DE102015001990B4

DE102015001990B4 - Photonische Single-Mode-Kristallfaser für die Übertragung elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich 3-5 µm und 8-12 µm im Single-Mode und Lasereinrichtung

Info

Publication number: DE102015001990B4
Application number: DE102015001990.2A
Authority: DE
Inventors: Bernd Hoppe; Wolfgang Mannstadt
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2015-02-16
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2035-02-17
Also published as: WO2015121412A1; US20170045682A1; JP2017511897A; DE102015001990A1; US9977180B2; CN106030358A

Abstract

Photonische single mode Kristallfaser für die Übertragung elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich 3 - 5 µm und 8 - 12 µm im single mode miteinem lichtleitenden Hohlkern (5) mit einem Durchmesser D und mehreren um den lichtleitenden Hohlkern (5) angeordneten Hohlkörpern (10, 20) aus Chalkogenidglas,wobeidie Hohlkörper (10, 20) derart angeordnet sind, dass der Durchmesser D des Hohlkerns größer 20 µm ist;die Hohlkörper einen Querschnitt mit einem Durchmesser d umfassen unddie Anordnung der Hohlkörper eine Struktur ausbildet, die durch einen Abstand a der Hohlkörper bestimmt wird, wobeidie Abweichung des Abstandes a und/oder des Querschnittes der Hohlkörper für unterschiedliche Hohlkörper geringer als 10 % sind, und der Abstand a so gewählt ist, dass ein Geometriefaktor aus dem Verhältnis des Abstandes a zur Wellenlänge λ, also a/λ ≥ 1 ist, wobei λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, die übertragen wird, wobei der Durchmesser d im Bereich 0,98 a bis 0,90 a liegt,dadurch gekennzeichnet, dassdie photonische Kristallfaser eine Dämpfung für die Übertragung von elektromagnetischer Strahlung < 2 dB/m im Single-Mode-Betrieb aufweist und der Brechwert des Infrarot durchlässigen Chalkogenidglases im Wellenlängenbereich 3 - 5 µm und 8 -12 µm im Bereich von 2,0 bis 2,7 liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine photonische Kristallfaser als Single-Mode-Faser für die Übertragung elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich 3 - 5 µm und 8 - 12 µm.
Glasfasern zur Lichtleitung, wie sie vielfach beschrieben werden, beispielsweise in HEINZ HAFERKORN: Lexikon der Optik. Hanau : Verlag Werner Dausien, 1990. S. 213-214. - ISBN 3-7684-6858-5 umfassen üblicherweise eine Kombination zweier Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex, einem höher brechenden lichtleitenden Kernmaterial, das ummantelt wird von einem Material mit niedrigerem Brechungsindex. Im Allgemeinen handelt es sich hierbei um Glasmaterialien, wobei sich das Glasmaterial für das lichtleitende Kernglas von dem Glasmaterial des ummantelnden Glases mit niedrigerem Brechungsindex unterscheidet. Mit einem derartigen Aufbau kann Licht durch Totalreflektion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel entlang der Achse der Faser im Kern geführt werden, ohne dass das Licht durch den Mantel nach außen tritt. Derartige Fasern werden als so genannte Stufenindexfasern bezeichnet.
Bei einer derartigen Faser muss das Kernglas für die gewünschte zu führende Wellenlänge der Strahlung eine möglichst hohe Transparenz aufweisen, damit die Absorptionsverluste in der Faser möglichst gering gehalten werden können. Zur Transmission von CO₂-Laserstrahlung muss deshalb ein Material genutzt werden, welches im Laserwellenlängenbereich von z. B. 9 µm bis 12 µm Wellenlänge eine möglichst hohe Transmission hat. Die einzig bekannte Materialklasse, die im genannten Wellenlängenbereich transparent genug ist, sind die sogenannten Chalkogenide. Daraus lassen sich Kern-Mantelfasern herstellen, die aber eine relativ hohe Absorption von 5 dB/m aufweisen, d.h. nur 30 % der eingekoppelten Strahlung erreichen den Faserausgang nach 1 m Wegstrecke.
Derartige Fasern können aber nur mit extrem kleinen Laserleistungen von wenigen Watt belastet werden, da die sehr hohe Absorption für höhere Leistungen zu einer starken Erwärmung und damit Zerstörung der Faser führt. Für eine industrielle Anwendung sind diese Fasern deshalb nicht geeignet.
Alternativ zu den oben beschriebenen Fasern können zur besseren Transmission von CO₂-Laserstrahlung Quarzglasrohre innen mit Silber zur Reflexion der CO₂-Laserstrahlung und damit Transmission der Strahlung in diesem Glasrohr über eine gewisse Strecke von ein bis mehreren Metern beschichtet werden. Typische Absorptionen liegen dabei im Bereich von mehr als 1dB/m. Eine alternative Möglichkeit ist die Innenbeschichtung von Glasrohren mit bis zu 40 Interferenzschichten abwechselnd bestehend aus einem Polymer und einem Chalkogenidglas. Damit wird eine Reflektivität beispielsweise bei 10 µm Wellenlänge erzielt, so dass die CO₂-Laserstrahlung an der Innenwand reflektiert und damit in einem solchen Faserrohr transmittiert wird. Typische Absorptionen bzw. Dämpfungen liegen im Bereich von mehr als 1dB/m.
Alle diese Faserrohre sind nicht modenerhaltend, d.h. es handelt sich um multimoden Fasern.
Beide Varianten mit beschichtetem Innenrohr haben den Nachteil, dass bedingt durch die hohe Absorption nur ein gepulster Laserbetrieb mit niedriger Laserleistung möglich ist, da sich sonst die Fasern auf Grund der Absorption aufheizen und zerstört werden würden. Auch bei niedrigen Leistungen beträgt die Lebensdauer einer solchen Faser nur wenige Betriebsstunden. Deshalb werden solche Fasern meist zur Einmalbenutzung, z. B. für medizinische Anwendungen in der Laserchirurgie verwendet. Außerdem besitzen diese Faserrohre einen sehr großen Innen- bzw. Außendurchmesser von bis zu 1 mm, was nur einen sehr großen Biegeradius erlaubt.
Eine andere Art von optischen Fasern stellen die sogenannten photonischen Kristallfasern, die auch als photonic-crystal-fibres (PCF) bezeichnet werden, dar.
Bei derartigen Glasfasern erfolgt die Lichtleitung nicht durch den Brechungsindex unterschiedlicher Materialien, beispielsweise unterschiedlicher Gläser, sondern durch einen mittels Gas, insbesondere Luft erzeugten effektiven Brechungsindexunterschied innerhalb des Materials. Betreffend derartige Fasern wird beispielsweise auf P. St. J. Russel, „Photonic Crystal Fibres“, Science 299, 358 - 362 (2003) verwiesen sowie P. St. J. Russel „Photonic Crystal Fibres“, J. Light Wave Technology, 24(12), 4729-4749 (2006), deren Offenbarungsgehalt voll umfänglich in vorliegende Anmeldung mit aufgenommen wird. Der mittels Gas, insbesondere Luft erzeugte effektive Brechungsindexunterschied innerhalb des Glases wird durch eine um den lichtleitenden Kern angeordnete Lochstruktur erreicht. Der lichtleitende Kern kann entweder ein Vollmaterial sein oder ein Gas, insbesondere Luft oder ein Edelgas, wie z. B. Argon.
Der effektive Brechungsindexunterschied in der PCF-Faser wird durch eine um den lichtleitenden Kern angeordnete periodische Lochstruktur erreicht. Üblicherweise werden PCF-Fasern aus Quarzglas hergestellt. Dabei werden geeignete Glasrohre zu einer Pre-Form zusammengestellt, wobei mittig ein Rohr durch einen Stab gleicher Größe ersetzt wird, welcher später den lichtleitenden Kern bildet. Eine solche Pre-Form enthält bis zu mehrere hundert einzelne Rohre und weist üblicherweise einen Durchmesser von 50 mm auf. In einem nachfolgenden ein- oder mehrstufigen Ziehprozess wird die Pre-Form auf eine 125 µm Faser verjüngt, wobei eine maßstäbliche Verkleinerung der Lochstruktur erreicht werden muss. Alternativ kann auch der Stab in der Mitte der Struktur beim Ziehen der Faser weggelassen werden, so dass eine Hohlkernfaser entsteht. Wenn die Symmetrie und Genauigkeit der Mikrostruktur in der Faser gut genug ist, dann erfolgt auch in dieser Faser eine Leitung der Strahlung wie in einer klassischen Kern-Mantel Faser, beruhend auf dem sogenannten Bandgap-Effekt, der hier nicht näher beschrieben werden soll. Da bei dieser Hohlkernfaser kein absorbierendes Medium in der Mitte vorhanden ist, sollte sich damit prinzipiell CO₂-Laserstrahlung leiten lassen. Herkömmliche strukturierte Hohlkernfasern aus Quarzglas sind aber ab 5 µm Wellenlänge nicht mehr transparent und die CO₂-Laserstrahlung muss mit der Mikrostruktur außerhalb des Hohlkerns wechselwirken, um den Bandgap-Effekt zu erzielen. Da beim Auftreffen der CO₂-Laserstrahlung auf das Quarzglas diese absorbiert wird, kommt es nicht zum Bandgap-Effekt, sondern zur Aufheizung der Faser bis zu deren Zerstörung.
Aus der CN 10 298 1212 A sind PCF-Fasern aus Tellurgläsern bekannt geworden, die im Wellenlängenbereich von 3 µm bis 5 µm transparent sind. Die in der CN 10 298 1212 A beschriebenen PCF-Fasern werden als Single-Mode-Fasern beschrieben, allerdings sind in der CN 10 298 1212 A keine Größenangaben zum Durchmesser des Hohlkernes gemacht und keine Dämpfungen angegeben. Auch ein Verfahren zum Ziehen einer dünnen Faser ist nicht angegeben. Des Weiteren sind keine Größenangaben zu den Fasern nach dem Ziehprozess gemacht.
Die Herstellung von photonischen Kristallfasern bereitet erhebliche Probleme, da bei einem herkömmlichen Ziehprozess die Vorform der Faser, insbesondere der mikrostrukturierten Faser, aufgrund der Hohlräume sehr kompliziert war. Die Hohlräume tendieren bei steigender Temperatur und kleineren Strukturgrößen dazu, aufgrund der Oberflächenspannung zu kollabieren.
Das Kollabieren einzelner Strukturteile führte zum Kollabieren der gesamten Vorform, so dass im ungünstigsten Fall die komplette Struktur der Faser kollabiert ist.
Aus der FR 2 606 866 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Fasern mittels Ziehprozess bekannt geworden, wobei zwei Heizeinrichtungen eingesetzt werden. Bei dem Verfahren gemäß der FR 2 606 866 A1 erfolgt ein Erwärmen in zwei getrennten Heizzonen, die hintereinander angeordnet sind. Als Materialien, die mit Hilfe der Einrichtung gemäß der FR 2 606 866 A1 erwärmt werden, sind Polymeren beschrieben, insbesondere PMMA.
Die in der FR 2 606 866 A1 gezeigte zweistufige Erwärmung verhindert ein gleichzeitiges Aufheizen des äußeren Teils und des inneren Teils einer Pre-Form bzw. Vorform. Das hieraus resultierende inhomogene Aufheizen mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der FR 2 606 866 A1 führt zu einem Kollabieren der inneren Struktur der Pre-Form.
Weitere Schriften, die die Herstellung von Glasfasern betreffen sind die US 7,374,714 B2 und die US 2005/0274149 A1 , allerdings mit nur einer Heizeinrichtung.
Aus der DE 37 04 054 A1 ist ein Verfahren zum Kollabieren eines Glasrohres bekannt geworden. Da das Glasrohr zuerst kollabiert werden muss, d. h. es muss schon heiß sein, bevor die CO₂-Strahlung überhaupt einen Effekt hervorrufen kann, kann die in der DE 37 04 054 A1 erwähnte CO₂-Laserstrahlung nicht zur simultanen Aufheizung durch mehrere Heizeinrichtungen verwendet werden,
Des Weiteren wird in der DE 37 04 054 A1 der innere Bereich des Glasrohres von innen geheizt und zwar durch das oben offene Glasrohr mit Strahlung (durch CO₂-Laser), welche das Glas von außen nicht durchdringen kann.
Weitere Schriften, die Glasfasern bzw. die Herstellung von Fasern zum Gegenstand haben sind die DE 698 27 630 T2 und US 6,861,148 B2 .
Aus der DE 10 2011 103 686 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von mikrostrukturierten Fasern, also PCF-Fasern, bekannt geworden, bei dem es gelingt, mikrostrukturierte Fasern, ganz besonders bevorzugt photonische Kristallfasern zu ziehen. Gemäß der DE 10 2011 103 686 A1 , deren Offenbarungsgehalt in vorliegende Anmeldung voll umfänglich mit aufgenommen wird, wird das Fasermaterial mittels eines Ziehprozesses aus einer Vorform der Faser, insbesondere der mikrostrukturierten Fasern, mittels wenigstens einer ersten Heizeinrichtung und wenigstens einer zweiten Heizeinrichtung auf eine Ziehtemperatur erwärmt, wobei die erste Heizeinrichtung eine Heizeinrichtung ist, die eine Temperatur zur Verfügung stellt, die oberhalb der Erweichungstemperatur des Fasermateriales liegt. Bevorzugt sind die Temperaturen, bei denen die Viskosität im Bereich η = 10⁴ dPas bis 10^7.6 dPas liegt. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur bevorzugt 10 K bis 100 K, insbesondere 20 K bis 60 K oberhalb der Erweichungstemperatur des Fasermaterials liegt. Die zweite Heizeinrichtung ist gemäß der DE 10 2011 103 686 A1 eine IR-Heizeinrichtung, wie beispielsweise in der WO 00/56674 A1 offenbart, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung voll umfänglich mit aufgenommen wird, mit einer Temperatur > 1300K, insbesondere > 1500K, insbesondere > 2000K, bevorzugt > 2500K, ist. Erste und zweite Heizeinrichtung wirken im Wesentlichen simultan bzw. gleichzeitig in einer einzigen Heizzone. In einer einstufigen Erwärmung wird dann die Vorform der Faser bevorzugt von außen erwärmt.
Durch die einstufige Erwärmung gemäß der DE 10 2011 103 686 A1 in einer Heizzone mit zwei Heizeinrichtungen wird ein gleichzeitiges Aufheizens des äußeren und inneren Teils der Pre-Form erreicht und ein Kollabieren der inneren Struktur vermieden.
Der Erweichungspunkt für unterschiedliche Fasermaterialien ist je nach Klasse des Fasermaterials bei unterschiedlichen Viskositäten definiert. Im Allgemeinen liegt der Erweichungspunkt im Viskositätsbereich von η = 10⁴ bis 10⁸ dPas.
Für Glas- und Glaskeramikmaterialien ist der Erweichungspunkt T_EW die Temperatur, bei der das Glas in Umgebungsatmosphäre eine Viskosität η = 10^7.6 dPas aufweist. Diesbezüglich wird auf „Schott-Guide to Glass“, by Heinz G. Pfänder, Chapman & Hall, 1996, Seite 21, insbesondere Tabelle 2.1, verwiesen, deren Offenbarungsgehalt voll umfänglich in vorliegende Anmeldung mit aufgenommen wird. Wie ebenfalls in Heinz G. Pfänder „Schott-Guide to Glass“, Chapman & Hall, 1996, Seite 21 in 2.3 gezeigt, ist der Viskositätsverlauf über der Temperatur für unterschiedliche Glassorten unterschiedlich. Damit ergeben sich für unterschiedliche Glassorten unterschiedliche Erweichungspunkte bzw. Erweichungstemperaturen T_EW. Ein Beispiel in der DE 10 2011 103 686 A1 eines Glases mit niedrigen Erweichungstemperaturen ist beispielsweise ein Schwerflintglas, z. B. das Glas SF6 der SCHOTT AG, Mainz, mit einer Erweichungstemperatur von T_EW = 519° C (n = 10^7.6 dPas).
Durch die Verwendung von zwei Heizeinrichtungen wird mit dem Verfahren gemäß der DE 10 2011 103 686 A1 verhindert, dass eine unkontrollierte Veränderung der Hohlstruktur auftritt.
Aus der US 2005/0025965 A1 ist eine optische Glasfaser mit einem hohlen Kern aus einem Chalkogenidglas bekannt geworden. Bei der aus der US 2005/0025965 A1 bekannten Glasfaser handelt es sich um eine Glasfaser mit photonischer Bandlücke, einem sogenannten „photonic band gap“. Aus der US 2005/0025965 A1 ist keine Anordnung an Hohlkörpern bekannt geworden, die zu Dämpfungen kleiner 2dB/m, bevorzugt kleiner 1dB/m, insbesondere kleiner 0,3 dB/m, führt. Ebenso wenig ist in der US 2005/0025965 A1 offenbart, dass die Kristallfaser eine Moden-erhaltende Kristallfaser ist.
Die US 2012/0141080 A1 zeigt ebenfalls eine Glasfaser mit photonischer Bandlücke, einem sogenannten „photonic gap“ sowie einem Hohlkern aus einem Chalkogenidglas. Wie in der US 2005/0025965 A1 , sind in der US 2012/0141080 A1 keine Angaben zu Anordnungen der Hohlrohre, die zu niedrigen Dämpfungen führen oder die Modenerhaltung bei Übertragung, gemacht.
Die US 2008/0199135 A1 beschreibt eine Glasfaser, bei der ein Cladding, das aus einem Chalkogenidglas gebildet werden kann, einen lichtleitenden Kern umgibt. Das Cladding selbst weist eine Vielzahl von Löchern auf, die in hexagonalen Zellen angeordnet sind, die wiederum ein archimedisches Gitter ausbilden. Wie in den zuvor genannten Schriften fehlen Angaben zur Anordnung der Hohlrohre um den Kern, der zu niedrigen Dämpfungen führt.
Die EP 0060085 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Chalcogenidglasfaser zur Infrarotübertragung, umfassend die folgenden Schritte:

(i) Einleiten eines Gases, das mindestens eine Verbindung eines Elementes, ausgewählt aus Si, Ge, As, P und Sb und mindestens eine Verbindung eines Elementes, ausgewählt aus S, Se und Te enthält, in ein Glasrohr und Erwärmen des Glasrohrs, wobei auf die Innenwand des Glasrohrs aus der chemischen Reaktion der Verbindungen resultierendes Chalkogenidglas niedergeschlagen wird, und
(ii) Erwärmen des mit dem Schritt (i) erhaltenen Glasrohrs und Ziehen des Rohrs zu einer Faser bei hoher Temperatur,

Die US 2004/0228592 A1 zeigt eine photonische Band-gap-Faser mit niedrigen optischen Verlusten und geringen optischen Nichtlinearitäten. Die Faser aus der US 2004/0228592 A1 umfasst einen lichtleitenden Hohlkern und um diesen Hohlkern angeordnete Hohlkörper aus Chalkogenidglas.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine optische Faser anzugeben, die eine Übertragung von elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich 3 - 5 µm und 8 - 12 µm bei geringen Verlusten ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine photonische Single-Mode-Kristallfaser gemäß Anspruch 1 gelöst, die die Übertragung elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich mit Wellenlängen 3 - 5 µm und 8 - 12 µm ermöglicht. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Single-Mode-Kristallfaser umfasst einen lichtleitenden Hohlkern mit Durchmesser D und mehrere, um den lichtleitenden Hohlkern angeordnete Hohlkörper, insbesondere Hohlrohre, aus einem Chalkogenidglas. Die Hohlkörper sind derart angeordnet, dass der Durchmesser D des Hohlkerns der photonischen Kristallfaser größer als 20 µm, bevorzugt mindestens 50µm, besonders bevorzugt mindestens 100µm beträgt. Die Hohlkörper selbst haben einen Durchmesser d. Die Anordnung der Hohlkörper bildet eine Struktur aus, die durch einen Abstand a der Hohlkörper bestimmt wird, wobei die Abweichung des Abstandes a und/oder des Querschnittes der Hohlkörper für unterschiedliche Hohlkörper geringer als 10 % sind, und der Abstand a so gewählt ist, dass ein Geometriefaktor aus dem Verhältnis des Abstandes a zur Wellenlänge λ, also a/λ ≥ 1 ist, wobei λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, die übertragen wird, wobei der Durchmesser d im Bereich 0,98 a bis 0,90 a liegt und die photonische Kristallfaser eine Dämpfung für die Übertragung von elektromagnetischer Strahlung < 2 dB/m im Single-Mode-Betrieb aufweist und der Brechwert des Infrarot durchlässigen Chalkogenidglases im Wellenlängenbereich 3 - 5 µm und 8 - 12 µm im Bereich von 2,0 bis 2,7 liegt.
Photonische Kristallfasern mit derart niedrigen Dämpfungen sind aus dem Stand der Technik nicht bekannt geworden, insbesondere sind die im Stand der Technik dargestellten Fasern und Herstellmethoden nicht geeignet sind, um eine niedrig dämpfende, modenerhaltende Faser für den Übertragungsbereich 9µm bis 12µm Wellenlänge zur Verfügung zur stellen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die einzeln um den lichtleitenden Hohlkern angeordneten Hohlkörper, insbesondere Hohlrohre aus Chalkogenidglas, um den Hohlkern ringförmig in sogenannten Strukturringen angeordnet.
Überraschenderweise haben die Erfinder herausgefunden, dass erst ab einer gewissen Anzahl von Struktur(Loch)-Ringen um den Hohlkern herum eine niedrige Dämpfung von beispielsweise unter 2dB/m erreicht wird.
Dies war deswegen überraschend, weil der Stand der Technik nahegelegt hat, dass eine geringe Anzahl von Strukturringen, beispielsweise zwei, höchstens drei Strukturringe um den Hohlkern genügen, um eine gute Strahlführung zu erhalten. Diese Annahme ist begründet aus der Wellenlänge der zu führenden elektromagnetischen Strahlung, welche im Bereich von 10µm liegt. Somit sind für die Erzeugung eines band gap Effektes auch Strukturgrößen, d. h. Löcher um den Hohlkern im Bereich von 10µm Durchmesser erforderlich. Da die Strahlung ja nur im Hohlkern geführt werden soll, darf das Strahlungsfeld nicht zu tief in die Lochstruktur „eindringen“, um nicht absorbiert oder ausgekoppelt zu werden. Der Fachmann nimmt daher an, dass eine Strukturbreite von mehr als einer Wellenlänge, d. h. mindestens zwei Strukturringe um den Hohlkern, ausreichen sollte, um die Strahlungsführung zu gewährleisten.
Überraschenderweise haben die Erfinder festgestellt, dass eine Anzahl von mindestens 6 Strukturringen zu einer Dämpfung beispielsweise kleiner als 2dB/m führen kann. Für 8 Strukturringen wurde eine Dämpfung unter 1dB/m und 10 Strukturringen eine Dämpfung unter 0,5 dB/m Dämpfung erreicht. Erklären kann man das mit einem evaneszenten Feld der Strahlung, das tiefer in ein Medium eindringt, als es mit klassischen physikalischen Gesetzen erklärbar ist.
Zurückführen kann man dies auf den unterschiedlichen Führungsmechanismus der vorliegenden Fasern. Analog der quantenmechanischen Beschreibung eines Dotieratoms in einem Halbleiter und dessen elektronischer Struktur, werden die Photonen (Licht) bei den hier betrachteten Fasern durch Defektzustände/-moden in der Bandlücke geführt.
Eine Abweichung der perfekten unendlich ausgedehnten photonischen Struktur um den Kern, hier das Loch, herum führen zu einer Ankopplung des Defektmodenfelds an seiner Umgebung. Diese Ankopplung hängt extrem sensitiv von der Anzahl der Ringe ab und bereits eine Reduktion um einen Ring führt zu einem drastischen Anstieg der Verluste.
Chalkogenidgläser sind Gläser, in deren Netzwerk die glasbildenden Elemente Silizium und Sauerstoff durch Germanium, Arsen und dem schwereren chalkogenen Schwefel, Selen und Tellur ersetzt sind. Wegen der schwereren Elemente und schwächeren chemischen Bindung verschiebt sich die Lichtdurchlässigkeit von Chalkogenidgläsern aus dem sichtbaren in den infraroten Spektralbereich. Bei Chalkogenidgläsern handelt es sich in der Regel um Halbleiter, wobei die mechanische Festigkeit und thermische Beständigkeit kleiner, aber die Wärmedehnung deutlich größer als bei Gläsern für den sichtbaren Spektralbereich ist.
Die angegebene photonische Kristallfaser zeichnet sich dadurch aus, dass sie zum einen aufgrund der Verwendung von Chalkogenidgläsern eine hohe IR-Transmission aufweist, zum anderen trotz des sehr großen Durchmessers des Hohlkerns von mindestens 20 µm, bevorzugt mindestens 50µm, besonders bevorzugt mindestens 100µm eine sehr niedrige Dämpfung aufweist, die bevorzugt im IR-Wellenlängenbereich > 1 µm, bevorzugt im Bereich 1 bis 14 µm, insbesondere 9 bis 12 µm, geringer als 2 dB/m, bevorzugt 1 dB/m, bevorzugt geringer als 0,3 dB/m, insbesondere geringer als 0,1 dB/m, ist. Überraschenderweise lässt sich trotz des Hohlkernes von mehr als 100 µm eine einzige Mode- eine sogenannte Single-mode - übertragen. Dies war nicht vorhersehbar, da Single-mode Fasern im Stand der Technik immer nur dann erhalten wurden, wenn der Kerndurchmesser bzw. der Hohlkern der Faser nur unwesentlich größer oder gleich groß war, wie die zu übertragende Wellenlänge. Würde der Kerndurchmesser wesentlich größer gewählt als die zu übertragende Wellenlänge beispielsweise doppelt so groß, so stellte sich automatisch eine multimoden Übertragung ein. Die vorliegenden Fasern erlauben aber trotz eines mehr als 10x so großen Kerndurchmessers bei IR-Strahlung im Wellenlängenbereich von 1 µm bis 14 µm, insbesondere 9 µm bis 12 µm eine Übertragung im Single-mode mit Dämpfungen < 2 dB/m.
Die niedrigen Dämpfungswerte werden, überraschenderweise insbesondere dann erreicht, wenn die Hohlrohre eine bestimmte Geometrie aufweisen. So haben die Erfinder überraschenderweise heraus gefunden., dass die Hohlkörper einen kreisrunden oder einen sechseckigen Querschnitt aufweisen.
Überraschender Weise hat sich herausgestellt, dass besonders niedrige Dämpfungen < 2 dB/m, bevorzugt < 1 dB/m, insbesondere < 0,3 dB/m, besonders bevorzugt < 0,1 dB/m, dann erreicht werden, wenn der Hohlkern eine nicht runde Struktur wie im Stand der Technik aufweist, sondern einen vieleckigen Querschnitt, insbesondere einen sechseckigen Querschnitt. Für einen sechseckigen Hohlkern lassen sich Dämpfungen von 0,01 dB/m oder geringer erreichen. Ganz besonders bevorzugt sind sechseckige Querschnitte des Hohlkerns mit sechseckigen Querschnitten der Rohre zu kombinieren. Hierfür können Verluste < 0,01 dB/m erzielt werden.
Photonische Kristallfasern, die sich durch eine niedrige Dämpfung auszeichnen, zeigen dabei eine der folgenden Konfigurationen:

- die Hohlkörper sind in Form von Hohlröhren mit im Wesentlichen runden Innenquerschnitt und mit geschlossenen Packungslücken ausgebildet,
- die Hohlkörper sind in Form von Hohlröhren mit im Wesentlichen runden Innen- und Außenquerschnitten und mit offenen Packungslücken ausgebildet,
- die Hohlkörper sind dichte Packungen aus sechskantigen Hohlröhren, und die sechskantigen Hohlröhren sind flächenverknüpft, oder
- die Hohlkörper sind sechskantige Hohlröhren mit geschlossenen Packungslücken.

Wenn die Hohlkörper einen Abstand a zueinander aufweisen, ist der Abstand a > 5 µm, insbesondere a > 10 µm, bevorzugt im Bereich 5 bis 50 µm, bevorzugt im Bereich 10 bis 20 µm, bei zu übertragenden Wellenlängen im Bereich 1 µm bis 14 µm. Diese Absolutwerte ergeben sich daraus, dass die Erfinder herausgefunden haben, dass eine Geometriebedingung, die durch das Verhältnis des Abstandes a durch die zu übertragende Wellenlänge A definiert ist dann vorteilhaft für die weitgehend verlustfreie Übertragung ist, wenn gilt: $a / λ \geq 1,$
d. h. das beispielsweise bei einer zu übertragenden Wellenlänge von 9 µm der Abstand der Hohlfasern 9 µm oder größer ist.
Weisen die Hohlkörper einen Innen-Durchmesser d = 2 r auf, liegt der Durchmesser d im Bereich 0,98 · a bis 0,90 · a , wobei a der Abstand der Hohlkörper zueinander ist, da die Wandstärke der Rohre so dünn als möglich ist, damit der Bandgap-Effekt besonders ausgeprägt ist.
Die Erfinder haben des Weiteren überraschenderweise herausgefunden, dass die Dämpfung vom Maß der Genauigkeit der Lochstruktur um den Hohlkern abhängt. Dies betrifft sowohl den Abstand zwischen zwei Löchern, der mit a bezeichnet wurde, als auch den Durchmesser der Löcher selbst. Hier ist auch wichtig, dass die Geometrie eingehalten ist, d. h. die Löcher entweder perfekt rund sind oder perfekt sechseckig sind, je nachdem, wie die Struktur aussehen soll. Ovale Löcher oder Abweichungen in den Durchmessern von benachbarten Löchern sind zu vermeiden. Bereits bei einer Abweichung der Struturgenauigkeit von mehr als 4% steigt die Dämpfung an. Bei runden Löchern mit einem Durchmesser der Löcher von 10µm würden 4% bedeuten, dass die Löcher 9,6µm oder 10,4µm groß sein dürfen. Dies gilt darüberhinaus für alle Größen (Abstand, Durchmesser, Änderung gegenüber benachbartne Löchern). Ab einer Abweichung von 10% ist die Dämpfung so hoch, dass keine Strahlung mehr effektiv durch eine Faser mit mehr als 50cm Länge transportiert werden kann.
Bei einer Änderung des Lochradius um < 10 % beispielsweise 9,5% ist eine deutliche Abweichung der sphärischen Mode sowie ein Verlust erkennbar.
Die Erfinder haben des Weiteren erkannt, dass das Führungsverhalten in der Faser auch vom Brechwert des Materials, insbesondere des Glasmaterials abhängt. Ist eine Struktur bestimmt, die für einen bestimmten Wert des Brechungsindexes n ausreichend gute Führung zeigt, so hat sich gezeigt, dass kleine Abweichungen von ca 10 % bereits die Dämpfung signifikant erhöhen. So ist es beispielsweise nicht möglich ein Design einer PCF für ein bestimmtes Material mit Brechwert n₁ auf ein Material mit Brechwert n₂ zu übertragen. Die Dämpfung wird durch die Kombination aus Struktur und Glastyp, d. h. dem Brechungsindex und die Transmission des Bulkglases im interessierenden Wellenlängenbereich beeinflusst.
Wenn die Faserstruktur einen Glastyp mit Brechwert n von 2,0-2,7 hat, weist die Faser bevorzugt eine Grundmode bei 10µm Wellenlänge auf. Brechwerte n<2 führen zu hoher Auskopplung der Strahlung in der Struktur, was zu hoher Dämpfung führt.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die photonischen Kristallfasern aus einem Chalkogenidglas bestehen, die wenigstens eines der folgenden Elemente umfasst:

Germanium (Ge)

Arsen (As)

Selen (Se)

Tellur (Te)

