Glases, das vorliegend ein Chalkogenidglas ist, beispielsweise das Glas IG 6 der SCHOTT AG, beträgt ungefähr n = 2,5 im angegebenen IR-Wellenlängenbereich. Des Weiteren in Figur 1 beispielhaft gezeigt sind zwei der Vielzahl von
Strukturringen, die um den Hohlkern angeordnet sind, nämlich der erste
Strukturring 50.1 und der zweite Strukturring 50.2. Weitere Strukturringe, wie der dritte Strukturring sind nicht dargestellt, schließen sich aber in gleicher Weise an. Die Form der Strukturringe 50.1 , 50.2 ist für vorliegende Ausführungsform ohne Beschränkung hierauf die eines Sechseckes. Die Erfinder haben erkannt, dass die Dämpfung maßgeblich durch die Anzahl der Strukturringe beeinflusst wird. So können beispielsweise 6 Strukturringe zu Dämpfungen unter 2 dB/m, 8
Strukturringe zu Dämpfungen unter 1 dB/m und 10 Strukturring zu Dämpfungen unter 0,5 dB/m führen.
Über den zweistufigen Ziehprozess ist es möglich, eine Struktur in einem ersten Ziehprozess in einen strukturierten Stab geringeren Durchmessers zu ziehen, der mit einem Cladding bzw. einem Hüllrohr versehen wird und anschließend in einem zweiten Ziehprozess, beispielsweise in einem Down-Draw-Verfahren, wie nachfolgend beschrieben, zu der endgültigen Faser, wie in Figur 1 dargestellt, gezogen wird, wobei der Gesamtdurchmesser DFaser der in das Hüllrohr 3 eingebetteten photonischen Faser zwischen 450 μιτι und 1000 μιτι liegt. Neben einem Down-Draw-Verfahren wäre es auch möglich, die Faser zweistufig in einem Up-Draw-Verfahren zu ziehen, was besonders im Fall großer Pre-Formen mit hohem Gewicht unter Ausnutzung der natürlichen oder erzwungenen
Konvektion unter Entgegenwirken einer Gewichtskraft vorteilhaft ist.
In den Figuren 2a-2e sind für verschiedene Strukturtypen der Rohre 10
photonische Kristallfasern mit einem unterschiedlichen Hohlkern 5 dargestellt. In Figur 2a deutlich zu erkennen ist die sechseckige Außenform des Hohlkerns 5, wobei der Durchmesser DHohi 130 μιτι beträgt.
Der Brechungsindex n des Glasmaterials der einzelnen Rohre 10 beträgt ungefähr n = 2,5. Das Glasmaterial zwischen den einzelnen Rohren 10 ist mit 1 1
bezeichnet. Der Brechungsindex des Hohlraums 5 beträgt beim Einsatz von Luft n = 1 . Es ist aber auch möglich, andere Gase im Hohlkern 5 zu verwenden.
Der Abstand a zwischen den einzelnen Glasrohren bzw. Löchern der Struktur 40 beträgt a = 10 μιτι, der Radius der einzelnen Löcher 0,44 a. Bei einer
Wellenlänge λ von 10,6 μιτι und einem Abstand a der einzelnen Löcher gleich 10,6 μιτι folgt für die Geometriebedingung ein Wert von ungefähr 1 . Mit der in Figur 2a dargestellten Ausgestaltung wird aufgrund der im Wesentlichen sechseckigen Außenform des Hohlkerns 5 mit einem Durchmesser DHohi von 130 μιτι eine photonische Kristallfaser mit einer Dämpfung < 0,01 dB/m zur Verfügung gestellt. Der Raum zwischen den einzelnen Hohlrohren ist mit Glasmaterial 1 1 ausgeführt.
Figur 2b zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Strukturierung gegenüber Figur 2a. Der Querschnitt der einzelnen Hohlrohre 10 ist wieder ein runder, jedoch ist zwischen den einzelnen Hohlrohren der Zwischenraum 14 nicht mit einem
Glasmaterial gefüllt, sondern das Glasmaterial mit einem Brechungsindex von n = 2,5 bildet nur die Außenwand 12 des Hohlrohrs 10. Wiederum werden die
Hohlräume 10 derart zusammengestellt, dass ein Hohlkern 5 mit im Wesentlichen sechseckigen Außenabmessungen zur Verfügung gestellt wird. Der Durchmesser DHohi des Hohlkerns 5 der in Figur 2b dargestellten Struktur 40 beträgt ungefähr 1 17 μιτι. Der Abstand a zwischen den einzelnen Hohlrohren 10 beträgt 1 1 ,28 μιτι, was einem Geometriefaktor von a/λ = 1 ,064 bei einer Wellenlänge des Lichtes von λ = 10,6 μιτι entspricht. Im Gegensatz zur Ausgestaltung in Figur 2a ist in Figur 2b der Zwischenraum 14 zwischen den Hohlrohren 10 nicht mit einem Glasmaterial gefüllt und das Glasmaterial wird lediglich durch die Wandung n der Hohlrohre zur Verfügung gestellt. Der Brechungsindex des Glasmaterials beträgt, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a, ungefähr n = 2,5. Die Dämpfung der Struktur in Figur 2b beträgt ungefähr 0,01 dB/m. Durch das Verfüllen mit einem
Glasmaterial zwischen den einzelnen Hohlrohren 100, wie in Figur 2a, werden deutlich bessere Dämpfungswerte erreicht.
