DE112009000079T5

DE112009000079T5 - Photonische Festkörperbandlückenfaser

Info

Publication number: DE112009000079T5
Application number: DE112009000079T
Authority: DE
Inventors: Toshiki Yokohama-shi Taru; Jonathan Knight; Tim Birks; David Bird
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-12-30
Also published as: WO2009107824A1; US8503846B2; JP5370361B2; US20110141757A1; JP2011513768A; GB2457947B; GB2457947A; GB0803864D0

Abstract

Photonische optische Bandlückenfaser, die umfasst:
einen Kernbereich; und
einen Mantelbereich, der den Kernbereich umgibt, wobei der Mantelbereich ein optisches Hintergrundmaterial, das einen ersten Brechungsindex n aufweist, und Elemente umfasst, die in einer zweidimensionalen periodischen Struktur angeordnet sind,
bei der jedes der Elemente einen Zentrumsteil und einen Umgebungsteil umfasst, wobei der Umgebungsteil einen größeren Brechungsindex als der Zentrumsteil aufweist; und
die Elemente so angeordnet sind, dass die Faser eine Bandlücke in dem normalisierten Modenparameter (β² – n²k²)Λ² der Faser aufweist, wobei der untere Bandrand der Lücke über einen Bereich einer normalisierten Frequenz (kΛ) im Wesentlichen konstant ist, wobei β die longitudinale Komponente eines Wellenvektors ist, k die Vakuumwellenzahl ist und Λ die Periode der Elemente in dem Mantelbereich ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Faser und im Besonderen eine optische photonische Festkörperbandlückenfaser.
Stand der Technik
Optische Fasern werden verwendet, um Informationen und Energie mittels der Übertragung von Licht zu transportieren. Allerdings, wenn Licht einer hohen Leistung mittels einer herkömmlichen optischen Faser geführt wird, treten nicht-lineare Effekte, wie beispielsweise Raman- und Brillouin-Streuung in der Faser auf. Diese nicht-linearen Effekte bewirken eine Verringerung der übertragenen Leistung oder reduzieren die Qualität des Signals, das zum Transportieren der Information in der Faser verwendet wird. Um die Leistungshandhabungsfähigkeit zu erhöhen, wurde eine optische Faser entwickelt, die einen Wirkungsbereich mit erhöhtem Querschnitt aufweist. Dadurch wird die optische Leistungsdichte in der Faser verringert, wodurch nicht-lineare Effekte verringert werden. Ein Beispiel einer optischen Faser, die einen vergrößerten Querschnitt aufweist, ist eine Faser des Hochmodenbereichs (LMAF).
Hochleistungslaser werden auf dem Gebiet der Materialbearbeitung verwendet. Um einen Ausgabestrahl einer ausreichend hohen Qualität für diese Anwendung zu erzielen, ist die optische Faser, die zur Übertragung des Strahls verwendet wird, vorzugsweise eine Einmode. LMAFs, die einen Einmodenfunktion aufweisen, sind unter Verwendung herkömmlicher Brechungsindex-Faserführungsdesigntechniken schwierig zu erhalten, da, indem sich der Kerndurchmesser erhöht, um den großen Kernbereich zu erhalten, die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und dem Mantel sich verringern muss. Beispielsweise muss für eine Faser, die einen Kerndurchmesser von 35 μm und eine Abschneidewellenlänge von 1,3 μm aufweist, die Brechungsindexdifferenz für eine Einmodenfunktion ungefähr 0,02% betragen. Allerdings ist es schwierig, eine solche kleine Brechungsindexdifferenz in einem auf Silica basierenden Glas unter Verwendung vorhandener Dotierungstechniken zu erhalten, wie beispielsweise Hinzufügen eines Materials zum Kern, um den Brechungsindex zu erhöhen, oder Hinzufügen eines Materials zum Mantel, um den Brechungsindex zu verringern.
Wenn die Faser nicht gestaltet werden kann, um eine tatsächliche Einmode zu sein, ist es möglich, Fasern zu gestalten, die eine Einmodenfunktion bereitstellen, obwohl diese in geringem Maß Mantelmoden tragen. Solche Fasern können unter Berücksichtigung des Kopplungsbetrags von der Kernmode zu den Mantelmoden und des Verlustgrads der Mantelmode gefertigt werden. Wenn der Kopplungsbetrag klein ist und der Verlustgrad groß ist, dann kann die Faser effizient als eine Einmodenfaser arbeiten, da jegliche Übertragung der Lichtintensität zu den Mantelmoden rasch gedämpft werden wird, wodurch eine Verschlechterung des Ausgabestrahls vermieden wird.
Es wurde eine photonische Kristallfaser des Hochmodenbereichs (LMAPCF) vorgeschlagen, um eine Faser mit einem großen Kern bereitzustellen, um die Leistungsdichte in der Faser zu verringern und nicht-lineare Effekte zu verringern. LMAPCF ist aus einer einzigen Art Glasmaterial gefertigt und eine Dotierung ist nicht notwendig. Die erforderliche Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und dem Mantel wird durch die Größe der Luftlöcher definiert, die in dem Mantel ausgebildet sind. Es wurden praktische LMAPCFs entwickelt, die einen Kerndurchmesser von 35 μm aufweisen, zur Verwendung bei einer Wellenlänge von 1,55 μm, 25 μm zur Verwendung bei 1,06 μm und 20 μm zur Verwendung bei 0,8 μm. Wenn der Kerndurchmesser größer als diese Werte wird, möglicherweise durch Verringern des Durchmessers der Luftlöcher in dem Mantel, wird der Biegungsverlust der LMAPCF der Luftlöcherart groß, was unerwünscht ist. Ein Problem mit dem LMAPCFs besteht darin, dass diese schwer herzustellen sind. Beispielsweise ist es schwierig, die Größe der Luftlöcher genau zu steuern, wenn die Faser gezogen wird. Ferner weist die LMAPCF einen großen Übertragungsverlust auf, verglichen mit optischen Fasern ohne Luftlöcher.
Alternativ kann eine Faser des großen Modenbereichs unter Verwendung eines photonischen Festkörperbandlückenfaser(PBGF)-Designs realisiert werden. Festkörper-PBGFs weisen keine Luftlöcher auf und haben somit einen kleineren Übertragungsverlust. Ferner kann die PBGF unter Verwendung herkömmlicher Faserherstellungsverfahren und -vorrichtungen hergestellt werden.
Beispielsweise ist eine herkömmliche Festkörper-PBGF, die eine periodische Struktur aufweist, die aus einem Gitter von Stufenindexstäben besteht, in den 2a und 2b gezeigt. 2a zeigt das Brechungsindexprofil eines Hochindexstabs. Der Hochindexstab weist einen Durchmesser d auf. 2b zeigt die periodische Anordnung des Hochindexstabs in dem Mantel der Festkörper-PBGF. In 2b zeigt ein Parallelogramm (gezeigt als gestrichelte Linie) eine Einheitszelle der zweidimensionalen periodischen Struktur. Der Abstand von dem Zentrum eines Hochindexstabs zu einem benachbarten Hochindexstab ist Λ. Der Durchmesser des Kerns kann als 2Λ – d angenommen werden, wobei der Kern durch Entfernen eines einzigen Hochindexstabs aus der periodischen Struktur gefertigt wird.
1 zeigt die Beziehung zwischen dem Kerndurchmesser für eine photonische Festkörperbandlückenfaser und der normalisierten Betriebsfrequenz kΛ. Wenn der Kerndurchmesser oder das Verhältnis d/Λ größer wird, wird die normalisierte Frequenz kΛ größer (wobei k die Vakuumwellenzahl, d. h. 2π/Wellenlänge, bezeichnet).