Antimon (Sb)
Besonders bevorzugte Chalkogenidgläser sind Chalcogenid-Infrarotgläser der SCHOTT AG, Mainz. Hierbei handelt es sich beispielsweise um das Glas IG2 der SCHOTT AG, Mainz, einem Ge₃₃.As₁₂.Se₅₅ infrarotdurchlässigen Chalkogenidglas für Infrarotstrahlung im Bereich 3 bis 5 µm und 8 bis 12 µm. Alternativ hierzu ist das Glas IG3 der SCHOTT AG, Mainz, ein Ge₃₀-As₁₃.Se₃₂.Te_2s-Glas oder das Glas IG4 der VITRON Spezialwerkstoffe GmbH, einem Ge₁₀.As₄₀.Se₅₀-Glas. Alternativ hierzu ist auch das Glas IG5 der SCHOTT AG, Mainz, ein Ge₂₈.Sb₁₂.Se₆₀ oder das Glas IG6 der SCHOTT AG, Mainz, ein As₄₀.Se₆₀-Glas ein Chalkogenidglas, das in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung Verwendung finden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Faser wird erstmals eine Faser mit einem Hohlkern von mindestens 20 µm, bevorzugt mindestens 50µm, besonders bevorzugt mindestens 100 µm Durchmesser zum Transport von Laserstrahlung im single-mode Betrieb zur Verfügung gestellt. Bekannte Strukturen aus dem Stand der Technik weisen Hohlkerngrößen von kleiner 20 µm, auf, was zur praktischen Nutzung nicht ausreichend ist. Die Erfindung offenbart erstmals die Kombination von Hohlkerngrößen größer 20 µm, bevorzugt mindestens 50µm, besonders bevorzugt mindestens 100 µm in Kombination mit single-mode Transmission bei gleichzeitiger geringer Dämpfung von < 2dB/m für eine photonische Kristallfaser. Die Erfindung zeichnet sich durch eine Kombination der Materialklasse der Chalkogenidgläser mit einem bevorzugten Brechwert n > 2 im IR-Wellenlängenbereich und mikrostrukurierten Hohlkernfasern aus, wobei die Struktur einen Hohlkerndurchmesser von >20 µm, bevorzugt mindestens 50µm, besonders bevorzugt mindestens 100µm aufweist und den Transport von Single-Mode-Laserstrahlung mit einer Dämpfungen kleiner 2dB/m ermöglicht. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass hierfür eine beschränkte Auswahl von geometrischen Mikrostrukturen besonders geeignet ist.
Neben Luft im Hohlkern sind auch andere Gase im Hohlkern denkbar, um das umgebende Material vor Schädigung durch thermischen Einfluss und Reaktionen zu schützen. Erst die Kombination von hochbrechenden Gläsern mit komplexen geometrischen Mikrostrukturen und die hochpräzise Fertigung dieser Strukturen hat es möglich gemacht, in einem Hohlkern von >20 µm, bevorzugt mindestens 50µm, besonders bevorzugt mindestens 100 µm Durchmesser Single-Mode-Laserstrahlung > 5 µm zu transportieren. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die bekannten Geometrien, wie sie in der Literatur bekannt sind, bei denen die Struktur der Faser durch simples stacking von Glasröhrchen und anschließendem Wiederziehen entsteht, nur bedingt für derartige photonische Kristallfasern geeignet sind.
Die erfindungsgemäßen Fasern können nur durch spezielle Ziehverfahren, wie z. B. in der DE 10 2011 103 686 A1 beschrieben, in ausreichender Präzision gefertigt werden. Kleinste Abweichungen können zum Verlust des Single-Modes führen oder die geringe Dämpfung erhöhen, was letztlich zu einer Zerstörung der Faser führen kann, wie zuvor dargestellt.
Eine Kühlung der Faser von außen (z.B. durch Wasser oder Gasströmung) oder innen (durch Gasströmung in der Struktur bzw. Hohlkern) kann außerdem vorteilhaft für die Funktion sein.
Wird entgegen der DE 10 2011 103 686 A1 nur mit Hilfe einer konventionellen elektrischen Heizung, die beispielsweise die erste Heizeinrichtung sein kann, eine Vorform von außen nach innen durch Wärmeübergang der heißen Ofenatmosphäre an die Oberfläche der Vorform, die einen Hohlkörper darstellt, übertragen und von dort durch Wärmeleitung in das Innere der Hohlstruktur, so stellt die Hohlstruktur einen besonders hohen Wärmewiderstand dar, und der Temperaturgradient steigt in diesem Bereich der Vorform stark an. Es ist dann notwendig, die Oberfläche der äußeren Struktur über die eigentlich notwendige Ziehtemperatur hinaus zu erwärmen, damit das Innere der Hohlstruktur die Ziehtemperatur erreicht. Dies führt dazu, dass am äußeren Umfang der Struktur die Temperatur so hoch ansteigt, dass die dort befindlichen Hohlstrukturen aufgrund der Oberflächenspannung, die mit steigender Temperatur und kleineren Strukturgrößen wächst, ihre Form verändert oder sogar kollabiert. In der Folge verändern die weiter innen liegenden und benachbarten Löcher ihre Form ebenfalls, da der Wärmewiderstand von außen aufgrund der in der Form veränderten bzw. bereits kollabierten Löcher geringer wird und somit der Wärmeeintrag in die noch vorhandene Struktur ansteigt. Dieser Dominoeffekt setzt sich dann fort, bis die komplette Strukturform verändert bzw. kollabiert ist. Ein stabiler Ziehprozess alleine mit Aufheizen der Vorform durch eine einzige Heizeinrichtung, beispielsweise einer als elektrischer Heizung ausgelegten ersten Heizeinrichtung, ist daher nicht möglich.
Auch der alleinige Einsatz einer zweiten Heizeinrichtung, die im Wesentlichen auf einer IR-Heizung beruht, die lokal Infrarot-Strahlung emittiert, ist nicht möglich. Zwar kann die Infrarot-Strahlung ungehindert das Äußere der Struktur durchdringen, jedoch erfolgt durch Mehrfachreflexion an den einzelnen Oberflächen der Hohlstruktur ein Mehrfachdurchgang der IR-Strahlung durch die Hohlstruktur und bewirkt einen lokal erhöhten Anteil absorbierter IR-Strahlung, was zu einer starken Erwärmung der Hohlstruktur im Vergleich zum Äußeren der Struktur führt. Beim Erreichen der Ziehtemperatur im äußeren Bereich der Struktur ist somit in der Hohlstruktur die Temperatur schon deutlich erhöht, was eine geringere Viskosität zur Folge hat, weswegen die Struktur ihre Form verändert bzw. kollabiert.
Bei dem zur Herstellung der photonischen Kristallfaser zum Einsatz gelangten Verfahren gemäß der DE 10 2011 103 686 A1 können nunmehr die beiden zuvor einzeln beschriebenen Heizmethoden, die für sich genommen jeweils zu einer unkontrollierten bzw. nicht beeinflussbaren Formveränderung bzw. Kollabieren der Struktur führen, kombiniert werden, nämlich die konventionelle Beheizung zusammen mit der IR-Beheizung. Diese Kombination führt dazu, dass eine unkontrollierte bzw. nicht beeinflussbare Formveränderung bzw. ein Kollabieren der Struktur vermieden werden kann, obwohl die jeweilige Methode für sich alleine betrachtet dies nicht leisten kann. Die Erklärung dafür, dass es mit dem Verfahren gemäß der DE 10 2011 103 686 A1 möglich ist, ohne eine unkontrollierte bzw. nicht beeinflussbare Formveränderung bzw. Kollabieren der Struktur hohle Vorformen, wie sie beim Herstellen von PCF (photonic crystal fiber)-Fasern eingesetzt werden, aufzuheizen, ist darin zu sehen, dass mittels der konventionellen, d.h. der ersten Heizeinrichtung, lediglich das Äußere der Struktur, die auch als Hüllrohr bezeichnet wird, aufgeheizt wird, während mit Hilfe der IR-Beheizung gleichzeitig vorwiegend nur die innere Hohlstruktur erwärmt wird. Es ist dann möglich, die Temperaturen von äußerer Struktur und innerer Struktur nahezu unabhängig voneinander einzustellen. Insbesondere muss über die erste Heizeinrichtung, d.h. die in der Regel konventionellen Heizelemente, nur so viel Wärmeenergie in das Äußere der Struktur eingebracht werden, wie notwendig ist, um die äußere Struktur, insbesondere das Hüllrohr, exakt auf die Ziehtemperatur für einen nachfolgenden Ziehprozess zu bringen. Ein zusätzlicher, durch den großen Wärmewiderstand der Hohlstruktur relativ hoher Energieeintrag durch das Hüllrohr, der zum Aufheizen der inneren Struktur führt, muss nicht zur Verfügung gestellt werden. Umgekehrt ist es bei der Beheizung mit Infrarot-Strahlung nur erforderlich, so viel Energie in die innere Struktur zu transportieren bzw. einzutragen, wie im Bereich der inneren Struktur zur Aufheizung derselben auf exakt die Ziehtemperatur notwendig ist. Als weiterer positiver Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens beeinflussen sich die äußere Struktur sowie die Hohlstruktur gegenseitig, und es findet ein gewisser Wärmeaustausch statt. Zusammen mit den beiden Heizmethoden führt dies zu einer Homogenisierung der Temperatur über den gesamten Querschnitt der Vorform. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in vorteilhafter Weise das Temperaturniveau der Vorform im Ziehprozess absenken, da nur so viel Energie lokal eingebracht werden muss, wie lokal benötigt wird, um die Ziehtemperatur exakt zu erreichen. Dies ermöglicht, dass der Ziehprozess mit höchstmöglicher Viskosität durchgeführt wird. Die Ziehtemperatur liegt bevorzugt in einem Temperaturbereich, in dem die Viskosität des Fasermaterials im Bereich η= 10⁴ bis 10⁸ dPasliegt. Für Glasmaterialien liegt die Viskosität bevorzugt im Bereich η = 10⁴ bis 10⁷⁶ dPas, d.h. die Ziehtemperatur des Glasmaterials liegt stets oberhalb der Temperatur des Glasmaterials am Erweichungspunkt, d.h. oberhalb der Erweichungstemperatur T_EW. Da mit Hilfe des Verfahrens gemäß der DE 10 2011 103 686 A1 die Viskosität auf sehr hohem Niveau bleibt, kann die Oberflächenspannung in den Löchern der Hohlstruktur niedrig gehalten werden, und eine Formveränderung, insbesondere ein vollständiges Kollabieren, wird verhindert. Um auch eine geringe Verkleinerung der Hohlstruktur beim Ziehen aufgrund der Oberflächenspannung des Glases zu vermeiden, kann in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, durch Anlegen eines inneren Überdruckes an die Löcher der Hohlstruktur einem solchen Phänomen entgegen zu wirken. Hierbei ist die Höhe des Druckes so zu wählen, dass genau der Betrag der Oberflächenspannung ausgeglichen wird und sich die gewünschte Strukturgröße einstellt. Insbesondere ist es durch Anlegen eines Überdruckes möglich, die Strukturen gezielt einzustellen.
Bei dem beschriebenen beispielhaften Verfahren wird bevorzugt von Raumtemperatur an simultan mit beiden Heizeinrichtungen in einer einzigen gemeinsamen Heizzone geheizt und so ein homogenes Temperaturfeld erzeugt. Damit wird eine geometrische Veränderung der inneren Mikrostruktur im Gegensatz zu einem Verfahren gemäß der DE 37 04 054 A1 vermieden. Bei dem Verfahren gemäß der DE 37 04 054 A1 wird nämlich durch das Heizen des inneren Bereiches des Glasrohres von Innen durch das oben offene Glasrohr mit Strahlung (durch CO₂-Laser), welche das Glas von außen nicht durchdringen kann das Glasrohr zum Kollabieren gebracht.
Das gezogene Glasmaterial ist ein Chalkogenidglas, bevorzugt das Chalkogenidglas IG6 der SCHOTT AG, Mainz.
Um die Vorform zu erhalten, aus der die mikrostrukturierten Fasern gezogen werden können, ist vorgesehen, eine Vielzahl von einzelnen Hohlrohren zusammenzustellen, ergebend eine Vorform mit einem Durchmesser von beispielsweise 50 mm und einer Länge von bis zu 1 m. Je nach dem, ob Fasern hergestellt werden sollen, bei denen der Kern lichtleitend aus einem Vollmaterial hergestellt wird, oder alternativ zur Lichtleitung ein Hohlkern verwandt wird, wird vor dem Faserziehen entweder genau in der Mitte der Vorform das Rohr durch einen Stab gleichen Durchmessers ersetzt, der später den lichtleitenden Kern bildet oder mittig liegende innere Rohre, beispielsweise sieben Stück, entfernt, so dass ein Hohlkern entsteht, der später den lichtleitenden Teil bildet. Anschließend wird die so zusammengestellte Form in einem ersten Ziehschritt, beispielsweise mit einem Faserziehturm, mit einer konventionellen elektrischen Heizung verjüngt. Dies ergibt dann die Vorform, wie sie im erfindungsgemäßen Ziehverfahren zum Ziehen der mikrostrukturierten Faser eingesetzt wird.
Man kann auch nach Entnahme der Rohre, in einer fortgebildeten Ausführungsform, den Hohlkern noch durch Einfügen eines Stützrohres, welches dünnwandig ist und innen am Hohlkern anliegt, stabilisieren. Ist das Rohr dünnwandig, so hat es keine Auswirkungen auf den Bandgap-Effektund stört diesen nicht.
Je nach Material liegt die zum Ziehen notwendige Glastemperatur bei unterschiedlichen Temperaturen. Die zum Ziehen notwendige Glastemperatur aus der Form in die Vorform, wie sie dem weiteren Ziehverfahren zugrunde liegt, liegt abhängig vom Durchmesser der zu ziehenden Faser, zwischen 10K bis 100K, insbesondere 20K bis 60K über dem Erweichungspunkt mit einer Viskosität von 10^7,6 dPas. Bei diesem ersten Ziehschritt ist es also möglich, ein konventionelles elektrisches Heizaggregat einzusetzen. Durch den ersten Ziehschritt verkleben die einzelnen Rohre an deren Oberfläche entlang der Achse der Form, so dass ein fester Stab mit einer Lochstruktur entsteht. Die Struktur der einzelnen Rohre in dem strukturierten Stab wird dabei maßstäblich verkleinert. Bei dem ersten Ziehschritt sind die erzielten Lochdurchmesser aber noch so groß, dass ein Kollabieren infolge von Oberflächenspannungen nicht auftritt.
Um die endgültige Faser in der gewünschten Lochgröße zu erreichen, wird ein zweiter Ziehprozess mit zwei Heizeinrichtungen durchgeführt. Hierbei ist zu beachten, dass ein entsprechendes Ziehverhältnis, d.h. ein Verhältnis von Vorformdurchmesser zu Faserdurchmesser, eingestellt wird.
Bevorzugt wird ein derartiger Durchmesser dadurch erreicht, dass man den im ersten Ziehschritt erhaltenen Stab mit einem dickwandigen Hüllrohr gleichen Materials umgeben wird.
Die Temperatur, mit der der zweite Ziehprozess gemäß der Erfindung mit zwei Heizaggregaten durchgeführt wird, liegt im Bereich von 10K bis 100K, insbesondere 10K bis 80K, insbesondere 20K bis 60K über dem Erweichungspunkt, d.h. der Erweichungspunkt T_EW des zu ziehenden Fasermaterials, insbesondere Glasmaterials.
Um die Temperatur im Ziehprozess zu bestimmen, ist es vorteilhaft, wenn eine Temperaturmesseinrichtung eingesetzt wird. Bevorzugt wird als Temperaturmesseinrichtung ein Pyrometer eingesetzt. Mit Hilfe eines Pyrometers ist es möglich, die von einem Körper emittierte Wärmestrahlung zu erfassen und auszuwerten. Da die Wärmestrahlung in ihrer Intensität von der Temperatur abhängt, ist es mit Hilfe des Pyrometers möglich, die Temperatur zu bestimmen.
Um mit Hilfe des Pyrometers die Temperatur im Inneren der Vorform zu bestimmen, wird bevorzugt ein Pyrometer in Abhängigkeit von der Materialart, insbesondere beispielsweise von der Glassorte, eingesetzt, bei der das Material bzw. das Glas bis zum Messort für die vom Pyrometer verwandte Strahlung transparent ist.
Bevorzugt ist es, wenn die mit Hilfe der Temperaturmesseinrichtung, insbesondere des Pyrometers, bestimmten Temperaturen dazu verwandt werden, die Heizleistung der Heizeinrichtungen zu beeinflussen, insbesondere zu regeln. Mit Hilfe der Pyrometermessung lässt sich eine Aussage über die Aufheizung der Vorform treffen und die Heizeinrichtung, entsprechend so ansteuern, dass die gewünschte Ziehtemperatur erreicht wird.
Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren kann eine photonische Kristallfaser mit einer Anordnung der Hohlkörper in einer Struktur mit einem Abstand a der Hohlkörper und/oder einem Querschnitt der Hohlkörper untereinander gemäß der Erfindung hergestellt werden. Bei dem beschriebenen Verfahren sind Abweichungen des Abstandes a und/oder des Querschnittes der Hohlkörper für unterschiedliche Hohlkörper geringer als 10%, bevorzugt geringer als 4%, insbesondere geringer als 1 % ist.
Neben der Herstellung einer mikrostrukturierten Faser mit einem einzigen lichtleitenden Kern ist es auch möglich, dass eine Vorform mehr Kerne umfassen kann, so dass aus einer derartigen Vorform eine multi-core-mikrostrukturierte Faser gezogen werden kann.
Zur Festigkeit der Faser kann direkt nach einem Ziehprozess eine Beschichtung der Faser, beispielsweise mit einer Kunststoffschicht, vorgenommen werden.
Hierbei kann die Verwendung von UV-aushärtendem Acrylat als Beschichtungsmaterial bevorzugt sein.
Neben der photonischen Kristallfaser stellt die Erfindung auch eine Lasereinrichtung mit einer derartigen Kristallfaser zur Verfügung.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Es zeigen:

1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße photonische Kristallfaser;
2a-2e Querschnitte durch unterschiedliche Ausführungsformen photonischer Kristallfasern;
3a-3e unterschiedliche Strukturtypen für photonische Kristallfasern;
3f-3j zeigen Moden in der Faser bei unterschiedlichen Geometrie und/oder Brechungsindizes
4a eine Pre-Pre-Form einer mikrostrukturierten Faser als Basis für einen ersten Ziehschritt;
4b einen Multifaserstab nach Durchführen des ersten Ziehschrittes, ergebend die Vorform (Pre-Form) für den zweiten Ziehschritt mit zwei Heizeinrichtungen;
5 gezogene Fasern nach dem zweiten Ziehschritt mit zwei Heizeinrichtungen;
6 Vorrichtungen zum Ziehen einer Faser aus einer Pre-Form mit zwei Heizeinrichtungen;

Bei den Figuren handelt es sich um Prinzipskizzen, aus denen die exakten Größen sowohl des Hohlkernes als auch der einzelnen, den Hohlkern umgebenden Hohlrohre nicht abgeleitet werden können.
In 1 ist der Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Hohlkernfaser als photonische Kristallfaser gemäß der Erfindung im Querschnitt gezeigt. Die komplette Faser ist mit 1 bezeichnet.
Die Faser nach dem zweifachen Ziehprozess weist ein Hüllrohr 3 auf. Das Hüllrohr 3 wird in der Regel nach dem ersten Ziehprozess auf die Pre-Form aufgebracht und dient dazu, dass beim zweiten Ziehprozess bei einem Ziehverhältnis, beispielsweise von 200, die Faser stabilisiert wird. Das Hüllrohr wird auch als Cladding bezeichnet. Der durch das Hüllrohr bestimmte Faser-Außendurchmesser D_Faser der Gesamtfaser beträgt 450 µm bis 1000 µm.
In dem ersten Ziehschritt wird eine Vielzahl von einzelnen Rohren bzw. Röhren 10, die in der dargestellten Ausführungsform einen runden Querschnitt aufweisen, zusammengestellt, wobei die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Der Querschnitt der einzelnen Rohre 10 könnte auch sechseckig sein, wie in 2c bis 2e gezeigt. Die Vielzahl der einzelnen Rohre 10 bildet eine Struktur 40 aus, die von dem Hüllrohr 3 umgeben wird.
Der Durchmesser der Struktur 40, bestehend aus einer Vielzahl von einzelnen Hohlrohren 10, beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 350 µm. Der Durchmesser der Struktur 40 ist mit D_Struktur gekennzeichnet.
In der Mitte der aus einzelnen Rohren 10 zusammengestellten Struktur 40 ist ein Hohlkern 5, der, im Gegensatz zur Struktur 40,ebenfalls eine sechseckige Kontur aufweist und einen Durchmesser D_Hohl von 130 µm in der endgültigen Faser nach dem zweiten Ziehprozess angeordnet. Die sechseckige Außenkontur des Hohlkerns 5 ist verantwortlich für das sehr gute Dämpfungsverhalten der dargestellten Faser 1. Die Dämpfung der Faser liegt im Bereich von 0,2 bis 0,01 dB/m. Der Brechungsindex des Glases, das vorliegend ein Chalkogenidglas ist, beispielsweise das Glas IG 6 der SCHOTT AG, beträgt ungefähr n = 2,5 im angegebenen IR-Wellenlängenbereich.
Des Weiteren in 1 beispielhaft gezeigt sind zwei der Vielzahl von Strukturringen, die um den Hohlkern angeordnet sind, nämlich der erste Strukturring 50.1 und der zweite Strukturring 50.2. Weitere Strukturringe, wie der dritte Strukturring sind nicht dargestellt, schließen sich aber in gleicher Weise an. Die Form der Strukturringe 50.1, 50.2 ist für vorliegende Ausführungsform ohne Beschränkung hierauf die eines Sechseckes. Die Erfinder haben erkannt, dass die Dämpfung maßgeblich durch die Anzahl der Strukturringe beeinflusst wird. So können beispielsweise 6 Strukturringe zu Dämpfungen unter 2 dB/m, 8 Strukturringe zu Dämpfungen unter 1 dB/m und 10 Strukturringe zu Dämpfungen unter 0,5 dB/m führen.
Über den zweistufigen Ziehprozess ist es möglich, eine Struktur in einem ersten Ziehprozess in einen strukturierten Stab geringeren Durchmessers zu ziehen, der mit einem Cladding bzw. einem Hüllrohr versehen wird und anschließend in einem zweiten Ziehprozess, beispielsweise in einem Down-Draw-Verfahren, wie nachfolgend beschrieben, zu der endgültigen Faser, wie in 1 dargestellt, gezogen wird, wobei der Gesamtdurchmesser D_Faser der in das Hüllrohr 3 eingebetteten photonischen Faser zwischen 450 µm und 1000 µm liegt.
Neben einem Down-Draw-Verfahren wäre es auch möglich, die Faser zweistufig in einem Up-Draw-Verfahren zu ziehen, was besonders im Fall großer Pre-Formen mit hohem Gewicht unter Ausnutzung der natürlichen oder erzwungenen Konvektion unter Entgegenwirken einer Gewichtskraft vorteilhaft ist.
In den 2a-2e sind für verschiedene Strukturtypen der Rohre 10 photonische Kristallfasern mit einem unterschiedlichen Hohlkern 5 dargestellt.
In 2a deutlich zu erkennen ist die sechseckige Außenform des Hohlkerns 5, wobei der Durchmesser D_Hohl 130 µm beträgt.
Der Brechungsindex n des Glasmaterials der einzelnen Rohre 10 beträgt ungefähr n = 2,5. Das Glasmaterial zwischen den einzelnen Rohren 10 ist mit 11 bezeichnet. Der Brechungsindex des Hohlraums 5 beträgt beim Einsatz von Luft n = 1. Es ist aber auch möglich, andere Gase im Hohlkern 5 zu verwenden. Der Abstand a zwischen den einzelnen Glasrohren bzw. Löchern der Struktur 40 beträgt a = 10 µm, der Radius der einzelnen Löcher 0,44 a. Bei einer Wellenlänge A von 10,6 µm und einem Abstand a der einzelnen Löcher gleich 10,6 µm folgt für die Geometriebedingung ein Wert von ungefähr 1. Mit der in 2a dargestellten Ausgestaltung wird aufgrund der im Wesentlichen sechseckigen Außenform des Hohlkerns 5 mit einem Durchmesser D_Hohl von 130 µm eine photonische Kristallfaser mit einer Dämpfung < 0,01 dB/m zur Verfügung gestellt. Der Raum zwischen den einzelnen Hohlrohren ist mit Glasmaterial 11 ausgeführt.
2b zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Strukturierung gegenüber 2a. Der Querschnitt der einzelnen Hohlrohre 10 ist wieder ein runder, jedoch ist zwischen den einzelnen Hohlrohren der Zwischenraum 14 nicht mit einem Glasmaterial gefüllt, sondern das Glasmaterial mit einem Brechungsindex von n = 2,5 bildet nur die Außenwand 12 des Hohlrohrs 10. Wiederum werden die Hohlräume 10 derart zusammengestellt, dass ein Hohlkern 5 mit im Wesentlichen sechseckigen Außenabmessungen zur Verfügung gestellt wird. Der Durchmesser D_Hohl des Hohlkerns 5 der in 2b dargestellten Struktur 40 beträgt ungefähr 117 µm. Der Abstand a zwischen den einzelnen Hohlrohren 10 beträgt 11,28 µm, was einem Geometriefaktor von a/λ = 1,064 bei einer Wellenlänge des Lichtes von λ = 10,6 µm entspricht. Im Gegensatz zur Ausgestaltung in 2a ist in 2b der Zwischenraum 14 zwischen den Hohlrohren 10 nicht mit einem Glasmaterial gefüllt und das Glasmaterial wird lediglich durch die Wandung n der Hohlrohre zur Verfügung gestellt. Der Brechungsindex des Glasmaterials beträgt, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 2a, ungefähr n = 2,5. Die Dämpfung der Struktur in 2b beträgt ungefähr 0,01 dB/m. Durch das Verfüllen mit einem Glasmaterial zwischen den einzelnen Hohlrohren 10, wie in 2a, werden deutlich bessere Dämpfungswerte erreicht.
In 2c ist eine weitere Variante der Erfindung gezeigt. Bei der Ausgestaltung gemäß 2c wird die Struktur durch Ineinanderstellen von Hohlrohren 20 mit einem sechseckigen Querschnitt erzielt. Der Hohlkern 5 weist dann eine nicht runde Form auf, vorliegend ist die Kontur sechseckig mit Kanten
Der Brechungsindex der Außenwände 22 der im Wesentlichen sechseckigen Hohlrohre beträgt, wie zuvor, n = 2,5, der Abstand zwischen den einzelnen Hohlrohren mit sechseckigem Querschnitt a = 16,43 µm. Bei einer Wellenlänge von λ = 10,6 µm ergibt sich eine Geometriebedingung a/λ = 1,55. Der Durchmesser einer sechseckigen Wabe beträgt 0,48 x a, der Durchmesser des Hohlkerns 5 D_Hohl ungefähr 115 µm. Aufgrund der sehr unregelmäßigen Form des Hohlkerns 5 ist der Dämpfungsverlust einer Struktur, wie in 2c dargestellt, mit ungefähr 0,2 dB/m relativ hoch.
Ebenfalls eine hohe Dämpfung zeigen auch Strukturen gemäß 2d, bei denen die einzelnen Hohlrohre 20 wiederum einen sechseckigen Querschnitt aufweisen, die Hohlrohre jedoch nicht direkt aneinander anschließen, sondern im Zwischenraum 24 zwischen den einzelnen Hohlrohren 20 mit sechseckigem Querschnitt kein Glasmaterial vorliegt, analog zur Ausgestaltung gemäß 2b.
Der Brechungsindex des Materials in 2d beträgt n = 2,5. Der Durchmesser des im Wesentlichen mit einem sechseckigen Außendurchmesser vorliegenden Hohlkerns 5 beträgt D_Hohl ungefähr 109 µm. Der Abstand a zwischen den einzelnen Strukturelementen beträgt 15,58 µm, was einer Geometriebedingung a/λ = 1,47 bei einer Wellenlänge λ = 10,6 µm entspricht. Für die in 2d dargestellte Struktur wird eine Dämpfung von < 1 dB/m gemessen.
In 2e ist eine Struktur dargestellt, die sich gegenüber der 2d dadurch unterscheidet, dass zwischen den einzelnen, im Wesentlichen mit sechseckigem Querschnitt vorhandenen Hohlrohren 20 die Zwischenräume 24 mit Glasmaterial 21 ausgefüllt sind. Wiederum haben die Hohlrohre 20 einen sechseckigen Querschnitt, die Zwischenräume 24 sind jedoch, wie bei der Ausgestaltung gemäß 2a, gefüllt mit Glasmaterial 21. Der Hohlkern 5 hat wiederum im Wesentlichen eine sechseckige Form, und der Durchmesser D_Hohl des Hohlraums beträgt etwa 122 µm. Der Brechungsindex des zwischen dem im Wesentlichem sechseckigen Hohlrohr eingebrachten Glasmaterials 21 beträgt n = 2,5. Der Lochabstand a zwischen den einzelnen, im Querschnitt sechseckigen Hohlrohren beträgt 11,15 µm, wodurch sich eine Geometriebedingung a/λ = 1,052 ergibt bei einer Wellenlänge λ = 10,6 µm. Die Ausgestaltung der Geometrie der Querschnitte der einzelnen Hohlrohre mit sechs Ecken und gefüllten Zwischenräumen 24 gemäß 2e sowie sechseckigem inneren Hohlraum 5, der mit Gas gefüllt ist, gibt die mit Abstand geringsten Verluste, die geringer als 0,001 dB/m sind. Derartig geringe Verluste sind für einen Fachmann überraschend und nicht vorhersehbar, insbesondere im Kombination mit einer Einfach-Moden, einer sogenannten Single-Moden Übertragung von elektromagnetischen Wellen im IR-Wellenlängenbereich von 9 bis 12 µm
Die unterschiedlichen, in den 2a bis 2e gezeigten Strukturtypen sind tabellarisch nochmals in 3a bis 3e zusammengefasst, wobei der unterschiedliche Strukturtyp beschrieben ist sowie die Durchmesser der Hohlkerne, die Brechungsindizes sowie Dämpfung.
Hierbei können durch die Anordnungen gemäß den 3a, 3b, 3c und 3e die erfindungsgemäßen niedrigen Dämpfungen < 1 dB/m, insbesondere < 0,3 dB/m realisiert werden. Dabei beschreibt 3a eine Anordnung von Hohlkörpern in Form von Hohlröhren mit im Wesentlichen rundem Innenquerschnitt und mit geschlossenen Packungslücken.
3b zeigt eine photonische Kristallfaser, bei der die Hohlkörper in Form von Hohlröhren mit im Wesentlichen runden Innen- und Außenquerschnitten und mit offenen Packungslücken ausgebildet sind.
In 3c weisen die photonischen Kristallfasern die Hohlkörper in Form von dichten Packungen aus sechskantigen Hohlröhren auf, wobei die sechskantigen Hohlröhren flächenverknüpft sind.
3e schließlich zeigt photonische Kristallfasern, bei denen die Hohlkörper als sechskantige Hohlröhren ausgebildet sind mit geschlossenen Packungslücken.
