DE102020209309A1

DE102020209309A1 - Wellenleiter und Faserlaser

Info

Publication number: DE102020209309A1
Application number: DE102020209309.1A
Authority: DE
Inventors: Swaathi Upendar; Thomas Weiss; Ron Fatobene Ando; Markus Alexander Schmidt
Original assignee: Universitaet Stuttgart; Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Current assignee: Universitaet Stuttgart; Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Priority date: 2020-07-23
Filing date: 2020-07-23
Publication date: 2022-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiter (100), insbesondere einen antiresonanten Wellenleiter und/oder einen photonischen Bandlücken-Wellenleiter, umfassend:
- einen Kernbereich (10); und
- einen Mantelbereich (20), der den Kernbereich (10) umgibt; wobei im Mantelbereich (10) eine Vielzahl von antiresonanten Elementen erster Art (13) und eine Vielzahl von antiresonanten Elementen zweiter Art (15) entlang zumindest eines, sich senkrecht zu einer optischen Achse des Wellenleiters (100) um den Kernbereich (10) erstreckenden, Polygonzuges (12) in einer alternierenden Reihenfolge angeordnet sind, wobei sich die antiresonanten Elemente zweiter Art (15) von den antiresonanten Elementen erster Art (13) in einem Brechungsindexprofil unterscheiden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiter, insbesondere einen antiresonanten Wellenleiter und/oder einen photonischen Bandlücken-Wellenleiter.
Optische Wellenleiter und insbesondere optische Fasern finden heutzutage eine breite Anwendung in Gebieten wie Telekommunikation, Lichterzeugung, Sensorik, Spektroskopie und Lebenswissenschaften. Die Lichtführung in konventionellen optischen Wellenleitern basiert im Allgemeinen auf der Führung des elektromagnetischen Felds mit Hilfe von Totalreflexion innerhalb des sogenannten Kerns. Die Bedingung für eine Lichtführung durch Totalreflexion ist, dass der lichtführende Kern einen höheren Brechungsindex als der den Kern umgebenden Mantel aufweist.
Es sind jedoch auch noch weitere Formen der Lichtführung in optischen Wellenleitern, welche der Klasse der mikrostrukturierten optischen Fasern bzw. der sogenannten „Photonic Crystal Fibers“ angehören und Effekte wie eine photonische Bandlücke und antiresonante Reflexion ausnutzen, möglich. Beide Effekte sind miteinander verwandt, da sie auf Resonanzen innerhalb des mikrostrukturierten Mantels beruhen. In beiden Fällen weist der Kern einen geringeren Brechungsindex als die Strukturelemente des mikrostrukturierten Mantels auf. Optische Wellenleiter, welche das elektromagnetische Feld mittels einer photonischen Bandlücke führen, sind im Allgemeinen durch einen hohen Grad an Gleichförmigkeit bzgl. Brechungsindex, Form, Durchmesser und Periodizität im mikrostrukturierten Mantel charakterisiert. Im Gegensatz dazu weisen antiresonante Wellenleiter typischerweise nur wenige Strukturelemente im Mantel auf, welche nicht notwendigerweise periodisch angeordnet sein müssen.
Eine Möglichkeit zur Verringerung der Lichtausbreitungsverluste in Wellenleitern, welche das Licht mittels photonischer Bandlücke bzw. antiresonanter Reflexion führen, besteht im Hinzufügen zusätzlicher Strukturelemente im Mantel des Wellenleiters. Dies kann jedoch je nach Struktur technologisch sehr aufwendig sein, so zum Beispiel in Laser-geschriebenen Strukturen wie dem sogenannten „Light Cage“, der in einer Veröffentlichung von Chhavi Jain, Avi Braun, Julian Gargiulo, Bumjoon Jang, Guangrui Li, Hartmut Lehmann, Stefan A. Maier, und Markus A. Schmidt mit dem Titel „Hollow Core Light Cage: Trapping Light Behind Bars“, ACS Photonics 2019 6 (3), 649-658, DOI: 10.1021/acsphotonics.8b01428 beschrieben ist. Folglich steigen dadurch die Komplexität und die Kosten in der Herstellung. Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung der Lichtausbreitungsverluste kann durch eine Vergrößerung des Abstandes der Strukturelemente im Mantel, und somit durch eine Vergrößerung des Kernes des Wellenleiters, erreicht werden. Dies führt jedoch dazu, dass der Wellenleiter bzw. die Faser auch viele höhere Eigenmoden führt und somit nicht mehr single-modig betrieben werden kann. Gerade für Laseranwendungen ist ein Single-Mode-Betrieb aber wünschenswert.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Lichtausbreitungsverluste eines optischen Wellenleiters, insbesondere eines antiresonanten Wellenleiters und/oder eines photonischen Bandlücken-Wellenleiters in einfacher und effektiver Weise zu verringern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wellenleiter, insbesondere einen antiresonanten Wellenleiter und/oder einen photonischen Bandlücken-Wellenleiter, bereitzustellen, der höhere Eigenmoden unterdrücken und damit eine Bevorzugung des Grundmodes ermöglichen kann. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Faserlaser bzw. Faserverstärker bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft einen optischen Wellenleiter umfassend

- einen Kernbereich; und
- einen Mantelbereich, der den Kernbereich umgibt;

Ein „Brechungsindexprofil“ gibt den Brechungsindex als Funktion des Ortes an. Insbesondere ist das Brechungsindexprofil zweier antiresonanter Elemente unterschiedlich, wenn sich die beiden antiresonanten Elemente in Form, Größe und/oder Brechungsindex unterscheiden. Dass sich die antiresonanten Elemente zweiter Art von den antiresonanten Elementen erster Art in einem Brechungsindexprofil unterscheiden, bedeutet somit insbesondere, dass sich die antiresonanten Elemente zweiter Art von den antiresonanten Elementen erster Art in Form, Größe und/oder Brechungsindex unterscheiden. Weisen die antiresonanten Elemente erster Art im Vergleich zu den antiresonanten Elementen zweiter Art z.B. einen anderen (räumlich konstanten) Brechungsindex oder einen anderen räumlichen Brechungsindexverlauf auf, so ist deren Brechungsindexprofil unterschiedlich. Aber auch wenn z.B. die antiresonanten Elemente erster Art und die antiresonanten Elemente zweiter Art unterschiedlich groß sind und/oder eine unterschiedliche Form aufweisen, so unterscheidet sich deren Brechungsindexprofil. Wenn z.B. die antiresonanten Elemente erster Art zylindrisch ausgebildet sind (d.h. einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen) und die antiresonanten Elemente zweiter Art z.B. quaderförmig ausgebildet sind (d.h. einen rechteckigen Querschnitt aufweisen), dann unterscheidet sich deren Brechungsindexprofil (selbst wenn die antiresonanten Elemente erster Art und die antiresonanten Elemente zweiter Art jeweils den gleichen Brechungsindex aufweisen). Die Brechungsindizes müssen nicht konstant über dem Querschnitt der antiresonanten Elemente sein. Das Brechungsindexprofil kann beispielsweise parabolisch sein. Durch die unterschiedlichen Brechungsindexprofile der antiresonanten Elemente erster Art und der antiresonanten Elemente zweiter Art kann erreicht werden, dass jeweils die Resonanzfrequenzen der antiresonanten Elemente erster Art und die Resonanzfrequenzen der antiresonanten Elemente zweiter Art unterschiedlich sind. Dies führt zu signifikanten Vorteilen des erfindungsgemäßen Wellenleiters, welche weiter unten noch erläutert werden.
Der „Kernbereich“ wird im Folgenden auch einfach als „Kern“, und der „Mantelbereich“ als „Mantel“ bezeichnet. Der Kern kann als Festkörper (z.B. Glas, Kristall oder Polymer) oder alternativ auch hohl ausgebildet sein. Der Mantel ist insbesondere mikrostrukturiert und weist eine Vielzahl von antiresonanten Elementen (im Folgenden auch mit „ARE“ abgekürzt) auf. Der Kern befindet sich im Inneren des Wellenleiters und der Mantel umgibt den Kern. Mit anderen Worten ist der Kern vom Mantel umschlossen.
