DE60132724T2

DE60132724T2 - Lichtleitfaser

Info

Publication number: DE60132724T2
Application number: DE2001632724
Authority: DE
Inventors: Takemi Yokohama-shi Hasegawa; Eisuke Yokohama-shi Sasaoka; Masayuki Yokohama-shi Nishimura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: DE60132724D1; JP2001235649A; EP1128195A2; EP1128195A3; EP1128195B1; DK1128195T3

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtleiffaser, die auf geeignete Weise als ein optischer Übertragungsweg und als ein Dispersionskompensator verwendet werden kann. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung eine Lichtleiffaser des Typs, der Mikrostrukturen enthält und aus einem Kern und einem Mantel, der den Kern umgibt, besteht und die in dem Oberbegriff von Anspruch 1 dargelegten Merkmale umfasst. Eine solche Lichtleiffaser wird beschrieben in dem Dokument „Distribution of Spontaneous Emission from an Er³⁺ Doped Photonic Crystal Fiber von R. F. Cregan et al. im Journal of Lightwave Technology, IEEE, New York, Bd. 17, Nr. 11, November 1999.
Beschreibung der verwandten Technik
10 ist eine als Querschnitt ausgeführte Ansicht einer Mikrostrukturen enthaltenden Lichtleitfaser, die herkömmlicherweise bekannt ist. Wie in 10 gezeigt wird, weist diese Lichtleiffaser eine Querschnittsstruktur auf, die eine große Anzahl von Hohlräumen (unbesetzte Löcher) 62 in einem aus Kieselglas 61 hergestellten Material aufweist. Ein zentraler Abschnitt in dem Querschnitt ohne Hohlräume 62 bildet einen Kernbereich 63 und ein Abschnitt, der den Kernbereich 63 umgibt und eine große Anzahl der Hohlräume 62 enthält, bildet einen Mantelbereich 64.
Bei der vorgenannten Er³ ⁺-dotierten Photonen-Kristallfaser weist die Silika-Photonen-Kristallfaser ein zweidimensionales dreieckiges Gitter aus Luftlöchern auf, die entlang ihrer Länge verlaufen, wobei der Führungskern erzeugt wird, indem das mittige Luftloch durch festes Silika ersetzt wird. Ein kleiner Bereich in der Mitte des festen Führungskerns war mit Er³⁺ dotiert und der Mantel war mit Fluor dotiert.
Das Prinzip optischen Einschlusses der Lichtleitfaser, die solche Mikrostrukturen enthält, wird unter qualitativer Verwendung eines als effektive Brechungsindizes bezeichneten Konzeptes erklärt (zum Beispiel T. A. Birks et al., Optics Letters, Bd. 22, S. 961 (1997)). Auf Grund des Vorhandenseins der Mikrostrukturen sollte der Brechungsindex in einem strengen Sinn eine komplizierte Verteilung in dem Kernbereich 63 und dem Mantelbereich 64 zeigen. Unter der Annahme, dass die Lichtwellenleiteigenschaften genähert werden können, indem jeder Bereich durch ein homogenes Medium ersetzt wird, wird jedoch der Brechungsindex dieses einheitlichen Mediums als der effektive Brechungsindex bezeichnet. Die effektive Brechungsindizes n_eff erfüllen eine folgende Gleichung.
wobei n der Brechungsindex ist und f der Volumenanteil ist. Des Weiteren stellt ein Suffix 1 stellt Kieselglas dar und ein Suffix 2 stellt Luft dar. in Bezug auf den Volumenanteil gilt f₁ + f₂ = 1. Normalerweise werden, da n₁ > n₂, die beiden Seitenglieder in der Gleichung (1) entsprechend dem Anstieg von f₂ kleiner. Folglich wird der effektive Brechungsindex des Mantelbereiches 64, der eine große Anzahl von Hohlräumen 62 enthält, kleiner als der effektive Brechungsindex des Kernbereiches 63, so dass der Lichteinschluss auf dieselbe Weise verwirklicht wird wie bei der üblichen Lichtleitfaser.
Ein solches Modell der effektiven Brechungsindizes wird für einen Fall, dass die Lichtwellenlänge im Vergleich zu dem Ausmaß der Mikrostruktur lang ist, als angemessen erachtet. Wenn jedoch die Lichtwellenlänge kürzer wird, wird das Licht örtlich auf Abschnitte mit dem hohen Brechungsindex konzentriert und daher wird, auch wenn gleichzeitig die effektiven Brechungsindizes erhöht sind, in Betracht gezogen, dass die Annahme, nach der die Struktur mit der Brechungsindexverteilung durch die einheitlichen Medien ersetzt werden kann, die Gültigkeit verliert.
Andererseits wird eine Lichtleitfaser mit einer stärkeren negativen Dispersion als die einer solchen Lichtleitfaser zum Beispiel in dem US-Patent 5.802.236 offengelegt. Auch wenn diese Lichtleitfaser die vorgenannten Mikrostrukturen aufweist, ist die Lichtleitfaser dadurch gekennzeichnet, dass ein Mantelbereich durch einen inneren Mantelbereich und einen äußeren Mantelbereich gebildet wird und der innere Mantelbereich den effek tiven Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der effektive Brechungsindex des äußeren Mantelbereiches.
