DE112005000197B4 - Löchrige Fasern mit großem Kern - Google Patents

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Abstract

Eine optische Multimode-Faser zum Ausbreiten einer fundamentalen Mode mit niedrigem Biegeverlust und zum Unterdrücken von Moden höherer Ordnung, wobei die optische Faser umfasst: einen Mantelbereich, welcher eine Vielzahl von Löchern angeordnet in einer Grundsubstanz umfasst, wobei die Vielzahl von Löchern einen durchschnittlichen Abstand Λ zwischen den Mittelpunkten direkt benachbarter Löcher und eine durchschnittliche Größe d hat, wobei die Vielzahl von Löchern in einer Vielzahl von Ringen N angeordnet ist und einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Löchern die Ausbreitung der fundamentalen Mode im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Löchern hat: (i) einen ausreichenden durchschnittlichen Abstand Λ, um eine vergrößerte effektive Kerngröße zu liefern, (ii) eine ausreichende durchschnittliche Größe d, um eine wesentliche Einsperrung des Lichts innerhalb des Kernbereichs zu liefern und (iii) eine Zahl von Ringen N, welche geeignet ist, die Ausbreitung der fundamentalen Mode zu unterstützen und die Ausbreitung von der Vielzahl von Moden höherer Ordnung zu unterdrücken, wobei die durchschnittliche Größe d und der durchschnittliche Abstand Λ jeweils Werte haben, die ein Verhältnis von d/Λ liefern, das mindestens 0,6 und höchstens 0,938 ist, um eine vergrößerte effektive Kerngröße und eine wesentliche Einsperrung zu liefern und wobei die Zahl von Ringen N weniger oder gleich 2 ist, um Einzelmodenausbreitung zu liefern und wobei die durchschnittliche Größe d mindestens 30 Mikrometer ist.

Description

  • Prioritätsanmeldung
  • Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der in den Vereinigten Staaten vorläufigen Anmeldung 60/536 914, eingereicht am 16. Januar 2004, mit dem Titel „Löchrige Fasern mit großem Kern” (Attorney Docket IMRAA.024PR), welche in ihrer Gänze hier durch Bezug eingeschlossen ist.
  • HINTERGRUND
  • Gebiet
  • Die gegenwärtige Lehre bezieht sich auf optische Fasern im Allgemeinen und insbesondere auf löchrige Fasern für Einzelmoden und Multimoden, welche große Kernabmessungen haben und auf Geräte und Systeme, die solche Fasern verwenden wie Laser und Verstärker.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Eine löchrige Faser ist eine optische Faser, bei der optische Führung durch eine Anordnung von „Löchern”, welche um einen Kern angeordnet sind, bereitgestellt wird. Solche Löcher können einen Brechungsindex haben, der kleiner als der des Kerns ist und bilden zusammen einen Mantelbereich, welcher einen effektiven Brechungsindex hat, der ebenfalls niedriger als jener des Kerns ist.
  • Im Allgemeinen wird der Begriff löchrige Faser hier so benutzt, um eine Faser zu bezeichnen, die eine Vielzahl von Mantelmerkmalen aufweist, z. B. Löcher angeordnet in einer Grundsubstanz, wobei die Mantelmerkmale einen Brechungsindex haben können, der von jenem der Grundsubstanz verschieden ist. Demgemäß kann auf die Mantelmerkmale einfallendes Licht reflektiert werden oder davon gestreut werden.
  • Eine Photonische-Kristall-Faser (PCF) ist eine löchrige Faser, wobei die Löcher in einer regelmäßigen Weise angeordnet sind. In einer Anordnung kann der Mantelbereich durch Löcher gebildet werden, welche in einer hexagonalen dicht gepackten Art angeordnet sind und der Kern kann in dem zentralen Gebiet eines solchen hexagonal gemusterten Mantelbereichs geformt werden. Der Kern kann in dem zentralen Gebiet sein, wo sich ansonsten in der ausgedehnten Anordnung von Löchern ein zentrales Loch oder einer oder mehr innere „Ringe” von Löchern befinden würden. PCFs, welche in der beschriebenen Art gebildet werden, haben demnach eine Kernausdehnung und eine Dicke des Mantelbereichs.
  • Wie bei traditionellen Fasern ist in vielen Anwendungen bei PCFs die Aufrechterhaltung einer Ausbreitung von nur einer Mode wünschenswert. Konventionelle PCFs, welche im Einzelmoden-Ausbreitungsregime betrieben werden, haben Kernabmessungen und Dicken des Mantelbereichs, welche jenen von traditionellen nicht-löcherigen Einzelmoden-Fasern ähneln. Eine Begrenzung von solchen Einzelmoden-Fasern und konventionellen PCFs ist, dass die Kerndimension auf einen relativ kleinen Wert beschränkt ist. Im solchen Fasern mit kleinem Kern resultieren hohe optische Leistungsniveaus bei Spitzenintensitäten, welche Nichtlinearitäten in den Eigenschaften von Kern und Faser induzieren. Anwendungen mit hoher Leistung von solchen Fasern sind deswegen entweder nicht praktisch oder nicht möglich.
  • WO 2002 39159 A1 offenbart eine mikrostrukturierte optische Faser mit speziell ausgestaltetem Mantel, um Einzelmoden-Wellenleitung und geringe Empfindlichkeit gegenüber Biegeverlusten bereitzustellen. Innere Mantelmerkmale können normalisierte Dimensionen von 0,35 bis 0,5 haben. Äußere Mantelmerkmale können normalisierte Dimensionen von 0,5 bis 0,9 haben. Der Normalisierungsfaktor ist ein typischer Abstand zwischen den Mantelmerkmalen. Die Mantelmerkmale haben einen Abstand von mehr als 2 μm.
  • US 2003 0165313 A1 offenbart eine optische Faser mit einem Kern, der von einer ersten äußeren Mantelregion umgeben ist, die von einer zweiten äußeren Mantelregion umgeben ist. Die erste äußere Mantelregion weist im Querschnitt erste äußere Mantelmerkmale auf. Für eine Mehrzahl der Mantelmerkmale ist der minimale Abstand zwischen zwei nächsten Nachbarn kleiner als 1 μm oder kleiner als eine durch die Faser geführte optische Wellenlänge.
  • US 6 334 019 B1 offenbart eine photonische Kristallfaser mit großem Kern mit einem Durchmesser von mindestens 5 μm und einer Mantelregion, die den Kern umgibt, die eine periodische Anordnung von Löchern aufweist, so dass Strahlung entlang des Kerns in einer Einzelmoden-Ausbreitung transmittiert wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kerndurchmesser bis zu 50 μm.
  • WO 2003 032039 A1 offenbart eine optische Faser mit einer Mantelregion mit einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Mantelleerstellen.
  • WO 2003 079077 A1 offenbart eine mikrostrukturierte Faser mit einem inneren und einem äußeren Mantel. Der äußere Mantel weist Mantelmerkmale auf. Eine Mantelaussparung stellt einen optischen Zugang zum inneren Mantel bereit.
  • US 5 818 630 A offenbart einen Multimodenfaserverstärker. Die fundamentale Mode wird in der Multimodefaser erhalten, indem kurze Stufenindex Multimodefasern verwendet werden.
  • Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Nicht alle nachfolgend als Ausführungsformen bezeichnete Beispiele sind erfindungsgemäß.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • In bestimmten, hier beschriebenen Ausführungsformen können Fasern mit großem Kern zum Ausbreiten von einzelnen optischen Moden in Laser und Verstärkern und für andere Systeme benutzt werden. Eine Ausführungsform der Erfindung zum Beispiel weist eine optische Faser zum Ausbreiten einer fundamentalen Mode und zum Unterdrücken von Moden höherer Ordnung auf. Die optische Faser umfasst:
    einen Mantelbereich, welcher eine Vielzahl von Mantelmerkmalen in einer Grundsubstanz angeordnet aufweist, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen einen Durchschnittsabstand Λ und eine Durchschnittsgröße d haben, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen im Wesentlichen in einer Vielzahl von Reihen N angeordnet sind und
    einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen die Ausbreitung der fundamentalen Mode im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen hat: (i) eine ausreichenden durchschnittlichen Abstand Λ, um eine vergrößerte effektive Kernausdehnung bereitzustellen, (ii) eine ausreichende durchschnittliche Größe d, um eine wesentliche Einsperrung des Lichts innerhalb des Kernbereichs zu liefern und (iii) eine durchschnittliche Anzahl von Reihen N, welche geeignet ist, um eine Ausbreitung der fundamentalen Mode zu unterstützen und eine Ausbreitung der Vielzahl von Moden höherer Ordnung zu unterdrücken,
    wobei die Durchschnittsgröße d und der Durchschnittsabstand Λ jeweils Werte haben, welche ein Verhältnis von d/Λ liefern, das mindestens ungefähr 0,35 ist, um eine vergrößerte effektive Kernausdehnung und wesentliche Einsperrung zu erreichen und die durchschnittliche Anzahl von Reihen N weniger oder gleich als ungefähr 4 ist, um Ausbreitung einer Einzelmode zu liefern.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine optische Faser zum Ausbreiten einer einzelnen optischen Mode. Die optische Faser umfasst:
    einen Mantelbereich, welcher eine Vielzahl von Mantelmerkmalen aufweist, welche in einer Grundsubstanz angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen einen durchschnittlichen Abstand Λ und eine durchschnittliche Größe d haben und
    einen Kernbereich, welcher von dem Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen die Ausbreitung der einzelnen optischen Moden im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen hat: (i) einen ausreichenden durchschnittlichen Abstand Λ, um eine vergrößerte effektive Kerngröße 2ρ zu liefern und (ii) eine ausreichende durchschnittliche Größe d, um eine wesentliche Einsperrung des Lichts innerhalb des Kernbereichs zu liefern,
    wobei die Durchschnittsgröße d und der Durchschnittsabstand Λ Werte von mindestens ungefähr 20 Mikrometern haben, um eine effektive Kerngröße von mindestens ungefähr 20 Mikrometern zu liefern.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine optische Faser zum Ausbreiten einer fundamentalen Mode und zum Unterdrücken von Moden höherer Ordnung. Die optische Faser umfasst:
    einen Mantelbereich, umfassend eine Vielzahl von Mantelmerkmalen angeordnet in einer Grundsubstanz, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen einen durchschnittlichen Abstand Λ und eine durchschnittliche Größe d hat, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen in einem Teil der Grundsubstanz angeordnet sind, welcher eine durchschnittliche Dicke t hat und
    einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen die Ausbreitung der fundamentalen Mode im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen hat: (i) ausreichenden durchschnittlichen Abstand Λ, um eine vergrößerte effektive Kerngröße zu liefern und (ii) ausreichende durchschnittliche Größe d, um eine wesentliche Einsperrung des Lichts innerhalb des Kernbereichs zu liefern und (iii) der Teil der Grundsubstanz, welcher die Mantelmerkmale enthält, hat eine ausreichende durchschnittliche Dicke t, um die Ausbreitung der fundamentalen Mode zu unterstützen und die Ausbreitung der Vielzahl von Moden höherer Ordnung zu unterdrücken,
    wobei die durchschnittliche Größe d und der durchschnittliche Abstand Λ jeweils Werte haben, welche ein Verhältnis d/Λ von mindestens ungefähr 0,4 liefern, um einen vergrößerten effektiven Kern und wesentliche Einsperrung bereitzustellen und die durchschnittliche Dicke weniger als oder gleich ungefähr d + 3Λ ist, um Einzelmoden-Ausbreitung zu liefern.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine optische Faser zum Ausbreiten einer einzelnen optischen Mode. Die optische Faser umfasst:
    einen Mantelbereich, welcher eine Vielzahl von Mantelmerkmalen in einer Grundsubstanz angeordnet aufweist, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen einen durchschnittlichen Abstand Λ und eine durchschnittliche Größe d haben und
    einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen die Ausbreitung der einzelnen optischen Moden im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen hat: (i) einen ausreichenden durchschnittlichen Abstand Λ, um eine vergrößerte effektive Kerngröße 2ρ zu liefern und (ii) eine ausreichende durchschnittliche Größe d, um eine wesentliche Einsperrung des Lichts innerhalb des Kernbereichs zu liefern,
    wobei die durchschnittliche Größe d und der durchschnittliche Abstand Λ jeweils Werte haben, welche eine effektive Kerngröße von mindestens ungefähr 40 Mikrometern liefern.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine optische Faser zum Ausbreiten einer einzelnen optischen Mode. Die optische Faser umfasst:
    Einen Mantelbereich, aufweisend eine Vielzahl von Mantelmerkmalen angeordnet in einer Grundsubtanz, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen einen durchschnittlichen Abstand Λ und eine durchschnittliche Größe d haben und
    einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen die Ausbreitung der einzelnen optischen Moden im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen hat: (i) ausreichenden Abstand Λ, um eine vergrößerte effektive Kerngröße 2ρ bereitzustellen und (ii) eine durchschnittliche Größe d, um substanzielle Einsperrung des Lichts innerhalb des Kernbereichs zu liefern,
    wobei die durchschnittliche Größe d im Wesentlichen gleich dem durchschnittlichen Abstand Λ ist.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine optische Faser zum Ausbreiten einer Einzelmode. Die optische Faser umfasst:
    Einen Mantelbereich, aufweisend eine Vielzahl von Mantelmerkmalen in einer Grundsubstanz angeordnet, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen einen durchschnittlichen Abstand Λ und eine durchschnittlichen Größe d haben und
    einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen die Ausbreitung der einzelnen Mode im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen hat: (i) einen ausreichenden durchschnittlichen Abstand Λ, um eine vergrößerte effektive Kerngröße 2ρ zu liefern und (ii) eine ausreichende durchschnittliche Größe d, um substanzielle Einsperrung des Lichts innerhalb des Kernbereichs zu liefern,
    wobei die Differenz zwischen der durchschnittlichen Größe d und dem durchschnittlichen Abstand Λ weniger als ungefähr 50% des durchschnittlichen Abstands Λ ist.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Optische-Faser-Anordnung, welche eine optische Faser umfasst, welche eine fundamentale Mode, die ein Profil einer fundamentalen Mode hat, und eine Vielzahl von Moden höherer Ordnung, welche andere Modenprofile haben, unterstützt. Die Optische-Faser-Anordnung umfasst:
    Einen Mantelbereich, welcher eine Vielzahl von Mantelmerkmalen in einer Grundsubstanz angeordnet aufweist;
    Einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben wird, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen die Ausbreitung des Lichtes im Wesentlichen auf die Kernregion beschränken, wobei der Kernbereich ausreichend groß ist, um die Ausbreitung der fundamentalen optischen Mode und der Vielzahl von Moden höherer Ordnung zu unterstützen;
    und einen optischen Koppler, welcher bezüglich des Kernbereichs so angeordnet ist, um Licht in den Kernbereich einzukoppeln, wobei der optische Koppler eingerichtet ist, um Licht, welches eine optische Verteilung, die im Wesentlichen dem Moden-Profil der fundamentalen Mode entspricht, auszugeben, wodurch er wesentlich mehr des Lichts in die Signalmode der Faser als in die Vielzahl von Moden höherer Ordnung einkoppelt.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Ausbreiten von Licht durch eine optische Faser, die eine fundamentale optische Mode und eine Vielzahl von Moden höherer Ordnung unterstützt. Die fundamentale Mode hat ein Modenprofil mit einer räumlichen Verteilung. Das Verfahren umfasst:
    Einkoppeln von Licht in einen Kernbereich einer optischen Faser, wobei der Kernbereich von einem Mantelbereich umgeben ist, welcher eine Vielzahl von Mantelmerkmalen, welche in einer Grundsubstanz angeordnet sind, umfasst und
    Ausbreiten des Lichts entlang des Kernbereichs, mit der Vielzahl von Mantelmerkmalen, welche die Mantelregion bilden, die Ausbreitung des Lichts im Wesentlichen entlang der Kernregion beschränkend,
    wobei wesentlich mehr des Lichts in die fundamentale Mode der Faser eingekoppelt wird als in die Vielzahl von höheren Moden.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine photonische Bandlückenfaser mit hohlem Kern (hollow core photonic band gap fiber), die eine optische Verstärkung liefert. Die photonische Bandlückenfaser mit hohlem Kern umfasst:
    einen Mantelbereich, welcher eine Vielzahl von Mantelmerkmalen angeordnet in einer Grundsubstanz umfasst,
    einen hohlen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei der hohle Kern einen darin gebildeten hohlen Bereich hat, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen so angeordnet sind, um eine photonische Bandlücke zu bilden, um die Ausbreitung des Lichts im Wesentlichen auf den hohlen Kernbereich zu beschränken und
    einen Gain-Bereich, welcher einen optischen Gain hat, welcher in der Nähe des hohlen Bereichs angeordnet ist, so dass das Licht, welches sich durch den hohlen Kern ausbreitet, durch den Gain verstärkt wird, welcher durch den Gain-Bereich geliefert wird.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine optische Faser umfassend:
    einen Mantelbereich, aufweisend eine Vielzahl von Mantelmerkmalen angeordnet in einer Grundsubstanz, wobei die Anzahl von Mantelmerkmalen einen durchschnittlichen Abstand Λ und eine durchschnittliche Größe d hat, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen im Wesentlichen in einer Vielzahl von Reihen N angeordnet ist;
    einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen die Ausbreitung des Lichts im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen einen durchschnittlichen Abstand Λ und eine durchschnittliche Größe d hat und eine durchschnittliche Zahl von Reihen, um die Ausbreitung einer fundamentalen Mode und einer Vielzahl von Moden höherer Ordnung zu unterstützen; und
    wenigstens einen Modenfilter, der Moden höherer Ordnung unterdrückt durch Einführen eines wesentlich größeren Verlusts für die Moden höherer Ordnung als für die fundamentalen Moden, so dass die fundamentale Mode dominiert, während die Moden höherer Ordnung gedämpft werden.
  • Die hier beschriebene optische Faser kann für viele Anwendungen benutzt werden. Die optische Faser kann zum Beispiel als Gain-Faser benutzt werden und kann in Lasern und Verstärkern einschließlich Faserlasern und Faserverstärkern verwendet werden. Andere Verwendungen sind möglich.
  • Zum Beispiel umfasst eine andere Ausführungsform der Erfindung einen optischen Faserverstärker umfassend:
    Eine optische Gain-Faser zum Ausbreiten einer einzelnen Mode, wobei die optische Gain-Faser einen optischen Gain bereitstellt, wobei die optische Gain-Faser aufweist:
    • (i) einen Mantelbereich, welcher eine Vielzahl von Mantelmerkmalen umfasst, die in einer Grundsubstanz angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen einen durchschnittlichen Abstand Λ und eine durchschnittliche Größe d haben und
    • (ii) einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen die Ausbreitung einer einzelnen Mode im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen hat: (i) einen ausreichenden durchschnittlichen Abstand Λ, um eine vergrößerte effektive Kerngröße 2ρ zu liefern und (ii) eine ausreichende durchschnittliche Größe d, um ausreichende Einsperrung des Lichts innerhalb des Kernbereichs zu liefern, wobei die Differenz zwischen der durchschnittlichen Größe d und dem durchschnittlichen Abstand Λ weniger als ungefähr als 50% des durchschnittlichen Abstands Λ ist.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst einen optischen Faserverstärker, umfassend:
    eine optische Pumpquelle; und
    eine optische Gain-Faser zum Ausbreiten einer einzelnen optischen Mode, wobei die optische Gain-Faser einen optischen Garn liefert, wobei die optische Gain-Faser aufweist:
    • (i) einen Mantelbereich, aufweisend eine Vielzahl von Mantelmerkmalen angeordnet in einer Grundsubstanz, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen einen durchschnittlichen Abstand Λ und eine durchschnittliche Größe d hat und
    • (ii) einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen die Ausbreitung der einzelnen optischen Mode im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen hat: (i) einen ausreichenden durchschnittlichen Abstand Λ, um eine vergrößerte effektive Kerngröße 2ρ zu liefern und (ii) eine ausreichende durchschnittliche Größe d, um eine wesentliche Einsperrung des Lichts innerhalb des Kernbereichs zu liefern,
    wobei die durchschnittliche Größe d im wesentlichen gleich dem durchschnittlichen Abstand Λ ist.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst einen Faserlaser, umfassend:
    Einen Resonator, welcher von zwei mindestens teilweise reflektierenden Oberflächen gebildet wird;
    und eine optische Faser im Resonator, wobei die optische Faser einen optischen Gain hat, wobei die optische Faser eine einzelne optische Mode ausbreitet, wobei die optische Faser aufweist:
    • (i) einen Mantelbereich, welcher eine Vielzahl von Mantelmerkmalen aufweist, angeordnet in einer Grundsubstanz, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen einen durchschnittlichen Abstand Λ und eine durchschnittliche Größe d hat und
    • (ii) einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen die Ausbreitung der einzelnen optischen Mode im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Mantelmerkmalen hat: (i) ausreichenden durchschnittlichen Abstand Λ, um eine vergrößerte effektive Kerngröße 2ρ zu liefern und (ii) eine ausreichende durchschnittliche Größe d, um eine wesentliche Einsperrung des Lichts innerhalb des Kernbereichs zu liefern,

    wobei die durchschnittliche Größe d und der durchschnittliche Abstand Λ Werte von mindestens ungefähr 20 Mikrometern haben, um eine effektive Kerngröße von mindestens ungefähr 20 Mikrometern zu liefern.
  • Andere Ausführungsformen sind möglich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A und B zeigen schematisch eine beispielhafte hohle Faser, welche einen Mantelbereich hat, welcher durch eine Vielzahl von „Löchern” oder Mantelmerkmalen definiert wird, die die Ausbreitung von nur einer einzelnen optischen Mode durch einen relativ großen Kern erleichtert;
  • 2A und B zeigen schematisch eine Ausführungsform einer Photonische-Kristall-Faser (PCF), welche eine Vielzahl von Löchern oder Mantelmerkmalen hat, welche in einer zweidimensionalen Darstellung einer beispielhaften einfachen kubischen Anordnung angeordnet sind, wobei die Abmessung der Löcher, der Abstand zwischen den Löchern und die Zahl der Schichten oder Reihen der Löcher und/oder die Zusammensetzung der Löcher variiert werden kann, um die Ausbreitung von nur einer einzelnen optischen Mode in einem relativ großen Kern zu erlauben;
  • 3A und B zeigen schematisch eine Ausführungsform einer PCF, welche eine Vielzahl von Löchern oder Mantelmerkmalen hat, angeordnet in einer zweidimensionalen Darstellung einer beispielhaften hexagonal dicht gepackten Anordnung, wobei die Abmessung der Löcher, der Abstand zwischen den Löchern, die Zahl der Schichten oder Reihen von Löchern und/oder die Zusammensetzung der Löcher variiert werden kann, um die Ausbreitung von einer einzelnen optischen Mode durch einen relativ großen Kern zu erlauben;
  • 4A–C zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen der hexagonal dicht gepackten Anordnung der 3A und B, welche verschiedene Anzahlen von „Ringen” (d. h. Reihen oder Schichten) von Löchern/Mantelmerkmalen haben, welche in einer Anordnung um einen relativ großen Kern verteilt sind, wobei die Zahl der Ringe verwendet werden kann, um die Leckverluste von verschiedenen optischen Moden eines optischen Signals zu beeinflussen;
  • 5A–C zeigen schematisch, wie die Lochabmessung variiert werden kann, um die Leckverluste von verschiedenen Moden zu beeinflussen;
  • 6A–C zeigen schematisch, wie der Lochabstand variiert werden kann, um die Leckverluste von verschiedenen Moden zu beeinflussen;
  • 7 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer PCF, welche einen relativ großen Kern hat, der zum Unterstützen der Ausbreitung von nur einer einzelnen optischen Mode geeignet ist und weiterhin aufweisend einen äußeren Mantelbereich, welcher durch eine Vielzahl von Löchern zum Unterstützen vieler Moden gebildet wird;
  • 8 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer PCF, welche eine relativ große dotierte Kernregion hat, die zur Ausbreitung einer einzelnen Mode geeignet ist;
  • 9A–F zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen einer hohlen Faser, welche asymmetrische Löcher-Anordnungen haben, welche um einen relativ großen Kern verteilt sind, um polarisationserhaltende (PM) Einzelmodenausbreitung zu erleichtern;
  • 10A–D zeigen schematisch, wie eine effektive Kernabmessung einer PCF geändert werden kann durch „Entfernen” von einer verschiedenen Anzahl von inneren „Ringen” oder Schichten, wobei eine solche Kernabmessung genutzt werden kann, um Ausbreitung von ausgewählten Moden durch einen relativ großen Kern zu erlauben;
  • 11 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer PCF, die einen dotierten Ring oder ringförmigen Abschnitt hat, welcher um einen hohlen Bereich des Kerns angeordnet ist, um Gain zu liefern;
  • 12 zeigt Verlust als eine Funktion der Zahl der Schichten für die fundamentale und die Mode erster Ordnung;
  • 13 zeigt den Verlust als eine Funktion des inversen Biegeradius für fundamentale und die Mode erster Ordnung;
  • 14 zeigt den effektiven modalen Index (modal index) als eine Funktion des inversen Biegeradius für fundamentale und Mode der ersten Ordnung;
  • 15 zeigt schematisch zwei beispielhafte Löcher oder Mantelmerkmale einer PCF, wobei eine Größe d den Durchmesser jedes Lochs darstellt und Λ den Abstand zwischen den Löchern darstellt;
  • 16A–C sind schematische Darstellungen, welche die Betriebscharakteristiken einer PCF zeigen, wobei in einem Plot von λ/Λ versus d/Λ Einzelmoden- und Multimoden-Ausbreitungsregimes durch Kurven getrennt werden, welche verschiedene Anzahlen von Schichten darstellen;
  • 17 zeigt schematisch zwei exemplarische Lochmerkmale, welche verschiedene Formen und Abmessungen haben und
  • 18A und B sind schematische Darstellungen, welche die Betriebscharakteristik einer hohlen Faser zeigen, wobei in einem Plot von λ/Λavg versus davg/Λavg Einzelmoden- und Multimoden-Regimes getrennt sind durch Kurven, welche eine verschiedene effektive Dicke für Mantelbereiche darstellen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON EINIGEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Diese und andere Aspekte, Vorteile und neue Merkmale der gegenwärtigen Lehre werden offensichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen. In den Zeichnungen haben ähnliche Elemente ähnliche Bezugszeichen.