Der Mantel umfasst vorzugsweise zumindest zwei Materialien bzw. ist vorzugsweise aus zumindest zwei Materialien ausgebildet, nämlich einem sogenannten Hintergrundmaterial (wie z.B. Glas, Luft und/oder Kunststoff bzw. ein Polymer) für den Mantelhintergrund und zumindest ein antiresonantes Material für die antiresonanten Elemente (wie z.B. dotiertes Glas). Als „Mantelhintergrund“ werden insbesondere diejenigen Bereiche des Mantels verstanden, in denen keine antiresonanten Elemente und/oder keine Strukturelemente angeordnet sind, also insbesondere die zwischen den antiresonanten Elementen vorhandenen Zwischenräume im Mantel.
Der Brechungsindex des Kerns kann z.B. zwischen dem Brechungsindex des Hintergrundmaterials und dem Brechungsindex der antiresonanten Elemente liegen. In diesem Fall kommen neben antiresonanten Mechanismen der Lichtführung auch noch eine Lichtführung mittels Totalreflexion hinzu. Dies kann einen zusätzlichen Fundamentalmode durch Totalreflexion bewirken, der sich vom Fundamentalmode, welcher durch die antiresonanten Mechanismen erzeugt wird, insbesondere in Modendurchmesser, Gruppen- und Phasengeschwindigkeit, unterscheidet. Dies kann vor allem für Mehrphotonenprozesse vorteilhaft sein, welche z.B. auch in sogenannten „Double-Clad-Fasern“ Anwendung findet.
Um jedoch Totalreflexionen bei der Lichtführung zu vermeiden und die Lichtführung auf antiresonante Mechanismen zu beschränken, ist es bevorzugt, dass der Kern und der Mantelhintergrund den gleichen bzw. im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex aufweisen. Der Begriff „im Wesentlichen“ soll in diesem Zusammenhang bedeuten, dass der Brechungsindex des Kerns, z.B. herstellungsbedingt, auch geringfügig kleiner (bevorzugt, wenn Totalreflexionen bei der Lichtführung vermieden werden sollen) oder größer (bevorzugt, wenn Mehrphotonenprozesse erwünscht sind) als der Brechungsindex des Mantelhintergrunds sein kann. Beispielsweise können der Kern und der Mantelhintergrund aus demselben Material ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass der Kern und der Mantelhintergrund aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind, wobei in diesem Fall die unterschiedlichen Materialien vorzugsweise den gleichen oder zumindest einen ähnlichen Brechungsindex aufweisen. Für den Fall einer Dotierung des Kerns mit Seltenerd-Ionen (wie z.B. Ytterbium) wird vorzugsweise der Brechungsindex des Kerns dem des Mantelhintergrunds angepasst, da es ansonsten auf Grund von Brechungsindexunstetigkeiten zu unerwünschten Reflexionen kommen kann. Eine solche Anpassung kann beispielsweise mittels einer Kodotierung mit anderen Materialien erfolgen.
Der Kern, der Mantel und die antiresonanten Elemente können z.B. aus Quarzglas (SiO2) basierten Gläsern mit jeweils unterschiedlichen Mengen an Dotanten ausgebildet sein. Beispielsweise können der Kern und der Mantelhintergrund aus reinem Quarzglas und die antiresonanten Elemente aus GeO2-dotiertem Quarzglas ausgebildet sein (GeO2-dotiertes Quarzglas weist einen höheren Brechungsindex als reines Quarzglas auf). Es versteht sich, dass aber auch andere Materialien verwendet werden können, insbesondere alle Arten von Oxid-Gläsern, Chalkogenid-Gläsern und/oder Polymeren. Alternativ oder zusätzlich kann der Mantelbereich Ausnehmungen bzw. Löcher aufweisen, welche sich entlang der Längsachse bzw. optischen Achse des Wellenleiters erstrecken. In diese Löcher können nachträglich diverse Stoffe (z.B. Gase, Flüssigkeiten, Polymere, Weichgläser und/oder Metalle) mit einem höheren Brechungsindex eingebracht und auf diese Weise antiresonante Elemente (erster und/oder zweiter Art) ausgebildet werden.
Zur Herstellung des Wellenleiters bzw. der Faser können z.B. in einem ersten Schritt alle Materialkombinationen (insbesondere Gläser) verwendet bzw. verarbeitet werden, die sich in einem Faserziehturm gemeinsam ziehen lassen. Durch eine Nachprozessierung können anschließend noch diverse Stoffe wie z.B. Flüssigkeiten in Hohlräume eingebracht werden.
Der Kerndurchmesser eines Wellenleiters bzw. einer Faser ist typischerweise zwischen 50-100 µm. Die antiresonanten Elemente können z.B. einen Durchmesser im Bereich von einigen µm haben. Es versteht sich, dass grundsätzlich auch andere Abmessungen möglich sind. Der Faserdurchmesser könnte z.B. auch 200 µm sein. Jedoch ist es üblich, Fasern mit einem so großen Kern als sogenannte Rod-Type-Faser auszulegen, bei der die Faser z.B. einen Außendurchmesser von 1-2 mm haben kann. Das hat den Vorteil, dass die Faser nicht mehr gekrümmt werden kann, wodurch keine ungewollten Effekte aufgrund einer Faserkrümmung auftreten.
Bei dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Wellenleiter handelt es sich insbesondere um einen antiresonanten Wellenleiter und/oder um einen photonischen Bandlücken-Wellenleiter. Das Lichtführungsprinzip des Wellenleiters basiert also insbesondere auf antiresonanter Reflexion und/oder auf eine photonische Bandlücke. Wie bereits eingangs erwähnt beruhen beide Effekte auf Resonanzen innerhalb des mikrostrukturierten Mantels und sind somit miteinander verwandt. Insbesondere gehört der optische Wellenleiter zur Klasse von mikrostrukturierten optischen Fasern bzw. zur Klasse der sogenannten „Photonic Crystal Fibers“. Der optische Wellenleiter ist somit vorzugsweise eine optische Faser.
Im Mantelbereich sind eine Vielzahl von antiresonanten Elementen, nämlich antiresonante Elemente erster Art und antiresonante Elemente zweiter Art angeordnet. Die optische Achse ist insbesondere parallel zu einer longitudinalen Richtung bzw. Längsachse des optischen Wellenleiters. Es versteht sich, dass die optische Achse bzw. Längsachse des Wellenleiters nicht zwingend geradlinig, sondern auch kurvig ausgebildet sein kann (z.B. im Fall einer flexiblen bzw. biegbaren optischen Faser).
Ein Polygonzug, der sich in einer senkrechten Richtung zur Längsachse des Wellenleiters um den Kern erstreckt bzw. den Kern umläuft, wird im Rahmen dieser Beschreibung auch einfach als „Polygonzug“ oder „Ring“ abgekürzt. Der Polygonzug bzw. Ring stellt lediglich ein virtuelles Element dar, welches zur Beschreibung bzw. Definition der Anordnung der antiresonanten Elemente dient. Insbesondere ist der Polygonzug ein geschlossener Polygonzug.
Ein „antiresonantes Element“ bzw. (kurz: „ARE“) im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Strukturelement, welches im Mantel des Wellenleiters antiresonante Eigenschaften aufweist. Mit anderen Worten wird als „antiresonantes Element“ im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Strukturelement verstanden, welches ausgelegt ist, eine antiresonante Reflexion einer im Wellenleiter geführten elektromagnetischen Welle bzw. des im Wellenleiter geführten Lichts zu bewirken. Die antiresonanten Elemente (erster bzw. zweiter Art) können daher auch als „antiresonante Strukturelemente“ (erster bzw. zweiter Art) bezeichnet werden. Das Zusammenwirken einer Vielzahl von solchen antiresonanten Elementen, insbesondere das Zusammenwirken der antiresonanten Elemente erster und zweiter Art, kann zur Lichtführung im Wellenleiter ausgenutzt werden.
Ein antiresonantes Element kann z.B. als Stab (Festkörper) oder als Loch bzw. Kapillare (in welchem/welcher insbesondere Materialien mit hohem Brechungsindex eingebracht sind) ausgebildet sein. Vorzugsweise weisen die antiresonanten Elemente eine zylindrische Form auf. Insbesondere sind die antiresonanten Elemente jeweils als Zylinder oder Hohlzylinder ausgebildet. Es sind jedoch grundsätzlich auch andere Formen möglich. Die antiresonanten Elemente erstrecken sich vorzugsweise von einem ersten Ende des Mantels bzw. Wellenleiters bis zu einem zweiten Ende des Mantels bzw. Wellenleiters, insbesondere parallel zur Längsachse bzw. optischen Achse des Wellenleiters. Mit anderen Worten sind die antiresonanten Elemente derart angeordnet, dass ihre Längsachsen jeweils parallel zur Längsachse bzw. optischen Achse des Wellenleiters ausgerichtet sind.