Ein Verfahren zum Herstellen von Lichtleitfasern mit den vorgenannten Mikrostrukturen wird zum Beispiel in Optics Letters, Bd. 21, S. 1547–1549 (1996) offengelegt. Das heißt, dass ein Silikarohr so geschliffen wird, dass ein Außendurchmesser eine sechseckige Säule wird, und dann wird die Faser gezogen, um ein Silika-Kapillarrohr herzustellen, und die Silika-Kapillarrohre werden in einer sechseckigen Gitteranordnung gebündelt, um ein Rohrbündel zu bilden. Hier wird das in der Mitte des Bündels angeordnete Kapillarrohr durch eine Silikastange ohne Hohlräume ersetzt, um einen Kern zu bilden. Eine Lichtleitfaser mit Mikrostrukturen wird durch Ziehen eines solchen Rohrbündels erzielt.
Hier ist bekannt, dass zum Zeitpunkt des Ziehens einer Lichtleitfaser mit solchen Mikrostrukturen der relative Hohlraumdurchmesser, d. h. der Hohlraumdurchmesser relativ zu der Faserabmessung, auf Grund des Einflusses der Oberflächenspannung schrumpft. Zur Bewältigung dieses Phänomens wird in dem vorgenannten US-Patent 5.802.236 ein Verfahren offengelegt, bei dem ein Ende der Hohlräume, die sich entlang seiner Achse erstrecken, versiegelt wird und die Faser von dem anderen Ende davon gezogen wird, um den Innendruck der Hohlräume zu erhöhen.
Des Weiteren wird in den vorgenannten Optics Letters eine Technik zum Steuern des relativen Hohlraumdurchmessers durch Steuern der Temperatur eines Ofens zum Zeitpunkt des Faserziehens offengelegt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lichtleitfaser mit Mikrostrukturen wird mit verschiedenen Eigenschaften, wie einem großen effektiven Kernbereich, einem niedrigen Biegeverlust oder Ähnlichem, in Reaktion auf die Verteilung der Mikrostrukturen in dem Kernbereich oder dem Mantelbereich bereitgestellt. Zur Bestimmung der Eigenschaften der Lichtleitfaser in Reaktion auf die Mikrostrukturenverteilung ist es erforderlich, dass die mittlere Brechungsindexverteilung im Querschnitt wie gewünscht bestimmt werden kann. Des Weiteren ist es zum Erzielen der Eigenschaften, wie zum Beispiel große Dispersion oder Ähnliches, erforderlich, den Bereich des Wertes des mittleren Brechungsindex, der verwirklicht werden kann, zu erweitern. Nach dem Stand der Technik gibt es jedoch die folgenden Probleme.
Zur Verwirklichung der mittleren Brechungsindexverteilung durch Steuerung des Hohlraumdurchmessers ist es erforderlich, eine Struktur zu bilden, bei der eine Vielzahl von Hohlräumen mit unterschiedlichen Durchmessern in demselben Querschnitt einer Faser vorhanden sind. Unabhängig davon, welches Verfahren aus einem Verfahren zum Versiegeln eines Endes von Hohlräumen und einem Verfahren zum Steuern einer Ofentemperatur in Bezug auf eine Vielzahl von Hohlräumen mit unterschiedlichen Durchmessern ausgewählt wird, ist es jedoch schwierig, den Zustand zu verwirklichen, dass die Durchmesser jeweiliger Hohlräume gewünschte Werte aufweisen. Dies kommt daher, weil sich der relative Hohlraumdurchmesser während des Faserziehens ändert und der Betrag der Änderung zusätzlich zu den Faserziehbedingungen von dem Anfangswert des relativen Hohlraumdurchmessers abhängt. Zum Beispiel erhöht sich die Oberflächenspannung, die den Durchmesser der Hohlräume verringert, entsprechend der Verringerung des Hohlraumdurchmessers. Bei einem solchen herkömmlichen Verfahren ist es erforderlich, die Verteilung des Hohlraumdurchmessers im Querschnitt des Vorformlings so zu konstruieren, dass die Verteilung des Hohlraumdurchmessers im Querschnitt der Faser nach dem Faserziehen eine vorgegebene Verteilung wird. Eine solche Konstruktion erfordert die Kenntnis der Abhängigkeit des Änderungsbetrages des relativen Hohlraumdurchmesser von seinem Anfangswert und den Faserziehbedingungen. Folglich ist das Verfahren extrem zeitaufwändig und mühsam.
Auch wenn der mittlere Brechungsindex des Bereiches, der eine Mikrostruktur enthält, eine Funktion des Verhältnisses zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser des Silika-Kapillarrohres ist, das die Mikrostruktur bildet, ist es des Weiteren schwierig, ein Silika-Kapillarrohr herzustellen, das ein extrem großes oder kleines Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser aufweist. Folglich ist außerdem der Bereich des Wertes des mittleren Brechungsindex, der verwirklicht werden kann, begrenzt. Wenn das Verhältnis des Innendurchmessers zu dem Außendurchmesser des Silika-Kapillarrohres groß ist, wird die Festigkeit des Kapillarrohres herabgesetzt, und folglich ist es schwierig, Hohlräume ohne Erzeugung von Rissen zu bilden. Des Weiteren wird, wenn das Verhältnis des Innendurchmessers zu dem Außendurchmesser klein ist, ein feines Bohrinstrument erforderlich und dies lässt die Herstellungskosten steigen.
Des Weiteren ist es unter Steuerung des Hohlraumdurchmessers erforderlich, eine Vielzahl von Bohrinstrumenten herzustellen, die mehreren Arten von Hohlraumdurchmessern entsprechen, und dies wird ein Grund für den Anstieg der Herstellungskosten.
