DE202010017188U1

DE202010017188U1 - Lichtwellenleiter und Halbzeug zur Herstellung eines Lichtwellenleiters mit biegeoptimierten Eigenschaften

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Publication number: DE202010017188U1
Application number: DE202010017188U
Authority: DE
Original assignee: J Plasma GmbH
Current assignee: J Plasma GmbH
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2020-11-05

Abstract

Lichtwellenleiter und Halbzeug zur Herstellung eines Lichtwellenleiters mit biegeoptimierten Eigenschaften,
enthaltend
eine Graben-Feinstrukturierung mit einem vom Radius abhängigen gradientenartigen Brechzahl-Verlauf (1) und/oder einem konzentrischen Brechzahl-Grabenprofil (3) innerhalb einer Kernzone (2) und/oder innerhalb einer Mantelzone (4).

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter und ein Halbzeug zur Herstellung eines Lichtwellenleiters mit biegeoptimierten Eigenschaften nach Anspruch 1.
Die optischen Eigenschaften eines Lichtwellenleiters sind unter anderem auch von dessen Biegung abhängig. Das Maß der dadurch erzielbaren Beeinflussung und die Art und Weise, wie sich die Biegung eines Lichtwellenleiters auf dessen optische Eigenschaften auswirkt, wird als Biegeempfindlichkeit bezeichnet. Diese ist vor allem hinsichtlich des für den Lichtwellenleiter vorgesehenen Verwendungszweckes eine sehr wichtige Größe. Lichtwellenleiter mit einer hohen Biegeempfindlichkeit werden vorzugsweise für optische Sensoriken verwendet, bei denen mechanische Verformungen optisch nachgewiesen und gemessen werden sollen. Dagegen erfordern Lichtwellenleiter, die zur Übertragung von Nachrichten und Daten verwendet werden sollen, eine möglichst niedrige Biegeempfindlichkeit, denn in einem solchen Fall soll die Lichtleitung möglichst nicht durch den Verlauf des Lichtleiters beeinflusst werden.
Es gestaltet sich allerdings schwierig, den genauen Grad der Biegeempfindlichkeit vorab für die Gestaltung des Lichtwellenleiters genau zu planen oder im Fertigungsprozess gezielt einzustellen und diesen so an die Umgebungsbedingungen und den vorgesehenen Einsatzzweck schon von vornherein anzupassen.
In der EP2166386/OFS , der US20100254653/Draka und der EP2102691/Corning werden Faserdesigns beschrieben, die eine gewisse Biegeunempfindlichkeit bewirken. Diese Biegeunempfindlichkeit ist jedoch nicht einstellbar und ist in vielen Fällen für die Applikation nicht ausreichend.
In der Publikation „near zero bending loss in a double-trenched bend insensitive optical fiber at 1550nm” wird eine zweifache Grabenstruktur bei Singlemodefasern beschrieben. Der Nachteil dieser Veröffentlichung besteht in der fehlenden gezielten Einstellbarkeit der Biegeempfindlichkeit. Zudem handelt es sich um Single-Mode Fasern, bei welchem die Mehrmodigkeit per se nicht gegeben ist. Ein weiterer Nachteil besteht in der unabdingbaren Verwendung von Bor als Dotanden.
Daher besteht die Aufgabe, Lichtwellenleiter und Halbzeuge zur Herstellung eines Lichtwellenleiters anzugeben, bei denen je nach dem später vorgesehenen Anwendungsgebiet die Biegeempfindlichkeit vorab optimal einstellbar ist und der somit genau planbare biegeoptimierte Eigenschaften aufweist. Dabei soll insbesondere sichergestellt sein, dass Lichtleiter mit einer nur geringen Biegeempfindlichkeit eine hohe Übertragungsbandbreite aufweisen, die einem internationalen Standard von mindestens OM 3, vorzugsweise OM 4 und höher genügen. Für Lichtwellenleiter mit einer hohen Biegeempfindlichkeit sollen dagegen eine möglichst hohe numerische Appertur, ein Wellenlängenspektrum, ein Kerndurchmesser und ein Außendurchmesser gesichert sein, die an die jeweilige Verwendung bestmöglich angepasst sind. Darüber hinaus soll es auch möglich sein, die Parameter variabel zu gestalten, wobei es darüber hinaus auch möglich sein soll, dass ein oder mehrere der genannten Parameter separat beeinflusst werden können.
Die Aufgabe wird mit einem Lichtwellenleiter und einem Halbzeug zur Herstellung eines Lichtwellenleiters mit biegeoptimierten Eigenschaften mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Lichtwellenleiter und das Halbzeug enthalten eine Graben-Feinstrukturierung mit einem vom Radius abhängigen Dotierprofil. Das Dotierprofil gewährleistet einen gradientenartigen Verlauf der Brechzahl innerhalb einer Kernzone einerseits und/oder ein konzentrisches Brechzahl-Grabenprofil innerhalb einer Mantelzone andererseits.
Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter beziehungsweise das Halbzeug zu dessen Herstellung ist somit so dotiert, dass sich damit mindestens ein Brechzahlverlauf im Kern oder im Mantel oder sowohl im Kern und im Mantel einstellt. Im Kern ist dies ein gradientenartiger Verlauf der Brechzahl. Dieser hängt vom Radius ab und fällt vom Nullpunkt zur Kern-Mantel-Grenzfläche stetig ab. Innerhalb der Mantelzone ist die Dotierung so angelegt, dass sich dort ein konzentrisches Brechzahlprofil einstellt. Das heißt, dass in der Mantelzone konzentrische Bereich mit niedrigerer und höherer Brechzahl abwechseln. Dabei werden die Bereiche, in denen die Brechzahl vergleichweise niedrig ist, als „Gräben” bezeichnet, sodass im Bereich der Mantelzone auch von einer „Grabenstruktur” bzw. einer Lamellenstruktur bezogen auf das radiale Brechzahlniveau gesprochen werden kann. Dabei handelt es sich allerdings nicht um reelle Vertiefungen im Bereich des Mantels. Vielmehr soll damit der Umstand bezeichnet werden, dass die konzentrische Graben-Feinstrukturierung innerhalb der Mantelzone einen unstetigen, vom Radius abhängenden Brechzahlverlauf aufweist, in welchem die Brechzahl entsprechend dem konzentrischen Dotierprofil stufenförmig, gradientenförmig und/oder rechteckförmig springt oder oszilliert.
