DE60038141T2 - Optische Faser - Google Patents

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Malcolm Charlton Massachusetts Smith
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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Mantelbauteil und insbesondere ein Mantelbauteil für doppelt ummantelte Faserlaser und Verstärker. Zusätzlich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine optische Faser, die mit einem derartigen Mantelbauteil gebildet ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Faserlaser und Verstärker können aus optischen Fasern hergestellt sein, deren Kerne mit Seltene-Erden-Stoffen dotiert sind. Optische Fasern werden mit Licht einer geeigneten Wellenlänge gepumpt, um eine Laseraktion oder Signalverstärkung zu erzielen. Die Laserübergangswellenlänge hängt von einer Auswahl von Seltene-Erden-Stoffen und einer Wirt-Zusammensetzung ab. Verschiedene Seltene-Erden-Ionen, die Nd, Er, Yb, Ho, Tm, Pr, Eu, Ce, Dy, Sm, Tb, Gd und Pm umfassen, werden bisher verwendet, die eine Laseraktion bereitstellen können.
  • Basierend auf der Pumptechnik sind Faserlaser in kerngepumpte Faserlaser und mantelgepumpte Faserlaser unterteilt. In einem kerngepumpten Faserlaser wird Licht von einer Pumpquelle, wie z. B. einem Diodenlaser, direkt in den Faserkern gekoppelt, der mit Seltene-Erden-Stoffen dotiert ist. In einem mantelgepumpten Faserlaser ist der Einmodenkern, der mit Seltene-Erden-Stoffen dotiert ist, durch einen nicht dotierten Mehrmodenmantel umgeben. Das Pumplicht wird durch einen zweiten Mantel (Glas oder ein Polymer) mit einem niedrigeren Brechungsindex in den Mantel eingeleitet und in dem Mantel geführt. Mantelgepumpte Faserlaser werden deshalb auch als doppelt ummantelte Faserlaser bezeichnet. Der Hauptvorteil des Mantelpumpens gegen über einem Kernpumpen besteht darin, dass mantelgepumpte Fasern ohne Weiteres auf hohe Ausgangsleistungen skalierbar sind.
  • 1 zeigt eine herkömmliche doppelt ummantelte Faser, in der der Kern 2 und der erste Mantel 4 beide kreisförmig und konzentrisch zueinander sind. Ein derartiger kreisförmiger Mantel 4 kann viele Moden unterstützen, die sich um den Kern 2 winden, ohne dem Kern 2 eine Intensität aufzudrücken. Ferner wird das in einen kreisförmigen Mantel 4 eingeleitete Licht nicht vollständig durch den Kern 2 absorbiert. So schließt der Doppelmantel 4 vom kreisförmigen Typ ein effizientes Koppeln des Pumplichts aus dem Mantel in den Kern 2 aus.
  • Andere Mantelbauteile 4 werden verwendet, um es Pumplichtstrahlen zu ermöglichen, in den Kern 2 zu kreuzen, wenn diese sich entlang der Länge der Faser bewegen. 2(a) zeigt eine doppelt ummantelte Faser, die einen abseits der Mitte gelegenen Kern aufweist, wie offenbart ist in dem U.S.-Patent Nr. 4,815,079 . Durch ein Anordnen des Kerns 2 abseits der Mitte kann Schrägmoduslicht, das den Kern 2 in einer konzentrischen Geometrie nicht schneidet, dazu gebracht werden, den Kern 2 zu schneiden. Ein Mantelbauteil 4 vom außermittigen Typ jedoch ist dennoch ineffizient und unpraktisch, da ein Teil des Schrägmoduslichts den Kern 2 nicht schneiden kann. Ferner ist ein Mantelbauteil 4 vom außermittigen Typ nicht für eine Verwendung mit Standardfasern zugänglich, da es schwierig ist, den außermittigen Kern 2 mit dem Standardkern auszurichten und in eine Linie zu bringen. Eine mögliche Fehlausrichtung der Kerne kann zu einem wesentlichen Leistungsverlust führen.
