DE102011052197B4

DE102011052197B4 - Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften

Info

Publication number: DE102011052197B4
Application number: DE102011052197.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Auth; Lothar Brehm; Wolfgang Hämmerle; Jörg Kötzing; Dr. Rosenkranz Jürgen
Original assignee: J Plasma GmbH
Current assignee: J Plasma GmbH
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2019-08-01
Anticipated expiration: 2031-07-28
Also published as: DE102011052197A1

Abstract

Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften,enthaltend eine Graben-Feinstrukturierung mit einem vom Radius abhängigen gradientenartigen Brechzahl-Verlauf (1) innerhalb einer Kernzone (2) undeinem konzentrischen Brechzahl-Grabenprofil (3) innerhalb einer Mantelzone (4),dadurch gekennzeichnet, dassdie vom Radius R abhängige Brechzahlgraduierung im Bereich der Kernzone eine Potenzfunktion der Artist, wobei Δndie maximale Brechzahldifferenz im Zentrum der Faser, a der Radius des Faserkerns und α > 1 ist, und wobeidas Brechzahl-Grabenprofil (3) im Bereich der Mantelzone (4) durch eine untere und eine obere Hüllkurve (8, 21, 22) und eine zwischen der unteren und der oberen Hüllkurve oszillierende Zonenfunktion (20) bestimmt ist, wobei in der Mantelzone mehrere Gräben vorgesehen sind und sich die Graben-Feinstrukturierung über die gesamte Mantelzone erstreckt wobei auch radial weiter außenliegende Bereiche der Mantelzone von den Gräben strukturiert sind,wobei sich der graduierte Brechzahlverlauf der Kernzone an einer in Richtung der Kernzone orientierten Flanke (15) eines an mindestens einem der Kernzone am nächsten gelegenen innersten Grabens (16) der Brechzahl-Grabenstruktur fortsetzt, wobei der Brechzahlverlauf zwischen der Kernzone und dem innersten Graben (16) mindestens eine Zwischenstufe (17) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften.
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 EP2166386A1 (OFS), der US20100254653A1 (Draka) und der EP2102691A1 (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 welchen die Mehrmodigkeit per se nicht gegeben ist. Ein weiterer Nachteil besteht in der unabdingbaren Verwendung von Bor als Dotanden.
Daher besteht die Aufgabe, Lichtwellenleiter 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 biegeoptimierten Eigenschaften mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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.
Die vom Radius R abhängige Brechzahlgraduierung im Bereich der Kernzone eine Potenzfunktion der Art $Δ n (R) = Δ n_{max} \cdot (1 - {(R/a)}^{α})$
wobei Δn_max die maximale Brechzahldifferenz im Zentrum der Faser, a der Radius des Faserkerns und α > 1 ist.
Dabei ist im Bereich der Mantelzone das Brechzahl-Grabenprofil durch eine untere und eine obere Hüllkurve und eine zwischen der unteren und der oberen Hüllkurve oszillierende Zonenfunktion bestimmt. In der Mantelzone sind mehrere Gräben vorgesehen und die Graben-Feinstrukturierung erstreckt sich über die gesamte Mantelzone, wobei radial weiter außen liegende Bereiche der Mantelzone von den Gräben strukturiert sind.
Dabei setzt sich der graduierte Brechzahlverlauf der Kernzone an einer in Richtung der Kernzone orientierten Flanke eines an mindestens einem der Kernzone am nächsten gelegenen innersten Grabens der Brechzahl-Grabenstruktur fort, wobei der Brechzahlverlauf zwischen der Kernzone und dem innersten Graben mindestens eine Zwischenstufe aufweist.