Des Weiteren besteht bei Durchführung des Schmelzspleißens der Lichtleiffaser, die Mikrostrukturen aufweist, mit einer anderen Lichtleiffaser eine Möglichkeit, dass in der Nähe einer Endfläche der Lichtleiffaser das Material, das die Faser bildet, verschmolzen wird und folglich Hohlräume zusammengedrückt werden. Da der Unterschied bei dem effektiven Brechungsindex zwischen dem Kernbereich und dem Mantelbereich an Abschnitten, in denen die Hohlräume zusammengedrückt werden, abnimmt und folglich der Lichteinschluss in dem Kernbereich geschwächt wird und das Licht zu der Außenseite des Kernbereiches austritt, wird der Schmelzspleißverlust merklich erhöht.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorgenannten Umstände gemacht, um eine Lichtleiffaser bereitzustellen, die die Herstellung von Lichtleiffasern und das Spleißen mit anderen Fasern erleichtern kann und einen breiten Bereich mittleren Brechungsindexes verfügbar machen kann.
Die vorliegende Erfindung erfüllt die vorgenannten Aufgaben durch eine Lichtleiffaser, die die in Anspruch 1 dargelegten Merkmale umfasst.
Die Lichtleiffaser nach der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Kern und einem Mantel, der den Kern umgibt, und eine Vielzahl von Mikrostrukturen, die durch Teilmedien gebildet werden, die Brechungsindizes haben, die sich von den Brechungsindizes der Hauptmedien, die den Kern und den Mantel bilden, unterscheiden, sind im Querschnitt angeordnet, wobei dies dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens einer der Brechungsindizes der Hauptmedien und der Teilmedien in einer radialen Richtung geändert wird.
Das Hauptmedium ist aus einem Material hergestellt, das die Lichtleitfaser allein bilden kann, wie zum Beispiel Kieselglas, und das Teilmedium ist aus einem Material, wie zum Beispiel Gas oder Flüssigkeit, hergestellt, das die Lichtleitfaser nicht allein bilden kann.
Bei der Lichtleitfaser mit solchen Strukturen wird es möglich, den mittleren Brechungsindex des Bereiches so einzustellen, dass mit der Verwendung eines Materials mit einem hohen Brechungsindex als das Hauptmedium oder das Teilmedium der mittlere Brechungsindex des Bereiches erhöht werden kann, während mit der Verwendung von Material mit einem niedrigen Brechungsindex als das Hauptmedium oder das Teilmedium der mittlere Brechungsindex des Bereiches gesenkt werden kann. Bei der Lichtleitfaser nach der vorliegenden Erfindung kann durch eine korrekte Konstruktion der Brechungsindizes der Hauptmedien und der Teilmedien die mittlere Brechungsindexverteilung im Querschnitt der Lichtleitfaser gebildet werden, ohne die Flächen der Teilmedien pro Querschnittsflächeneinheit einzustellen.
Während die Formen der Teilmedienbereiche beim Faserziehen möglicher ungewollter Änderung unterliegen, ändern sich die Brechungsindizes der Materialien kaum. Folglich wird es durch Übernehmen der Struktur der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik einfach, eine gewünschte mittlere Brechungsindexverteilung im Querschnitt der gezogenen Lichtleitfaser zu verwirklichen. Des Weiteren müssen nach dem Stand der Technik, bei dem die Hohlraumdurchmesser gesteuert werden, zum Erhöhen des Brechungsindex die Hohlraumdurchmesser verringert werden. Da jedoch im Hinblick auf die Verarbeitungstechnik eine Grenze in Bezug auf das Verringern der Hohlraumdurchmesser besteht, war der Bereich des mittleren Brechungsindex, der verwirklicht werden kann, bisher eng. Andererseits kann nach der vorliegenden Erfindung der mittlere Brechungsindex verringert werden, indem wenigstens einer von Material-Brechungsindizes der Hauptmedien und der Teilmedien verringert wird, und der mittlere Brechungsindex kann erhöht werden, indem dieser Material-Brechungsindex erhöht wird, wodurch der Bereich des mittleren Brechungsindex, der verwirklicht werden kann, erweitert werden kann.
Des Weiteren kann durch korrektes Ausbilden der Verteilung von Brechungsindizes der Hauptmedien und der Teilmedien in der radialen Richtung selbst dann, wenn die Hohlräume zum Zeitpunkt eines Fusionsspleißens auf Grund des Verschmelzens des Mate rials in der Nähe einer Endfläche der Lichtleiffaser zusammengedrückt werden, die Lichtleiffaser die Lichtwellenleiteigenschaften beibehalten. Im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Brechungsindizes des Hauptmediums und des Teilmediums in der radialen Richtung einheitlich sind, wie bei dem Stand der Technik, wird es folglich möglich, den Fusionsspleißverlust so zu verringern, dass der Spleißvorgang erleichtert wird.
Es ist zu bevorzugen, dass der Brechungsindex des Hauptmediums, das den Mantelbereich bildet, in der radialen Richtung geändert wird. Des Weiteren ist zu bevorzugen, dass die Querschnittsflächen der Teilmedienbereiche in demselben transversalen Querschnitt im Wesentlichen einheitlich sind. Auf Grund einer solchen Struktur wird es möglich, den mittleren Brechungsindex zu ändern, indem Kapillarrohre verwendet werden, die das gleiche Verhältnis eines Innendurchmessers und eines Außendurchmessers sowie unterschiedliche Glas-Brechungsindizes aufweisen, statt den mittleren Brechungsindex durch Ändern des Verhältnisses zwischen einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser der Silika-Kapillarrohre zu ändern, und folglich kann die Anforderung in Bezug auf die Anzahl der Arten von Bohrinstrumenten gelockert werden und die Herstellungskosten können verringert werden.
