DE102011009242B4

DE102011009242B4 - Lichtwellenleiter und Halbzeug zur Herstellung eines Lichtwellenleiters mit biegeoptimierten Eigenschaften

Info

Publication number: DE102011009242B4
Application number: DE102011009242.0A
Authority: DE
Inventors: Lothar Brehm; Jörg Kötzing; Wolfgang Hämmerle; Dr. Auth Matthias; Dr. Rosenkranz Jürgen
Original assignee: J Plasma GmbH
Current assignee: J Plasma GmbH
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2031-01-25
Also published as: US20130034322A1; WO2012084310A1; DE102011009242A1

Abstract

Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften, gekennzeichnet durcheine Graben-Feinstrukturierung mit einem vom Radius abhängigen gradientenartigen Brechzahl-Verlauf (1) innerhalb einer Kernzone (2) und einem konzentrischen Brechzahl-Grabenprofil (3) innerhalb einer Mantelzone (4),wobei die Abfolge der Feinstruktur eine lamellenartige Struktur ausbildet, eine auf ein Matrixmaterial bezogene normierte Brechzahl n innerhalb der Kernzone positiv ist und die normierte Brechzahl der jeweiligen Gräben der Graben-Feinstrukturierung in der Mantelzone negativ ist,wobei die Grabenbreiten im Verhältnis zum dazwischen angeordneten Matrixmaterial 10 mal größer sind und die Breite eines Grabens weniger 1/10 des Querschnittes des Lichtwellenleiters beträgt und mindestens zwei abgrenzbare brechzahlerniedrigte Bereiche vorliegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften nach Anspruch 1 und ein Halbzeug zur Herstellung eines Lichtwellenleiters mit biegeoptimierten Eigenschaften nach Anspruch 9.
Die optischen Eigenschaften eines Lichtwellenleiters sind unter anderem auch von dessen Biegung abhängig. Das Maß der dadurch erzielbaren Beeinflussung und die Art und Weise, wie sich die Biegung eines Lichtwellenleiters auf dessen optische Eigenschaften auswirkt, wird als Biegeempfindlichkeit bezeichnet. Diese ist vor allem hinsichtlich des für den Lichtwellenleiter vorgesehenen Verwendungszweckes eine sehr wichtige Größe. Lichtwellenleiter mit einer hohen Biegeempfindlichkeit werden vorzugsweise für optische Sensoriken verwendet, bei denen mechanische Verformungen optisch nachgewiesen und gemessen werden sollen. Dagegen erfordern Lichtwellenleiter, die zur Übertragung von Nachrichten und Daten verwendet werden sollen, eine möglichst niedrige Biegeempfindlichkeit, denn in einem solchen Fall soll die Lichtleitung möglichst nicht durch den Verlauf des Lichtleiters beeinflusst werden.
Es gestaltet sich allerdings schwierig, den genauen Grad der Biegeempfindlichkeit vorab für die Gestaltung des Lichtwellenleiters genau zu planen oder im Fertigungsprozess gezielt einzustellen und diesen so an die Umgebungsbedingungen und den vorgesehenen Einsatzzweck schon von vornherein anzupassen.
In der EP 2 166 386 A1 (OFS), der US 2010 0 254 653 A1 (Draka) und der EP 2 102 691 A1 (Corning) werden Faserdesigns beschrieben, die eine gewisse Biegeunempfindlichkeit bewirken. Diese Biegeunempfindlichkeit ist jedoch nicht einstellbar und ist in vielen Fällen für die Applikation nicht ausreichend.
In der Publikation „near zero bending loss in a double-trenched bend insensitive optical fiber at 1550nm“ wird eine zweifache Grabenstruktur bei Singlemodefasern beschrieben. Der Nachteil dieser Veröffentlichung besteht in der fehlenden gezielten Einstellbarkeit der Biegeempfindlichkeit. Zudem handelt es sich um Single-Mode Fasern, bei welchem die Mehrmodigkeit per se nicht gegeben ist. Ein weiterer Nachteil besteht in der unabdingbaren Verwendung von Bor als Dotanden.
Die JP 2001 253 726 A offenbart eine Preform für eine optische Faser und eine optische Faser. Gegenstand der Druckschrift ist ein Fertigungsverfahren, bei dem verschiedene Nachteile bei der Fertigung beseitigt werden sollen. Auf die Optimierung der Biegeeigenschaften wird dort nicht abgestellt.
Die EP 0 127 408 A1 offenbart eine Faser zur optischen Wellenleitung. Die dort gezeigten Ausführungsbeispiele betreffen sämtlich Fasern, bei denen Gräben im Kern, nicht aber im Cladding angeordnet sind.
Die EP 1 496 023 A1 offenbart ein Herstellungsverfahren für Preformen bzw. optische Fasern und eine optische Faser. Gegenstand der Druckschrift sind Fasern, die hinsichtlich ihrer Dispersionseigenschaften vorteilhaft sind. Auf das Biegeverhalten der Fasern wird dort nicht abgestellt.
Die DE 26 30 208 A1 offenbart eine optische Faser mit niedriger Modus-Dispersion. Auf das Biegeverhalten und dessen Optimierung wird dort nicht ei ngega ngen.
Die DE 10 2008 047 736 B3 offenbart eine biegeunempfindliche optische Faser, ein Quarzglasrohr als Halbzeug für dessen Herstellung sowie ein Herstellungsverfahren. Das dort realisierte Brechzahlprofil weist einen Kern, einen inneren Mantel, eine fluordotierte Ringzone und eine Außenschicht auf.
Die DE 10 2005 034 594 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Glasfaserpreformen mit einem großen Kerndurchmesser. Das realisierte Brechzahlprofil oder die Biegeempfindlichkeit der Faser ist nicht Gegenstand der Druckschrift.
In der DE 10 2006 039 471 B3 ist ein flexibler Laserapplikator zur Behandlung von Körpergewebe offenbart. Der Applikator soll insbesondere ein seitliches Auskoppeln des geführten Lichtes ermöglichen.
In der US 4,740,225 A ist ein Verfahren zur Herstellung optischer Fasern mit einem nicht kreisförmigem Kern offenbart.
Daher besteht die Aufgabe, Lichtwellenleiter und Halbzeuge zur Herstellung eines Lichtwellenleiters anzugeben, bei denen je nach dem später vorgesehenen Anwendungsgebiet die Biegeempfindlichkeit vorab optimal einstellbar ist und der somit genau planbare biegeoptimierte Eigenschaften aufweist. Dabei soll insbesondere sichergestellt sein, dass Lichtleiter mit einer nur geringen Biegeempfindlichkeit eine hohe Übertragungsbandbreite aufweisen, die einem internationalen Standard von mindestens OM 3, vorzugsweise OM 4 und höher genügen. Für Lichtwellenleiter mit einer hohen Biegeempfindlichkeit sollen dagegen eine möglichst hohe numerische Appertur, ein Wellenlängenspektrum, ein Kerndurchmesser und ein Außendurchmesser gesichert sein, die an die jeweilige Verwendung bestmöglich angepasst sind. Darüber hinaus soll es auch möglich sein, die Parameter variabel zu gestalten, wobei es darüber hinaus auch möglich sein soll, dass ein oder mehrere der genannten Parameter separat beeinflusst werden können.
Die Aufgabe wird mit einem Lichtwellenleiter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Halbzeug zur Herstellung eines Lichtwellenleiters mit biegeoptimierten Eigenschaften mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Der Lichtwellenleiter enthält eine Graben-Feinstrukturierung mit einem vom Radius abhängigen Dotierprofil. Das Dotierprofil gewährleistet einen gradientenartigen Verlauf der Brechzahl innerhalb einer Kernzone einerseits und/oder ein konzentrisches Brechzahl-Grabenprofil innerhalb einer Mantelzone andererseits.
Erfindungswesentlich ist, dass die Abfolge der Feinstruktur eine lamellenartige Struktur ausbildet. Eine auf ein Matrixmaterial bezogene normierte Brechzahl n ist innerhalb der Kernzone positiv und die normierte Brechzahl der jeweiligen Gräben der Graben-Feinstrukturierung ist in der Mantelzone negativ. Erfindungswesentlich ist weiterhin, dass die Grabenbreiten im Verhältnis zum dazwischen angeordneten Matrixmaterial 10 mal größer sind und die Breite eines Grabens weniger 1/10 des Querschnittes des Lichtwellenleiters beträgt und dass mindestens zwei abgrenzbare brechzahlerniedrigte Bereiche vorliegen.
Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter ist somit so dotiert, dass sich damit mindestens ein Brechzahlverlauf im Kern oder im Mantel oder sowohl im Kern und im Mantel einstellt. Im Kern ist dies ein gradientenartiger Verlauf der Brechzahl. Dieser hängt vom Radius ab und fällt vom Nullpunkt zur Kern-Mantel-Grenzfläche stetig ab. Innerhalb der Mantelzone ist die Dotierung so angelegt, dass sich dort ein konzentrisches Brechzahlprofil einstellt. Das heißt, dass in der Mantelzone konzentrische Bereich mit niedrigerer und höherer Brechzahl abwechseln. Dabei werden die Bereiche, in denen die Brechzahl vergleichweise niedrig ist, als „Gräben“ bezeichnet, sodass im Bereich der Mantelzone auch von einer „Grabenstruktur“ bzw. einer Lamellenstruktur bezogen auf das radiale Brechzahlniveau gesprochen werden kann. Dabei handelt es sich allerdings nicht um reelle Vertiefungen im Bereich des Mantels. Vielmehr soll damit der Umstand bezeichnet werden, dass die konzentrische Graben-Feinstrukturierung innerhalb der Mantelzone einen unstetigen, vom Radius abhängenden Brechzahlverlauf aufweist, in welchem die Brechzahl entsprechend dem konzentrischen Dotierprofil stufenförmig, gradientenförmig und/oder rechteckförmig springt oder oszilliert.
Die Graben-Feinstrukturierung führt damit zu einer Struktur innerhalb der Mantelzone, die im Querschnitt an die konzentrischen Ringe eines Baumkuchens oder eines Baumstammes erinnert. Die Gräben sind in der gesamten Mantelzone und nicht ausschließlich in der Nähe des Kerns angeordnet. Die Graben-Feinstrukturierung zeigt sich besonders deutlich im mit Licht durchstrahlten und mittels eines Mikroskops oder eines anderen Mittels vergrößert abgebildeten Faserquerschnitt in Form konzentrischer Ringe innerhalb der Mantelzone.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Graben-Feinstrukturierung aus einer Folge unterschiedlich dotierter Bereiche mit innerhalb einer Grundmatrix eingebrachten mit brechzahlerniedrigenden und/oder brechzahlerhöhenden Dotanden ausgebildet. Bei einer derartigen Ausführungsform braucht prinzipiell nur auf ein Grundmaterial zurückgegriffen werden, während nur wechselnde Dotanden zugeführt werden müssen und so den gewünschten Brechzahlverlauf erzeugen.
Die Grundmatrix ist zweckmäßigerweise als eine Quarzglasmatrix ausgebildet. Als Dotanden werden Elemente der ersten bis siebenten Hauptgruppe, Selten-Erd-Elemente, Metalle und/oder Halbmetalle und/oder Verbindungen der genannten Elemente verwendet.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist die Brechzahlmodulation des Grabenprofils in Abhängigkeit von dem Radius eine zunehmende Tiefe auf. Das bedeutet, dass die Höhe der Oszillation, d.h. die Größe der Brechzahlunstetigkeiten, zunimmt, wobei die brechzahlerniedrigten Bereiche mit wachsendem Radius eine abnehmende Brechzahl aufweisen.
Die Tiefe des Grabenprofils nimmt dabei entweder linear oder graduell zu. Bei einer linearen Zunahmen erfolgt die Zunahme um einen konstanten Faktor, der Zuwachs ist somit vom Radius unabhängig. Bei der graduellen Zunahme ist der Zuwachs selbst eine Funktion des Radius.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Brechzahl-Grabenprofil richtungsabhängige Unterbrechungen und Aussparungen auf. Bei dieser Variante sind die konzentrischen Gräben teilweise, d.h. sektoriell, unterbrochen sodass an diesen Stellen keine Brechzahlerniedrigung vorliegt.
Das Halbzeug zur Herstellung eines Lichtwellenleiters mit biegeoptimierten Eigenschaften zeichnet sich erfindungsgemäß aus durch eine Graben-Feinstrukturierung mit einem vom Radius abhängigen gradientenartigen Brechzahl-Verlauf innerhalb einer Kernzone und einem konzentrischen Brechzahl-Grabenprofil innerhalb einer Mantelzone. Dabei ist eine auf ein Matrixmaterial bezogene normierte Brechzahl in Form einer normierten Brechzahl n innerhalb der Kernzone positiv und die normierte Brechzahl der jeweiligen Gräben innerhalb der Mantelzone negativ. Die Grabenbreiten sind im Verhältnis zum dazwischen angeordneten Matrixmaterial 10 mal größer und die Breite eines Grabens beträgt weniger als 1/10 des auf Querschnitte der Preform skalierten Lichtwellenleiters. Es liegen mindestens zwei abgrenzbare brechzahlerniedrigte Bereiche vor.
Mögliche Ausführungsformen des Halbzeugs ergeben sich aus den Unteransprüchen 10 bis 15.
Verfahrensseitig kann zur Herstellung des Lichtwellenleiters und des Halbzeugs auf bereits bekannte nachfolgend beispielhaft erwähnte Verfahrensschritte zurückgegriffen werden.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiteres oder eines Halbzeuges für einen Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften werden folgende bekannte Verfahrensschritte ausgeführt.
Es erfolgt zunächst ein Bereitstellen eines aus einer Quarzglasmatrix bestehenden Kerns. Der Kern wird mit brechzahlverändernden Dotanden dotiert. Dadurch stellt sich ein Kern-Brechzahlprofil ein. Im Anschluss daran wird ein Außenbeschichtungsverfahren ausgeführt, wobei eine Kernummantelung aufgebracht wird, die ein schalenförmiges Dotierprofil aufweist.
Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters oder eines Halbzeugs für einen Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften wird ein an sich bekanntes wiederholtes Aufkollabieren ausgeführt. Dabei werden folgende Verfahrensschritte durchlaufen:

Es wird ein erstes Substratrohr bereitgestellt. Danach wird eine erste Schicht im Inneren des ersten Substratrohres abgeschieden, um einen Kern auszubilden. Im Anschluss daran wird das erste Substratrohr kollabiert und abgetragen sodass der Kern nun freiliegt. Ein weiteres Substratrohr wird nun bereitgestellt. An diesem weiteren Substratrohr wird eine dotierte Schicht im Inneren abgeschieden. Das weitere Substratrohr wird entfernt und die dotierte Schicht wird auf den Kern aufkollabiert. In einer entsprechenden Weise werden nun weitere Substratrohre vorbereitet, in die weitere Schichten abgeschieden werden und die nun sukzessive auf den bereits fertigen Körper des Lichtwellenleiters oder Halbzeugs aufkollabiert werden.

Be einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters und eines Halbzeugs für einen Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften werden folgende bereits bekannte Verfahrensschritte ausgeführt:

Es wird zuerst ein Substratrohr bereitgestellt. Anschließend werden sukzessive verschieden dotierte Schichten im Inneren des Substratrohres abgeschieden, wobei ein Kern ausgebildet wird. Das Substratrohr wird danach entfernt und der Kern freigelegt. Anschließend werden sukzessive verschieden dotierte Außenschichten abgeschieden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird zuerst ein Substratrohr bereitgestellt. Anschließend werden sukzessive verschieden dotierte Schichten im Inneren des Substratrohres oder von Außen abgeschieden, wobei sich eine dickere Schicht bildet. Das Substratrohr wird danach entfernt. Ein Rohr bestehend aus dotiertem Quarzglas ist das Resultat. Aus diesem werden zumindest abschnittsweise bestimmte Rohrsegmente entfernt. Dieses Rohr wird auf ein geeignetes Substrat kollabiert. Dieses Substrat kann entweder weiter beschichtet werden oder mit Hilfe des Jacketing Verfahrens weitere Schichtstrukturen erhalten. Dadurch lässt in geeigneter Weise eine Strukturierung erreichen.
Die vorhergehend erwähnten Abscheide- und Kollabierschritte können mit Substratrohren ausgeführt werden, die mit Aussparungen versehen sind. Dadurch lassen sich die erwähnten Unterbrechungen innerhalb des Brechzahlprofils erreichen.
Die Schichtstrukturen können ebenfalls durch den Einsatz von Vakuum- Gasphasenabscheideverfahren, d.h. so genannten OVD Verfahren, vorzugsweise plasmagestützten OVD Verfahren, Flammenverfahren, Smoker-verfahren und/oder CVD Verfahren, vorzugsweise MCVD Verfahren, erzeugt werden.
Bei Quarzglas hat sich für die Dotierung mit Fluor zur Erzeugung von Gräben das POVD Verfahren besonders bewährt.
Germanium hingegen wird vorteilhaft mit Hilfe des MCVD Verfahrens für die Kernherstellung in die biegeunempfindliche Faser eingebracht.
Bei Halbzeug ist eine Temperaturbehandlung zwischen den einzelnen Verfahrensschritten besonders vorteilhaft.
Erst durch eine geeignete Kombination aus zuvor aufgeführten Verfahren bzw. Verfahrensschritten ist das Halbzeug bzw. die fertige Faser erzeugbar.
Die Lichtwellenleiter und das Halbzeug zu dessen Herstellung können wenigstens in einer der folgenden Eigenschaften radial bezogen ortsabhängig sein: Brechzahl, Polarisation, Modenverteilung, Dämpfung / Absorption, Strukurierung der Gräben, Biegeempfindlichkeit, Modenselektion, Propagation des Lichts, Viskosität des Glases, Ausdehnungskoeffizienten und/oder der phononischen Schwingungen.