  • 2(b) zeigt eine weitere herkömmliche doppelt ummantelte Faser, in der ein Kern 2 mittig in einem elliptischen Mantel 4 ist. Dieser Mantel 4 vom elliptischen Typ wäre höchst effizient, wenn der Kern 2 an einem der Ellipsen-Mittelpunkte positioniert ist. Ein derartiger Mantel 4 ist jedoch schwierig herzustellen, insbesondere dann, wenn der Kern 2 an einem Ellipsen-Mittelpunkt positioniert sein soll. Ferner ist dieser Mantel 4 vom elliptischen Typ nicht kompatibel mit kreisförmigen Standardfasern, an die derselbe gespleißt werden muss.
  • 2(c) zeigt einen Mantel 4 vom Vielecktyp, wie er offenbart ist in dem U.S.-Patent Nr. 5,533,163 , bei dem die Vielecke als „konvexe Vielecke" klassifiziert sind, die die Eigenschaft besitzen, dass, wenn eine Mehrzahl derartiger Vielecke zum Auskacheln einer ebenen Oberfläche verwendet wird, diese alle in die Kachelung passen, wobei kein Abstand zwischen benachbarten Vielecken verbleibt. Ferner sind alle Vielecke Spiegelbilder voneinander um eine gemeinsame Seite. Entsprechend schränkt die obige Eigenschaft die Vielecke auf drei-(3-), vier-(4-) und sechs-(6-)seitige Vielecke ein. Diese Vieleckformen unterscheiden sich wesentlich im Querschnitt von denjenigen von Fasern vom kreisförmigen Typ, die üblicherweise verwendet werden, um Pumpleistung zu doppelt ummantelten Fasern zu liefern. Deshalb führt der Mantel 4 vom Vielecktyp zu einer großen Fehlanpassungsfläche mit einer kreisförmigen Faser, was ein ineffizientes Koppeln von Pumplicht in doppelt ummantelten Fasern bewirkt.
  • 2(d) zeigt eine doppelt ummantelte Faser mit einem D-förmigen Mantel 4, wie offenbart ist in dem U.S.-Patent Nr. 5,864,645 . Beim Vergleichen mit dem Mantel 4 vom Vielecktyp ist bei einem D-förmigen Mantel 4 ein kleinerer Abschnitt des Mantels 4 entfernt. Deshalb weist ein D-förmiger Mantel 4 eine im Wesentlichen kreisförmige Form auf, die effektiv das Spleißen der doppelt ummantelten Faser mit einer kreisförmigen Pumpzuführfaser ermöglicht. Eine größere Menge des Mantels 4 muss jedoch als ein allgemeines Prinzip von dem Mantel 4 entfernt werden, um die Kopplungswirksamkeit zu verbessern. Um das obige Dilemma zu lösen, wird eine viel längere Faser benötigt, um das erforderliche Pumplicht von dem Mantel 4 zu dem Kern 2 zu koppeln, ohne den Vorteil eines im Wesentlichen kreisförmigen Mantels 4 zu verlieren. Eine derartige zusätzliche Kopplungslänge ist ineffizient.
  • Deshalb ist es erwünscht, ein neuartiges Mantelbauteil zu erhalten, das sowohl ein effizientes Koppeln als auch ein effektives Spleißen ermöglicht. Ferner ist es erwünscht, dass ein derartiges neuartiges Mantelbauteil, sowie die optische Faser, die mit dem neuartigen Mantelbauteil gebildet ist, leicht herzustellen sind. Die vorliegende Erfindung stellt ein Mantelbauteil und eine optische Faser bereit, die alle obigen Anforderungen erfüllen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung ist im Anspruch 1 definiert. Verschiedene Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine optische Faser zur Verwendung in Faserlasern und Verstärkern bereit, wobei die optische Faser ein Kernbauteil aufweist, das durch ein Mantelbauteil zum Aufnehmen von Pumpenergie und Übertragen der Pumpenergie an das Kernbauteil umgeben ist. Die optische Faser weist außerdem eine äußere Schicht auf, die das Mantelbauteil umgibt. Das Mantelbauteil weist einen kreisförmigen Außenumfang und einen vorbestimmten Brechungsindex (nc) auf. Das Mantelbauteil weist eine indexmodifizierte Region auf, die Licht zu dem Kernbauteil richtet. Die indexmodifizierte Region ist durch einen Spannungsfeldabschnitt mit einem vorbestimmten Brechungsindex (ns) umgeben. Die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Mantelbauteils und demjenigen des Spannungsfeldabschnitts (nc–ns) ist innerhalb eines derartigen Bereichs, dass der Spannungsfeldabschnitt die Polarisationseigenschaften des Lichts, das sich in dem Kernbauteil 20 bewegt, nicht beeinträchtigt. Vorzugsweise beträgt die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Mantelbauteils und demjenigen des Span nungsfeldabschnitts (nc–ns) weniger als 10–4 und noch bevorzugter 10–5.