Ein Problem mit der resultierenden herkömmlichen PBGF besteht darin, dass diese diskrete Übertragungsspektra aufweist, welche den praktischen Wellenlängenbereich des Betriebs beschränken. Ferner sind nahe an den Rändern des Übertragungsbands der Begrenzungsverlust und der Biegungsverlust groß, wodurch der verwendbare Wellenlängenbereich weiter verringert wird. Ferner ist der Biegungsverlust an Übertragungsbändern der geraden Ordnung groß, wenn der Parameter d/Λ um 0,4 beträgt (wie es oben erwähnt ist, bezeichnet d den Durchmesser des Hochindexbereichs in der periodischen Struktur des Mantels, und Λ bezeichnet den Abstand der periodischen Struktur des Mantels). Allerdings muss für eine Einmodenfunktion in einem herkömmlichen Festkörper-PBGF, in dem die periodische Hochindexstruktur ein Gitter von Stäben ist, der Parameter d/Λ kleine sein, so dass der Betriebswellenlängenbereich des herkömmlichen Festkörper-PBGF Faser des großen Modenbereichs klein ist.
Die 3a bis 3d sind Graphen, welche eine photonische Zustandsdichte zeigen, die durch die periodische Struktur des Mantels erzeugt wird. Die Dichte der Zustände wurde unter Verwendung des Verfahrens berechnet, das in „Adaptive curvilinear coordinates in a plane-wave solution of Maxwell's equations in photonic crystals", Phys. Rev. B 71, 195108 (2005) beschrieben ist. In den Figuren bezeichnet die Abszisse die normalisierte Frequenz kΛ und die Ordinate bezeichnet den effektiven Brechungsindex n_eff. Die 3a bis 3d zeigen die Dichte der Zustände entsprechend für Werte des Parameters d/Λ von 0,2, 0,4, 0,6 und 0,7. In der Berechung beträgt der Brechungsindex des Hintergrunds 1,45, beträgt der Brechungsindex des Hochindexstabs 1,48, wodurch eine Brechungsindexdifferenz von ungefähren 2 bereitgestellt wird.
Die 4a bis 4d zeigen eine berechnete Zustandsdichten für die gleichen Werte von d/Λ. In diesen Figuren stellt die Abszisse abermals eine normalisierte Frequenz kΛ dar, wobei die Ordinate geändert ist, um den Parameter (β² – n²k²)Λ² darzustellen, der einen Modenparameter des elektromagnetischen Felds bezeichnet. Im Besonderen ist (β² – n²k²)Λ² ein Eigenwert der Skalarwellengleichung für photonische Kristallmikrostrukturen. Dieser Modenparameter wird detaillierter in „Scalling laws and vector effects in bandgap-guiding fibers", Optics Express Vol. 12, 69–74 (2004) beschrieben. Die Parameter n und β bezeichnen entsprechend den Hintergrundindex des Mantels und die longitudinale Komponente des Wellenvektors.
In den Graphen der 4a bis 4d stellen die schlichten dunklen (plain dark) Bereiche Bandlücken dar, wo die Dichte der Zustände Null ist. Die Grauskalenbereiche stellen die Existenz der Mantelmoden dar, d. h. Moden, die lediglich oder teilweise in dem Mantel vorhanden sind. Die Anzahl der Mantelmoden erhöht sich, wenn die Grauskala sich von dunkel zu hell ändert.
Die 3a bis 3d zeigen, dass an niedrigeren Werten der normalisierten Frequenz kΛ, die Bandlücken tiefer (entlang der Ordinate) und schmaler (entlang der Abszisse) werden. Qualitativ entspricht die Tiefe der Bandlücke (entlang der Ordinate) dem Biegungsverlust der Faser. Indem die Tiefe flacher wird (d. h. eine kleinere Brechungsindexdifferenz zwischen erlaubten Moden) erhöht sich der Biegungsverlust.
Wie es in den 3a bis 3d gezeigt ist, werden die Bandlücken zwischen Mantelmoden auch tiefer und schmaler, wenn der Parameter d/Λ größer wird.
In 3b wurde eine Kernführungsmode auf den Mantelmoden überlagert und ist mittels einer dünnen weißen Linie gezeigt. Diese Kernführungsmode ist für den Fall berechnet, in dem ein einzelner Hochindexstab von der periodischen Struktur entfernt ist. Die Kernführungsmode ist mit einer normalisierten Frequenz von 23 bis 60 und Bandlückenränder bei normalisierten Frequenzen von 37, 40 und 60 gezeigt.
Wie es oben erwähnt ist, zeigen die 4a bis 4d den Modenparameter (β² – n²k²)Λ² der Mantelmoden gegen die normalisierte Frequenz kΛ. Indem die Bandlücken tiefer werden, erhöht sich die Differenz in dem Modenparameter zwischen den Kernführungsmoden und den Mantelmoden, welche den Boden der Bandlücke ausbilden, was Kernführungsmoden mit einem gut begrenzten elektromagnetischen Feld in dem Kernbereich der Faser zur Folge hat. Das hat auch eine erhöhte Anzahl von Kernführungsmoden zur Folge. Kernführungsmoden wurden für kΛ = 100 berechnet und werden durch Datenpunkte in den 4a bis 4d dargestellt. In den 4a und 4b liegt lediglich eine Kernmode in der Bandlücke, und somit arbeitet die optische Faser als Einmode. Die 4c und 4d zeigen mehr als eine Kernmode. In diesen Fällen kennzeichnet der Datenpunkt an dem größten Modenparameter, d. h. am nächsten zu Null, die fundamentale Kernführungsmode, und der Datenpunkt an dem nächst größeren Modenparameter ist die erste Mode der hohen Ordnung. Wie es aus den Figuren ersichtlich ist, wenn der Parameter d/Λ nicht größer als 0,4 ist (4a und 4b), arbeitet die optische Faser als Einmode.
Aus den 3a bis 3d und 4a bis 4d ist es ersichtlich, dass ein Ausgleich zwischen dem Biegungsverlust und dem maximalen Kerndurchmesser (welcher der kleinsten Wellenlänge) im Stande ist, die Einmodenfunktion zu unterstützen. Das ist vergleichbar mit den optischen Normalindexführungsfasern, aber das ist in der PBGF verschlechtert, da der Ausgleich noch schmalere Designtoleranzen erfordert. In einer PBGF mit d/Λ, das um ungefähr 0,4 festgelegt ist, um eine Einmodenfunktion bereitzustellen, ist das Übertragungsband durch den Biegungsverlust stark begrenzt und der Biegungsverlust wird in Bandlücken der geraden Ordnung und um die Ränder in jeder Bandlücke groß. Das wird von der Wellenlängenabhängigkeit der Bandlückentiefe verursacht, die für herkömmliche PBGFs unvermeidlich ist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine photonische optische Bandlückenfaser bereit, die umfasst: einen Kernbereich; und einen Mantelbereich, der den Kernbereich umgibt, wobei der Mantelbereich ein optisches Hintergrundmaterial, das einen ersten Brechungsindex aufweist, und Elemente enthält, welche Bereiche des hohen Brechungsindex umfassen, die in einer zweidimensionalen periodischen Struktur angeordnet sind, wobei jedes der Elemente einen Zentrumsteil und einen Umgebungsteil umfasst, wobei der Umgebungsteil einen höheren Brechungsindex als der Zentrumsteil aufweist; und die Elemente sind so angeordnet, dass der normalisierte Modenparameter (β² – n²k²)Λ² des unteren Bandlückenrands im Wesentlichen konstant über einen normalisierten Frequenzbereich von kΛ ist, wobei β die longitudinale Komponente des Wellenvektors ist, n der Hintergrundindex des Mantels ist, k die Vakuumwellenzahl ist, d. h. 2π/Wellenlänge, und Λ der Abstand zwischen den Zentren der benachbarten Elemente ist. Diese Faser hat den Vorteil, dass diese im Wesentlichen eine konstante Zahl von Kernführungsmoden trägt. Ferner ist die Bandbreite der Bandlücken, in denen die Kernführungsmoden existieren, breiter als bei herkömmlichen PBGFs.