Hinsichtlich des Brechzahlverlaufs weist der Querschnitt des Lichtwellenleiters eine quasi baumkuchenförmige oder an Jahresringe erinnernde Gestaltung auf. Diese Struktur durchzieht die gesamte Mantelzone und wird besonders gut sichtbar, wenn der Lichtleiterquerschnitt mit Licht durchstrahlt und im Mikroskop oder einem vergleichbaren Vergrößerungsinstrument betrachtet wird.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Graben-Feinstrukturierung aus einer Folge unterschiedlich dotierter Bereiche mit innerhalb einer Grundmatrix eingebrachten mit brechzahlerniedrigenden und/oder brechzahlerhöhenden Dotanden ausgebildet. Bei einer derartigen Ausführungsform braucht prinzipiell nur auf ein Grundmaterial zurückgegriffen werden, während nur wechselnde Dotanden zugeführt werden müssen und so den gewünschten Brechzahlverlauf erzeugen.
Die Grundmatrix ist zweckmäßigerweise als eine Quarzglasmatrix ausgebildet. Als Dotanden werden Elemente der ersten bis siebenten Hauptgruppe, Selten-Erd-Elemente, Metalle und/oder Halbmetalle und/oder Verbindungen der genannten Elemente verwendet.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist die Brechzahlmodulation des Grabenprofils in Abhängigkeit von dem Radius eine zunehmende Tiefe auf. Das bedeutet, dass die Höhe der Oszillation, d. h. die Größe der Brechzahlunstetigkeiten, zunimmt, wobei die brechzahlerniedrigten Bereiche mit wachsendem Radius eine abnehmende Brechzahl aufweisen.
Die Tiefe des Grabenprofils nimmt dabei entweder linear oder graduell zu. Bei einer linearen Zunahmen erfolgt die Zunahme um einen konstanten Faktor, der Zuwachs ist somit vom Radius unabhängig. Bei der graduellen Zunahme ist der Zuwachs selbst eine Funktion des Radius.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Brechzahl-Grabenprofil richtungsabhängige Unterbrechungen und Aussparungen auf. Bei dieser Variante sind die konzentrischen Gräben teilweise, d. h. sektoriell, unterbrochen sodass an diesen Stellen keine Brechzahlerniedrigung vorliegt.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiteres oder eines Halbzeuges für einen Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt.
Es erfolgt zunächst ein Bereitstellen eines aus einer Quarzglasmatrix bestehenden Kerns. Der Kern wird mit brechzahlverändernden Dotanden dotiert. Dadurch stellt sich ein Kern-Brechzahlprofil ein. Im Anschluss daran wird ein Außenbeschichtungsverfahren ausgeführt, wobei eine Kernummantelung aufgebracht wird, die ein schalenförmiges Dotierprofil aufweist.
Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters oder eines Halbzeugs für einen Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften wird ein wiederholtes Aufkollabieren ausgeführt. Dabei werden folgende Verfahrensschritte durchlaufen:
Es wird ein erstes Substratrohr bereitgestellt. Danach wird eine erste Schicht im Inneren des ersten Substratrohres abgeschieden, um einen Kern auszubilden. Im Anschluss daran wird das erste Substratrohr kollabiert und abgetragen sodass der Kern nun freiliegt. Ein weiteres Substratrohr wird nun bereitgestellt. An diesem weiteren Substratrohr wird eine dotierte Schicht im Inneren abgeschieden. Das weitere Substratrohr wird entfernt und die dotierte Schicht wird auf den Kern aufkollabiert. In einer entsprechenden Weise werden nun weitere Substratrohre vorbereitet, in die weitere Schichten abgeschieden werden und die nun sukzessive auf den bereits fertigen Körper des Lichtwellenleiters oder Halbzeugs aufkollabiert werden.
Be einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters und eines Halbzeugs für einen Lichtwellenleiter mit biegeoptimierten Eigenschaften werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
Es wird zuerst ein Substratrohr bereitgestellt. Anschließend werden sukzessive verschieden dotierte Schichten im Inneren des Substratrohres abgeschieden, wobei ein Kern ausgebildet wird. Das Substratrohr wird danach entfernt und der Kern freigelegt. Anschließend werden sukzessive verschieden dotierte Außenschichten abgeschieden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird zuerst ein Substratrohr bereitgestellt. Anschließend werden sukzessive verschieden dotierte Schichten im Inneren des Substratrohres oder von Außen abgeschieden, wobei sich ein dickere Schicht bildet. Das Substratrohr wird danach entfernt. Ein Rohr bestehend aus dotiertem Quarzglas ist das Resultat. Aus diesem werden zumindest abschnittsweise bestimmte Rohrsegmente entfernt. Dieses Rohr wird auf ein geeignetes Substrat kollabiert. Dieses Substrat kann entweder weiter beschichtet werden oder mit Hilfe des Jacketing Verfahrens weitere Schichtstrukturen erhalten. Dadurch lässt in geeigneter Weise eine Strukturierung erreichen.
Die vorhergehend erwähnten Abscheide- und Kollabierschritte können mit Substratrohren ausgeführt werden, die mit Aussparungen versehen sind. Dadurch lassen sich die erwähnten Unterbrechungen innerhalb des Brechzahlprofils erreichen.