Dass eine Vielzahl von antiresonanten Elementen erster Art und eine Vielzahl von antiresonanten Elementen zweiter Art entlang eines Polygonzuges in einer alternierenden Reihenfolge angeordnet sind, bedeutet insbesondere, dass entlang des Polygonzuges nach jedem antiresonanten Element erster Art ein antiresonantes Element zweiter Art folgt, und dass nach jedem antiresonanten Element zweiter Art ein antiresonantes Element erster Art folgt. Wird ein antiresonantes Element erster Art mit „A“ und ein antiresonantes Element zweiter Art mit „B“ bezeichnet, so ist mit „in einer alternierenden Reihenfolge“ insbesondere die Anordnung ABABA... bzw. BABAB... gemeint. Möglich ist aber grundsätzlich auch eine Anordnung wie z.B. ABBABB... oder AABAAB... sowie höhere Alternierungen.
Der Mantelbereich kann einen oder mehrere, insbesondere geschlossene, Polygonzüge bzw. Ringe mit antiresonanten Elementen aufweisen. Erfindungsgemäß sind auf zumindest einem dieser Polygonzüge (also z.B. auf genau einem oder auf zwei, drei, vier, usw. Polygonzügen) sowohl antiresonante Elemente erster Art als auch antiresonante Elemente zweiter Art angeordnet. Auf den restlichen Polygonzügen bzw. Ringen mit antiresonanten Elementen (sofern vorhanden) können z.B. ausschließlich antiresonante Elemente erster Art angeordnet sein.
Der Mantelbereich weist also eine Vielzahl von antiresonanten Elementen auf, die entlang eines oder mehrerer Polygonzüge bzw. Ringe angeordnet sind. Eine Teilmenge (insbesondere die Hälfte) der auf dem einen Polygonzug oder eine Teilmenge (insbesondere die Hälfte) der auf zumindest einem der mehreren Polygonzüge angeordneten antiresonanten Elemente ist bezüglich Form, Größe und/oder Brechungsindex modifiziert, so dass entlang des einen Polygonzugs oder entlang des zumindest einen der mehreren Polygonzüge eine Vielzahl von antiresonanten Elementen erster Art und eine Vielzahl von antiresonanten Elementen zweiter Art in einer alternierenden Reihenfolge angeordnet sind. Insbesondere sind die antiresonanten Elemente zweiter Art im Vergleich zu den antiresonanten Elementen erster Art modifizierte antiresonante Elemente. „Modifiziert“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich die Form, Größe und/oder der Brechungsindex von den antiresonanten Elementen erster Art, welche auch als „antiresonante Referenzelemente“ bezeichnet werden können, unterscheidet. Dabei weisen sämtliche antiresonante Elemente, also sowohl die antiresonanten Elemente erster Art als auch die modifizierten antiresonanten Elemente bzw. antiresonanten Elemente zweiter Art eine Größe bzw. Querschnitt und/oder Durchmesser ungleich Null auf. Alternativ oder zusätzlich unterscheidet sich der Brechungsindex sämtlicher antiresonanter Elemente vom Brechungsindex des Mantelhintergrunds. Mit anderen Worten bedeutet „Modifizieren eines Strukturelements“ im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht, dass ein Strukturelement einfach entfernt wird. Die Anzahl von antiresonanten Elementen erster Art und die Anzahl von antiresonanten Elementen zweiter Art, welche jeweils entlang eines Polygonzugs um den Kern in alternierender Reihenfolge angeordnet sind, sind insbesondere identisch. Insbesondere ist jedes zweite der entlang des zumindest einen Polygonzugs angeordneten antiresonanten Elemente bezüglich Form, Größe und/oder Brechungsindex modifiziert.
Ein Polygonzug, auf dem antiresonante Elemente modifiziert sind (bzw. auf dem sowohl antiresonante Elemente erster Art als auch antiresonante Elemente zweiter Art angeordnet sind) wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung auch als „modifizierter Polygonzug“ oder „modifizierter Ring“ bezeichnet. Zusätzlich zu zumindest einem modifizierten Polygonzug können auch noch ein oder mehrere weitere Polygonzüge im Mantelbereich vorhanden sein wie z.B. Polygonzüge, auf denen nur antiresonante Referenzelemente bzw. antiresonante Elemente erster Art angeordnet sind. Entsprechend werden solche Polygonzüge (also Polygonzüge bzw. Ringe, auf denen ausschließlich antiresonante Referenzelemente bzw. antiresonante Elemente erster Art angeordnet sind) im Rahmen dieser Beschreibung als Referenz-Polygonzüge bezeichnet. Ferner ist es auch möglich, dass zusätzlich zu dem zumindest einen modifizierten Polygonzug ein oder mehrere Polygonzüge im Mantelbereich vorhanden sind, auf denen z.B. weitere Strukturelemente (wie z.B. antiresonante Elemente dritter Art, die sich von den antiresonanten Elementen erster und zweiter Art im Brechungsindexprofil unterscheiden) angeordnet sind.
Beispielsweise kann der Mantelbereich insgesamt nur einen einzigen Polygonzug bzw. Ring mit antiresonanten Elementen aufweisen. In diesem Fall ist dieser Polygonzug ein modifizierter Polygonzug. Alternativ kann der Mantelbereich mehrere Polygonzüge aufweisen, wobei zumindest einer dieser Polygonzüge ein modifizierter Polygonzug ist. Weist der Mantelbereich insgesamt n Polygonzüge und davon m modifizierte Polygonzüge auf (wobei m ≤ n), so weist der Mantelbereich insbesondere s = n - m Referenz-Polygonzüge auf.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch eine alternierende Modifizierung der antiresonanten Elemente, welche entlang zumindest eines Polygonzuges im Mantelbereich des Wellenleiters angeordnet sind, die Lichtausbreitungsverluste im Wellenleiter im Vergleich zu konventionellen antiresonanten Wellenleiter deutlich verringert werden können. Ferner hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass diese Verringerung der Lichtausbreitungsverluste hauptsächlich für den Grund- bzw. Fundamentalmode gilt, und nur in deutlich geringerem Maße für die höheren Eigenmoden, welche somit vorteilhafterweise unterdrückt werden können. Somit ermöglicht der erfindungsgemäße Wellenleiter vorteilhafterweise eine signifikante Verringerung der Lichtausbreitungsverluste unter Bevorzugung des Grund- bzw. Fundamentalmodes und damit im Wesentlichen einen Single-Mode-Betrieb, was insbesondere für Laseranwendungen erwünscht ist. Ferner kann auf ein Einbringen von weiteren antiresonanten Elementen in den Mantel und/oder auf eine Vergrößerung des Kerns vorteilhafterweise verzichtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Brechungsindex der antiresonanten Elemente erster Art und der Brechungsindex der antiresonanten Elemente zweiter Art jeweils größer als der Brechungsindex eines Mantelhintergrunds. Insbesondere weisen sämtliche antiresonanten Elemente (insbesondere sämtliche antiresonanten Elemente erster Art und sämtliche antiresonanten Elemente zweiter Art) des Wellenleiters einen Brechungsindex auf, der größer ist als der Brechungsindex des Mantelhintergrunds, d.h. es gilt: $\begin{array}{l} n_{M H} < n_{A R E} \\ n_{M H} < n_{A R E 1} \\ n_{M H} < n_{A R E 2}, \end{array}$
wobei n_MH der Brechungsindex des Mantelhintergrunds, n_ARE1 der Brechungsindex eines antiresonanten Elements erster Art und n_ARE2 der Brechungsindex eines antiresonanten Elements zweiter Art bezeichnen. Mit anderen Worten weisen die antiresonanten Elemente erster und zweiter Art jeweils einen höheren Brechungsindex als das sie umgebende Material auf. Vorzugsweise weisen die antiresonanten Elemente auch jeweils einen höheren Brechungsindex als der Kern auf, d.h. es gilt: $\begin{array}{l} n_{K} < n_{A R E} \\ n_{K} < n_{A R E 1} \\ n_{K} < n_{A R E 2}, \end{array}$
wobei n_K den Brechungsindex des Kerns bezeichnet.
