DE60105938T2

DE60105938T2 - Verfahren zum Herstellen von verjüngtem mikrostrukturiertem Fasersystem und resultierendes System

Info

Publication number: DE60105938T2
Application number: DE60105938T
Authority: DE
Inventors: Juhi Chandalia; David John Montclair Di Giovanni; Benjamin John Summit Eggleton; Sandra Greenberg Murray Hill Kosinski; Xiang Eatontown Liu; Robert Scott Annandale Windeler; Chunhui Piscataway Xu
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: US6654522B2; US20020114574A1; DE60105938D1; EP1199582A1; US6658183B1; EP1199582B1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft optische Kommunikationssysteme, die eine mikrostrukturierte optische Faser verwenden.
Beschreibung des Standes der Technik
Mikrostrukturierte optische Fasern, beispielsweise Fasern mit kapillarischen Luftlöchern, sind bekannt. Solche Fasern haben aufgrund einer Vielzahl festgestellter interessanter Eigenschaften, beispielsweise Superkontinuum-Erzeugung und Soliton-Erzeugung, neues Interesse geweckt. Siehe beispielsweise B. J. Eggleton und Mitarbeiter, "Cladding-Mode-Resonances in Air-Silica Microstructure Optical Fibers", Journal of Lightwave Technology, Vol. 18, Nr. 8 (2000); J. C. Knight und Mitarbeiter, "Anomalous Dispersion in Photonic Crystal Fiber", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 12, Nr. 7 (2000); J. Ranka und Mitarbeiter, "Visible continuum generation in airsilica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm"; Optical Letters, Vol. 25, Nr. 1 (2000); und US-Patente Nr. 5,907,652 und 6,097,870. Doch obgleich diese Fasern interessante und attraktive Eigenschaften hervorgebracht haben, bestehen einige praktische Schwierigkeiten. Beispielsweise findet man viele dieser einzigartigen Eigenschaften in mikrostrukturierten Fasern mit einem extrem kleinen Kern. Das effiziente Einkoppeln von Licht in eine solche Faser ist somit eine überaus problematische Hürde. Überdies weisen solche Fasern mitunter eine geringe mechanische Festigkeit auf. Zwischen dem augen blicklichen Stand der Technik und der kommerziellen Verwertbarkeit stehen eine ganze Reihe ähnlicher Hürden.
Somit sind Verbesserungen bei der Herstellung und dem Design von Systemen, die mikrostrukturierte optische Fasern verwenden, sowie neue Wege zur Entwicklung und Behandlung der Faser selbst wünschenswert.
Aus WO-A-00 49 435 ist eine photonische Kristallfaser mit einer Mehrzahl von Längslöchern bekannt, wobei wenigstens einige der Löcher eine unterschiedliche Querschnittsfläche in einer ersten Region der Faser aufweisen, wobei diese Region wärmebehandelt wurde.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System gemäß Darstellung in den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Die Erfindung betrifft verbesserte Techniken zur Nutzung mikrostrukturierter optischer Fasern in einer Vielzahl von Systemen, beispielsweise Techniken zum Behandeln mikrostrukturierter Fasern, zum Herstellen widerstandsfähiger mikrostrukturierter Fasern mit kleinem Durchmesser und/oder zum Verändern von Wellentypen, die sich durch eine mikrostrukturierte Faser hindurch ausbreiten. Das Verfahren ist relativ einfach und gewährleistet überdies eine effiziente Integration der resultierenden Faser in ein Kommunikationssystem sowie einen effizienten Betrieb der resultierenden Faser in einem Kommunikationssystem.
Allgemein ausgedrückt, wird gemäß der Erfindung eine mikrostrukturierte Faser mit einer Kernregion, einer Ummantelungsregion und einem oder mehreren axial ausgerichteten Elementen (beispielsweise kapillarische Luftlöcher) in der Ummantelungsregion bereitgestellt. Ein Abschnitt der mikrostrukturierten Faser wird anschließend beispielsweise durch Erwärmen und Strecken der Faser dergestalt behandelt, dass wenigstens ein Merkmal der Mikrostruktur der Faser entlang der Ausbreitungsrichtung modifiziert ist (beispielsweise wird der Außendurchmesser der Faser verkleinert, der Querschnitt der axial ausgerichteten Elemente wird verkleinert, oder die axial ausgerichteten Elemente fallen zusammen). Die Behandlung wird so gewählt, dass sich eine Faserlänge ergibt, die sich durch besondere Eigenschaften auszeichnet, wie beispielsweise Wellentypkontraktion (was optional zur Soliton-Erzeugung führt) oder Wellentypausweitung. Das Verfahren wird vorteilhafterweise so ausgeführt, dass sich die resultierende Faserlänge ohne Weiteres an eine standardmäßige Übertragungsfaser ankoppeln lässt, d. h. die Kerngrößen sind ähnlich, wodurch eine effiziente Lichtankopplung ermöglicht wird. (Mit "entlang der Ausbreitungsrichtung modifiziert" ist gemeint, dass, wenn man die Faser entlang der Ausbreitungsrichtung verfolgt, sich ein oder mehrere Aspekte der Mikrostruktur ändern. "Außendurchmesser" meint den Durchmesser der äußersten Ummantelung ohne eventuelle Schutzbeschichtungen. "Faserlänge" im Sinne des vorliegenden Textes meint die gesamte Struktur, d. h. unbehandelte und behandelte Faserabschnitte.) Erfindungsgemäß hergestellte Faserlängen eignen sich für zahlreiche Anwendungen, beispielsweise Dispersionsmanagement, optische Regenerierung, Umformen, zeitliches Umsetzen, Herstellen nichtlinearer Effekte wie beispielsweise Soliton-Erzeugung, Soliton-Eigenfrequenzverschiebung und Impulskompression und Herstellen einer effizienten Kopplung in Laserdioden und ähnliche Bauelemente hinein.