Die Schichtstrukturen können ebenfalls durch den Einsatz von Vakuum-Gasphasenabscheideverfahren, d. h. so genannten OVD Verfahren, vorzugsweise plasmagestützten OVD Verfahren, Flammenverfahren, Smoker-verfahren und/oder CVD Verfahren, vorzugsweise MCVD Verfahren, erzeugt werden.
Bei Quarzglas hat sich für die Dotierung mit Fluor zur Erzeugung von Gräben das POVD Verfahren besonders bewährt.
Germanium hingegen wird vorteilhaft mit Hilfe des MCVD Verfahrens für die Kernherstellung in die biegeunempfindliche Faser eingebracht.
Bei Halbzeug ist eine Temperaturbehandlung zwischen den einzelnen Verfahrensschritten besonders vorteilhaft.
Erst durch eine geeignete Kombination aus zuvor aufgeführten Verfahren bzw. Verfahrensschritten ist das Halbzeug bzw. die fertige Faser erzeugbar.
Die Lichtwellenleiter und das Halbzeug zu dessen Herstellung können wenigstens in einer der folgenden Eigenschaften radial bezogen ortsabhängig sein: Brechzahl, Polarisation, Modenverteilung, Dämpfung/Absorption, Strukurierung der Gräben, Biegeempfindlichkeit, Modenselektion, Propagation des Lichts, Viskosität des Glases, Ausdehnungskoeffizienten und/oder der phononischen Schwingungen.
Diese Abhängigkeit kann sich ebenfalls auf der Länge der Faser bzw. Preform ändern.
Es ist eine lamellenartige Grabenstruktur aus wenigstens zwei Gräben vorgesehen.
Es ist ein im Vergleich zum Bezugsbrechungsindex in seinem Brechungsindexerhöhter Lichtleitkern vorhanden, der eine zumindest abschnittsweise graduelle und/oder zumindest abschnittsweise sprunghafte Veränderung, vorzugsweise einen Anstieg, aufweist.
Die Gräben und/oder die jeweils einem Graben folgende Schichtstruktur können hinsichtlich ihrer Tiefe bzw. Höhe bezüglich der Brechzahl, Grabenform bzw. -graduierung, Breite und/oder Anzahl sowie ihres Abstands zueinander unabhängig angeordnet sein.
Die Gräben und/oder die jeweils einem Graben folgende Schichtstruktur können auch hinsichtlich ihrer Tiefe bzw. Höhe (Brechzahl), Grabenform bzw. -graduierung, Breite und/oder Anzahl sowie ihres Abstands zueinander in einem festen Verhältnis angeordnet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform beginnt die an den Kern grenzende Feinstruktur mit einer brechzahlerniedrigten Grabenstruktur.
Bei einer weiteren Ausführungsform schließt sich an den Kern eine Schicht mit der Brechzahl der Glasmatrix an.
Die maximale Grabentiefe der einzelnen Gräben und/oder die jeweils einem Graben in radialer Richtung folgende Schichtstruktur können mit Hilfe einer parabelartigen oder linearen Funktion beschrieben werden.
Die lamellenartige Struktur basiert auf Glas, zumindest abschnittsweise wird dies bei einzelnen Grabentiefen und/oder Grabenhöhen durch Dotierung des Glases vorzugsweise mit Hilfe von wenigstens einem der nachfolgenden Elemente erreicht: F, P, Al, Ge, B, Yb, Nb, Ag, Au, Cu, Ni, Ta, Zr, Sn, Zn, Hg, Ru, Rh, Ir, Os, Ro, W, Ti, Al, In, Ga, Nb, La, Sm, Ce, B, P, Sr, Ba, Mo, Cr, Fe, Co, Se, Mn, Ge, V, In, Bi, Pt, Pd, Tc, V, Pb, N.
Durch Dotierung zumindest einer Schicht mit einem laseraktiven Element lassen sich Faserlaser erzeugen, die hinsichtlich ihrer Lichtwellenleitung besonders gute Eigenschaften aufweisen.
Die Geometrie des Kerns und/oder einzelner Schichten kann von der Kreissymmetrie abweichen. So ist es auch vorgesehen, einzelne Schichten mit einer Eckigkeit auszuformen. Dieses hat Vorteile hinsichtlich der Modenmischung bei Verwendung dieser Fasern als Faserlaser.
Aber auch bei passiven Fasern kann eine Eckigkeit besonders geeignet sein, wenn beispielsweise Fasern mit einer hohen Packungsdichte benötigt werden.
Die lamellenartige Struktur ist bei Kunststofflichtwellenleitern durch die Verwendung von verschiedenen Stoffen, vorzugsweise Kunststoffen ausgebildet.
Durch die Anordnung der Gräben und/oder der den Gräben folgenden Schichtstrukturen ist eine Feinstruktur ausgebildet.
Durch vorzugsweise partielle wenigstens abschnittsweise vorliegende radiale Aussparungen kann die lamellenartige Struktur zumindest bei wenigstens einer Grabenstruktur unterbrochen sein.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert werden. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 1 bis 25.