Diese Abhängigkeit kann sich ebenfalls auf der Länge der Faser bzw. Preform ändern.
Es ist eine lamellenartige Grabenstruktur aus wenigstens zwei Gräben vorgesehen.
Es ist ein im Vergleich zum Bezugsbrechungsindex in seinem Brechungsindex erhöhter Lichtleitkern vorhanden, der eine zumindest abschnittsweise graduelle und/oder zumindest abschnittsweise sprunghafte Veränderung, vorzugsweise einen Anstieg, aufweist.
Die Gräben und/oder die jeweils einem Graben folgende Schichtstruktur können hinsichtlich ihrer Tiefe bzw. Höhe bezüglich der Brechzahl, Grabenform bzw. -graduierung, Breite und/oder Anzahl sowie ihres Abstands zueinander unabhängig angeordnet sein.
Die Gräben und/oder die jeweils einem Graben folgende Schichtstruktur können auch hinsichtlich ihrer Tiefe bzw. Höhe (Brechzahl), Grabenform bzw. - graduierung, Breite und/oder Anzahl sowie ihres Abstands zueinander in einem festen Verhältnis angeordnet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform beginnt die an den Kern grenzende Feinstruktur mit einer brechzahlerniedrigten Grabenstruktur.
Bei einer weiteren Ausführungsform schließt sich an den Kern eine Schicht mit der Brechzahl der Glasmatrix an.
Die maximale Grabentiefe der einzelnen Gräben und/oder die jeweils einem Graben in radialer Richtung folgende Schichtstruktur können mit Hilfe einer parabelartigen oder linearen Funktion beschrieben werden.
Die lamellenartige Struktur basiert auf Glas, zumindest abschnittsweise wird dies bei einzelnen Grabentiefen und/oder Grabenhöhen durch Dotierung des Glases vorzugsweise mit Hilfe von wenigstens einem der nachfolgenden Elemente erreicht: F, P, Al, Ge, B, Yb, Nb, Ag, Au, Cu, Ni, Ta, Zr, Sn, Zn, Hg, Ru, Rh, Ir, Os, Ro, W, Ti, Al, In, Ga ,Nb, La, Sm, Ce, B, P, Sr, Ba, Mo, Cr, Fe, Co, Se, Mn, Ge, V, In, Bi, Pt, Pd, Tc, V, Pb, N.
Durch Dotierung zumindest einer Schicht mit einem laseraktiven Element lassen sich Faserlaser erzeugen, die hinsichtlich ihrer Lichtwellenleitung besonders gute Eigenschaften aufweisen.
Die Geometrie des Kerns und/oder einzelner Schichten kann von der Kreissymmetrie abweichen. So ist es auch vorgesehen, einzelne Schichten mit einer Eckigkeit auszuformen. Dieses hat Vorteile hinsichtlich der Modenmischung bei Verwendung dieser Fasern als Faserlaser.
Aber auch bei passiven Fasern kann eine Eckigkeit besonders geeignet sein, wenn beispielsweise Fasern mit einer hohen Packungsdichte benötigt werden.
Die lamellenartige Struktur ist bei Kunststofflichtwellenleitern durch die Verwendung von verschiedenen Stoffen, vorzugsweise Kunststoffen ausgebildet.
Durch die Anordnung der Gräben und/oder der den Gräben folgenden Schichtstrukturen ist eine Feinstruktur ausgebildet.
Durch vorzugsweise partielle wenigstens abschnittsweise vorliegende radiale Aussparungen kann die lamellenartige Struktur zumindest bei wenigstens einer Grabenstruktur unterbrochen sein.
Der Lichtwellenleiter und das Halbzeug zur Herstellung des Lichtwellenleiters sollen nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert werden. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 1 bis 29. Es zeigt:

1 ein Diagramm mit dem Brechzahlverlauf einer ersten Graben-Feinstrukturierung der Brechzahl in Abhängigkeit vom Faserradius mit einer Gradientenstruktur im Kern und einer Grabenstruktur in der Mantelzone,
1a einen beispielhaften Querschnitt eines Lichtwellenleiters mit der genannten Graben-Feinstrukturierung,
2 ein Diagramm mit dem Brechzahlverlauf der in 1 gezeigten Graben-Feinstrukturierung der Brechzahl mit einer erhöhten Kernbrechzahl,
3 ein Diagramm mit einem Kern mit einem konstanten Brechzahlverlauf mit einem brechzahlerhöhten sekundären Cladding einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform,
3a ein Diagramm mit einem Kern mit einem graduierten Brechzahlverlauf mit einem brechzahlerhöhten sekundären Cladding,
3b ein Diagramm mit einem graduierten Profilverlauf im brechzahlerhöhten Cladding,
4 ein Diagramm einer Graben-Feinstrukturierung mit einem gradientenlosen brechzahlerhöhten Kern und einer Grabenstruktur in der Mantelzone einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform,
4a ein Diagramm mit einer im Kern angeordneten Grabenstruktur in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform,
4b ein Diagramm mit einer im Kern angeordneten zusätzlich brechzahlerniedrigten Grabenstruktur einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform,
5 eine Graben-Feinstrukturierung ohne primäres Cladding mit einem direkten Übergang zwischen dem brechzahlerhöhten Kernbereich und einem brechzahlerniedrigten Grabenbereich in der Mantelzone bei einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform,
6 eine Graben-Feinstrukturierung mit einer zunehmenden Grabentiefe innerhalb der Mantelzone mit einem unmittelbar an den Kern anschließenden Graben,
6a eine Graben-Feinstrukturierung mit einer auf dem Referenzniveau liegenden Kernbrechzahl bei einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform,
6b eine Graben-Feinstrukturierung mit einer über dem Referenzniveau liegenden Kernbrechzahl bei einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform,
6c eine Graben-Feinstrukturierung mit einer über dem Referenzniveau liegenden konstanten Kernbrechzahl ohne primäres Cladding bei einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform,
6d eine Graben-Feinstrukturierung mit einer über dem Referenzniveau liegenden graduellen Kernbrechzahl ohne primäres Cladding,
7 eine Graben-Feinstrukturierung mit sehr dünnen Gräben innerhalb der Mantelzone,
8 eine Graben-Feinstrukturierung mit einem allgemein abgesenkten Brechzahlniveau in der Mantelzone und einer überlagerten Grabenstruktur,
9 eine Graben-Feinstrukturierung gemäß 8, allerdings mit einer abschnittsweisen relativen Brechzahlerhöhung in der Mantelzone,
10 eine Graben-Feinstrukturierung mit Gradientenstruktur im Kern und Grabenstruktur in der Mantelzone, hier mit einem zunehmenden Grabenabstand,
11 eine Graben-Feinstrukturierung gemäß 10, allerdings hier mit einem stufenförmigen Brechzahlverlauf zwischen Kern und Mantelzone,
12 eine Graben-Feinstrukturierung aus Brechzahlgradient im Kern und Grabenstruktur in der Mantelzone, hier mit zunehmenden Grabenbreiten,
13 eine Graben-Feinstrukturierung gemäß 12, hier mit zunehmenden Grabenbreiten bei abnehmenden Grabenabständen,
14 eine Graben-Feinstrukturierung mit zunehmenden Grabentiefen bei sehr und sehr dicht beabstandeten Gräben,
15 und 15a eine Graben-Feinstrukturierung gemäß 14, hier mit nach außen abnehmender Grabentiefe,
16 eine graduelle Strukturierung der Gräben in einer ersten beispielhaften Ausführungsform mit einer Definition der Einhüllenden und der Graduierungslinie,
17 eine Ausführungsform mit einer stufenförmigen Graduierung eines Grabens in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform,
18 eine Ausführungsform mit einer nach oben offenen Gradulierungslinie und eine nach unten offenen Einhüllenden,
19 eine Ausführungsform gemäß 18, zusätzlich mit einer Graduierung des sekundären Claddings,
20 eine Ausführungsform mit Gräben in Form eines symmetrischen Spitzprofils,
21 eine Ausführungsform mit Gräben in Form eines asymmetrischen Spitzprofils,
22 einen beispielhafte Querschnitt durch einen Lichtwellenleiter mit konstanter Grabenbreite,
23 einen beispielhafte Querschnitt durch einen Lichtwellenleiter mit nach außen zunehmender Grabenbreite,
24 einen beispielhafte Querschnitt durch einen Lichtwellenleiter ausgesparten Gräben in einer ersten Ausführungsform,
25 einen beispielhafte Querschnitt durch einen Lichtwellenleiter ausgesparten Gräben in einer zweiten Ausführungsform,
26 eine Ausführungsform mit aneinanderfolgenden Gräben mit bei wachsendem Radius abnehmender Brechzahlabsenkung,
27 eine Ausführungsform mit aneinanderfolgenden Gräben, wobei der Graben mit der maximalen Brechzahlabsenkung von zwei Gräben mit unterschiedlicher aber niedrigerer Brechzahlabsenkung umgeben ist,
28 eine Ausführungsform mit aneinanderfolgenden Gräben, wobei der Graben mit der maximalen Brechzahlabsenkung von zwei Gräben mit niedrigerer Brechzahlabsenkung umgeben ist,
29 eine Ausführungsform mit Gräben, wobei der Graben mit der minimalen Brechzahlabsenkung von zwei Gräben mit höherer Brechzahlabsenkung umgeben ist.