  • Gemäß der Erfindung beinhaltet die Region mit modifiziertem Index eines oder mehrere Dotiermittel einer beliebigen Kombination der Elemente Ge, Al, P, B und F. Noch bevorzugter beinhaltet die Region mit modifiziertem Index eines von Folgenden: (1) Ge und Al; (2) Ge und P; (3) Ge und B; (4) Ge und F; (5) P und Al; (6) Ge, P und Al; (7) Ge, P und B; (8) Ge, P und F; und (9) freien Luftraum.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Elemente der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung besser verständlich werden. Es zeigen:
  • 1 eine herkömmliche doppelt ummantelte Faser mit kreisförmigem und konzentrischem Kern und Mänteln.
  • 2(a) zeigt eine herkömmliche doppelt ummantelte Faser mit einer außermittigen Kernstruktur.
  • 2(b) zeigt eine herkömmliche doppelt ummantelte Faser, deren Kern mittig in einem elliptischen Mantelbauteil sitzt.
  • 2(c) zeigt eine herkömmliche Faser vom Vielecktyp.
  • 2(d) zeigt eine herkömmliche doppelt ummantelte Faser mit einem D-förmigen Mantelbauteil.
  • 3(a) und 3(b) zeigen doppelt ummantelte Fasern mit gekrümmten abgeschnittenen Abschnitten in Mantelbauteilen.
  • 4(a) und 4(b) zeigen doppelt ummantelte Fasern mit vieleckigen Mantelbauteilen.
  • 5(a), 5(c), 5(d) und 5(e) zeigen doppelt ummantelte Fasern mit verschiedenen indexmodifizierten Regionen, die in Mantelbauteilen angeordnet sind.
  • 5(b) zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Verschiedene Mantelbauteile und optische Fasern sind in den 1 bis 5 dargestellt. Das Mantelbauteil der vorliegenden Erfindung, wie es in 5(b) gezeigt ist, ermöglicht ein effizientes Koppeln von Energie von dem Mantelbauteil zu dem Kernbauteil und ein effektives Spleißen von Fasern. Bei jedem Ausführungsbeispiel sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und wiederholende Beschreibungen sind weggelassen.
  • Die 3(a) und 3(b) zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer doppelt ummantelten Faser 10, die für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist. Die doppelt ummantelte Faser 10 weist ein Kernbauteil 20 in der Mitte der Faser 10 auf. Ein erstes Mantelbauteil 40 umgibt das Kernbauteil 20. Das erste Mantelbauteil 40 weist einen im Wesentlichen kreisförmigen Außenumfang auf und an demselben sind einer oder mehrere herausgeschnittene Abschnitte 42 gebildet. Ein zweites Mantelbauteil 60 umgibt das erste Mantelbauteil 40. Pumplicht in dem ersten Mantelbauteil 40 stellt eine Kopplung zu dem Kernbauteil 20 her.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das erste Mantelbauteil 40 einen im Wesentlichen kreisförmigen Außenumfang auf, um ein Spleißen zu begünstigen. Der herausgeschnittene Abschnitt 42 befindet sich nahe an dem äußeren Rand des ersten Mantelbauteils 40. Vorzugsweise erstreckt sich der herausgeschnittene Abschnitt 42 von dem Außenumfang des Mantelbauteils 40 in Richtung des Kernbauteils 20. Ferner behält das Mantelbauteil 40 einen im Wesentlichen kreisförmigen Außenumfang, nachdem der herausgeschnittene Abschnitt 42 gebildet ist. Dadurch begünstigt das im Wesentlichen kreisförmige Mantelbauteil 40 ein Spleißen.