In Figur 2c ist eine weitere Variante der Erfindung gezeigt. Bei der Ausgestaltung gemäß Figur 2c wird die Struktur durch Ineinanderstellen von Hohlrohren 20 mit einem sechseckigen Querschnitt erzielt. Der Hohlkern 5 weist dann eine nicht runde Form auf, vorliegend ist die Kontur sechseckig mit Kanten
Der Brechungsindex der Außenwände 22 der im Wesentlichen sechseckigen Hohlrohre beträgt, wie zuvor, n = 2,5, der Abstand zwischen den einzelnen
Hohlrohren mit sechseckigem Querschnitt a = 16,43 μιτι. Bei einer Wellenlänge von λ = 10,6 μιτι ergibt sich eine Geometriebedingung a/λ = 1 ,55. Der
Durchmesser einer sechseckigen Wabe beträgt 0,48 x a, der Durchmesser des Hohlkerns 5 DHohi ungefähr 1 15 μιτι. Aufgrund der sehr unregelmäßigen Form des Hohlkerns 5 ist der Dämpfungsverlust einer Struktur, wie in Figur 2c dargestellt, mit ungefähr 0,2 dB/m relativ hoch.
Ebenfalls eine hohe Dämpfung zeigen auch Strukturen gemäß Figur 2d, bei denen die einzelnen Hohlrohre 20 wiederum einen sechseckigen Querschnitt aufweisen, die Hohlrohre jedoch nicht direkt aneinander anschließen, sondern im
Zwischenraum 24 zwischen den einzelnen Hohlrohren 20 mit sechseckigem Querschnitt kein Glasmaterial vorliegt, analog zur Ausgestaltung gemäß Figur 2b. Der Brechungsindex des Materials in Figur 2d beträgt n = 2,5. Der Durchmesser des im Wesentlichen mit einem sechseckigen Außendurchmesser vorliegenden Hohlkerns 5 beträgt DHohi ungefähr 109 μιτι. Der Abstand a zwischen den einzelnen Strukturelementen beträgt 15,58 μιτι, was einer Geometriebedingung a/λ = 1 ,47 bei einer Wellenlänge λ = 10,6 μιτι entspricht. Für die in Figur 2d dargestellte Struktur wird eine Dämpfung von < 1 dB/m gemessen.
In Figur 2e ist eine Struktur dargestellt, die sich gegenüber der Figur 2d dadurch unterscheidet, dass zwischen den einzelnen, im Wesentlichen mit sechseckigem Querschnitt vorhandenen Hohlrohren 20 die Zwischenräume 24 mit Glasmaterial 21 ausgefüllt sind. Wiederum haben die Hohlrohre 20 einen sechseckigen
Querschnitt, die Zwischenräume 24 sind jedoch, wie bei der Ausgestaltung gemäß Figur 2a, gefüllt mit Glasmaterial 21 . Der Hohlkern 5 hat wiederum im
Wesentlichen eine sechseckige Form, und der Durchmesser DHohi des Hohlraums beträgt etwa 122 μιτι. Der Brechungsindex des zwischen dem im Wesentlichem sechseckigen Hohlrohr eingebrachten Glasmaterials 21 beträgt n = 2,5. Der Lochabstand a zwischen den einzelnen, im Querschnitt sechseckigen Hohlrohren beträgt 1 1 ,15 μιτι, wodurch sich eine Geometriebedingung a/λ = 1 ,052 ergibt bei einer Wellenlänge λ = 10,6 μιτι. Die Ausgestaltung der Geometrie der Querschnitte der einzelnen Hohlrohre mit sechs Ecken und gefüllten Zwischenräumen 24 gemäß Figur 2e sowie sechseckigem inneren Hohlraum 5, der mit Gas gefüllt ist, gibt die mit Abstand geringsten Verluste, die geringer als 0,001 dB/m sind.
Derartig geringe Verluste sind für einen Fachmann überraschend und nicht vorhersehbar, insbesondere im Kombination mit einer Einfach-Moden, einer sogenannten Single-moden Übertragung von elektromagnetischen Wellen im IR- Wellenlängenbereich von 9 bis 12 μιτι
Die unterschiedlichen, in den Figuren 2a bis 2e gezeigten Strukturtypen sind tabellarisch nochmals in Figur 3a bis 3e zusammengefasst, wobei der
unterschiedliche Strukturtyp beschrieben ist sowie die Durchmesser der
Hohlkerne, die Brechungsindizes sowie Dämpfung. Hierbei können durch die Anordnungen gemäß den Figuren 3a, 3b, 3c und 3e die erfindungsgemäßen niedrigen Dämpfungen < 1 dB/m, insbesondere < 0,3 dB/m realisiert werden. Dabei beschreibt Figur 3a eine Anordnung von Hohlkörpern in Form von Hohlröhren mit im Wesentlichen rundem Innenquerschnitt und mit geschlossenen Packungslücken.
Figur 3b zeigt eine photonische Kristallfaser, bei der die Hohlkörper in Form von Hohlröhren mit im Wesentlichen runden Innen- und Außenquerschnitten und mit offenen Packungslücken ausgebildet sind.
In Figur 3c weisen die photonischen Ristallfasern die Hohlkörper in Form von dichten Packungen aus sechskantigen Hohlröhren auf, wobei die sechskantigen Hohlröhren flächenverknüpft sind. Figur 3e schließlich zeigt photonische Kristallfasern, bei denen die Hohlkörper als sechskantige Hohlröhren ausgebildet sind mit geschlossenen Packungslücken.
