DE60004638T2

DE60004638T2 - Photonische kristallfasern

Info

Publication number: DE60004638T2
Application number: DE60004638T
Authority: DE
Inventors: Philip St. John Russell; Timothy Adam Birks; Jonathan Cave Knight
Original assignee: Blazephotonics Ltd
Current assignee: Crystal Fibre AS
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2020-02-19
Also published as: WO2000049435A1; EP1153324B2; DE60004638T3; DE60004638D1; AU2564900A; CN1341219A; CA2362992A1; ATE247837T1; EP1153324B1; EP1153324A1; JP2002537574A; DK1153324T3; GB9903918D0; KR20010113697A; US6631234B1; AU767773B2; KR100647378B1; DK1153324T4; JP4666548B2; CN1185513C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der photonischen Kristallfasern.
Eine photonische Kristallfaser ist eine spezielle Form einer optischen Faser. Optische Single-Mode-Fasern werden auf vielen Anwendungsgebieten eingesetzt, wie bei der Telekommunikation und beim Abtasten. Solche Fasern werden typischerweise vollständig aus transparenten Feststoffen, wie. z.B. Glas, hergestellt und jede Faser weist über ihre Länge typischerweise dieselbe Querschnittsstruktur auf. Das durchsichtige Material weist in einem Teil seines Querschnitts (gewöhnlich der Mitte) eine höhere Brechzahl auf als der Rest und bildet einen optischen Kern, in welchem das Licht über innere Totalreflexion geführt wird. Eine solche Faser wird in der vorliegenden Beschreibung als Standardfaser bezeichnet.
Es gibt viele gut eingeführte Techniken und Maschinen zur Handhabung und der Verarbeitung von Standardfasern; beispielsweise wird in Spaltwerkzeugen eine harte Messerschneide verwendet, um eine Faser zu brechen, was zu einer sauberen Stirnfläche am Faserende führt, und in Schweißspleißgeräten wird ein heißer elektrischer Bogen verwendet, um die Fasern an ihren Enden miteinander zu verbinden. Ein Verfahren, die Schmelzverjüngung, wird eingesetzt, um verschiedene Fasergeräte herzustellen, die auf durch eine Faser hindurchtretendes Licht einwirken. In diesem Verfahren wird eine Faser lokal erhitzt, bis sie weich ist, und sodann gestreckt, so dass sich die Faser in dem erhitzten Abschnitt lokal verengt. Längs der Faser hindurchtretendes Licht wird durch die Verengung des behandelten Abschnitts beeinflusst. In einer typischen konisch zulaufenden Single-Mode-Faser weitet sich das Licht vom Kern aus auf und nimmt mehr von der umgebenden Ummantelung in Besitz. Ist die Faser genügend verengt, weitet sich das Licht vom Kern aus vollständig auf und wird sodann von der Außenbe grenzung der gesamten Faser geführt. Die Faser wird typischerweise durch Eintauchen in eine Gasflamme, durch Annähern an ein elektrisches Heizgerät oder indem es einem starken Laserstrahl ausgesetzt wird erhitzt.
Eine konisch zulaufende Faser, die an der engsten Stelle der Verjüngung gekappt ist, kann als Strahlaufweiter wirken, da die Lichtwelle an der Kappung einen größeren Querschnitt aufweist als in der unbehandelten Faser. Ein solcher Strahlaufweiter kann das Einkoppeln von Licht in die Faser und das Auskoppeln von Licht aus der Faser unterstützen.
Eine Faser, die konisch zuläuft, so dass Licht lokal an der Außenbegrenzung geführt wird, kann als lokaler optischer Fühler wirken. Im konisch zulaufenden Abschnitt ist das Licht empfindlich gegenüber dem die Faser umgebenden Medium, während es sonst nicht beeinflussbar ist, weil es im zentral gelegenen Kern eingeschlossen ist.
Zwei oder mehr Fasern, die zusammen in parallelem Kontakt verjüngt sind können als Strahlungsteiler (oder Richtungskoppler) wirken, in welchem im verengten Abschnitt zumindest ein Teil des Lichts in der einen Faser auf die andere Faser übertragen wird.
In jüngster Zeit wurde eine vom Standardtyp abweichende optische Faser vorgestellt, die sog. photonische Kristallfaser (PCF). Diese ist typischerweise aus einem einzigen festen und im wesentlichen transparenten Material gefertigt, in welchem eine periodische Gruppierung von Luftlöchern eingebettet ist, welche parallel zur Faserachse verlaufen und sich über die gesamte Länge der Fasern erstrecken. Ein Fehler in Form eines einzelnen fehlenden Luftlochs innerhalb der regelmäßig angeordneten Gruppierung bildet einen Abschnitt mit erhöhter Brechzahl, in welchem Licht analog der Leitung in Standardfasern mit totaler Innenreflexion geleitet wird, Ein weiterer Mechanismus zur Lichtleitung beruht eher auf den Effekten einer photonischen Bandlücke als auf totaler Innenreflexion. Eine auf photonischer Bandlücke beruhende Leitung kann durch geeigneten Aufbau der Gruppierung von Luftlöchern erreicht werden. Licht mit einigen Ausbreitungskonstanten kann auf den Kern begrenzt werden und sich darin fortpflanzen.
Photonische Kristallfasern lassen sich herstellen, indem Kapillaren von makroskopischen Ausmaßen zu der gewünschten Form gebündelt und dann an Ort und Stelle gehalten werden, während sie zusammengeschmolzen und zu einer Faser ausgezogen werden.