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der herausgeschnittene Abschnitt 42 ein konkaver Abschnitt, wie in 3(a) gezeigt ist. Der konkave Abschnitt 42 erstreckt sich von dem Außenumfang des ersten Mantelbauteils 40 und endet mit einer gekrümmten Grenze in dem ersten Mantelbauteil 40. Noch bevorzugter weist das zweite Mantelbauteil 60 einen Innenumfang auf, der komplementär zu dem Außenumfang des ersten Mantelbauteils 40 ist. Der konkave Abschnitt 42 an dem Mantelbauteil 40 kann sicherstellen, dass reflektierte Lichtstrahlen stark randomisiert werden, so dass diese das Kernbauteil 20 schneiden können. Zusätzlich kann der konkave Abschnitt 42 den maximalen Kreisumfang des Mantelbauteils 40 aufrechterhalten, während die maximale Menge von dem Mantelbauteil 40 entfernt wird. Deshalb behält das Mantelbauteil 40 eine im Wesentlichen runde Form bei, um ein Spleißen an eine runde Pumpzuführfaser zu ermöglichen, und gleichzeitig ist eine ausreichende Menge von demselben entfernt, um einen Koppelwirkungsgrad zu verbessern.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, das für ein Verständnis der Erfindung hilfreich ist, wie in 3(b) gezeigt ist, weist das erste Mantelbauteil 40 drei konkave Abschnitte 42 auf. Diese drei konkaven Abschnitte 42 sind gleichmäßig entlang des kreisförmigen Außenumfangs des ersten Mantelbauteils 40 verteilt. Der Radius des Mantelbauteils 42 beträgt 200 μm und der Radius der konkaven Abschnitte 42 beträgt 50 μm. Die Entfernung zwischen der Kernmitte und der gekrümmten Grenze jedes konkaven Ab schnitts 42 beträgt 90 μm. Das Ergebnis zeigt einen Randomisierungswirkungsgrad von 93,7%.
  • Die 4(a) und 4(b) stellen ein weiteres Ausführungsbeispiel dar, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Mantelbauteil 40 eine nicht kreisförmige Form auf. Vorzugsweise weist das Mantelbauteil 40 eine derartige Vieleckform auf, dass derartige Vielecke, wenn sie eine ebene Oberfläche auskacheln, Räume zwischen denselben hinterlassen. In anderen Worten, Vielecke mit acht (8) oder mehr Seiten 44 werden verwendet. Derartige Mantelbauteile 40 vom Vielecktyp sind nahe an einer kreisförmigen Form und sind deshalb von Vorteil für ein Spleißen.
  • Bei verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen liegen Mantelbauteile 40 in der Form von acht-(8-), neun-(9-), zehn-(10-) und elf-(11-)seitigen Vielecken 44 vor. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass Mantelbauteile 40 mit neun-(9-) oder zehn-(10-)seitigen Vielecken 44 einen hohen Randomisierungswirkungsgrad besitzen. Deshalb sind derartige Mantelbauteile 40 in der Lage, Licht in dem Mantelbauteil 40 ausreichend zu streuen und hohe Mantel-zu-Kern-Energieübertragungswirkungsgrade zu ergeben. Mantelbauteile 40 mit einer Vieleckform mit mehr als zwölf (12) Seiten jedoch neigen dazu, reduzierte Energieübertragungswirkungsgrade zu zeigen.
  • Die 5(a), 5(c), 5(d) und 5(e) stellen Ausführungsbeispiele der doppelt ummantelten Faser 10 dar, die für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich sind. Die doppelt ummantelte Faser 10 weist ein Mittelkernbauteil 20, ein erstes Mantelbauteil 40, das das Mittelkernbauteil 20 umgibt, und ein zweites Mantelbauteil 60 auf, das das erste Mantelbauteil 40 umgibt. Das erste Mantelbauteil 40 weist ferner eine Region 46 auf, die einen modifizierten Brechungsindex (nm) aufweist, der sich von dem Rest des ersten Mantelbauteils 40 unterscheidet.