Wie bereits weiter oben erwähnt, weist der Brechungsindex n_K des Kerns vorzugsweise (im Wesentlichen) den gleichen Brechungsindex wie der Mantelhintergrund auf. Insbesondere dann, wenn Totalreflexionen bei der Lichtführung vermieden werden sollen, darf der Brechungsindex des Kerns nicht größer sein als der Brechungsindex des Mantelhintergrunds, d.h. in diesem Fall gilt vorzugsweise: $\begin{array}{l} n_{K} \leq n_{M H} < n_{A R E} \\ n_{K} \leq n_{M H} < n_{A R E 1} \\ n_{K} \leq n_{M H} < n_{A R E 2} . \end{array}$
Insbesondere kann der Brechungsindex des Kerns geringfügig kleiner als der Brechungsindex des Mantelhintergrunds sein. Im Sinne dieser Beschreibung umfasst der Begriff „geringfügig kleiner“ eine Abweichung $\frac{n_{M H} - n_{K}}{n_{M H}}$
von weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5% besonders bevorzugt weniger als 2%, insbesondere weniger als 1%.
Sind jedoch zur Lichtführung auch Totalreflexionen erwünscht (was z.B. für Mehrphotonenprozesse vorteilhaft sein kann), so ist es bevorzugt, dass der Kern einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem Brechungsindex n_MH des Mantelhintergrunds und dem Brechungsindex n_ARE der antiresonanten Elemente liegt, d.h. in diesem Fall gilt vorzugsweise: $\begin{array}{l} n_{M H} \leq n_{K} < n_{A R E} \\ n_{M H} \leq n_{K} < n_{A R E 1} \\ n_{M H} \leq n_{K} < n_{A R E 2} . \end{array}$
Da der Brechungsindex der antiresonanten Elementen stets größer ist als der Brechungsindex des Mantelhintergrunds wird in den weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen der Brechungsindex n_MH des Mantelhintergrunds auch mit n_lo bezeichnet und der Brechungsindex n_ARE der antiresonanten Elemente mit n_hi.
Insbesondere können im Sinne der vorliegenden Erfindung Strukturelemente im Mantel eines Wellenleiters, die einen Brechungsindex n_str mit n_MH < n_Str aufweisen, als antiresonante Elemente angesehen werden. Insbesondere gelten die oben angegebenen Beziehungen jeweils für mittlere bzw. gemittelte Brechungsindizes.
In optischen Wellenleitern bzw. Fasern basierend auf Quarzglas können z.B. bestimmte Dotanden - wie beispielsweise Germanium - in das Material von Strukturelementen eingebracht werden. Auf diese Weise können die Strukturelemente zu antiresonanten Elementen ausgebildet werden. In optischen Wellenleitern bzw. Fasern basierend auf anderen Materialien (z.B. Weichgläsern, Chalkogenidgläsern und/oder Polymeren) kann dies durch Verwendung unterschiedlicher, jedoch hinsichtlich physikalischer Eigenschaften (z.B. thermischer Ausdehnungskoeffizient) angepasster, Materialen erfolgen. Weiterhin ist es z.B. möglich, einen Wellenleiter bzw. eine Faser mit Löchern bzw. Kapillaren parallel zu der Wellenleiter- bzw. Faserachse herzustellen und diese erst nach dem Faserzug mit Flüssigkeiten zu befüllen, welche einen im Vergleich zum Mantelhintergrund und/oder Kern hohen Brechungsindex aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass der Brechungsindex der Flüssigkeiten während des Betriebs, zum Beispiel mittels Temperatur, angepasst werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Innenwand der antiresonanten Elemente durch geeignete Materialien mittels Lösungsabscheidung beschichtet werden oder sein. Alternativ oder zusätzlich können sich die aus einem Festkörper (z.B. Glas, Kristall oder Polymer) ausgebildeten antiresonanten Elemente in einem Gas befinden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind sämtliche Bereiche zwischen den entlang des zumindest einen (modifizierten) Polygonzuges alternierend angeordneten antiresonanten Elementen erster und zweiter Art sind frei von weiteren antiresonanten Elementen und/oder frei von anderen Strukturelementen. Als „Bereich zwischen zwei antiresonanten Elementen erster und zweiter Art“ wird insbesondere ein Raum bzw. Volumen zwischen den antiresonanten Elementen verstanden. Insbesondere weist dieser Raum bzw. dieses Volumen zumindest eine der folgenden Ausdehnungen aus:

- in radialer Richtung des Wellenleiters eine Ausdehnung, die im Wesentlichen dem Durchmesser eines der antiresonanten Elemente erster und zweiter Art (bei unterschiedlichen Durchmessern insbesondere eine Ausdehnung, die im Wesentlichen dem größeren der beiden Durchmesser) entspricht;
- in Umfangsrichtung des Polygonzugs bzw. Wellenleiters eine Ausdehnung, die im Wesentlichen dem Abstand der Oberflächen bzw. der Ränder zweier antiresonanter Elemente entspricht; und/oder
- entlang der Längsachse bzw. optischen Achse des Wellenleiters eine Ausdehnung, die im Wesentlichen der Länge des Wellenleiters entspricht.

Dies bedeutet insbesondere, dass die entlang eines modifizierten Polygonzuges alternierend angeordneten antiresonanten Elemente erster und zweiter Art die einzigen antiresonanten Elemente sind, welche entlang des zumindest einen Polygonzuges angeordnet sind. Mit anderen Worten sind jeweils zwischen den entlang des zumindest einen Polygonzuges alternierend angeordneten antiresonanten Elementen erster und zweiter Art keine weiteren antiresonanten Elemente angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die antiresonanten Elemente erster und zweiter Art als (insbesondere mikrostrukturierte) Löcher oder Stäbe ausgebildet, die sich im Mantelbereich parallel zur Längsachse bzw. optischen Achse des Wellenleiters erstrecken. Beispielsweise können die antiresonanten Elemente eine zylindrische Form bzw. einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es versteht sich, dass die antiresonanten Elemente aber auch eine andere Form oder einen anderen Querschnitt wie z.B. einen quaderförmigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen können. Die antiresonanten Elemente erster und zweiter Art sind insbesondere derart im Mantelbereich angeordnet, dass eine Längsachse (z.B. eine Zylinderachse) der antiresonanten Elemente parallel zur Längsachse bzw. optischen Achse des Wellenleiters ausgerichtet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die in einer alternierenden Reihenfolge angeordneten antiresonanten Elemente erster und zweiter Art entlang des Umfangs eines Rechtecks, insbesondere Quadrats, oder entlang des Umfangs eines Sechsecks oder im Wesentlichen entlang des Umfangs eines Kreises angeordnet. Insbesondere kann der zumindest eine Polygonzug bzw. der zumindest eine modifizierte Polygonzug eine rechteckige, insbesondere quadratische, oder eine hexagonale oder eine im Wesentlichen kreisförmige Fläche aufspannen. Insbesondere kann auch der Kernbereich bzw. Kern des Wellenleiters einen rechteckigen (insbesondere quadratischen) oder einen hexagonalen oder einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die antiresonanten Elemente erster und zweiter Art auf den Plätzen eines periodischen Gitters angeordnet. Das Gitter kann z.B. ein hexagonales Gitter oder ein quadratisches Gitter und allgemein ein polygonales Gitter sein. Insbesondere ist das Gitter zweidimensional und/oder weist eine Ebene senkrecht zur Längsachse bzw. optischen Achse des Wellenleiters auf. Insbesondere können die antiresonanten Elemente erster und zweiter Art jeweils äquidistante Abstände zueinander aufweisen. Mit anderen Worten sind die antiresonanten Elemente erster und zweiter Art jeweils in äquidistanten Abständen zueinander angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist jedes der antiresonanten Elemente zweiter Art mindestens zwei antiresonante Elemente erster Art als unmittelbare Nachbarn auf. Insbesondere weist jedes der antiresonanten Elemente zweiter Art mindestens drei, mindestens vier oder mindestens fünf antiresonante Elemente erster Art als unmittelbare Nachbarn auf. Als „unmittelbare Nachbarn“ eines ausgewählten Strukturelements werden insbesondere diejenigen antiresonanten Elemente verstanden, die einen minimalen bzw. kürzesten Abstand zu dem ausgewählten Strukturelement haben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich die Gesamtzahl von antiresonanten Elementen erster Art von der Gesamtzahl von antiresonanten Elementen zweiter Art. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Wellenleiter neben einen oder mehreren modifizierten Polygonzügen auch noch einen oder mehrere Referenz-Polygonzüge aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Mantelbereich nur einen einzigen, sich senkrecht zu einer Längsachse des Wellenleiters um den Kernbereich erstreckenden, (insbesondere geschlossenen) Polygonzug auf, auf dem die antiresonanten Elemente erster und zweiter Art in einer alternierenden Reihenfolge angeordnet sind. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist der Mantelbereich mehrere, sich senkrecht zu einer Längsachse des Wellenleiters um den Kernbereich erstreckende, (insbesondere geschlossene) Polygonzüge, auf denen antiresonante Elemente angeordnet sind, auf. Vorzugsweise sind aber nur entlang eines, insbesondere entlang des dem Kernbereich am nächstgelegenen Polygonzugs (d.h. entlang des innersten Polygonzuges bzw. entlang des innersten Rings), der mehreren Polygonzüge sowohl antiresonante Elemente erster Art als auch antiresonante Elemente zweiter Art angeordnet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass dies vorteilhaft sein kann, da weitere modifizierte Ringe in der Regel einen geringeren Einfluss auf die Propagationseigenschaften haben. Sofern etwaige weitere modifizierten Ringe einen Bandlückeneffekt zunichtemachen, weil die Periodizität gebrochen wird, können sie sogar hinderlich sein. Zudem erhöhen mehrere modifizierte Ringe in der Regel auch die Komplexität der Herstellung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Teil des Kernbereichs mit Seltenerd-Ionen, wie z.B. Ytterbium, Erbium, Neodym, Thulium oder Holmium, dotiert. Dies ermöglicht insbesondere eine Anwendung für bzw. in einem Faserlaser oder Faserverstärker.