In einer Ausführungsform, die in den 1A und 1B dargestellt ist, wird der behandelte Abschnitt der Faser 10 erwärmt und gestreckt, so dass wenigstens eine sich verjüngende Region 22, 23 und eine taillierte Region 24 entsteht, wobei die eine oder die mehreren sich verjüngenden Regionen von einem unbehandelten Abschnitt der Faser zur taillierten Region führen. Normalerweise wird die Mikrostruktur der Faser in der wenigstens einen sich verjüngenden Region und in wenigstens einem Abschnitt der taillierten Region beibehalten. Eine Möglichkeit der einfachen Herstellung von Abschnitten einer mikrostrukturierten Faser mit kleinem Kern der oben besprochenen Art besteht darin, eine mikrostrukturierte Faser mit größerem Querschnitt zu strecken. Und da ein Abschnitt der Faser seinen ursprünglichen Kerndurchmesser beibehält, kann überdies Licht von einer benachbarten Übertragungsfaser effizient in die mikrostrukturierte Faserlänge hineingekoppelt werden. Die resultierende Struktur eignet sich beispielsweise für eine überaus vorteilhafte Soliton-Eigenfrequenzverschiebung, die weiter unten näher beschrieben wird. "Beibehalten der Mikrostruktur in der sich verjüngenden Region und/oder der taillierten Region" im Sinne des vorliegenden Textes meint, dass das Vorhandensein und die Anordnung von wenigstens einem Abschnitt der axial ausgerichteten Elemente beibehalten werden, obgleich wahrscheinlich mit einer anderen Größe und Proportion als bei der ursprünglichen Faser. Es ist möglich, dass ein dotierter Kern, der in der ursprünglichen Faser vorhanden ist, in der taillierten Region im Wesentlichen verschwindet, wobei aber ein solcher Effekt nicht bedeutet, dass die Mikrostruktur nicht beibehalten wurde.) Vor allem wird die oben beschriebene Ausführungsform normalerweise so realisiert, dass Licht, das sich durch eine Faser mit einer taillierten Region hindurch ausbreitet, durch die axial ausgerichteten Elemente, beispielsweise durch die kapillaren Luftlöcher, eingegrenzt wird. "Eingegrenzt" im Sinne des vorliegenden Textes meint eine Eingrenzung infolge des effektiven Brechungsindexprofils, das durch die Kombination aus dem Siliciumdioxid und den axial ausgerichteten Elementen gebildet wird, oder infolge eines Bandlückeneffekts, der durch periodisch angeordnete axial ausgerichtete Elemente entsteht. In dieser Hinsicht stellt die Erfindung eine deutliche Verbesserung gegenüber Systemen nach dem Stand der Technik dar, bei denen Verjüngungstechniken angewendet wurden. Beispielsweise in T. A. Birks und Mitarbeiter, "Generation of an ultra-broad supercontinuum in tapered fibres", CLEO'00, nachgereichtes Dokument CPD30 (2000), berichten die Autoren vom Verjüngen einer herkömmlichen optischen Faser, d. h. einer nicht-mikrostrukturierten Faser, bis zu einer taillierten Region mit einem Durchmesser von weniger als 2 μm. Bei einem solch kleinen Durchmesser verschwindet der Kern im Wesentlichen, und der gesamte Faserdurchmesser bildet dann eine Kernregion, deren Ummantelung durch die umgebende Luft gebildet wird. Zwar wies die gestreckte Faser einzigartige Eigenschaften der oben beschriebenen Art auf, doch durch den Umstand, dass die umgebende Luft die Ummantelung bildet, wird das Design kommerziell unverwertbar. Insbesondere reagiert nicht nur die taillierte Region überaus empfindlich auf Biegung, d. h. Biegungen verursachen Verluste, sondern eine polymerische Nachbeschichtung der taillierten Region modifiziert außerdem die Luft-Siliciumdioxid-Grenze und verursacht dadurch in ähnlicher Weise Verluste. Das von Birks und Mitarbeitern beschriebene System ist somit für die kommerzielle Verwertung nicht robust genug.
Im Gegensatz dazu begrenzen die axial ausgerichteten Elemente, die in einer Faser mit taillierter Region vorhanden sind, gemäß der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform das sich darin ausbreitende Licht, d. h. sie bilden eine effektive Ummantelung. Weil die Außenseite der Faser somit nicht als Ummantelung dient, ist die resultierende taillierte Region sehr widerstandsfähig. Insbesondere kann, weil die äußere Luft nicht als Ummantelung dient, der Durchmesser größer sein, d. h. um die axial ausgerichteten Elemente kann zusätzliches Siliciumdioxid angeordnet sein, wodurch die taillierte Region mechanisch widerstandsfähiger wird. Des Weiteren erträgt die erfindungsgemäße Faser im Gegensatz zu der Faser von Birks und Mitarbeitern Biegen und polymerisches Nachbeschichten, wodurch es noch einfacher wird, die gesamte Faserlänge in ein System zu integrieren.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in 2 dargestellt ist, wird die Mikrostruktur der ursprünglichen Faser so behandelt, dass der Behandlungsschritt zu einem teilweisen oder vollständigen Zusammenfallen von axial ausgerichteten Elementen (in der Regel kapillarische Luftlöcher) in wenigstens einem Teil des behandelten Abschnitts der Faser führt, während der Gesamtdurchmesser des behandelten Abschnitts ungefähr so groß wie bei dem unbehandelten Abschnitt bleibt (beispielsweise misst der Durchmesser des behandelten Abschnitts im Allgemeinen wenigstens 90 % seines ursprünglichen Durchmessers). ("Teilweises Zusammenfallen" meint eine Verringerung des Querschnitts der Elemente, wobei das Element aber noch intakt bleibt.) Dieses allmähliche Zusammenfallen, das festzustellen ist, wenn man die Faser entlang der Ausbreitungsrichtung verfolgt, ist in der Lage, eine Wellentypausweitung zu bewirken, d. h. das effektive Brechungsindexprofil, das durch das Vorhandensein der axial ausgerichteten Elemente geschaffen wird, verschwindet und hinterlässt an seiner Stelle eine Ummantelung aus Siliciumdioxid. Eine solche Wellentypausweitung ist beispielsweise bei einer Vielzahl von Anwendungen nützlich, wo eine Umwandlung zu einem größeren Wellentyp gewünscht wird, beispielsweise zur Minimierung von Kopplungsverlusten zwischen einer Faser und einem anderen Element, wie beispielsweise einem größerflächigen Detektor oder einer Laserdiode (siehe beispielsweise W. T. Chen und L. A. Wang, "Laser-to-fiber coupling scheure by utilizing a lensed fiber integrated with a long-period grating", IEEE Photonics Tech. Lett., Vol. 12, Nr. 5, 501–503 (2000)). Ein solches allmähliches Zusammenfallen ist auch in Kombination mit einem gewissen Strecken möglich. Es ist beispielsweise möglich, eine mikrostrukturierte Faser herzustellen, die Luftlöcher an einem Ende zusammenfallen zu lassen, wodurch das Spleißen und Ankoppeln an standardmäßige Übertragungsfasern verbessert wird, und einen anderen Abschnitt der Faser so zu strecken, dass gewünschte Eigenschaften herbeigeführt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A–1C stellen eine Ausführungsform der Erfindung dar.