  • Die gegenwärtige Lehre bezieht sich im Allgemeinen auf hohle Fasern, Photonische-Kristall-Fasern und photonische Bandlückenfasern. Zum Zwecke der hiesigen Beschreibung und im Einklang mit dem gegenwärtigen Gebrauch der Fachbegriffe ist eine hohle Faser eine optische Faser, bei der die optische Führung im Wesentlichen durch regulär oder irregulär angeordnete Mantelmerkmale oder „Löcher” geliefert wird. Wie hier gebraucht, beziehen sich Löcher auf Merkmale, angeordnet in einem Grundgerüstmaterial, welche verschiedene optische Eigenschaften wie Brechungsindex im Vergleich zum Grundgerüstmaterial haben. Die Löcher können offen sein, evakuiert oder gefüllt mit Luft, Gas, Flüssigkeit oder können ein anderes Material, transparent oder nicht transparent, aufweisen wie zum Beispiel Glas, ein Polymer oder eine andere Substanz oder Material. Eine Photonische-Kristall-Faser (PCF) ist eine hohle Faser mit einer im Wesentlichen regelmäßigen Anordnung von Löchern. Eine photonische Bandlückenfaser (PBF) ist eine PCF mit angemessenem Abstand und Anordnung der Löcher oder Mantelmerkmale, welche die Bragg-Bedingung bei der Betriebswellenlänge erfüllt und im Wesentlichen optische Führung durch photonische Bandlückeneffekte liefert.
  • 1A zeigt ein Segment einer hohlen Faser 100, während 1B schematisch einen beispielhaften Querschnitt der hohlen Faser 100 entlang der Linie 1B-1B zeigt. Wie der Querschnitt zeigt, umfasst die hohle Faser 100 einen Mantelbereich 102, der als ein ringartiger oder kranzförmige Bereich definiert werden kann, welcher einen durchschnittlichen inneren Radius ρ und einen durchschnittlichen äußeren Radius R hat. Der Mantelbereich 102 umfasst eine Vielzahl von Löchern oder Mantelmerkmalen 110.
  • Der innere Radius ρ definiert weiterhin einen Kern 106 der hohlen Faser 100. Der Kern 106 kann oder kann nicht aus demselben Material gebildet sein wie jenes des äußeren Bereichs 112 und/oder den Räumen zwischen den Löchern 110 (der Grundsubstanz, in der die Löcher gebildet werden). In verschiedenen Ausführungsformen sind der Kern 106, die Räume zwischen den Löchern 110 und der äußere Bereich 112 aus Glas gebildet, welches einen ersten Brechungsindex n1 hat.
  • In bestimmten Ausführungsformen können die Löcher 110 aus Materialien gebildet werden, die einen zweiten Brechungsindex n2 kleiner als n1 haben, einschließend aber nicht begrenzt auf das Vakuum, ein Gas, eine Mischung von Gasen, eine zweite Glasart oder anderes festes oder flüssiges Material. (Im Gegensatz dazu können verschiedene Ausführungsformen der photonischen Bandlückenfaser Löcher oder Mantelmerkmale 110 umfassen, die aus Materialien gebildet werden, die einen zweiten Brechungsindex n2 haben, der größer als der Brechungsindex des Kerns 106 oder der umgebenden Substanz ist.) Wie in 1B dargestellt, können die Löcher 110 verschiedene Abmessungen haben (beispielhaft dargestellt durch die Abmessung d1). Weiterhin können die Abstände zwischen den Löchern 110 verschieden sein (beispielhaft dargestellt durch einen Abstand Λj). Darüber hinaus können auch nicht runde Löcher benutzt werden, obwohl die Löcher 110 als rund gezeichnet sind.
  • Ein Aspekt der gegenwärtigen Lehre bezieht sich auf selektives Manipulieren eines Parameters oder einer Kombination von Parametern wie die effektive Dicke des Mantelbereichs (R–ρ), durchschnittliche Lochgröße (d), durchschnittlicher Lochabstand (Λ) und Lochanordnung. Wie oben beschrieben können die Löcher aus einem verschiedenen Material geformt werden. Zum Zwecke von Teilen dieser Beschreibung wird angenommen werden, dass die Löcher einen Brechungsindex, der kleiner als jener des Kerns ist, haben, obwohl die Löcher nicht darauf beschränkt sein müssen und auch einen größeren Brechungsindex haben können, wie oben beschrieben. Durch Manipulieren der genannten Eigenschaften einer hohlen Faser kann man selektiv die Leckverluste der verschiedenen Moden eines optischen Signals steuern, welches sich durch den Kern ausbreitet. Zum Beispiel wird in verschiedenen Ausführungsformen eine Mode mit einem wesentlich kleineren Leckverlust ausgebreitet, während sich im Wesentlichen alle anderen Moden mit wesentlich größeren Leckverlusten ausbreiten.
  • Wie hier benutzt werden Einzelmoden- und Multimodenfaser konsistent mit den Definitionen definiert, welche für traditionelle, nicht hohle Fasern genutzt werden. Für traditionelle Fasern werden Einzelmoden- und Multimodenfaser im Allgemeinen mit Hilfe der V-Zahl definiert, welche gleich ist mit π (numerische Apertur) (Kerndurchmesser)/Wellenlänge für Stufenindexfasern. Für Nicht-Stufenindexfasern können numerische Apertur und Kerndurchmesser mit den äquivalenten Werten für Stufenindexfasern berechnet werden [siehe z. B. Martinez, F., Husey, C. D., „(E)ESI Determination from mode-field diameter and refractive index profile measurements an single-mode fibres” IEEE Proceedings V135, pp. 202–210, (1988)]. Für Fasern, die die Beziehung V < 2,4 erfüllen, ist die Leistung der fundamentalen Mode signifikant größer als die optische Leistung der nächsthöheren Mode. Alternativ kann für Fasern, bei denen V > 2,4, mindestens die nächste Mode über der fundamentalen Mode eine signifikante Leistung im Vergleich zur fundamentalen Mode haben. Einzelmoden- und Multimoden-traditionelle Fasern sind demnach spezifisch definiert durch die Beziehung V < 2,4 bzw. V > 2,4. V = 2,4 ist das Abschneiden der Ausbreitung von jeder anderen Mode als der Mode niedrigster Ordnung.
  • In hohlen Fasern kann die numerische Apertur durch die Differenz im Brechungsindex zwischen Kern und Mantel ermittelt werden. Jedoch ist ein Kerndurchmesser, der ein äquivalenter Wert für Stufenindex-Fasern ist, schwierig zu berechnen. Verschiedene Referenzenen [siehe zum Beispiel (1) Knight et al, „Properties of photonic crystal fiber and the effective index model” J. Opt. Soc. Am. A Vo. 15, pp. 748–752, (1998), und (2) Mortensen et al „Modal cutoff and the V parameter in photonic crystal fibers” Opt. Lett. V. 28, pp. 1879–1881, (2003)] berichten, dass, wenn der Kerndurchmesser gleich gemacht wird zum Abstand zwischen den Löchern Λ, dann ist der V-Parameter für das Abschneiden der Ausbreitung von jeder anderen Mode als der Einzelmode gleich 2,5 (siehe zum Beispiel Knight et al) und π (siehe zum Beispiel Mortensen et al.). Für die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen ist es nicht kritisch, ob das Abschneide-V 2,405, 2,5 oder π ist. Verschiedene Ausführungsformen der hier beschriebenen hohlen Faser haben einen viel größeren Kernradius als es bei einer konventionellen optischen Faser möglich ist, die die Ausbreitung einer einzelnen optischen Mode unterstützt. Deswegen werden wir die aktuelle Forschung in diesem technischen Gebiet benutzen, bei der eine Multimodenfaser definiert ist, wenn V > π und der Kerndurchmesser ist gleich dem Abstand oder durchschnittlichen Abstand zu der Faser. Umgekehrt ist eine Einzelmodenfaser definiert als eine Faser, bei der V < π.
  • Wie oben beschrieben, kann eine hohle Faser konstruiert werden, um Verlust für spezifische Moden einzuführen. Die Lochgröße, Abstand und die Zahl der Löcher können zum Beispiel ausgewählt werden, um Verlust in der Ausbreitung von Moden höherer Ordnung in einer Multimoden-Faser, bei der V > π, zu induzieren. Mit einem Verringern der Anzahl von Löchern kann Licht in den Moden höherer Ordnung nicht in den Kern eingesperrt werden und kann aus der Faser entweichen. Ein solcher Verlust, eingeführt in eine Multimoden-Faser (V > π), ist analog zu einer traditionellen, nicht löcherigen Multimoden-Faser, welche eine V-Zahl größer als π hat, was Modenfiltern einschließt, zum Beispiel geliefert durch das Biegen der Faser, um Verlust in der Ausbreitung von Moden höherer Ordnung einzuführen. (Modenfilter werden beschrieben zum Beispiel im US-Patent 5 818 630 , erteilt an Fermann et al. am 6. Oktober 1998 und betitelt „Single-mode Amplifier and Compressors Based on Multi-mode Fibers”, welches hier durch Bezug eingeschlossen ist.) Ausreichendes Biegen kann angewandt werden, um Verluste für jede der Moden zu induzieren, die höher als die fundamentale Mode ist, so dass die fundamentale Mode die einzige Mode ist, die sich durch die gebogene Multimoden-Faser ausbreitet. Ähnlich kann eine Multimoden-Hohlfaser, die eine V-Zahl größer als ungefähr π hat, ein Design haben, welches Verlust für Moden höherer Ordnung einführt, so dass die Ausbreitung dieser Moden höherer Ordnung gedämpft wird.
  • Die 2A und B und nachfolgende Figuren stellen verschiedene hohle Fasern dar, welche Löcher mit regelmäßigem Abstand in verschiedenen Konfigurationen haben. Demnach werden diese löchrigen Fasern nun als PCFs (Photonische-Kristall-Fasern) bezeichnet im Einklang mit der oben dargelegten Definition. Es wird sich verstehen, dass, wenn nicht anders gesagt, die Konzepte, welche mit Bezug auf verschiedene PCFs offenbart werden, auch auf eine aperiodische Struktur anwendbar sind, wie zum Beispiel die beispielhafte hohle Faser, die oben in Bezug auf 1A und B beschrieben wurde, wie auch auf asymmetrische und andere Strukturen, die verschiedene Grade von Ordnung haben. Ferner sind die verschiedenen geometrischen Anordnungen der Löcher in den PCFs hier beispielhaft und sollten nicht ausgelegt werden, um den Umfang der gegenwärtigen Lehre zu begrenzen, da ein großer Bereich von Variationen in Konfigurationen, Anordnungen und Merkmalscharakteristiken möglich ist.
  • 2A und B zeigen eine beispielhafte PCF 120, welche eine Vielzahl von Löchern 130 hat, die in einer zweidimensionalen Darstellung einer einfachen kubischen Anordnung angeordnet sind. Ein Kern 126 kann durch einen Bereich definiert werden, der frei von Löchern ist, welcher durch die Abwesenheit eines zentralen Lochs (entfernt aus 2B) in einer einfachen kubischen Anordnung erzeugt wird. Dementsprechend ist 2ρ ein Maß der Kerngröße, welches zum Durchmesser des zentralen Lochs korrespondiert, welches in der Anordnung fehlt. Eine beispielhafter einschichtiger Mantelbereich 122 kann sich beispielsweise zwischen einem inneren Ring 124a (Radius ρ) und einem äußeren Ring 124b (Radius R) befinden, welcher die erste Schicht von Löchern 130 umgibt. Mehr Schicht(en) von Löchern können jenseits der ersten Schicht, die in 2B gezeigt ist, angeordnet werden. Weiterhin kann ein Kern verändert werden durch Entfernen von mehr als dem zentralen Loch (in welchem Fall die Zahl der Reihen oder Schichten in der Anordnung ansonsten größer als eins wäre).