Ein weiterer unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft einen Faserlaser bzw. Faserverstärker umfassend einen erfindungsgemäßen optischen Wellenleiter, bei dem zumindest ein Teil des Kernbereichs mit Seltenerd-Ionen dotiert ist. Insbesondere bildet der Kern des optischen Wellenleiters das aktive Medium des Faserlasers bzw. Faserverstärkers. Aktuell werden für Faserlaser Fasern mit Lufteinschlüssen bzw. Löchern entlang der Faserachse verwendet, die in der Anwendung zu Problemen durch Feuchtigkeitseintritt führen können. Bei einem Faserlaser sind somit in erster Linie solide Fasern wünschenswert, die konzeptionell so entworfen sind, dass der Grundmode bevorzugt wird, d.h. wesentlich geringere Ausbreitungsverluste als die höheren Moden aufweist. Ein erfindungsgemäßer Wellenleiter bzw. eine erfindungsgemäße Faser kann diesen Anforderungen gerecht werden, insbesondere dann, wenn die antiresonanten Elemente des Wellenleiters als solide Stäbe (ohne Lufteinschlüsse) ausgebildet sind.
Ein weiterer unabhängiger Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiters zur Realisierung eines Faserlasers bzw. Faserverstärkers. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße optische Wellenleiter zur Herstellung eines Faserlasers bzw. Faserverstärkers verwendet werden. Vorzugsweise kann der erfindungsgemäße optische Wellenleiter in einem Faserlaser bzw. Faserverstärker, insbesondere als aktives Medium des Faserlasers bzw. Faserverstärkers, verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Wellenleiter bzw. die erfindungsgemäße Faser kann insbesondere nach dem bekannten Stack-and-Draw Verfahren hergestellt werden. Dazu werden dünne Glasstäbe (-1-2mm) zu einer Vorform zusammengesetzt bzw. angeordnet und anschließend zur finalen Faser verzogen. Für den Fall, dass die antiresonanten Elemente aus Kapillaren anstelle von Stäben gebildet werden, ist dieser Prozess komplizierter, da die Vorform zu einer Zwischenform, dem sogenannten „Cane“, verzogen werden muss, bevor dieser nochmals mit einem Glasrohr ummantelt und zur finalen Faser verzogen wird.
Für die oben genannten weiteren unabhängigen Aspekte und insbesondere für diesbezügliche bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen des ersten Aspekts. Insbesondere gelten für einen unabhängigen Aspekt der vorliegenden Erfindung und für diesbezügliche bevorzugte Ausführungsformen auch die vor- und nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen der jeweils anderen unabhängigen Aspekte.
Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereitstellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen, sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.
Figurenliste

1a zeigt eine schematische Zeichnung des Querschnitts einer klassischen antiresonanten Wellenleiterstruktur;
1b zeigt eine schematische Zeichnung des Querschnitts eines typischen Wellenleiters, welcher das Licht mittels einer photonischen Bandlücke im Kern führt;
2a-f zeigen schematische Zeichnungen des Querschnitts eines Wellenleiters gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung;
3a und 3b zeigen schematische Zeichnungen des Querschnitts eines Wellenleiters gemäß weiteren beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung;
4 zeigt ein Konturliniendiagramm der Lichtführungsverluste eines beispielhaften erfindungsgemäßen Wellenleiters mit 16 zirkular angeordneten antiresonanten Elementen, wobei die Zahlen entlang der Konturlinien die Verluste in dB/m angeben;
5 zeigt die Lichtführungsverluste eines beispielhaften erfindungsgemäßen Wellenleiters mit 16 zirkular angeordneten antiresonanten Elementen in Abhängigkeit der Wellenlänge für ein Design mit antiresonanten Elementen gleicher Größe (d₁ = d₂ = 6,5 µm) und mit antiresonanten Elementen verschiedener Größe (d₁ = 6,5 µm; d₂ = 4,1 µm);
6 zeigt das azimutale elektrische Feld einer klassischen antiresonanten Struktur (d₁ = d₂ = 6,33 µm) und eines beispielhaften erfindungsgemäßen Wellenleiters mit d₁ = 6,33 µm und d₂ = 4,08 µm.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die 1a zeigt eine schematische Zeichnung des Querschnitts eines klassischen antiresonanten Wellenleiters 50 und 1b zeigt eine schematische Zeichnung des Querschnitts eines typischen Wellenleiters 50, welcher das Licht mittels einer photonischen Bandlücke im Kern 10 führt. Die in den 1a und 1b dargestellten Wellenleiter weisen einen zentralen Kernbereich bzw. Kern 10 und einen den Kern 10 umgebenden mikrostrukturierten Mantelbereich bzw. Mantel 20 auf. Der Mantel 20 weist eine Vielzahl von Strukturelementen 13 auf, die sich als Stäbe oder Löcher von einem ersten Ende des Wellenleiters 50 zu einem zweiten Ende des Wellenleiters 50 parallel zu einer Längsachse bzw. optischen Achse des Wellenleiters 50 erstrecken. In den 1a und 1b zeigen die Längsachse und die optische Achse des Wellenleiters 50 in die Zeichenebene hinein. Die Strukturelemente 13 sind in einer hexagonalen Struktur im Mantel 20 des Wellenleiters 50 angeordnet. Sämtliche Strukturelemente 13 sind identisch und aus dem gleichen Material ausgebildet. Folglich weisen sämtliche Strukturelemente 13 auch den gleichen Brechungsindex auf. Der Brechungsindex der Strukturelemente 13 ist größer als der Brechungsindex des sie umgebenden Mediums bzw. Materials. Ein im Vergleich zum umgebenden Medium größerer Brechungsindex ist in den 1a und 1b, sowie auch in den folgenden Figuren, jeweils durch eine schraffierte Fläche dargestellt.
Optische Wellenleiter 50, welche das Licht mittels einer photonischen Bandlücke führen, sind im Allgemeinen durch einen hohen Grad an Gleichförmigkeit bzgl. Brechungsindex, Form, Durchmesser und Periodizität im mikrostrukturierten Mantel 20 charakterisiert (siehe 1b). Im generell vorliegenden Fall zylindrischer Strukturelemente 13 sind deren Durchmesser und Abstand durch die Parameter d und Λ gegeben. Eine Verringerung der Lichtausbreitungsverluste wird typischerweise durch eine größere Anzahl an antiresonanten Elementen im Mantel erreicht. Im Gegensatz dazu haben antiresonante Wellenleiter typischerweise nur wenige Strukturelemente im Mantel (siehe 1a). Insbesondere bei wenigen Strukturelementen, die wie im Beispiel von 1a entlang nur eines einzigen Ringes angeordnet sind, ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Anordnung der Strukturelemente eine Periodizität aufweist. Gemäß 1b können die Strukturelemente 13 auch entlang mehrerer Ringe, hier z.B. entlang drei Ringe, angeordnet sein.