Es ist zu bevorzugen, dass die Anordnung von Teilmedienbereichen im Wesentlichen äquivalent zu einem sechseckigen Gitter oder einem quadratischen Gitter ist. Dies kommt daher, weil die Herstellung der Lichtleiffaser mit einer solchen Struktur auf Grund dieser Anordnung erleichtert wird und weil im Besonderen in Bezug auf das quadratische Gitter die mittlere Brechungsindexverteilung leicht so eingestellt werden kann, dass die mittlere Brechungsindexverteilung im Querschnitt um die Drehung von 90° herum im Wesentlichen symmetrisch wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht, die einen mittigen Teil eines Querschnitts eines Basismodus einer Lichtleiffaser nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine als Querschnitt ausgeführte Ansicht, die eine Zelleneinheit der Lichtleitfaser zeigt;
3 bis 7 sind Ansichten, die jeweils Vergleiche berechneter Ergebnisse der Wellenleiterdispersionen und der effektiven Kernbereiche in Bezug auf die Beispiele 1 bis 7 und ein Vergleichsbeispiel zeigen, wobei 3 den Vergleich zwischen dem Vergleichsbeispiel und dem Beispiel 1 zeigt; 4 den Vergleich zwischen dem Vergleichsbeispiel und dem Beispiel 2 zeigt; 5 den Vergleich zwischen dem Vergleichsbeispiel und dem Beispiel 3 zeigt; 6 den Vergleich zwischen dem Beispiel 2 und dem Beispiel 4 zeigt; und 7 den Vergleich zwischen dem Beispiel 5 und dem Beispiel 6 zeigt;
8 ist eine als Querschnitt ausgeführte Ansicht, die die Struktur einer Zelleneinheit einer anderen Ausführung der Lichtleitfaser der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist ein mittiger Teil einer als Querschnitt ausgeführten Ansicht, die einen Modus einer Lichtleitfaser zeigt, in der diese Zelleneinheiten angeordnet sind; und
10 ist eine als Querschnitt ausgeführte Ansicht einer herkömmlicherweise bekannten Lichtleitfaser mit Mikrostrukturen.
Beschreibung bevorzugter Ausführungen
Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden hierin im Folgenden in Verbindung mit beigefügten Zeichnungen erklärt. Zum Erleichtern des Verständnisses der Erklärung bezeichnen dieselben Bezugszeichen über alle Zeichnungen hinweg dieselben Teile, wo dies möglich ist, und eine wiederholte Erklärung wird weggelassen. Des Weiteren stimmt das Größenverhältnis jeweiliger Zeichnungen nicht notwendigerweise mit dem Größenverhältnis der Erklärung der bevorzugten Ausführungen der Erfindung überein.
1 ist eine als Querschnitt ausgeführte transversale Ansicht, die eine Basiskonfiguration einer Lichtleitfaser 10 nach der vorliegenden Erfindung zeigt, und 2 ist eine Ansicht, die eine Zelleneinheit 11 der Lichtleitfaser 10 zeigt. Bei dieser Lichtleitfaser 10 ist der Querschnitt durch eine in 1 gezeigte gepunktete Linie unterteilt in einen ersten Bereich 1, einen zweiten Bereich 2, der den ersten Bereich 1 umgibt, einen dritten Bereich 3, der den zweiten Bereich 2 umgibt, und einen vierten Bereich 4, der den dritten Bereich 3 umgibt. Auch wenn jeweilige Bereiche aus Kieselglas 5, das ein Hauptmedium bildet, und einer Vielzahl von Hohlräumen 6, die ein Teilmedium bilden, hergestellt sind, ist der Brechungsindex des Kieselglases 5 in jeweiligen Bereichen nicht notwendigerweise gleich. Der Brechungsindex des Kieselglases 5 ist in dem ersten Bereich 1 auf n₁, in dem zweiten Bereich 2 auf n₂, in dem dritten Bereich 3 auf n₃ und in dem vierten Bereich 4 auf n₄ eingestellt.
Die Hohlräume 6 weisen ungefähr kreisförmige Form auf und ihre Durchmesser d sind alle auf den gleichen Wert d = 0,4 L eingestellt, wobei L ein Abstand (Teilung) zwischen benachbarten Hohlräumen ist. Wie in 1 gezeigt wird, sind diese Hohlräume 6 an Gitterpunkten sechseckiger Gitter angeordnet. Auch wenn in dem in 1 gezeigten Zustand keine Hohlräume 6 in dem ersten Bereich 1 vorhanden sind, kann es möglich sein, einen Modus zu übernehmen, bei dem die Hohlräume 6 in dem ersten Bereich 1 vorhanden sind. Des Weiteren sind hier der Durchmesser der Hohlräume 6 und die Dichte der Hohlräume 6 (die Anzahl der Hohlräume 6 pro Querschnittsflächeneinheit) im Querschnitt einheitlich. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und es kann möglich sein, eine Struktur, die Hohlräume 6 mit unterschiedlichen Durchmessern auf geeignete Weise anordnet, oder eine Struktur, die die Dichte der Hohlräume in jeweiligen Bereichen auf geeignete Weise ändert, zu übernehmen.