  • Der beispielhafte Mantelbereich 122 liefert den Kern 126, dessen Durchmesser 2ρ vergleichbar mit der Lochabmessung d und dem Lochabstand Λ ist. Durch Auswählen einer relativ großen Lochabmessung und demnach eines relativ großen Lochabstands kann der entsprechende Kerndurchmesser relativ groß sein. Ausbreitung von nur einer einzelnen optischen Mode kann erreicht werden durch selektives Anpassen der Werte von d, Λ und/oder der Zahl von Schichten.
  • 3A und B zeigen eine beispielhafte PCF 140, welche eine Vielzahl von Löchern 150 hat, die in einer zweidimensionalen Darstellung einer beispielhaften hexagonalen dicht gepackten Anordnung angeordnet sind. Ein Kern 146 kann einen Bereich aufweisen, der mit einem abwesenden zentralen Loch überlappt, welches in 3B und aus der hexagonalen Anordnung entfernt wurde. Eine erste Schicht 142 umfasst sechs Löcher 150, die in einer hexagonalen Art angeordnet sind und definiert den Kern 146, der einen Radius ρ hat. Wie unten beschrieben, können mehr Schicht(en) oder Reihen von Löchern jenseits der ersten Schicht 142 angeordnet werden, die in 3B gezeigt wird. Weiterhin kann ein Kern definiert werden durch Entfernen von mehr als dem zentralen Loch (in welchem Fall die Zahl der Schichten oder Reihen in der Anordnung sonst größer als eins wäre).
  • Der beispielhafte Mantelbereich 142 stellt den Kern 146 bereit, dessen Durchmesser 2ρ im Allgemeinen vergleichbar mit der Lochabmessung d und dem Lochabstand Λ ist. Durch Auswählen einer relativ großen Lochabmessung und damit eines relativ großen Lochabstands kann der entsprechende Kerndurchmesser relativ groß sein. Einzelmoden-Ausbreitung, d. h. Ausbreitung von nur einer einzigen optischen Mode unter Ausschluss eines Aufrechterhaltens der Ausbreitung von Moden höherer Ordnung, kann erreicht werden durch selektives Anpassen der Werte von d, Λ und/oder der Zahl der Schichten.
  • Die beispielhafte Faser, die in 3B gezeigt wird, und andere hier offenbarte hohle Fasern können zum Beispiel gebildet werden durch Stapeln von Glaskapillaren, um eine Vorform (preform) zu konstruieren. Eine oder mehr Kapillare im Zentrum können durch einen Glasstab/-drähte ersetzt werden, um den Kern zu bilden. In einigen Ausführungsformen wie unten beschrieben kann/können der/die den Kern bildende(n) Draht/Drähte mit Seltenerd-Ionen dotiert werden, um ein Gain-Medium zu liefern. Die Vorform (preform) kann dann in einem konventionellen Faserzugturm (fiber-drawing-tower) in Fasern mit ähnlichem Querschnitt gezogen werden. Andere Verfahren der Bildung von hohlen Fasern können auch angewandt werden.
  • In einer Ausführungsform hat das Design eines großen Kerns, welches hier offenbart ist, eine im Wesentlichen gleichförmigen Brechungsindexverteilung, besonders über den Kern, vorzugsweise über den Querschnitt der Faser (im Mantelbereich, Lückenbereiche zwischen den Löchern). Wenn der Kerndurchmesser im Bereich von ungefähr 40 bis 100 μm ist (so wie jene, die hier offenbart sind), wird diese Gleichförmigkeit zunehmend wichtig, um im Wesentlichen jeden lokalen Wellenleitereffekt innerhalb des Kerns der Faser auszuschalten.
  • 4A–C zeigen nun verschiedene Ausführungsformen einer PCF, welche Mantelbereiche haben, die durch hexagonal angeordnete Löcher oder Mantelmerkmale gebildet werden. In den beispielhaften PCFs, die in den 4A–C gezeigt sind, sind die Kernabmessungen vergleichbar mit den Lochabständen und den Lochabmessungen. Demnach kann durch Auswählen von einer relativ großen Lochgröße und -abstand eine relativ große Kernabmessung erreicht werden.
  • Eine Art, um einen solchen relativ großen Kern auszulegen, ist es, mit dem Bestimmen der gewünschten Abmessung des Kerns zu beginnen. Dann kann eine hexagonal dicht gepackte Anordnung von Löchern oder Mantelmerkmalen angeordnet werden, wobei der Lochdurchmesser d im Wesentlichen gleich dem Lochabstand Λ ist. Um ein Loch zu erzeugen, kann das zentrale Loch (und möglicherweise mehr Löcher um das zentrale Loch) entfernt werden. Der resultierende „Mantel”-Bereich umfasst einen oder mehrere Ringe oder Reihen von dicht gepackten Löchern, wobei benachbarte Löcher im wesentlichen nah oder sich berührend sind. Da solches dichtes Packen das Lecken von Moden höherer Ordnung reduzieren kann, können Leck-„Pfade” bereitgestellt werden und Lecken vergrößert werden durch Verringern der Lochabmessung, Vergrößern des Lochabstands oder eine Kombination davon, so dass zum Beispiel die benachbarten Löcher sich nicht mehr berühren oder so nahe beieinander sind.
  • 4A zeigt eine Ausführungsform einer PCF 160, welche einen Mantelbereich 162 hat, der durch eine Schicht oder Reihe (N = 1) von Löchern 170 gebildet wird. Ein innerer Teil 164a des Mantelbereichs 162 definiert im Allgemeinen einen Kern 166, der einen Radius ρ hat, und ein äußerer Teil 164b des Mantelbereichs 162 hat einen äußeren Durchmesser R. In der PCF 160, die in 4A dargestellt ist, ist der Lochdurchmesser d kleiner als der Lochabstand Λ. In einer Ausführungsform einer N = 1-PCF ist der Lochdurchmesser d ungefähr 75 μm und der Lochabstand Λ ist ungefähr 80 μm, was in einem Kerndurchmesser 2ρ (= 2Λ-d) resultiert, der ungefähr 85 μm ist.
  • 4B zeigt eine Ausführungsform einer PCF 180, welche einen Mantelbereich 182 hat, welcher durch zwei Schichten oder Reihen (N = 2) von Löchern 170 gebildet wird. Ein innerer Bereich 184 des Mantelbereichs 182 definiert im Allgemeinen einen Kern 186, welcher einen Radius von ρ hat und ein äußerer Teil 184b des Mantelbereichs 182 hat einen äußeren Durchmesser R. In der PCF 180, welche in 4b dargestellt ist, ist der Lochdurchmesser d kleiner als der Lochabstand Λ. In einer Ausführungsform einer N = 2-PCF ist der Lochdurchmesser d ungefähr 35 μm und der Lochabstand ungefähr 40 μm, woraus ein Kerndurchmesser 2ρ (= 2Λ-d) resultiert, der ungefähr 45 μm ist.
  • 4C zeigt eine Ausführungsform einer PCF 200, welche einen Mantelbereich 202 hat, der durch drei Schichten (N = 3) von Löchern 210 gebildet wird. Ein innerer Bereich 204a des Mantelbereichs 202 definiert im Allgemeinen einen Kern 206, welcher ein Radius ρ hat, und ein äußerer Teil 204b des Mantelbereichs 202 hat einen äußeren Durchmesser R. In der PCF 200, welche in 4C dargestellt ist, ist der Lochdurchmesser d kleiner als der Lochabstand Λ. In einer Ausführungsform einer N = 3-PCF ist der Lochdurchmesser d ungefähr 15 μm und der Lochabstand Λ ist ungefähr 20 μm, was in einem Kerndurchmesser 2ρ (= 2Λ-d) resultiert, der ungefähr 25 μm ist.
  • Tabelle 1, wie unten gezeigt, fasst verschiedene Eigenschaften der oben mit Bezug auf 4A bis 4C beschriebenen PCFs zusammen im Vergleich mit verschiedenen konventionellen PCFs, die beschrieben werden in Philip Russell: „Photonic crystal fibers”, Science, Band 299, Seiten 358–62, 2003, Bouwmans et al.: ”High-power Er: Yb fiber laser with very high numerical aperture pumpcladding waveguide”, Applied Physics Letters, Band 83, Seiten 817–18, 2003, Furusawa et al.: ”Cladding pumped Ytterbium-doped fiber laser with holey inner and outer cladding”, Optics Express, Band 9, Seiten 714–20, 2001, und Wadsworth et al.: ”High power air clad photonic crystal fiber laser,” Optics Express, Band 11, Seiten 48–53, 2003. In dieser Tabelle sind die „ausgebreiteten Moden” entweder eine Einzelmode (SM) oder Multimode (MM), je nachdem ob nur Ausbreitung einer einzelnen optischen Mode unterstützt wird oder ob viele optische Moden durch die Faser ausgebreitet werden, N entspricht der Zahl der Ringe oder Reihen (Schichten), d ist der Lochdurchmesser, Λ ist der Lochabstand, 2ρ ist ein Maß des Kerndurchmessers, welches ungefähr gleich 2Λ-d ist in Fällen, bei denen der Kern einem einzigen entfernten zentralen Loch einer hexagonal dicht gepackten Anordnung entspricht, λ ist die Vakuumwellenlänge des Betriebs, Δn ist der modale Abstand (modal spacing) (sowohl gemessen als auch berechnet), NA ist die numerische Apertur (gemessen und berechnet), und V ist der normalisierte Frequenzparameter, der als (2ρ)(NA)π/λ ausgedrückt werden kann. Referenz [1] entspricht Philip Russell: „Photonic crystal fibers”, Science, Band 299, Seiten 358–62, 2003; Referenz [2] entspricht Bouwmans et al.: ”High-power Er: Yb fiber laser with very high numerical aperture pump-cladding waveguide”, Applied Physics Letters, Band 83, Seiten 817–18, 2003; Referenz [4] entspricht Furusawa et al.: ”Cladding pumped Ytterbium-doped fiber laser with holey inner and outer cladding”, Optics Express, Band 9, Seiten 714–20, 2001; und Referenz [5] entspricht Wadsworth et al.: ”High power air clad photonic crystal fiber laser,” Optics Express, Band 11, Seiten 48–53, 2003, wobei jede davon hierin durch Bezug in ihrer Gänze eingeschlossen ist.
  • In Tabelle 1 kann man sehen, dass die konventionellen Einzelmoden-PCFs einen relativ kleinen Wert von d/Λ haben, welcher zu einer relativ kleinen Kerngröße korrespondiert. Weiterhin enthält ihr Mantelbereich eine relativ große Zahl von Reihen oder Schichten von Löchern. Demnach ähnelt der Mantelbereich in diesen konventionellen PCFs, die eine einzelne optische Mode ausbreiten, im Allgemeinen dem Mantel (zum Beispiel einem Glas mit leicht niedrigerem Brechungsindex) einer traditionellem, nicht löchrigen Einzelmoden-Faser.
  • Tabelle 1 zeigt weiterhin Details von zwei beispielhaften PCFs mit großem Kern, die nur eine einzelne optische Mode ausbreiten, bezeichnet als „4B” und „4A” in der Bezugsspalte. Diese zwei PCFs beinhalten verschiedene Designs und Techniken, die hier beschrieben werden. Einige weiter unten beschriebene Techniken wurden gebraucht, um die numerische Simulation für diese beiden beispielhaften PCFs zu erhalten.
  • Die gemessene Indexdifferenz Δnmeas kann aus der gemessenen numerischen Apertur (NA) des Faser-Outputs erhalten werden. Die Präzision einer solchen Messung kann geringer als ideal sein. Da dieser Wert ein nützlicher Parameter für einen Vergleich ist, wurde für jeden Fall die Indexdifferenz aus den gegebenen d und Λ berechnet. Diese berechneten Werte können genauer sein als jene, die durch direkte Messung erhalten wurden.
  • Das berechnete Δncal kann dadurch erhalten werden, dass zuerst der äquivalente Mantelindex berechnet wird, welcher der effektive Index der fundamentalen Mode von einer Struktur ist, welche die grundlegende Einheitszelle des Mantels hat, die sich unendlich in alle Richtungen erstreckt. Diese Berechnung wurde für jeden Fall mit einem Finite-Elemente-Modell mit ausreichender Auflösung durchgeführt. Der Wert von Δncal wird dann bestimmt durch Berechnen der Differenz des Glas-Brechungsindex und des äquivalenten Mantelindex.