Eine Verringerung der Ausbreitungsverluste kann zum einen durch das Hinzufügen zusätzlicher Strukturelemente 13 (Übergang von 1a zu 1b) oder durch eine Vergrößerung des Abstandes Λ der Strukturelemente 13, und somit einer Vergrößerung des Kernes 10, erfolgen. Letztere Methode führt jedoch dazu, dass der Wellenleiter bzw. die Faser 50 auch viele höhere Eigenmoden führt und somit nicht mehr single-modig betrieben werden kann, was jedoch insbesondere bei Laseranwendungen wünschenswert ist.
Die 2a bis 2f zeigen schematische Zeichnungen des Querschnitts eines optischen Wellenleiters 100 gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung. Wie auch die klassischen Wellenleiter 50 der 1a und 1b, weisen auch die Wellenleiter 100 der 2a bis 2f einen zentralen Kernbereich bzw. Kern 10 und einen den Kern 10 umgebenden mikrostrukturierten Mantelbereich bzw. Mantel 20 mit einer Vielzahl von Strukturelementen auf. Die Strukturelemente bzw. antiresonanten Elemente erstrecken sich als Stäbe, Löcher oder Kapillare von einem ersten Ende des Wellenleiters 100 zu einem zweiten Ende des Wellenleiters 100 parallel zu einer Längsachse und/oder optischen Achse des Wellenleiters 100. Auch in den 2a bis 2f zeigen jeweils die Längsachse und die optische Achse des Wellenleiters 100 in die Zeichenebene hinein.
Im Gegensatz zum klassischen Wellenleiter 50 der 1a und 1b sind im Mantelbereich 20 des Wellenleiters 100 der 2a bis 2f eine Vielzahl von antiresonanten Referenzelementen bzw. antiresonanten Elementen erster Art 13 und eine Vielzahl von modifizierten antiresonanten Elementen bzw. antiresonanten Elementen zweiter Art 15 entlang zumindest eines, sich senkrecht zu einer Längsachse des Wellenleiters 100 um den Kernbereich 10 erstreckenden, geschlossenen Polygonzuges 12 in einer alternierenden Reihenfolge angeordnet. Dabei können sich die antiresonanten Elemente an den Ecken des Polygonzuges 12 oder auf den Verbindungslinien des Polygonzuges 12 befinden. Der Polygonzug 12 kann z.B. eine quadratische Fläche einschließen, wie in den 2a und 2b dargestellt. Entsprechend weist der Kern 10 eine quadratische Querschnittsfläche auf. Wie in den 2c und 2d dargestellt, kann der Polygonzug 12 z.B. auch eine hexagonale Fläche einschließen. Entsprechend weist der Kern 10 in diesem Fall dann eine hexagonale Querschnittsfläche auf. Wie ferner in den 2e und 2f dargestellt, kann der Polygonzug 12 allgemein eine polygonale, und insbesondere eine im Wesentlichen kreisförmige, Fläche einschließen. Entsprechend weist der Kern 10 in diesem Fall eine polygonale bzw. im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsfläche auf. Gemäß 2f sind die antiresonanten Elemente 13 und 15 entlang eines Kreises angeordnet und der Kern 10 weist eine kreisförmige Querschnittsfläche auf. Während gemäß des Ausführungsbeispiels der 2e acht antiresonante Elemente (davon vier antiresonante Elemente erster Art 13 und vier antiresonante Elemente zweiter Art 15) polygonal angeordnet sind, sind es gemäß des Ausführungsbeispiels der 2f insgesamt sechzehn antiresonante Elemente (davon acht antiresonante Elemente erster Art 13 und acht antiresonante Elemente zweiter Art 15).
Wie in den 2a bis 2f erkennbar, sind die antiresonanten Elemente erster Art 13 und die antiresonanten Elemente zweiter Art 15 in einer alternierenden bzw. abwechselnden Reihenfolge angeordnet. Dies bedeutet insbesondere, dass auf ein antiresonantes Element erster Art 13 entlang des Polygonzuges 12 ein antiresonantes Element zweiter Art 15 folgt. Entsprechend folgt entlang des Polygonzuges 12 auf ein antiresonantes Element zweiter Art 13 ein antiresonantes Element erster Art 13. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2b weist jedes der antiresonanten Elemente zweiter Art 15 drei antiresonante Elemente erster Art 13 als unmittelbare Nachbarn auf.
Die antiresonanten Elemente zweiter Art 15 unterscheiden sich von den antiresonanten Elementen erster Art. 13 in der Größe bzw. im Durchmesser. In den gezeigten Beispielen sind die antiresonanten Elemente zweiter Art 15 jeweils größer als die antiresonanten Elemente erster Art 13. Insbesondere weisen die antiresonanten Elemente zweiter Art 15 einen größeren Durchmesser auf als die antiresonanten Elemente erster Art 13. Alternativ oder zusätzlich können sich die antiresonanten Elemente zweiter Art 15 von den antiresonanten Elementen erster Art 13 aber auch in der Form und/oder dem Brechungsindex unterscheiden. Wie ebenfalls aus den 2a bis 2f hervorgeht, sind sämtliche Bereiche B zwischen den entlang des zumindest einen Polygonzuges 12 alternierend angeordneten antiresonanten Elementen erster und zweiter Art 13, 15 frei von weiteren antiresonanten Elementen und/oder weiteren Strukturelementen. In der 2c ist ein solcher Bereich B exemplarisch eingezeichnet. Der Bereich B ist insbesondere ein im Mantel 20 ausgebildetes Volumen, welches sich entlang der Längsachse bzw. optischen Achse von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende des Wellenleiters 100 erstreckt. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Bereich B eine im Wesentlichen rechteckförmige Querschnittsfläche senkrecht zur Längsachse bzw. optischen Achse auf. Die Länge des Bereichs B entspricht im Wesentlichen der Länge des Wellenleiters 100. Insbesondere stellen die Bereiche B zumindest teilweise den Hintergrund im Mantel 20 des Wellenleiters 100 dar, welcher auch als Mantel-Hintergrund bezeichnet wird.
In den gezeigten Beispielen der 2a und 2c bis 2f weist der Mantelbereich 20 nur einen einzigen, sich senkrecht zu der Längsachse des Wellenleiters 100 um den Kernbereich 10 erstreckenden, geschlossenen Polygonzug 12 auf, auf dem die antiresonanten Elemente erster und zweiter Art 13, 15 in einer alternierenden Reihenfolge angeordnet sind. Im Beispiel der 2b dagegen weist der Mantelbereich 20 zwei sich senkrecht zu einer Längsachse des Wellenleiters 100 um den Kernbereich 10 erstreckende geschlossene Polygonzüge 12a und 12b, entlang derer antiresonante Elemente angeordnet sind, auf. Entlang beider Polygonzüge 12a und 12b sind jeweils sowohl antiresonante Elemente erster Art 13 als auch antiresonante Elemente zweiter Art 15 in einer alternierenden Reihenfolge angeordnet.
Die 3a und 3b zeigen schematische Zeichnungen des Querschnitts eines Wellenleiters 100 gemäß weiteren beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung. Auch in diesen Figuren zeigen jeweils die Längsachse und die optische Achse des Wellenleiters 100 in die Zeichenebene hinein.
In der 3a ist ein Wellenleiter 100 mit einem hexagonalen Kern 10 dargestellt. Der Mantelbereich 20 des Wellenleiters weist drei, sich senkrecht zu der Längsachse des Wellenleiters 100 um den Kernbereich 10 erstreckende, geschlossene hexagonale Polygonzüge 12a, 12b und 12c, entlang derer antiresonante Elemente angeordnet sind, auf. Jedoch nur entlang eines, nämlich entlang des dem Kernbereich 10 am nächstgelegenen geschlossenen Polygonzugs 12a sind sowohl antiresonante Elemente erster Art 13 als auch antiresonante Elemente zweiter Art 15 angeordnet. Dieser Polygonzug 12a wird im Rahmen dieser Beschreibung als modifizierter Polygonzug bezeichnet. Entlang der beiden weiteren Polygonzüge 12b und 12c sind dagegen ausschließlich antiresonante Elemente erster Art 13, also nur antiresonante Referenzelemente aber keine modifizierten antiresonanten Elemente, angeordnet. Die Polygonzüge 12b und 12c werden daher im Rahmen dieser Beschreibung als Referenz-Polygonzüge bezeichnet. Insbesondere wurde im Rahmen der Erfindung beobachtet, dass eine Modifizierung zusätzlicher Ringe keine Verbesserung bringt, sondern einer Verringerung der Lichtausbreitungsverluste sogar entgegenwirken kann. In der Ausführungsform der 3a kann Licht, welches trotz des modifizierten Polygonzuges 12a aus dem Kern entweicht, durch die weiteren Polygonzüge 12b und 12c zumindest teilweise wieder reflektiert werden. Dies kann jedoch die Diskriminierung der Verluste zwischen Grundmode und höheren Moden verringern. Wie bereits in 2c ist auch in 3a beispielhaft ein Bereich B zwischen den entlang des zumindest einen Polygonzuges 12a alternierend angeordneten antiresonanten Elementen erster und zweiter Art 13, 15 eingezeichnet, welcher frei von weiteren antiresonanten Elementen und/oder weiteren Strukturelementen ist.