1 zeigt anhand eines Diagramms, 1a anhand eines beispielhaften Querschnitts, einen prinzipiellen Aufbau der Strukturierung eines Lichtwellenleiters. Das Diagramm zeigt den Verlauf einer auf einen Normwert bezogenen Brechzahl n in Abhängigkeit vom Radius R des Lichtwellenleiters an. Die Graben-Feinstrukturierung besteht aus grundsätzlich zwei Bereichen. Der erste Bereich wird durch ein Brechzahl-Kernprofil 1 gebildet. Dieser Bereich befindet sich innerhalb eines Kerns 2 des Lichtwellenleiters und greift nur im Bereich der Grenzfläche zwischen Kern und Mantelzone in die Mantelzone über. Der zweite Bereich der Graben-Feinstrukturierung wird durch ein Brechzahl-Grabenprofil 3 gebildet, das im wesentlichen konzentrisch um den Kern des Lichtwellenleiters herum ausgebildet ist. Das Brechzahl-Grabenprofil befindet sich in der Mantelzone 4 des Lichtwellenleiters. Während der gradientenartige Verlauf der Brechzahl im Kern glatt, d.h. innerhalb des Kerns zunächst ohne Diskontunitäten, Sprünge und andere Unstetigkeiten ausgebildet ist, zeichnet sich das Grabenprofil 3 vornehmlich durch einen diskontinuierlichen Verlauf aus, bei dem sich mehrere Gräben 5 mit dazwischen angeordneten Stufen 6 zu Lamellen aneinander reihen. Die Gräben stellen Bereiche dar, die einerseits im Verhältnis zum Querschnitt des Lichtwellenleiters schmal sind und sich andererseits durch eine besonders deutlich erniedrigten Brechzahl auszeichnen. Die Breite eines Grabens beträgt beispielsweise 1/10 des Querschnittes des Lichtwellenleiters und weniger. Zweckmäßig sind hierbei Grabendicken, die in der Größenordnung der Wellenlänge des propagierten Lichtes bzw. der sich innerhalb des Lichtwellenleiters fortpflanzenden Photonen liegen.
Die Stufen 6 sind dagegen Bereiche, in denen die Brechzahl deutlich gegenüber der Brechzahl in den Gräben erhöht ist. Innerhalb des Brechzahl-Grabenprofils ist die Brechzahl daher unstetig. Sie springt insbesondere an den Gräben zwischen einem tiefsten Wert n_Graben und einem Durchschnittswert n_Man _tel an den Stufen 6 der Mantelzone. Die Differenz zwischen n_Graben und n_Mantelzo _ne beträgt je nach Ausführungsform und Dotierung etwa 0,001 bis 0,5.
Durch diese Gestaltung wird eine Strukturierung erreicht, die für hohe Übertragungsleistungen, beispielsweise für Laserleistungsübertragungen, besonders geeignet ist.
Bei einer bestimmten Gestaltung der Grabenstruktur und der sich daraus ergebenden Lamellen in der Mantelzone werden innerhalb der Mantelzone Bragg-Reflexionen realisiert. Die ermöglichen eine wellenlängenselektive Wechselwirkung zwischen Kern und Mantelzone, bei denen nur Lichtanteile mit ausgewählten Wellenlängen in den Kern zurückreflektiert und damit innerhalb des Lichtwellenleiters geleitet werden. Der Lichtwellenleiter wirkt in einem solchen Fall faktisch als Filter.
Für solche Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die Breite der Feinstrukturen ein ganzzahliger Bruchteil der später verwendeten Wellenlänge bzw. ein Vielfaches derer ist. Vorzugsweise sollten die Schichtstrukturen eine Breite von λ/2, λ/4 oder einem Vielfachen dessen aufweisen. Damit ist es möglich, ebenfalls Einfluss auf die Polarisation der verwendeten Lichtwellen zu nehmen.
Das Grundmaterial faserförmiger Lichtwellenleiter besteht vorzugsweise auf Quarzglas. Derartige Lichtwellenleiter werden in der Regel aus einem Halbzeug gefertigt und erhalten ihre endgültige Form durch den Fertigungsschritt eines Faserziehens. Das Halbzeug wird auch als Preform bezeichnet. Die Strukturierung, die innerhalb der Preform vorhanden ist, bleibt beim Ziehen der Faser in den meisten Fällen erhalten. Der Brechzahlverlauf innerhalb der Faser stellt somit nur eine auf den nun weitaus kleineren Faserdurchmesser herunterskalierte und miniaturisierte Darstellung des Brechzahlverlaufs in der Preform dar. Für die nachfolgenden Darstellungen genügt es somit, den Brechzahlverlauf entweder nur der Preform oder nur der Lichtleitfaser zur beschreiben. Die nachfolgenden Beispiele gelten daher allgemein sowohl für die Preform als auch für den fertigen Lichtwellenleiter, sofern an einzelnen Stellen nichts anderes angemerkt wird.
Anhand verschiedener ausgewählter Brechzahlprofile sollen nun die unterschiedlichen Designs erläutert werden, wobei die jeweiligen Charakteristika der einzelnen Ausführungsbeispiele in beliebiger Weise kombiniert und sinngemäß erweitert werden können. Prinzipiell ist anzumerken, dass beliebig viele Gräben vorgesehen sein können. In jedem Fall aber erstreckt sich die Graben-Feinstrukturierung über die gesamte Mantelzone. Dabei werden nicht nur kernnahe Bereiche, sondern auch kernferne, d.h. radial weiter außen liegende Bereiche der Mantelzone von den Gräben strukturiert.
Die Diagramme der nachfolgenden Figuren zeigen auf der Abszisse den radialen Abstand R vom Kernmittelpunkt R = 0 in willkürlichen Einheiten. Die Darstellung ist nicht auf Lichtwellenleiter mit einem kreisrunden Querschnitt beschränkt, sondern lässt sich in analoger Weise auch auf Lichtwellenleiter mit einer beliebigen Querschnittsform anwenden. Für andere Lichtwellenleiter, wie beispielsweise einen zusätzlich in 1a gezeigten planaren Wellenleiter mit einem rechteckigen Querschnitt, bezeichnet die Abszisse R eine Strecke entlang einer durch den Querschnitt gezogenen Linie, insbesondere einer Diagonale, einer Halbachse oder einer Symmetrieachse.
Auf der Ordinate der jeweiligen Diagramme ist die normierte Brechzahl n in Form einer Brechzahldifferenz zum jeweils verwendeten Referenzmaterial aufgetragen. Das Referenzmaterial ist zweckmäßigerweise das Matrixmaterial des Lichtwellenleiters. Üblicherweise wird bei Lichtwellenleitern reines Quarzglas als Referenzmaterial verwendet. Dem Referenzmaterial wird in der Brechzahlmessung nachfolgend der willkürliche Wert 0 zugewiesen, da es für die lichtleitenden Eigenschaften der Faser ohnehin vor allem auf Brechzahldifferenzen zwischen den einzelnen Faserabschnitten ankommt.
Bei manchen Einsatzbedingungen, insbesondere zur Lichtübertragung über kürzere Distanzen, werden außer Lichtwellenleitern aus Glas auch Kunststofflichtwellenleiter verwendet. Das Referenzniveau muss in einem solchen Fall auf das Niveau des verwendeten Basiskunststoffs entsprechend angepasst werden. Bei Kunststofflichtwellenleitern wird die Lichtwellenleitung beispielsweise durch Verwendung von mehreren Kunststoffen mit unterschiedlichen Brechzahlen im Kern und in der Mantelzone erreicht werden. Bei einer Normierung der Brechzahl des Basiskunststoffs auf den Wert n = 0 bleiben die nachfolgenden Diagramme und Beschreibungen auch für Kunststofflichtwellenleiter gültig. Die hier gegebenen Erläuterungen beziehen sich aus Gründen einer bequemen Darstellung ausschließlich auf Lichtwellenleiter auf der Grundlage einer Quarzglasmatrix.
Positive Ordinatenwerte und damit Brechzahlerhöhungen im Vergleich zum Referenzwert des Referenzmaterials werden dadurch erzeugt, indem Material mit einem höheren Brechungsindex im Vergleich zum Basismaterial verwendet wird. Die Brechzahlerhöhung wird zumeist durch wenigstens eine Dotierung des Matrixwerkstoffes mit entsprechenden chemischen Verbindungen erreicht. Negative Ordinatenwerte kommen in einer dazu analogen Weise zustande, indem Material mit einem niedrigen Brechungsindex im Vergleich zur Bezugsbasis zur Anwendung kommt. Die erniedrigte Brechzahl wird ebenfalls zumeist durch wenigstens eine Dotierung der Matrix mit entsprechenden Verbindungen erreicht.