Dabei bestimmt die Zonenfunktion die Periodizität der Brechzahl-Grabenstruktur sowie die Breiten der Gräben und die Breiten der dazwischen gelegenen Stufen aber auch die Form der Gräben selbst. Als Zonenfunktion kann prinzipiell jede Funktion mit einem periodischen Verlauf und einer beliebigen Periodenform verwendet werden. Derartige Funktionen werden vor allem in Hinblick auf deren Periodenlänge, die dabei eingenommenen Abstände der Nullstellen und die Werte der Maxima bzw. der Minima, d.h. durch deren Amplitude, charakterisiert. Als Zonenfunktionen kommen insbesondere Funktionen mit einem sinusartigen Verlauf, aber vor allem Rechteckfunktionen oder auch Sägezahnfunktionen in Anwendung. Die Zonenfunktion generiert dabei die Grabenbreite, die Grabenabstände, d.h. die Breite der zwischen den Gräben vorhandenen Stufen und die Grabenformen im Brechzahlprofil der Mantelzone festgelegt..
Durch die Hüllkurven werden die maximal möglichen Grabentiefen und die maximal möglichen Höhen der Stufen und damit gewissermaßen die „Amplituden“ der Gräben festgelegt. Die Hüllkurven bestimmen dabei nicht in jedem Fall die Größe jeder einzelnen Amplitude der Zonenfunktion, obwohl es natürlich möglich ist, die Hüllkurven auch als diskrete Punktfolgen zu definieren, wobei jeder Punkt der Punktfolge einem zumindest lokalem Maximum bzw. einem zumindest lokalem Minimum der Zonenfunktion zugeordnet ist.
Im Allgemeinen geben die Hüllkurven jedoch untere und obere Schranken für die Maxima und Minima der Zonenfunktion vor.
Die Zonenfunktion kann aber auch eine Funktion des Radius sein. D.h. die Abstände zwischen zwei beliebigen Schnittpunkten der Zonenfunktion mit dem Brechzahlwert der Glasmatrix können, müssen aber nicht einen unterschiedlichen Abstand aufweisen.
Bei der Brechzahl-Grabenstruktur handelt es sich 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 Ma ntelzone.
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 Zunahme 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.
Bei einem nicht erfindungswesentlichen Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiteres oder eines Halbzeuges für einen Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften werden folgende 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 nicht erfindungswesentlichen Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters oder eines Halbzeugs für einen Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften wird ein 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.
Bei einem weiteren nicht erfindungswesentlichen Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters und eines Halbzeugs für einen Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften werden folgende 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 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 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 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.
Erfindungswesentlich ist, dass sich der Brechzahlverlauf der Kernzone an einer in Richtung der Kernzone orientierten Flanke mindestens eines der Kernzone am nächsten gelegenen innersten Grabens der Brechzahl-Grabenstruktur fortsetzt, wobei der Brechzahlverlauf zwischen der Kernzone und dem innersten Graben mindestens eine Zwischenstufe aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform setzt sich der Brechzahlverlauf der Kernzone an einer in Richtung der Kernzone orientierten Flanke mindestens eines der Kernzone am nächsten gelegenen innersten Grabens der Brechzahl-Grabenstruktur fort, wobei der Brechzahlverlauf zwischen dem innersten Graben und einem auf den innersten Graben radial nach außen folgenden nächsten Graben mindestens eine Zwischenstufe aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Brechzahlverlauf zwischen der Kernzone und dem innersten Graben mindestens eine Zwischenstufe auf. Dabei setzt sich der Brechzahlverlauf innerhalb der Kernzone nicht innerhalb des innersten Grabens und insbesondere nicht an dessen innerer Flanke fort.
Die Zwischenstufen können bei allen genannten Ausführungsformen einen auf dem Brechzahlniveau der Glasmatrix des Lichtwellenleiters liegenden Wert aufweisen. Deren Brechzahlen können auch über diesem Wert liegen oder abhängig von der jeweiligen Zwischenstufe entweder auf dem Brechzahlniveau der Glasmatrix oder darüber liegen.
Die Brechzahlwerte des innersten Grabens und mindestens des darauffolgenden nächsten Grabens können bei einer zweckmäßigen Ausführungsform nach außen abnehmen.
Zweckmäßigerweise ist das Brechzahl-Grabenprofil (3) im Bereich der Mantelzone (4) durch eine untere Hüllkurve und eine zwischen der unteren und der oberen Hüllkurve oszillierende Zonenfunktion bestimmt.