Die PCF weist eine Anzahl technologisch bedeutender Eigenschaften auf; beispielsweise kann sie einen Single-Mode über einen sehr breiten Wellenlängenbereich bewahren, eine große Modenfläche aufweisen und somit große optische Energien transportieren und sie kann bei der Telekommuniktions-Wellenlänge von 1,55 μ eine große Normaldispersion aufweisen.
Als Ergebnis des Bündel/Zieh-Verfahrens, mit dem sie typischerweise hergestellt werden, sind PCFs typischerweise nicht kreissymmetrisch.
Durch Behandlungs- und Verarbeitungstechniken, die den oben für Standardfasern beschriebenen ähnlich sind, würden die technologischen Anwendungen von PCFs erleichtert werden. Unglücklicherweise sind einige dieser Techniken nicht für PCFs geeignet; beispielsweise würde eine Verbindung von zwei PCFs durch Schweißspleißen dazu führen, dass sich die Luft im Innern explosionsartig ausdehnt, was die Faserenden, die miteinander verbunden werden, zerstörte.
P. St. J. Russell und Mitarbeiter beschreiben in 'Silica/Air Photonic Crystal Fibres', Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 37 Suppl. 37-1, Seiten 45–48 (1998) die Herstellung, Charakterisierung und Verwendungen von photonischen Kristallfasern aus Siliciumoxid/Luft mit mikroskopischen Gruppierungen von längs ihrer Länge verlaufenden Luftkapillaren. Die Faser unterstützt einen starken Single-Mode über einen Spektralbereich, der sehr viel weiter ist als bei Single-Mode-Standardfasern für die Telekommunikation.
Das US-Patent 5,802,236 beschreibt nicht-periodische mikrostrukturierte optische Fasern, welche die Strahlung mittels Indexführung leiten. In einem Beispiel weist eine Faser einen festen Siliciumoxid-Kern auf, der von einem inneren Mantelbereich und einem äußeren Mantelbereich umgeben ist. Die Mantelbereiche weisen in axialer Faserrichtung laufende Kapillarporen auf, wobei die Poren im äußeren Mantelbereich einen größeren Durchmesser aufweisen als die im inneren Mantelbereich, so dass die effektive Brechzahl des äußeren Mantelbereichs größer als die des inneren Mantelbereichs ist.
Eine der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, optische Vorrichtungen mit PCF zur Verfügung zu stellen, die den Vorrichtungen mit Standardfasern ähnlich sind. Eine weitere erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zu Herstellung solcher Vorrichtungen anzugeben.
Erfindungsgemäß wird eine photonische Kristallfaser mit einer Anzahl von länglichen Löchern zur Verfügung gestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Faser einen ersten Längsabschnitt aufweist, der nach der Herstellung der Faser derart hitzebehandelt worden war, dass mindestens einige der Löcher im ersten Abschnitt eine von der Querschnittsfläche eines zweiten Abschnitts unterschiedliche Querschnittsfläche aufweisen, wobei sich die optischen Eigenschaften der Faser im hitzebehandelten Abschnitt auf Grund der Änderung der Querschnittsfläche der Löcher in diesem Abschnitt verändern.
Die Worte „nach der Herstellung" sollen jeden Zeitpunkt nach dem Ausziehen der Faser bedeuten.
Die Verfahren zur Hitzebehandlung, welche verwendet werden können, sind typischerweise die gleichen wie die oben für die Schmelzverjüngung von Standardfasern beschriebenen. Wie bei Standardfasern kann die Hitzebehandlung mit einem Recken zur Verengung der Fasern einhergehen. Im Gegensatz zu Standardfasern jedoch können Veränderungen in den optischen Eigenschaften auch auftreten, ohne dass die Faser überhaupt gereckt wird; dies ist so, weil durch die Hitzebehandlung einige oder alle Löcher in der Faser unter dem Einfluss einer Oberflächenspannung teilweise oder vollständig kollabieren können. Diese lässt sich entweder mit oder ohne gleichzeitiges Recken erreichen. Falls einige der Löcher mit Druck beaufschlagt werden, können sie ferner dazu gebracht werden, dass sie sich aufweiten anstelle zu kollabieren, und im Prinzip kann eine unterschiedliche Druckbeaufschlagung der Löcher dazu eingesetzt werden, jedes Muster aus kollabierten und aufgeweiteten Löchern zu schaffen. Wie bei der Verjüngung von Standardfasern müssen für die meisten Anwendungen die Übergänge zwischen einer unbehandelten Faser und der Mitte des hitzebehandelten Abschnitts genügend allmählich erfolgen, so dass nur eine erträglich kleine Menge an Licht längs des Übergangs verloren geht – das sog. Kriterium für adiabatisches Verhalten.
Es kann sein, dass sich mindestens einige oder alle Löcher im hitzebehandelten Abschnitt aufgeweitet haben.
Es kann sein, dass mindestens einige oder alle Löcher im hitzebehandelten Abschnitt zumindest teilweise oder vollständig kollabiert sind.
Vorzugsweise sind die Löcher kollabiert oder haben sich aufgeweitet zu einem Muster, welches nicht rotationssymmetrisch ist, so dass die Doppelbrechung der Faser im hitzebehandelten Abschnitt verändert ist.
Die Faser kann sich im hitzebehandelten Abschnitt verengt haben.
Die photonische Kristallfaser kann Teil einer optischen Vorrichtung sein.