2 stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar.
3A und 3B veranschaulichen die Eigenschaften einer Faserlänge, die gemäß der in den 1A–1C dargestellten Ausführungsform hergestellt wurde.
4A und 4B veranschaulichen Eigenschaften der Faserlänge, die in den 3A und 3B dargestellt sind.
5 veranschaulicht weitere Eigenschaften der Faserlänge, die in den 3A und 3B dargestellt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den 1A–1C dargestellt. Es wird eine mikrostrukturierte optische Faser 10 bereitgestellt. Die Faser 10 umfasst eine Kernregion (beispielsweise einen germaniumdotierten Kern 12), eine Ummantelungsregion 14 und axial ausgerichtete Elemente, die in der Ummantelungsregion angeordnet sind – in dieser Ausführungsform sechs kapillarische Luftlöcher 16. (Es versteht sich, dass die Anzahl der Luftlöcher je nach dem konkreten Einsatzzweck der Faser innerhalb eines weiten Rahmens variieren kann.) Bei einer solchen Faser mit einem Kerndurchmesser und einem Außendurchmesser einer typischen Kommunikationsfaser, beispielsweise einem Kerndurchmesser von etwa 10 μm und einem Außendurchmesser von etwa 125 μm, spielen die kapillarischen Luftlöcher 16 im Allgemeinen im Wesentlichen keine Rolle für das Wellenleiten – sie sind genügend weit von der Mittenregion entfernt, um im Wesentlichen zu vermeiden, dass sie die Grundwelle beeinflussen, und spielen nur in dem behandelten Abschnitt eine Rolle, wie weiter unten besprochen wird. (In anderen Ausführungsformen ist es möglich, dass die axial ausgerichteten Elemente in der ursprünglichen Faser zum Wellenleiten beitragen.)
Die mikrostrukturierte Faser wird auf jede geeignete Weise hergestellt. Es ist beispielsweise möglich, den Kern und die Innenummantelung mit einem herkömmlichen Verfahren wie beispielsweise modifiziertem chemischen Aufdampfen herzustellen. In einem solchen Fall wird das Kernglas, das optional mit einem Material wie beispielsweise Germanium dotiert sein kann, auf der Innenseite einer Innenummantelungsröhre angeordnet, woraufhin man die Röhre zu einem festen Kernstab zusammenfallen lässt. Der Vorformling wird dann normalerweise durch das Integrieren geeigneter Strukturelemente am äußeren Umfangsrand des Stabes vervollständigt, beispielsweise Kapillarröhren, die im Allgemeinen angeschmolzen oder durch physisches Bündeln befestigt werden, woraufhin die entstandene Struktur übermantelt wird. Die Baugruppe wird dann allgemein zu einem Vorformling konsolidiert, und der Vorformling kann dann in einen Zugturm eingesetzt werden, wo die Faser nach herkömmlichen Techniken gezogen wird.
Die mikrostrukturierte optische Faser kann auch mittels einer Sol-Gel-Technik hergestellt werden, wie beispielsweise in der EP-Anmeldung Nr. 01300525.1 besprochen.
Allgemein ausgedrückt, wird bei dieser Technik ein Gefäß (in der Regel in Form einer Röhre) bereitgestellt, wobei sich längliche Elemente (beispielsweise Drähte, Nadeln oder Fasern) mit einer bestimmten Beabstandung über wenigstens einen Abschnitt der Länge des Gefäßes erstrecken. Das Gefäß wird wenigstens teilweise mit einem siliciumdioxidhaltigen Sol gefüllt. Das Sol wird nun dergestalt geliert, dass ein Gelkörper gebildet wird, in den die länglichen Elemente eingebettet sind. Dann wird der Gelkörper von den länglichen Elementen getrennt (in der Regel mit Hilfe eines Trennmittels), getrocknet, gereinigt und gesintert. Dann wird die mikrostrukturierte optische Faser aus dem gesinterten Gelkörper gezogen. Eine geeignete Sol-Gel-Technik ist beispielsweise im gleichzeitig zuerkannten US-Patent Nr. 5,240,488 beschrieben. Die länglichen Elemente werden normalerweise durch Haltevorrichtungen in der gewünschten Beabstandung gehalten, beispielsweise durch eine untere und eine obere Abschlusskappe mit entsprechend angeordneten Löchern und Ausnehmungen. Bei dem Gefäß handelt es sich in der Regel um ein röhrenförmiges Gefäß, dessen Bodenöffnung durch eine abnehmbare Kappe oder einen anderen geeigneten Verschluss verschlossen wird. Die obere Haltevorrichtung kann in der Regel axial bewegt werden, damit die länglichen Elemente leichter aus dem Gelkörper entfernt werden können. Die länglichen Elemente können auch physikalisch, chemisch oder thermisch entfernt werden, beispielsweise Polymerstangen oder -fasern, dergestalt, dass die Elemente nach dem Gelieren durch beispielsweise Pyrolyse oder chemische Einwirkung entfernt werden können.
