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Die Erfindung betrifft eine optische Multikernfaser mit Multikern-Faserkomponenten für Multiplex-Anwendungen, bspw. in Form einer optischen Sensorfaser, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser optischen Multikernfaser mit Multikem-Faserkomponenten.
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Lichtleitfasern, Lichtwellenleiter oder Lichtleitkabel sind aus Lichtleitern bestehende und teilweise mit Steckverbindern konfektionierte Kabel und Leitungen zur Übertragung von Licht. Das Licht wird dabei in Fasern aus Quarzglas oder Kunststoff (polymere optische Faser) geführt. Sie werden häufig auch als Glasfaserkabel bezeichnet, wobei in diesen typischerweise mehrere Lichtwellenleiter gebündelt werden, die zudem zum Schutz und zur Stabilisierung der einzelnen Fasern noch mechanisch verstärkt sind.
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Physikalisch gesehen sind Lichtwellenleiter dielektrische Wellenleiter. Sie sind aus konzentrischen Schichten aufgebaut. Im Zentrum liegt der lichtführende Kern, der umgeben ist von einem Mantel mit einem etwas niedrigeren Brechungsindex sowie von weiteren Schutzschichten aus Kunststoff. Je nach Anwendungsfall hat der Kern einen Durchmesser von einigen Mikrometern bis zu über einem Millimeter. Man unterscheidet Lichtwellenleiter nach dem Verlauf des Brechungsindexes zwischen Kern und Mantel (Stufenindex- oder Gradientenindexfasern) und der Anzahl von ausbreitungsfähigen Schwingungsmoden, die durch den Kerndurchmesser und den Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel limitiert wird.
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Einzelmodefasern (auch Monomodefasern oder Singlemodefaser genannt) weisen einen sehr kleinen Kerndurchmesser auf. In ihnen kann sich nur die sogenannte Grundmode ausbreiten, deren Intensität in radialer Richtung näherungsweise gaußförmig verteilt ist.
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Eine typische Singlemodefaser kann einen Kern von 9 µm Durchmesser aus Germanium-dotiertem Quarzglas, eine Umhüllung von 125 µm Durchmesser aus undotiertem Quarzglas und eine Beschichtung von 250 µm Polymerverbindungen aufweisen.
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Bei Singlemodefasern kann für eine speziell gewünschte Funktionalität (bspw. als Sensorfaser) ein Faserteilstück mit normalen Signal-Transmissionseigenschaften mit einem Teilstück einer Faser mit anderen Transmissionseigenschaften verbunden (verspleißt) werden.
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Diese speziellen Eigenschaften des Teilstückes können bspw. durch das Einschreiben von Faser-Bragg-Gittern als Sensorelemente in optischen Fasern erfolgen, wofür eine Photosensitivität in der Faser erforderlich ist.
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Multikernfasern (auch Multicorefasern oder mehrkernige optische Fasern genannt), haben ein stark strukturiertes Profil (mehrere separate Kerne, die in einem Hüllbereich eingebettet sind, wobei jeder Kern eine räumlich separate Mode zur Übertragung optischer Signale aufweist. Optische Fasern mit mehreren lichtleitenden Kernen dienen als Schlüsselkomponenten in der optischen Telekommunikation (räumliches Multiplexen) und in der Formsensorik (intrinsische Erkennung, bspw. der Form eines Katheters ohne Strahlungsbelastung).
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Optische Multikern-Fasern besitzen mehrere optische Faserkerne, in denen eine unabhängige Lichtführung möglich ist. Durch die getrennte Nutzung dieser Kerne können gleichzeitig mehrere Signale, z.B. für die Nachrichtenübertragung oder bei einer optischen Sensormessung, multiplex übertragen werden. Für viele Anwendungen, wie bspw. in der Fasersensorik, ist dabei lokal über eine begrenzte Länge eine spezielle Faserkerneigenschaft erforderlich, die z.B. durch eine unterschiedliche Material-Zusammensetzung, Dotierung oder Strukturierung erzielt werden kann.
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Anhand verschiedener Dotierungsarten und -konzentrationen können den Kernen unterschiedliche Funktionalitäten zugewiesen werden. So unterscheidet man bspw. zwischen Transport- und Sensorfasern. Die Sensorkerne sind speziell auf Photosensitivität optimiert, wohingegen die Transportkerne auf niedrige Dämpfung optimiert ist.