Bei der Verwendung von Quarzglas als Grundmatrix kommen als gängige Dotanden Fluor, Germanium, Bor, Aluminium, Phosphor, Titan oder aktive Ionen wie Ytterbium, Cer, Holmium und andere Materialien zur Anwendung. Insbesondere Verbindungen, die die Metalle und Halbmetalle Ag, Au, Cu, Ni, Ta, Zr, Sn, Zn, Hg, Ru, Rh, Ir, Os, Ro, W, Ti, Al, In, Ga ,Nb, La, Sm, Ce, B, P, Sr, Ba, Mo, Cr, Fe, Co, Se, Mn, Ge, V, In, Bi, Pt, Pd, Tc, V, Pb, N enthalten, sind verwendbar. Die Auswahl an Dotanden ist nicht auf die hier aufgeführten Verbindungen und Elemente beschränkt, sondern kann mit beliebigen Elementen der Haupt- und Nebengruppen, sowie den Selten-Erd-Elementen durchgeführt werden, sofern diese oder Kombinationen aus diesen die gewünschte Brechzahlveränderung bewirken.
In den Ausführungsbeispielen sind zumeist nur zwei oder drei Grabenstrukturen exemplarisch dargestellt. Sie dienen lediglich als Verdeutlichung des dahinter stehenden Prinzips und können in ihrer Anzahl und Gestaltung beliebig erhöht werden. Eine höhere Zahl der Gräben verbessert die optischen Eigenschaften des Lichtwellenleiters. So nimmt insbesondere die Güte der erwähnten Bragg-Reflexionen mit der Anzahl der Gräben zu.
Die maximale Brechzahlabsenkung aufeinanderfolgender Gräben kann in Abhängigkeit von ihrem radialen Abstand zum Zentrum des Lichtwellenleiters ausgebildet sein. Diese Abhängigkeit kann linear oder nichtlinear ausgestaltet werden. Im letzteren Fall wird durch die Gräben eine Struktur mit einer insbesondere parabelförmigen Einhüllenden gebildet, deren Form (Steigung, Öffnungswinkel, Stauchung/ Streckung) in Abhängigkeit vom Verwendungszweck der Faser und/oder von deren Kerndesign eingestellt wird.
Die Gräben selbst können ein rechteckiges Brechzahlprofil aufweisen. In diesem Fall springt die Brechzahl an den Grenzflächen des Grabens zu benachbarten Schichten, wobei die Brechzahl über die gesamte Grabenbreite einen konstanten Wert hat. Das Brechzahlprofil der Gräben kann aber auch graduell ausgebildet sein. In diesem Fall weicht das Brechzahlprofil des Grabens von der rechteckigen Form ab. Die Brechzahl ist dann über die Grabenbreite hinweg deutlich niedriger als in der Umgebung, aber nicht mehr konstant. Beide Fälle werden im Folgenden noch genauer dargestellt.
Die folgenden Ausführungsformen und Wertangaben beziehen sich auf eine Lichtleitfaser, die auf Quarzglas basiert. Die Angaben lassen sich durch entsprechende Umrechnungsalgorithmen auf ein Halbzeug, d.h. eine Preform, oder auch auf andere Glaswerkstoffe und Kunststoffe übertragen.
Zur Herstellung der nachfolgend beschriebenen Brechzahlprofile können bei quarzbasierten Lichtleitfasern kombinierte Verfahren eingesetzt werden. Insbesondere können Außenbeschichtungsbefahren, wie beispielsweise die bekannten Plasma- und/oder Flammenbasierten Außenbeschichtungsverfahren, zur Anwendung kommen, die mit Verfahren zur Innenabscheidung wie den bekannten CVD-Verfahren und Jaketing- und/oder Kollabierverfahren kombiniert werden. Beispiele zur Realisierung werden bei den einzelnen Ausführungsbeispielen gegeben, wobei deren Herstellung nicht streng an die genannten Abfolgen gebunden ist, sondern vom Fachmann in geeigneter Weise modifiziert bzw. um zusätzliche Verfahrensschritte erweitert werden kann.
Nachfolgend wird als Faserkern oder auch nur als Kern der erste vom Zentrum der Faser ausgehende bzw. im Zentrum der Faser befindliche Brechzahlbereich bezeichnet, in welchem die Lichtwellenleitung stattfindet. Als Mantelzone wird der den Kern umgebende Faserbereich bezeichnet. Bei Lichtwellenleitern und deren Halbzeugen ist dafür auch der Begriff Cladding in Gebrauch. Die Begriffe „Mantelzone“ und „Cladding“ werden nachfolgend synonym verwendet.
Die Geometrie des Kerns, der Mantelzone sowie der einzelnen Bereiche gleicher Brechzahl ist vorzugsweise kreisrund. Jeder Bereich kann aber unabhängig eine von der Kreissymmetrie abweichende Gestaltung aufweisen. Hier kommen insbesondere vieleckige Formen und/oder ovale Querschnitte zur Anwendung. Je nach Verwendungszweck kann damit eine effiziente Modenmischung bei der Lichtwellenleitung erreicht werden.
Die üblichen Kerndurchmesser der Lichtwellenleiter liegen im Bereich von 5 - 400 µm , vorzugsweise zwischen 50 - 150 µm und noch mehr bevorzugt zwischen 50 und 62,5 µm.
1a zeigt ein Brechzahlprofil für ein typisches erstes Ausführungsbeispiel. Die Figur zeigt eine Lichtleitfaser mit einem graduell positiven Brechzahlprofil 1 in einem Kern 2. Die Brechzahl fällt von einem Maximalwert im Zentrum des Kerns parabelförmig über dem Radius R zur hier mit einer gestrichelten Linie bezeichneten Kern-Mantelgrenze hin ab. Im Kern liegt somit ein typisches Gradientenprofil der Brechzahl vor, wobei die Form des Brechzahlgradienten für den entsprechenden Verwendungszweck über die Dotierung des Kerns vom Fachmann angepasst werden kann. An den Kern grenzt ein in der Breite variabler Bereich einer ersten Stufe 6, der die Brechzahl des Referenzmaterials aufweist. An diesem Bereich grenzend schließt sich die Grabenstruktur 3 an. Diese befindet sich innerhalb der Mantelzone 4. Die Grabenstruktur besteht aus einer alternierenden Folge aus Gräben 5 mit einer erniedrigten Brechzahl und Stufen 6, die die Brechzahl der Glasmatrix der Mantelzone aufweisen.
Ein Graben 5 besteht jeweils aus einem in seiner Breite variablen und im Vergleich zur Bezugsbasis in seiner Brechzahl abgesenkten Bereich. In dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel schließt sich dem Graben 5 ein wiederum in seiner Breite variabler Bereich der Stufe 6 mit der Referenzbrechzahl an.
Der Bereich der Stufen wird im Folgenden in das primäre Cladding und das sekundäre Cladding unterschieden. Unter dem Begriff des primären Claddings wird der Bereich derjenigen Stufe verstanden, die sich im unmittelbaren Kontakt mit der Kernzone befindet. Im Unterschied dazu wird der Bereich der Mantelzone, der unmittelbar auf den dem Kern nächstliegenden Graben 5 folgt, und der also nicht unmittelbar mit dem Kern im Kontakt steht, nachfolgend als sekundäres Cladding bezeichnet. Das sekundäre Cladding wird also jeweils von wenigstens einem Graben nach innen und möglicherweise einem weiteren Graben nach außen hin begrenzt.
Dabei gilt in diesem Ausführungsbeispiel, dass der Kern auch über dessen gesamtes Gradientenprofil hinweg die höchste Brechzahl aufweist, wobei die Brechzahlen der einzelnen Gräben mit wachsendem Radius R abnehmen. Es gilt somit: $n_{Kern} \geq n_{Matrix} > n_{GrabenN} mit N = 2,3,4 \dots$
Das in 2 gezeigte Diagramm für ein weiteres Ausführungsbeispiel entspricht in seinem Grundaufbau der Ausführungsform aus 1. Daher sind aus Gründen der Übersichtlichkeit keine Bezugszeichen eingetragen. In dem Ausführungsbeispiel aus 2 weist der Kern eine deutlich höhere Brechzahl auf und ist entsprechend höher dotiert. Das hat den Vorteil, dass die numerische Appertur in diesem Fall gesteigert werden kann, was zum Beispiel für Lichtwellenleiter zur optischen Bildübertragung sehr bedeutsam ist.