Der in der 3b dargestellte Wellenleiter 100 entspricht im Wesentlichen dem Wellenleiter 100 von 2f, bei dem der Mantelbereich 20 kreisförmig angeordnete antiresonante Elemente 13 und 15 aufweist. Der Polygonzug 12 kann in diesem Beispiel also als kreisförmig angesehen werden. Ferner ist in diesem Ausführungsbeispiel der Kernbereich 10 zumindest bereichsweise, d.h. ein Bereich 11 des Kernbereichs 10 mit aktiven Seltenerd-Ionen wie beispielweise Ytterbium, Erbium, Neodym, Thulium oder Holmium dotiert. Dies ermöglicht insbesondere eine Anwendung bzw. Verwendung des Wellenleiters 100 als Laser bzw. Verstärker. Es versteht sich, dass für eine Verwendung des Wellenleiters 100 als Laser bzw. Verstärker die antiresonanten Elemente 13 und 15 nicht unbedingt kreisförmig angeordnet sein müssen, sondern dass die Mantelstruktur auch anders, wie z.B. in den 2a bis 2f oder in 3a gezeigt, ausgestaltet sein kann.
Das in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Design umfasst somit eine den Kern 10 umgebende Mikrostruktur, welche sich aus einer Anordnung von Strukturelementen 13 und 15 zusammensetzt. Die Anordnung kann zum Beispiel auf einem quadratischen Gitter (siehe die 2a und 2b) oder einem hexagonalen Gitter (siehe die 2c und 2d) beruhen. Wie oben bereits erwähnt, ist allgemein eine polygonale Periodizität möglich (siehe die 2e und 2f), insbesondere dann, wenn der Mantel 20 nur einen einzigen den Kern 10 umgebenden Ring 12 mit Strukturelementen aufweist. Vorzugsweise weisen die Strukturelemente bzw. antiresonanten Elemente äquidistante Abstände A zueinander auf. Insbesondere im Falle eines einzigen vorhandenen Polygonzuges bzw. Ringes 12 ist eine strenge Periodizität aber nicht zwingend notwendig, da das Lichtführungsprinzip auf antiresonanter Reflexion beruht. Es ist grundsätzlich somit auch eine vollkommen aperiodische Anordnung an antiresonanten Elementen denkbar.
Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere eine Weiterentwicklung antiresonanter Wellenleiter dar, bei der es aufgrund von einer gezielten Modifikation ausgewählter Mantel-Strukturelemente hinsichtlich Form, Größe oder Brechungsindex oder einer Kombination aus den zuvor genannten Parametern zu einer Interferenz der elektromagnetischen Strahlung im Mantel kommt, wodurch die aus dem Kern abgestrahlte Leistung deutlich reduziert werden kann. In der Folge entstehen spektral lokalisierte Transmissionsfenster, welche um bis zu fünf Größenordnungen geringere Transmissionsverluste aufweisen als eine nicht modifizierte Struktur. Das Prinzip kann auch auf einen Photonischen-Bandlücken-Wellenleiter angewandt werden.
Im Rahmen der Erfindung durchgeführte numerische Simulationen mittels einer Finite-Elemente Simulationssoftware (Comsol Multiphysics) und einer Multipolmethode (CUDOS MOF Utilities) haben gezeigt, dass die Lichtführungsverluste eines erfindungsgemäßen Wellenleiters um bis zu fünf Größenordnungen verringert werden können.
Anhand der in 2f gezeigten Beispielstruktur, welche eine polygonale Anordnung von N = 16 antiresonanten Elementen aufweist wurden Berechnungen bzw. Simulationen durchgeführt, welche in den 4 bis 6 dargestellt sind. Die antiresonanten Elemente sind in diesem Fall auf einem konstanten Radius und mit einem konstanten Winkelabstand 360°/N = 22,5° angeordnet. Der Durchmesser aufeinander folgender antiresonanter Elemente wechselst in dem gezeigten Beispiel alternierend zwischen d₁ und d₂ (alternativ könnten auch die Brechungsindizes alternierend verändert werden; Physikalisch gesehen kommt es insbesondere auf die optische Weglänge, also Weg mal Brechungsindex, senkrecht bzw. radial zur Längsachse bzw. optischen Achse des Wellenleiters an.)
In einer ersten Simulation wurde die Wellenlänge λ₀ konstant auf 1 µm gehalten. Die Brechungsindizes des Hintergrunds (Quarzglas-Matrix) und der antiresonanten Elemente wurden fest auf n_lo = 1.45 und n_hi = 1.47 gesetzt, d.h. die Materialdispersion des Glases wurde vernachlässigt. Des Weiteren wurde das Verhältnis d₁/Λ = 0.50 konstant gehalten.
Die 4 zeigt ein Konturdiagramm der Lichtführungsverluste des Grundmodes (in dB/m) eines solchen antiresonanten Wellenleiters über den ARE Durchmessern d₁ und d₂. Zum Vergleich: Die Verluste eines entsprechenden unmodifizierten Wellenleiters (mit d₁ = d₂) sind in diesem spektralen Fenster in der Größenordnung von 10 dB/m (die hierzu durchgeführten Simulationen sind hier nicht graphisch dargestellt).
Die in 4 markierte „Zylinder-Resonanz“ entspricht Gebieten mit lokal sehr hohen Verlusten, da in diesen Bereichen eine bestimmte Eigenmode der antiresonanten Elemente angeregt wird, wodurch die entsprechenden Zylinder optisch quasi transparent werden und das Licht aus dem Kern entweichen kann. Wie der 4 entnehmbar ist, können mit Hilfe des im Rahmen der Erfindung beschriebenen Designs die Lichtführungsverluste des Grundmodes in einem antiresonanten Einzelring-Wellenleiter von ca. 10 dB/m auf unter 0,001 dB/m reduziert werden.
In einer weiteren Simulation wurden sodann die Lichtführungseigenschaften eines solchen Wellenleiterdesigns unter Berücksichtigung der Materialdispersion für verschiedene Wellenlängen in dem für Ytterbium-Faserlaser wichtigen Wellenlängenbereich rund um 1 µm untersucht. Die Brechungsindizes der Quarzglas-Matrix und der antiresonanten Elemente wurden mit Hilfe der Sellmeier-Gleichung berechnet, wobei angenommen wurde, dass die antiresonanten Elemente mit 13,5 mol% GeO₂ dotiert sind. Basierend auf den Ergebnissen aus 4 wurden feste ARE-Durchmesser mit d₁ = 6,5 µm und d₂ = 4,1 µm gewählt. Das Verhältnis d₁/Λ beträgt 0,50, wodurch sich Λ = 13 µm und ein Kerndurchmesser von ca. 60 µm ergibt. Als Referenz wurde ein konventionelles Design mit d₁ = d₂ = 6,5 µm gerechnet.
In der 5 sind die Lichtführungsverluste des Grundmodes (LP₀₁) und der ersten höheren Modengruppe (LP₁₁) für das konventionelle Design (d₁ = d₂, siehe die in 5 enthaltene obere Skizze) und das erfindungsgemäße Design (d₁ > d₂, siehe die in 5 enthaltene untere Skizze) verglichen. Die Lichtführungsverluste des Grundmodes LP₀₁ des konventionellen Wellenleiters erreicht Werte von minimal 10 dB/m in dem hier gezeigten spektralen Fenster. Die nächsthöhere Modengruppe LP₁₁ weist nur geringfügig größere Verluste (Faktor 4) aus. Ein konventioneller Wellenleiter bzw. eine konventionelle Faser ist also nicht geeignet für eine Anwendung, bei der ein single-modiger Betrieb gewährleistet sein muss. Für eine Anwendung als Faserlaser bzw. Faserverstärker mit hoher Strahlqualität ist dies jedoch unumgänglich. Das erfindungsgemäße Design zeigt dagegen eine deutliche Verringerung der Lichtführungsverluste des Grundmodes LP₀₁ um einen Faktor von bis zu 10⁵ auf absolute Werte von unter 0,001 dB/m. Die höhere Modengruppe LP₁₁ zeigt ebenfalls eine Verminderung der Lichtführungsverluste, jedoch nicht in so extremer Form wie der Grundmode. Dadurch besitzen höhere Moden des Wellenleiters ca. 1000-fach höhere Lichtführungsverluste als der Grundmode, wodurch letzterer beim Betrieb als Laser oder Verstärker favorisiert wird und somit im Wesentlichen single-modig ist.