Es zeigt:
1 ein Diagramm mit dem Brechzahlverlauf einer ersten Graben-Feinstrukturierung der Brechzahl in Abhängigkeit vom Faserradius mit einer Gradientenstruktur im Kern und einer Grabenstruktur in der Mantelzone,
1a einen beispielhaften Querschnitt eines Lichtwellenleiters mit der genannten Graben-Feinstrukturierung,
2 ein Diagramm mit dem Brechzahlverlauf der in 1 gezeigten Graben-Feinstrukturierung der Brechzahl mit einer erhöhten Kernbrechzahl,
3 eine Graben-Feinstrukturierung ohne primäres Cladding mit einem direkten Übergang zwischen dem brechzahlerhöhten Kernbereich und einem brechzahlerniedrigten Grabenbereich in der Mantelzone,
4 eine Graben-Feinstrukturierung mit einer zunehmenden Grabentiefe innerhalb der Mantelzone mit einem unmittelbar an den Kern anschließenden Graben,
5 eine Graben-Feinstrukturierung mit sehr dünnen Gräben innerhalb der Mantelzone,
6 eine Graben-Feinstrukturierung mit Gradientenstruktur im Kern und Grabenstruktur in der Mantelzone, hier mit einem zunehmenden Grabenabstand,
7 eine Graben-Feinstrukturierung aus Brechzahlgradient im Kern und Grabenstruktur in der Mantelzone, hier mit zunehmenden Grabenbreiten,
8 eine Graben-Feinstrukturierung, hier mit zunehmenden Grabenbreiten bei abnehmenden Grabenabständen,
9 eine Graben-Feinstrukturierung mit zunehmenden Grabentiefen bei sehr dicht beabstandeten Gräben,
10 eine Graben-Feinstrukturierung mit nach außen abnehmender Grabentiefe,
11 einen beispielhaften Querschnitt durch einen Lichtwellenleiter mit konstanter Grabenbreite,
1 zeigt anhand eines Querschnitts, 1a anhand eines beispielhaften Diagramms, einen prinzipiellen Aufbau der Strukturierung eines Lichtwellenleiters. Das Diagramm zeigt den Verlauf einer auf einen Normwert bezogenen Brechzahl n in Abhängigkeit vom Radius R des Lichtwellenleiters an. Die Graben-Feinstrukturierung besteht aus grundsätzlich zwei Bereichen. Der erste Bereich wird durch ein Brechzahl-Kernprofil 1 gebildet. Dieser Bereich befindet sich innerhalb eines Kerns 2 des Lichtwellenleiters und greift nur im Bereich der Grenzfläche zwischen Kern und Mantelzone in die Mantelzone über. Der zweite Bereich der Graben-Feinstrukturierung wird durch ein Brechzahl-Grabenprofil 3 gebildet, das im wesentlichen konzentrisch um den Kern des Lichtwellenleiters herum ausgebildet ist. Das Brechzahl-Grabenprofil befindet sich in der Mantelzone 4 des Lichtwellenleiters. Während der gradientenartige Verlauf der Brechzahl im Kern glatt, d. h. innerhalb des Kerns zunächst ohne Diskontunitäten, Sprünge und andere Unstetigkeiten ausgebildet ist, zeichnet sich das Grabenprofil 3 vornehmlich durch einen diskontinuierlichen Verlauf aus, bei dem sich mehrere Gräben 5 mit dazwischen angeordneten Stufen 6 zu Lamellen aneinander reihen. Die Gräben stellen Bereiche dar, die einerseits im Verhältnis zum Querschnitt des Lichtwellenleiters schmal sind und sich andererseits durch eine besonders deutlich erniedrigten Brechzahl auszeichnen. Die Breite eines Grabens beträgt beispielsweise 1/10 des Querschnittes des Lichtwellenleiters und weniger. Zweckmäßig sind hierbei Grabendicken, die in der Größenordnung der Wellenlänge des propagierten Lichtes bzw. der sich innerhalb des Lichtwellenleiters fortpflanzenden Photonen liegen.
Die Stufen 6 sind dagegen Bereiche, in denen die Brechzahl deutlich gegenüber der Brechzahl in den Gräben erhöht ist. Innerhalb des Brechzahl-Grabenprofils ist die Brechzahl daher unstetig. Sie springt insbesondere an den Gräben zwischen einem tiefsten Wert n_Graben und einem Durchschnittswert n_Mantel an den Stufen 6 der Mantelzone. Die Differenz zwischen n_Graben und n_Mantelzone beträgt je nach Ausführungsform und Dotierung etwa 0,001 bis 0,5.
Durch diese Gestaltung wird eine Strukturierung erreicht, die für hohe Übertragungsleistungen, beispielsweise für Laserleistungsübertragungen, besonders geeignet ist.
Bei einer bestimmten Gestaltung der Grabenstruktur und der sich daraus ergebenden Lamellen in der Mantelzone werden innerhalb der Mantelzone Bragg-Reflexionen realisiert. Die ermöglichen eine wellenlängenselektive Wechselwirkung zwischen Kern und Mantelzone, bei denen nur Lichtanteile mit ausgewählten Wellenlängen in den Kern zurückreflektiert und damit innerhalb des Lichtwellenleiters geleitet werden. Der Lichtwellenleiter wirkt in einem solchen Fall faktisch als Filter.
Für solche Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die Breite der Feinstrukturen ein ganzzahliger Bruchteil der später verwendeten Wellenlänge bzw. ein Vielfaches derer ist. Vorzugsweise sollten die Schichtstrukturen eine Breite von λ/2, λ/4 oder einem Vielfachen dessen aufweisen. Damit ist es möglich, ebenfalls Einfluss auf die Polarisation der verwendeten Lichtwellen zu nehmen.
Das Grundmaterial faserförmiger Lichtwellenleiter besteht vorzugsweise auf Quarzglas. Derartige Lichtwellenleiter werden in der Regel aus einem Halbzeug gefertigt und erhalten ihre endgültige Form durch den Fertigungsschritt eines Faserziehens. Das Halbzeug wird auch als Preform bezeichnet. Die Strukturierung, die innerhalb der Preform vorhanden ist, bleibt beim Ziehen der Faser in den meisten Fällen erhalten. Der Brechzahlverlauf innerhalb der Faser stellt somit nur eine auf den nun weitaus kleineren Faserdurchmesser herunterskalierte und miniaturisierte Darstellung des Brechzahlverlaufs in der Preform dar. Für die nachfolgenden Darstellungen genügt es somit, den Brechzahlverlauf entweder nur der Preform oder nur der Lichtleitfaser zur beschreiben. Die nachfolgenden Beispiele gelten daher allgemein sowohl für die Preform als auch für den fertigen Lichtwellenleiter, sofern an einzelnen Stellen nichts anderes angemerkt wird.