In den Figuren 3f-3h ist die Dämpfung der Grundmode in einer Kristallfaser in Abhängigkeit von der Genauigkeit der Lochstruktur gezeigt.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Dämpfung auch vom Maß der Genauigkeit der Lochstruktur um den Hohlkern abhängt. Dies betrifft sowohl den Abstand zwischen zwei Löchern (bezeichnet mit a) als auch den Durchmesser der Löcher selbst. Es ist auch entscheidend, dass die Löcher entweder perfekt rund sind oder perfekt sechseckig, je nachdem, wie die Struktur aussehen soll. Ovale Löcher oder Abweichungen in den Durchmessern von benachbarten Löchern führen bei einer Abweichung der Strukturgenauigkeit von mehr als 4% dazu, dass die Dämpfung ansteigt. Wenn der Durchmesser der Löcher 10μηη ist, führt eine Abweichung von 4% dazu, dass die Löcher Abmessungen von 9,6μηη oder 10,4μηη annehmen können. Diese gilt für alle Größen (Abstand, Durchmesser, Änderung gegenüber benachbarten Löchern) Ab einer Abweichung von 10% ist die Dämpfung so hoch, dass keine Strahlung mehr effektiv durch eine Faser mit mehr als 50cm Länge transportiert werden kann. Dies zeigen die Fig. 3f-3h.
In Fig. 3f ist die Grundmode bei guter Führung dargestellt. Im Vergleich dazu zeigt Fig. 3g dieselbe Mode bei einer Abweichung der Geometrie um 9.5 %. Eine Führung einer Mode ist nicht mehr erkennbar. Fig. 3h zeigt die Mode bei einer Abweichung von 4,5%. Bereits diese Abweichung führt zu einer nicht sphärischen Mode die schon deutlich verlustbehaftet ist. In den Fig. 3i-3j ist die Abhängigkeit der Modenführung vom Brechwert des zugrundeliegenden Glases bei gleicher Struktut gezeigt. Ist eine Struktur bestimmt, die für einen bestimmten Wert des Brechungsindexes n ausreichend gute Führung zeigt, so führen kleine Abweichungen von ca 10 % schon dazu, dass die Dämpfung signifikant erhöht wird. So ist es beispielsweise nicht möglich das Design einer PCF für ein bestimmtes Material mit Brechwert ni auf ein
Material mit Brechwert n2 zu übertragen. Die Dämpfung hängt somit von der Kombination aus Struktur und Glastyp, d. h. Brechungsindex und Transmission des Bulkglases im interessierenden Wellenlängenbereich ab. In Fig. 3i ist für eine bestimmte geometrische Anordnung die Grundmode dargestellt. In Fig. 3j ist der Brechwert um eins gegenüber Fig. 3i geändert, was zu einem völligen Verlust des Führungsverhaltens für Strahlung der gleichen Wellenlänge führt. Dies bedeutet, dass wenn eine Faserstruktur in Kombination mit einem Glastyp z. B. auf einen Brechwert n von 2,0-2,7, optimiert ist ein Brechwert n<2 zu extrem hoher
Auskopplung der Strahlung in der Struktur führt, so dass keine Lichtmode mehr geführt wird.
Nachfolgend soll das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Faser anhand der Figuren 4a bis 5 mit Hilfe der Vorrichtung gemäß Figur 6 für die erfindungsgemäßen photonischen Kristallfasern beschrieben werden.
In Figur 4a ist eine Pre-Pre-Form einer mikrostrukturierte Faser, die zu einer Vorform (Pre-Form) in einem ersten Schritt gezogen wird und dann in einem zweiten Ziehschhtt bzw. Ziehprozess zu der gewünschten mikrostruktu erten Faser gezogen wird, dargestellt.
Die Pre-Pre-Form gemäß Figur 4a, die Ausgangspunkt für eine mit Hilfe von Ziehprozessen, hier einem zweistufigen Ziehprozess, hergestellte
mikrostrukturierte Faser bzw. photonische Kristallfaser ist, besteht aus mehreren, nebeneinander gestellten Rohren bzw. Röhren 100. Bevorzugt sind die Rohre aus dem Material, insbesondere dem technischen oder optischen Glas, aus dem die komplette Glasfaser hergestellt werden soll. Die Rohre bestehen
erfindungsgemäß aus einem Chalkogenidglas. Der Außendurchmesser DaUßen der Rohre ist beispielsweise 4 mm und der Innendurchmesser Dinnen 3 mm, bei Vollmaterial weist der zylinderförmige Körper bzw. das Rohr nur einen
Außendurchmesser von 4 mm auf. Setzt sich die Pre-Pre-Form, wie dargestellt, aus nebeneinander gestellten Rohren mit je 4 mm Außendurchmesser zusammen, so beträgt der Gesamtdurchmesser der Pre-Pre-Form Anzahl der Rohre x 4 mm. Bei 15 Rohren würde der
Außendurchmesser beispielsweise 60 mm betragen. Wird nun in einem ersten Ziehschritt die Pre-Pre-Form gezogen, so ergibt sich eine Pre-Form, d.h. eine Vorform beispielsweise mit einem 10-fach geringeren Außendurchmesser, der beispielsweise DaUßen (Pre-Form) 6 mm beträgt. Die Pre- Form, die in Figur 4b dargestellt ist, wird in einem zweiten Ziehschritt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter verarbeitet. Für den zweiten Ziehschritt wird die Pre-Form mit einem Außendurchmesser DaUßen von 6 mm beispielsweise in ein hohles Hüllrohr bzw. ein Cladding derart eingebracht, dass das Hüllrohr die Pre- Form vollständig umgibt. Der Durchmesser der Öffnung des Hüllrohres, in die die Pre-Form eingelegt wird, entspricht in etwa dem Außendurchmesser der Pre- Form, d.h. ca. 6 mm. Das Hüllrohr selbst hat beispielsweise einen Durchmesser DHÜII = 25 mm. In dem zweiten, erfindungsgemäßen Ziehschritt wird die Pre-Form zusammen mit dem sie umgebenden Hüllrohr gezogen. Nach dem Ziehen im zweiten Ziehschritt beträgt dann der Außendurchmesser des Hüllrohres mit innen liegenden Fasern beispielsweise 400 μηη und der Hohlkern mehr als 20 μιτι, bevorzugt mindestens 50μηη, besonders bevorzugt mindestens Ι ΟΟμιτι..