Ein im Wesentlichen konstanter unterer Bandlückenrand oder Niederbandrand, meint den niedrigeren Energierand der Bandlücke. Das kann bedeuten, dass der Modenparameter (β² – n²k²)Λ² um nicht mehr als 0,4 über einen normalisierten Frequenzbereich kΛ von wenigstens 20, und vorzugsweise 30, schwank bzw. variiert. Es ist vorzuziehen, dass der Frequenzbereich die normalisierte Frequenz kΛ = 100 enthält. Der Bandlückenrand kann durch Bezugnahme auf eine graphische Darstellung des normalisierten Modenparameters (β² – n²k²)Λ² gegen die normalisierte Frequenz kΛ berücksichtigt werden, wobei die Bandlücke auftritt, wo keine Moden getragen werden, wie beispielsweise um den Wert (β² – n²k²)Λ² = 0 herum, und wobei der Bandlückenrand sich an einem normalisierten Modenparameter (β² – n²k²)Λ² unterhalb desselben befindet.
Die Querschnittsgestalt des Zentrumsteils kann ein Kreis sein und die Querschnittsgestalt des Umgebungsteils kann ein Ring oder Kranz sein. Das Verhältnis des Durchmessers des Zentrumsteils zum Außendurchmesser des Umgebungsteils sollte nicht kleiner als 0,80 sein.
Alternativ kann die Querschnittsgestalt des Zentrumsteils ein Polygon sein und die Querschnittsgestalt des Umgebungsteils kann ein hohles Polygon sein. Das Verhältnis des Durchmessers eines Kreises, der den Zentrumsteil umschreibt, zu einem Durchmesser eines Kreises, das den Umgebungsteil umschreibt, soll nicht kleiner als 0,80 sein.
Der erste Brechungsindex kann im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex des Zentrumsteils sein. Die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Umgebungsteil und dem Zentrumsteil kann größer als 1% sein.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine photonische optische Bandlückenfaser bereitgestellt, die umfasst: einen Kernbereich; und einen Mantelbereich, der den Kernbereich umgibt, wobei der Mantelbereich ein optisches Hintergrundmaterial, das einen ersten Brechungsindex aufweist, und Elemente (ein Hochindexbereich) umfasst, die in einer zweidimensionalen periodischen Struktur angeordnet sind und wobei jedes Element eine Mehrzahl von Stäben umfasst, die einen zweiten Brechungsindex aufweisen, der größer als der erste ist, wobei die Stäbe von jedem Element in einem Kreis oder Polygon angeordnet sind. Diese Ausführungsform hat den Vorteil einer besseren Herstellbarkeit verglichen mit den obigen Ausführungsformen.
Das Polygon kann ein Dreieck oder Hexagon sein. Die Anzahl der Stäbe in jedem der Elemente kann 3, 6 oder 12 betragen.
Die Stäbe von jedem Element können angeordnet sein, um eine Faser bereitzustellen, die eine Kernführungsmode bzw. Kernleitermode aufweist, die über einen kontinuierlichen Frequenzbereich getragen wird, und die Faser überträgt Licht im Wesentlichen als Einmode in dem Bereich.
Das Verhältnis des Durchmessers eines Kreises, der die Stäbe umschreibt, zum Durchmesser des die Stäbe einschreibenden Kreises sollte nicht kleiner als 0,8 sein. Die Brechungsindexdifferenz zwischen den Stäben und dem Hintergrundmaterial kann größer als 1,5% sein. Diese Werte stellen eine Faser mit großen Bandlücken und höheren Verlustmantelmoden bereit.
Es wird auch eine Lichtübertragungsvorrichtung bereitgestellt, die umfasst: eine photonische optische Bandlückenfaser; und eine erste Lichtquelle, die angeordnet ist, um erstes einfallendes Licht auszugeben, das eine Wellenzahl kp₁ aufweist, wobei die Faser angepasst ist, um das erste einfallende Licht als die Kernführungsmode zu übertragen und ein erstes Stokes-Licht nicht zu übertragen, das eine Wellenzahl ks₁ aufweist und von dem ersten einfallenden Licht in der Faser induziert wird, durch Koppeln des ersten Stokes-Lichts mit der Mantelmode und Abschwächen desselbigen darin.
Die Wellenzahl ke des Bandlückenrands der Niedrigfrequenzseite der Bandlücke, welche die Wellenzahl kp1 umfasst, kann die Beziehung kp₁ > ke > ks₁ erfüllen, und die Differenz zwischen der Übertragbarkeit des ersten einfallenden Lichts und des ersten Stokes-Lichts sollte nicht kleiner als 15 dB.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Kerndurchmesser und der normalisierten Frequenz kΛ in einer photonischen Festkörperbandlückenfaser (PBGF) unter Verwendung von Parametern d/Λ und der Wellenlänge zeigt.
Die 2a und 2b sind Konzeptdiagramme, welche ein Brechungsindexprofil eines Hochindexbereichs und eine periodische Struktur in dem Mantel einer Festkörper-PBGF zeigen.
Die 3a bis 3d sind Graphen, welche eine berechnete Zustandsdichte (DOS) der Festkörper-PBGF der 2a und 2b zeigen, wobei die Abszisse eine normalisierte Frequenz kΛ bezeichnet, die Ordinate einen effektiven Brechungsindex n_eff bezeichnet und ein Parameter d/Λ entsprechend 0,2, 0,4, 0,6 oder 0,7 ist.
Die 4a bis 4d sind Graphen, welche eine berechnete DOS der Festkörper-PBGF der 2a und 2b zeigt, wobei die Abszisse eine normalisierte Frequenz kΛ bezeichnet und die Ordinate den Modenparameter (β² – n²k²)Λ² bezeichnet.
Die 5a und 5b sind Konzeptdiagramme, welche entsprechend ein Brechungsindexprofil eines Hochindexbereichs und eine periodische Struktur zeigen, in einer Festkörper-PBGF der ersten Ausführungsform.
Die 6a bis 6e sind Graphen, welche eine berechnete DOS einer Festkörper-PBGF der ersten Ausführungsform zeigen, wobei die Abszisse eine normalisierte Frequenz kΛ bezeichnet, die Ordinate einen effektiven Brechungsindex n_eff bezeichnet und ein Verhältnis D/d des Innendurchmessers zum Außendurchmesser eines Rings entsprechend 0,7, 0,75, 0,8, 0,9 oder 0,95 ist.
Die 7a bis 7e sind Graphen, welche eine berechnete DOS der Festkörper-PBGF der ersten Ausführungsform zeigen, wobei die Abszisse eine normalisierte Frequenz kΛ bezeichnet und die Ordinate den Modenparameter (β² – n²k²)Λ² bezeichnet.
Die 8a bis 8d sind Graphen, welche eine berechnete DOS einer Festkörper-PBGF der ersten Ausführungsform zeigen, wobei die Abszisse eine normalisierte Frequenz kΛ bezeichnet, die Ordinate den Modenparameter (β² – n²k²)Λ² bezeichnet und ein Parameter d/Λ entsprechend 0,4, 0,5, 0,6 oder 0,7 ist.
Die 9a bis 9d sind Graphen, welche eine berechnete DOS der Festkörper-PBGF der ersten Ausführungsform zeigen, wobei die Abszisse eine normalisierte Frequenz kΛ bezeichnet, die Ordinate den Modenparameter (β² – n²k²)Λ² bezeichnet und die Brechungsindexdifferenz Δn entsprechend 1%, 1,5%, 2% oder 3% ist.