Anhand verschiedener ausgewählter Brechzahlprofile sollen nun die unterschiedlichen Designs erläutert werden, wobei die jeweiligen Charakteristika der einzelnen Ausführungsbeispiele in beliebiger Weise kombiniert und sinngemäß erweitert werden können.
Die Diagramme der nachfolgenden Figuren zeigen auf der Abszisse den radialen Abstand R vom Kernmittelpunkt R = 0 in willkürlichen Einheiten. Die Darstellung ist nicht auf Lichtwellenleiter mit einem kreisrunden Querschnitt beschränkt, sondern lässt sich in analoger Weise auch auf Lichtwellenleiter mit einer beliebigen Querschnittsform anwenden. Für andere Lichtwellenleiter, wie beispielsweise einen zusätzlich in 1a gezeigten planaren Wellenleiter mit einem rechteckigen Querschnitt, bezeichnet die Abszisse R eine Strecke entlang einer durch die Querschnitt gezogenen Linie, insbesondere einer Diagonale, einer Halbachse oder einer Symmetrieachse.
Auf der Ordinate der jeweiligen Diagramme ist die normierte Brechzahl n in Form einer Brechzahldifferenz zum jeweils verwendeten Referenzmaterial aufgetragen. Das Referenzmaterial ist zweckmäßigerweise das Matrixmaterial des Lichtwellenleiters. Üblicherweise wird bei Lichtwellenleitern reines Quarzglas als Referenzmaterial verwendet. Dem Referenzmaterial wird in der Brechzahlmessung nachfolgend der willkürliche Wert 0 zugewiesen, da es für die lichtleitenden Eigenschaften der Faser ohnehin vor allem auf Brechzahldifferenzen zwischen den einzelnen Faserabschnitten ankommt.
Bei manchen Einsatzbedingungen, insbesondere zur Lichtübertragung über kürzere Distanzen, werden außer Lichtwellenleitern aus Glas auch Kunststofflichtwellenleiter verwendet. Das Referenzniveau muss in einem solchen Fall auf das Niveau des verwendeten Basiskunststoffs entsprechend angepasst werden. Bei Kunststofflichtwellenleitern wird die Lichtwellenleitung beispielsweise durch Verwendung von mehreren Kunststoffen mit unterschiedlichen Brechzahlen im Kern und in der Mantelzone erreicht werden. Bei einer Normierung der Brechzahl des Basiskunststoffs auf den Wert n = 0 bleiben die nachfolgenden Diagramme und Beschreibungen auch für Kunststofflichtwellenleiter gültig. Die hier gegebenen Erläuterungen beziehen sich aus Gründen einer bequemen Darstellung ausschließlich auf Lichtwellenleiter auf der Grundlage einer Quarzglasmatrix.
Positive Ordinatenwerte und damit Brechzahlerhöhungen im Vergleich zum Referenzwert des Referenzmaterials werden dadurch erzeugt, indem Material mit einem höheren Brechungsindex im Vergleich zum Basismaterial verwendet wird. Die Brechzahlerhöhung wird zumeist durch wenigstens eine Dotierung des Matrixwerkstoffes mit entsprechenden chemischen Verbindungen erreicht. Negative Ordinatenwerte kommen in einer dazu analogen Weise zustande, indem Material mit einem niedrigen Brechungsindex im Vergleich zur Bezugsbasis zur Anwendung kommt. Die erniedrigte Brechzahl wird ebenfalls zumeist durch wenigstens eine Dotierung der Matrix mit entsprechenden Verbindungen erreicht.
Bei der Verwendung von Quarzglas als Grundmatrix kommen als gängige Dotanden Fluor, Germanium, Bor, Aluminium, Phosphor, Titan oder aktive Ionen wie Ytterbium, Cer, Holmium und andere Materialien zur Anwendung. Insbesondere Verbindungen, die die Metalle und Halbmetalle Ag, Au, Cu, Ni, Ta, Zr, Sn, Zn, Hg, Ru, Rh, Ir, Os, Ro, W, Ti, Al, In, Ga, Nb, La, Sm, Ce, B, P, Sr, Ba, Mo, Cr, Fe, Co, Se, Mn, Ge, V, In, Bi, Pt, Pd, Tc, V, Pb, N enthalten, sind verwendbar. Die Auswahl an Dotanden ist nicht auf die hier aufgeführten Verbindungen und Elemente beschränkt, sondern kann mit beliebigen Elementen der Haupt- und Nebengruppen, sowie den Selten-Erd-Elementen durchgeführt werden, sofern diese oder Kombinationen aus diesen die gewünschte Brechzahlveränderung bewirken.
In den Ausführungsbeispielen sind zumeist nur zwei oder drei Grabenstrukturen exemplarisch dargestellt. Sie dienen lediglich als Verdeutlichung des dahinter stehenden Prinzips und können in ihrer Anzahl und Gestaltung beliebig erhöht werden. Eine höhere Zahl der Gräben verbessert die optischen Eigenschaften des Lichtwellenleiters. So nimmt insbesondere die Güte der erwähnten Bragg-Reflexionen mit der Anzahl der Gräben zu.
Die maximale Brechzahlabsenkung aufeinanderfolgender Gräben kann in Abhängigkeit von ihrem radialen Abstand zum Zentrum des Lichtwellenleiters ausgebildet sein. Diese Abhängigkeit kann linear oder nichtlinear ausgestaltet werden. Im letzteren Fall wird durch die Gräben eine Struktur mit einer insbesondere parabelförmigen Einhüllenden gebildet, deren Form (Steigung, Öffnungswinkel, Stauchung/Streckung) in Abhängigkeit vom Verwendungszweck der Faser und/oder von deren Kerndesign eingestellt wird.