  • Wie oben gesagt, ist 2ρ ist das Maß eines äquivalenten Kerndurchmessers und wird als 2Λ-d genommen, wobei ein einzelnes Loch (zum Beispiel ein entfernter Draht) den Kern bildet. In Fallen, bei denen drei abwesende Drähte oder drei Löcher den Kern bilden, kann der Wert des Kerndurchmessers zum Beispiel erhalten werden, aus Mortensen et al.: „Improved large-mode-area endlessly single-mode photonic crystal fibers”, Optics Letters, Band 28, Seiten 393–395, 2003. Tabelle 1
    Figure DE112005000197B4_0002
  • Wie oben mit Bezug auf Tabelle 1 gesagt, ist der V-Parameter der normalisierte Frequenzparameter (auch als V-Zahl bezeichnet), der angenähert werden kann durch (2ρ)(NA)π/λ. Vmeas und Vcal korrespondieren zu gemessenen bzw. zu berechneten V-Werten. In einer traditionellen Faser entspricht V < 2,405 dem Bereich einer Einzelmodenfaser. Wie in Tabelle 1 zu sehen, sind für alle PCFs in den ersten funf Reihen, die nur Einzelmodenausbreitung unterstützen, die berechneten V-Zahlen kleiner als 2,405 (Vcal < 2,405) oder sehr nahe daran. Im Vergleich dazu sind die berechneten V-Zahlen für N = 2 (4B) und N = 1 (4A), die auf den hier beschriebenen Designs und Techniken basieren und wobei Ausbreitung von nur einer einzelnen optischen Mode unterstützt wird, 7,8 bzw. 9,75. Solche großen V-Werte würden bei einer traditionellen, nicht hohlen optischen Faser zu einer Multimoden-Faser gehören wie auch zu einer Multimoden-Ausbreitung in konventionellen PCFs.
  • In allen der Einzelmoden-PCFs in den ersten fünf Reihen von Tabelle 1 ist d/Λ < 0,6, wogegen die N = 2- und N1 = 1-Ausführungsformen der PCFs, die auf hier beschriebenen Designs und Techniken basieren, d/Λ > 0,6 haben. Der relative Lochdurchmesser dieser hier beschriebenen PCFs ist demnach viel größer als jener von konventionellen PCFs. In einigen Ausführungsformen enthält die Faser ein großes Λ für einen große Kerndurchmesser und λ/Λ < 0,3. Die Lochgröße d in einem solchen Bereich von Interesse kann außerdem sehr groß sein im Vergleich zur Wellenlänge λ und zu den Lücken (zum Beispiel Glasgrundsubstanz-Bereich) zwischen Löchern und Streumerkmalen.
  • In einem möglichen Betriebsbereich, wie oben beschrieben, kann Einzelmodenbetrieb erreicht werden (wobei nur eine einzelne optische Mode unterstützt wird und Moden höherer Ordnung unterdrückt werden). Hoher Leckverlust wird bereitgestellt für Moden höherer Ordnung, während der Leckverlust der fundamentalen Mode sehr niedrig gehalten wird. Eine PCF kann ausgelegt werden, um einen substantiellen Leistungsverlust für die Moden höherer Ordnung über die Gerätlänge zu erlauben, während ein akzeptabel niedriger Übertragungsverlust für die fundamentale Mode aufrechterhalten wird. Einige mögliche Arten, den Leckverlust durch Anpassen der Zahl der Schichten von Löchern (N) und der Locheigenschaften zu optimieren, werden unten detaillierter beschrieben.
  • Für die Einzelmoden-PCF mit großem Kern, welche die hier beschriebenen Designs und Techniken verkörpern, ist ein bevorzugter Betriebsbereich d/Λ ≥ 0,35 mit N ≤ 3. Bevorzugter d/Λ ≥ 0,4 oder d/Λ ≥ 0,6. Noch bevorzugter d/Λ ≥ 0,75. Die Kerngrößen können zwischen 20 bis 300 Mikrometern sein oder bevorzugter zwischen ungefähr 30 bis 150 Mikrometern. In einigen beispielhaften Ausführungsformen einer hohlen Faser oder PCF d/Λ > 0,6, N < 4 und λ/Λ < 0,3. In anderen Ausführungsformen einer hohlen Faser oder PCF z. B. d/Λ > 0,75, N ≤ 2 und λ/Λ < 0,3. Der Bereich von verschiedenen Faserdesigns sollte jedoch nicht begrenzt auf diese Parameter sein, da eine große Variation möglich ist.
  • 5 und 6 zeigen nun, wie für eine gegebene Zahl von Schichten oder Löchern Leckverlust geändert werden kann durch Anpassen der Lochgröße und des Lochabstandes. Während eine N = 2-Anordnung zum Beschreiben von 5 und 6 genutzt wird, versteht es sich, dass das Konzept auch für andere Konfigurationen von N gültig ist.
  • 5A–C zeigen drei beispielhafte PCFs 240, 250, 260, welche einen im Wesentlichen konstanten Lochabstand Λ haben. Wie in 5A gezeigt, umfasst ein erster beispielhafter Mantelbereich 244 zwei Schichten von Löchern 242, die einen ersten Durchmesser d1 aufweisen, die mit einem Lochabstand Λ angeordnet sind. Solch eine Konfiguration resultiert in einem ersten Kern 246, welcher einen ersten Kerndurchmesser von 2ρ1 hat und eine erste Lückenabmessung (zwischen zwei benachbarten Löchern) von Λ-d1.
  • Wie in 5B gezeigt, umfasst ein zweiter beispielhafter Mantelbereich 254 zwei Schichten von Löchern 252 mit einem zweiten Durchmesser d2 , die mit Lochabstand Λ angeordnet sind. Solch eine Konfiguration resultiert in einem zweiten Kern 256, der einen zweiten Kerndurchmesser von 2ρ2 hat und eine zweite Lückenabmessung (zwischen zwei benachbarten Löchern) von Λ-d2.
  • Wie in 5C gezeigt, umfasst ein dritter beispielhafter Mantelbereich 264 zwei Schichten von Löchern 262 mit einem dritten Durchmesser d3, die mit einem Lochabstand Λ angeordnet sind. Solch eine Konfiguration resultiert in einem dritten Kern 266, welcher einen dritten Kerndurchmesser 2ρ3 hat und eine dritte Lückenabmessung (zwischen zwei benachbarten Löchern) von Λ-d3.
  • In den 5A–C kann man sehen, dass wenn der Lochdurchmesser abnimmt (d1 > d2 > d3), die Lücke zwischen den Löchern zunimmt (Λ-d1 < Λ-d2 < Λ-d3), wodurch größere Leckverluste möglich sind. Man kann auch sehen, dass die Kerngröße zunimmt (ρ1 < ρ2 < ρ3), wenn der Lochdurchmesser abnimmt. Demnach kann man eine gewünschte Lücke auswählen (und möglicherweise ihre korrespondierende Kerngröße) durch Auswählen einer Lochgröße bei einem gegebenen Lochabstand.
  • 6A–C zeigen nun drei beispielhafte PFCs 270, 280, 290, die eine im Wesentlichen konstante Lochabmessung d haben. Wie in 6A gezeigt, umfasst ein erster beispielhafter Mantelbereich 274 zwei Schichten von Löchern 272 mit Durchmesser d, welche mit einem ersten Lochabstand Λ1 angeordnet sind. Solch eine Konfiguration resultiert in einem ersten Kern 276, der einen ersten Kerndurchmesser 2ρ1 hat und eine erste Lückenabmessung (zwischen zwei benachbarten Löchern) von Λ1-d.
  • Wie in 6B gezeigt, umfasst ein zweiter beispielhafter Mantelbereich 284 zwei Schichten von Löchern 282 mit Durchmesser d, die mit einem zweiten Lochabstand Λ2 angeordnet sind. Solch eine Konfiguration resultiert in einem zweiten Kern 286, welcher einen zweiten Kerndurchmesser von 2ρ2 hat und eine zweite Lückenabmessung (zwischen zwei benachbarten Löchern) von Λ2-d.
  • Wie in 6C gezeigt, umfasst ein dritter beispielhafter Mantelbereich 294 zwei Schichten von Löchern 292 mit Durchmesser d, welche mit einem dritten Lochabstand Λ3 angeordnet sind. Solch eine Konfiguration resultiert in einem dritten Kern 296, welcher einen dritten Kerndurchmesser 2ρ3 hat und eine dritte Lückenabmessung (zwischen zwei benachbarten Löchern) von Λ3-d.
  • Aus den 6A–C kann man sehen, dass wenn der Lochabstand zunimmt (Λ1 < Λ2 < Λ3), die Lücke zwischen den Löchern ebenfalls zunimmt (Λ-d1 < Λ-d2 < Λ-d3), wodurch größere Leckverluste erlaubt sind. Man kann auch sehen, dass die Kerngröße zunimmt (ρ1 < ρ2 < ρ3), wenn der Lochabstand zunimmt. Demnach kann man eine gewünschte Lücke (und möglicherweise ihre korrespondierende Kerngröße) auswählen durch Auswählen eines Lochabstands bei einer gegebenen Lochabmessung.
  • Die oben mit Bezug auf 5 und 6 beschriebenen Anpassungen der Leckverluste werden durch unabhängiges Anpassen von Lochgröße und Lochabstand durchgeführt. Man kann auch den Leckverlust anpassen durch Anpassen von Lochgröße und Lochabstand in einer Kombination, um eine gewünschte Leckverlust-Eigenschaft zu erreichen. Weiterhin können die Lochgröße und -abstand sich möglicherweise von Schicht zu Schicht ändern, um ein gewünschtes Resultat zu erreichen.
  • 7–9 zeigen nun verschiedene Ausführungsformen von PCFs, die relativ große Kerne enthalten und geeignet sind für Einzelmodenausbreitung, bei der nm eine einzelne Mode ausgebreitet wird und Ausbreitung von Moden höherer Ordnung unterdrückt wird. 7 zeigt eine beispielhafte PCF 300, welche einen Mantelbereich 302 hat, der Einzelmodenausbreitung durch einen relativ großen Kern 304 erlaubt. Die PCF 300 umfasst weiterhin einen äußeren Mantel 306, der in einem äußeren Teil 312 der PCF 300 angeordnet ist. Der beispielhafte äußere Mantel 306 umfasst eine Vielzahl von Löchern 310, die in einer hexagonalen Gestalt angeordnet sind. In einer Ausführungsform ist die hexagonale Gestalt des äußeren Mantels 306 im Wesentlichen konzentrisch mit der hexagonalen Gestalt des Mantelbereichs 302.
  • Solch eine „Doppelmantel”-Faser kann z. B. in Faserverstärkern, Lasern, Dauerstrich- und gepulsten Lichtquellen oder in anderen Geräten und Systemen, bei denen die Faser gepumpt wird, benutzt werden. Ein äußerer Mantel, der aus Löchern gebildet ist, kann eine Anzahl von vorteilhaften Merkmalen gegenüber konventionellen Doppelmantel-Fasern liefern. Ein möglicher Vorteil ist, dass eine Polymerschicht mit niedrigem Index der konventionellen Doppelmantel-Faser eliminiert werden kann. Polymerschichten mit niedrigem Index können relativ leicht durch Hitze und hohe optische Leistung beschädigt werden, wodurch sie potentiell Zuverlässigkeits- und Stabilitätsprobleme für Hochleistungsanwendungen darstellen. Ein anderer möglicher Vorteil ist, dass im Vergleich zu konventionellen Doppelmantel-Fasern eine relativ hohe numerische Apertur erreicht werden kann. Dieses Merkmal erlaubt einen kleineren Pump-Wellenleiter und folglich verbesserten Überlapp von Pump- und Laserlicht, was möglicherweise zu einer kürzeren Gerätelänge führt. Ein kürzeres Gerät reduziert zusätzlich dazu, dass es kompakter und ökonomischer ist, auch nichtlineare Effekte, die die Spitzenleistung von Lasern und Verstärkern begrenzen.
  • 8 zeigt eine andere Ausführungsform einer PCF 320, welche einen Mantelbereich 22 hat, der Einzelmodenausbreitung durch einen relativ großen Kernbereich erlaubt. Die PCF 320 enthält weiterhin einen dotierten Kern 324, welcher im Kernbereich angeordnet ist. Solch eine PCF mit dotiertem Kern kann einen äußeren Mantel einschließen, welcher durch eine Vielzahl von Löchern gebildet wird, welche in einem äußeren Bereich 326 um den Mantelbereich 322 angeordnet sind. In einer Ausführungsform umfasst der dotierte Kern 324 einen Seltenerd-dotierten Kern, der es der PCF 320 erlaubt, als Gain-Medium gebraucht zu werden wie zum Beispiel in einem Faser-Laser oder einem Faser-Verstärker.
  • 9A–D zeigen verschiedene Ausführungsformen einer PCF, welche Mantelbereiche haben, die Einzelmodenausbreitung durch relativ große Kernflächen erlauben. Die Mantelbereiche schließen Asymmetrien ein, die Polarisationserhaltung von optischen Signalen bestehend aus einer polarisierten Einzelmode erleichtern, welche sich durch die entsprechenden Kerne ausbreiten.