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Das Einschreiben von Faser-Bragg-Gittern (die gezielte lokale Strukturierung) wird meistens in Singlemodefaserkernen durchgeführt, wofür eine Photosensitivität im Faserkern erforderlich ist, wobei mit den üblichen Einschreibetechniken (Phasenmaskenverfahren, interferometrische Verfahren) an einer Stelle entlang einer Multikernfaser immer nur das gleiche Gitter in alle Faserkerne gleichzeitig eingeschrieben werden kann, was nachteilig ist, wenn man eine All-inclusive Faser mit verschiedenen Funktionalitäten von verschiedenen Fasertypen anstrebt.
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Optische Telekommunikation (räumliches Multiplexen) Lichtwellenleiter werden vor allem in der Nachrichtentechnik als Übertragungsmedium für leitungsgebundene Kommunikationssysteme bei Glasfasernetzen verwendet und haben hier, weil sie höhere Reichweiten und Übertragungsraten erreichen, die elektrische Übertragung auf Kupferkabeln in vielen Bereichen ersetzt. Lichtwellenleiter werden aber auch vielfältig in anderen Bereichen eingesetzt, wie unter anderem
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- • für Beleuchtungs- und Abbildungszwecke unter anderem in Mikroskopbeleuchtungen, Lichtleitkabeln und Bildleitern in Endoskopen sowie zur Geräte- und Gebäudebeleuchtung und zu Dekorationszwecken
- • in der Messtechnik als Bestandteil faseroptischer Sensoren, an Spektrometern und anderen optischen Messgeräten. (https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtwellenleiter)
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Sensorik (Transport- und Sensorfasern, Formsensorik)
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Faseroptische Sensoren werden in der optischen Messtechnik, z. B. zur Messung von physikalischen und chemischen Größen, bevorzugt bei Einsatzaufgaben genutzt, die durch eine korrosive Umgebung, hohe Temperaturen, elektromagnetische Störungen oder leistungsstarke Felder gekennzeichnet sind.
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Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern, insbesondere solche für die multimode Leitung von Lichtsignalen sind bereits seit geraumer Zeit bekannt.
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Aus der
DE 24 18 168 A ist bspw. die Herstellung von Lichtleitfasern aus glasigem Werkstoff bekannt, welche als Halbzeug Rohre mit kleiner Wandstärke und dünne Stäbe verwenden. Aus diesen beiden Halbzeugteilen wird eine Lichtleitfaser in der Weise hergestellt, dass ein dünner Stab in ein Rohr gesteckt wird, dessen Innendurchmesser etwas größer ist als der Durchmesser des Stabes. Beide werden an einem Ende mittels einer Heizquelle so hoch erwärmt, dass aus der erwärmten Zone eine Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von etwa 125 µm abgezogen werden kann. Der Rohrwerkstoff bildet den Mantel der Lichtleitfaser, deren Kern aus dem Stabwerkstoff besteht. Diese nach dem „Stab-Rohr-Verfahren“ hergestellten Lichtleitfasern bedingen also zwei Halbzeuge. Bei der Verwendung dieser Halbzeuge zur Herstellung von Lichtleitfasern bestehen erhebliche Schwierigkeiten darin, die Innenoberfläche der Rohre (der Innendurchmesser liegt im Bereich von einigen mm) so zu reinigen, dass keine Restverunreinigung mehr vorhanden sind, die beim Ziehen der Faser an der Grenzfläche Mantel/Kern zur Bildung kleiner Bläschenführen und damit erhöhte Streuverluste verursachen.
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Aus der
US 3 711 262 A ist bspw. als Alternative zu dem „Stab-Rohr-Verfahren“ bekannt, Lichtleitfasern mit Kern und Mantel in der Weise herzustellen, dass man die mechanisch und flammpolierte Innenwand eines Glasrohres mit einem dünnen Film eines glasigen Werkstoffes beschichtet, der den zukünftigen Kern der Lichtleitfaser bildet. Das innenbeschichtete Glasrohr wird dann bis auf Ziehtemperatur erhitzt und zur Lichtleitfaser ausgezogen. Als Rohrwerkstoff wird bspw. Quarzglas verwendet und die Innenbeschichtung besteht dabei aus einem Kieselsäureglas, das mit einem den Brechungsindex erhöhenden Oxid dotiert ist.