Gemäß dieser ersten Ausführungsform wird, sobald die mikrostrukturierte optische Faser hergestellt ist, die Faser in eine Vorrichtung eingebracht, die einen Abschnitt der Faser erwärmt, im Allgemeinen durch Einwirkung einer Flamme, und den erwärmten Abschnitt streckt. Beispielsweise wird durch das Verjüngen der Durchmesser der Innenummantelungsregion der ursprünglichen Faser typischerweise um wenigstens das Zweifache verringert. (Die Innenummantelungsregion ist die Region, die überwiegend sich ausbreitende Wellentypen eingrenzt.) Dem Fachmann sind eine Vielzahl von Vorrichtungen bekannt, die für ein solches Erwärmen geeignet sind. Die Flammentemperatur wird so gewählt, dass die Faser weich genug ist, um ohne Brechen gestreckt zu werden, aber nicht so weich, dass die kapillarischen Luftlöcher zusammenfallen. Wie in 1B gezeigt, führt das Strecken zu unbehandelten Faserregionen 20, 21, zwei sich verjüngenden Regionen 22, 23, und zu einer taillierten Region 24, wobei die Mikrostruktur in den sich verjüngenden Regionen 22, 23 und in der gesamten taillierten Region 24 beibehalten wird. Das Beibehalten der Mikrostruktur in der taillierten Region 24 ist in 1C gezeigt, die eine Darstellung des Querschnitts der taillierten Region entlang der Linie a-á ist. 1C zeigt das Vorhandensein kapillarischer Luftlöcher 30, bei denen es sich um die gestreckten Abschnitte der ursprünglichen kapillarischen Luftlöcher 16 handelt (und die einen kleineren Durchmesser als die ursprünglichen Luftlöcher 16 aufweisen). Der germanium dotierte Kern 12, der in der ursprünglichen Faser vorhanden ist, verschwindet im Wesentlichen durch das Strecken, d. h. Licht in dem typischen Kommunikationsfenster "sieht" einen germaniumdotierten Kern nicht, wenn es sich durch die taillierte Region ausbreitet.
Die kapillarischen Luftlöcher 30, die in der Verjüngung und in der taillierten Region vorhanden sind, grenzen Licht, das sich darin ausbreitet, ein, d. h. die kapillarischen Luftlöcher 30 bilden eine wirksame Ummantelungsschicht. Der Kern der taillierten Region besteht somit aus einer mittigen Siliciumdioxidregion, wobei die Ummantelung durch einen Kontrast des effektiven Brechungsindex' gebildet wird, der durch das Vorhandensein der Luftlöcher bewirkt wird. Die Faserlänge (d. h. die behandelte und die unbehandelte Faser) bewirkt somit aufgrund der Verjüngung hin zu der kleineren taillierten Region eine Wellentypkontraktion. Die Auswirkungen einer solchen Wellentypkontraktion sind in Beispiel 1 unten dargestellt. Außerdem wird die Verjüngung optional adiabatisch gestaltet, d. h. wo die Verjüngung keine Kopplung zwischen Wellentypen bewirkt. Somit entwickelt sich eine Grundwelle, die sich durch die unbehandelte Faser hindurch ausbreitet, zu einer Grundwelle in der Verjüngung und in der taillierten Region. Die Fähigkeit, eine adiabatische Verjüngung zu gestalten, ist in Beispiel 1 unten dargestellt.
Eine solche Wellentypkontraktion ermöglicht es beispielsweise, Soliton-Eigenfrequenzverschiebungen zu erzeugen, die über nahezu das gesamte interessierende Kommunikationsfenster hinweg abgestimmt werden können. Insbesondere erfahren optische Soliton-Impulse allgemein eine kontinuierliche Abwärtsverschiebung der Trägerfrequenzen, wenn sie sich in einer Faser mit anomaler Gruppengeschwindigkeitsdispersion ausbreiten. Diese Soliton-Eigenfrequenzverschiebung rührt von intra-impulsstimulierter Raman-Streuung her, die den Hochfrequenzteil des Impulsspektrums in Richtung des Niederfrequenzteils transferiert. (Siehe beispielsweise F. M. Mitschke und L. F. Mollenauer, "Discovery of the soliton self-frequency shift", Opt. Lett., Vol. 11, 659 (1986); J. P. Gordon, "Theory of the soliton selffrequency shift", Opt. Lett., Vol. 11, 662 (1986).) Zwar hat die Soliton-Eigenfrequenzverschiebung einiges Interesse auf sich gezogen, doch die Verwendung herkömmlicher Fasern für das Erzeugen solcher Solitonen ist erheblichen Beschränkungen unterworfen. Beispielsweise ist der Abstimmbereich von Solitonen wegen der Anforderung einer anomalen Dispersion durch die Nulldispersionswellenlänge einer Faser beschränkt. Des Weiteren weisen herkömmliche Fasern eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion höherer Ordnung auf, was zu einem Abklingen des Solitons oder einem Impulsabbruch führt, wodurch der verfügbare Abstimmbereich für die Frequenzverschiebung von Solitonen drastisch eingeschränkt ist.