Zur Herstellung der in 1 und 2 angegebenen Brechzahlprofile wird ein positiv graduierter Kern, welcher mit Hilfe des bekannten Modifizierten chemischen Dampfabscheide-Verfahrens (modified chemical vapor deposition method - MCVD) hergestellt wurde, direkt mittels eines Außenseiten Dampfabscheide-verfahrens (outside vapor deposition method - OVD) beschichtet. Die Grabenstrukturen lassen sich durch Beifügung von Dotierungsmitteln in geeigneter Konzentration erreichen, wobei die Dotandenbeigabe vorzugsweise alternierend aktiviert und deaktiviert wird.
In den 3, 3a, 3b und 4 sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen dargestellt. Bei diesen Ausführungsformen hat das sekundäre Cladding innerhalb der Stufen 6 nicht das Bezugsniveau n = 0 , sondern einen etwas darüber liegenden höheren Brechzahl-Wert. Es ist also brechzahlerhöhend dotiert.
In dem Ausführungsbeispiel aus 3 weist das sekundäre Cladding innerhalb der Stufen einen vom Radius unabhängigen Brechzahlwert auf. In den 3a und 3b sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen dargestellt. Bei diesen Ausführungsformen hat das sekundäre Cladding nicht das Bezugsniveau der Glasmatrix, sondern nimmt einen höheren Brechzahl-Wert an. Dieser höhere Brechzahlwert ist bei der Ausführungsform aus 3a zwischen den Gräben konstant und weist daher eine rechteckige Profilform auf. Dagegen wird der höhere Brechzahlwert bei der Ausführungsform in 3b graduell, insbesondere parabelförmig, angenommen.
Bei der Ausführungsform aus 4 nimmt der Brechzahlwert des sekundären Claddings mit dem Radius zu. Die Zunahme kann linear, aber auch nichtlinear angelegt sein. Der hier rechteckige Profilverlauf im sekundären Cladding kann auch graduell wie in 3b gestaltet sein.
Die Ausführungsformen aus den 3 bis 4 sind zunächst für passive Fasern vorteilhaft, bei denen nur eine Lichtleitung erfolgen soll, für die aber weder eine optische Anregung noch ein optischer Pumpvorgang benötigt wird. Der Brechzahlverlauf innerhalb des sekundären Claddings sichert, dass bei diesen Fasern der Anteil des Lichtes, welches den Kern verlässt, nicht erneut in den Kern propagiert, sondern tendenziell nach außen hin abgeleitet wird, während die Propagationsrichtungen zum Kern hin durch Totalreflexionseffekte versperrt sind. Dieser Effekt ist dadurch von Bedeutung, weil mit diesen Mitteln eine hohe Signalgüte erreicht werden kann, wobei nachlaufende Moden ausgeblendet werden können.
Die in den 3 bis 4 gezeigten Ausführungsformen sind jedoch nicht nur für rein passive Lichtwellenleiter interessant. Durch die gezeigte Gestaltung des Brechzahlprofils des Lichtwellenleiters ist es insbesondere möglich, Licht, das in den Kern eingekoppelt wurde, in das sekundäre Cladding zu überführen, so dass sich beispielsweise eine ringförmige Verteilung der Strahlung am Ausgang des Lichtwellenleiters ergibt. In einem solchen Fall fungiert das sekundäre Cladding als ein sekundärer Lichtwellenleiter, in dem gegebenenfalls zusätzliche optische Prozesse aktiviert werden können. So ist es prinzipiell möglich, in diesen sekundären Lichtwellenleiter laseraktive Ionen einzubringen. In einem solchen Fall lässt sich eine inverse Anregung ausführen. Dabei kann Pumplicht über den Kern eingekoppelt werden. Das Pumplicht propagiert in den sekundären Lichtwellenleiter und bewirkt dort die Konversion.
Zur Herstellung des in den 3 bis 4 gezeigten Aufbaus wird beispielsweise wie folgt vorgegangen. Zunächst wird an der Innenfläche eines Substratrohres eine fluorhaltige Schicht abgeschieden. Durch sukzessive Substitution des Fluors durch Germanium wird der innere Kern hergestellt. Dieser wird anschließend kollabiert, worauf im Anschluss daran das äußere Substratrohr abgetragen wird. Anschließend wird ein weiteres Substratrohr bereitgestellt. Im Innern dieses weiteren Substratrohres wird eine gleichmäßige oder graduierte germaniumdotierte Schicht abgeschieden. Das Substratrohr wird dann entfernt und mit Hilfe eines OVD-Verfahrens wird nun außen zumindest eine fluordotierte Schicht abgeschieden. Anschließend wird das so hergestellte zweite Rohr auf den aus dem ersten Rohr entstandenen Kernstab kollabiert. Diese Schritte aus innerer Substratrohrbeschichtung, Entfernen des jeweiligen Substratrohres und Kollabieren können wiederholt ausgeführt werden, sodass sich nun das gewünschte Brechzahlprofil in der dabei entstehenden Preform ausbildet.
Bei den bisher vorgestellten Ausführungsformen ging der Brechzahlverlauf des Kerns an der Grenzfläche zur Mantelzone zunächst in den Bereich einer Stufe des primären Claddings über, in dem die Brechzahl derjenigen der Quarzmatrix gleich ist. Dabei war der Verlauf des Brechzahlprofils innerhalb des Kerns glatt, d.h. beispielsweise entweder parabelförmig, oder konstant.
In den in den 4a und 4b gezeigten Ausführungsbeispielen wird das Brechzahl-Kernprofil 1 bereits von einer inneren Kern-Grabenstruktur bestehend aus wenigstens einem Graben unterbrochen. Dabei kann die Absenkung des Grabenniveaus entweder auf das Bezugsniveau erfolgen, wie bei der Ausführungsform in 4a oder auch niedriger sein, wie bei der Ausführungsform in 4b gezeigt.
Es ist aber auch möglich, dass der Brechzahlverlauf des Kerns direkt in einen Graben übergeht oder dass der Graben selbst den Brechzahlverlauf am Rand des Kerns abschneidet. In einem solchen Fall fehlt also das primäre Cladding. Die Ausführungsformen aus 5 und 6 zeigen hierzu entsprechende Ausführungsbeispiele. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der innerhalb des Kerns 2 eine konstante Brechzahl vorliegt. In der Ausführungsform aus 6 ist in dem Kern ein Brechzahlgradient vorhanden. Die Brechzahl fällt an der Grenze zwischen dem Kern und der Mantelzone sprunghaft an dem ersten Graben auf einen ersten minimalen Wert. Dieser Sprung definiert die für die Lichtwellenleitung bedeutsame Grenze zwischen Kern und Mantelzone für den Lichtwellenleiter. Fertigungstechnisch kann dieser erste Graben allerdings auch als Teil des Kerns ausgebildet sein. In einem solchen Fall wird der gefertigte Kern mit einem Oberflächenbehandlungsverfahren so dotiert, dass an dessen Oberfläche eine deutliche Brechzahlerniedrigung erzeugt wird, die jedoch nur auf der Kernoberfläche nachweisbar ist und sich nicht auf die Tiefe des Kerns auswirkt.
In weiteren Ausführungsbeispielen findet der Brechzahlübergang vom Kern zum primären Cladding über ein Stufenindexprofil statt. Dabei kann das Kernniveau auf der Höhe des Bezugsniveaus liegen, wie zum Beispiel bei der Ausführungsform gemäß 6a oder darüber wie bei der Ausführungsform aus 6b.
Bei der Ausführungsform aus 6a besteht somit der Kern aus der Quarzglasmatrix selbst oder zumindest aus einem Material mit der selben Brechzahl. Eine Unterscheidung zwischen dem Kern und dem primären Cladding besteht daher in diesem Sinne nicht. Die Lichtleitung innerhalb des Kerns wird bei der hier vorliegenden Ausführungsform im wesentlichen nur durch die Brechzahlabsenkung innerhalb der Grabenstrukturen in der Mantelzone bewirkt.
Die 6c und 6d zeigen jeweils Ausführungsformen, bei denen der Kern unmittelbar an einen Graben grenzt, wobei ein primäres Cladding nicht vorhanden ist.
Zur Herstellung des dargestellten Aufbaus werden im Inneren eines Substratrohres F-dotierte oder Ge-dotierte Schichten abgeschieden, so dass die gewünschte Durchstufung des Kerns oder der entsprechende Gradientenverlauf der Brechzahl realisiert wird. Anschließend wird das äußere Substratrohr entfernt und es folgt eine OVD Beschichtung des Kerns mit entsprechend dotierten Schichten in der Abfolge des gewünschten Brechzahlverlaufs.
Die in 7 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von den vorher gezeigten Ausführungsbeispielen darin, dass bei der hier gezeigten Graben-Feinstrukturierung sehr dünne und dicht aufeinander folgende Gräben vorgesehen sind. Der Abfall der Brechzahl über dem Grabenprofil erfolgt dadurch über einen verhältnismäßig kleinen Radiusbereich und damit insgesamt relativ schnell. Dabei ist ebenfalls kein primäres Cladding vorhanden. Der Kern geht an der Grenzfläche zur Mantelzone in einen Graben über. Weil die Gräben sehr schmal sind und deren Breite weitaus geringer als die Wellenlänge des innerhalb des Lichtwellenleiters transportierten Lichtes ist, wirkt diese Grabenstruktur nicht als Element für eine Bragg-Reflexion, sondern realisiert einen quasi kontinuierlichen Abfall der Brechzahl innerhalb der Mantelzone. Das Ausführungsbeispiel aus 7 beschreibt eine Möglichkeit, mit der die Brechzahl in der Mantelzone im Mittel sehr stark abgesenkt werden kann, wobei nicht die gesamte Mantelzone durchdotiert werden muss.