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US 8,811,787 B2 offenbart eine mehrkernige optische Faser (Multicore-Lichtleitfaser zur Übertragung von Daten über Glasfasern) mit einer Vielzahl von Kernen, welche in einem heterogenen Medium verschiedener Brechzahlen eingebettet sind (bspw. eine erste Vielzahl von Kernen in einem ersten Medium und eine zweite Vielzahl von Kernen in einem zweiten Medium, wobei sich der Brechungsindex des ersten und zweiten Mediums unterscheiden, wobei auch eine Vielzahl von solchen Hüllbereichen möglich ist), um das Übersprechen von Kern zu Kern (sogenannter Inter-Core-Crosstalk) in einer mehradrigen Glasfaser zu vermeiden, indem sich auf Grund der Umhüllung der Kerne durch das Medium mit dem heterogenen Brechungsindex die optischen Signale mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in den verschiedenen Kernen ausbreiten können, wobei typischer Weise der Brechungsindex der Umhüllung kleiner als der Brechungsindex der Kerne ist und die Kerne einen hohen Brechungsindex aufweisen, so dass sie das elektromagnetische Feld des Lichts konzentrieren. Der Brechungsindex der Umhüllung weist dabei einen Gradienten über den Querschnitt der Umhüllung auf, welcher linear ist.
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Gemäß der Offenbarung der
US 8,811,787 B2 kann das Übersprechen von Kern zu Kern in einer Multicore-Lichtleitfaser reduziert werden, indem die mehradrige optische Faser eine erste Länge mit Kernen mit heterogenen modalen Geschwindigkeiten und eine zweite Länge, angrenzend an die erste Länge, mit Kernen mit heterogenen modalen Geschwindigkeiten aufweist, wobei die Kerne in der ersten und in der zweiten Länge unterschiedliche modalen Geschwindigkeiten aufweisen.
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EP 3 196 682 A1 offenbart eine optische Mehrkernfaser (Multicore-Lichtleitfaser) mit einer Vielzahl von Kernabschnitten und einem Mantelabschnitt, wobei der Brechungsindex des Mantelabschnitts niedriger als der Brechungsindex der Kernabschnitte ist, wobei die Kernabschnitte im Wesentlichen das gleiche Brechungsindexprofil und unterschiedliche Gruppenverzögerungen bei der gleichen Wellenlänge in dem gleichen Ausbreitungsmodus aufweisen.
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Die Kernabschnitte dieser Mehrkernfaser sind dabei so konfiguriert, dass sie miteinander in Kaskaden verbunden sind, um einen Maximalwert der Differentialgruppenverzögerungen zwischen den Kernabschnitten der Mehrkernfaser zu generieren, der kleiner als der Maximalwert von Differentialgruppenverzögerungen zwischen den Kernabschnitten jeder Einheits-Mehrkernfaser (in Bezug auf eine Länge der Multicore-Faser) ist, wobei der Maximalwert der Differentialgruppenverzögerungen zwischen den Kernteilen der Mehrkernfaser über die gesamte Länge kleiner als 5 ns ist, um die Übertragungskapazität optischer Fasern zu erhöhen, die für Raummultiplexsysteme (SDM-Systeme) geeignet sind, mit der Möglichkeit, eine Erhöhung der Kommunikationskapazität durch Modenmultiplex zu realisieren. Das Verfahren zur Bereitstellung dieser Mehrkernfaser gemäß der
EP 3 196 682 A1 umfasst:
- • das Vorbereiten einer Mehrkernfaser mit einer Vielzahl von Kernabschnitten und einem Mantelabschnitt, der in einem Außenumfang der Kernabschnitte ausgebildet ist und einen Brechungsindex aufweist niedriger als der Brechungsindex der Kernabschnitte ist, wobei die Kernabschnitte im Wesentlichen dasselbe Brechungsindexprofil und unterschiedliche Gruppenverzögerungen bei derselben Wellenlänge in demselben Ausbreitungsmodus aufweist, und
- • das Herstellen einer Einheits- Mehrkernfaser durch Verbinden der Kernabschnitte in Kaskaden, indem die Kernabschnitte, so dass ein Maximalwert der Differentialgruppenverzögerungen zwischen den Kernabschnitten auftritt, der kleiner als ein reduzierter Wert eines Maximalwerts von Differentialgruppenverzögerungen zwischen den Kernabschnitten jeder Einheits-Mehrkernfaser bezogen auf die Länge der Mehrkernfaser ist,
wobei das Herstellen der Mehrzahl der Einheits-Mehrkernfasern durch Schneiden einer ursprünglichen Mehrkernfaser erfolgt und eine bestimmte Einheits-Mehrkernfaser in Bezug auf eine andere Einheits-Mehrkernfaser um eine Achse gedreht oder entlang dieser Achse umgekehrt wird, so dass eine Kaskade einer Mehrzahl von Einheits-Mehrkernfasern entsteht, die durch Spließen miteinander verbunden werden.