Die Länge DL der Pre-Pre-Form, der Pre-Form und der Faser kann ein Meter oder mehr betragen.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind einige in der Mitte liegende innere Rohre, beispielsweise sieben Stück, entfernt wurden, so dass ein Hohlkern 120 entsteht, der später den lichtleitenden Teil ausbildet.
Wie zuvor beschrieben, wird die Pre-Pre-Form in einem ersten Ziehschritt beispielsweise mit einem Faserziehturm, der mit einer elektrischen Heizung ausgestattet sein kann, gemäß Figur 4a auf einen Durchmesser Dneu durch Ziehen von 60 mm auf beispielsweise 6 mm verjüngt. Die gezogene und verjüngte Pre- Form 135 ist in Figur 4b dargestellt. Durch den Ziehprozess verkleben die einzelnen Rohre der Form 1 10, wie in Figur 4a gezeigt, an deren Oberfläche entlang der Achse 140 der Form 1 10, so dass ein fester Stab mit einer
Lochstruktur mit einem Hohlkern 130 entsteht. Die einzelnen Rohre 100 werden in diesem strukturierten Stab maßstäblich verkleinert. Ausgehend von der verjüngten Pre-Form 135, wie in Figur 4b dargestellt, wird in einem erfindungsgemäßen Ziehverfahren mit zwei Heizeinrichtungen die in Figur 5 dargestellte
mikrostrukturierte Faser erhalten . Hierzu wird die Pre-Form gemäß Fig. 4b in ein Hüllrohr, beispielsweise mit einem Außendurchmesser von 25 mm, eingeführt und anschließend der zweite Ziehprozess gemäß der Erfindung durchgeführt.
Bei der in Figur 5 gezeigten Endform der mikrostrukturierten Fasern nach dem erfindungsgemäßen Ziehprozess mit zwei Heizeinrichtungen wird der
Durchmesser der Löcher 130 auf einen Durchmesser von typischerweise 5 μιτι bis 15 μιτι verkleinert. Der Gesamtdurchmesser der Faser DFaser beträgt nach dem Ziehen ca. 400 - 1000 μιτι. Um ausgehend von beispielsweise der in Figur 4b dargestellten verjüngten Pre-Form 135 mit einem Durchmesser von 6 mm eine Faser mit einem Durchmesser von 400 - 1000 μιτι, wie in Fig. 5 dargestellt, zu ziehen, ist es vorteilhaft, wie zuvor beschrieben, den im ersten Ziehschritt in den Figuren 4a und 4b erhaltenen Stab, die sogenannte Pre-Form mit einem
Durchmesser von 6 mm mit einem dickwandigen Hüllrohr bzw. Cladding gleichen Materials zu umgeben. Der Durchmesser der nicht gezeigten Faser mit einem derartigen Hüllrohr beträgt dann 25 mm. Ausgehend von einem derartigen Körper, kann beispielsweise mit einem Ziehverhältnis von 50 eine Faser mit dem
gewünschten Außendurchmesser von 500 μιτι gezogen werden.
In Figur 5 ist der Kern mit der Lochstruktur, d.h. die nach dem Ziehen mit
Bezugsziffer 210 bezeichnet, die einzelnen Rohre mit Bezugsziffer 200 sowie der hohle Kern mit Bezugsziffer 230. Der die Lochstruktur umgebende Hüllkörper ist mit Bezugsziffer 250 gekennzeichnet. Wie zuvor ausgeführt, wird der Hüllkörper um die Pre-Form 135 nach dem ersten Ziehprozess angeordnet, ergebend die Ausgangsform mit einem Durchmesser von 25 mm für den erfindungsgemäßen Faserziehprozess.
Um die in Figur 5 gezeigte Form der mikrostrukturierten Faser zu erreichen und eine Formveränderung bzw. Kollabieren der einzelnen Löcher beim Ziehen, ausgehend von der Pre-Form, zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, zwei Heizeinrichtungen einzusetzen, eine erste Heizeinrichtung, die eine
Aufheizung des Hüllkörpers 250 bewirkt sowie eine zweite Heizeinrichtung, die die Aufheizung der Hohlstruktur mit Löchern und hohlem Kern zur Lichtleitung bewirkt. Die beiden Heizeinrichtungen wirken in einer einzigen Heizzone auf die Vorform, di im Wesentlichen gleichzeitig bzw. simultan erwärmt wird. Die Vorform wirkt somit von außen einstufig.
Bei einem derartigen Heizaggregat handelt es sich um eine konventionelle
Beheizung für den Hüllkörper und eine Beheizung der Hohlstruktur, bestehend aus Löchern und hohlem leitenden Kern, die von dem Hüllkörper umgeben wird, mit Hilfe von IR-Strahlungsquellen beim Ziehprozess. Eine derartige Vorrichtung ist detailliert in Figur 6 dargestellt. In Figur 6 dargestellt ist der Ziehturm 1000, in den die Pre-Form mit Hüllkörper, wie beschrieben, eingeführt wird. Die Pre-Form mit Hüllkörper wird durch einen Ziehprozess bei einer Ziehtemperatur, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung eingestellt wird, gezogen. Die gezogene Faser ist mit 1 100 bezeichnet.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zwei Heizeinrichtungen. Vorliegend ist lediglich eine Heizeinrichtung aktiv ausgelegt, das ist die zweite Heizeinrichtung 1200, die in vorliegender Ausführungsform insgesamt vier IR-Strahler 1201 .1 , 1201 .2, 1201 .3, 1201 .4 umfasst. Die zur Anwendung gelangten IR-Strahler können Halogen-IR-Strahler mit einer Nennleistung von 2000 Watt bei einer Spannung von 230 V sein, welche bevorzugt eine Farbtemperatur von 2400K besitzen. Diese IR-Strahler haben entsprechend dem Wien'schen
Verschiebungsgesetz ein Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge von
1210 nm. Bei dem erfindungsgemäßen Ziehverfahren befinden sich die IR-
Heizeinrichtung und das zu ziehende Gut in einem IR-Strahlungshohlraum 1300. Der Strahlungshohlraum 1300 sorgt dafür, dass die Erwärmung des zu ziehenden Glases zum einen Teil direkt durch die IR-Strahlung der IR-Strahler erfolgt und zum anderen indirekt durch von den Wänden, der Decke und/oder dem Boden des IR-Strahlungshohlraumes reflektierte bzw. rückgestreute IR-Strahlung. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Anteil der indirekten, d.h. der rückgestreuten bzw. reflektierten Strahlung, die auf dem zu erwärmenden Glas bzw.