Die Erfindung ist hingegen in der Lage, stabile frequenzverschiebende Solitonen bereitzustellen, die über einen relativ breiten Bereich von Wellenlängen hinweg abstimmbar sind, beispielsweise 1,3 bis 1,65 μm, wie in Beispiel 1 dargestellt. Beispielsweise ermöglicht es die Erfindung, Soliton-Eigenfrequenzverschiebungen über diesen Bereich von 1,3 bis 1,65 μm hinweg zu erzeugen, mit Soliton-Impulsen von etwa 100 fs bei Eingangsimpulsenergien von etwa 1 bis etwa 3 nJ. Die Umwandlungseffizienz ist in der Regel größer als 60 %, optional größer als 80 %. Und anstatt eine relativ lange Länge, beispielsweise 50 m, herkömmlicher Faser zu verwenden, kommt die Erfindung mit weniger als 15 cm taillierter Region aus. Ein wesentlicher Faktor dabei ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren einen behandelten Faserabschnitt ermöglicht, der eine relativ flache (und starke) Dispersion bewirkt, was zur Erzeugung eines stabilen Solitons führt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in 2 gezeigt ist, ist eine mikrostrukturierte Faser 40 mit axial ausgerichteten Elementen bereitgestellt, beispielsweise mit einem germaniumdotierten Kern 42 und einer Ummantelungsregion, die zahlreiche kapillarische Luftlöcher enthält, beispielsweise 43, 44, 45 usw. Wie in 2 gezeigt, wird die ursprüngliche Faser dergestalt behandelt, dass die kapillarischen Luftlöcher, beispielsweise 43, 44, 45 (in der Regel – aber nicht unbedingt – alle), in dem behandelten Abschnitt 46 der Faser zusammenfallen, optional während der Außendurchmesser des behandelten Abschnitts 46 etwa der gleiche bleibt wie bei dem unbehandelten Abschnitt (beispielsweise misst der Außendurchmesser des behandelten Abschnitts wenigstens 90 % des Außendurchmessers der unbehandelten Faser). Gleichermaßen verbleibt der germaniumdotierte Kern 42 in der behandelten Region. (Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur die Luftlöcher 43, 44, 45 im Inneren der Faser 40 dargestellt.) Das Zusammenfallen wird im Allgemeinen durch Erwärmen des behandelten Abschnitts auf eine Temperatur herbeigeführt, die ein Zusammenfallen zur Folge hat, aber ansonsten die Faser im Wesentlichen unverändert lässt. (In dieser Ausführungsform kann das Zusammenfallen der Löcher optional mit etwas Strecken oder einer anderen Behandlung in einem Teil der behandelten Region oder in der gesamten behandelten Region kombiniert werden, um eine gewünschte Struktur bzw. gewünschte Eigenschaften zu erhalten.)
Dieses schrittweise Zusammenfallen, das festzustellen ist, wenn man die Faser entlang der Ausbreitungsrichtung verfolgt, ist in der Lage, eine Wellentypausweitung zu bewirken. Insbesondere wird Licht, das sich durch den unbehandelten Abschnitt der Faser hindurch ausbreitet, durch den germaniumdotierten Kern 42 geführt und durch die kapillarischen Luftlöcher 43, 44, 45 usw., d. h. durch das effektive Brechungsindexprofil, das durch die Luftlöcher geschaffen wird, eingegrenzt. Wenn die kapillarischen Luftlöcher 43, 44, 45 usw. adiabatisch zusammenfallen, so wird der Wellentyp des sich ausbreitenden Lichts weiterhin durch den germaniumdotierten Kern 42 geführt, aber er ist nun durch eine Ummantelung oder festes Siliciumdioxid eingegrenzt, was zu einer Ausweitung des Wellentyps des sich ausbreitenden Lichts führt.
Eine Vielzahl geeigneter Fasermikrostrukturen, einschließlich einer Vielzahl von Konfigurationen für die axial ausgerichteten Elemente, sind möglich und einschlägig bekannt. Kapillarische Luftlöcher mit einer Vielzahl von Formen und Konfigurationen sind im Allgemeinen nützlich. Axial ausgerichtete Elemente, die andere Materialien enthalten, sind ebenfalls möglich. Der Fachmann ist in der Lage, eine zweckmäßige Mikrostruktur – anhand der im vorliegenden Text gegebenen Richtlinien – auszuwählen.
Ein Beispiel für eine solche weitere Faser ist eine mikrostrukturierte Faser, in der die axial ausgerichteten Elemente periodisch dergestalt angeordnet sind, dass ein Bandlückeneffekt entsteht. Solche Fasern sind dem Fachmann als photonische Bandlückenfasern oder photonische Kristallfasern bekannt. (Siehe beispielsweise J. C. Knight und Mitarbeiter, "Photonic bandgap guidance in optical fiber", Science, Vol. 282, 1476 (1998).) Gemäß der Erfindung wäre es beispielsweise möglich, eine solche periodisch strukturierte Faser mit einer Verjüngung zu versehen, dergestalt, dass die Verjüngung die Beabstandung der axial ausgerichteten Elemente justiert und dadurch die Bandlückenfrequenz der Faser ändert. Weitere Modifikationen einer solchen periodisch strukturierten Faser sind ebenfalls möglich.
Eine andere mögliche mikrostrukturierte Faser, die gemäß der Erfindung behandelt werden kann, enthält Dotierungssubstanzen, beispielsweise Seltenerden, in einem Abschnitt der Faserlänge oder in der gesamten Faserlänge, um aktive Bauelemente herzustellen. Beispielsweise ist es möglich, eine behandelte Region zu dotieren, zum Beispiel mit einer Seltenerde wie beispielsweise Yb oder Pr, um Faserlaser mit gewünschten Wellenlängen herzustellen. Dotieren zum Verbessern von optischer Nichtlinearität ist ebenfalls möglich, Solche Nichtlinearitäten sind auch durch die Verwendung von Fasern möglich, die aus nichtlinearem Material hergestellt sind, wie beispielsweise Chalkogenid und andere Nicht-Siliciumdioxidmaterialien. Weitere erfindungsgemäße Verwendungen von dotierten oder Nicht-Siliciumdioxidfasern sind für den Fachmann erkennbar.