Ein Modenfeld-Wandler kann die photonische Kristallfaser enthalten, wobei das durch das Kollabieren oder Expandieren der Löcher im hitzebehandelten Abschnitt der photonischen Fasern gebildete Muster so ist, dass sich die Feldverteilung eines geführten Mode bei der Fortpflanzung durch den hitzebehandelten Abschnitt der photonischen Kristallfaser verändert. Die Form und Größe des Modenfeld-Wandlers des in einer PCF geführten Mode hängt von den relativen Größen der Luftlöcher sowie von deren jeweiliger Abtrennung voneinander ab. Somit kann eine PCF, die zur Änderung der Lochgrößen hitzebehandelt wurde (oder die gesamte Faser verengt wurde) als Modenfeld-Wandler fungieren.
Ein Multimoden- oder Einfachmoden-Wandler oder Modenfilter kann eine photonische Kristallfaser umfassen, in welcher das durch das Kollabieren oder Expandieren der Löcher gebildete Muster so ist, dass für mindestens eine Lichtwellenlänge der zweite unbehandelte Abschnitt der Faser multimodig und der erste hitzebehandelte Abschnitt einfachmodig ist.
Das sich in dem behandelten Abschnitt ausbreitende Licht wird in einen Single-Mode gezwungen und bleibt im wesentlichen ein Single-Mode, wenn es in den unbehandelten Abschnitt eintritt, der auch andere Moden unterstützen kann; diese anderen Moden bleiben in einer idealen Faser nicht angeregt.
Eine Faser-Eingangs- oder -Ausgangskopplung kann eine photonische Kristallfaser enthalten, die im hitzebehandelten Abschnitt aufgespalten ist. Solche Vorrichtungen können verwendet werden, um das Koppeln von Licht in das oder aus dem Ende der Faser zu verbessern, falls die Faser im hitzebehandelten Abschnitt gespalten ist.
Eine optische Vorrichtung kann eine Faser-Eingangs- oder -Ausgangskopplung sowie ein weiteres optisches Bauteil umfassen, wobei das durch das Kollabieren oder Expandieren der Löcher gebildete Muster so ist, dass bei der Fortpflanzung des Mode durch das optische Bauteil und die photonische Kristallfaser die Modenmuster im optischen Bauteil und der photonischen Kristallfaser an der gespaltenen Stirnseite im wesentlichen übereinstimmen. Das weitere optische Bauteil kann ein Dioden-Laser sein. Mit einem elliptischen oder rechtwinklichen Mode wird das Einkoppeln von Licht, das von einer Dioden-Laser-Quelle kommt, in die Faser effektiver. In der Tat erleichtert ein einfaches Aufweiten der Modengröße das Einkoppeln von aus einer anderen Quelle kommendem Licht in die Faser.
Die Faserkopplung kann in einer Faserspleißverbindung enthalten sein, in welcher die Faserkopplung mit einer oder mehreren anderen Fasern verbunden ist.
Die Verbindung kann beispielsweise durch Verschmelzen, einen Klebstoff oder durch Stecken erfolgen.
Mindestens eine der einen oder der mehreren anderen im Faserspleiß enthaltenen Fasern kann ausgewählt werden aus der folgenden Gruppe: eine gespaltene photonische Kristallfaser; eine wie oben beschriebene Faserkopplung; eine Standardfaser; oder eine Standardfaser, die durch Recken während der Hitzebehandlung verjüngt und dann gespalten worden war. Ein kontrollierter Kollaps der Löcher bietet einen Weg, Paare von PDFs durch Schweißspleißen miteinander zu verbinden. Zunächst werden die störenden Luftlöcher durch ihren vollständigen Kollaps in einem Abschnitt einer jeden Faser eliminiert, wie dies oben beschrieben wurde. Ein Recken der Fasern ist nicht notwendig. Die Fasern werden an den Abschnitten, wo die Löcher kollabiert sind gespalten und können dann schweißgespleißt werden, weil sich dort keine Löcher befinden, die explodieren können und die Modenfelder stimmen miteinander überein. (Sind die Fasern nicht identisch, können eine oder beide gereckt werden, so dass sie in ihren Außendurchmessern übereinstimmen. Ihre Modenfelder sind dann identisch). Als Alternative zum Schweißspleißen können PCFs mit übereinstimmenden Modenfeldern unter Verwendung eines Klebstoffs nach herkömmlicher Weise mechanisch gespleißt werden.
Eine auf den Punkt verjüngte Standardfaser, wo das Licht von ihrer Außenbegrenzung geleitet wird, weist ein ähnliches Modenfeld auf, wie eine PCF, deren Löcher vollständig kollabiert sind und welche auch auf den gleichen Enddurchmesser gereckt wurde. Der Spleiß ist dann verlustarm.
In einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung kann das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster im hitzebehandelten Abschnitt die Wechselwirkung von sich fortpflanzendem Licht mit der äußeren Umgebung der Faser so erhöhen, dass die Messung einer Messgröße der äußeren Umgebung der Faser erleichtert ist. In einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung kann das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster die Wechselwirkung von sich fortpflanzendem Licht mit dem weiteren optischen Bauteil verstärken oder unterdrücken. In einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung kann das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster im hitzebehandelten Abschnitt die Wechselwirkung von sich in der Faser fortpflanzendem Licht mit einer oder mehreren der weiteren optischen Fasern im hitzebehandelten Abschnitt verstärken oder unterdrücken. Mindestens eine der einen oder der mehreren anderen optischen Fasern kann eine erfindungsgemäße photonische Kristallfaser oder eine Standardfaser sein. Das durch den Kollaps von Luftlöchern verursachte Aufspreizen des Modenfelds erhöht die Intensität des Felds an der Außenumgrenzung der Faser. Licht an der Außenumgrenzung kann mit der Faserumgebung in Wechselwirkung treten. Wechselwirkungen mit der Außenumgebung lassen sich daher durch Kollabieren (oder Aufweiten) der Löcher verstärken (oder unterdrücken). Falls das Licht mit einer besonderen Eigenschaft der Umgebung wechselwirken kann (z.B. mit der äußeren Brechungszahl), kann die behandelte Faser als Umgebungsfühler fungieren. Wird ein geeignetes optisches Bauteil in die Nähe der Faser gebracht, können optische Geräte gebaut werden, die auf der Wechselwirkung mit diesem Bauteil beruhen. Insbesondere kann das optische Bauteil zumindest eine andere Faser sein, die eine PCF oder eine Standardfaser sein kann und in einem der Herstellung von zusammengeschweißten Richtungskopplern in Standardfasern ähnlichen Verfahren während der Hitzebehandlung mit der ersten Faser verschweißt worden sein kann.
Mindestens zwei Fasern in der optischen Vorrichtung können zumindest teilweise mittels Hitzebehandlung miteinander verschmolzen worden sein.
Eine erfindungsgemäße Faser kann ferner eine an anderer Stelle in die Faser eingeführte Struktur aufweisen, in welcher das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster im hitzebehandelten Abschnitt die Wechselwirkung von sich in der Faser fortpflanzendem Licht mit der Struktur steigert oder unterdrückt. Beispiele für solche Strukturen sind Beugungsgitter, dotierte Abschnitte (die zur Verstärkung optisch gepumpt sein können) oder zusätzliche Führungskerne. Somit kann die Faser ferner mindestens einen weiteren Kernabschnitt aufweisen, in welchem das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Lö cher gebildete Muster im hitzebehandelten Abschnitt die Wechselwirkung von sich in der Faser fortpflanzendem Licht mit dem (den) Kernabschnitten) steigert oder unterdrückt. Die Faser kann ferner ein Gitter aufweisen, in welchem das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster im hitzebehandelten Abschnitt die Wechselwirkung von sich in der Faser fortpflanzendem Licht mit dem Gitter steigert oder unterdrückt. Die Faser kann ferner einen Abschnitt mit dotiertem Material aufweisen, in welchem das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster im hitzebehandelten Abschnitt die Wechselwirkung von sich in der Faser fortpflanzendem Licht mit dem Abschnitt mit dotiertem Material steigert oder unterdrückt. Vorrichtungen, die auf diesen Wechselwirkungen beruhen, können Richtungskoppler, Spektralfilter, Sensoren und Laser oder optische Verstärker sein. Eine erfindungsgemäße photonische Kristallfaser kann so angeordnet sein, dass die Wechselwirkung von sich in der photonischen Kristallfaser ausbreitendem Licht mit einer irgendwo in die Faser (bewusst) eingeführten Struktur im hitzebehandelten Abschnitt verstärkt oder unterdrückt wird. Solch eine photonische Kristallfaser kann in einer optischen Vorrichtung enthalten sein. Die eingeführte Struktur kann beispielsweise eines der folgenden Elemente sein: mindestens ein weiterer Kernabschnitt in der photonischen Kristallfaser, ein Gitter oder ein Abschnitt mit dotiertem Material.
Die optische Vorrichtung kann in einer anderen optischen Vorrichtung, wie z.B. einem Richtungskoppler, einem Spektralfilter, einem optischen Sensor, einem Laser oder einem optischen Verstärker (der seinerseits einen Richtungskoppler enthalten kann) enthalten sein.
Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer photonischen Kristallfaser vorgesehen, wobei das Verfahren die Fertigung einer photonischen Kristallfaser mit einer Anzahl länglicher Löcher umfasst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren ferner die Hitzebehandlung eines Abschnitts der Faserlänge aufweist, so dass mindestens einige der Löcher in diesem Abschnitt eine von der Querschnittsfläche in unbehandelten Abschnitten der Faserlänge abweichende Querschnittsfläche aufweisen, wobei sich die optischen Eigenschaften der Faser im hitzebehandelten Abschnitt durch Veränderung der Querschnittsfläche der Löcher in diesem Abschnitt verändern.
Mindestens einige der Löcher können während der Hitzebehandlung mit innerem Überdruck beaufschlagt werden. Alle Löcher können während der Hitzebehandlung mit innerem Überdruck beaufschlagt werden.
Die Hitzebehandlung kann bewirken, dass im behandelten Abschnitt mindestens einige oder alle Löcher in der Faser zumindest teilweise kollabieren.
Vorzugsweise erfolgt die Hitzebehandlung in nicht rotationssymmetrischer Anwendung, so dass ein Muster von nicht rotationssymmetrisch kollabierten oder aufgeweiteten Löchern erhalten wird, so dass sich die Doppelbrechung der Faser im hitzebehandelten Abschnitt ändert. Die Polarisationseigenschaften der PCF hängen von der Struktur in der Nachbarschaft des Kerns ab. Eine kontrollierte Veränderung in der Größe der Luftlöcher und der Gesamtdurchmesser der Faser lassen sich daher verwenden, um die Doppelbrechung der Faser zu modifizieren.