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US 2014 / 0 178 018 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrkernfaser mit einem ersten Mehrkernfaserelement und einem zweiten Mehrkernfaserelement, wobei eine Stirnfläche des ersten Mehrkernfaserelements mit einer Stirnfläche des zweiten Mehrkernfaserelements verspleißt ist, wobei mindestens zwei Kern-Stirnflächen von mehreren Kernen in dem ersten Mehrkernfaserelement eins-zu-eins mit Kern-Stirnflächen von mehreren Kernen in dem zweiten Mehrkernfaserelement verspleißt sind, und unter den Kernen im ersten Mehrkernfaserelement und den Kernen im zweiten Mehrkernfaserelement, die an den Kernstirnflächen eins-zu-eins gespleißt sind, mindestens ein Kern im ersten Mehrkernfaserelement und ein Kern im zweiten Mehrkernfaserelement, die daran gespleißt sind, unterschiedliche effektive Kernflächen aufweisen, und eine offene Stirnfläche des Kerns mit der größeren effektiven Kernfläche eine Fläche ist, in die Licht eintritt.
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JP 2012-203036 A lehrt ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Übertragungsleitung, welche die Akkumulation der Gruppengeschwindigkeitsdispersion mit Hilfe einer Mehrkernfaser leicht eliminiert. Eine optische Übertragungsleitung wird dabei gebildet, indem eine Vielzahl von Mehrkernfasern, die jeweils einen Mantel und eine Vielzahl von Kernen aufweisen, die miteinander verbunden werden, wobei die Vielzahl von Kernen eine normale Gruppengeschwindigkeitsdispersion aufweisen. Der erste Kern und der zweite Kern, deren Gruppengeschwindigkeitsdispersion eine anomale Dispersion ist, werden bereitgestellt, und der zweite Kern befindet sich an der rotationssymmetrischen Position des ersten Kerns mit der Fasermittelachse als Rotationsachse. Die Mehrkernfasern sind so miteinander verbunden, dass der erste Kern und der zweite Kern an der Verbindungsfläche miteinander in Kontakt stehen.
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Der Nachteil der technischen Lösungen gemäß der Offenbarungen der
US 2014 / 0 178 018 A1 , der
JP 2012-203036 A und der
EP 3 196 682 A1 besteht darin, dass keine photosensitiven und nicht- photosensitiven Kerntypen eingesetzt werden und auch keine optischen Gitter in die Kerne eingeschrieben werden und diese Vorgehensweise auch nicht nahe gelegt wird, um die Länge des Erfassungsbereiches in einer optischen Multikern-Sensorfaser zu vergrößern und dadurch einen höheren Multiplexgrad ohne gleichzeitige Vergrößerung des Spektralbereichs ermöglichen.
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Der Nachteil der technischen Lösung gemäß der
EP 3 196 682 A1 besteht darüber hinaus darin, dass eine komplizierte Anpassung der Differentialgruppenverzögerung für jede spezifische Faser erforderlich ist.
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US 2019 / 0 041 575 A1 offenbart eine Multikernfaser zur Herstellung eines Faser-Bragg-Gitters mit verbesserten Welligkeitseigenschaften. Die Multikernfaser besteht dabei hauptsächlich aus Quarzglas und umfasst eine Vielzahl von Lichtleitstrukturen und eine gemeinsame Verkleidung. Jede der lichtleitenden Strukturen umfasst einen Kern, eine erste und eine zweite Ummantelung. Der Brechungsindex der zweiten Ummantelung ist höher als der der ersten Ummantelung und niedriger als der des Kerns und der gemeinsamen Ummantelung. Darüber hinaus enthält mindestens ein Teil eines inneren Mantelbereichs, der aus dem ersten Mantel und dem zweiten Mantel besteht, ein lichtempfindliches Material mit einer Lichtempfindlichkeit (Photosensitivität im Bereich der Gitterbildungs-Region), wobei der Brechungsindex dieses Glasbereichs, der das lichtempfindliche Material enthält, als Reaktion auf die Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge geändert wird (selektives Einschreiben von optischen Gittern).
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Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht darin, dass keine photosensitiven und nicht- photosensitiven Kerntypen eingesetzt werden, um Länge des Erfassungsbereiches in einer optischen Multikern-Sensorfaser zu vergrößern und dadurch einen höheren Multiplexgrad ohne gleichzeitige Vergrößerung des Spektralbereichs zu ermöglichen.