Abschließend soll anhand eines einfachen Modells illustriert werden, auf welche Weise das im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebene Design funktioniert und weshalb die Lichtführungsverluste so stark herabgesenkt werden können. Dazu zeigt die 6 beispielhaft die azimutale Komponente des elektrischen Feldes des Grundmodes, wobei der Ausschnitt nur den Rand des Kernes (der Ausschnitt stellt nur den Ausläufer eines quasi Gauss-förmigen elektrischen Feldes des Kernes dar), die Querschnitte d₁ und d₂ der antiresonanten Elemente (schraffierte Flächen) und den darum liegenden Mantel umfasst. Die durchgezogene Linie repräsentiert den Fall gleicher ARE-Durchmesser (d₁ = d₂ = 6,33 µm). Das Feld zeigt drei Nulldurchgänge („Knoten“) innerhalb der antiresonanten Elemente und einen oszillierenden Leckwellen-Charakter im Mantel. Die gestrichelte und gepunktete Line zeigen jeweils die azimutale elektrische Feldkomponente des im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Designs entlang der Schnittlinien 1 bzw. 2 (siehe die obere Illustration in 6). Aufgrund des geringeren Durchmesser d₂ des antiresonanten Elements entlang Schnittlinie 2 besitzt das entsprechende elektrische Feld nur zwei Knoten innerhalb des antiresonanten Elements. Das elektrische Feld entlang Schnittlinie 1 weißt drei Knoten auf. Dadurch hat das elektrische Feld entlang beider Schnittlinien im Mantelbereich unterschiedliche Vorzeichen. Mit Hilfe des Durchmessers d₂ lassen sich die Verhältnisse des elektrischen Feldes entlang beider Schnittlinien so einstellen, dass es im Mantelbereich destruktiv interferiert. Die destruktive Interferenz wird deutlich, wenn man sich die Summe des elektrischen Feldes entlang beider Schnittlinien anschaut (siehe das untere Inset in 6). Hier wird auch deutlich, dass der Effekt von der transversalen optischen Weglänge abhängt. Dies bedeutet, dass eine Modifikation sowohl hinsichtlich des Durchmessers der antiresonanten Elemente als auch hinsichtlich ihrer Brechungsindizes, oder einer Kombination davon, möglich ist.
Die vorliegende Erfindung bietet insbesondere ein neuartiges Design des mikrostrukturierten Mantels antiresonanter Wellenleiter, insbesondere für die Verwendung in optischen Fasern, die dadurch geringere Ausbreitungsverluste und eine Bevorzugung des Grundmodes aufweisen. Die vorliegende Erfindung bietet z.B. den Vorteil, dass die Lichtausbreitungsverluste enorm verringert werden können, ohne dabei die Anzahl der Strukturelemente erhöhen zu müssen. Dies stellt beispielsweise bei Strukturen wie dem sogenannten „Light Cage“ einen enormen Vorteil dar. Weiterhin ist es mit Hilfe der vorliegenden Erfindung z.B. möglich, antiresonante Einzelring Wellenleiter zu designen, welche Lichtausbreitungsverluste in einer praktisch relevanten Größenordnung besitzen (<0,1 dB/m). Die vorliegende Erfindung bietet somit insbesondere einen optischen Wellenleiter bzw. eine optische Faser, der/die einen moderaten Verlust des Grundmodes und wesentlich höhere Verluste bei höheren Moden aufweist.
Bezugszeichenliste

10: Kernbereich bzw. Kern
11: aktiv dotierter Kernbereich
12: Polygonzug bzw. Ring
12a: Erster (innerster) Polygonzug bzw. Ring
12b: Zweiter (innerster) Polygonzug bzw. Ring
12c: Dritter (innerster) Polygonzug bzw. Ring
13: antiresonantes Element erster Art (antiresonantes Referenzelement)
15: antiresonantes Element zweiter Art (modifiziertes antiresonantes Element)
20: Mantelbereich bzw. Mantel
50: konventioneller Wellenleiter
100: Wellenleiter (bzw. Faser)
B: Bereich (Hintergrund)
d: Durchmesser
Λ: Abstand

Claims

Optischer Wellenleiter (100) umfassend - einen Kernbereich (10); und - einen Mantelbereich (20), der den Kernbereich (10) umgibt; wobei im Mantelbereich (10) eine Vielzahl von antiresonanten Elementen erster Art (13) und eine Vielzahl von antiresonanten Elementen zweiter Art (15) entlang zumindest eines, sich senkrecht zu einer Längsachse des Wellenleiters (100) um den Kernbereich (10) erstreckenden, Polygonzuges (12) in einer alternierenden Reihenfolge angeordnet sind, wobei sich die antiresonanten Elemente zweiter Art (15) von den antiresonanten Elementen erster Art (13) in einem Brechungsindexprofil unterscheiden.
Optischer Wellenleiter (100) nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex der antiresonanten Elemente erster Art (13) und der Brechungsindex der antiresonanten Elemente zweiter Art (15) jeweils größer als der Brechungsindex eines Mantelhintergrunds ist, und wobei insbesondere gilt: $n_{K} \leq n_{M H} < n_{A R E 1},$
und $n_{K} \leq n_{M H} < n_{A R E 2},$
wobei n_MH den Brechungsindex des Mantelhintergrunds, n_K den Brechungsindex des Kernbereichs, n_ARE1 den Brechungsindex eines antiresonanten Elements erster Art, und n_ARE2 den Brechungsindex eines antiresonanten Elements zweiter Art bezeichnen.
Optischer Wellenleiter (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sämtliche Bereiche (B) zwischen den entlang des zumindest einen Polygonzuges (12) alternierend angeordneten antiresonanten Elementen erster und zweiter Art (13, 15) frei von weiteren antiresonanten Elementen sind.
Optischer Wellenleiter (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die in einer alternierenden Reihenfolge angeordneten antiresonanten Elemente erster und zweiter Art (13, 15) entlang des Umfangs eines Rechtecks, insbesondere Quadrats, oder entlang des Umfangs eines Sechsecks oder im Wesentlichen entlang des Umfangs eines Kreises angeordnet sind, und/oder wobei die antiresonanten Elemente erster und zweiter Art (13, 15) auf den Plätzen eines periodischen Gitters angeordnet sind.
Optischer Wellenleiter (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes der antiresonanten Elemente zweiter Art (15) mindestens zwei, insbesondere mindestens drei oder mindestens vier, antiresonante Elemente erster Art (13) als unmittelbare Nachbarn aufweist.
Optischer Wellenleiter (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Gesamtzahl von antiresonanten Elementen erster Art (13) von der Gesamtzahl von antiresonanten Elementen zweiter Art (15) unterscheidet.
Optischer Wellenleiter (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Mantelbereich (20) nur einen einzigen, sich senkrecht zu einer optischen Achse des Wellenleiters (100) um den Kernbereich (10) erstreckenden, Polygonzug (12) aufweist, auf dem die antiresonanten Elemente erster und zweiter Art (13, 15) in einer alternierenden Reihenfolge angeordnet sind; oder wobei der Mantelbereich (20) mehrere, sich senkrecht zu einer optischen Achse des Wellenleiters (100) um den Kernbereich (10) erstreckende, Polygonzüge (12a, 12b, 12c), auf denen antiresonante Elemente angeordnet sind, aufweist, wobei vorzugsweise nur entlang eines, insbesondere entlang des dem Kernbereich (10) am nächstgelegenen Polygonzugs (12a), der mehreren Polygonzüge (12a, 12b, 12c) sowohl antiresonante Elemente erster Art (13) als auch antiresonante Elemente zweiter Art (15) angeordnet sind.
Optischer Wellenleiter (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil (11) des Kernbereichs (10) mit Seltenerd-Ionen dotiert ist.
Faserlaser oder Faserverstärker umfassend einen optischen Wellenleiter (100) gemäß Anspruch 8.
Verwendung des optischen Wellenleiters (100) gemäß Anspruch 8 zur Realisierung eines Faserlasers oder Faserverstärkers.