Die Faser kann durch Strecken während der Hitzebehandlung lokal verengt werden.
Die Hitzebehandlung kann den physikalischen und/oder chemischen Zustand von zumindest einem Teil des Materials in der Faser verändern.
Lediglich als Beispiel wird nun eine erfindungsgemäße Ausführungsform beschrieben, wobei auf die anhängenden Zeichnungen Bezug genommen wird:
1 ist ein schematisches Querschnittsbild durch eine Standardfaser;
2a und 2b sind schematische Bilder, in welchen die Hitzebehandlung einer Standardfaser gezeigt wird;
3 ist ein schematisches Querschnittsbild durch eine photonische Kristallfaser des Standes der Technik;
4 ist ein schematisches Querschnittsbild durch eine andere photonische Kristallfaser des Standes der Technik;
5 ist ein schematisches Bild über die Anordnung zur Durchführung der Hitzebehandlung einer Faser;
6 ist ein schematisches Bild, das die Wirkung der Hitzebehandlung auf eine photonische Kristallfaser zeigt;
7 ist ein schematisches Bild eines Richtungskopplers oder Strahlzerlegers;
8 ist ein schematischer Längsschnitt durch einen Faserspleiß;
9 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine mehrkernige Faser;
10 ist ein schematisches Bild von (a) einer unbehandelten photonischen Kristallfaser und (b) von einer photonischen Kristallfaser, die zur Schaffung einer Doppelbrechung einer Hitzebehandlung unterzogen worden ist.
Standardfasern, wie z.B. die in 1 gezeigte, weisen in ihrer einfachsten Form im wesentlichen einen zylindrischen Kern 10 und einen konzentrischen zylindrischen Mantel 20 auf. Typischerweise sind sowohl der Kern als auch der Mantel aus dem gleichen Material, gewöhnlich Siliciumdioxid, gefertigt, aber jeder ist mit anderen Stoffen dotiert, um die Brechzahlen des Kerns 10 zu erhöhen und die Brechzahl des Mantels 20 zu senken. Licht geeigneter Wellenlänge wird im Kern 10 eingeschlossen und mittels totaler Innenreflexion an der Kern/Mantel-Grenze 15 darin geführt.
Es ist bekannt, Standardfasern einer Hitzebehandlung zu unterziehen und zu strecken, um einen gestreckten und verengten Abschnitt mit optischen Eigen schaften herzustellen, die sich von denen der übrigen Faser unterscheiden (2a und b). In 2a wird die Faser gezeigt, wie sie von zwei Klammern 30 gehalten wird und parallel zu ihrer Längsachse 40 in entgegengesetzte Richtungen gezogen wird. Die Faser wird mit Hitze 50 beaufschlagt. Das Ergebnis dieser Behandlung wird in 2b gezeigt: in der Faser bildet sich eine Einschnürung 60. Die Querschnittsfläche des Kerns 10 ist enorm verkleinert und die Umhüllung 20 ist auch deutlich verengt. Zwischen der Einschnürung 60 und der übrigen Faser 80 befindet sich ein Übergangsbereich.
Eine in 3 gezeigte typische photonische Kristallfaser weist einen Zylinder aus transparentem Grundmaterial 90 (z.B. Siliciumoxid) mit einem Gitter zylindrischer Löcher 100 auf, welche über ihre Länge verlaufen. Die Löcher sind an den Ecken und den Mitten regulärer Sechsecke angeordnet. Die Löcher weisen eine regelmäßige periodische Anordnung auf, welche durch das Fehlen eines Loches in der Nähe der Fasermitte unterbrochen ist. Der Bereich 110 der Faser, der die Stelle des fehlenden Loches umgibt, weist die Brechzahl des Grundmaterials 90 auf. Die Brechzahl des restlichen Fasermaterials richtet sich sowohl nach der Brechzahl des Grundmaterials 90 als auch nach der Brechzahl der Luft in den Löchern 100. Die Brechzahl von Luft ist niedriger als z.B. die Brechzahl von Siliciumoxid und folglich ist die „effektive Brechzahl" des Materials mit den Löchern niedriger als die des Bereichs 110, der das fehlende Loch umgibt. Die Faser kann daher Licht annähernd im Bereich 110 auf eine Weise einschließen, die der Wellenführung durch totale Innenreflexion bei Standardfasern analog ist. Der Bereich 110 wird daher als „Kern" der photonischen Kristallfaser bezeichnet.
In einer anderen Form einer photonischen Kristallfaser wirkt eine photonische Bandlücken-Führung, um Licht in den „Kern" der Faser einzuschließen. In dem in 4 gezeigten Beispiel für eine solche Faser befindet sich eine Matrix von Löchern 120 im Grundmaterial 90. Die Löcher sind an den Ecken (aber nicht in der Mitte, siehe 3) von regelmäßigen Sechsecken angeordnet. Die Regelmäßigkeit der Matrix ist wieder von einem Defekt unterbrochen, aber dieser ist im gezeigten Beispiel ein zusätzliches Loch 130 in der Mitte eines der Sechsecke des Gitters, wobei dieses Sechseck nahe der Fasermitte liegt. Der das zusätzliche Loch 130 umgebende Bereich kann wieder als „Kern" der Faser bezeichnet werden, Lässt man (für den Augenblick) das Loch 130 außer Betracht, bewirkt die Periodizität der Löcher in der Faser, dass bei der Ausbreitungskonstante des Lichts eine Bandlücke entsteht, die sich in der Faser fortpflanzen kann. Der Zusatz des Lochs 130 schafft effektiv einen Bereich, der für Ausbreitungskonstanten sorgt, die sich von denen im Rest der Faser unterscheiden. Falls einige der vom Bereich des Lochs 130 unterstützten Ausbreitungskonstanten in die Bandlücke für die im Rest der Faser verbotenen Ausbreitungskonstanten fällt, dann wird Licht mit diesen Ausbreitungskonstanten im Kern eingeschlossen und sich darin ausbreiten. Es ist zu beachten, dass, weil das Loch 130 ein Defekt mit niedrigem Index ist (was daher kommt, dass Luft an der Stelle ist, wo sonst Grundmaterial ist), die Wirkungen einer totalen Innenreflexion nicht für die Wellenführung verantwortlich sind.