Die Ausführungsform aus 8 zeigt einen Brechzahlverlauf innerhalb der Mantelzone 4, bei der erstens die Brechzahl innerhalb des Mantels im Vergleich zur Brechzahl der Quarzmatrix um einen konstanten Betrag dn abgesenkt, also in Bezug auf die Referenzbrechzahl negativ ist. Über diese konstante negative Brechzahl ist zweitens die Grabenstruktur zusätzlich überlagert.
In diesem Fall schliesst sich das innerste Grabenprofil ohne primäres Cladding direkt an den Kern an. Das sekundäre Cladding hat dabei ein Brechzahlniveau unter dem Niveau der Bezugsmatrix: n < 0. Dadurch lassen sich besonders hohe NA - Werte erreichen. Die Biegeunempfindlichkeit ist in diesem Fall besonders gut.
Bei der Herstellung dieses Ausführungsbeispiels wird bei der OVD Beschichtung des Kerns stets Fluor in unterschiedlichen Mengen zur Dotierung hinzugegeben.
Die Biegeunempfindlichkeit lässt sich weiterhin gezielt einstellen, indem eine dreifache Graduierung wie bei der Ausführungsform gemäß 9 realisiert wird. Dabei bildet der Verlauf der Kernbrechzahl eine erste Graduierung, die max. Grabentiefe eine zweite und die Höhe des jeweils auf den Graben folgenden sekundären Claddings eine dritte parabelartige Graduierung. Die einzelnen Gradienten können in einem Ausführungsbeispiel in ihrer Form (Parabelparameter, Steigung, Geometrie) aneinander angepasst oder völlig unabhängig voneinander sein. So ist ein einem Beispiel bei einer hohen Kerndotierung ein starker Kerngradient vorgesehen, wohingegen die Gradierung der maximalen Grabentiefe weniger stark ausgeprägt ist. Diese Gestaltung erlaubt eine besonders feine Einstellung der Biegeempfindlichkeit.
Die Ausführungsform aus 9 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform aus 8. Bei dem hier vorliegenden Beispiel ist die Grabenstruktur allerdings so gestaltet, dass eine Stufe 6a des sekundären Claddings innerhalb der Grabenstruktur keine negative Brechzahl aufweist, sondern sich auf dem Niveau der Brechzahl der Quarzglasmatrix befindet. Mit einer derartigen Ausgestaltung ist es möglich, gewisse Lichtanteile aus dem Kern gezielt auszukoppeln und innerhalb der Mantelzone geleitete Lichtanteile wieder in Richtung des Kerns einzukoppeln und somit im Endeffekt eine wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung über die Mantelzone zu erreichen.
Die Herstellung der Brechzahlprofile der Ausführungsformen aus den 8 und 9 kann durch Modifikation der bereits beschriebenen Schritte in einfacher Weise realisiert werden.
Neben der Brechzahl der Grabenstrukturen stehen auch die Breite der Gräben sowie deren Abstände als weitere Gestaltungsparameter zur Verfügung. Die 10 bis 13 zeigen entsprechende Ausführungsbeispiele. In diesen Ausführungsbeispielen bleibt die Grabentiefe über den Radius konstant n_Graben = const. In dem Ausführungsbeispiel aus 10 sind die Abstände d1, d2 und d3 zwischen den Gräben nicht konstant gehalten, sondern variieren in Abhängigkeit vom Radius R. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nehmen die Abstände über den Radius hin zu. Durch die Abstände der Gräben untereinander sowie die Bereiche zwischen den Gräben wird die durch die lamellenartige Struktur hervorgerufene Graben-Feinstrukturierung festgelegt.
Die Ausführungsform in 11 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform aus 10, sodass hier auf eine Wiederholung der Bezugszeichen verzichtet wird. Die Ausführungsform gemäß 11 unterscheidet sich von der in 10 gezeigten Ausführungsform darin, dass hier der Kernbereich nicht direkt in einen Grabenbereich einmündet, sondern dass der Kern mit einem Bereich 6b eines unbeeinflussten Mantelmaterials in Form des primären Claddings umgeben ist.
In den Ausführungsbeispiel aus 12 variiert außerdem die Grabenbreite g im Abhängigkeit von der radialen Position des jeweiligen Grabens, während die Abstände zwischen den Gräben konstant bleiben. Bei dem Ausführungsbeispiel aus 13 ändern sich die Grabenabstände d zusätzlich dazu ebenfalls. Diese nehmen im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus 11 mit wachsendem Radius ab.
Durch die verschiedenen Grabenbreiten in Verbindung mit den veränderlichen Grabenabständen erfährt Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge eine mit der Grabenstruktur unterschiedlich starke Wechselwirkung. Dabei kommt vor allem die Wellenlängenabhängigkeit der Eindringtiefe zum Tragen, es spielen aber auch Interferenzeffekte und Bragg-Reflexionen eine Rolle. Dadurch bildet sich eine Wellenlängenpräferenz außerhalb der einzelnen Grabenstrukturen heraus und es kann eine Wellenlängenselektion erreicht werden. Es kann bei diesen Ausführungsformen im Vergleich zu den anderen zu einer besonders ausgeprägten Bragg- Reflexion kommen. Dieses ist vor allem für in der Sensorik benötigte Lichtwellenleiter von besonderer Bedeutung.
Die einzelnen Gräben können auch quasi unmittelbar aneinander anschließen. Entsprechende Beispiele sind in den 14 und 15 dargestellt. Bei den hier gezeigten Ausführungsformen sind die diskreten Gräben nur durch sehr dünne Streifen aus Matrixmaterial voneinander abgetrennt. Die Grabenbreiten sind im Verhältnis zum dazwischen angeordneten Matrixmaterial groß, insbesondere 10 mal größer. Die zwischen den Gräben vorhandenen Zonen weisen eine geringe Dicke auf, insbesondere ist diese Dicke kleiner als die Wellenlänge des innerhalb des Kerns propagierten Lichtes. Dadurch spielen diese Zwischenräume bei den Interferenzvorgängen innerhalb der Grabenstruktur der Mantelzone praktisch keine Rolle. Die Brechzahlwerte der einzelnen Gräben können dabei in Abhängigkeit vom Radius entweder fallen oder auch zunehmen.
Bei der Ausführungsform aus 14 weist der am nächsten zum Kern gelegene Graben die höchste Brechzahl auf. Es gilt : $n_{Kern} > n_{Graben1}$
und weiterhin $n_{GrabenN} \geq n_{GrabenN + 1}$
Bei der Ausführungsform aus 15 und bei der Ausführungsform aus 15a gilt ebenfalls $n_{Kern} \geq n_{Graben1},$
wobei innerhalb der Folge der Gräben $n_{GrabenN} \leq n_{GrabenN + 1},$
gilt.
Für dieses Ausführungsbeispiel gelten die gleichen Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der Grabentiefe, der Grabenbreite, der Höhe des Bezugsniveaus und der Anzahl der Gräben, wie bei den zuvor beschriebenen Beispielen. Hinsichtlich der Modenselektion und der Biegeoptimierung weist dieses Design besondere Vorteile auf.
Es ist ebenfalls in einer Ausführungsform vorgesehen, dass einer der mittleren Gräben einen minimalen Wert aufweist. In 27 und 28 ist beispielhaft ein solcher Fall dargestellt. Es kann ebenfalls eine Trennung der einzelnen Gräben durch einen zwischenzeitlichen Anstieg auf das Matrixniveau vorgesehen sein.
Die Gräben der vorhergehend genannten Ausführungsbeispiel können eine Feinstruktur in Form einer Graduierung aufweisen. 16 zeigt hierzu einen Ausschnitt mit einer vergrößerten Darstellung des Brechzahlverlaufs innerhalb eines Grabens. Im Gegensatz zu dem rechteckförmigen Verlauf des Brechzahlprofils im Grabenbereich verläuft das Brechzahlprofil am Minimum der Grabenstrukturen entlang einer Graduierungslinie 7, die hier als Teil einer Einhüllenden 8 ausgestaltet ist. Dabei beschreibt die Einhüllende den generellen Verlauf der Brechzahl über der Grabenstruktur in Abhängigkeit vom Radius des Lichtwellenleiters. Die Graduierungslinie ist hier ein direkter Ausschnitt der Einhüllenden auf den jeweiligen Grabenbereich. Im allgemeinen müssen beide Verläufe aber nicht deckungsgleich sein.