  • Der Brechungsindex nm der modifizierten Region 46 ist vorzugsweise kleiner als der Brechungsindex nc des ersten Mantelbauteils 40. Alternativ kann der Brechungsindex nm auch größer sein als der Brechungsindex nc. Wenn der Brechungsindex nm der indexmodifizierten Region 46 wesentlich größer ist als der Brechungsindex nc des Rests des Mantelbauteils 40, wird es bevorzugt, die Größe der indexmodifizierten Region 46 zu reduzieren. Eine kleinere indexmodifizierte Region 46 kann die Menge an Pumplicht, die in der indexmodifizierten Region 46 erfasst wird, minimieren, so dass die Energie nicht entlang der Länge der Faser hinabgeführt wird, ohne das Kernbauteil 20 zu erreichen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Mantelbauteil 40 eine kreisförmige Form auf, bei der Licht gestreut wird, um eine hohe Mantel-zu-Kern-Energieübertragung sicherzustellen. Entsprechend werden Schräg- oder Schrauben-Modus-Lichtstrahlen durch eine derartige indexmodifizierte Region 46, die in ihren Weg eingeführt wird, gestört. Wenn Schrauben-Modus-Lichtstrahlen auf die indexmodifizierte Region 46 treffen, werden diese gebeugt. Dieser Streueffekt unterstützt eine Neuverteilung des Lichts durch Koppeln der Energie in Nicht-Schrauben-Modi, was wirksam Energie zu dem Kernbauteil 20 überträgt.
  • Die indexmodifizierte Region 46 kann in unterschiedlichen Weisen erhalten werden. Der Brechungsindex kann in einer lokalisierten Region durch Verändern der Zusammensetzung in einer dotierten Region 47 modifiziert werden. Ferner können Indexmodifizierungen erhalten werden, indem Spannungen in den Umgebungsbereich der Region 47 induziert werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem das erste Mantelbauteil 40 aus Silika-Glas hergestellt ist, kann die indexmodifizierte Region 46 in dem Mantelbauteil 40 durch Dotieren mit einem oder mehreren der folgenden Dotiermittel erhalten werden: Ge, Al, P, B und F.
  • Gemäß der Erfindung kann, wenn eine ausreichende Menge der Dotiermittel verwendet wird, der Wärmeausdehnungskoeffizient der dotierten Region 47 ausreichend unterschiedlich von demjenigen des umgebenden Mantelbauteils 40 gemacht werden. Diese Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der dotierten und der nicht dotierten Region 47 und 40 in dem Mantelbauteil 40 kann einen Abschnitt 48 mit erheblichem Spannungsfeld in dem Mantelbauteil 40 erzeugen. Der Spannungsfeldabschnitt 48 kann über eine Region verstreut sein, die größer ist als die dotierte Region 47, wenn die Faser gezogen wird. Diese Spannung kann den Brechungsindex ns in der betroffenen Region 48 wesentlich verändern, was wiederum eine Modenstreuung und Neuverteilung der Lichtstrahlen unterstützt.
  • Gemäß der Erfindung ist die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Mantelbauteils 40 und demjenigen des Spannungsfeldabschnitts 48 (nc–ns) innerhalb eines derartigen Bereichs, dass der Spannungsfeldabschnitt 48 die Polarisationseigenschaften des Lichts, das sich in dem Kernbauteil 20 bewegt, nicht beeinträchtigt. Ferner besitzt die resultierende Faser 10 eine verbesserte Festigkeit. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Mantelbauteils und demjenigen des Spannungsfeldabschnitts (nc–ns) kleiner als 10–4 und vorzugsweise 10–5.
  • 5(a) zeigt ein Ausführungsbeispiel, das zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist, bei dem drei indexmodifizierte Regionen 46 in dem ersten Mantelbauteil 40 gebildet sind. Die indexmodifizierten Regionen 46 sind entlang des kreisförmigen Außenumfangs des Mantelbauteils 40 gleichmäßig verteilt. Noch bevorzugter befinden sich die indexmodifizierten Regionen 46 entfernt von dem Kernbauteil 20 und nahe an dem Außenumfang des Mantelbauteils 40. Bei derartiger Positionierung können die indexmodifizierten Regionen 46 die Schrägmoduslichtstrahlen, die an oder nahe an dem Außenumfang des ersten Mantelbauteils 40 vorhanden sind, wirksam stören und deshalb alle Lichtstrahlen zu dem Kernbauteil 20 richten. Zusätzlich kann die vergrößerte Entfernung zwischen den indexmodifizierten Regionen 46 und dem Kernbauteil 20 den Effekt, den die indexmodifizierten Regionen 46 auf die Polarisationseigenschaften des Lichts haben, das sich in dem Kernbauteil 20 bewegt, minimieren. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der resultierende Randomisierungswirkungsgrad ganze 95,8% betragen.