Ein für die Verwendung bei der Hitzebehandlung einer photonischen Kristallfaser geeigneter Aufbau ist in 5 dargestellt. Die Faser 140 ist an den in fester Position befindlichen Aufbauten 150 festgeklemmt; Ein absichtliches Recken der Faser 140 findet nicht statt. Ein Brenneraufbau mit einem Brennerarm 170 ist so angeordnet, dass eine Flamme 180 einen Abschnitt der Faser 140 zwischen den Aufbauten 150 erhitzt. Es sei angemerkt, dass viele andere Heizungsmechanismen zur Ausführung der Erfindung geeignet sind, z.B. das Aufheizen mit einem elektrischen Heizgerät oder dem Strahl eines Kohlendioxid-Lasers.
Ein Beispiel für die Wirkungen einer Hitzebehandlung an einer photonischen Kristallfaser wird in 6 gezeigt. Es gibt einen hitzebehandelten Abschnitt 200, einen unbehandelten Abschnitt 190 und einen Übergangsbereich 210. Im gezeigten Beispiel ist ersichtlich, dass, bei einem Vergleich mit den Lochabschnitten 220 im unbehandelten Abschnitt 190, die Lochabschnitte 230 im hitzebehandelten Abschnitt 200 teilweise kollabiert sind. Die Querschnittsfläche von mindestens einigen der Löcher variiert daher über die Länge der Löcher. Der Gesamtdurchmesser der Faser hat sich auch geringfügig verringert, obwohl die Querschnittsfläche des Glases 240 im unbehandelten Abschnitt 190 genau die gleiche geblieben ist wie die des Glases 250 im behandelten Abschnitt 250.
7 zeigt den Aufbau einer optischen Vorrichtung, welche unter Verwendung der erfindungsgemäßen photonischen Kristallfaser hergestellt werden könnte, nämlich einen Richtungskoppler oder Strahlzerleger. Ein Abschnitt 280, 290 in jeder der beiden photonischen Kristallfasern 260, 270 ist gemäß der Erfindung einer Hitzebehandlung unterzogen worden. Die Abschnitte 280, 290 sind beispielsweise gleichzeitig mit der Hitzebehandlung oder durch eine weitere Hitzebehandlung zusammengeschmolzen. Licht in den hitzebehandelten Abschnitten 280, 290 gelangt in den Mantelbereich der Faser, weil das Kollabieren von Löchern den Unterschied in der Brechzahl zwischen dem Mantel und dem Kern vermindert oder vernichtet hat. Beispielsweise wird dort, wo die Fasern in den Abschnitten 280, 290 zusammengeschmolzen sind, die Lichtausbreitung in der Faser 260 in die Faser 270 eingekoppelt.
Das Spleißen einer photonischen Kristallfaser 330 an eine Standardfaser 420 wird in 8 gezeigt. Jede Faser ist hitzebehandelt, gereckt und gespalten, um die verengten Abschnitte 340, 380 zu bilden. Im verjüngten Abschnitt 340 der photonischen Kristallfaser 330 treten Löcher 300 praktisch nicht auf. Im verjüngten Abschnitt 380 der Standardfaser 420 sind sowohl der Kern 410 als auch der Mante 400 verjüngt, während sie ihre unabhängige Identität beibehalten. Die beiden Fasern sind über einen Schweißspleiß 360 miteinander verbunden.
Der sich im defekten Kernabschnitt 310 ausbreitende Lichtmode 320 wird aufgespreizt und füllt die gesamte Breite des verjüngten Bereichs 340 aus. Der Mode 350 in diesem Abschnitt passt sich dem Mode 370 im verjüngten Abschnitt 380 der Standardfaser 420 an. Entfernt vom verjüngten Bereich 380 ist Licht im gewöhnlichen Mode 390 der Standardfaser 420.
9 zeigt eine photonische Kristallfaser 440 mit mehreren Kernen. Diese Figur zeigt (ebenso wie die 6, 8 und 10) nur einige wenige Löcher; in einer wirklichen Faser befinden sich natürlich viele Löcher. Die Löcher 430 umgeben zwei Kerne 480, 440; diese Kerne haben in den unbehandelten Abschnitten der Faser keine optische Wechselwirkung miteinander. Im hitzebehandelten Abschnitt 450 sind die Löcher 430 teilweise kollabiert. In diesem Abschnitt kann Licht, das sich in einem der beiden Kerne 480, 490 ausbreitet jeweils mit dem im anderen Kern sich ausbreitenden Licht in Wechselwirkung treten. Der hitzebehandelte Abschnitt 450 kann dann als örtlich beschränkter Richtungskoppler fungieren.