Die obere Hüllkurve weist je nach Zweckmäßigkeit im Bereich der Mantelzone einen konstanten, fallenden oder wachsenden Verlauf auf. Die untere Hüllkurve besitzt im Bereich der Mantelzone einen linearen, vorzugsweise konstanten, oder graduellen Verlauf.
Bei einer Ausführungsform weist die oszillierende Zonenfunktion innerhalb der Mantelzone einen in radialer Richtung oszillierenden Rechteckverlauf auf. Bei einer weiteren Ausführungsform weist die oszillierende Zonenfunktion innerhalb der Mantelzone einen in radialer Richtung oszillierenden Sägezahnverlauf auf. Bei einer weiteren Ausführungsform weist die oszillierende Zonenfunktion innerhalb der Mantelzone einen in radialer Richtung oszillierenden sinusartigen Verlauf auf.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert werden. Die als erfindungsgemäß beanspruchte Ausführungsform ist in 30 beispielhaft dargestellt.
Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 1 bis 36.
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,
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,
4a ein Diagramm mit einer im Kern angeordneten Grabenstruktur,
4b ein Diagramm mit einer im Kern angeordneten zusätzlich brechzahlerniedrigten Grabenstruktur,
5 eine Graben-Feinstrukturierung ohne primäres Cladding mit einem direkten Übergang zwischen dem brechzahlerhöhten Kernbereich und einem brechzahlerniedrigten Grabenbereich in der Mantelzone,
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,
6b eine Graben-Feinstrukturierung mit einer über dem Referenzniveau liegenden Kernbrechzahl,
6c eine Graben-Feinstrukturierung mit einer über dem Referenzniveau liegenden konstanten Kernbrechzahl ohne primäres Cladding,
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,
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 beispielhaften Querschnitt durch einen Lichtwellenleiter mit konstanter Grabenbreite,
23 einen beispielhaften Querschnitt durch einen Lichtwellenleiter mit nach außen zunehmender Grabenbreite,
24 einen beispielhaften Querschnitt durch einen Lichtwellenleiter ausgesparten Gräben in einer ersten Ausführungsform,
25 einen beispielhaften 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.
30 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Brechzahlprofils mit einem sich im innersten Graben fortsetzenden Brechzahlverlauf der Kernzone und Zwischenstufen,
31 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Gräben und zwei Zwischenstufen,
32 ein Ausführungsbeispiel mit einem im inneren Graben fortgesetzten Brechzahlverlauf des Kerns, zwei Zwischenstufen und einem zweiten Graben mit niedrigerer Brechzahl.
33 einen beispielhaften Ausschnitt aus einer Lamellenpreform,
34 eine beispielhafte Zonenfunktion in Rechteckform mit einer oberen und einer unteren Hüllkurve,
34a eine in Richtung der Ordinate parallel verschobene Zonenfunktion,
35 eine Zonenfunktion in Rechteckform mit einer konstanten oberen und einer graduiert abfallenden unteren Hüllkurve,
35a eine Zonenfunktion in Rechteckform mit einer konstanten oberen und einer graduiert steigenden unteren Hüllkurve,
36 eine Zonenfunktion in Sägezahnform.

1 zeigt anhand eines Querschnitts, 1a anhand eines beispielhaften Diagramms, 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 aneinanderreihen. 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_Mantel an den Stufen 6 der Mantelzone. Die Differenz zwischen n_Graben und n_Mantelzone 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 außenliegende 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 dahinterstehenden 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 Jacketing- 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.
Der genaue Verlauf der vom Radius abhängenden Brechzahlgraduierung im Kern kann auf verschiedene Weise gewählt bzw. durch Funktionen des Radius beschrieben werden. Zweckmäßig ist hier ein Rückgriff auf Potenzfunktionen der folgenden Art, wobei die Parameter a und α je nach Anwendungszweck mit verschiedenen Werten belegt werden können, die konkret für eine spezielle Preform oder einen speziellen Lichtwellenleiter gültig sind. $Δ n (R) = Δ n_{max} \cdot (1 - {(\frac{R}{a})}^{α})$
Dabei beschreibt Δn_max die maximale Brechzahldifferenz bei R = 0, also im Zentrum der Faser, und a den Radius des Faserkerns.