Eine Vielzahl von Modifikationen und Kombinationen aus Erwärmen und Strecken einer mikrostrukturierten Faser sind ebenfalls möglich. Beispielsweise ist es möglich, nur eine einzige Region zu verjüngen und/oder die Luftlöcher irgendwo in der verjüngten Region bzw. in den verjüngten Regionen oder irgendwo in der taillierten Region zusammenfallen zu lassen. Eine mögliche Kombination aus Verjüngen und Zusammenfallen verbessert die Einfachheit, mit der eine mikrostrukturierte Faser an eine standardmäßige Einmodenfaser angekoppelt werden kann. Beispielsweise ist es möglich, eine mikrostrukturierte (mit kapillarischen Luftlöchern versehene) Faser mit einem Außendurchmesser von etwa 200 μm zu nehmen, ein Ende auf einen kleineren Durchmesser zu strecken, um gewünschte Nichtlinearitäten herzustellen, und das entgegengesetzte Ende zu erwärmen, um die Luftlöcher zusammenfallen zu lassen (wobei gleichzeitig der Außendurchmesser ein wenig verringert wird). Das Ende mit den zusammengefallenen Löchern wird dadurch zu einem festen Material, das viel leichter gespleißt und an eine standardmäßige Übertragungsfaser angekoppelt werden kann. Und das gestreckte Ende ist in der Lage, die einzigartigen Eigenschaften bereitzustellen, die im vorliegenden Text besprochen werden. Es sind auch andere Technik-Kombinationen möglich. Es ist auch möglich, eine Faser während des Ziehens zu behandeln, wobei der Begriff "Behandeln" im Sinne des vorliegenden Textes auch Anpassungen, beispielsweise Erwärmen und/oder Dehnen, während des Ziehens umfasst.
Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel, das in keiner Weise als Einschränkung gedacht ist, weiter verdeutlicht.
Beispiel 1
Es wurde eine mikrostrukturierte Faser mit einem 8 um durchmessenden germaniumdotierten Siliciumdioxidkern, einer Innenummantelungsregion mit einem Durchmesser von etwa 40 μm und einem Außendurchmesser von 132 μm hergestellt, wobei ein Ring aus sechs kapillarischen Luftlöchern umfangsmäßig in der Ummantelungsregion angeordnet ist. In 3B sind die Größe und Konfiguration der ursprünglichen Faser dargestellt. Die Faser wurde folgendermaßen hergestellt: Um einen Ausgangs-Vorformling mit einem Germaniumkern wurden sechs Röhren herum gebündelt, woraufhin das Bündel mit einer Siliciumdioxidröhre übermantelt wurde, so dass die resultierende Baugruppe zu einem Vorformling konsolidiert wurde. Anschließend wurde aus dem Vorformling die Faser gezogen. Die Faser wurde in eine Faserstreckvorrichtung eingebracht, mit einer Flamme auf etwa 1.400–1.500 °C erwärmt (nahe dem Schmelzpunkt) und gestreckt. Die Faser wurde so gestreckt, dass eine taillierte Region mit einer mittigen, von den Luftlöchern umgebenen Siliciumdioxidregion von etwa 2,5 μm (wobei der Germaniumkern infolge des Streckens im Wesentlichen verschwand), einem Außendurchmesser von 10 μm und einer Länge von etwa 10 bis 20 cm entstand, wobei sich zwei etwa 0,60 cm lange Verjüngungen an jedem Ende der Taille befanden. (Die Gesamtfaserlänge ähnelte der in 1B gezeigten Länge.) Die Mikrostruktur der ursprünglichen Faser blieb in den Verjüngungen und über die taillierte Region hinweg beibehalten, d. h. die kapillarischen Luftlöcher fielen nicht zusammen. In 3A sind die Größe und Konfiguration der Faser in der taillierten Region dargestellt.
Die Adiabatik der Verjüngung wurde anhand der Strahlausbreitungsmethode untersucht (siehe B. J. Eggleton und Mitarbeiter, "Cladding-mode-resonance in air-silica microstructure optical fibers", Journal of Lightwave Technology, Vol. 18, 1084–1100 (2000)), die einen Lichtabschuss durch eine Faser durch Lösen von Maxwell-Gleichungen in kleinen Schritten entlang der Ausbreitungsrichtung untersucht. Bei der Faser mit einem Außendurchmesser von 132 μm, die über eine Länge von 0,60 cm auf eine Faser mit einem Außendurchmesser von 10 μm verjüngt wurde, wurde die Adiabazität der Verjüngung bestätigt.
Des Weiteren wurde der Effekt der Abnahme der Wellentypgröße von der ursprünglichen mikrostrukturierten Faser auf dem Weg zu der taillierten Region anhand der Strahlausbreitungsmethode untersucht. 4A zeigt die Dispersion in Abhängigkeit vom Durchmesser der Verjüngung, und 4B zeigt die Intensität in Abhängigkeit vom Durchmesser der Verjüngung. Die Dispersion ähnelt zunächst der einer Standardfaser, aber in dem Maße, wie der Wellentyp in den Luftlöchern eingegrenzt wird, wird die Wellenleiterdispersion ausgeprägter. Was die Intensität anbelangt, wird die Abnahme des wellentypdurchmessers (von 10 μm auf <3 μm) von einer etwa 16-fachen Zunahme der Intensität begleitet, weil die Verjüngung einen relativ geringen Verlust aufweist.
Die Tatsache, dass das sich in dieser Verjüngung ausbreitende Licht innerhalb der kapillarischen Luftlöcher eingegrenzt wurde, wurde dadurch bestätigt, dass man die Verjüngung (und die Taille) mit einem indexgleichen Fluid umgab und den Leistungsverlust im System maß. Der Leistungsverlust infolge der Verjüngung und der Taille betrug weniger als 0,15 dB.