In der Erklärung, die hierin im Folgenden besprochen wird, wird ein Konzept, das als „mittlerer Brechungsindex" bezeichnet wird, als ein Brechungsindex jedes Bereiches verwendet. Da der effektive Brechungsindex unter Verwendung einer Näherung definiert wird, ist die Definition mehrdeutig und ist folglich nicht für die Beschreibung der Strukturen geeignet. Folglich wird dieser effektive Brechungsindex nicht verwendet. Die Mikrostrukturen sind ein Satz einer Vielzahl von Mediumbereichen und es wird angenommen, dass das Innere jedes Mediumbereiches aus einem homogenen Medium hergestellt ist. Der mittlere Brechungsindex n_avg wird unter der Voraussetzung, dass die Mikrostrukturen aus M Arten von Medien hergestellt sind, durch eine folgende Gleichung definiert.
Das heißt, dass der mittlere Brechungsindex der gewichtete quadratische Mittelwert der Brechungsindizes jeweiliger Medien ist. Wobei n_i der Brechungsindex des i-ten Mediums ist und f_i sein Volumenanteil ist und es gilt eine folgende Gleichung.
Auf Grund dieser Gleichung wird der mittlere Brechungsindex jedes Bereiches eindeutig bestimmt.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Bildung der mittleren Brechungsindexverteilung im Querschnitt der Lichtleiffaser außerdem durch die Steuerung des Brechungsindex des Materials zusätzlich zu der Steuerung des Durchmessers der Hohlräume 6 verwirklicht werden kann. Zum Beispiel wird bei der Lichtleiffaser mit Mikrostrukturen, die durch das Kieselglas 5 und die Hohlräume 6 gebildet wird, der Brechungsindex von Kieselglas, das das Hauptmedium bildet, erhöht, indem das Kieselglas 5, das eine Zelleneinheit 11 bildet, in einem Teilbereich der Lichtleiffaser so durch Kieselglas 5, das mit GeO₂ dotiert ist, ersetzt wird, dass der mittlere Brechungsindex des Bereiches erhöht werden kann.
Somit kann, wenn der Brechungsindex des Kieselglases 5 erhöht wird, der mittlere Brechungsindex der Zelleneinheit 11 erhöht werden, während der mittlere Brechungsindex der Zelleneinheit 11 gesenkt werden kann, wenn der Brechungsindex des Kieselglases 5 gesenkt wird. Andererseits kann der mittlere Brechungsindex der Zelleneinheit 11 eingestellt werden, indem der Brechungsindex von Kieselglas 5 in jeder Zelleneinheit 11 gleich eingestellt wird und Teilmedien, die unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, in die Hohlräume 6 gefüllt werden. Des Weiteren kann es möglich sein, sie zu kombinieren.
Im Allgemeinen ändert sich beim Faserziehen, auch wenn die Form des Materials möglichen Änderungen unterliegt, der Brechungsindex des Materials kaum. Folglich wird es bei der Lichtleiffaser der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik einfach, eine gewünschte mittlere Brechungsindexverteilung in dem Querschnitt der gezogenen Lichtleitaser zu verwirklichen. Des Weiteren müssen nach dem Stand der Technik, bei dem die Hohlraumdurchmesser gesteuert werden, um den mittleren Brechungsindex zu erhöhen, die Hohlraumdurchmesser erhöht werden. Da jedoch im Hinblick auf die Verarbeitungstechnik eine Grenze in Bezug auf das Verringern der Hohlraumdurchmesser besteht, war der Bereich des mittleren Brechungsindex, der verwirklicht werden kann, bisher eng. Im Gegensatz dazu kann nach der vorliegenden Erfindung der mittlere Brechungsindex verringert werden, indem wenigstens einer von Material-Brechungsindizes des Hauptmediums und des Teilmediums verringert wird, und der mittlere Brechungsindex kann erhöht werden, indem diese Material-Brechungsindizes erhöht werden, wodurch der machbare Bereich des mittleren Brechungsindex erweitert werden kann.
Des Weiteren wird es möglich, den mittleren Brechungsindex zu ändern, indem Kapillarrohre verwendet werden, die das gleiche Verhältnis zwischen einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser und unterschiedliche Glas-Brechungsindizes aufweisen, statt den mittleren Brechungsindex zu ändern, indem das Verhältnis zwischen einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser der Silika-Kapillarrohre, die das Material der Zelleneinheit 11 bilden, geändert wird. Folglich kann die Anzahl der Arten von Hohlraumdurchmessern verringert werden und folglich kann die Anzahl von Bohrinstrumenten, die zum Zeitpunkt der Verarbeitung der Silika-Kapillarrohre erforderlich werden, minimiert werden und die Herstellungskosten können verringert werden.
Des Weiteren kann durch korrektes Ausbilden der Brechungsindexverteilung des Hauptmediums und des Teilmediums in der radialen Richtung selbst dann, wenn die Hohlräume zum Zeitpunkt des Verschmelzens auf Grund des Verschmelzens des Materials in der Nähe einer Endfläche der Lichtleitfaser zusammengedrückt werden, die Lichtleitfaser die Lichtwellenleiteigenschaften beibehalten. Im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Brechungsindizes des Hauptmediums und des Teilmediums in der radialen Richtung einheitlich sind, wie nach dem Stand der Technik, wird es folglich möglich, den Fusionsspleißverlust zu verringern.
Die Erfinder haben sechs Arten von Lichtleiffasern, die sich bei der Brechungsindexverteilung von Kieselglas 5 in der radialen Richtung unterscheiden (hierin im Folgenden „Beispiele 1 bis 6" genannt), bewertet und haben sie mit einer herkömmlichen Lichtleitfaser mit einem einheitlichen Brechungsindex von Kieselglas 5 (hierin im Folgenden „Ver gleichsbeispiel" genannt) in Bezug auf ihre Eigenschaften verglichen. Ein Ergebnis des Vergleiches wird hierin im Folgenden berichtet.