Die hexagonale Symmetrie der Löcher 500 um den Kern 510 der Faser gemäß 10(a) kann durch einen selektiven Kollaps der Löcher 520 durch Hitzebehandlung unterbrochen werden, um die zweizählige Rotationssymmetrie gemäß 10(b) zu erhalten. Im hitzebehandelten Abschnitt lässt sich so die Doppelbrechung der Faser verändern, da eine Faser mit einer solchen Symmetrie im allgemeinen doppelbrechend ist.

Claims

Photonische Kristallfaser mit einer Anzahl von länglichen Löchern, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser einen ersten Längsabschnitt (200) aufweist, der nach der Herstellung der Faser derart hitzebehandelt worden ist, dass mindestens einige der Löcher im ersten Längsabschnitt (200) eine von der Querschnittsfläche eines zweiten Längsabschnitts (220) unterschiedliche Querschnittsfläche (230) aufweisen, wobei sich die optischen Eigenschaften der Faser im hitzebehandelten Abschnitt (200) auf Grund der Änderung der Querschnittsfläche der Löcher in diesem Abschnitt verändern.
Photonische Kristallfaser nach Anspruch 1, in welcher sich mindestens einige der Löcher im hitzebehandelten Abschnitt aufgeweitet haben.
Photonische Kristallfaser nach Anspruch 1 oder 2, in welcher sich alle Löcher im hitzebehandelten Abschnitt aufgeweitet haben.
Photonische Kristallfaser nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher mindestens einige der Löcher (130) im hitzebehandelten Abschnitt (200) teilweise kollabiert sind.
Photonische Kristallfaser nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher mindestens einige der Löcher im hitzebehandelten Abschnitt vollständig kollabiert sind.
Photonische Kristallfaser nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher im hitzebehandelten Abschnitt alle Löcher vollständig kollabiert sind.
Photonische Kristallfaser nach jedem der Ansprüche 1 bis 5, in welcher die Löcher (500, 520) kollabiert sind oder sich aufgeweitet haben in einem Mu ster, welches nicht rotationssymmetrisch ist, so dass die Doppelbrechung der Faser im hitzebehandelten Abschnitt verändert ist.
Photonische Kristallfaser nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher sich die Faser im hitzebehandelten Abschnitt (200) verengt hat.
Optische Vorrichtung mit einer photonischen Kristallfaser gemäß jedem der vorhergehenden Ansprüche.
Modenfeld-Wandler mit einer photonischen Kristallfaser nach jedem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das durch das Kollabieren oder Expandieren der Löcher im hitzebehandelten Abschnitt der photonischen Fasern gebildete Muster so ist, dass sich die Feldverteilung eines geführten Mode bei der Fortpflanzung durch den hitzebehandelten Abschnitt der photonischen Kristallfaser verändert.
Multimoden- oder Einfachmoden-Wandler oder Modenfilter mit einer photonischen Kristallfaser nach jedem der Ansprüche 1 bis 8, in welchem das durch das Kollabieren oder Expandieren der Löcher gebildete Muster so ist, dass für mindestens eine Lichtwellenlänge der zweite unbehandelte Abschnitt der Faser multimodig und der erste hitzebehandelte Abschnitt einfachmodig ist.
Faser-Eingangs- oder -Ausgangskopplung mit einer photonischen Kristallfaser nach jedem der Ansprüche 1 bis 8, in welchem die photonische Kristallfaser im hitzebehandelten Abschnitt aufgespalten ist, um eine Spaltfläche zu bilden.
Optische Vorrichtung mit einer Faser-Eingangs- oder -Ausgangskopplung nach Anspruch 12 und einem weiteren optischen Element, wobei das durch das Kollabieren oder Expandieren der Löcher gebildete Muster so ist, dass bei der Fortpflanzung des Mode durch das optische Element und die photonische Kristallfaser die Modenmuster im optischen Element und der photonischen Kristallfaser an der Spaltfläche im wesentlichen übereinstimmen.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 13, in welcher das weitere optische Element ein Diodenlaser ist.
Faserspleiß mit einer Faser-Eingangs- oder -Ausgangskopplung (330) nach Anspruch 12, in welchem die Faserkopplung (330) mit einer oder mehreren anderen Fasern (420) verbunden ist.
Faserspleiß nach Anspruch 15, in welchem die Faserkopplung (330) mit einer oder mehreren anderen Fasern (420) durch Verschmelzen verbunden ist.
Faserspleiß nach Anspruch 15, in welchem die Faserkopplung mit einer oder mehreren anderen Fasern durch einen Kleber verbunden ist.
Faserspleiß nach Anspruch 15, in welchem die Faserkopplung mit einer oder mehreren anderen Fasern durch Stecken verbunden ist.
Faserspleiß nach jedem der Ansprüche 15 bis 18, in welchem mindestens eine der einen oder mehreren anderen Fasern eine aufgespaltene photonische Kristallfaser ist.
Faserspleiß nach Anspruch 19, in welchem mindestens eine der einen oder mehreren anderen Fasern eine Faserkopplung nach Anspruch 12 ist.
Faserspleiß nach jedem der Ansprüche 15 bis 20, in welchem eine oder mehrere der anderen Fasern eine Standardfaser (420) ist.
Faserspleiß nach Anspruch 21, in welchem mindestens eine der einen oder mehreren anderen Fasern (420), welche eine Standardfaser ist, durch Strecken während der Hitzebehandlung verjüngt und sodann aufgespalten worden ist.