10a ist ein Konzeptdiagramm, das eine periodische Struktur zeigt, die Hochindexbereiche von hohler hexagonaler Gestalt aufweist, und 10b ist ein Graph, der eine berechnete DOS der Festkörper-PBGF gemäß 10a zeigt.
11a ist ein Konzeptdiagramm, das eine periodische Struktur zeigt, die Hochindexbereiche aufweist, die von drei Stäben von kreisförmigem Querschnitt umfasst sind, die an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, und 11b ist ein Graph, der eine berechnete DOS der Festkörper-PBGF gemäß 11a zeigt.
12a ist ein Konzeptdiagramm, das eine periodische Struktur zeigt, die Hochindexbereiche aufweist, die von sechs Stäben von kreisförmigem Querschnitt umfasst sind, die an den Eckpunkten eines Hexagons angeordnet sind, und 12b ist ein Graph, der eine berechnete DOS der Festkörper-PBGF gemäß 12a zeigt.
13a ist ein Konzeptdiagramm, das eine periodische Struktur zeigt, die Hochindexbereiche aufweist, die von zwölf Stäben von kreisförmigem Querschnitt umfasst sind, die an den Eckpunkten und Seiten eines Hexagons angeordnet sind, und 13b ist ein Graph, der eine berechnete DOS der Festkörper-PBGF gemäß 13a zeigt.
14a ist ein Konzeptdiagramm, das eine periodische Struktur zeigt, die Hochindexbereiche aufweist, welche von zwölf Stäben von kreisförmigem Querschnitt umfasst sind, die auf einem Kreis angeordnet sind, und 14b ist ein Graph, der eine berechnete DOS der Festkörper-PBGF gemäß 14a zeigt.
In allen 10b, 11b, 12b, 13b und 14b bezeichnet die Abszisse die normalisierte Frequenz kΛ, und die Ordinate bezeichnet den Modenparameter (β² – n²k²)Λ².
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
5a und 5b zeigen eine verbesserte Struktur einer PBGF. Die periodische Struktur umfasst ringartige Hochindexbereiche anstelle von stabförmigen Hochindexbereichen. Die ringartigen Strukturen werden unter Verwendung eines zusätzlichen Strukturparameters D beschrieben, der den Innendurchmesser des Rings bezeichnet. Alternativ können wir die ringartige Struktur mittels des Verhältnisses des Innen- zum Außendurchmesser D/d spezifizieren. In dem vorliegenden Beispiel beträgt der Brechungsindex des Hintergrunds 1,45 und der Brechungsindex der Hochindexbereiche beträgt 1,48, was vergleichbar mit dem Beispiel einer PBGF, die Stäbe umfasst, die mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben wurden, eine Brechungsindexdifferenz von ungefähr 2% bereitstellt. Der Außendurchmesser d des Rings beträgt 0,70 Λ.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch sorgfältiges Einstellen der obigen Parameter die Übertragungseigenschaften der PBGF optimiert werden können. Im Besonderen, wenn die Parameter eingestellt werden, um eine Faser bereitzustellen, die einen Modenparameter (β² – n²k²)Λ² aufweist, der im über einen Bereich Wesentlichen konstant ist, dann kann eine optische Faser eines geringen Verlusts, eines großen Bereichs, der Einmode erzielt werden.
Die 6a bis 6e zeigen die Beziehung zwischen einer Bandlückenstruktur und einer Ringdicke. Im Besonderen zeigen diese Figuren die Zustandsdichten (DOS) in dem Mantel relativ zur normalisierten Frequenz kΛ (dargestellt auf der Abszisse) und den effektiven Brechungsindex n_eff (dargestellt auf der Ordinate). Die 6a bis 6e stellen die DOS für die folgenden Verhältnisse des Ringdurchmessers zum Außendurchmesser (D/d) entsprechend dar; 0,7, 0,75, 0,8, 0,9 und 0,95. In den 6d und 6e ist der Maximalwert, der auf der Abszisse gezeigt ist, auf kΛ = 190 vergrößert, von dem Wert kΛ = 150, der in den 6a bis 6c verwendet wird. Indem sich der Parameter D/d erhöht, verschiebt sich jede der Mantelmoden zu höheren normalisierten Frequenzen. Die LP_l1-Moden (l = 0, 1, 2, 3 usw.) verschieben sich weniger als jede der anderen LP_lm-Moden, wobei m ≠ 1 ist. Wie es in den Figuren dargestellt ist, sind LP₀₂-Moden in dem unteren Bereich des Graphen bei kΛ von ungefähr 100 vorhanden.
Die 7a bis 7e sind Graphen, welche die berechnete Zustandsdichten der 6a bis 6e zeigen, aber gezeigt mit dem Modenparameter (β² – n²k²)Λ² auf der Ordinate. Es ist von Bedeutung, dass die LP₀₂-Mantelmode, welche den Boden der Bandlücken ausbildet, ungefähr parallel zur Abszisse in den 7d und 7e ist (D/d = 0,90 und 0,95 entsprechend). In der 7c (D/d = 0,80) ist die Mantelmode L2₀₂ parallel zur Abszisse in dem normalisierten Frequenzbereich von ungefähr 60 bis 100. Ferner werden in diesen Bereichen die LP_l1-Moden (l = 2, 3 ...) schmaler und nähern sich senkrecht zur Abszisse an, wenn die normalisierte Frequenz groß wird. Folglich wird die Tiefe zum oberen Bereich der LP₀₂-Mode (d. h. die Bandlückenbreite in der Ordinatenrichtung) der dominierende Faktor beim Bestimmen der Anzahl der Kernführungsmoden. Folglich, da die LP₀₂-Mode ungefähr parallel zur Abszisse ist, ist die Bandlückentiefe von der normalisierten Frequenz unabhängig. Das bedeutet, dass die Anzahl der vom Kernführungsmoden von der normalisierten Frequenz hochgradig unabhängig ist.
Es ist schwierig, eine solche Bandlückengestalt in der herkömmlichen Festkörper-PBGF zu realisieren. Beispielsweise, wie es in den 4 gezeigt ist, weist die Bodenform von jeder Bandlücke einen Gradienten um ungefähr die normalisierte Frequenz kΛ = 100 auf. Beispielsweise beträgt in dem Fall der 4b (d/Λ = 0,4) der Gradient (die Änderungsrate des Modenparameters (β² – n²k²)Λ² pro Einheit kΛ) ungefähr 0,4. Der äquivalente Graph für die ringartige PBGF ist in 8a gezeigt, die zeigt, dass dieser Gradient einen Wert von ungefähr 0,1 für d/Λ = 0,4 aufweist. Unter Berücksichtigung der praktischen Verwendung der PBGF für eine Hochleistungslaserzufuhr ist es nützlich, wenn die Einmodenfunktion über den Wellenlängenbereich einer Laserlichtquelle mit variabler Wellenlänge, wie beispielsweise einem Ti-Saphirlaser, realisiert wird. Ferner wird es auch nützlich sein, wenn mehr als zwei Laserhauptwellenlängen, wie beispielsweise 1,06 μm und 1,55 μm, oder 0,80 μm und 1,06 μm abgedeckt werden. In solchen Fällen ist es vorzuziehen, dass der Gradient klein gehalten wird (d. h. kleiner als 0,4) über den normalisierten Frequenzbereich (dΛ) von 20, noch bevorzugter 30, und der den Punkt von kΛ = 100 enthält.