  • 9A zeigt eine beispielhafte PCF 330, die einen Mantelbereich 332 hat, der Einzelmodenausbreitung durch eine relativ große Kernfläche erlaubt. In der exemplarischen PCF 330 ist die Kernfläche besetzt mit einem dotierten Kern 340, um ein Gain-Medium bereitzustellen. Der Mantelbereich 322 umfasst eine Vielzahl von ersten Löchern 334, die eine oder mehr Schichten bilden. Der Mantelbereich 332 schließt eine Asymmetrie ein, welche durch zweite Löcher 336 eingeführt wird, die verschieden von den ersten Löcher 334 sind. In einer Ausführungsform sind die zweiten Löcher 336 kleiner als die ersten Löcher 334 und sind auf gegenüberliegenden Seiten der Kernfläche angeordnet, wodurch sie einer Vorzugsrichtung des elektrischen Feldes des optischen Signals erlauben.
  • 9B zeigt eine beispielhafte PCF 350, welche einen Mantelbereich 332 hat (ähnlich zu 9A), der Einzelmodenausbreitung durch einen relativ großen Kern 360 erlaubt. Der Mantelbereich 332 und die Asymmetrie darin erlaubten polarisationserhaltende Einzelmodenausbreitung durch den Kern 360.
  • 9C zeigt eine beispielhafte PCF 370, welche einen Mantelbereich 372 hat, der Einzelmodenausbreitung durch eine relativ große Kernfläche erlaubt. Ähnlich zu der PCF 330 aus 9A, hat die beispielhafte PCF 370 einen dotierten Kern 380, um eine Gain-Medium bereitzustellen. Eine Asymmetrie des Mantelbereichs 372 wird erreicht durch kleinere Löcher 376 (kleiner als die Löcher 374), welche um den Kern 380 angeordnet sind, wodurch sie eine Vorzugsrichtung des elektrischen Feld des optischen Signals erlauben.
  • 9D zeigt eine beispielhafte PCF 390, welche einen Mantelbereich 372 hat (ähnlich zu 9C), der Einzelmodenausbreitung durch einen relativ großen Kern 400 erlaubt. Der Mantelbereich 372 und die Asymmetrie darin erlauben polarisationserhaltende Einzelmodenausbreitung durch den Kern 400.
  • Wie in 9E und 9F gezeigt, kann die Position der ersten größeren Menge von Löchern 334 und die Position der zweiten kleineren Menge von Löchern 336 ausgewählt werden, so dass die Entfernung (s1) der größeren Löcher 334 ungefähr gleich der Entfernung (s2) der kleineren Löcher 336 ist (s1 ≈ s2). (Diese Entfernungen s1, s2 und allgemein die Position der Löcher 334, 336 können zum Beispiel vom Zentrum der Löcher 334, 336 gemessen werden.) Diese Konfiguration liefert eine kreisförmigere fundamentale Mode, was in vielen Anwendungen wünschenswert ist. In verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen befinden sich die Positionen dieser Löcher 334, 336 an Gitterpunkten, welche einem Gitter (zum Beispiel einem im Allgemeinen hexagonalen Gitter) entsprechen, welches wie oben beschrieben einen durchschnittlichen Abstand Λ hat. Alternativ können die kleinen Löcher 336 näher sein (siehe die gestrichelten Löcher in 9E), oder die großen Löcher 334 (siehe das gestrichelte Loch in 9F) können weiter entfernt sein. 9E zeigt die kleinen Löcher 336 verschoben mit Bezug auf die Gitterpositionen und insbesondere zum Zentrum der Faser hin. Im Gegensatz dazu zeigt 9F die großen Löcher 334 verschoben mit Bezug auf die Gitterpositionen und insbesondere weg vom Zentrum der Faser. Andere Konfigurationen sind auch möglich.
  • Die verschiedenen PCFs, die oben mit Bezug auf 2–9 beschrieben worden sind, haben Kerne, die Flächen besetzen, wo ansonsten sich die entsprechenden zentralen Löcher befinden würden. Es versteht sich, dass ein relativ großer Kern auch Fläche(n) in anderen Bereichen einschließen kann. Zum Beispiel können zwei benachbarte Löcher der ersten Schicht entfernt werden, um einen dreieckig geformten Kern zu ergeben, der leicht exzentrisch bezüglich des geometrischen Zentrums des hexagonal geformten Mantelbereichs ist. In einem anderen Beispiel kann die gesamte erste Schicht entfernt werden, um einen größeren Kern zu liefern, dessen Abmessung ähnlich zum äußeren Rand der ersten Schicht ist.
  • Ob solche vergrößerten Kerne Einzelmodenausbreitung unterstützen können, hängt vom Ausmaß des Leckverlustes der nicht fundamentalen (höherer Ordnung) Moden bezüglich des Verlusts der fundamentalen Moden für eine gegebene Länge der PCF ab. Verschiedene oben beschriebene Eigenschaften des hohlen Mantels (wie Lochgröße, Lochabstand, Zahl der Schichten, Lochzusammensetzung etc.) können angepasst werden, um Einzelmodenausbreitung durch den vergrößerten Kern zu erreichen. Alternativ können verschiedene Eigenschaften des hohlen Mantels ausgewählt werden, um Ausbreitung einiger ausgewählten Moden eines optischen Signals zu erlauben.
  • Wie hier benutzt, bezieht sich „optisches Signal” allgemein auf ausgebreitete optische Energie oder Leistung und ist nicht begrenzt auf einen optischen Träger für Stimme, Daten oder Information. Zum Beispiel kann das optische Signal zu dem Licht, welches sich durch einen optischen Faserverstärker ausbreitet, oder dem Output eines faseroptischen Lasers oder einer anderen Lichtquelle korrespondieren.
  • Ein Aspekt der gegenwärtigen Lehre bezieht sich auf das Ausbreiten eines Einzelmodensignals durch eine Faser, die viele Moden unterstützt. Da die „Moden-Auswahl” in hohlen Fasern von den relativen Leckverlusten der verschiedenen Moden abhängt, kann die hohle Faser so konfiguriert werden, dass sie die Ausbreitung von verschiedenen nicht-fundamentalen Moden erlaubt, wenn der Mantelbereich so konfiguriert ist, um diese Moden höherer Ordnung „einzuschließen” (d. h. nicht einen wesentlichen Verlust durch Lecken zu erlauben). Solch eine hohle Faser zum Ausbreiten von vielen Moden (z. B. ungefähr 20 Moden oder mehr) oder „wenigen” Moden können zum Beispiel gemacht werden durch Entfernen von einer oder mehr inneren Schichten, wie in 10A und B gezeigt.
  • In 10A umfasst eine beispielhafte PCF 410 einen Mantelbereich 412, der durch eine hexagonale Anordnung von Löchern 414 gebildet wird. In einer Ausführungsform wird ein Kern 420 in einer Fläche gebildet, wo sich ansonsten in der Anordnung das zentrale Loch und die erste Schicht von Löchern (nicht gezeigt) befinden würden. Die beispielhafte PCF 410 kann weiterhin einen äußeren Mantel einschließen, welcher in einem äußeren Bereich 416 angeordnet ist.
  • In 10B umfasst eine beispielhafte PCF 430 eine Mantelbereich 432, welcher durch eine hexagonale Anordnung von Löchern 434 gebildet wird. In einer Ausführungsform wird ein Kern 440 durch zusätzliches Entfernen einer zweiten Schicht von Löchern gebildet. Die beispielhafte PCF 430 kann weiter einen äußeren Mantel enthalten, der in einem äußeren Bereich 416 angeordnet ist. Demnach kann man sehen, dass der resultierende Kern 440 (und der Kern 420 aus 10A) relativ groß sein kann, um Handhabung von optischen Signalen nit hoher Leistung zu erlauben, ohne dass übermäßige Intensitätsniveaus erreicht werden, die optische nicht-lineare Effekte verursachen, welche den Betrieb beeinträchtigen könnten.
  • 10C und D zeigen nun, wie ein Einzelmodensignal über eine gegebene Länge einer PCF ausgebreitet werden kann, die wenige optische Moden unterstützt. In 10C umfasst eine Ausführungsform einer PCF 450, welche „wenige” Moden unterstützt, zwei (beispielhafte) Schichten 454A, 454B von Löchern, welche einen Mantelbereich 452 um einen relativ großen Kern 460 bilden. Obwohl ein äußerer Mantel 456 in 10C gezeigt wird, kann ein solches Merkmal in einigen Ausführungsformen nicht gewünscht sein.
  • Wie in 10C gezeigt, wird ein Einzelmoden-Signal 464 ohne Moden höherer Ordnung von einer Signalquelle 462 in den Kern 460 der PCF 450 eingeführt. Das Einzelmodensignal 464 wird gezeigt, dass es im Wesentlichen die Länge L der PCF 450 überlebt, um als ein Einzelmodensignal 466 aufzutauchen. Das Überleben des Einzelmodensignals kann durch ein relativ großen modalen Abstand (model spacing) der PCF erleichtert werden. PCFs, welche viele optische Moden unterstützen, können entworfen werden, um einen großen modalen Abstand zwischen der fundamentalen Mode und der nächst höheren Mode zu haben, größer als ungefähr 0,001, während sie gleichzeitig einen großen Kern (mit einem Durchmesser von potenziell Hunderten Mikrometern) haben. Der große modale Abstand (model spacing) reduziert Kopplung zwischen den Moden.
  • Demnach wird von einem Signal einer fundamentalen Mode (464 in 10C), welches in die PCF eingeführt wird, welche die Ausbreitung von vielen Moden unterstützt, erwartet, dass es über eine gegebene Länge der PCF robust in dieser einzelnen Mode geführt wird.
  • Eine Vielzahl von Techniken kann angewendet werden, um eine Einzelmode in die Faser einzuführen, welche viele optische Moden unterstützt. Zum Beispiel kann ein optischer Koppler mit Bezug auf den Kernbereich angeordnet werden, um Licht in den Kernbereich einzukoppeln. Der optische Koppler kann so konfiguriert werden, um Licht auszugeben, welches eine optische Verteilung hat, die im Wesentlichen dem Modenprofil der fundamentalen Mode entspricht. Mehr des Lichts ist dadurch im Wesentlichen in die Signalmode gekoppelt als in die Moden höherer Ordnung. Der optische Koppler kann zum Beispiel eine Linse oder andere Optik aufweisen, welche geeignete Charakteristiken hat (zum Beispiel optische Leistung, numerische Apertur etc) und die so bezüglich des Kernbereichs angeordnet ist, um Licht zu einer Größe herunter zu fokussieren, welche der Größe des Modenprofils der fundamentalen Mode entspricht. Alternativ kann der optische Koppler einen Wellenleiter (waveguide) umfassen, der Licht ausgibt, welches eine Verteilung hat, die dem Modenprofil der fundamentalen Mode entspricht. Andere Techniken können auch verwendet werden.
  • 10D zeigt ein Blockdiagramm eines Systems 470 zum Ausbreiten eines optischen Signals, welches ein Multimodensignal 472 mit hoher Leistung mit zum Beispiel 20 oder mehr optischen Moden auf ein Einzelmodensignal 486 reduziert. Ein oder mehr Segmente einer PCF werden verwendet, welche „wenige” optische Moden unterstützt, wie oben mit Bezug auf 10A–C beschrieben. Das beispielhafte Signal 472, welches viele Moden hat, wird gezeigt, wie es in eine erste PCF 474 eingeführt wird, welche eine erste Länge L1 hat, welche wenige optische Moden unterstützt. Nach dem Durchlaufen der ersten Länge L1 wird das Multimodensignal 472 auf ein Wenigmodensignal 476 reduziert, da andere Moden als die wenigen Moden durch Lecken verloren werden. Das „Wenig”moden-Signal 476 wird dann gezeigt, wie es durch einen Filter 480 läuft, der nicht fundamentale Moden aus den Wenigmoden-Signal 476 herausfiltert. Der Filter 480 kann so konfiguriert werden, dass er im Wesentlichen die Leistung in den Mode(n) höherer Ordnung eliminiert, während er das Durchlaufen der fundamentalen Mode erlaubt. Solches Modenfiltern kann implementiert werden durch Geräte und/oder Techniken, wie Verjüngungen (tapers), Biegungen, Gitter (grating) wie Gitter mit langer Periode, um Moden höherer Ordnung in leckende Moden zu koppeln und Gain/Loss-Profilierung. Modenfilter werden im US Patent 5 818 630 beschrieben, erteilt an Fermann et al am 06. Oktober 1998 und betitelt „Single-mode Amplifier and Compressors Based an Multi-mode Fibers” (Attorney Docket IM-59), welches hier durch Bezug eingeschlossen ist.
  • Wie weiter in 10D gezeigt wird, taucht ein Einzelmodensignal 482 aus dem Filter 480 auf. Das Einzelmodensignal 482 kann dann durch eine zweite PCF 484 (Länge L2) geleitet werden, die Wenigmoden-Ausbreitung unterstützt, um im Output-Einzelmodensignal 486 zu resultieren.