Die Gräben selbst können ein rechteckiges Brechzahlprofil aufweisen. In diesem Fall springt die Brechzahl an den Grenzflächen des Grabens zu benachbarten Schichten, wobei die Brechzahl über die gesamte Grabenbreite einen konstanten Wert hat. Das Brechzahlprofil der Gräben kann aber auch graduell ausgebildet sein. In diesem Fall weicht das Brechzahlprofil des Grabens von der rechteckigen Form ab. Die Brechzahl ist dann über die Grabenbreite hinweg deutlich niedriger als in der Umgebung, aber nicht mehr konstant. Beide Fälle werden im Folgenden noch genauer dargestellt.
Die folgenden Ausführungsformen und Wertangaben beziehen sich auf eine Lichtleitfaser, die auf Quarzglas basiert. Die Angaben lassen sich durch entsprechende Umrechnungsalgorithmen auf ein Halbzeug, d. h. eine Preform, oder auch auf andere Glaswerkstoffe und Kunststoffe übertragen.
Zur Herstellung der nachfolgend beschriebenen Brechzahlprofile können bei quarzbasierten Lichtleitfasern kombinierte Verfahren eingesetzt werden. Insbesondere können Außenbeschichtungsbefahren, wie beispielsweise die bekannten Plasma- und/oder Flammenbasierten Außenbeschichtungsverfahren, zur Anwendung kommen, die mit Verfahren zur Innenabscheidung wie den bekannten CVD-Verfahren und Jaketing- und/oder Kollabierverfahren kombiniert werden. Beispiele zur Realisierung werden bei den einzelnen Ausführungsbeispielen gegeben, wobei deren Herstellung nicht streng an die genannten Abfolgen gebunden ist, sondern vom Fachmann in geeigneter Weise modifiziert bzw. um zusätzliche Verfahrensschritte erweitert werden kann.
Nachfolgend wird als Faserkern oder auch nur als Kern der erste vom Zentrum der Faser ausgehende bzw. im Zentrum der Faser befindliche Brechzahlbereich bezeichnet, in welchem die Lichtwellenleitung stattfindet. Als Mantelzone wird der den Kern umgebende Faserbereich bezeichnet. Bei Lichtwellenleitern und deren Halbzeugen ist dafür auch der Begriff Cladding in Gebrauch. Die Begriffe „Mantelzone” und „Cladding” werden nachfolgend synonym verwendet.
Die Geometrie des Kerns, der Mantelzone sowie der einzelnen Bereiche gleicher Brechzahl ist vorzugsweise kreisrund. Jeder Bereich kann aber unabhängig eine von der Kreissymmetrie abweichende Gestaltung aufweisen. Hier kommen insbesondere vieleckige Formen und/oder ovale Querschnitte zur Anwendung. Je nach Verwendungszweck kann damit eine effiziente Modenmischung bei der Lichtwellenleitung erreicht werden.
Die üblichen Kerndurchmesser der Lichtwellenleiter liegen im Bereich von 5–400 μm, vorzugsweise zwischen 50–150 μm und noch mehr bevorzugt zwischen 50 und 62,5 μm.
1a zeigt ein Brechzahlprofil für ein typisches erstes Ausführungsbeispiel. Die Figur zeigt eine Lichtleitfaser mit einem graduell positiven Brechzahlprofil 1 in einem Kern 2. Die Brechzahl fällt von einem Maximalwert im Zentrum des Kerns parabelförmig über dem Radius R zur hier mit einer gestrichelten Linie bezeichneten Kern-Mantelgrenze hin ab. Im Kern liegt somit ein typisches Gradientenprofil der Brechzahl vor, wobei die Form des Brechzahlgradienten für den entsprechenden Verwendungszweck über die Dotierung des Kerns vom Fachmann angepasst werden kann. An den Kern grenzt ein in der Breite variabler Bereich einer ersten Stufe 6, der die Brechzahl des Referenzmaterials aufweist. An diesem Bereich grenzend schließt sich die Grabenstruktur 3 an. Diese befindet sich innerhalb der Mantelzone 4. Die Grabenstruktur besteht aus einer alternierenden Folge aus Gräben 5 mit einer erniedrigten Brechzahl und Stufen 6, die die Brechzahl der Glasmatrix der Mantelzone aufweisen.
Ein Graben 5 besteht jeweils aus einem in seiner Breite variablen und im Vergleich zur Bezugsbasis in seiner Brechzahl abgesenkten Bereich. In dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel schließt sich dem Graben 5 ein wiederum in seiner Breite variabler Bereich der Stufe 6 mit der Referenzbrechzahl an.
Der Bereich der Stufen wird im Folgenden in das primäre Cladding und das sekundäre Cladding unterschieden. Unter dem Begriff des primären Claddings wird der Bereich derjenigen Stufe verstanden, die sich im unmittelbaren Kontakt mit der Kernzone befindet. Im Unterschied dazu wird der Bereich der Mantelzone, der unmittelbar auf den dem Kern nächstliegenden Graben 5 folgt, und der also nicht unmittelbar mit dem Kern im Kontakt steht, nachfolgend als sekundäres Cladding bezeichnet. Das sekundäre Cladding wird also jeweils von wenigstens einem Graben nach innen und möglicherweise einem weiteren Graben nach außen hin begrenzt.
Dabei gilt in diesem Ausführungsbeispiel, dass der Kern auch über dessen gesamtes Gradientenprofil hinweg die höchste Brechzahl aufweist, wobei die Brechzahlen der einzelnen Gräben mit wachsendem Radius R abnehmen. Es gilt somit: n_Kern ≥ n_Matrix > n_Graben1 > n_GrabenN mit N = 2, 3, 4...