Mit einem detaillierteren Blick auf die 8a bis 8d, zeigen diese, wie die Bandlücke mit dem Parameter d/Λ variiert (eher als D/d, wie es in 7 gezeigt ist), und zeigen eine berechnete Zustandsdichten (DOS) für die Struktur, die oben und in den 5a und 5b beschrieben ist. Die 8a bis 8d zeigen, wie die DOS mit Bezug auf den Modenparameter (β² – n²k²)Λ² (auf der Ordinate) und der normalisierten Frequenz kΛ (auf der Abszisse) für die folgenden Werte von d/Λ: 0,4, 0,5, 0,6 und 0,7 entsprechend variiert. In dieser Figur ist das Verhältnis D/d auf 0,8 festgelegt. Die 8a bis 8d zeigen, dass sich, indem sich der Parameter d/Λ vergrößert (d. h. die Struktur der Faser wird so geändert, dass die Hochindexringe näher an den Kern der Faser bewegt werden), die Bandlücke tiefer wird. Die Datenpunkte bei kΛ = 100 stellen die Kernführungsmoden dar. Diese zeigt, dass die Grenze zwischen einem Kern, der eine Einmoden-Multimodenfunktion aufweist, zwischen d/Λ von 0,4 und 0,5 liegt.
Die 9a bis 9d zeigen die Beziehung zwischen der Zustandsdichte (DOS) und dem Brechungsindex für das obige Beispiel. Wiederum zeigt die Abszisse die normalisierte Frequenz kΛ und die Ordinate zeigt den Modenparameter (β² – n²k²)Λ². Die 9a bis 9b stellen verschiedene Werte der Brechungsindexdifferenz Δn, d. h. 1%, 1,5%, 2% und 3% dar. In diesen Figuren sind die Verhältnisse D/d und d/Λ entsprechend auf 0,9 und 0,7 festgelegt. Wenn die Brechungsindexdifferenz größer wird, wird die Bandbreite der LP_l1-Moden schmaler und diese beginnen sich parallel der Ordinate anzunähern. Folglich kann durch Ändern der Brechungsindexdifferenz der Bereich, in dem die Bandlücke vorhanden ist, über eine Breite normalisierte Frequenz gesteuert werden.
Die obige Beschreibung und die 6a bis 6e, 7a bis 7e, 8a bis 8d und 9a bis 9d zeigen, dass ein sorgfältiges Auswählen der Verhältnisse D/d und d/Λ für eine ringartige Festkörper-PBGF die Wellenlängenabhängigkeit der Bandlückentiefe und der verwendbare normalisierte Frequenzbereich optimiert werden können, um eine praktische LMAF herzustellen. Ferner, da die Bandbreite der Mantelmode schmal ist und der Modenparameter über einen breiten Wellenlängenbereich ungefähr konstant ist, kann eine Anzahl von Kernführungsmoden über einen breiten Längenwellenbereich beibehalten werden. Da die Bandlückentiefe unabhängig gesteuert werden kann, ist es einfach, eine Einmodenfunktion in einem breiten Wellenlängenbereich unter Verwendung dieses Designs zu gestalten.
Obwohl wir oben erwähnt haben, dass die Einmodenfunktion lediglich für d/Λ von 0,4 oder kleiner (vergleiche 8a) in der Berechung erhalten werden kann, tritt in der Praxis die effektive Einmodenfunktion für Werte von d/Λ von etwas mehr als 0,4 auf. Das liegt daran, dass die Moden der höheren Ordnung einen größeren Verlust als die Fundamentalmode aufweisen, aufgrund der Differenz des Biegungsverlusts oder des Begrenzungsverlusts. Folglich, obwohl Moden höherer Ordnung in den Berechnungen vorhanden sind, weisen diese einen höheren Verlust als die Fundamentalmode auf, was bedeutet, dass die Faser als eine solche betrachtet werden kann, die in lediglich einer einzigen Mode effektiv betrieben werden kann. Beispielsweise demonstrieren einige PCFs der Luftlöcherart eine Einmodenfunktion mit d/Λ von 0,50. Folglich, wenn der Bereich d/Λ betrachtet wird, für den die Einmodenfunktion erzielt wird, sollte der Biegungsverlust der Moden der höheren Ordnung, der bei der praktischen Verwendung tatsächlich erhalten wird, berücksichtigt werden. In der Festkörper-PBGF ist der Begrenzungsverlust größer und Moden der höheren Ordnung klingen einfacher ab als bei PCFs der Luftlöcherart. Folglich ist für Festkörper-PBGFs eine effektiver Einmodenfunktion auch für d/Λ von bis zu 0,50 möglich. Ferner wird die Einmodenfunktion für d/Λ über 0,50 erwartet, beispielsweise 0,60, aufgrund des Hochbegrenzungsverlusts.
Ferner sind in der optischen Faser gemäß der vorliegenden Erfindung die Mantelmoden an den Bandlückenrändern in erster Linie LP_l1-Moden, die auf die Hochindexstäbe stark begrenzt sind. Folglich ist die Bandbreite der Mantelmoden schmaler und die Bandlückentiefe um die Ränder der Bänder ist tiefer als für den Festkörper-PBGF der Stabart. Folglich ist für den ringartigen PBGF die Breite des Verlustbands schmaler und der Biegungsverlust in der Nähe des Bandlückenrands ist kleiner als für die stabartige PBGF.
Ferner, wie es in den 9a bis 9d gezeigt ist, können die Wellenlängen der LP_l1-Mantelmoden gesteuert werden, während die Tiefen der Bandlücken durch Steuern des Brechungsindex beibehalten werden. Wenn die Brechungsindexdifferenz erhöht wird, werden die normalisierten Frequenzen der LP_l1-Mantelmoden kleiner. Ferner, wenn die Brechungsindexdifferenz groß ist, wird die Breite der LP_l1-Mantelmoden extrem schmal und der Verlust, der durch die Bandlückenränder verursacht wird, wird noch weiter verringert.
In anderen Ausführungsformen ist der Hochindexbereich nicht auf einen kreisförmigen Ring beschränkt. Beispielsweise, angenommen, dass der Hochindexbereich die Realisierung eines Bandlückenbereichs ermöglicht, in dem die Tiefe der Bandlücke bezüglich des Modenparameters (β² – n²k²)Λ² hochgradig unabhängig von der normalisierten Frequenz über einen breiten Frequenzbereich ist, kann eine Einmodenfaser mit großem Modenbereich realisiert werden. Im Besonderen haben wir herausgefunden, dass dieses mit einem Hochindexbereich erzielt werden kann, der wenigstens einen Zentrumsteil enthält, der einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der Rest des Hochindexbereichs ist.
In einer Ausführungsform weist der Hochindexbereich ein Hohlpolygon als Umgebungsteil auf. 10a zeigt eine periodische Struktur, die ein hohles Hexagon als den Hochindexbereich aufweist. 10b ist ein Graph, der eine berechnete Zustandsdichte (DOS) zeigt, wobei die Abszisse die normalisierte Frequenz kΛ darstellt und die Ordinate den Modenparameter (β² – n²k²)Λ² darstellt. Die Bandlückenstruktur der optischen Faser der Hohlpolygonart ist mit der Festkörper-PBGF-Faser des Ringtyps, die in 9 gezeigt ist, vergleichbar. In dem Fall einer ringartigen Faser wird der Hochindexbereich den einer hohlpolygonartigen Faser annähern, aber ohne abgerundete Ecken, aufgrund eines Gasflusses, der die Zwischenräume zwischen den gestapelten Stäben während der Herstellung füllt. In einem solchen Fall ist die Bandlückenstruktur der Faser mit der ringartigen optischen Faser vergleichbar und die Tiefe und der Gradient der Bandlücke können durch die Größe und Dicke des Hohlpolygons gesteuert werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Stäbe, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, in einem kreisförmigen oder regelmäßig polygonalen Muster ausgebildet, um den Umgebungsteil des Hochindexbereichs auszubilden, wie es in den 11a, 12a, 13a und 14a gezeigt ist. 11a zeigt drei solcher Stäbe, die an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. 12a zeigt sechs solcher Stäbe, die an den Ecken eines Hexagons angeordnet sind. 13a zeigt zwölf solcher Stäbe, die an den Ecken und den Seiten eines Hexagons angeordnet sind. 14a zeigt zwölf solcher Stäbe, die in einem Kreis angeordnet sind. Die 11b, 12b, 13b und 14b sind Graphen, welche die Zustandsdichte (DOS) der Festkörper-PBGF gemäß den 11a, 12a, 13a und 14a entsprechend zeigen. Wie in einigen der vorhergehenden Figuren stellt die Abszisse die normalisierte Frequenz kΛ dar und stellt die Ordinate den Modenparameter (β² – n²k²)Λ² dar. In jeder dieser Fälle kann die Tiefe und der Gradient der Bandlücke durch Ändern des äußeren Durchmessers des kreisförmigen Stabs welcher der Größe des Kreises oder des regulären Polygons, entlang dieser die Stäbe angeordnet sind, gesteuert werden. Im Besonderen stellen die Strukturen, die in den 11b und 12b gezeigt sind, eine verbesserte Performanz über den ringartigen PBGF dar, da diese Strukturen keinen Bandlückenrand in dem Übertragungsband bei einem hohen Frequenzbereich erlauben. Folglich weisen diese Strukturen den Vorteil des Anbietens eines breiten und kontinuierlichen Übertragungsbands auf.