Sowohl bei den Lichtleitfasern dieser Beispiele 1 bis 6 als auch bei der Lichtleitfaser des Vergleichsbeispiels sind die Zelleneinheiten in der radialen Richtung in neun Schichten angeordnet. Die Beispiele 5, 6 unterscheiden sich von den Beispielen 1 bis 4 und dem Vergleichsbeispiel insofern, als der erste Bereich 1, der die Mitte bildet, in Bezug auf die Beispiele 1 bis 4 und das Vergleichsbeispiel nicht mit Hohlräumen darin versehen ist, wobei der erste Bereich bei dem Beispiel 5, 6 außerdem mit Hohlräumen versehen ist, die dieselbe Form aufweisen, wie diejenigen anderer Bereiche. Die Verteilung des Brechungsindex n_k des Kieselglases 5 in dem k-ten Bereich von der Mitte ist in jedem Beispiel so eingestellt, wie in Tabelle 1 gezeigt. In dem Vergleichsbeispiel sind die Brechungsindizes jeweiliger Bereiche allesamt auf den Brechungsindex 1,444 des reinen Kieselglases eingestellt. Tabelle 1: Brechungsindexverteilung von Kieselglas in jeweiligen Beispielen

Beispiel	n₁	n₂	n₃	n₄ bis n₉
1	1,444	1,459	1,444	1,444
2	1,444	1,427	1,444	1,444
3	1,444	1,444	1,450	1,444
4	1,444	1,427	1,450	1,444
5	1,472	1,472	1,444	1,444
6	1,444	1,472	1,444	1,444

Somit kann, um die Brechungsindizes des Kieselglases 5 auf über 1,444 zu erhöhen, das Kieselglas zum Beispiel mit GeO₂ dotiert werden, während das Kieselglas zum Beispiel mit einem F-Element dotiert werden kann, um die Brechungsindizes des Kieselglases 5 auf unter 1,444 zu senken.
Der mittlere Brechungsindex n_avg, k der in 2 gezeigten Zelleneinheit wird durch eine folgende Gleichung definiert. Hier wird der Brechungsindex des Abschnitts des Hohlraumes 6 auf n_hole eingestellt.

Da jeder Bereich jedes Beispiels ein Satz der Zelleneinheiten mit den gleichen Strukturen ist, entspricht der mittlere Brechungsindex jedes Bereiches dem mittleren Brechungsindex der Zelleneinheit. Da der Brechungsindex n_hole 1 ist, wenn Luft in das Innere des Hohlraumes 6 gefüllt wird, kann der mittlere Brechungsindex n_avg, k jedes Bereiches in jedem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel so ausgedrückt werden, wie in Tabelle 2 beschrieben. Tabelle 2: Mittlere Brechungsindexverteilung von Beispielen und des Vergleichsbeispiels

Beispiel	n_avg, 1	n_avg, 2	n_avg, 3	n_avg, 4 bis n_avg, 9
Vergleich	1,444	1,388	1,388	1,388
Beispiel 1	1,444	1,402	1,388	1,388
Beispiel 2	1,444	1,373	1,388	1,388
Beispiel 3	1,444	1,388	1,394	1,388
Beispiel 4	1,444	1,373	1,394	1,388
Beispiel 5	1,413	1,413	1,388	1,388
Beispiel 6	1,388	1,413	1,388	1,388

Hier ist das Vergleichsbeispiel 1 eine Lichtleitfaser mit einer sogenannten homogenen Mantelstruktur, bei der der erste Bereich als die Kernbereiche eingestellt ist und der zweite bis neunte Bereich als die Mantelbereiche eingestellt sind und der mittlere Brechungsindex in dem Mantelbereich in der radialen Richtung im Wesentlichen einheitlich ist. Im Gegensatz dazu ist in Bezug auf die Lichtleitfasern der Beispiele 1 bis 4, auch wenn der erste Bereich als der Kernbereich fungiert und der zweite bis neunte Bereich als der Mantelbereich fungieren, der mittlere Brechungsindex in dem Mantelbereich in der radialen Richtung geändert. In den Beispielen 5 und 6 fungieren der erste und zweite Bereich als der Kernbereich und der dritte bis neunte Bereich fungieren als der Mantelbereich. Auch wenn beide Beispiele die homogene Mantelstruktur übernehmen, ist in Bezug auf das Beispiel 6 der mittlere Brechungsindex in der radialen Richtung in dem Kernbereich geändert.
3 zeigt das berechnete Ergebnis der Wellenleiterdispersion und der effektiven Kernfläche in Bezug auf das Vergleichsbeispiel und das Beispiel 1. In 3 ist die Wellenleiterdispersion D_wg auf der Achse linker Ordinaten dargestellt, die effektive Kernfläche A_eff ist auf der Achse rechter Ordinaten dargestellt und die Wellenlänge λ von Licht ist auf der Abszisse dargestellt. Sowohl bei dem Vergleichsbeispiel als auch bei dem Beispiel 1 sind die Abmessungen so bestimmt, dass die effektive Kernfläche A_eff bei der Wellenlänge von 1550 nm A_eff = 9 μm² wird. Die Teilung L des Vergleichsbeispiels ist auf L = 1,46 μm eingestellt und die Teilung L des Beispiels 1 ist auf L = 1,25 μm eingestellt.