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 ≥ n_Matrix > n_Graben1 > n_GrabenN mit N = 2, 3, 4...
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 derselben 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 ≥ n_GrabenN+1

Bei der Ausführungsform aus 15 und bei der Ausführungsform aus 15a gilt ebenfalls
n_Kern ≥ n_Graben1,
wobei innerhalb der Folge der Gräben
n_GrabenN ≤ 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 Ausführungsbeispiele 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 hervorgehen 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 hinzunimmt.
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 Ummantelungsschritte 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 für eine Modenmischung gewünscht, in manchen müssen sie aufwendig ausgeglichen werden.
30 zeigt ein erfindungsgemäßes erstes Ausführungsbeispiel anhand eines beispielhaften Brechzahlprofils. Das Brechzahlprofil zeigt in einem Diagramm den vom Radius R des Lichtwellenleiters abhängenden Verlauf der relativen Brechzahl Δn an. Die relative Brechzahl ist dabei auf den Referenzwert einer unbeeinflussten Quarzglasmatrix normiert. Positive Werte für Δn geben somit eine gegenüber diesem Wert erhöhte Brechzahl, negative Werte eine gegenüber dem Referenzwert erniedrigte Brechzahl im jeweiligen Bereich des Radius an. Die Beeinflussung der Brechzahlen wird durch Dotierungen erreicht. Brechzahlerniedrigungen lassen sich durch Dotierungen mit Halogenen, insbesondere Fluor, erreichen, Brechzahlerhöhungen durch Dotierungen der Quarzglasmatrix zum Beispiel mit Germanium, Aluminium oder Phosphor erzeugen.
Das Brechzahlprofil umfasst zwei große Bereiche. Dies ist eine Kernzone 2 und eine Mantelzone 4 des Lichtwellenleiters. Die Kernzone bildet den eigentlichen lichtleitenden Bereich, die Mantelzone ein sogenanntes Cladding. Der Lichtwellenleiter kann sowohl ein singlemode-Leiter als auch ein multimode-Leiter sein.
Die Kernzone weist einen graduellen Brechzahlverlauf 1 auf. Hierbei nimmt die Brechzahl im Kern von einem Maximalwert bei R = 0 in der Mitte des Kerns in etwa parabelförmig zur Mantelzone hin ab. Die Mantelzone enthält im Gegensatz dazu ein Brechzahl-Grabenprofil 3 aus einer sich nach außen hin erstreckenden konzentrischen Folge von Bereichen mit negativen relativen Brechzahlen. Diese Bereiche werden als Gräben bezeichnet. Die dazwischenliegenden Bereiche der Mantelzone bilden Stufen bzw. Zwischenstufen.
Im hier vorliegenden Beispiel sind aus Gründen der Vereinfachung zwei Gräben dargestellt. Der innerste Graben 16 weist dabei eine zur Kernzone hin orientierte Grabenflanke 15 auf. Diese bildet eine Fortsetzung des graduellen Brechzahlverlaufs 1 innerhalb der Kernzone. Dieser Verlauf schließt sich aber nicht an den graduellen Brechzahlverlauf an, sondern ist durch eine Zwischenstufe 17 unterbrochen. Diese an die Kernzone anschließende Zwischenstufe weist eine relative Brechzahl von Δn = 0 auf. Sie besteht somit aus unbeeinflusstem und insbesondere undotierten Quartzglasmatrixmaterial. Die Breite a und b der Gräben betragen jeweils etwa 1 bis 3 µm.Die Breite der Zwischenstufe 17 etwa 0,5 bis 1,5 µm.Sie kann auch im Wesentlichen so breit wie der darauffolgende innere Graben 6 sein. Der innerste Graben weist eine Tiefe von Δn = -(6,5 ± 0,5) . 10^-3 auf.