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Um die Beschränkungen bei den Wellenlängen-Multiplexeigenschaften bzw. mit Faser-Bragg-Gittern als Sensorelement bei der nutzbaren Faserlänge zu überwinden, müssen bisher mehrere optische Fasern verwendet werden, bei denen unterschiedliche Bereiche der Faser mit oder ohne Photosensitivität versehen sind. Durch die Verwendung mehrerer Fasern ist die Anordnung wesentlich komplexer und aufwendiger. Die Strukturgrößen sind dadurch nicht in gleichem Maß wie bei einer Multikernfaser miniaturisierbar. Hinzu kommt, dass gegebenenfalls auch noch zusätzliche Faserschalter erforderlich sind, die die Signalwege auf die verschiedenen Fasern umschalten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine optische Multikern-Faserkomponente für Multiplex-Anwendungen und ein Verfahren zur ihrer Herstellung anzugeben, welche die Länge des Erfassungsbereiches in einer optischen Multikern-Sensorfaser mit optischen Gittern, insbesondere Faser-Bragg-Gittern, vergrößern und dadurch einen höheren Multiplexgrad ohne gleichzeitige Vergrößerung des Spektralbereichs ermöglichen.
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Dabei sollen die verschiedenen Funktionalitäten von verschiedenen Fasertypen für die optische Telekommunikation (räumliches Multiplexen) und für die Formsensorik (intrinsische Erkennung einer Form, bspw. eines Katheters mit Transport- und Sensorfasern) in einer All-inclusive-Faser vereinigt werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Multikern-Faserkomponente gemäß dem 10. oder 11. Patentanspruch sowie durch ein Verfahren gemäß dem 1. Patentanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den nachgeordneten Ansprüchen angegeben.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass eine Multikernfaser mit mindestens zwei separaten lichtleitenden Kernen, die in einem Hüllbereich eingebettet sind, wobei jeder Kern einen räumlich separaten Modus zur Übertragung optischer Signale aufweist, bereit gestellt wird, bei welcher alternierend Multikern-Faserkomponenten mit lokal unterschiedlichen Bereichen mit Kernen ohne und mit Photosensitivität vorgesehen sind, so dass selektiv optische Gitter (insbesondere Faser-Bragg-Gitter) in die Bereiche mit Photosensitivität einschreibbar sind und damit die Länge des Erfassungsbereiches in der Multikernfaser mit optischen Gittern (insbesondere Faser-Bragg-Gittern) vergrößerbar ist, wodurch ein höherer Multiplexgrad ohne gleichzeitige Vergrößerung des Spektralbereichs generierbar ist.
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Das Design der Multikernfaser weist dabei eine geometrische Anordnung der Kerne im Faserquerschnitt auf, die es ermöglicht, die unterschiedlichen Kerne entlang der Ausbreitungsstrecke zu optischen Leitwegen zu kombinieren.
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Diese Multikernfaser weist gegenüber dem Stand der Technik, welcher lediglich gleiche optische Gitter (insbesondere Faser-Bragg-Gitter) in allen Faserkernen an der gleichen Stelle ermöglicht, eine mosaikartige Verteilung von optischen Gittern (insbesondere Faser-Bragg-Gittern) in einzelnen Faserkernen der Faserkomponenten auf.
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Hergestellt wird diese Multikernfaser mit Multikern-Faserkomponenten für optische Fasern enthaltend optische Gitter durch folgende Verfahrensschritte:
- • Zusammenstellen einer Faseranordnung mit mindestens einem lichtleitenden Kern ohne Photosensitivität und mindestens einem lichtleitenden Kerne mit Photosensitivität, die von einem Hüllbereich mit einheitlicher Brechzahl eingebettet werden, wobei die Kerne eine größere Brechzahl als der Hüllbereich aufweisen, die Kerne mit Photosensitivität zu einzelnen angeordneten Funktionsgruppen zusammengefasst sind und jeder dieser Kerne einen räumlich separaten Modus zur Übertragung optischer Signale aufweist,
- • kontinuierliches Ziehen der Faseranordnung zu einer Faser,
- • Zertrennen dieser Faser zu Faserteilstücken mit gleichem Querschnitt,
- • Verdrehen dieser zertrennten Faserteilstücke zueinander mit einem vorgebbaren Verbindungswinkel um deren zentrale Rotationsachse oder Verschieben dieser zertrennten Faserteilstücke quer zu der zentralen Rotationsachse unter Wahrung mindestens teilweiser Überlappung der Kerne der Faserteilstücke, so dass durchgehende optische Signalleitwege entstehen,
- • Zusammenfügen dieser verdrehten oder verschoben angeordneten Faserteilstücke zu Multikern-Faserkomponenten,
- • abschließendes Verbinden dieser Multikern-Faserkomponenten zu einer einheitlichen optischen Multikernfaser, bei der an einzelnen Stellen entlang der Rotationsachse in den Faserkernen der einzelnen
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Funktionsgruppe lokale Photosensitivität besteht, so dass ein selektives Einschreiben von optischen Gittern in lokal unterschiedliche Bereiche der Faserteilstücke mit Photosensitivität ermöglicht und so eine optische Multikernfaser generierbar ist, bei welcher an jeder Stelle entlang der Multikernfaser ein optisches Gitter nur in den Kernen mit Photosensitivität innerhalb einer der Funktionsgruppen einschreibbar sind,
- • und Bestrahlen der einheitlichen optischen Multikernfaser mit Laserlicht, so dass eine Multimodefaser ausgebildet wird, welche ein Mosaik lokal unterschiedlicher Bereiche mit optischen Gittern für unterschiedliche Signalwege enthält.