Das Beispiel 1 weist im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel eine starke negative Wellenleiterdispersion auf. Des Weiteren weist das Beispiel 1 im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel den kleinen Inkrementschritt d(Aeff)/dλ (Varianzrate der effektiven Kernfläche in Bezug auf Wellenlänge) der effektiven Kernfläche zur Wellenlänge auf. Die Tatsache, dass der Inkrementschritt der effektiven Kernfläche zur Wellenlänge klein ist, bedeutet, dass der Grad von Lichteinschluss in dem Kern hoch ist und folglich der Biegeverlust klein ist. Des Weiteren gehen bei dem Vergleichsbeispiel, da der Brechungsindex von Kieselglas, das das Hauptmedium bildet, in der radialen Richtung einheitlich ist, die Lichtwellenleiteigenschaften verloren, wenn die Hohlräume zum Zeitpunkt des Verschmelzens zusammengedrückt werden. In dem Beispiel 1 wird jedoch selbst dann, wenn die Hohlräume zusammengedrückt werden, das Licht in dem zweiten Bereich eingeschlossen, da das Hauptmedium des zweiten Bereiches im Vergleich zu den Hauptmedien der umgebenden Bereiche den hohen Brechungsindex aufweist. Folglich kann das Beispiel 1 im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel den niedrigen Fusionsspleißverlust verwirklichen. Das heißt, dass die Lichtleitfaser dieser Ausführung den mittleren Brechungsindex des zweiten Bereiches im Vergleich zu der homogenen Mantelstruktur erhöhen kann, und folglich wurde nachgewiesen, dass der niedrige Biegeverlust, die starke negative chromatische Dispersion und der niedrige Fusionsspleißverlust verwirklicht werden können.
4 zeigt einen Vergleich berechneter Ergebnisse der Wellenleiterdispersion und der effektiven Kernfläche in Bezug auf das Vergleichsbeispiel und das Beispiel 2. Hier sind sowohl bei dem Vergleichsbeispiel als auch bei dem Beispiel 2 die jeweiligen Abmessungen so bestimmt, dass die Wellenleiterdispersion D_wg bei der Wellenlänge von 1550 nm D_wg = –80 ps/nm/km wird. Die Teilung L des Vergleichsbeispiels ist auf L = 1,55 μm eingestellt und die Teilung L des Beispiels 2 ist auf L = 1,73 μm eingestellt.
Das Beispiel 2 weist die stärkere negative Wellenleiterdispersionsneigung S_wg auf als das Vergleichsbeispiel. Das heißt, dass die Wellenleiterdispersionsneigung S_wg in Bezug auf das Vergleichsbeispiel auf S_wg = –0,23 ps/nm²/km und in Bezug auf das Beispiel 2 auf S_wg = –0,40 ps/nm²/km eingestellt ist. Da bei einer Näherungsberechnung die Materialdispersion des Kieselglases bei der Wellenlänge von 1550 nm 22 ps/nm/km beträgt und die Neigung des Kieselglases bei der Wellenlänge von 1550 nm 0,06 ps/nm²/km beträgt, wird die chromatische Dispersion des Beispiels 2 –58 ps/nm/km und die Neigung des Beispiels 2 wird –0,34 ps/nm²/km. Folglich wird das Verhältnis der Neigung zu dem Dispersionswert –0,34/–58 nm^–1 = –5,9 × 10^–3 nm^–1. Um außerdem die chromatische Dispersion, die Neigung und das Verhältnis der Neigung zu der Dispersion in Bezug auf das Vergleichsbeispiel zu erreichen, werden sie –58 ps/nm/km, –0,17 ps/nm²/km bzw. –2,9 × 10^–3 nm^–1. Nimmt man an, dass die typischen Werte der chromatischen Dispersion, der Neigung und des Verhältnisses zwischen der Neigung und der Dispersion einer NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber) 5 ps/nm/km, 0,06 ps/nm²/km bzw. 1,2 × 10^–2 nm^–1 sind, wird die Neigungskompensationsrate zum Kompensieren der Dispersion der NZDSF in Bezug auf das Vergleichsbeispiel bzw. das Beispiel 2 24 % bzw. 49 %. Hier ist die Neigungskompensationsrate ein Verhältnis des Neigungs-Dispersions-Verhältnisses der Faser negativer Dispersion zu dem Neigungs-Dispersions-Verhältnis der Faser positiver Dispersion und wenn sich die Neigungskompensationsrate 100 % nähert, kann die Dispersion in einem breiteren Wellenlängenband kompensiert werden, und folglich kann das breitere Sendeband verwirklicht werden. Folglich wird festgestellt, dass das Beispiel 2 besser für die Dispersionskompensationsfaser der NZDSF geeignet ist als das Vergleichsbeispiel.
Des Weiteren zeigt bei einer langen Wellenlänge, die größer als die Wellenlänge von 1550 nm ist, das Beispiel 2 die stärkere negative Dispersion als das Vergleichsbeispiel. Zum Beispiel kann, auch wenn die Wellenleiterdispersion bei der Wellenlänge von 1625 nm in Bezug auf das Vergleichsbeispiel –98 ps/nm/km beträgt, in Bezug auf das Beispiel 2 die Wellenleiterdispersion von –109 ps/nm/km bei der Wellenlänge von 1625 nm verwirklicht werden. Da die Materialdispersion des Kieselglases bei der Wellenlänge von 1625 nm +27 ps/nm/km beträgt, wird in Betracht gezogen, dass, während die chromati sche Dispersion in Bezug auf das Vergleichsbeispiel –71 ps/nm/km beträgt, die chromatische Dispersion in Bezug auf das Beispiel 2 –82 ps/nm/km beträgt. Des Weiteren beträgt die Modendoppelbrechung bei der Wellenlänge 1550 nm in Bezug auf das Beispiel 2 8,1 × 10^–5 und ist folglich ausreichend klein. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die mittlere Brechungsindexverteilung des Beispiels 2 gegenüber der Drehung von 90 Grad im Wesentlichen unverändert oder stabil ist. Da die Modendoppelbrechung klein ist, wird außerdem die Polarisationsmodendispersion klein.