31 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Die Kernzone 2 weist hier ebenso einen graduierten Brechzahlverlauf 1 auf. Die Mantelzone 4 enthält ebenso das Brechzahl-Grabenprofil 3. Es ist ein innerer Graben 16 und ein äußerer Graben 18 vorgesehen. Der innere Graben 16 ist von der Kernzone durch eine innere Zwischenstufe 17 und von dem äußeren Graben 8 durch eine äußere Zwischenstufe 19 separiert. In dem hier vorliegenden Beispiel setzt sich das Brechzahlprofil innerhalb der Kernzone nicht auf einer der Flanken des inneren Grabens 16 fort. Die Kernzone weist einen Radius d mit beispielsweise d = 25 ± 1 µm auf. Die Größe der relativen Brechzahl im Zentrum des Lichtwellenleiters beträgt Δn0 = (2,0 ± 0,2)· 10^-3. Die Breite der Zwischenstufe 7 beträgt beispielsweise e = 1,5 ± 1,0 µm, die Breite des inneren Grabens 16 etwa a = 3 ± 2 µm.Die relative Brechzahl des inneren Grabens beträgt etwa Δn2 = -(9 ± 3) . 10^-3. Die Breite der Zwischenstufe 17 und die des inneren Grabens 16 sind bei dem hier vorliegenden Beispiel so bemessen, dass diese zusammen etwa a + b = 5 ± 2 µm betragen.
In dem hier vorliegenden Beispiel ist der äußere Graben 18 im Wesentlichen so breit wie der innere Graben 16, weist aber eine etwas geringere Tiefe auf. Die zwischen beiden Gräben angeordnete Zwischenstufe 19 ist etwa so breit wie jeder der Gräben und weist eine positive relative Brechzahl Δn2 > 0 auf.
32 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Im hier vorliegenden Fall geht das Brechzahlprofil 1 der Kernzone übergangslos in die innere Flanke 15 des inneren Grabens 6 über. Der innere Graben 6 ist von einem äußeren Graben 18 umgeben. Die dazwischen angeordnete Zwischenstufe 19 ist positiv und weist eine Breite von c = 0,5 ± 0,2 µm und eine relative Brechzahl von Δn2 = (1 ± 0,3) . 10^-3 auf.
Der innere Graben 6 ist ca. a = 1,5 ± 0,6 µm breit und weist eine relative Brechzahl von Δn1 = -(2 ± 0,5) . 10^-3 auf. Diese Breite ergänzt sich mit derjenigen der Zwischenstufe 9 zu einer Gesamtbreite von a + c = 2 ± 1 µm.Der äußere Graben 18 ist deutlich breiter als der innere Graben 16. Er weist eine Breite von ca. b = 3 ± 2 µm und eine relative Brechzahl von Δn3 = -(9 ± 3) . 10^-3 auf. Er ist somit mindestens 3-mal „tiefer“.
Der Radius der Kernzone 1 beträgt in diesem Beispiel d = 20 bis 30 µm, die relative Brechzahl innerhalb der Kernzone im Zentrum ist positiv und weist einen Wert von etwa Δn0 = (2,0 ± 0,2) . 10^-3 auf.
33 zeigt einen beispielhaften Ausschnitt aus einer Lamellenpreform. Dieser Ausschnitt bildet gewissermaßen eine Grundform eines Kerns, einer Stufe und eines inneren Grabens. Dabei kann diese Grundform durch weitere äußere Gräben ergänzt sein. Die Kernzone 2 weist hier ebenso einen graduierten Brechzahlverlauf 1 auf. Die Mantelzone 4 enthält ebenso das Brechzahl-Grabenprofil 3. Es ist ein innerer Graben 16 vorgesehen. Außen schließt sich eine Lamellenstruktur an, die von einer derartigen Ausbildung an sich unabhängig ist. Der innere Graben 16 ist von der Kernzone durch eine innere Zwischenstufe 17 separiert. An diese Struktur schließen sich die weiteren Gräben an, über die eine Feineinstellung der Biegeempfindlichkeit erfolgen kann.