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Unter vorgebbaren Verbindungswinkel versteht man einen Winkel, bei dem die Faserkerne mit Photosensitivität durch die Drehung mit einem Faserkern ohne Photosensitivität überlappen. Dabei weisen die rotationssymmetrisch angeordneten Funktionsgruppen jeweils mindestens in einem einzelnen Faserkern eine spezifische Photosensitivität auf und sind in einzelnen Teilstücken der Faserkomponente realisiert, welche gegeneinander durch Rotation räumlich ausgerichtet und durch Spleißen miteinander verbunden werden.
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In entsprechender Weise können die Kerngeometrien der Multikern-Faserkomponenten jeweils auch so angeordnet werden, dass linearsymmetrisch verschobene Funktionsgruppen mit spezifischer Photosensitivität bestehen, wobei in einem faseroptischen System die jeweilig gewünschte Funktionalität (Photosensitivität) eines Abschnitts der Faser durch Anfügen (Spleißen) eines Teilstückes einer einheitlichen Multikernfaser mit einer angepassten Verschiebung aktiviert wird, wobei dabei wieder die Faserkerne mit Photosensitivität durch die Verschiebung mit einem Faserkern ohne Photosensitivität überlappen.
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Es werden also die Faserkerne so verdreht oder linear verschoben und anschließend gespleißt, dass durchgehende Transmissionskanäle entstehen, wobei jeweils zumindest ein Teilstück des Transmissionskanals photosensitiv (d.h. durch Licht aktivierbar) ist.
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Diese Multikernfaser mit den Multikern-Faserkomponenten unterschiedlicher Photosensitivität ermöglicht in den einzelnen Faserkernen eine lokale Aktivierung durch Licht (bspw. das. Einschreiben von Faser-Bragg-Gittern).
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Wesentlich dabei ist, dass durchgehende Lichtwege aus photosensitiven Faserkernen und Faserkernen ohne Photosensitivität nach dem Spleißen ausgebildet sind.
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Der Vorteil der technischen Lösung des einfachen Aufbaus einer Multikernfasern aus einzelnen Multikern-Basisfasern mit geeignet angeordneten Faserkernen bestehend aus Kernen mit bzw. ohne Photosensitivität und der damit ermöglichten Positionierung von optischen Gittern (insbesondere Faser-Bragg-Gittern) durch Einschreiben mit Laser-Licht besteht darin, dass eine Multikernfaser mit lokal unterschiedlichen Bereichen optischer Gitter (insbesondere Faser-Bragg-Gittern) geschaffen wird, welche optischen Faserkomponente mit höheren Multiplexgraden und größeren verwendbaren Faserlängen für Fasersensoren oder ähnliche Anwendungen von optischen Fasern (wegen der Reduzierung der Anteile von photosensitiven Kernen entlang der Faserkomponente mit einer höheren Dämpfung als bei nichtphotosensitiven Kernen) ermöglicht und dabei aus einer einzelnen Mulikernfaser besteht.
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Die neue Multikernfaser weist gegenüber dem Stand der Technik, welcher lediglich gleiche Faser-Bragg-Gitter in allen Faserkernen ermöglicht, eine mosaikartige Verteilung von Faser-Bragg-Gittern in den Faserkernen auf.