Glaskeramikrohling, hier die zu ziehende Faser 1 100, einwirkt, mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 60 %, bevorzugt mehr als 70 %, bevorzugt mehr als 80 %, besonders bevorzugt mehr als 90 %, insbesondere mehr als 98 % beträgt. Ein besonderer Vorteil der Verwendung eines IR-Strahlungshohlraumes ist es, dass es sich bei Verwendung von sehr stark reflektierenden und/oder rückstreuenden Wand-, Boden- und/oder Deckenmaterialien um einen Resonator hoher Güte handelt, der nur mit geringen Verlusten behaftet ist und daher eine hohe
Energieausnutzung gewährleistet. Bei der Verwendung diffus rückstreuender Wand-, Decken- und/oder Bodenmaterialien wird eine besonders gleichmäßige Strahlung aller Volumenelemente des Hohlraums unter allen Winkeln erreicht. Damit werden etwaige Abschaltungseffekte vermieden. Als rückstreuendes, d.h. re-emittierendes Wandmaterial können beispielsweise geschliffene Quarzalplatten Verwendung finden. Auch andere IR-Strahler und rückstreuende Materialien sind als Wand-, Decken- und/oder Bodenmaterialien oder Beschichtungen des IR- Strahlungshohlraumes möglich, beispielsweise eines oder mehrere der nachfolgenden Materialien:
AI2O3;
BaF2;
BaTiO3;
CaF2;
CaTiO3;
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MgO;
SrF2;
SiO2;
TiO3;
Sr3;
TiO2;
Spinell;
Cordierit;
Cordierit-Sinterglaskeramik.
Die IR-Strahler haben eine Farbtemperatur, die bevorzugt > 1500K, besonders bevorzugt > 2000K, ganz besonders bevorzugt > 2400K, insbesondere > 2700K, insbesondere bevorzugt > 3000K ist.
Um eine Überhitzung der IR-Strahler zu vermeiden, sind diese vorteilhafterweise gekühlt, insbesondere luft- oder wassergekühlt (nicht dargestellt).
Zwischen dem zu ziehenden Gut, hier der zu ziehenden Faser 1 100 und den IR- Strahlen 1201 .1 , 1201 .2, 1201 .3, 1201 .4 ist in der dargestellten Ausführungsform eine Metallhülse 1500 mit Öffnungen 1600.1 , 1600.2, 1600.3, 1600.4, 1600.5, 1600.6, 1600.7, 1600.8 angeordnet. Die Metallhülse 1500 mit Öffnung ist ein sogenannter Strahlungsstörkörper, der zwischen die IR-Heizelemente und die zu ziehende Faser 1 100 eingebracht wird. Unter dem Einfluss der IR-Strahlung erwärmt sich die Metallhülse 1500 bzw. der Strahlungsstörkörper selbst auf eine bestimmte Temperatur und wird somit selbst zum Heizelement, vorliegend zum ersten Heizelement, das konvektiv und über Strahlung Wärme in Richtung der zu ziehenden Faser 1 100 abgibt. Ein Teil der Strahlung der IR-Heizelemente gelangt durch die Öffnungen, z. B. axiale Schlitze am Umfang des Hohlzylinders zur Vorform bzw. zur zu ziehenden Faser und von dort in das Innere der Vorform, d.h. in die Hohlstruktur. Diese IR-Heizung wird als zweites Heizelement bezeichnet. Erstes und zweites Heizelement heizen zusammen den zu ziehenden Glaskörper auf. Durch geschickte Materialauswahl des Metallkörpers 1500 und der gewählten Leistung der IR-Heizelemente lässt sich die Temperatur des Zylinders auf einen beliebigen Wert unterhalb der IR-Strahlertemperatur, vorliegend auf eine
Temperatur oberhalb, bevorzugt 10K bis 100K, oberhalb der
Erweichungstemperatur TEw des zu ziehenden Materials einstellen. Durch die Kombination der beiden Heizmethoden - konvektive Heizung mittels des ersten Heizelementes und IR-Beheizung mittels des zweiten Heizelementes - kann eine weitgehend gleichmäßige Erwärmung des zu ziehenden Körpers, hier der Pre- Form für die zu ziehende Faser, erreicht werden.
Ist es nicht ausreichend, durch Ändern der Leistung der IR-Heizelemente die Wärmeleistung des ersten Heizelementes in Form der Metallhülse 1500 zu beeinflussen, so können (nicht gezeigt) an der Metallhülse 1500 eine aktive Kühlung bzw. eine Zusatzheizung vorgesehen sein
Bei der Ausführungsform in Fig. 6 ist innerhalb der Metallhülse 1500 mit
Öffnungen 1600.1 , 1600.2, 1600.3, 1600.4, 1600.5, 1600.6, 1600.7, 1600.8 ein Quarzglasrohr 1700 eingebracht. Das Quarzglasrohr 1700 ist für Wellenlängen von 200 nm bis 4000 nm, d.h. vom UV-Bereich bis weit in den IR-Bereich hochtransparent mit einer Transmission von mehr als 80 %, insbesondere mehr als 90 %. Das Ziehen der Faser erfolgt innerhalb des Quarzglasrohres 1700 in einem weitgehend hermetisch abgeschirmten Volumen. Dies hat den Vorteil, dass keine Konvektion auftritt und auch Verschmutzungen weitgehend vermieden werden. Durch Dotierung oder Beschichtung dieses Rohres kann zusätzlich die Temperaturhomogenität eingestellt werden.