Es wurden nichtlineare Effekte der Faserlänge untersucht. Laserimpulse von 1,3 μm, die von einem im Femtosekundenbereich arbeitenden Ti-Saphir-gepumpten optischen parametrischen Oszillator erzeugt wurden, wurden im freien Raum in den unbehandelten Abschnitt der Faser hineingekoppelt und durch die Verjüngung hindurch in die Taille hinein ausgebreitet. Die Ausgabespektren von der Taille, die bei unterschiedlichen auftretenden Spitzenleistungen gemessen wurden, sind in 5 dargestellt. Wie zu erkennen ist, wurden über das Kommunikationsfenster von 1,3 μm bis 1,65 μm hinweg abstimmbare eigenfrequenzverschiebende Solitonen erzeugt. Insbesondere wurde das Licht, während es sich durch die Faserlänge hindurch ausbreitete, infolge der Intra-Impuls-Raman-Streuung, welche die Energie des Hochfrequenzteils des Impulsspektrums zum Niederfrequenzteil transferiert, kontinuierlich in Richtung des roten Bereichs verschoben. Es wurde festgestellt, dass 80 bis 90 % der Eingangsleistung eigenfrequenzverschoben wurden.
Da die behandelte Faserlänge eine über einen weiten Bereich abgeflachte Dispersionskurve aufwies, ist zu erkennen, dass die Soliton-Wellenlänge über einen breiten Spektralbereich hinweg durch Justieren der Eingangsleistung abgestimmt werden kann und außerdem gegen Instabilität bei hohen Spitzenintensitäten resistent ist. Des Weiteren wies die behandelte Faserlänge eine Solitoneffektimpulskompression auf: Impulse von 400 fs bei 1,55 μm wurden effizient um das Fünffache auf 80 fs komprimiert, wie in 5 dargestellt.
Dem Fachmann fallen anhand der Spezifikation und der im vorliegenden Text offenbarten Praxis der Erfindung noch weitere Ausführungsformen der Erfindung ein.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines sich verjüngenden faseroptischen Artikels, mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer mikrostrukturierten optischen Faser, umfassend eine Kernregion aus dotiertem Glas (12) und eine Ummantelungsregion (14) aus Glas, das den Kern peripher umgibt und eine Mikrostruktur aus einem oder mehreren axial ausgerichteten Elementen, die aus kapillarischen Luftlöchern (16) bestehen und sich in der Ummantelungsregion befinden, umfasst und Behandeln eines Abschnitts der Faser mittels Erwärmen und optionalem Strecken, wobei die Behandlung dergestalt erfolgt, dass Licht, das sich durch den behandelten Abschnitt der Faser hindurch ausbreitet, durch die kapillarischen Luftlöcher oder durch die behandelte Ummantelungsregion eingegrenzt wird, und wobei wenigstens ein Merkmal der Mikrostruktur der Faser entlang der Ausbreitungsrichtung modifiziert ist, und wobei Licht, das sich durch den unbehandelten Abschnitt der Faser hindurch ausbreitet, mittels der dotierten Kernregion geleitet wird und die axial ausgerichteten Elemente im Wesentlichen keine Rolle für das Wellenleiten in den unbehandelten Regionen spielen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem wenigstens einen Merkmal entweder um den Außendurchmesser der Faser oder um den Querschnitt der axial ausgerichteten Elemente handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei den axial ausgerichteten Elementen um kapillarische Luftlöcher handelt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die kapillarischen Luftlöcher umfangsmäßig um die Kernregion herum angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Behandlungsschritt Strecken umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Strecken in dem behandelten Abschnitt die Herausbildung wenigstens einer sich verjüngenden Region und einer taillierten Region zum Ergebnis hat, wobei die wenigstens eine sich verjüngende Region von einem unbehandelten Abschnitt der Faser zur taillierten Region führt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Mikrostruktur der Faser in der wenigstens einen sich verjüngenden Region beibehalten bleibt und wobei die Mikrostruktur der Faser und der wenigstens einen sich verjüngenden Region in wenigstens einem Abschnitt der taillierten Region beibehalten bleibt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei Licht, das sich durch die Faser in wenigstens einem Teil der wenigstens einen sich verjüngenden Region und in der taillierten Region hindurch ausbreitet, durch das eine oder die mehreren axial ausgerichteten Elemente eingegrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die wenigstens eine sich verjüngende Region sich adiabatisch verjüngt, dergestalt, dass eine Grundwelle, die sich durch die nicht gestreckte Faser hindurch ausbreitet, sich zu einer Grundwelle im Inneren der taillierten Region entwickelt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Mikrostruktur der Faser durch die gesamte taillierte Region hindurch beibehalten bleibt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die sich verjüngende Region eine mindestens z-fache Verringerung des Durchmessers einer inneren Ummantelungsregion von der unbehandelten Faser zu der taillierten Region aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die axial ausgerichteten Elemente in der Ummantelungsregion periodisch voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die periodisch voneinander beabstandeten axial ausgerichteten Elemente einen photonischen Bandlückeneffekt bewirken.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Behandlungsschritt zu einem teilweisen oder vollständigen Zusammenfallen eines oder mehrerer der kapillarischen Luftlöcher in wenigstens einem Teil des behandelten Abschnitts führt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Behandlungsschritt zu einem vollständigen Zusammenfallen eines oder mehrerer der kapillarischen Luftlöcher in wenigstens einem Teil des behandelten Abschnitts führt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei alle kapillarischen Luftlöcher in wenigstens einem Teil des behandelten Abschnitts teilweise oder vollständig zum Zusammenfallen gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Zusammenfallen durch Wärme und ohne Strecken hervorgerufen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Außendurchmesser der behandelten Faser wenigstens 90% des Außendurchmessers der unbehandelten Faser misst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei Licht, das sich von dem unbehandelten Abschnitt der Faser zu dem behandelten Abschnitt ausbreitet, einer Wellentypausweitung unterliegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die resultierende mikrostrukturierte Faser einen germaniumdotierten Kern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die resultierende mikrostrukturierte Faser einen germaniumdotierten Kern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der behandelte Abschnitt der Faser eine oder mehrere Dotierungssubstanzen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Faser ein oder mehrere Materialien umfasst, welche optische Nichtlinearität in der Faserlänge induzieren oder verbessern.