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Gleichzeitig erlaubt diese Multikernanordnung, im Vergleich zu Bündeln von Einzelfasern, besser integrierbare und miniaturisierbare Produkte.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Ausführungsbeispiele und der Figuren näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Dabei zeigt:
- 1: eine erste Ausführungsform einer Multikernfaser zusammengesetzt aus einer Teilstruktur mit nur photosensitiven Faserkernen (schwarz) und mehreren ähnlichen (rotationssymmetrisch gedrehten) Teilstrukturen mit nur Faserkernen ohne Photosensitivität (weiß),
- 2: eine Querschnittsdarstellung der Überlagerung von drei Orientierungen der Multikernfaser gemäß 1 zu einer Multikernfaser (Faserkerne ohne Photsensitivität weiß, Faserkerne mit einer gewünschten Photosensitivität schwarz),
- 3: den schematischen Aufbau einer Faserpreform für eine Mulikernfaserkomponente bestehend aus Glaszylindern in einem Rohr und Kompaktieren der Struktur unter Wärmeeinfluss, hier vereinfachtes Beispiel mit einem photosensitiven Faserkern (schwarz) und zwei Faserkernen ohne Photosensitivität (weiß),
- 4: die schematische Darstellung des Faserziehprozesses zum Ausziehen der Multikernfaser aus der Faser-Preform,
- 5: die schematische Darstellung des Zusammensetzens der Multikern-Faserkomponente aus einzelnen Teilstücken, hier 3 Teilstücke mit jeweiliger Rotation von 120° und 240°,
- 6: die schematische Darstellung der Multikern-Faserkomponente mit lokal eingeschriebenen Faser-Bragg-Gittern und der Anwendung durch Lichteinkoppelung in die Kerne und Detektion des von den Faser-Bragg-Gittern reflektierten Lichts und
- 7: eine Querschnittsdarstellung der Überlagerung von drei linear unterschiedlich verschobenen Multikern-Faserkomponenten aus der Multikernfaser links zu einer Multikernfaser (Faserkerne ohne Photsensitivität weiß, Faserkerne mit einer gewünschten Photosensitivität schwarz).
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Das Verfahren zur Herstellung einer Multikernfaser mit Multikern-Faserkomponenten für optische Fasern enthaltend optische Gitter umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- • Zusammenstellen einer Faseranordnung mit mindestens einem lichtleitenden Kern ohne Photosensitivität und mindestens einem lichtleitenden Kern mit Photosensitivität, die von einem Hüllbereich mit einheitlicher Brechzahl eingebettet werden, wobei die Kerne eine größere Brechzahl als der Hüllbereich aufweisen, die Kerne mit Photosensitivität zu einzelnen angeordneten Funktionsgruppen zusammengefasst sind und jeder dieser Kerne einen räumlich separaten Modus zur Übertragung optischer Signale aufweist,
- • kontinuierliches Ziehen der Faseranordnung zu einer Faser,
- • Zertrennen dieser Faser zu Faserteilstücken mit gleichem Querschnitt,
- • Verdrehen dieser zertrennten Faserteilstücke zueinander mit einem vorgebbaren Verbindungswinkel um deren zentrale Rotationsachse oder Verschieben dieser zertrennten Faserteilstücke quer zu der zentralen Rotationsachse unter Wahrung mindestens teilweiser Überlappung der Kerne der Faserteilstücke, so dass durchgehende optische Signalleitwege entstehen,
- • Zusammenfügen dieser verdrehten oder verschoben angeordneten Faserteilstücke zu Multikern-Faserkomponenten,
- • abschließendes Verbinden dieser Multikern-Faserkomponenten zu einer einheitlichen optischen Multikernfaser, bei der an einzelnen Stellen entlang der Rotationsachse in den Faserkernen der einzelnen Funktionsgruppe lokale Photosensitivität besteht, so dass ein selektives Einschreiben von optischen Gittern in lokal unterschiedliche Bereiche der Faserteilstücke mit Photosensitivität ermöglicht und so eine optische Multikernfaser generierbar ist, bei welcher an jeder Stelle entlang der Multikernfaser ein optisches Gitter nur in den Kernen mit Photosensitivität innerhalb einer der Funktionsgruppen einschreibbar sind,
- • und Bestrahlen der einheitlichen optischen Multikernfaser mit strukturiertem Laserlicht, so dass in den photosensitiven Faserkernen optische Gitter ausgebildet werden, welche ein Mosaik lokal unterschiedlicher Bereiche mit optischen Gittern für unterschiedliche Signalwege bilden.
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Das Laserlicht für das Bestrahlen weist dabei eine Wellenlänge von 190 nm bis 260 nm auf, kann aber alternativ auch in einem Bereich der Wellenlänge von 380 nm bis 560 nm oder von 780 nm bis 1100 nm liegen.
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Die Pulsdauer des Laserlicht beträgt dabei 5 ns bis 50 ns, besonders vorteilhaft 50 fs bis 500 fs.
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Die lichtleitenden Kerne ohne Photosensitivität sind als Stäbe aus UVtransparentem dotiertem geschmolzenem Kieselglas ausgeführt, die lichtleitenden Kerne mit Photosensitivität sind Stäbe aus photosensitiv dotiertem geschmolzenem Kieselglas und der Hüllbereich besteht aus einem Rohr aus geschmolzenem Kieselglas.
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Besonders vorteilhaft sind die lichtleitenden Kerne ohne Photosensitivität als Stäbe aus Aluminium- oder Phosphor- dotiertem geschmolzenem Kieselglas ausgeführt, die lichtleitenden Kerne mit Photosensitivität sind Stäbe aus Germanium- oder Bor- dotiertem geschmolzenem Kieselglas und der Hüllbereich besteht aus einem Rohr aus undotiertem oder F-dotiertem geschmolzenem Kieselglas.