Ausführungsbeispiel:
Nachfolgend soll ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung von photonischen Kristallfasern aus einem Chalkogenidglas angegeben werden.
Als Chalkogenidglas wurde das Chalkogenidglas IG6 der SCHOTT AG (zu einer photonischen Kristallfaser gezogen. Beim Chalkogenidglas IG6 handelt es sich um ein As4oSe6o-Glas, das frei von Germanium ist und eine minimale Absorption bei 12,5 μιτι aufweist. Der Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 12,3 μιτι liegt bei 20° bei n = 2,7721 .
Aus einem Glasblock, bestehend aus dem hoch IR-transparenten Glas IG6 der SCHOTT AG, werden zunächst durch mechanische Bearbeitung Rohre mit Außendurchmessern von 31 mm und Innendurchmessern von 26mm und Stäbe mit Außendurchmesser 31 mm hergestellt.
Durch Wiederziehen in einem konventionellen Ziehturm werden diese
Ausgangsrohre zu Pre-Formrohren mit Außendurchmesser 3,1 mm und
Innendurchmesser 2,6 mm verjüngt.
Aus den 3,1 mm starken Rohren lassen sich jetzt durch einfaches
Zusammenstellen im Querschnitt sechseckförmige Pre-Formen mit einem
Durchmesser von 50 mm und einer Länge von bis zu 1 m oder länger herstellen. Eine solche Pre-Form enthält 15 sechseckige Ringe aus Rohren plus einem Rohr im Mittelpunkt der Pre-Form. Die innersten 5 Ringe, welche sich genau um den Mittelpunkt der Pre-Form befinden inkl. das mittlere Rohr im Mittelpunkt der Pre- Form selbst, werden dabei ersatzlos entnommen. Dieser Hohlraum bildet den später lichtleitenden Hohlkern, der in Figuren 2a - 2e mit 5 bezeichnet wird.
Die Pre-Form wird anschließend in einem ersten Ziehschritt mit einem
Faserziehturm mit konventioneller elektrischer Heizung auf einen Durchmesser von 10,5 mm verjüngt. Die zum Ziehen notwendige Glastemperatur liegt bei dem Glasmatrial IG6 der SCHOTT AG, abhängig vom Durchmesser der zu ziehenden Pre-Form ca. 20K bis 60K über dem Erweichungspunkt (Viskosität n = 107,6 dPas), so dass bei Verwendung eines konventionellen elektrischen Heizaggregates mit einer Ofentemperatur von ca. 200°C bis 300°C gearbeitet werden kann, um die notwendige Glastemperatur von 200°C bis 240°C zu erreichen. Durch den speziell angepassten Ziehprozess verkleben die einzelnen Rohre dabei an deren
Oberfläche entlang der Achse der Pre-Form, so dass ein fester Stab mit
Lochstruktur entsteht. Die Geometrie der einzelnen Rohre in diesem strukturierten Stab wurde dabei maßstäblich verkleinert. Die dabei erzielten Lochdurchmesser sind aber noch so groß, dass ein Kollabieren in Folge der Oberflächenspannung nicht auftritt.
Um in der endgültigen Faser die gewünschte Lochgröße von 1 1 ,28 μιτι
Durchmesser zu erreichen, wobei der Gesamtdurchmesser der Faser 500 μιτι sein soll, muss ein entsprechendes Ziehverhältnis (Verhältnis Pre-Formdurchmesser zu Faserdurchmesser) eingestellt werden. Würde man die strukturierte Pre-Form mit 10,5 mm Durchmesser mit dem in vorliegendem Beispiel notwendigen
Ziehverhältnis von 30 verjüngen, so erhält man eine Faser mit 350 μιτι
Durchmesser. Eine solche Einzelfaser bestehend nur aus extrem dünnwandigen Rohren ohne feste äußere Faser-Schutzschicht und stellt sowohl für das nachfolgende Handling als auch für den Ziehprozess selbst eine große
Herausforderung dar. Des Weiteren weist eine derartige Faser nicht 500 μιτι Durchmesser auf. Um eine solche gewünschte Faser zu erhalten, muss der strukturierte Stab, aus dem die endgültige Faser gezogen wird, einen
Durchmesser von 15 mm aufweisen. Dies wird durch das Ummanteln des im ersten Ziehschritt erhaltenen 10,5 mm Stabs mit einem Hüllrohr gleichen Materials erreicht, dessen Innendurchmesser exakt angepasst ist.
Die auf diese Art und Weise erhaltene finale zusammengesteckte Pre-Form wird nun in einem zweiten Ziehschritt, wie oben beschrieben, bei einer Ofentemperatur von ca. 240°C auf einen Durchmesser von 500 μιτι verjüngt.