  • 5(b) zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die indexmodifizierte Region 46 dotierte Regionen 47 aufweist. Die dotierten Regionen 47 modifizieren den lokalen Brechungsindex und induzieren ferner entsprechende Spannungsfeldabschnitte 48. Die Form, Anzahl und der Ort der dotierten Regionen 47 können ähnlich wie diejenigen der indexmodifizierten Regionen 46, die in 5(a) gezeigt und oben erläutert sind, variieren.
  • Die 5(c) und 5(d) zeigen indexmodifizierte Regionen 46, die nicht-kreisförmige Formen und insbesondere eine rechteckige bzw. eine muschelförmige Form aufweisen. Die 5(d) und 5(e) zeigen Mantelbauteile 40 mit indexmodifizierten Regionen 46, die eine maximale Perturbation der Schräg/Schrauben-Modus-Lichtstrahlen sicherstellen. Vorzugsweise sind die Bauteile mit indexmodifizierter Region/spannungsinduzierenden Bauteile 46 entfernt von dem Kernbauteil 20 und nahe an dem Außenumfang des Mantelbauteils 40 angeordnet, wie oben erläutert wurde.
  • Die ersten Mantelbauteile 40 und die optischen Fasern 10 der vorliegenden Erfindung können zur Herstellung verschiedener doppelt ummantelter Faserlaser und Verstärker verwendet werden. Die Zusammensetzungen von Kern, Mantel und Dotiermittel zur Herstellung der Fasern 10 sind unten beschrieben. Zur Herstellung der Faser 10 kann eine Zusammensetzung aus jeder der Gruppen von Kernbauteil, erstem und zweitem Mantelbauteil und Dotiermitteln verwendet werden.
  • (A) Das Kernbauteil
  • Das Kernbauteil 20 ist aus einem durchsichtigen Medium, wie z. B. Glas, das mit einem oder mehreren 4f-Typ-Seltene-Erden-Elementen (Ordnungszahl 57–71) dotiert ist, gebildet. Die Seltene-Erden-Elemente sind mit einem oder mehreren indexmodifizierenden Elementen, wie z. B. Al, Ge, P, F und B, codotiert. Es folgen einige Beispiele einer Kernzusammensetzung basierend auf einem Silika-Glas-Wirt:
    • (1) Ein Kernbauteil auf Silika-Basis, das dotiert ist mit Ytterbium, Aluminium und Phosphor. Der Kern besitzt einen Durchmesser von etwa 8 μm (kann zwischen 3–10 μm variieren) und weist eine numerische Öffnung von 0,1 auf (kann zwischen 0,07 und 0,25 variieren).
    • (2) Ein Kernbauteil auf Silika-Basis, das mit Neodym, Aluminium und Phosphor dotiert ist. Der Kern besitzt einen Durchmesser von etwa 6,5 μm (kann zwischen 3–10 μm variieren) und weist eine numerische Apertur von 0,1 auf (kann zwischen 0,07 und 0,25 variieren).
    • (3) Ein Kernbauteil auf Silika-Basis, das mit Erbium, Ytterbium, Germanium, Aluminium und Phosphor dotiert ist. Der Kern besitzt einen Durchmesser von etwa 6 μm (kann zwischen 3–10 μm variieren) und weist eine numerische Apertur von 0,12 auf (kann zwischen 0,07 und 0,25 variieren).
  • (B) Das erste Mantelbauteil
  • Das erste Mantelbauteil 40 ist aus einem im Wesentlichen reinen Material, wie z. B. einem durchsichtigen Medium (Glas oder Polymer). In dem Fall eines nicht kreisförmigen Mantelbauteils 40 ist die Form des Mantelbauteils 40 entweder ein Vieleck mit 8, 9, 10, 11 oder 12 Seiten 44 oder eine runde Form mit einem oder mehreren herausgeschnittenen Abschnitten 42. In dem Fall eines Mantelbauteils 40 vom kreisförmigen Typ ist die Zusammensetzung des Mantelbauteils 40 über den Querschnitt hinweg uneinheitlich. Insbesondere kann das Mantelbauteil 40 eine indexmodifizierte Region 46 aufweisen.