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Bei einer Multikernfaser mit mindestens zwei separaten lichtleitenden Kernen, die in einem Hüllbereich eingebettet sind, weist jeder Kern einen räumlich separaten Modus zur Übertragung optischer Signale auft, wobei die Multikernfaser alternierend Multikern-Faserkomponenten mit lokal unterschiedlichen Bereichen der Photosensitivität beinhaltet, so dass selektiv optische Gitter in diese Photosensitivitätsbereiche der Multikernfaser einschreibbar sind.
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Alternativ dazu kann die Multikernfaser alternierend Multikern-Faserkomponenten mit lokal unterschiedlichen Bereichen der Photosensitivität beinhaltet, in welche bereits selektiv optische Gitter eingeschrieben sind und dadurch die Länge des Erfassungsbereiches in dieser Multikernfaser mit optischen Gittern vergrößert ist, wodurch ein höherer Multiplexgrad ohne gleichzeitige Vergrößerung des Spektralbereichs ermöglicht ist, wobei lokal unterschiedliche Bereiche der Photosensitivität der lichtleitenden Kerne rotationssymmetrisch oder linearsymmetrisch angeordnete Funktionsgruppen mit nur einer spezifischen Photosensitivität aufweisen und in einzelnen Teilstücken der Faserkomponente realisiert sind, welche gegeneinander durch Rotation oder Verschieben zueinander räumlich ausgerichtet und durch Spleißen miteinander verbunden sind.
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Ausführungsbeispiel 1
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Das Ausführungsbeispiel 1 beschreibt die Herstellung und Anwendung einer Multikernfaser entsprechend 1 bzw. 2 in einer vereinfachten Anordnung mit nur drei Faserkernen, von denen ein Faserkern mit Photosensitivität und zwei Kerne ohne Photosensitivität ausgeführt sind. Es wird dazu eine Preformanordnung bestehend aus Glaszylindern in einem Hüllrohr gemäß und Glaszylindern gemäß 3 zusammengesetzt.
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Bei den Glaszylindern kann es sich dabei um lichtleitende Strukturen mit Kernen mit Photosensitivität, um lichtleitende Strukturen mit Kernen ohne Photosensitivität und um einfache unstrukturierte Glaszylinder handeln. Nach dem Zusammensetzen wird diese Anordnung durch Wärmebehandlung kompaktiert, so dass die Zwischen räume zwischen den Glaszylindern ausgefüllt werden.
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Die dadurch entstehende Faser-Preform wird dann in einer Faserzieheinrichtung unter Wärmeeinwirkung verdünnt und zu einer Multikernfaser mit beispielsweise 125 µm Durchmesser ausgezogen.
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Die Multikernfaser wird dann beispielsweise in drei Faserkomponenten geteilt.
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Diese fünf Faserkomponenten werden dann im rotationasymmetrischen Fall so gedreht, dass unterschiedliche Faserkerne überlappen und durchgehende lichtleitende Wege mit Wechseln zwischen Faserkernen mit Photosensitivität und Faserkernen ohne Photosensitivität ergeben (4).
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Die Qualität der Überlappung kann dabei gegebenenfalls durch eine Messung der Transmission aus einer Lichtquelle am Beginn eines Lichtweges und einem Lichtdetektor am Ende des Lichtweges kontrolliert werden. Abschließend kann dann das Einschreiben von Faser-Bragg-Gittern an einzelnen Stellen entlang der Multikernfaser erfolgen, wobei dann nur in den Kernen mit Photosensitivität ein Fasergitter entsteht.
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Ausführungsbeispiel 2
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Im Ausführungsbeispiel 2 ist in 7 gezeigt, wie anstelle einer rotationssymmetrischen Anordnung einer linearsymmetrische Anordnung der Faserkerne gewählt werden kann, so dass in diesem Fall eine Überlappung der Faserkerne zwischen einzelnen Multikern-Faserkomponenten durch eine lineare Verschiebung erreicht wird.
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Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Silica Zylinder
- 2 -
- Preform mit Faserkern mit hoher Photosensitivität
- 3 -
- Preform mit Faserkern mit hoher Photosensitivität
- 4 -
- Ofen
- 5 -
- Excimer Laser
- 6 -
- Phasenmasken Interferometer
- 7 -
- Faser Bragg Gitter Einschreibebereich
- 8 -
- Coating / Hülle
- 9 -
- Coating Erhärtung
- 10 -
- Capstan
- 11 -
- Faserspule