Optische Vorrichtung mit einer photonischen Kristallfaser nach jedem der Ansprüche 1 bis 8, in welchem das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster im hitzebehandelten Abschnitt die Wechselwirkung von sich fortpflanzendem Licht mit der äußeren Umgebung der Faser so erhöht, dass die Messung einer Messgröße der äußeren Umgebung der Faser erleichtert ist.
Optische Vorrichtung mit einer photonischen Kristallfaser nach jedem der Ansprüche 1 bis 8, welche ferner ein weiteres Element aufweist, in welchem das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster die Wechselwirkung von sich fortpflanzendem Licht mit dem weiteren optischen Element steigert oder unterdrückt.
Optische Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer oder mehreren weiteren optischen Fasern (270), in denen das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster im hitzebehandelten Abschnitt die Wechselwirkung von sich in der Faser fortpflanzendem Licht mit einer oder mehreren der weiteren optischen Fasern steigert oder unterdrückt.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 25, in welcher mindestens eine der einen oder mehreren anderen optischen Fasern eine photonische Kristallfaser (270) nach Anspruch 23 ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, in welcher mindestens eine der anderen Fasern eine Standardfaser ist.
Optische Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 25 bis 27, in welcher mindestens zwei Fasern (260, 270) zumindest teilweise durch Hitzebehandlung zusammengeschmolzen worden sind.
Faser nach jedem der Ansprüche 1 bis 8, welche ferner eine an anderer Stelle in die Faser eingeführte Struktur aufweist, in welcher das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster im hitzebehandelten Abschnitt die Wechselwirkung von sich in der Faser fortpflanzendem Licht mit der Struktur steigert oder unterdrückt.
Faser nach jedem der Ansprüche 1 bis 8, welche ferner mindestens einen weiteren Kernabschnitt (430) aufweist, in welchem das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster im hitzebehandelten Abschnitt die Wechselwirkung von sich in der Faser fortpflanzendem Licht mit dem (den) Kernabschnitten) steigert oder unterdrückt.
Faser nach jedem der Ansprüche 1 bis 8, welche ferner ein Gitter aufweist, in welchem das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster im hitzebehandelten Abschnitt die Wechselwirkung von sich in der Faser fortpflanzendem Licht mit dem Gitter steigert oder unterdrückt.
Faser nach jedem der Ansprüche 1 bis 8, welche ferner einen Abschnitt mit dotiertem Material aufweist, in welchem das durch Ausdehnen oder Kollabieren der Löcher gebildete Muster im hitzebehandelten Abschnitt die Wechselwirkung von sich in der Faser fortpflanzendem Licht mit dem Abschnitt mit dotiertem Material steigert oder unterdrückt.
Richtungskoppler mit einer Faser nach jedem der Ansprüche 29 bis 32.
Spektralfilter mit einer Faser nach jedem der Ansprüche 29 bis 32.
Optischer Sensor mit einer Faser nach jedem der Ansprüche 29 bis 32.
Laser oder optischer Verstärker mit einer Faser nach jedem der Ansprüche 29 bis 32.
Laser oder optischer Verstärker mit einem Richtungskoppler nach Anspruch 33.
Verfahren zur Herstellung einer photonischen Kristallfaser, wobei das Verfahren die Fertigung einer photonischen Kristallfaser mit einer Anzahl länglicher Löcher umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die Hitzebehandlung eines Abschnitts (200) der Faserlänge aufweist, so dass minde stens einige der Löcher in diesem Abschnitt eine von der Querschnittsfläche (220) in unbehandelten Abschnitten (190) der Faserlänge abweichende Querschnittsfläche (230) aufweisen, wobei sich die optischen Eigenschaften der Faser im hitzebehandelten Abschnitt (200) durch Veränderung der Querschnittsfläche der Löcher in diesem Abschnitt (200) verändern.
Verfahren nach Anspruch 38, in welchem mindestens einige der Löcher während der Hitzebehandlung mit innerem Überdruck beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 39, in welchem alle Löcher während der Hitzebehandlung mit innerem Überdruck beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 39 oder 40, in welchem die Hitzebehandlung bewirkt, dass im behandelten Abschnitt mindestens einige der Löcher (230) in der Faser zumindest teilweise kollabieren.
Verfahren nach Anspruch 40 oder 41, in welchem die Hitzebehandlung bewirkt, dass im behandelten Abschnitt mindestens einige der Löcher in der Faser vollständig kollabieren.
Verfahren nach Anspruch 42, in welchem die Hitzebehandlung bewirkt, dass im behandelten Abschnitt alle Löcher in der Faser vollständig kollabieren.
Verfahren nach jedem der Ansprüche 38 bis 43, in welchem die Hitzebehandlung in nicht rotationssymmetrischer Anwendung erfolgt, so dass ein Muster von nicht rotationssymmetrisch kollabierten oder aufgeweiteten Löchern erhalten wird, so dass sich die Doppelbrechung der Faser im hitzebehandelten Abschnitt ändert.
Verfahren nach jedem der Ansprüche 38 bis 44, in welchem sich die Faser durch Strecken während der Hitzebehandlung lokal verengt.
Verfahren nach jedem der Ansprüche 38 bis 45, in welchem die Hitzebehandlung den physikalischen und/oder chemischen Zustand zumindest eines Teils des Materials in der Faser verändert.