In den 10a bis 14a sind die kreisförmigen Stäbe, welche die Hochbrechungsindexbereiche ausbilden, alle auf die gleiche Weise ausgerichtet bzw. orientiert. Beispielsweise sind in 11a die Stäbe an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet, und für jedes Dreieck zeigt eine Ecke nach rechts und die zwei anderen Ecken sind so angeordnet, dass eine vertikal über der anderen in der Figur ist. Diese Ausrichtung ist für jedes Dreieck gleich. Allerdings, in Ausführungsformen, in denen die Anzahl der Stäbe in jedem Polygon sechs oder mehr ist, wenn die Ausrichtung von einem Polygon zum anderen sich unterscheidet, wird dieses lediglich sehr kleine Änderungen bezüglich der DOS bewirken. Somit wird eine kleine Änderung der Ausrichtung der Polygone während der Herstellung keinen oder nur einen sehr kleinen Einfluss auf die Zustandsdichte der resultierenden PBGF haben.
In den Ausführungsformen, die ein Gitter von Stäben von kreisförmigem Querschnitt aufweisen, die um einen Kreis oder ein Polygon angeordnet sind, sind einige der Strukturparameter, die für die ringartige Struktur bestimmt sind, auch hier nützlich. Beispielsweise ist ein Verhältnis D/d (Verhältnis des Durchmessers des Kreises oder Polygons zum Durchmesser der Stäbe) von mehr als 0,8 bevorzugt, und eine Brechungsindexdifferenz zwischen den Stäben und dem Hintergrundmaterial von wenigstens 1,5% ist auch bevorzugt.
Herstellungsverfahren
Die ringartige PBGF kann durch das Stapel- und Zugverfahren oder Drillverfahren gefertigt werden.
In dem Stapel- und Zugverfahren kann ein Stab, der ein individueller Hochindexbereich zu sein hat, durch die Mehrfachstapeltechnik, das modifizierte chemische Dampfablagerungsverfahren (MCVD) oder das Außendampfphasenablagerungsverfahren (OVD) gefertigt werden, um beispielsweise einen Stab mit einem Hochindexaußenbereich bereitzustellen. Der Stab (für die periodischen Mantelbereiche) wird verlängert und in eine Mehrzahl von Stücken unterteilt. Diese Stücke werden um ein Stück eines kleineren Brechungsindex, der zum Kern wird, gestapelt bzw. angeordnet. Als nächstes werden diese gestapelten Stücke in eine Mantelröhre eingebracht, um die Faservorform herzustellen, die einen zentralen Kern und einen Mantel aufweist, der eine periodische Struktur aufweist. Die Faser kann aus der Vorform entweder durch Kollabieren der Vorform und anschließend Ziehen der Faser oder durch direktes Ziehen gleichzeitig mit dem Kollabieren in einem Zugofen gefertigt werden.
In dem Drillverfahren wird der Stab mittels der gleichen Verfahren gefertigt, beispielsweise mit dem Mehrfachstapelprozess, MCVD oder OVD. Zum Ausbilden der Vorform wird der Stab verlängert, unterteilt und in eine Öffnung, die in einen Glaskörper gebohrt wird, der das Hintergrundmaterial ausbilden wird, eingebracht. Der Außenoberflächenbereich des Stabs kann aus Silica-Glas, das GeO₂ enthält, gefertigt werden, um einen größeren Brechungsindex als das Hintergrundmaterial aufzuweisen. Alternativ kann der Außenoberflächenbereich des Stabs aus Glas aus Hintergrundmaterial bestehen. Die erstere Art des Stabs wird vorzugsweise mittels des OVD-Verfahrens gefertigt, wohingegen die letztere Stabart vorzugsweise mittels der Mehrfachstapeltechnik oder dem MCVD-Verfahren gefertigt sein kann.
In Ausführungsformen, in denen die Gestalt des Umgebungsteils des Hochindexbereichs kein Ring ist, sondern eine andere Geometrie aufweist, können die Hochindexbereiche mittels der gleichen Verfahren gefertigt werden.
Für die Ausführungsformen, die in den 11a und 12a beschrieben sind, können die Hochindexstäbe, welche die kreisförmigen Stäbe ausbilden, direkt in Öffnungen eingebracht werden, die in den Glaskörper gebohrt sind, der das Hintergrundmaterial bildet. Für die Fälle, in denen die Anzahl der Hochindexstäbe klein ist, kann die Ausrichtung der Polygone einfach erzielt werden. Wenn die Anzahl der Stäbe, welche das Polygon ausbilden, größer als sechs ist (wie beispielsweise in den 13a und 14a), ist es aus Sicht der Herstellung vorzuziehen, die einzelnen Stäbe nicht in die gebohrten Öffnungen einbringen zu müssen. Da in diesen Fällen die genaue Ausrichtung des Polygons die Bandlückenstruktur nicht beeinflusst, kann der Hochindexbereich durch das Stapel- und Zugverfahren gefertigt werden.
Das Material für die optischen Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung kann pures Silica oder Silica dotiert mit Germanium, Phosphor oder Aluminium sein. Diese drei Dotanden wirken, um den Brechungsindex von Silica zu erhöhen und können als Dotanden in dem Hochindexbereichen verwendet werden. Alternativ können wir Silica dotiert mit Fluor oder Bor verwenden, die wirken, um den Brechungsindex von Silica zu verringern. Diese Dotanden können in dem Kern und dem Hintergrundmaterial verwendet werden. Eine Co-Dotierung der oben erwähnten Elemente kann auch angewendet werden. Indem Silicaglas verwendet wird, können herkömmliche Verfahren zur Herstellung optischer Fasern und Vorrichtungen verwendet werden, während die Herstellung einer Faser mit niedrigem Übertragungsverlust ermöglicht wird, die eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Optische Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung können unter Verwendung herkömmlicher Techniken hergestellt werden, wodurch ein Hochqualitätsprodukt mit geringen Kosten bereitgestellt wird. Ferner, da die Faser keine Luftlöcher enthält, kann die Struktur der Faser einfacher während der Herstellung gesteuert werden.