Die wichtigste Folge der Hybrid-Heiztechnik, wie zuvor beschrieben, ist, dass sich das gesamte Temperaturniveau der Pre-Form im Ziehprozess absenken lässt, weil nur soviel Energie lokal eingebracht werden muss wie auch dort benötigt wird, um die Ziehtemperatur exakt zu erreichen. Damit lässt sich der Ziehprozess mit höchst möglicher Viskosität durchführen. Diese bleibt dabei auf so hohem Niveau, dass die Oberflächenspannung in den Löchern der Hohlstruktur so niedrig gehalten werden kann, dass diese nicht kollabiert. Auf Grund kleinerer
Temperaturschwankungen kann es trotzdem zu einer überproportionalen
Verkleinerung der Hohlstruktur kommen, wobei aber kein Loch vollständig kollabiert. Diesem Phänomen kann man nun gezielt durch Anlegen eines inneren Überdruckes im Bereich von einigen Millibar an die Löcher der Hohlstruktur begegnen. Die Höhe des Druckes muss dabei genau den Betrag der
Oberflächenspannung ausgleichen, der die Löcher kollabieren lässt. Dies ist, wie weiter oben bereits erwähnt, aber nur möglich, wenn die Struktur soweit
eigenstabil ist, dass keines der Löcher von selbst vollständig kollabiert. Wenn dies passiert, so kann auf Grund von Instabilitäten und selbstverstärkenden
physikalischen Effekten keine stabile Wiederherstellung der gesamten Struktur und zuverlässige maßstäbliche Verkleinerung in der Faser erzielt werden.
Zur Temperaturbestimmung der Pre-Form im Ziehprozess dient bei dem
beschriebenen Ausführungsbeispiel ein 8-14 m-Pyrometer. Dazu muss ein optischer Zugang von außen in das Innere des Heizaggregates bis zur Oberfläche der Pre-Form vorhanden sein. Will man eine Temperatur aus dem Inneren der Pre-Form bestimmen, etwa von der Oberfläche der inneren Struktur, so muss man ein Pyrometer mit einer Wellenlänge einsetzen, bei der das Glas bis zum Messort transparent ist.
Diese gemessenen Temperaturen können dann zur Regelung der Temperatur über die Einstellung der Leistung des IR-Heizelementes benutzt werden.
Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren konnte aus einem 200 mm langen Hüllrohr mit 15 mm Außendurchmesser und einem strukturierten Stab mit 10,5 mm Durchmesser, der in das Hüllrohr exakt eingepasst worden ist, im Down-Draw Verfahren eine Faser mit 500 μιτι Außendurchmesser aus dem Glas IG6 der
SCHOTT AG gezogen werden, wobei die Hohlstruktur im Inneren der Pre-Form in der Faser erhalten blieb. Eine maßstäbliche Verkleinerung konnte ebenfalls erzielt werden durch Anlegen eines zusätzlichen Druckes an das obere Ende des strukturierten Stabes.
Direkt nach dem eigentlichen Ziehprozess wurde zur Erhöhung der Festigkeit eine Beschichtung der Faser mit einer Kunststoffschicht angeschlossen. Dafür wurde die finale Faser durch eine Beschichtungsdüse geführt, welche die Faser mit einer flüssigen 50μηη dicken Acrylatschicht beschichte hat. Direkt danach schließt sich eine UV-Bestrahlung des UV-aushärtenden Acrylates an, wofür eine
ringförmige. UV-Quelle, welche um die Faser platziert wurde, genutzt wurde. Die Länge der UV-Strecke ist dabei so zu wählen, dass abhängig von der
Ziehgeschwindigkeit der Faser die Verweildauer in der UV-Bestrahlungszone so hoch ist, dass das Acrylat komplett aushärten kann. Im Anschluss erfolgt das Aufwickeln der Faser auf eine geeignete Spule mit einem Durchmesser von beispielsweise 400 mm.
Mit der Erfindung wird somit erstmals eine photonische Kristallfaser angegeben, mit der es möglich ist, elektromagnetische Strahlung im IR-Wellenlängenbereich von 5 μιτι bis 15 μιτι weitgehend verlustfrei zu übertragen, d.h. mit Dämpfungen < 2dB/m, bevorzugt < 1 dB/m insbesondere < 0,1 dB/m. Dies ermöglicht die
Übertragung hoher IR-Leistungen, ohne dass sich die Glasfaser übermäßig erwärmt und dadurch zerstört wird. Deswegen eignet sich die photonische
Kristallfaser insbesondere zur Verwendung in CO2-Lasereinrichtungen. Neben der photonischen Kristallfaser wird auch ein Verfahren zur Herstellung derselben aus einer Pre-Form weitgehend ohne Formveränderung bzw. ohne Kollabieren der Mikrostruktur in einem Ziehprozess angegeben.

Claims

Patentansprüche
1 . Photonische Kristallfaser, insbesondere Single-Mode-Faser für die
Übertragung elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich > 1 μιτι, insbesondere im Wellenlängenbereich 1 μιτι bis 20 μιτι, bevorzugt 9 μιτι bis 12 μιτι, mit
einem lichtleitenden Hohlkern (5), insbesondere einem Hohlkern mit einem Durchmesser und
mehrere um den lichtleitenden Hohlkern (5) angeordnete Hohlkörper (10, 20), insbesondere Hohlrohre aus einem Chalkogenidglas,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hohlkörper (10, 20) derart angeordnet sind, dass der Durchmesser D des lichtleitenden Hohlkernes (5) größer als die kleinste zu übertragende Wellenlänge, bevorzugt mindestens 20 μιτι, insbesondere bevorzugt mindestens 50μηη, besonders bevorzugt mindestens Ι ΟΟμιτι ist, bevorzugt im Bereich 100 μιτι bis 500 μιτι, insbesondere im Bereich 150 μιτι bis 350 μιτι liegt und
die Dämpfung für die Übertragung von elektromagnetischer Strahlung < 2 dB/m, insbesondere < 1 dB/m bevorzugt < 0,3 dB/m, insbesondere < 0,1 dB/m ist.
2. Photonische Kristallfaser nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die um den lichtleitenden Hohlkern angeordneten Hohlkörpern,
insbesondere Hohlrohre aus dem Chalkogenidglas um den Hohlkern in Strukturringen (50.1 , 50.2) angeordnet sind.