  • (C) Die indexmodifizierte Region
  • Die indexmodifizierten Regionen 46 können ein freier Luftraum sein oder mit einem oder mehreren Dotiermitteln dotiert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem das Mantelbauteil 40 aus einem Glas auf Silika-Basis hergestellt ist, kann das Dotiermittel eines oder mehrere folgender Elemente sein: Ge, P, Al, B und F. Es folgen einige Beispiele von Zusammensetzungen auf Silika-Basis, die für die dotierten Regionen 47 in dem Mantelbauteil 40 verwendet werden können:
    • (1) Luftraum oder Vakuum.
    • (2) Silika, das dotiert ist mit Ge und B (oder F). Dotierpegel sind derartig, dass der Index des dotierten Glases einen Brechungsindex aufweist, der kleiner oder gleich demjenigen von reinem Silika ist.
    • (3) Silika, das dotiert ist mit Ge und/oder P und/oder Al. Dotierpegel sind derartig, dass der Index des dotierten Glases einen Brechungsindex aufweist, der größer ist als derjenige von reinem Silika.
    • (4) Silika, das dotiert ist mit Ge, P und B (oder F).
    • Dotierpegel sind derartig, dass der Index des dotierten Glases einen Brechungsindex aufweist, der kleiner oder gleich demjenigen von reinem Silika ist.
  • Vorzugsweise sind die Dotiermittel in einem Glas auf Silika-Basis als Oxide vorhanden, wie z. B. GeO2, P2O5, B2O3 und Al2O3. Insbesondere können die Dotiermittel aus einer der folgenden Zusammensetzungen ausgewählt sein:
    • (1) GeO2 der Menge, die zwischen 1 und 3 Mol-% variiert.
    • (2) P2O5 der Menge, die zwischen 1 und 3 Mol-% variiert.
    • (3) B2O3 der Menge, die zwischen 1 und 4 Mol-% variiert.
    • (4) F der Menge, die zwischen 0,2 und 1 Mol-% variiert.
    • (5) Al2O3 der Menge, die zwischen 0,5 und 3 Mol-% variiert.
    • (6) GeO2 und F der Menge, die zwischen 0 und 5 Mol-% bzw. zwischen 0 und 1 Mol-% variiert.
    • (7) GeO2 und B2O3 der Menge, die zwischen 0 und 5 Mol-% bzw. zwischen 0 und 4 Mol-% variiert.
    • (8) P2O5 und F der Menge, die zwischen 0 und 5 Mol-% bzw. zwischen 0 und 1 Mol-% variiert.
    • (9) P2O5 und B2O3 der Menge, die zwischen 0 und 5 Mol-% bzw. zwischen 0 und 4 Mol-% variiert.
    • (10) Al2O3 und F der Menge, die zwischen 0 und 3 Mol-% bzw. zwischen 0 und 1 Mol-% variiert.
    • (11) Al2O3 und B2O3 der Menge, die zwischen 0 und 3 Mol-% bzw. zwischen 0 und 4 Mol-% variiert.
    • (12) GeO2, P2O5 und F der Menge, die zwischen 0 und 3 Mol-%, zwischen 0 und 3 Mol-% bzw. zwischen 0 und 1 Mol-% variiert.
    • (13) GeO2, P2O5 und B2O3 der Menge, die zwischen 0 und 3 Mol-%, zwischen 0 und 3 Mol-% bzw. zwischen 0 und 4 Mol-% variiert.
  • (D) Das zweite Mantelbauteil
  • Das zweite Mantelbauteil 40 ist vorgesehen, um ein Führen des Pumplichts in das erste Mantelbauteil 40 zu unterstützen. Das zweite Mantelbauteil 60 kann aus entweder einem Glas oder Polymer hergestellt sein und besitzt einen niedrigeren Brechungsindex als derjenige des ersten Mantelbauteils 40. Wenn das zweite Mantelbauteil 40 aus Glas hergestellt ist, können Dotiermittel zu dem zweiten Mantelbauteil 60 zugegeben werden, um dessen Brechungsindex so zu reduzieren, dass das dotierte Glas einen niedrigeren Brechungsindex als denjenigen des ersten Mantelbauteils 40 aufweist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das zweite Mantelbauteil 60 ein dotiertes Glas, wie z. B. Borosilikat-Glas oder fluoriertes Silika-Glas, sein. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das zweite Mantelbauteil 60 aus einem Polymer mit niedrigem Index hergestellt, vorzugsweise einem fluorierten Polymer.