17 zeigt eine Ausführungsform mit einer stufenförmigen Graduierung eines Grabens. Die Graduierungslinie ist hier eine Treppenfunktion. Ein derartiger Brechzahlverlauf lässt sich auch dadurch erreichen, indem die Gräben unmittelbar und ohne Zwischenabstand aufeinander folgen. In diesem Fall bildet die Ausführungsform aus 17 einen Spezialfall der in 14 gezeigten Ausführungsform, die jeweils auseinander hervor gehen können und deren Gestaltung vom Fertigungsprozess abhängt.
In weiteren Ausführungsbeispielen gemäß den 18 und 19 weisen die Gräben eine Graduierung auf, bei der das Minimalniveau jedes Grabens parabelförmig ausgeformt ist. Die Einhüllende 8 ist bei 18 eine nach unten offene Parabel, die Graduierungslinie 7 in jedem Graben dagegen eine nach oben offene u-förmige Kurve, insbesondere eine Parabel oder ein Kreissegment.
Mit einer derartigen Gestaltung lässt sich eine sehr umfangreiche und weite Feineinstellung der Biegeempfindlichkeit des Lichtwellenleiters erreichen. Bei der Ausführungsform aus 19 sind zusätzlich die auf den Gräben folgenden Zwischenschichten der Glasmatrix des sekundären Claddings 6 in Ihrer Brechzahl ebenfalls mittels einer nach unten offenen Parabel als Graduierungslinie graduiert. Dadurch bildet sich in idealer Weise eine Lamellenstruktur aus Schichten mit einem steil, aber glatt oszillierenden Brechzahlprofil.
In weiteren Ausführungsformen gemäß den 20 und 21 sind die Gräben als Spitzprofile 9 ausgeformt. Die Graduierung der Gräben kann dabei wie in 20 gezeigt an den Steigungen gleich oder wie in 21 dargestellt, unterschiedlich sein. Es ist auch eine Kombination aus den unterschiedlichen Grabenformen möglich.
In den 22 und 23 ist exemplarisch eine Frontalsicht der Grabenstrukturen schematisch dargestellt. Dabei ist in der Ausführungsform aus 22 die Grabenbreite konstant, während sie bei der Ausführungsform gemäß 23 variiert und zu größeren Radien hin zunimmt.
Bei aktiven Fasern, die insbesondere für Pumpanregungen verwendet werden sollen, ist eine effiziente Modenmischung notwendig. Diese kann beispielweise durch zumindest abschnittsweise Aussparungen 10 in einzelnen Schichtstrukturen erreicht werden, wie sie in den 24 und 25 exemplarisch dargestellt sind. Durch die wenigstens partielle zumindest abschnittsweise Aussparung kann zum Beispiel bei der lamellenartigen Strukturierung gemäß einer der vorherigen Ausführungsbeispiele die Strukturierung derart verändert werden, dass eine Entartung der Lichtmoden in der lamellenartigen Strukturierung aufgehoben wird.
Durch diese Richtungsabhängigkeit kann Einfluss auf die in der Faser propagierende elektromagnetische Welle genommen werden. Beispielsweise lassen sich somit polarisationserhaltende strukturierte Fasern erzeugen, deren Biegeempfindlichkeit gezielt variiert werden kann.
Derartige Aussparungen lassen sich durch Ummantellungsschritte eines geeigneten Stabs mit einem Rohr mit gewünschten Brechzahlprofil erreichen, welches zumindest abschnittsweise Aussparungen besitzt.
Es versteht sich von selbst, dass die folgenden Lamellenstrukturen in ihrer Zentrosymmetrie gestört sein können. Diese Störungen sind in manchen Fällen Modenmischung gewünscht, in manchen müssen sie aufwendig ausgeglichen werden.
Die Erfindung wurde anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
Bezugszeichenliste

1: Brechzahl-Kernprofil
2: Kern
3: Brechzahl-Grabenprofil
4: Mantelzone
5: Graben
6: Stufe
6a: Stufe mit erhöhter Brechzahl
6b: primäres Cladding
7: Graduierungslinie
8: Einhüllende
9: Spitzprofil
10: Aussparung, Unterbrechung

Claims

Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften, gekennzeichnet durch eine Graben-Feinstrukturierung mit einem vom Radius abhängigen gradientenartigen Brechzahl-Verlauf (1) innerhalb einer Kernzone (2) und einem konzentrischen Brechzahl-Grabenprofil (3) innerhalb einer Mantelzone (4), wobei die Abfolge der Feinstruktur eine lamellenartige Struktur ausbildet, eine auf ein Matrixmaterial bezogene normierte Brechzahl n innerhalb der Kernzone positiv ist und die normierte Brechzahl der jeweiligen Gräben der Graben-Feinstrukturierung in der Mantelzone negativ ist, wobei die Grabenbreiten im Verhältnis zum dazwischen angeordneten Matrixmaterial 10 mal größer sind und die Breite eines Grabens weniger 1/10 des Querschnittes des Lichtwellenleiters beträgt und mindestens zwei abgrenzbare brechzahlerniedrigte Bereiche vorliegen.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Graben-Feinstrukturierung aus einer Folge unterschiedlich dotierter Bereiche mit innerhalb einer Grundmatrix eingebrachten brechzahlerniedrigenden und/oder brechzahlerhöhenden Dotanden ausgebildet ist.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmatrix eine Quarzglasmatrix ist und die Dotanden Elemente der siebenten Hauptgruppe, Selten-Erd-Elemente, Metalle, Halbmetalle und/oder Übergangselemente und/oder Verbindungen der genannten Elemente sind, bestehend zumindest anteilig aus den Elementen: Si, Ag, Au, Cu, Ni, Ta, Zr, Sn, Zn, Hg, Ru, Rh, Ir, Os, Ro, W, Ti, Al, In, Ga ,Nb, La, Sm, Ce, B, P, Sr, Ba, Mo, Cr, Fe, Co, Se, Mn, Ge, V, In, Bi, Pt, Pd, Tc, V, Pb, N.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahlmodulation des Brechzahl-Grabenprofils in Abhängigkeit von dem Radius eine veränderliche Tiefe aufweist.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Brechzahl-Grabenprofils rechteckförmig moduliert und/oder graduiert ist.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brechzahl-Grabenprofil richtungsabhängige Unterbrechungen und/oder Aussparungen aufweist.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Breite zumindest einer der Strukturierungen einem ganzzahligen Bruchteil aλ/2 oder aλ/4 mit (a= 1,2,3...) der später verwendeten Wellenlänge entspricht.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als biegeumpfindliche Faser, Sensorfaser, aktive Laserfaser, Faser mit wellenlängenselektiven Eigenschaften, Faser innerhalb einer optischen Einheit verwendet wird.
Halbzeug zur Herstellung eines Lichtwellenleiters mit biegeoptimierten Eigenschaften, gekennzeichnet durch eine Graben-Feinstrukturierung mit einem vom Radius abhängigen gradientenartigen Brechzahl-Verlauf (1) innerhalb einer Kernzone (2) und einem konzentrischen Brechzahl-Grabenprofil (3) innerhalb einer Mantelzone (4), wobei eine auf ein Matrixmaterial bezogene normierte Brechzahl in Form einer normierten Brechzahl n innerhalb der Kernzone positiv ist und die normierte Brechzahl der jeweiligen Gräben innerhalb der Mantelzone negativ ist, wobei die Grabenbreiten im Verhältnis zum dazwischen angeordneten Matrixmaterial 10 mal größer sind und die Breite eines Grabens weniger 1/10 des auf Querschnitte der Preform skalierten Lichtwellenleiters beträgt und mindestens zwei abgrenzbare brechzahlerniedrigte Bereiche vorliegen.
Halbzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Graben-Feinstrukturierung aus einer Folge unterschiedlich dotierter Bereiche mit innerhalb einer Grundmatrix eingebrachten brechzahlerniedrigenden und/oder brechzahlerhöhenden Dotanden ausgebildet ist.
Halbzeug nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmatrix eine Quarzglasmatrix ist und die Dotanden Elemente der siebenten Hauptgruppe, Selten-Erd-Elemente, Metalle, Halbmetalle und/oder Übergangselemente und/oder Verbindungen der genannten Elemente sind: Si, Ag, Au, Cu, Ni, Ta, Zr, Sn, Zn, Hg, Ru, Rh, Ir, Os, Ro, W, Ti, Al, In, Ga, Nb, La, Sm, Ce, B, P, Sr, Ba, Mo, Cr, Fe, Co, Se, Mn, Ge, V, In, Bi, Pt, Pd, Tc, V, Pb, N.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahlmodulation des Brechzahl-Grabenprofils in Abhängigkeit von dem Radius eine veränderliche Tiefe aufweist.
Halbzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Brechzahl-Grabenprofils rechteckförmig moduliert und/oder graduiert ist.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brechzahl-Grabenprofil richtungsabhängige Unterbrechungen und/oder Aussparungen aufweist.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der Feinstruktur eine lamellenartige Struktur ausbildet.