Das in 2 gezeigte Diagramm für ein weiteres Ausführungsbeispiel entspricht in seinem Grundaufbau der Ausführungsform aus 1. Daher sind aus Gründen der Übersichtlichkeit keine Bezugszeichen eingetragen. In dem Ausführungsbeispiel aus 2 weist der Kern eine deutlich höhere Brechzahl auf und ist entsprechend höher dotiert. Das hat den Vorteil, dass die numerische Appertur in diesem Fall gesteigert werden kann, was zum Beispiel für Lichtwellenleiter zur optischen Bildübertragung sehr bedeutsam ist.
Zur Herstellung der in 1 und 2 angegebenen Brechzahlprofile wird ein positiv graduierter Kern, welcher mit Hilfe des bekannten Modifizierten chemischen Dampfabscheide-Verfahrens (modified chemical vapor deposition method – MCVD) hergestellt wurde, direkt mittels eines Außenseiten Dampfabscheideverfahrens (outside vapor deposition method – OVD) beschichtet. Die Grabenstrukturen lassen sich durch Beifügung von Dotierungsmitteln in geeigneter Konzentration erreichen, wobei die Dotandenbeigabe vorzugsweise alternierend aktiviert und deaktiviert wird.
Es ist aber auch möglich, dass der Brechzahlverlauf des Kerns direkt in einen Graben übergeht oder dass der Graben selbst den Brechzahlverlauf am Rand des Kerns abschneidet. In einem solchen Fall fehlt also das primäre Cladding. Die Ausführungsformen aus 3 und 4 zeigen hierzu entsprechende Ausführungsbeispiele. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der innerhalb des Kerns 2 eine konstante Brechzahl vorliegt. In der Ausführungsform aus 4 ist in dem Kern ein Brechzahlgradient vorhanden. Die Brechzahl fällt an der Grenze zwischen dem Kern und der Mantelzone sprunghaft an dem ersten Graben auf einen ersten minimalen Wert. Dieser Sprung definiert die für die Lichtwellenleitung bedeutsame Grenze zwischen Kern und Mantelzone für den Lichtwellenleiter. Fertigungstechnisch kann dieser erste Graben allerdings auch als Teil des Kerns ausgebildet sein. In einem solchen Fall wird der gefertigte Kern mit einem Oberflächenbehandlungsverfahren so dotiert, dass an dessen Oberfläche eine deutliche Brechzahlerniedrigung erzeugt wird, die jedoch nur auf der Kernoberfläche nachweisbar ist und sich nicht auf die Tiefe des Kerns auswirkt.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von den vorher gezeigten Ausführungsbeispielen darin, dass bei der hier gezeigten Graben-Feinstrukturierung sehr dünne und dicht aufeinander folgende Gräben vorgesehen sind. Der Abfall der Brechzahl über dem Grabenprofil erfolgt dadurch über einen verhältnismäßig kleinen Radiusbereich und damit insgesamt relativ schnell. Dabei ist ebenfalls kein primäres Cladding vorhanden. Der Kern geht an der Grenzfläche zur Mantelzone in einen Graben über. Weil die Gräben sehr schmal sind und deren Breite weitaus geringer als die Wellenlänge des innerhalb des Lichtwellenleiters transportierten Lichtes ist, wirkt diese Grabenstruktur nicht als Element für eine Bragg-Reflexion, sondern realisiert einen quasi kontinuierlichen Abfall der Brechzahl innerhalb der Mantelzone. Das Ausführungsbeispiel aus 5 beschreibt eine Möglichkeit, mit der die Brechzahl in der Mantelzone im Mittel sehr stark abgesenkt werden kann, wobei nicht die gesamte Mantelzone durchdotiert werden muss.
Neben der Brechzahl der Grabenstrukturen stehen auch die Breite der Gräben sowie deren Abstände als weitere Gestaltungsparameter zur Verfügung. Die 6 bis 8 zeigen entsprechende Ausführungsbeispiele. In diesen Ausführungsbeispielen bleibt die Grabentiefe über den Radius konstant n_Graben = const. In dem Ausführungsbeispiel aus 6 sind die Abstände d1, d2 und d3 zwischen den Gräben nicht konstant gehalten, sondern variieren in Abhängigkeit vom Radius R. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nehmen die Abstände über den Radius hin zu. Durch die Abstände der Gräben untereinander sowie die Bereiche zwischen den Gräben wird die durch die lamellenartige Struktur hervorgerufene Graben-Feinstrukturierung festgelegt.
In den Ausführungsbeispiel aus 7 variiert außerdem die Grabenbreite g im Abhängigkeit von der radialen Position des jeweiligen Grabens, während die Abstände zwischen den Gräben konstant bleiben. Bei dem Ausführungsbeispiel aus 8 ändern sich die Grabenabstände d zusätzlich dazu ebenfalls. Diese nehmen mit wachsendem Radius ab.
Durch die verschiedenen Grabenbreiten in Verbindung mit den veränderlichen Grabenabständen erfährt Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge eine mit der Grabenstruktur unterschiedlich starke Wechselwirkung. Dabei kommt vor allem die Wellenlängenabhängigkeit der Eindringtiefe zum Tragen, es spielen aber auch Interferenzeffekte und Bragg-Reflexionen eine Rolle. Dadurch bildet sich eine Wellenlängenpräferenz außerhalb der einzelnen Grabenstrukturen heraus und es kann eine Wellenlängenselektion erreicht werden. Es kann bei diesen Ausführungsformen im Vergleich zu den anderen zu einer besonders ausgeprägten Bragg-Reflexion kommen. Dieses ist vor allem für in der Sensorik benötigte Lichtwellenleiter von besonderer Bedeutung.