  • Ein anderer Aspekt der gegenwärtigen Lehre bezieht sich auf eine PCF, welche eine Vielzahl von Löchern hat, die in einer Anordnung oder Gitter, welches die Bragg-Bedingung für eine gegebene Signalwellenlänge erfüllt, angeordnet sind. In Einklang mit der oben vorgestellten Beschreibung wird eine solche PCF als eine PBF (photonische Bandlückenfaser) bezeichnet. 11 zeigt eine beispielhafte PBF 490, die eine Anordnung 492 von Löchern 494 hat, die auf einem Fasermaterial 476 angeordnet sind. Die Anordnung 492 definiert eine Kernfläche 500, durch welche sich das Signal ausbreitet.
  • Da eine PBF auf Bragg-Reflexion oder Streuung statt auf einer durchschnittlichen Brechungsindex-Differenz beruht, kann der Kern einen niedrigen Brechungsindex haben. Folglich kann der Kern evakuiert werden oder mit Luft oder anderen Gasen oder einem Medium gefüllt werden, die sehr kleine nichtlineare Effekte haben. Solch ein vorteilhaftes Merkmal kann zu einer signifikanten Verringerung eines nichtlinearen Effekts führen, und folglich kann sich sehr hohe optische Leistung in diesen PBFs ausbreiten, ohne an einer nichtlinearen Störung zu leiden.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Kern 500 weiterhin einen dotierten ringförmigen oder kranzförmigen Bereich 502, der um das Zentrum des Kerns angeordnet ist. Da 11 eine Querschnittsansicht der Faser ist, kann der dotierte Bereich 502 einen dotierten Teil haben, welcher die Gestalt eines hohlen, regelmäßigen und kreisförmigen Zylinders hat. Demnach kann ein offener innerer Bereich 504 des dotierten Rings 502 mit Luft oder anderen Gasen gefüllt werden, um den nichtlinearen Effekt der PBF zu verringern. Verschiedene andere Konfigurationen sind möglich. Zum Beispiel kann der dotierte Bereich geradlinig sein und einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt haben, wenn er aus dem Blickwinkel, der in 11 präsentiert wird, betrachtet wird. Alternativ kann die Querschnittsansicht des dotierten Bereichs dreieckig, pentagonal, hexagonal, oktogonal sein oder irgendeine große Vielfalt von regulären oder irregulären Formen haben. Dieser Bereich muss auch nicht zusammenhängend sein und kann Lappen oder segmentierte Teile umfassen. Zum Beispiel kann der dotierte Bereich zwei oder mehr Teile umfassen, welche sich bzgl. des hohlen Kerns gegenüberliegend befinden. Noch andere Variationen sind möglich. In verschiedenen Ausführungsformen jedoch kann der dotierte Bereich 502 im PBF-Kern Gain für Laser und Verstärker liefern, und solche Laser und Verstärker können sehr hohe Outputs haben.
  • 12–14 zeigen verschiedene Eigenschaften von hohlen Fasern und Resultaten von Computersimulationen, die die fundamentale Mode und die Mode erster Ordnung charakterisieren. 12 zeigt ein Verlustprofil 510 für die fundamentale Mode und die Mode erster Ordnung einer PCF als eine Funktion der Zahl der Schichten von Löchern. Bei dieser Simulation waren die Lochabmessung und der Lochabstand d = 35 μm bzw. L = 40 μm (demnach hatte sie einen Kerndurchmesser von ca. 45 μm). Der N = 2-Datenpunkt entspricht der Konfiguration des Mantelbereichs, welche oben mit Bezug auf 4B beschrieben wird, und der N = 1-Datenpunkt gehört zu dem Mantelbereich, bei dem die zweite Schicht entfernt ist.
  • Man kann sehen, dass der Leckverlust stark von der Zahl der Schichten abhängt. Wie erwartet resultiert eine Verringerung von N (N = 2 zu N = 1) in einer Erhöhung des Leistungsverlusts für beide Moden. Für die fundamentale Mode verursacht die Verringerung in N (2 zu 1) einen Leckanstieg um mehr als drei Größenordnungen. Für die Mode erster Ordnung verursacht dieselbe Verringerung in N einen Leckanstieg um ungefähr zwei Größenordnungen.
  • Aufgrund einer solch starken Abhängigkeit von N ist es eine Vorgehensweise des Entwerfen einer PCF für eine bestimmte Anwendung, dass man zuerst den Leckverlust durch Auswahl einer Zahl von Schichten oder Reihen N grob einstellt. Sobald der Leckverlust im gewünschten allgemeinen oder ausgedehnten Bereich ist, kann ein Feineinstellen des Leckverlusts durch ein Variieren der Lochgröße durchgeführt werden. Wie erwartet und wie oben in Bezug auf 5A–C beschrieben, führen kleinere Löcher im Allgemeinen zu einem größeren Leistungsverlust.
  • Im Allgemeinen sind für Moden höherer Ordnung die Anstiege im Leistungsverlust wesentlich größer bei verschiedenen Werten von N wie auch für kleinere Löcher. Um ein PCF zu entwerfen, das nur eine einzelne optische Mode ausbreitet, stellt das Auswählen des Werts von N und der Lochgröße, um im Wesentlichen die Mode erster Ordnung über eine gegebene Länge zu eliminieren, sicher, dass auch höhere Moden im Wesentlichen eliminiert werden.
  • In verschiedenen Anwendungen von PCFs, wie Faserlasern, Verstärkern und Lieferfasern (delivery fibers) ist die Faserlänge in der Ordnung von einigen Meter oder weniger. In solchen Anwendungen kann N ≤ 3 einen Einzelmoden-Betrieb für d/Λ ≥ 0,6 erreichen. Vorzugsweise d/Λ ≥ 0,75.
  • 13 zeigt ein Verlustprofil 520 als eine Funktion des Biegens einer beispielhaften PCF, die zwei Schichten von luftgefüllten Löchern hat, mit d = 35 μm und Λ = 40 μm (demnach mit einem Kerndurchmesser von ungefähr 45 μm). Die fundamentale Mode ist im Großen und Ganzen eingesperrt durch die Luft/Loch-Grenze. Diese Eigenschaft führt zu einem nützlichen niedrigen Biegeverlust, welcher aus der Tatsache folgt, dass die Mode im Biegebereich als Resultat des starken Einsperren der Luft/Loch-Grenze wesentlich verringert ist. Bei sehr kleinen Biegedurchmessern, zum Beispiel ungefähr 25 mm (der inverse Biegeradius ist ungefähr 0,04 mm–1) kann der Verlust der fundamentalen Mode an einer Biegung groß sein, während der Verlust der Mode erster Ordnung an der Biegung durch den Modenreduktions-Effekt, welcher unter beschrieben wird, wesentlich reduziert werden kann.
  • Der Biegeverlust wird gewöhnlich als Ausbreitungsverlust bezeichnet, welcher zur Ausbreitung durch Biegungen gehört. Um die in 13 gezeigten Resultate zu erhalten, wurde der Modenübergangsverlust (mode transition loss) von Moden für gerade Fasern zu Moden für gebogene Fasern im Modell nicht berücksichtigt. Ein solcher Übergangsverlust hängt von der Natur des Übergangs ab und kann bei einem langsamen adiabatischen Übergang vernachlässigbar sein.
  • Man kann sehen, dass man den Betrag des Biegens einer PCF nutzen kann, um zu bestimmen, wieviel Leistung in der fundamentalen und in der Mode erster Ordnung wegen des Biegens verloren wird. Um beim Entwerfen des biegeinduziertem Verlusts zu helfen, können einige der Eigenschaften von Biegeverlust in PCFs, die unten beschrieben sind, nützlich sein.
  • Die Biegeempfindlichkeit von diesen Arten von Fasern (zum Beispiel PCFs mit großen Löchern) ist sehr gering. Dieses Resultat ist der Tatsache geschuldet, dass die modale Fläche (modal area) mit verringertem Durchmesser der Biegungen fortschreitend reduziert wird, was aus der Tatsache folgt, dass das modale Feld eingeschränkt wird für das Eindringen in die großen, nahe gelegenen Luftlöcher. Diese Charakteristik ist signifikant verschieden von traditionellen Fasern und konventionellen PCFs, bei denen das modale Feld aus dem Zentrum verschoben ist, mit einem viel kleineren Niveau von Feldstörung bei einer Biegung. Als eine Folge bewegt sich das modale Feld jenseits der Kern-Mantel-Grenze und produziert großen Biegeverlust bei traditionellen nicht hohlen Fasern und konventionellen PCFs. Dieser Effekt ist besonders wichtig für Designs mit großen Kernen bei traditionellen Fasern und konventionellen PCFs.
  • 14 zeigt, wie die effektiven modalen Indizes der fundamentalen und der Mode erster Ordnung für das beispielhafte PCF mit großem Kern aus 13 (mit zwei Schichten von Löchern, N = 2, d = 35 μm und Λ = 40 μm, Kerndurchmesser von 45 μm) sich ändert als eine Funktion des inversen Biegeradius. Die Differenz zwischen der Kurve für die fundamentale Mode und der Kurve für die Mode erster Ordnung entspricht dem modalen Abstand (modal spacing) zwischen der fundamentalen Mode und der Mode erster Ordnung. Man kann sehen, dass in dem gemessenen Bereich von Biegungen der modale Abstand größer als ungefähr 0,005 ist. Ein solcher modaler Abstand (0,005) ist viel größer als jener von konventionellen PCFs und traditionellen Fasern. Der große modale Abstand ist indikativ für eine sehr geringe Kopplung zwischen den Moden und ist auch ein Indikator eines robusten Einzelmoden-Betriebs. Als ein Resultat des hohen modalen Abstands (ungefähr 0,005) wird eine Störung mit Sub-Millimeter-Periode für ein ausreichendes Phasen-Matching (phase matching) gebraucht, um eine wesentliche Kopplung zwischen den Moden zu erlauben, zum Beispiel in der beispielhaften N = 2-PCF.
  • Hoher modaler Abstand erstreckt sich sogar über größere Kerndurchmesser. Für Fasern, deren Kerndurchmesser von der Ordnung von ungefähr 100 μm ist (wie die N = 1-PCF mit großem Kern aus 4A), ist der modale Abstand zwischen fundamentaler und nächst höherer Mode signifikant größer als jener von traditionellen nicht hohlen Fasern und konventionellen PCFs. Wieder produziert dieses Merkmal relativ geringe Kopplung zwischen den Moden.
  • Wenn die Kerngröße weiter erhöht wird, nimmt der modale Abstand im Allgemeinen ab. Diese Tendenz kann zusammen mit einem vergrößernden Biegeverlust schließlich eine obere Grenze für den maximalen Kerndurchmesser setzen. Trotzdem kann eine Vergrößerung des Kerndurchmessers von einer Größenordnung gegenüber der größten konventionellen PCF, die Einzelmodenausbreitung unterstützt (siehe zum Beispiel Referenz [4] in Tabelle 1 mit einem Kerndurchmesser von 28 μm), mit den hier beschriebenen Techniken und Designs möglich sein.
  • 15–16 zeigen ein Verfahren zum Charakterisieren von verschiedenen PCFs zum Ausbreiten von nur einer einzigen Mode, die auch große Kerne haben. 15 zeigt ein beispielhaftes Paar von Löchern oder Mantelmerkmalen 550, die den Lochdurchmesser d und den Lochabstand Λ zeigen. Solche Löcher, die, wie oben beschrieben, in einer hexagonalen Weise angeordnet sind, können zu verschiedenen Beziehungen zwischen λ/Λ und d/Λ führen, wie in den 16A–C dargestellt. Andere Konfigurationen sind auch möglich.
  • 16A stellt eine Kurve 562 in einem Plot von λ/Λ versus d/Δ für PCFs dar, die ein Einzelmoden-(SM)-Ausbreitungsregime, bei dem nur eine einzelne optische Mode ausgebreitet wird, von einem Multimoden-(MM)-Ausbreitungsregime, bei dem viele optische Moden ausgebreitet werden, trennt. Konventionelle PCFs, die im SM-Ausbreitungsregime arbeiten, haben eine relative kleine Kerngröße wie auch eine relativ große Zahl von Lochschichten (N ≥ 4), so dass das gesamte Querschnittsprofil im Allgemeinen ähnlich zu dem von traditionellen Fasern ist. Für eine solche Faser ist der Wert von d/Λ ungefähr 0,35 in dem Grenzfall, wenn λ/Λ den Wert Null erreicht. Demnach verursacht ein Bereich rechts von der Kurve 562 in 16A (d. h. ansteigende Lochgröße relativ zum Abstand, d/Λ), bei dem d/Λ ≥ 0,4, die PCF, eine MM-Faser zu werden, wodurch er die mögliche Kerngröße für SM-Betrieb begrenzt.