Anwendung der PBGF gemäß der vorliegenden Erfindung
Eine Anwendung einer PBGF gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine stimulierte Ramanstreuung (SRS) zu vermeiden, welche eine Hochleistungsübertragung nachteilig beeinflussen kann. SRS ist ein nicht-linearer optischer Effekt, der auftritt, wenn Licht von hoher Leistung in einer optischen Faser vorhanden ist. Die SRS bewirkt die Verschiebung eines Teils der optischen Leistung an andere Wellenlängen, was als Stokes-Licht bezeichnet wird. In einigen Fällen wird das meiste Licht, das in die Faser eingegeben wird, zum Stokes-Licht bewegt. Die Verschiebung eines Teils der optischen Leistung zu den Stokes-Wellenlängen verringert die Leistung, die in der gewünschten Wellenlänge übertragen wird, was für die Leistungsübertragung unerwünscht ist. Allerdings, wenn die Faser gefertigt werden kann, um einen hohen Verlust bei Wellenlängen aufzuweisen, an denen das Stokes-Licht auftritt, kann die Wirkung der SRS unterdrückt werden. Das Übertragungsband einer Festkörper-PBGF ist nicht kontinuierlich, wie beispielsweise für eine LMAPCF der Luftlöcherart und wird durch Mantelmoden unterbrochen. Bei der Wellenlänge, bei der das Übertragungsband unterbrochen ist, sind die Kernführungsmoden nicht vorhanden und das Licht um den Zentrumskern koppelt mit der Mantelmode und klingt rasch ab. Wenn keine Kernführungsmode bei den Stokes-Wellenlängen vorhanden ist, hebt der Ramanzuwachs den Verlust auf. Somit kann die Verschiebung zum Stokes-Licht verringert werden. Beispielsweise tritt in Silicaglas das erste Stokes-Licht bei einer um ungefähr 13,2 THz niedrigeren Frequenz bezüglich der Transmissionsfrequenz auf. Bei einer Wellenlänge von 1,55 μm ist die Stokes-Wellenlänge eine ungefähr 0,1 μm längere Wellenlänge als 1,55 μm. Folglich kann SRS unterdrückt werden, wenn ein 1,55 μm Licht hoher Leistung in die Faser eingegeben wird, wenn die Faser einen großen Verlust um 1,66 μm herum aufweist.
Wie es oben beschrieben ist, weisen die Mantelmoden gewöhnlich einen hohen Verlust auf, und das Licht, das mit den Mantelmoden gekoppelt ist, klingt rasch ab. Allerdings, wenn die Mantelmode in den Hochindexstäben gut begrenzt ist, mit einem geringen Begrenzungsverlust und Materialverlust, kann der Fall vorliegen, dass das Licht, das mit den Mantelmoden durch SRS in dem Kern koppelt, nicht rasch abklingt. Selbst wenn dies der Fall ist, kann eine SRS-Unterdrückung durch Fertigen der Hochindexstäbe mit verlustbehafteten Materialien realisiert werden. Folglich ist es in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorzuziehen, dass der Materialverlust der Hochindexstäbe groß genug ist, um zu vermeiden, das Stokes-Licht in der Mantelmode durch den Ramaneffekt gewonnen wird. Eine solche Faser kann durch Co-Dotierung von Hochverlustmaterialien in die Hochindexstäbe hergestellt werden. Die Hochverlustmaterialien sind beispielsweise Übergangsmetalle oder Metalle seltener Erden. Selbstverständlich sind diese nicht auf die oben erwähnten Beispiele beschränkt, irgendwelche Materialien, welche die Mantelmoden dämpfen, können für den Zweck dieser Ausführungsform verwendet werden.
Eine PBGF gemäß der vorliegenden Erfindung kann gestaltet werden, um SRS bei mehreren Wellenlängen zu unterdrücken. Beispielsweise betragen in einer auf Silica basierenden optischen Faser das erste Stokes-Licht, das durch SRS induziert wird, bei Übertragungswellenlängen von 1,06 und 1,55 μm, entsprechend 1,11 und 1,66 μm (d. h. ungefähr 0,05 und 0,11 μm länger als jede der Übertragungswellenlängen). Folglich, wenn die Übertragungswellenlängen sich in dem Übertragungsband befinden, befinden sich die Stokes-Wellenlängen in Hochverlustbändern, wobei eine optische Leistung, die zu den ersten Stokes-Wellenlängen verschoben ist, unterdrückt werden kann. Wenn die Differenz des Übertragungslichts bei der gewünschten Wellenlänge (beispielsweise 1,55 μm, 1,06 μm oder 0,80 μm) und der Wellenlänge eines ersten Stokes-Lichts nicht kleiner als 5 dB ist, kann eine gute Unterdrückung von SRS erzielt werden.
Ein weiterer Vorteil der ringartigen PBGF und anderer Ausführungsformen (wie beispielsweise PBGFs des nicht kreisförmigen Rings und des Polygonhochindexteils), die hierin beschrieben sind, besteht bezüglich des herkömmlichen stabförmigen Festkörper-PBGFs darin, dass in den ringartigen Fasern die Mantelmoden aus LP_l1-Moden besteht, und betrachtet im Hinblick auf die Zustandsdichte der Graphen, wenn die Mantelmode an dem Bandrand aus solchen Moden besteht, ist eine Isolation zwischen dem Übertragungsband und dem Hochverlustband groß. Das bedeutet, dass Licht an den Stokes-Frequenzen scharf gefiltert werden kann. Eine Wellenlängenschwankung des Hochverlustbands kann auftreten, wenn die Faser gebogen wird. Allerdings ist die Abweichung bzw. Schwankung in dem Hochverlustband sehr viel kleiner für die PBGFs der vorliegenden Erfindung als für die herkömmlichen stabförmigen Festkörper-PBGFS. Folglich werden die PBGFs der vorliegenden Erfindung, wie beispielsweise die ringartige Faser, weniger durch Biegung beeinflusst, was für die Anwendung der Zufuhr der optischen Leistung vorteilhaft ist.
Ferner sind die Fasern der vorliegenden Erfindung Festkörper und enthalten keine Luftlöcher, wodurch die Erhaltung der Faserendfläche verbessert wird. Wenn die optische Faser Luftlöcher aufweist, kann sich Staub in den Luftlöchern ansammeln, und wenn Licht von hoher Leistung eingegeben wird, kann die Endoberfläche beschädigt werden und übermäßige Verluste einbringen.
Der Fachmann wird anerkennen, dass die oben beschriebene Erfindung auf viele Arten abgeändert werden kann, ohne sich vom Gegenstand der beigefügten Ansprüche zu entfernen. Beispielsweise können die Hochindexbereiche an Polygonen angeordnet sein, die verschiedene Seitenanzahlen aufweisen, oder die Glas- oder Dotiermaterialien können abgeändert werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine photonische optische Festkörperbandlückenfaser, die einen Kernbereich und einen Mantelbereich umfasst, offenbart. Der Mantelbereich, der den Kernbereich umgibt, enthält ein optisches Hintergrundmaterial, das einen ersten Brechungsindex aufweist, und Elemente, die in einer zweidimensionalen periodischen Struktur angeordnet sind. In einer Ausführungsform umfasst jedes der Elemente einen Zentrumsteil und einen Umgebungsteil, der einen größeren Brechungsindex als der Zentrumsteil aufweist. In anderen Ausführungsformen umfasst jedes Element eine Mehrzahl von Stäben, welche einen größeren Brechungsindex als der erste aufweisen, wobei die Stäbe von jedem Element als Kreis oder Polygon angeordnet sind. Eine Lichtübertragungsvorrichtung und Verfahren zur Anwendung der Faser sind ebenfalls offenbart.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Adaptive curvilinear coordinates in a plane-wave solution of Maxwell's equations in photonic crystals”, Phys. Rev. B 71, 195108 (2005) [0010]
- „Scalling laws and vector effects in bandgap-guiding fibers”, Optics Express Vol. 12, 69–74 (2004) [0011]

Claims

Photonische optische Bandlückenfaser, die umfasst: einen Kernbereich; und einen Mantelbereich, der den Kernbereich umgibt, wobei der Mantelbereich ein optisches Hintergrundmaterial, das einen ersten Brechungsindex n aufweist, und Elemente umfasst, die in einer zweidimensionalen periodischen Struktur angeordnet sind, bei der jedes der Elemente einen Zentrumsteil und einen Umgebungsteil umfasst, wobei der Umgebungsteil einen größeren Brechungsindex als der Zentrumsteil aufweist; und die Elemente so angeordnet sind, dass die Faser eine Bandlücke in dem normalisierten Modenparameter (β² – n²k²)Λ² der Faser aufweist, wobei der untere Bandrand der Lücke über einen Bereich einer normalisierten Frequenz (kΛ) im Wesentlichen konstant ist, wobei β die longitudinale Komponente eines Wellenvektors ist, k die Vakuumwellenzahl ist und Λ die Periode der Elemente in dem Mantelbereich ist.