In den 3f-3h ist die Dämpfung der Grundmode in einer Kristallfaser in Abhängigkeit von der Genauigkeit der Lochstruktur gezeigt.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Dämpfung auch vom Maß der Genauigkeit der Lochstruktur um den Hohlkern abhängt. Dies betrifft sowohl den Abstand zwischen zwei Löchern (bezeichnet mit a) als auch den Durchmesser der Löcher selbst. Es ist auch entscheidend, dass die Löcher entweder perfekt rund sind oder perfekt sechseckig, je nachdem, wie die Struktur aussehen soll. Ovale Löcher oder Abweichungen in den Durchmessern von benachbarten Löchern führen bei einer Abweichung der Strukturgenauigkeit von mehr als 4% dazu, dass die Dämpfung ansteigt. Wenn der Durchmesser der Löcher 10µm ist, führt eine Abweichung von 4% dazu, dass die Löcher Abmessungen von 9,6µm oder 10,4µm annehmen können. Diese gilt für alle Größen (Abstand, Durchmesser, Änderung gegenüber benachbarten Löchern). Ab einer Abweichung von 10% ist die Dämpfung so hoch, dass keine Strahlung mehr effektiv durch eine Faser mit mehr als 50cm Länge transportiert werden kann. Dies zeigen die 3f-3h.
In 3f ist die Grundmode bei guter Führung dargestellt. Im Vergleich dazu zeigt 3g dieselbe Mode bei einer Abweichung der Geometrie um 9.5 %. Eine Führung einer Mode ist nicht mehr erkennbar. 3h zeigt die Mode bei einer Abweichung von 4,5%. Bereits diese Abweichung führt zu einer nicht sphärischen Mode die schon deutlich verlustbehaftet ist.
In den 3i-3j ist die Abhängigkeit der Modenführung vom Brechwert des zugrundeliegenden Glases bei gleicher Struktur gezeigt. Ist eine Struktur bestimmt, die für einen bestimmten Wert des Brechungsindexes n ausreichend gute Führung zeigt, so führen kleine Abweichungen von ca 10 % schon dazu, dass die Dämpfung signifikant erhöht wird. So ist es beispielsweise nicht möglich das Design einer PCF für ein bestimmtes Material mit Brechwert n₁ auf ein Material mit Brechwert n₂ zu übertragen. Die Dämpfung hängt somit von der Kombination aus Struktur und Glastyp, d. h. Brechungsindex und Transmission des Bulkglases im interessierenden Wellenlängenbereich ab. In 3i ist für eine bestimmte geometrische Anordnung die Grundmode dargestellt. In 3j ist der Brechwert um eins gegenüber 3i geändert, was zu einem völligen Verlust des Führungsverhaltens für Strahlung der gleichen Wellenlänge führt. Dies bedeutet, dass wenn eine Faserstruktur in Kombination mit einem Glastyp z. B. auf einen Brechwert n von 2,0-2,7, optimiert ist ein Brechwert n<2 zu extrem hoher Auskopplung der Strahlung in der Struktur führt, so dass keine Lichtmode mehr geführt wird.
Nachfolgend soll das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Faser anhand der 4a bis 5 mit Hilfe der Vorrichtung gemäß 6 für die erfindungsgemäßen photonischen Kristallfasern beschrieben werden.
In 4a ist eine Pre-Pre-Form einer mikrostrukturierten Faser, die zu einer Vorform (Pre-Form) in einem ersten Schritt gezogen wird und dann in einem zweiten Ziehschritt bzw. Ziehprozess zu der gewünschten mikrostrukturierten Faser gezogen wird, dargestellt.
Die Pre-Pre-Form gemäß 4a, die Ausgangspunkt für eine mit Hilfe von Ziehprozessen, hier einem zweistufigen Ziehprozess, hergestellte mikrostrukturierte Faser bzw. photonische Kristallfaser ist, besteht aus mehreren, nebeneinander gestellten Rohren bzw. Röhren 100. Bevorzugt sind die Rohre aus dem Material, insbesondere dem technischen oder optischen Glas, aus dem die komplette Glasfaser hergestellt werden soll. Die Rohre bestehen erfindungsgemäß aus einem Chalkogenidglas. Der Außendurchmesser D_außen der Rohre ist beispielsweise 4 mm und der Innendurchmesser D_innen 3 mm, bei Vollmaterial weist der zylinderförmige Körper bzw. das Rohr nur einen Außendurchmesser von 4 mm auf.
Setzt sich die Pre-Pre-Form, wie dargestellt, aus nebeneinander gestellten Rohren mit je 4 mm Außendurchmesser zusammen, so beträgt der Gesamtdurchmesser der Pre-Pre-Form Anzahl der Rohre x 4 mm. Bei 15 Rohren würde der Außendurchmesser beispielsweise 60 mm betragen.
Wird nun in einem ersten Ziehschritt die Pre-Pre-Form gezogen, so ergibt sich eine Pre-Form, d.h. eine Vorform beispielsweise mit einem 10-fach geringeren Außendurchmesser, der beispielsweise D_außen (Pre-Form) 6 mm beträgt. Die Pre-Form, die in 4b dargestellt ist, wird in einem zweiten Ziehschritt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter verarbeitet. Für den zweiten Ziehschritt wird die Pre-Form mit einem Außendurchmesser D_außen von 6 mm beispielsweise in ein hohles Hüllrohr bzw. ein Cladding derart eingebracht, dass das Hüllrohr die Pre-Form vollständig umgibt. Der Durchmesser der Öffnung des Hüllrohres, in die die Pre-Form eingelegt wird, entspricht in etwa dem Außendurchmesser der Pre-Form, d.h. ca. 6 mm. Das Hüllrohr selbst hat beispielsweise einen Durchmesser D_Hüll = 25 mm. In dem zweiten, erfindungsgemäßen Ziehschritt wird die Pre-Form zusammen mit dem sie umgebenden Hüllrohr gezogen. Nach dem Ziehen im zweiten Ziehschritt beträgt dann der Außendurchmesser des Hüllrohres mit innen liegenden Fasern beispielsweise 400 µm und der Hohlkern mehr als 20 µm, bevorzugt mindestens 50µm, besonders bevorzugt mindestens 100µm..
Die Länge D_L der Pre-Pre-Form, der Pre-Form und der Faser kann ein Meter oder mehr betragen.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind einige in der Mitte liegende innere Rohre, beispielsweise sieben Stück, entfernt worden, so dass ein Hohlkern 120 entsteht, der später den lichtleitenden Teil ausbildet.
Wie zuvor beschrieben, wird die Pre-Pre-Form in einem ersten Ziehschritt beispielsweise mit einem Faserziehturm, der mit einer elektrischen Heizung ausgestattet sein kann, gemäß 4a auf einen Durchmesser Dneu durch Ziehen von 60 mm auf beispielsweise 6 mm verjüngt. Die gezogene und verjüngte Pre-Form 135 ist in 4b dargestellt. Durch den Ziehprozess verkleben die einzelnen Rohre der Form 110, wie in 4a gezeigt, an deren Oberfläche entlang der Achse 140 der Form 110, so dass ein fester Stab mit einer Lochstruktur mit einem Hohlkern 130 entsteht. Die einzelnen Rohre 100 werden in diesem strukturierten Stab maßstäblich verkleinert. Ausgehend von der verjüngten Pre-Form 135, wie in 4b dargestellt, wird in einem erfindungsgemäßen Ziehverfahren mit zwei Heizeinrichtungen die in 5 dargestellte mikrostrukturierte Faser erhalten . Hierzu wird die Pre-Form gemäß 4b in ein Hüllrohr, beispielsweise mit einem Außendurchmesser von 25 mm, eingeführt und anschließend der zweite Ziehprozess gemäß der Erfindung durchgeführt.
Bei der in 5 gezeigten Endform der mikrostrukturierten Fasern nach dem erfindungsgemäßen Ziehprozess mit zwei Heizeinrichtungen wird der Durchmesser der Löcher 200 auf einen Durchmesser von typischerweise 5 µm bis 15 µm verkleinert. Der Gesamtdurchmesser der Faser D_Faser beträgt nach dem Ziehen ca. 400 - 1000 µm. Um ausgehend von beispielsweise der in 4b dargestellten verjüngten Pre-Form 135 mit einem Durchmesser von 6 mm eine Faser mit einem Durchmesser von 400 - 1000 µm, wie in 5 dargestellt, zu ziehen, ist es vorteilhaft, wie zuvor beschrieben, den im ersten Ziehschritt in den 4a und 4b erhaltenen Stab, die sogenannte Pre-Form mit einem Durchmesser von 6 mm mit einem dickwandigen Hüllrohr bzw. Cladding gleichen Materials zu umgeben. Der Durchmesser der nicht gezeigten Faser mit einem derartigen Hüllrohr beträgt dann 25 mm. Ausgehend von einem derartigen Körper, kann beispielsweise mit einem Ziehverhältnis von 50 eine Faser mit dem gewünschten Außendurchmesser von 500 µm gezogen werden.
In 5 ist der Kern mit der Lochstruktur, d.h. die nach dem Ziehen mit Bezugsziffer 210 bezeichnet, die einzelnen Rohre mit Bezugsziffer 200 sowie der hohle Kern mit Bezugsziffer 230. Der die Lochstruktur umgebende Hüllkörper ist mit Bezugsziffer 250 gekennzeichnet. Wie zuvor ausgeführt, wird der Hüllkörper um die Pre-Form 135 nach dem ersten Ziehprozess angeordnet, ergebend die Ausgangsform mit einem Durchmesser von 25 mm für den erfindungsgemäßen Faserziehprozess.
Um die in 5 gezeigte Form der mikrostrukturierten Faser zu erreichen und eine Formveränderung bzw. Kollabieren der einzelnen Löcher beim Ziehen, ausgehend von der Pre-Form, zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, zwei Heizeinrichtungen einzusetzen, eine erste Heizeinrichtung, die eine Aufheizung des Hüllkörpers 250 bewirkt sowie eine zweite Heizeinrichtung, die die Aufheizung der Hohlstruktur mit Löchern und hohlem Kern zur Lichtleitung bewirkt. Die beiden Heizeinrichtungen wirken in einer einzigen Heizzone auf die Vorform, di im Wesentlichen gleichzeitig bzw. simultan erwärmt wird. Die Vorform wirkt somit von außen einstufig.
Bei einem derartigen Heizaggregat handelt es sich um eine konventionelle Beheizung für den Hüllkörper und eine Beheizung der Hohlstruktur, bestehend aus Löchern und hohlem leitenden Kern, die von dem Hüllkörper umgeben wird, mit Hilfe von IR-Strahlungsquellen beim Ziehprozess.
Eine derartige Vorrichtung ist detailliert in 6 dargestellt. In 6 dargestellt ist der Ziehturm 1000, in den die Pre-Form mit Hüllkörper, wie beschrieben, eingeführt wird. Die Pre-Form mit Hüllkörper wird durch einen Ziehprozess bei einer Ziehtemperatur, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung eingestellt wird, gezogen. Die gezogene Faser ist mit 1100 bezeichnet.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zwei Heizeinrichtungen. Vorliegend ist lediglich eine Heizeinrichtung aktiv ausgelegt, das ist die zweite Heizeinrichtung 1200, die in vorliegender Ausführungsform insgesamt vier IR-Strahler 1201.1, 1201.2, 1201.3, 1201.4 umfasst. Die zur Anwendung gelangten IR-Strahler können Halogen-IR-Strahler mit einer Nennleistung von 2000 Watt bei einer Spannung von 230 V sein, welche bevorzugt eine Farbtemperatur von 2400K besitzen. Diese IR-Strahler haben entsprechend dem Wien'schen Verschiebungsgesetz ein Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge von 1210 nm. Bei dem erfindungsgemäßen Ziehverfahren befinden sich die IR-Heizeinrichtung und das zu ziehende Gut in einem IR-Strahlungshohlraum 1300. Der Strahlungshohlraum 1300 sorgt dafür, dass die Erwärmung des zu ziehenden Glases zum einen Teil direkt durch die IR-Strahlung der IR-Strahler erfolgt und zum anderen indirekt durch von den Wänden, der Decke und/oder dem Boden des IR-Strahlungshohlraumes reflektierte bzw. rückgestreute IR-Strahlung. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Anteil der indirekten, d.h. der rückgestreuten bzw. reflektierten Strahlung, die auf dem zu erwärmenden Glas bzw. Glaskeramikrohling, hier die zu ziehende Faser 1100, einwirkt, mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 60 %, bevorzugt mehr als 70 %, bevorzugt mehr als 80 %, besonders bevorzugt mehr als 90 %, insbesondere mehr als 98 % beträgt. Ein besonderer Vorteil der Verwendung eines IR-Strahlungshohlraumes ist es, dass es sich bei Verwendung von sehr stark reflektierenden und/oder rückstreuenden Wand-, Boden- und/oder Deckenmaterialien um einen Resonator hoher Güte handelt, der nur mit geringen Verlusten behaftet ist und daher eine hohe Energieausnutzung gewährleistet. Bei der Verwendung diffus rückstreuender Wand-, Decken- und/oder Bodenmaterialien wird eine besonders gleichmäßige Strahlung aller Volumenelemente des Hohlraums unter allen Winkeln erreicht.
Damit werden etwaige Abschattungseffekte vermieden. Als rückstreuendes, d.h. re-emittierendes Wandmaterial können beispielsweise geschliffene Quarzalplatten Verwendung finden. Auch andere IR-Strahler und rückstreuende Materialien sind als Wand-, Decken- und/oder Bodenmaterialien oder Beschichtungen des IR-Strahlungshohlraumes möglich, beispielsweise eines oder mehrere der nachfolgenden Materialien:

Al₂O₃;
BaF₂;
BaTiO₃;
CaF₂;
CaTiO₃;
MgO · 3,5 Al₂O₃;
MgO;
SrF₂;
SiO₂;
TiO₃;
Sr₃;
TiO₂;
Spinell;
Cordierit;
Cordierit-Sinterglaskeramik.

Die IR-Strahler haben eine Farbtemperatur, die bevorzugt > 1500K, besonders bevorzugt > 2000K, ganz besonders bevorzugt > 2400K, insbesondere > 2700K, insbesondere bevorzugt > 3000K ist.
Um eine Überhitzung der IR-Strahler zu vermeiden, sind diese vorteilhafterweise gekühlt, insbesondere luft- oder wassergekühlt (nicht dargestellt).
Zwischen dem zu ziehenden Gut, hier der zu ziehenden Faser 1100 und den IR-Strahlen 1201.1, 1201.2, 1201.3, 1201.4 ist in der dargestellten Ausführungsform eine Metallhülse 1500 mit Öffnungen 1600.1, 1600.2, 1600.3, 1600.4, 1600.5, 1600.6, 1600.7, 1600.8 angeordnet. Die Metallhülse 1500 mit Öffnung ist ein sogenannter Strahlungsstörkörper, der zwischen die IR-Heizelemente und die zu ziehende Faser 1100 eingebracht wird. Unter dem Einfluss der IR-Strahlung erwärmt sich die Metallhülse 1500 bzw. der Strahlungsstörkörper selbst auf eine bestimmte Temperatur und wird somit selbst zum Heizelement, vorliegend zum ersten Heizelement, das konvektiv und über Strahlung Wärme in Richtung der zu ziehenden Faser 1100 abgibt. Ein Teil der Strahlung der IR-Heizelemente gelangt durch die Öffnungen, z. B. axiale Schlitze am Umfang des Hohlzylinders zur Vorform bzw. zur zu ziehenden Faser und von dort in das Innere der Vorform, d.h. in die Hohlstruktur. Diese IR-Heizung wird als zweites Heizelement bezeichnet. Erstes und zweites Heizelement heizen zusammen den zu ziehenden Glaskörper auf. Durch geschickte Materialauswahl des Metallkörpers 1500 und der gewählten Leistung der IR-Heizelemente lässt sich die Temperatur des Zylinders auf einen beliebigen Wert unterhalb der IR-Strahlertemperatur, vorliegend auf eine Temperatur oberhalb, bevorzugt 10K bis 100K, oberhalb der Erweichungstemperatur T_EW des zu ziehenden Materials einstellen. Durch die Kombination der beiden Heizmethoden - konvektive Heizung mittels des ersten Heizelementes und IR-Beheizung mittels des zweiten Heizelementes - kann eine weitgehend gleichmäßige Erwärmung des zu ziehenden Körpers, hier der Pre-Form für die zu ziehende Faser, erreicht werden.
Ist es nicht ausreichend, durch Ändern der Leistung der IR-Heizelemente die Wärmeleistung des ersten Heizelementes in Form der Metallhülse 1500 zu beeinflussen, so können (nicht gezeigt) an der Metallhülse 1500 eine aktive Kühlung bzw. eine Zusatzheizung vorgesehen sein
Bei der Ausführungsform in 6 ist innerhalb der Metallhülse 1500 mit Öffnungen 1600.1, 1600.2, 1600.3, 1600.4, 1600.5, 1600.6, 1600.7, 1600.8 ein Quarzglasrohr 1700 eingebracht. Das Quarzglasrohr 1700 ist für Wellenlängen von 200 nm bis 4000 nm, d.h. vom UV-Bereich bis weit in den IR-Bereich hochtransparent mit einer Transmission von mehr als 80 %, insbesondere mehr als 90 %. Das Ziehen der Faser erfolgt innerhalb des Quarzglasrohres 1700 in einem weitgehend hermetisch abgeschirmten Volumen. Dies hat den Vorteil, dass keine Konvektion auftritt und auch Verschmutzungen weitgehend vermieden werden. Durch Dotierung oder Beschichtung dieses Rohres kann zusätzlich die Temperaturhomogenität eingestellt werden.
Ausführungsbeispiel:
Nachfolgend soll ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung von photonischen Kristallfasern aus einem Chalkogenidglas angegeben werden.
Als Chalkogenidglas wurde das Chalkogenidglas IG6 der SCHOTT AG (zu einer photonischen Kristallfaser gezogen. Beim Chalkogenidglas IG6 handelt es sich um ein As₄₀Se₆₀-Glas, das frei von Germanium ist und eine minimale Absorption bei 12,5 µm aufweist. Der Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 12,3 µm liegt bei 20° bei n = 2,7721.
Aus einem Glasblock, bestehend aus dem hoch IR-transparenten Glas IG6 der SCHOTT AG, werden zunächst durch mechanische Bearbeitung Rohre mit Außendurchmessern von 31 mm und Innendurchmessern von 26mm und Stäbe mit Außendurchmesser 31 mm hergestellt.
Durch Wiederziehen in einem konventionellen Ziehturm werden diese Ausgangsrohre zu Pre-Formrohren mit Außendurchmesser 3,1 mm und Innendurchmesser 2,6 mm verjüngt.
Aus den 3,1 mm starken Rohren lassen sich jetzt durch einfaches Zusammenstellen im Querschnitt sechseckförmige Pre-Formen mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Länge von bis zu 1 m oder länger herstellen. Eine solche Pre-Form enthält 15 sechseckige Ringe aus Rohren plus einem Rohr im Mittelpunkt der Pre-Form. Die innersten 5 Ringe, welche sich genau um den Mittelpunkt der Pre-Form befinden inkl. das mittlere Rohr im Mittelpunkt der Pre-Form selbst, werden dabei ersatzlos entnommen. Dieser Hohlraum bildet den später lichtleitenden Hohlkern, der in 2a - 2e mit 5 bezeichnet wird.
Die Pre-Form wird anschließend in einem ersten Ziehschritt mit einem Faserziehturm mit konventioneller elektrischer Heizung auf einen Durchmesser von 10,5 mm verjüngt. Die zum Ziehen notwendige Glastemperatur liegt bei dem Glasmatrial IG6 der SCHOTT AG, abhängig vom Durchmesser der zu ziehenden Pre-Form ca. 20K bis 60K über dem Erweichungspunkt (Viskosität n = 10^7,6 dPas), so dass bei Verwendung eines konventionellen elektrischen Heizaggregates mit einer Ofentemperatur von ca. 200°C bis 300°C gearbeitet werden kann, um die notwendige Glastemperatur von 200°C bis 240°C zu erreichen. Durch den speziell angepassten Ziehprozess verkleben die einzelnen Rohre dabei an deren Oberfläche entlang der Achse der Pre-Form, so dass ein fester Stab mit Lochstruktur entsteht. Die Geometrie der einzelnen Rohre in diesem strukturierten Stab wurde dabei maßstäblich verkleinert. Die dabei erzielten Lochdurchmesser sind aber noch so groß, dass ein Kollabieren in Folge der Oberflächenspannung nicht auftritt.
Um in der endgültigen Faser die gewünschte Lochgröße von 11,28 µm Durchmesser zu erreichen, wobei der Gesamtdurchmesser der Faser 500 µm sein soll, muss ein entsprechendes Ziehverhältnis (Verhältnis Pre-Formdurchmesser zu Faserdurchmesser) eingestellt werden. Würde man die strukturierte Pre-Form mit 10,5 mm Durchmesser mit dem in vorliegendem Beispiel notwendigen Ziehverhältnis von 30 verjüngen, so erhält man eine Faser mit 350 µm Durchmesser. Eine solche Einzelfaser bestehend nur aus extrem dünnwandigen Rohren ohne feste äußere Faser-Schutzschicht und stellt sowohl für das nachfolgende Handling als auch für den Ziehprozess selbst eine große Herausforderung dar. Des Weiteren weist eine derartige Faser nicht 500 µm Durchmesser auf. Um eine solche gewünschte Faser zu erhalten, muss der strukturierte Stab, aus dem die endgültige Faser gezogen wird, einen Durchmesser von 15 mm aufweisen. Dies wird durch das Ummanteln des im ersten Ziehschritt erhaltenen 10,5 mm Stabs mit einem Hüllrohr gleichen Materials erreicht, dessen Innendurchmesser exakt angepasst ist.
Die auf diese Art und Weise erhaltene finale zusammengesteckte Pre-Form wird nun in einem zweiten Ziehschritt, wie oben beschrieben, bei einer Ofentemperatur von ca. 240°C auf einen Durchmesser von 500 µm verjüngt.
Die wichtigste Folge der Hybrid-Heiztechnik, wie zuvor beschrieben, ist, dass sich das gesamte Temperaturniveau der Pre-Form im Ziehprozess absenken lässt, weil nur soviel Energie lokal eingebracht werden muss wie auch dort benötigt wird, um die Ziehtemperatur exakt zu erreichen. Damit lässt sich der Ziehprozess mit höchst möglicher Viskosität durchführen. Diese bleibt dabei auf so hohem Niveau, dass die Oberflächenspannung in den Löchern der Hohlstruktur so niedrig gehalten werden kann, dass diese nicht kollabiert. Auf Grund kleinerer Temperaturschwankungen kann es trotzdem zu einer überproportionalen Verkleinerung der Hohlstruktur kommen, wobei aber kein Loch vollständig kollabiert. Diesem Phänomen kann man nun gezielt durch Anlegen eines inneren Überdruckes im Bereich von einigen Millibar an die Löcher der Hohlstruktur begegnen. Die Höhe des Druckes muss dabei genau den Betrag der Oberflächenspannung ausgleichen, der die Löcher kollabieren lässt. Dies ist, wie weiter oben bereits erwähnt, aber nur möglich, wenn die Struktur soweit eigenstabil ist, dass keines der Löcher von selbst vollständig kollabiert. Wenn dies passiert, so kann auf Grund von Instabilitäten und selbstverstärkenden physikalischen Effekten keine stabile Wiederherstellung der gesamten Struktur und zuverlässige maßstäbliche Verkleinerung in der Faser erzielt werden.
Zur Temperaturbestimmung der Pre-Form im Ziehprozess dient bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein 8-14µm-Pyrometer. Dazu muss ein optischer Zugang von außen in das Innere des Heizaggregates bis zur Oberfläche der Pre-Form vorhanden sein. Will man eine Temperatur aus dem Inneren der Pre-Form bestimmen, etwa von der Oberfläche der inneren Struktur, so muss man ein Pyrometer mit einer Wellenlänge einsetzen, bei der das Glas bis zum Messort transparent ist.
Diese gemessenen Temperaturen können dann zur Regelung der Temperatur über die Einstellung der Leistung des IR-Heizelementes benutzt werden.
Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren konnte aus einem 200 mm langen Hüllrohr mit 15 mm Außendurchmesser und einem strukturierten Stab mit 10,5 mm Durchmesser, der in das Hüllrohr exakt eingepasst worden ist, im Down-Draw Verfahren eine Faser mit 500 µm Außendurchmesser aus dem Glas IG6 der SCHOTT AG gezogen werden, wobei die Hohlstruktur im Inneren der Pre-Form in der Faser erhalten blieb. Eine maßstäbliche Verkleinerung konnte ebenfalls erzielt werden durch Anlegen eines zusätzlichen Druckes an das obere Ende des strukturierten Stabes.
Direkt nach dem eigentlichen Ziehprozess wurde zur Erhöhung der Festigkeit eine Beschichtung der Faser mit einer Kunststoffschicht angeschlossen. Dafür wurde die finale Faser durch eine Beschichtungsdüse geführt, welche die Faser mit einer flüssigen 50µm dicken Acrylatschicht beschichte hat. Direkt danach schließt sich eine UV-Bestrahlung des UV-aushärtenden Acrylates an, wofür eine ringförmige.UV-Quelle, welche um die Faser platziert wurde, genutzt wurde. Die Länge der UV-Strecke ist dabei so zu wählen, dass abhängig von der Ziehgeschwindigkeit der Faser die Verweildauer in der UV-Bestrahlungszone so hoch ist, dass das Acrylat komplett aushärten kann. Im Anschluss erfolgt das Aufwickeln der Faser auf eine geeignete Spule mit einem Durchmesser von beispielsweise 400 mm.
Mit der Erfindung wird somit erstmals eine photonische Kristallfaser angegeben, mit der es möglich ist, elektromagnetische Strahlung im IR-Wellenlängenbereich von 5 µm bis 15 µm weitgehend verlustfrei zu übertragen, d.h. mit Dämpfungen < 2dB/m, bevorzugt < 1 dB/m insbesondere < 0,1 dB/m. Dies ermöglicht die Übertragung hoher IR-Leistungen, ohne dass sich die Glasfaser übermäßig erwärmt und dadurch zerstört wird. Deswegen eignet sich die photonische Kristallfaser insbesondere zur Verwendung in CO₂-Lasereinrichtungen. Neben der photonischen Kristallfaser wird auch ein Verfahren zur Herstellung derselben aus einer Pre-Form weitgehend ohne Formveränderung bzw. ohne Kollabieren der Mikrostruktur in einem Ziehprozess angegeben.

Claims

Photonische single mode Kristallfaser für die Übertragung elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich 3 - 5 µm und 8 - 12 µm im single mode mit einem lichtleitenden Hohlkern (5) mit einem Durchmesser D und mehreren um den lichtleitenden Hohlkern (5) angeordneten Hohlkörpern (10, 20) aus Chalkogenidglas, wobei die Hohlkörper (10, 20) derart angeordnet sind, dass der Durchmesser D des Hohlkerns größer 20 µm ist; die Hohlkörper einen Querschnitt mit einem Durchmesser d umfassen und die Anordnung der Hohlkörper eine Struktur ausbildet, die durch einen Abstand a der Hohlkörper bestimmt wird, wobei die Abweichung des Abstandes a und/oder des Querschnittes der Hohlkörper für unterschiedliche Hohlkörper geringer als 10 % sind, und der Abstand a so gewählt ist, dass ein Geometriefaktor aus dem Verhältnis des Abstandes a zur Wellenlänge λ, also a/λ ≥ 1 ist, wobei λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist, die übertragen wird, wobei der Durchmesser d im Bereich 0,98 a bis 0,90 a liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische Kristallfaser eine Dämpfung für die Übertragung von elektromagnetischer Strahlung < 2 dB/m im Single-Mode-Betrieb aufweist und der Brechwert des Infrarot durchlässigen Chalkogenidglases im Wellenlängenbereich 3 - 5 µm und 8 -12 µm im Bereich von 2,0 bis 2,7 liegt.
Photonische Kristallfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die um den lichtleitenden Hohlkern angeordneten Hohlkörper aus Chalkogenidglas um den Hohlkern in Strukturringen (50.1, 50.2) angeordnet sind.
Photonische Kristallfaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass um den Hohlkern wenigstens vier, bevorzugt wenigstens sechs, insbesondere bevorzugt wenigstens 8, ganz bevorzugt 4 bis 20 Strukturringe aus Hohlkörpern, insbesondere Hohlrohren angeordnet sind.
Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Hohlkörper (10, 20) ein kreisrunder oder ein sechseckiger Querschnitt ist.
Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (10, 20) in Form von Hohlröhren mit rundem Innenquerschnitt und mit geschlossenen Packungslücken ausgebildet sind.
Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (10, 20) in Form von Hohlröhren mit im Wesentlichen runden Innen- und Außenquerschnitten und mit offenen Packungslücken ausgebildet sind.
Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (10, 20) dichte Packungen aus sechskantigen Hohlröhren ausbilden und die sechskantigen Hohlröhren flächenverknüpft sind.
Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (10, 20) sechskantige Hohlröhren ausbilden mit geschlossenen Packungslücken.
Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtleitende Hohlkem (5) einen nicht runden, insbesondere einen sechseckigen Querschnitt aufweist.
Photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Chalkogenidglas wenigstens eines oder mehrere der nachfolgenden Elemente umfasst: - Germanium (Ge) - Arsen (As) - Selen (Se) - Tellur (Te) - Antimon (Sb).
Lasereinrichtung zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich mit Wellenlängen 3 - 5 µm und 8 - 12 µm, umfassend wenigstens eine photonische Kristallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 10.