  • 16B zeigt eine Gruppe 582 für die N = 2-Ausführungsform, die oben mit Bezug auf 4B und Tabelle 1 beschrieben wird. In jener Ausführungsform ist der Wert von (d/Λ)2 ungefähr 0,88, wenn λ/Λ ungefähr gleich 0,1 ist (für 10 Meter Faser, während dieser Wert für eine längere Faser größer wäre). Demnach kann man sehen, dass ein benutzbares SM-Ausbreitungsregime vorteilhafterweise ausgedehnt wird von der Kurve 562 zu der Kurve 582, wie durch einen Pfeil 584 angedeutet. Eine größere Lochgröße relativ zum Abstand kann benutzt werden, während SM-Betrieb aufrechterhalten wird. Durch das Auswählen einer großen Lochgröße kann ein entsprechender Lochabstand eine ähnlich große Kerngröße ergeben, wie oben gesehen mit Bezug auf Tabelle 1.
  • 16C zeigt eine Kurve 592 für die N = 1-Ausführungsform, die oben mit Bezug auf 4A und Tabelle 1 beschrieben wird. In jener Ausführungsform ist der Wert von (d/Λ)1 ungefähr 0,94, wenn λ/Λ gleich 0,1 ist (für 10 Meter Faser, während dieser Wert für eine längere Faser größer wäre). Demnach kann man sehen, dass ein benutzbares SM-Ausbreitungsregime vorteilhaft vergrößert wird, sogar weiter von der Kurve 562 bis zu der Kurve 592, wie durch einen Pfeil 594 angedeutet, wodurch eine größere Kerngröße für SM-Betrieb geliefert wird.
  • 17–18 zeigen ein verallgemeinertes Konzept der Vergrößerung des SM-Ausbreitungsregimes, wie oben beschrieben in 15–16 im Kontext mit hohlen Fasern. Wie in 17 gezeigt und oben beschrieben mit Bezug auf die 1A und B, kann eine hohle Faser, die einen vorteilhaften großen Kern hat, der für SM geeignet ist, eine mindestens teilweise irreguläre oder ungeordnete Anordnung von Löchern haben. Weiterhin müssen die Löcher nicht notwendigerweise eine gleichmäßige Größe oder Form haben. Solch eine Ungleichmäßigkeit von Löchern wird in 17 dargestellt, wo zwei beispielhafte Löcher 600 und 602 kreisförmige bzw. quadratische Form haben. Weiterhin wird das kreisförmige Loch 600 gezeigt, wie es eine Abmessung von di hat, und das quadratische Loch 602 wird gezeigt, wie es eine Abmessung von dj hat. Ein beispielhafter Abstand zwischen den beiden beispielhaften Löchern 600 und 602 wird mit Λk bezeichnet.
  • Für hohle Fasern, deren Mantelbereich durch solche nicht gleichförmigen Löcher gebildet wird, kann der Lochabstandsparameter und der Lochabmessungsparameter als durch Durchschnittswerte davg und Λavg ausgedrückt werden. Unter Benutzung von solchen Durchschnittsparametern kann eine ähnliches λ/Λ- versus d/Λ-Beziehung (wie jene aus 16) ausgedrückt werden. 18A zeigt eine Kurve 612, die das SM-Ausbreitungsregime von dem MM-Ausbreitungsregime in dem λ/Λavg – davg/Λavg-Raum trennt. Der Wert (davg/Λavg)min repräsentiert den Wert von davg/Λavg in dem Grenzfall, wenn λ/Λavg den Wert Null erreicht. Ähnlich zu dem Schwellenwert von d/Λ, der ungefähr 0,35 für konventionelle PCFs ist, kann (davg/Λavg)min einen Schwellenwert für konventionelle hohle Fasern darstellen, die einen Mantelbereich haben, der eine relativ dicke durchschnittliche Dicke um einen Kern hat, welcher eine relativ kleine durchschnittliche Abmessung hat.
  • 18B zeigt ein Konzept zum Ausweiten des SM-Ausbreitungsregimes in einer Weise, die ähnlich zu jener mit Bezug auf 16B–C oben beschriebenen ist. Ein brauchbares SM-Ausbreitungsregime wird vorteilhaft ausdehnt von der Kurve 612 zu einer Kurve 622, wie durch einen Pfeil 624 angezeigt, wodurch eine größere durchschnittliche Kerngröße für SM-Betrieb geliefert wird. Durch Auswählen einer großen durchschnittlichen Lochgröße kann ein entsprechender durchschnittlicher Lochabstand eine ähnlich große durchschnittliche Kerngröße liefern.
  • Die verschiedenen hier offenbarten Fasern können zum Beispiel in Gain-Fasern, Verstärkern und Lasern sowie in Faserverstärkern und Faserlasern und auch in anderen Systemen benutzt werden. Zum Beispiel können diese Fasern angewandt werden, um gepulste Lasersysteme und Dauerstrich-Lasersysteme oder Lichtquellen mit hoher Leistung zu konstruieren. Diese Systeme können Pumpen umfassen, eine Strecke von Faser, um ein Gain-Medium zu liefern und ein Paar von Spiegeln an beiden Enden der Faser, um einen Resonator zu bilden. Polarisierende Komponenten können hinzugefügt werden, um einen Modenbetrieb mit einer einzigen Polarisation zu erreichen, bei dem nur eine Mode mit einer einzigen Polarisation ausgebreitet wird. Dispersionselemente (dispersing elements) können auch hinzugefügt werden für Dispersionsteuerung innerhalb des Resonators (intra-cavity dispersion control). Die hier offenbarten Fasern können auch Teile des Gain-Mediums in gepulsten oder Dauerstrich-Optische-Verstärkern bilden, die eine oder mehr optische Pumpen, Pumpkoppler und möglicherweise Isolatoren umfassen. Die hier offenbarten Fasern können gebraucht werden, um einen Teil eines Faser-Liefersystems (fiber delivery system) zu bilden, bei dem der Output eines Lasers in die Faser durch ein Fokussierelement oder eine Spleißung eingeführt wird, während der Output der Faser durch zusätzliche Optik auf ein Ziel gelenkt wird. Andere Konfigurationen und Benutzungen sind möglich.
  • Die hier offenbarten Fasern können auch in Telekommunikationsanwendungen benutzt werden, um MM-Telekom-Fasern für Kurzstrecken-Datenübertragung zu ersetzen, bei der eine große Kerngröße zu niedrigen Kosten und robusten Verbindungen führt, während die Einzelmoden-Natur der Faser die Bandbreite des Übertragungssystems verbessern kann. In solchen Anwendungen kann ein zweites Glas statt der Löcher genutzt werden. Noch andere Anwendungen sind möglich.
  • Obwohl die oben offenbarten Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung die fundamentalen neuen Merkmale der Erfindung, angewandt auf die oben offenbarten Ausführungsformen, gezeigt, beschrieben und verdeutlicht haben, sollte es sich verstehen, dass verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Veränderungen in der Form des Details der Geräte, Systeme und/oder der gezeigten Verfahren von Fachleuten gemacht werden können, ohne von dem Umfang der gegenwärtigen Erfindung abzuweichen. Folglich sollte der Umfang der Erfindung nicht auf die vorhergehende Beschreibung begrenzt sein, sondern sollte durch die angehängten Ansprüche definiert werden.
  • Alle Publikationen und Patentanmeldungen, die in dieser Beschreibung erwähnt werden, sind kennzeichnend für das fachliche Niveau der Fachleute, an die sich diese Erfindung wendet. Alle Publikationen und Patentanmeldungen sind hierin durch Bezug im selben Umfang eingeschlossen, als wenn jede einzelne Publikation oder Patentanmeldung spezifisch und individuell gekennzeichnet wäre, als durch Bezug eingeschlossen zu sein.

Claims (15)

  1. Eine optische Multimode-Faser zum Ausbreiten einer fundamentalen Mode mit niedrigem Biegeverlust und zum Unterdrücken von Moden höherer Ordnung, wobei die optische Faser umfasst: einen Mantelbereich, welcher eine Vielzahl von Löchern angeordnet in einer Grundsubstanz umfasst, wobei die Vielzahl von Löchern einen durchschnittlichen Abstand Λ zwischen den Mittelpunkten direkt benachbarter Löcher und eine durchschnittliche Größe d hat, wobei die Vielzahl von Löchern in einer Vielzahl von Ringen N angeordnet ist und einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Löchern die Ausbreitung der fundamentalen Mode im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Löchern hat: (i) einen ausreichenden durchschnittlichen Abstand Λ, um eine vergrößerte effektive Kerngröße zu liefern, (ii) eine ausreichende durchschnittliche Größe d, um eine wesentliche Einsperrung des Lichts innerhalb des Kernbereichs zu liefern und (iii) eine Zahl von Ringen N, welche geeignet ist, die Ausbreitung der fundamentalen Mode zu unterstützen und die Ausbreitung von der Vielzahl von Moden höherer Ordnung zu unterdrücken, wobei die durchschnittliche Größe d und der durchschnittliche Abstand Λ jeweils Werte haben, die ein Verhältnis von d/Λ liefern, das mindestens 0,6 und höchstens 0,938 ist, um eine vergrößerte effektive Kerngröße und eine wesentliche Einsperrung zu liefern und wobei die Zahl von Ringen N weniger oder gleich 2 ist, um Einzelmodenausbreitung zu liefern und wobei die durchschnittliche Größe d mindestens 30 Mikrometer ist.
  2. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Größe d, der durchschnittliche Abstand Λ und die Anzahl von Ringen N Werte haben, die einen Leckverlust für die fundamentale Mode liefern, der weniger als 1 dB/m ist und einen Leckverlust für die Moden höherer Ordnung, der oberhalb von 20 dB/m ist.
  3. Die optische Faser gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die durchschnittliche Größe d, der durchschnittliche Abstand Λ und die Anzahl von Ringen N Werte haben, die einen Biegeverlust für die fundamentale Mode liefern, der bis zu einem inversen Biegeradius von zumindest 0,04/mm weniger als 1 dB/m beträgt.
  4. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die Löcher hohle Kanäle in der Grundsubstanz sind.
  5. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Größe d mindestens 70 μm ist.
  6. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die Anzahl von Ringen N gleich 1 ist.
  7. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei das Verhältnis von d/Λ größer oder gleich 0,8 ist.
  8. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei der durchschnittliche Abstand Λ hinreichend groß ist, um die Beziehung λ/Λ kleiner oder gleich 0,3 zu erfüllen, wobei λ die Vakuumwellenlänge ist, bei der die optische Faser betrieben wird.
  9. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei das Verhältnis von d/Λ größer oder gleich 0,75 ist und λ/Λ weniger oder gleich 0,3 ist.
  10. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei der Kernbereich einen Brechungsindex hat, der gleichmäßig innerhalb von 0,001 ist, wenn er über einen seitlichen Querschnitt gemessen wird, der senkrecht zur longitudinalen Richtung der Faserlänge ist.
  11. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die V-Zahl größer als 2,4 ist.
  12. Eine optische Multimode-Faser zum Ausbreiten einer fundamentalen Mode mit niedrigem Biegeverlust und zum Unterdrücken von Moden höherer Ordnung, wobei die optische Faser umfasst: einen Mantelbereich, welcher eine Vielzahl von Löchern angeordnet in einer Grundsubstanz umfasst, wobei alle Löcher die gleiche Größe d und den gleichen Abstand Λ zwischen den Mittelpunkten direkt benachbarter Löcher haben, wobei die Vielzahl von Löchern in einer Vielzahl von Ringen N angeordnet ist und einen Kernbereich, welcher vom Mantelbereich umgeben ist, wobei die Vielzahl von Löchern die Ausbreitung der fundamentalen Mode im Wesentlichen auf den Kernbereich beschränkt, wobei die Vielzahl von Löchern hat: (i) einen ausreichenden Abstand Λ, um eine vergrößerte effektive Kerngröße zu liefern, (ii) eine ausreichende Größe d, um eine wesentliche Einsperrung des Lichts innerhalb des Kernbereichs zu liefern und (iii) eine Zahl von Ringen N, welche geeignet ist, die Ausbreitung der fundamentalen Mode zu unterstützen und die Ausbreitung von der Vielzahl von Moden höherer Ordnung zu unterdrücken, wobei die Zahl von Ringen N weniger oder gleich 2 ist, um Einzelmodenausbreitung zu liefern und wobei das Verhältnis von d/Λ größer als 0,6 und höchstens 0,938 ist, und wobei d größer als 10 Mikrometer ist.
  13. Die optische Faser gemäß Anspruch 12, wobei die Größe d, der Abstand Λ und die Anzahl von Ringen N Werte haben, die einen Leckverlust für die fundamentale Mode liefern, der weniger als 1 dB/m ist und einen Leckverlust für die Moden höherer Ordnung, der oberhalb von 20 dB/m ist.
  14. Die optische Faser gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die Größe d, der Abstand Λ und die Anzahl von Ringen N Werte haben, die einen Biegeverlust für die fundamentale Mode liefern, der bis zu einem inversen Biegeradius von zumindest 0,04/mm weniger als 1 dB/m beträgt.
  15. Die optische Faser gemäß Anspruch 12, wobei das Verhältnis d/Λ größer als 0,75 ist.
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