Optische Faser nach Anspruch 1, bei welcher der normalisierte Modenparameter (β² – n²k²)Λ² um nicht mehr als 0,4 über einen Bereich einer normalisierten Frequenz (kΛ) von wenigstens 20 variiert.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Bereich der normalisierten Frequenz den Punkt kΛ = 100 enthält.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Querschnittsgestalt des Zentrumsteils eine kreisförmige Scheibe ist und die Querschnittsgestalt des Umgebungsteils ein Ring ist.
Optische Faser nach Anspruch 4, bei der das Verhältnis des Durchmessers des Zentrumsteils zum Außendurchmesser des Umgebungsteils nicht kleiner als 0,80 ist.
Optische Faser nach Anspruch 1, bei der die Querschnittsgestalt des Zentrumsteils ein Polygon ist und die Querschnittsgestalt des Umgebungsteils ein Hohlpolygon ist.
Optische Faser nach Anspruch 6, bei der das Verhältnis des Durchmessers eines Kreises, der den Zentrumsteil umschreibt, zu einem Durchmesser eines Kreises, der den Umgebungsteil umschreibt, nicht kleiner als 0,80 ist.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der erste Brechungsindex im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex des Zentrumsteils ist.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Umgebungsteil und dem Zentrumsteil größer als 1% ist.
Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Verhältnis d/Λ kleiner als 0,6 ist, wobei d der Außendurchmessers des Elements und Λ der Zwischenraum zwischen Elementen ist.
Photonische optische Bandlückenfaser, die umfasst: einen Kernbereich; und einen Mantelbereich, der den Kernbereich umgibt, wobei der Mantelbereich ein optisches Hintergrundmaterial, das einen ersten Brechungsindex aufweist, und Elemente enthält, die in einer zweidimensionalen periodischen Struktur angeordnet sind, und wobei jedes Element eine Mehrzahl von Stäben umfasst, die einen zweiten Brechungsindex aufweisen, der größer als der erste ist, wobei die Stäbe von jedem Element als Kreis oder Polygon angeordnet sind.
Optische Faser nach Anspruch 11, bei der das Polygon ein Dreieck oder ein Hexagon ist.
Optische Faser nach Anspruch 11 oder 12, bei der die Anzahl der Stäbe in jedem der Elemente 3, 6 oder 12 ist.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die Stäbe von jedem Element angeordnet sind, um eine Faser bereitzustellen, die eine optische Kernführungsmode aufweist, die über einem kontinuierlichen Frequenzbereich unterstützt wird, und die Faser Licht im Wesentlichen als Einmode in dem Bereich überträgt.
Optische Faser nach Anspruch 14, bei der die Stäbe von jedem Element angeordnet sind, um eine Faser bereitzustellen, die eine optische Kernführungsmode aufweist, die über einem kontinuierlichen normalisierten Frequenzbereich kΛ von mehr als 90 unterstützt wird, wobei k die Wellenzahl ist und Λ der Abstand zwischen benachbarten Elementen ist.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei der das Verhältnis des Durchmessers eines Kreises, der die Mehrzahl von Stäben umschreibt, zum Durchmesser der Stäbe nicht kleiner als 0,8 ist.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei der die Brechungsindexdifferenz zwischen den Stäben und dem Hintergrundmaterial größer als 1,5% ist.
Lichtübertragungsvorrichtung, die umfasst: einen photonischen optischen Bandlückenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und eine erste Lichtquelle, die angeordnet ist, um erstes einfallendes Licht auszugeben, das eine Wellenzahl kp₁ aufweist, bei der die Faser angepasst ist, um das erste einfallende Licht als die Kernführungsmode zu übertragen und ein erstes Stokes-Licht nicht zu übertragen, das eine Wellenzahl ks₁ aufweist und von dem ersten einfallenden Licht in der Faser induziert wird, durch Koppeln des ersten Stokes-Lichts mit der Mantelmode und Dämpfen desselben darin.
Lichtübertragungsvorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Wellenzahl ke des Bandlückenrands der Niedrigfrequenzseite der Bandlücke, welche die Wellenzahl kp₁ umfasst, die Beziehung kp₁ > ke > ks₁ erfüllt und die Differenz zwischen der Übertragungsfähigkeit des ersten einfallenden Lichts und des ersten Stokes-Lichts nicht kleiner als 15 dB ist.
Lichtübertragungsvorrichtung nach Anspruch 19, ferner umfassend: eine zweite Lichtquelle, die angeordnet ist, um zweites einfallendes Licht auszugeben, das eine Wellenzahl kp₂ aufweist, bei der die Faser das zweite einfallende Licht als Kernführungsmode überträgt und ein zweites Stokes-Licht nicht überträgt, das eine Wellenzahl ks₂ aufweist und von dem zweiten einfallenden Licht in der Faser induziert wird, durch Koppeln des zweiten Stokes-Lichts mit der Mantelmode und Dämpfen desselben darin.
Verfahren zum Unterdrücken von stimuliertem Ramanstreulicht in einem optischen Übertragungssystem, umfassend: Zuführen von Licht von einer Lichtquelle; Koppeln des Lichts in eine photonische optische Bandlückenfaser, wobei die optische Faser umfasst: einen Kernbereich; einen Mantelbereich, der den Kernbereich umgibt, wobei der Mantelbereich ein optisches Hintergrundmaterial, das einen ersten Brechungsindex n aufweist, und Elemente enthält, die in einer zweidimensionalen periodischen Struktur angeordnet sind, wobei jedes der Elemente einen Zentrumsteil und einen Umgebungsteil umfasst, wobei der Umgebungsteil einen größeren Brechungsindex als der Zentrumsteil aufweist; und die Elemente so angeordnet sind, dass die Faser eine Bandlücke in dem normalisierten Modenparameter (β² – n²k²)Λ² der Faser aufweist, wobei der untere Bandrand der Lücke über einen Bereich einer normalisierten Frequenz (kΛ) im Wesentlichen konstant ist, wobei β die longitudinale Komponente des Wellenvektors ist, k die Vakuumwellenzahl ist und Λ die Periode der Elemente in dem Mantelbereich ist, und stimuliertes Ramanstreulicht durch den Mantel der optischen Faser gedämpft wird.
Verfahren zur Unterdrückung von stimuliertem Ramanstreulicht in einem optischen Übertragungssystem, umfassend: Zuführen von Licht von einer Lichtquelle; Koppeln des Lichts in eine photonische optische Bandlückenfaser, wobei die optische Faser umfasst: einen Kernbereich; einen Mantelbereich, der den Kernbereich umgibt, wobei der Mantelbereich ein optisches Hintergrundmaterial, das einen ersten Brechungsindex aufweist, und Elemente enthält, die in einer zweidimensionalen periodischen Struktur angeordnet sind, und jedes Element eine Mehrzahl von Stäben umfasst, die einen zweiten Brechungsindex aufweisen, der größer als der erste ist, wobei die Stäbe von jedem Element als Kreis oder Polygon angeordnet sind, und stimuliertes Ramanstreulicht durch den Mantel der optischen Faser gedämpft wird.