  • Die vorstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurde zu Darstellungs- und Beschreibungszwecken vorgelegt. Sie soll weder ausschließlich sein, noch die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen einschränken. Offensichtlich werden viele Modifizierungen und Abänderungen für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich sein. Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und deren praktische Anwendung am besten zu erläutern, wodurch es anderen Fachleuten ermöglicht wird, die Erfindung für verschiedene Ausführungsbeispiele und mit verschiedenen Modifizierungen, wie diese für die bestimmte in Frage kommende Verwendung geeignet sind, zu verstehen. Der Schutzbereich der Erfindung soll durch die folgenden Ansprüche definiert sein.

Claims (11)

  1. Eine optische Faser (10), die geeignet zur Verwendung in Faserlasern und Verstärkern ist, die folgende Merkmale aufweist: ein Mittelkernbauteil (20); ein erstes Mantelbauteil (40), das das Mittelkernbauteil umgibt und zum Aufnehmen von Pumplichtenergie, die zu dem Kernbauteil übertragen werden soll, angeordnet ist, wobei das erste Mantelbauteil einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist und einen vorbestimmten Brechungsindex (nc) aufweist; eine oder mehrere indexmodifizierte Regionen (46), die in dem Querschnitt des ersten Mantelbauteils gebildet sind, wobei jede indexmodifizierte Region eines oder mehrere Dotierungsmittel beinhaltet, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Ge, Al, P, B und F aufweist, und wirksam ist, um Lichtenergie zu dem Kernbauteil zu richten, und ein Spannungsfeldabschnitt (48) mit einem vorbestimmten Brechungsindex (nc) in einem Bereich, der jede indexmodifizierte Region umgibt, in dem ersten Mantelbauteil gebildet ist; und ein zweites Mantelbauteil (60), das das erste Mantelbauteil umgibt; wobei eine Differenz zwischen dem Brechungsindex des ersten Mantelbauteils und dem der Spannungsfeldabschnitte (nc–ns) innerhalb eines derartigen Bereichs gesetzt ist, dass die Spannungsfeldabschnitte Polarisationseigenschaften von Licht, das sich in dem Kernbauteil bewegt, nicht wesentlich beeinflussen.
  2. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, bei der die Differenz zwischen dem Brechungsindex des ersten Mantelbauteils und dem der Spannungsfeldabschnitte (nc–ns) kleiner als 10–4 ist.
  3. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, bei der die Differenz zwischen dem Brechungsindex des ersten Mantelbauteils und dem der Spannungsfeldabschnitte (nc–ns) kleiner als 10–5 ist.
  4. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, bei der ein Brechungsindex der indexmodifizierten Regionen (nm) kleiner ist als der Brechungsindex des ersten Mantelbauteils (nc).
  5. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, bei der ein Brechungsindex der indexmodifizierten Regionen (nm) größer ist als der Brechungsindex des ersten Mantelbauteils (nc).
  6. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, die mehr als eine der indexmodifizierten Regionen umfasst, die im Wesentlichen gleichmäßig nahe an dem Außenumfang des ersten Mantelbauteils verteilt sind.
  7. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, bei der das Mittelkernbauteil ein Glas auf Silikabasis aufweist.
  8. Die optische Faser gemäß Anspruch 7, bei der das Mittelkernbauteil mit einem oder mehreren Seltene-Erde-Elementen vom 4f-Typ dotiert ist.
  9. Die optische Faser gemäß Anspruch 1, bei der das zweite Mantelbauteil einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der Brechungsindex des ersten Mantelbauteils (nc).
  10. Die optische Faser gemäß Anspruch 9, bei der das zweite Mantelbauteil ein dotiertes Glas aufweist.
  11. Die optische Faser gemäß Anspruch 10, bei der das zweite Mantelbauteil ein fluoriertes Polymer aufweist.
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