System, umfassend einen sich verjüngenden faseroptischen Artikel mit: einem Streckenabschnitt aus einer mikrostrukturierten optischen Faser, umfassend eine Kernregion aus dotiertem Glas (12) und eine Ummantelungsregion (14) aus Glas, welche den Kern peripher umgibt und eine Mikrostruktur aus einem oder mehreren axial ausgerichteten Elementen (16), die aus kapillarischen Luftlöchern (16) bestehen und sich in der Ummantelungsregion befinden, umfasst, wobei der Streckenabschnitt aus einer mikrostrukturierten optischen Faser neben einem oder mehreren behandelten Abschnitten (24) wenigstens einen unbehandelten Abschnitt (20) umfasst; und dem behandelten Abschnitt, der so behandelt ist, dass Licht, das sich durch den behandelten Abschnitt der Faser hindurch ausbreitet, durch die kapillarischen Luftlöcher oder durch die behandelte Ummantelungsregion eingegrenzt wird, und der wenigstens eine sich verjüngende Region (22) umfasst, die von dem unbehandelten Abschnitt der mikrostrukturierten optischen Faser in eine taillierte Region (24) hineinführt, in welcher die Mikrostruktur der Faser in wenigstens einem Teil der wenigstens einen sich verjüngenden Region (22) beibehalten bleibt; und einer zusammengefallenen Region, in der wenigstens einige des einen oder der mehreren axial orientierten Elemente teilweise oder vollständig zusammengefallen sind, und wobei Licht, das sich durch den unbehandelten Abschnitt der Faser hindurch ausbreitet, mittels der dotierten Kernregion geleitet wird, und wobei die axial ausgerichteten Elemente im Wesentlichen keine Rolle für das Wellenleiten in den unbehandelten Regionen spielen.
System nach Anspruch 24, wobei wenigstens einer der behandelten Abschnitte die wenigstens eine sich verjüngende Region umfasst und wobei die wenigstens eine sich verjüngende Region sich adiabatisch verjüngt, dergestalt, dass eine Grundwelle, die sich durch die mikrostrukturierte optische Faser außerhalb der taillierten Region hindurch ausbreitet, sich zu einer Grundwelle in der Faser im Inneren der taillierten Region entwickelt.
System nach Anspruch 24, wobei die Mikrostruktur der Faser in der gesamten sich verjüngenden Region beibehalten bleibt und wobei die Mikrostruktur der Faser und der sich verjüngenden Region in wenigstens einem Abschnitt der taillierten Region beibehalten bleibt.
System nach Anspruch 26, wobei Licht, das sich durch die Faser in der wenigstens einen sich verjüngenden Region und im Inneren der taillierten Region hindurch ausbreitet, durch das eine oder die mehreren axial ausgerichteten Elemente eingegrenzt wird.
System nach Anspruch 26, wobei die Mikrostruktur der Faser durch die gesamte taillierte Region hindurch beibehalten bleibt.
System nach Anspruch 24, wobei wenigstens einer der behandelten Abschnitte die wenigstens eine sich verjüngende Region umfasst und wobei die wenigstens eine sich verjüngende Region eine mindestens 2-fache Verringerung des Durchmessers einer inneren Ummantelungsregion von der unbehandelten Faser zu der taillierten Region aufweist.
System nach Anspruch 24, wobei wenigstens einer der behandelten Abschnitte die wenigstens eine sich verjüngende Region umfasst und wobei Licht, das sich von der unbehandelten Faser durch eine der wenigstens einen sich verjüngenden Region und in die taillierte Region hinein ausbreitet, einer Wellentypkontraktion unterliegt.
System nach Anspruch 24, wobei wenigstens einer der behandelten Abschnitte die zusammengefallene Region umfasst und wobei alle axial orientierten Elemente in wenigstens einem Teil des behandelten Abschnitts teilweise oder vollständig zusammengefallen sind.
System nach Anspruch 24, wobei wenigstens einer der behandelten Abschnitte die zusammengefallene Region umfasst und wobei wenigstens einige der axial orientierten Elemente in wenigstens einem Teil des behandelten Abschnitts vollständig zusammengefallen sind.
System nach Anspruch 24, wobei wenigstens einer der behandelten Abschnitte die zusammengefallene Region umfasst und wobei der Außendurchmesser des behandelten Abschnitts der Faser wenigstens 90% des Außendurchmessers des unbehandelten Abschnitts der Faser misst.
System nach Anspruch 24, wobei wenigstens einer der behandelten Abschnitte die zusammengefallene Region umfasst und wobei Licht, das sich von dem unbehandelten Abschnitt der Faser zu dem behandelten Abschnitt ausbreitet, einer Wellentypausweitung unterliegt.
System nach Anspruch 24, wobei die mikrostrukturierte: Faser einen germaniumdotierten Kern umfasst.
System nach Anspruch 24, wobei die axial ausgerichteten Elemente in der Ummantelungsregion periodisch voneinander beabstandet sind.
System nach Anspruch 36, wobei die periodisch voneinander beabstandeten axial ausgerichteten Elemente einen photonischen Bandlückeneffekt bewirken.
System nach Anspruch 24, wobei der behandelte Abschnitt der Faser eine oder mehrere Dotierungssubstanzen umfasst.
System nach Anspruch 24, wobei die Faser ein oder mehrere Materialien umfasst, welche optische Nichtlinearität in dem System induzieren oder verbessern.