3. Photonische Kristallfaser nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
um den Hohlkern wenigstens vier, bevorzugt wenigstens sechs,
insbesondere bevorzugt wenigstens 8, ganz bevorzugt 4 bis 20 Strukturringen aus Hohlkörpern, insbesondere Hohlrohren angeordnet sind.
Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hohlkörper, insbesondere Hohlrohre einen Querschnitt umfassen, wobei ein Durchmesser des Querschnittes bevorzugt im Bereich 5μηη bis 20μηη, insbesondere im Bereich 8μηη bis 14μηη liegt.
Photonische Kristallfaser nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dassder Querschnitt des Hohlkörpers (10, 20) ein kreisrunder oder ein sechseckiger Querschnitt ist.
Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung der Hohlkörper eine Struktur ausbildet, die durch einen Abstand a der Hohlkörper und/oder einen Querschnitt der Hohlkörper bestimmt wird.
Photonische Kristallfaser nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abweichung des Abstandes a und/oder des Querschnittes der
Hohlkörper für unterschiedliche Hohlkörper geringer als 10%, bevorzugt geringer als 4%, insbesondere geringer als 1 % sind.
Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brechwert des Chalkogenidglases für eine Wellenlänge von 1 μιτι bis 20μηη, insbesondere von 9μηη bis 12μηη im Bereich von 1 ,8 bis 3, insbesondere zwischen 2,0 und 2,7 liegt.
9. Photonische K stallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Kristallfaser eine Moden-erhaltende Kristallfaser ist.
10. Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hohlkörper (10, 20) in Form von Hohlröhren mit im Wesentlichen rundem Innenquerschnitt und mit geschlossenen Packungslücken sind.
1 1 . Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hohlkörper (10, 20) in Form von Hohlröhren mit im Wesentlichen runden Innen- und Außenquerschnitten und mit offenen Packungslücken sind.
12. Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hohlkörper (10, 20) dichte Packungen aus sechskantigen Hohlröhren ausbilden und die sechskantigen Hohlröhren flächenverknüpft sind.
13. Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hohlkörper (10, 20) sechskantige Hohlröhren ausbilden mit
geschlossenen Packungslücken.
14. Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der lichtleitende Kern, insbesondere der Hohlkern (5) einen nicht runden, insbesondere einen sechseckigen Querschnitt aufweist.
15. Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (10, 20) einen Abstand a zueinander aufweisen und der Abstand a derart gewählt ist, dass ein Geomet efaktor aus dem Verhältnis des Abstandes a zur übertragenen Wellenlänge λ, also a/λ > 1 ist. 16. Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hohlkörper (10, 20) einen Durchmesser d = 2 r aufweisen, wobei der Durchmesser d im Bereich 0,98 a bis 0,90 a liegt, wobei a der Abstand der Hohlkörper zueinander ist.
17. Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Chalkogenidglas wenigstens eines oder mehrere der nachfolgenden Elemente umfasst:
- Germanium (Ge)
- Arsen (As)
- Selen (Se)
- Tellur (Te)
- Antimon (Sb).
18. Verfahren zur Herstellung einer photonischen Kristallfaser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, mit nachfolgenden Schritten:
- es wird eine Pre-Pre-Form von Hohlkörpern hergestellt, wobei die Pre- Pre-Form bevorzugt im Querschnitt hexagonal ist;
- die Hohlkörper in der Mitte der Pre-Pre-Form werden entnommen, ergebend den lichtleitenden Kern, insbesondere den Hohlkern
- die Pre-Pre-Form wird in einem ersten Ziehschritt unter Erwärmen auf eine Temperatur von 20 K bis 60 K über den Erweichungspunkt des Glasmaterials auf einen ersten Durchmesser verjüngt, ergebend eine
Pre-Form in Form eines festen, strukturierten Stabes mit lichtleitendem Kern; - Ummanteln der im ersten Ziehschritt erhaltenen Pre-Form, bevorzugt mit einem Hüllrohr, bevorzugt aus demselben Glasmaterial wie die Pre- Form;
- Verjüngen der ummantelten Pre-Form um ein Verhältnis im Bereich 10 bis 200 in einem zweiten Ziehschritt, ergebend die photonische
Kristallfaser mit einem Durchmesser des lichtleitenden Kerns, insbesondere des Hohlkernes von mindestens 20 μιτι, bevorzugt mindestens 50μηη, besonders bevorzugt mindestens 100 μιτι, wobei mit einem ersten Heizelement die äußere Struktur der ummantelten Pre- Form und mit einem zweiten Heizelement der lichtleitende Kern, insbesondere der Hohlkern der Pre-Form auf Ziehtemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperatur der Pre-Form während des Ziehprozesses mit einer Temperaturmesseinrichtung, insbesondere einem Pyrometer, ständig erfasst und die Leistung der ersten und zweiten Heizeinrichtung derart eingestellt wird, dass stets eine vorgegebene Ziehtemperatur eingehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass nach der Entnahme der Hohlkörper in der Mitte der Pre-Pre-Form ergebend den lichtleitenden Kern, insbesondere den Hohlkern ein Stützkörper, insbesondere ein dünnwandiger Stützkörper zur Stabilisierung des Hohlkernes eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20,
dadurch gkennzeichnet, dass
die photonische Kristallfaser eine Anordnung der Hohlkörper in einer Struktur mit einem Abstand a der Hohlkörper und/oder einen Querschnitt der Hohlkörper umfasst und die Abweichung des Abstandes a und/oder der Querschnittes der Hohlkörper für unterschiedliche Hohlkörper geringer als 10%, bevorzugt geringer als 4%, insbesondere geringer als 1 % ist.
Lasereinrichtung, insbesondere CO2-Lasereinrichtung, zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich mit
Wellenlängen > 1 μιτι, insbesondere im Bereich 1 μιτι bis 20 μιτι, bevorzugt 9 μιτι bis 12 μιτι, umfassend
wenigstens eine photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
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