Die einzelnen Gräben können auch quasi unmittelbar aneinander anschließen. Entsprechende Beispiele sind in den 9 und 10 dargestellt. Bei den hier gezeigten Ausführungsformen sind die diskreten Gräben nur durch sehr dünne Streifen aus Matrixmaterial voneinander abgetrennt. Die Grabenbreiten sind im Verhältnis zum dazwischen angeordneten Matrixmaterial groß, insbesondere 10 mal größer. Die zwischen den Gräben vorhandenen Zonen weisen eine geringe Dicke auf, insbesondere ist diese Dicke kleiner als die Wellenlänge des innerhalb des Kerns propagierten Lichtes. Dadurch spielen diese Zwischenräume bei den Interferenzvorgängen innerhalb der Grabenstruktur der Mantelzone praktisch keine Rolle. Die Brechzahlwerte der einzelnen Gräben können dabei in Abhängigkeit vom Radius entweder fallen oder auch zunehmen.
Bei der Ausführungsform aus 9 weist der am nächsten zum Kern gelegene Graben die höchste Brechzahl auf. Es gilt: n_Kern > n_Graben1 und weiterhin n_GrabenN ≥ n_GrabenN+1
Bei der Ausführungsform aus 10 gilt ebenfalls n_Kern ≥ n_Graben1 , wobei innerhalb der Folge der Gräben n_GrabenN ≤ n_GrabenN+1 , gilt.
Für dieses Ausführungsbeispiel gelten die gleichen Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der Grabentiefe, der Grabenbreite, der Höhe des Bezugsniveaus und der Anzahl der Gräben, wie bei den zuvor beschriebenen Beispielen. Hinsichtlich der Modenselektion und der Biegeoptimierung weist dieses Design besondere Vorteile auf.
In 11 ist exemplarisch eine Frontalsicht der Grabenstrukturen schematisch dargestellt. Die Graben-Feinstrukturierung aus Gräben und Stufen erzeugt einen Querschnitt, der an die Struktur eines Baumkuchens oder des Querschnittes eines Baumstammes erinnert. Die Gräben durchziehen nicht nur den kernnahen Bereich, vielmehr füllt die Graben-Feinstrukturierung einen beträchtlichen Teil der Mantelzone aus, wobei gegebenenfalls mehr als nur die drei hier dargestellten Gräben vorgesehen sein können.
Die Feinstruktur kann darüber hinaus auch richtungsabhängig, d. h. azimutal, strukturiert, insbesondere durchbrochen sein. Durch diese Richtungsabhängigkeit kann Einfluss auf die in der Faser propagierende elektromagnetische Welle genommen werden. Beispielsweise lassen sich somit polarisationserhaltende strukturierte Fasern erzeugen, deren Biegeempfindlichkeit gezielt variiert werden kann.
Derartige Aussparungen lassen sich durch Ummantelungsschritte eines geeigneten Stabs mit einem Rohr mit gewünschten Brechzahlprofil erreichen, welches zumindest abschnittsweise Aussparungen besitzt.
Es versteht sich von selbst, dass die Graben-Feinstrukturierung in ihrer Zentrosymmetrie gestört sein können. Diese Störungen sind in manchen Fällen Modenmischung gewünscht, in manchen müssen sie aufwendig ausgeglichen werden.
Die Erfindung wurde anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert.
Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
Bezugszeichenliste

1: Brechzahl-Kernprofil
2: Kern
3: Brechzahl-Grabenprofil
4: Mantelzone
5: Graben
6: Stufe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2166386 [0004]
US 20100254653 [0004]
EP 2102691 [0004]

Claims

Lichtwellenleiter und Halbzeug zur Herstellung eines Lichtwellenleiters mit biegeoptimierten Eigenschaften, enthaltend eine Graben-Feinstrukturierung mit einem vom Radius abhängigen gradientenartigen Brechzahl-Verlauf (1) und/oder einem konzentrischen Brechzahl-Grabenprofil (3) innerhalb einer Kernzone (2) und/oder innerhalb einer Mantelzone (4).
Lichtwellenleiter und Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Graben-Feinstrukturierung aus einer Folge unterschiedlich dotierter Bereiche mit innerhalb einer Grundmatrix eingebrachten mit brechzahlerniedrigenden und/oder brechzahlerhöhenden Dotanden ausgebildet ist.
Lichtwellenleiter und Halbzeug nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmatrix eine Quarzglasmatrix ist und die Dotanden Elemente der siebenten Hauptgruppe, Selten-Erd-Elemente, Metalle, Halbmetalle und/oder Übergangselemente und/oder Verbindungen der genannten Elemente sind, vorzugsweise Verbindungen bestehend zumindest anteilig aus den Elementen: Si, Ag, Au, Cu, Ni, Ta, Zr, Sn, Zn, Hg, Ru, Rh, Ir, Os, Ro, W, Ti, Al, In, Ga, Nb, La, Sm, Ce, B, P, Sr, Ba, Mo, Cr, Fe, Co, Se, Mn, Ge, V, In, Bi, Pt, Pd, Tc, V, Pb, N.
Lichtwellenleiter und Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahlmodulation des Brechzahl-Grabenprofils in Abhängigkeit von dem Radius veränderliche Tiefe aufweist.
Lichtwellenleiter und Halbzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Brechzahl-Grabenprofils rechteckförmig moduliert und/oder graduiert ist.
Lichtwellenleiter und Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brechzahl-Grabenprofil richtungsabhängige Unterbrechungen und/oder Aussparungen aufweist.
Lichtwellenleiter und Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der Feinstruktur eine lamellenartige Struktur ausbildet.
Lichtwellenleiter und Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei abgrenzbare brechzahlerniedrigte Bereiche vorliegen
Lichtwellenleiter und Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Breite zumindest einer der Strukturierungen annährend einem ganzzahligen Bruchteil der später verwendeten Wellenlänge, vorzugsweise aλ/2 oder aλ/4 mit (a = 1, 2, 3...) entspricht.
Lichtwellenleiter und Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als biegeumpfindliche Faser, Sensorfaser, aktive Laserfaser, Faser mit wellenlängenselektiven Eigenschaften, Faser innerhalb einer optischen Einheit verwendet wird.