Bei diesem Beispiel beträgt Δn0 = (2,05 ± 0,12) · 10^-3. Der Kernradius d beträgt beispielsweise d = 25 ± 1 µm. Die Breite der Zwischenstufe 17 beträgt in diesem Beispiel ca. e = 1,8 ± 1,6 µm.Die Breite des Grabens 16 beträgt etwa a = 3 ± 2 µm, dessen Tiefe Δn1 = (9 ± 3) · 10^-3. Die Summe der beiden Strecken a und e beträgt beispielsweise 6 ± 2 µm.
Zur globalen Beschreibung der Brechzahl-Grabenstrukturen bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen innerhalb des Claddings bzw. des Fasermantels kann auf Zonenfunktionen zurückgegriffen werden. Deren Prinzip wird in den nachfolgenden Figuren beispielhaft erläutert.
34 zeigt eine beispielhafte Zonenfunktion 20 zur globalen Berechnung und Darstellung des Brechzahl-Grabenprofils innerhalb des Claddings bzw. des Fasermantels. mit einer oberen Hüllkurve 21 und einer unteren Hüllkurve 22 im Δn; R-Diagramm.
Die Zonenfunktion ist hier als periodische Rechteckfunktion dargestellt. Ihre Periodizität bildet direkt die Folge der einzelnen Gräben innerhalb der Mantelzone ab. Eine Oszillationsperiode wird durch die Periodenlänge L beschrieben. Diese Periodenlänge bildet eine Art Gitterkonstante für das Brechzahl-Grabenprofil aus. Sie kann selbst vom Radius R abhängig sein. Dabei erweitert oder verengt sich die Folge der Rechteckperioden innerhalb der Zonenfunktion. Die Zonenfunktion startet bei einem endlichen Radius R_Kern. Diese Größe entspricht dem Radius des Faserkerns bzw. der Preform zur Herstellung der Lichtleitfaser.
Die Zonenfunktion kann praktisch beliebig modifiziert werden und insbesondere einen exponentiellen, einen polynomialen, parabelartigen oder den Verlauf einer Potenzfunktion haben.
Natürlich kann die Zonenfunktion durch additive negative oder positive Offsets entlang der Ordinatenrichtung verschoben werden, wie das Beispiel aus 34a zeigt.
35 zeigt eine beispielhafte Modulation der Zonenfunktion, die in diesem Beispiel durch die untere Hüllkurve 22 ausgeführt wird. Die untere Hüllkurve fällt mit wachsendem Radius ab, die obere Hüllkurve bleibt konstant. Die durch die Zonenfunktion beschriebenen Gräben nehmen somit mit wachsendem Radius der Preform bzw. der Faser zu. Die Zonenfunktion setzt in diesem Beispiel wieder bei einem endlichen Radius R_Kern ein.
Eine untere Hüllkurve, die mit wachsendem Radius ansteigt, ist in 35a gezeigt.
Die Form der Zonenfunktion ist nicht auf Rechteckformen beschränkt, obwohl Rechteckformen als Grabenstrukturen vergleichsweise leicht in der Preform zu realisieren sind. 36 zeigt hierzu ein Beispiel einer sägezahnförmigen Zonenfunktion 23, die zwischen einer oberen und einer unteren Hüllkurve eingeschlossen ist. Die Periodenlänge L entspricht hier dem Abstand zwischen zwei Zacken innerhalb der Sägezahnfolge. Die in 36 gezeigte Zonenfunktion kann in einer vergleichbaren Weise moduliert werden, wie die Zonenfunktion aus den 34 und 35.
Die aus der Zonenfunktion zu erhaltenden Funktionswerte können über eine Steuereinheit an eine Einrichtung zur Herstellung und Behandlung einer Preform geleitet werden. Damit lässt sich beispielsweise der Betrieb einer Plasmabeschichtungsanlage, insbesondere das auf den Glasrohling geleitete Gas- und Materialgemisch steuern und so das gewünschte Brechzahlprofil direkt auf das reale Brechzahlprofil der Preform übertragen und dort real ausbilden.
Die Erfindung wurde anhand beispielhafter Ausführungsformen erläutert. Weitere Ausführungsformen ergeben sich durch fachmännisches Handeln und 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
15: innere Flanke des inneren Grabens
16: innerer Graben
17: Zwischenstufe
18: äußerer Graben
19: Zwischenstufe
20: Zonenfunktion
21: obere Hüllkurve
22: untere Hüllkurve
23: Zonenfunktion in Sägezahnform

Claims

Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften, enthaltend 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), dadurch gekennzeichnet, dass die vom Radius R abhängige Brechzahlgraduierung im Bereich der Kernzone eine Potenzfunktion der Art $Δ n (R) = Δ n_{max} \cdot (1 - {(\frac{R}{a})}^{α})$
ist, wobei Δn_max die maximale Brechzahldifferenz im Zentrum der Faser, a der Radius des Faserkerns und α > 1 ist, und wobei das Brechzahl-Grabenprofil (3) im Bereich der Mantelzone (4) durch eine untere und eine obere Hüllkurve (8, 21, 22) und eine zwischen der unteren und der oberen Hüllkurve oszillierende Zonenfunktion (20) bestimmt ist, wobei in der Mantelzone mehrere Gräben vorgesehen sind und sich die Graben-Feinstrukturierung über die gesamte Mantelzone erstreckt wobei auch radial weiter außenliegende Bereiche der Mantelzone von den Gräben strukturiert sind, wobei sich der graduierte Brechzahlverlauf der Kernzone an einer in Richtung der Kernzone orientierten Flanke (15) eines an mindestens einem der Kernzone am nächsten gelegenen innersten Grabens (16) der Brechzahl-Grabenstruktur fortsetzt, wobei der Brechzahlverlauf zwischen der Kernzone und dem innersten Graben (16) mindestens eine Zwischenstufe (17) aufweist.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Graben-Feinstrukturierung aus einer Folge unterschiedlich dotierter Bereiche mit innerhalb einer Grundmatrix eingebrachten mit 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.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen zumindest anteilig aus folgenden Elementen bestehen: 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 5, 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 Abfolge der Feinstruktur eine lamellenartige Struktur ausbildet.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei abgrenzbare brechzahlerniedrigte Bereiche vorliegen
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Breite zumindest einer der Strukturierungen einem ganzzahligen Bruchteil der später verwendeten Wellenlänge entspricht.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der ganzzahlige Bruchteil der Wellenlänge aλ/2 oder aλ/4 mit (a= 1,2,3...) beträgt.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als biegeunempfindliche Faser, Sensorfaser, aktive Laserfaser, Faser mit wellenlängenselektiven Eigenschaften und/oder Faser innerhalb einer optischen Einheit verwendet wird.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechzahlverlauf der Kernzone sich an einer in Richtung der Kernzone orientierten Flanke (15) mindestens eines der Kernzone am nächsten gelegenen innersten Grabens (16) der Brechzahl-Grabenstruktur fortsetzt, wobei der Brechzahlverlauf zwischen dem innersten Graben und einem auf den innersten Graben radial nach außen folgenden nächsten Graben (8) mindestens eine Zwischenstufe (19) aufweist.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenstufe (17, 19) einen auf dem Brechzahlniveau der Glasmatrix des Lichtwellenleiters liegenden Wert aufweist.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenstufe (17, 19) einen über dem Brechzahlniveau der Glasmatrix des Lichtwellenleiters liegenden Wert aufweist.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahlwerte des innersten Grabens (16) und mindestens des darauf folgenden nächsten Grabens (18) mit zunehmendem Radius abnehmen.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Hüllkurve im Bereich der Mantelzone einen konstanten, fallenden oder wachsenden Verlauf aufweist und die untere Hüllkurve im Bereich der Mantelzone einen konstanten oder graduellen Verlauf besitzt.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Zonenfunktion innerhalb der Mantelzone einen in radialer Richtung oszillierenden Rechteckverlauf aufweist.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Zonenfunktion innerhalb der Mantelzone einen in radialer Richtung oszillierenden Sägezahnverlauf aufweist.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Zonenfunktion innerhalb der Mantelzone einen in radialer Richtung oszillierenden sinusartigen Verlauf aufweist.