Das heißt, dass im Vergleich zu der Lichtleiffaser mit der homogenen Mantelstruktur durch Verringern des mittleren Brechungsindex des zweiten Bereiches die starke chromatische Dispersion zu negativ und die starke chromatische Dispersionsneigung zum Negativen verwirklicht werden können und es folglich möglich wird, die für die Dispersionskompensation der NZDSF geeigneten Eigenschaften zu erzielen. Des Weiteren können, indem die Lichtleiffaser so konstruiert wird, dass die mittlere Brechungsindexverteilung im Querschnitt im Wesentlichen gegenüber der Drehung von 90 Grad keine Änderung aufweist, die Modendoppelbrechung und die Modenpolarisationsdispersion so verringert werden, dass die für die Lichtleitverbindung einer hohen Bitrate geeigneten Eigenschaften erzielt werden können.
5 zeigt einen Vergleich berechneter Ergebnisse der Wellenleiterdispersion und der effektiven Kernfläche in Bezug auf das Vergleichsbeispiel und das Beispiel 3. Sowohl bei dem Vergleichsbeispiel als auch bei dem Beispiel 3 sind jeweilige Abmessungen so bestimmt, dass die effektive Kernfläche A_eff bei der Wellenlänge von 1550 nm A_eff = 10 μm² wird. Die Teilung L ist in Bezug auf das Vergleichsbeispiel auf L = 1,32 μm und die in Bezug auf das Beispiel 3 auf L = 1,51 μm eingestellt.
Das Beispiel 3 weist bei der Wellenlänge von 1550 nm den kleineren Inkrementschritt dA_eff/dλ (Varianzrate der effektiven Kernfläche in Bezug auf Wellenlänge) der effektiven Kernfläche A_eff zur Wellenlänge auf als das Vergleichsbeispiel. Die Tatsache, dass der Inkrementschritt der effektiven Kernfläche A_eff zur Wellenlänge klein ist, bedeutet, dass die Empfindlichkeit gegenüber der Schwankung der strukturellen Parameter klein ist und der Grad von Lichteinschluss in dem Kern günstig ist und des Weiteren der Biegeverlust klein ist. Des Weiteren bedeutet die Tatsache, dass der Biegeverlust klein ist, dass unter der Voraussetzung, dass der Biegeverlust gleich ist, die größere effektive Kernfläche A_eff verwirklicht werden kann.
Folglich wurde nachgewiesen, dass durch Erhöhen des mittleren Brechungsindex des dritten Bereiches im Vergleich zu der Lichtleitfaser mit der homogenen Mantelstruktur die große effektive Kernfläche und der niedrige Biegeverlust verwirklicht werden können. 6 zeigt einen Vergleich berechneter Ergebnisse der Wellenleiterdispersion und der effektiven Kernfläche in Bezug auf die Beispiele 2 und 4. Hier sind bei beiden Beispielen 2 und 4 jeweilige Abmessungen so bestimmt, dass die Wellenleiterdispersion D_wg bei der Wellenlänge von 1550 nm D_wg = –80 ps/nm/km wird. Die Teilung L ist in Bezug auf das Beispiel 2 auf L = 1,73 μm und in Bezug auf das Beispiel 4 auf L = 1,76 μm eingestellt.
Das Beispiel 4 weist die größere effektive Kernfläche A_eff bei der Wellenlänge von 1550 nm auf als das Beispiel 2. Das heißt, dass nachgewiesen wurde, dass durch Verringern des mittleren Brechungsindex des zweiten Bereiches im Vergleich zu der Lichtleitfaser mit der homogenen Mantelstruktur und des Weiteren durch Erhöhen des Brechungsindex des dritten Bereiches der niedrige Biegeverlust verwirklicht werden kann, während gleichzeitig die starke Wellenleiterdispersion zum Negativen sichergestellt wird.
7 zeigt einen Vergleich berechneter Ergebnisse der Wellenleiterdispersion und der effektiven Kernfläche in Bezug auf die Beispiele 5 und 6. Bei beiden Beispielen 5 und 6 sind jeweilige Abmessungen so bestimmt, dass die höhere Mode, die in der Legende der Figuren mit „(H)" bezeichnet wird, in der Nähe der Wellenlänge von 1550 nm begrenzt wird. Die Teilung L ist in Bezug auf das Beispiel 5 auf L = 1,60 μm und in Bezug auf das Beispiel 6 auf L = 1,71 μm eingestellt.
Auch wenn das Beispiel 5 der homogenen Mantelstruktur entspricht, weist das Beispiel 6 im Vergleich zu dem Beispiel 5 die große effektive Kernfläche A_eff auf. Um sie bei der Wellenlänge von 1550 nm zu vergleichen, beträgt die effektive Kernfläche A_eff in Bezug auf das Beispiel 5 16 μm², während die effektive Kernfläche A_eff in Bezug auf das Beispiel 6 24 μm² beträgt.
Entsprechend wurde nachgewiesen, dass durch Verringern des mittleren Brechungsindex des mittigen Bereiches in dem Inneren des Kernbereiches in der homogenen Mantelstruktur die große effektive Kernfläche erzielt werden kann.
In der vorgenannten Erklärung kann, auch wenn in dem Beispiel der Querschnitt jeder Zelleneinheit 11 die sechseckige Struktur aufweist und die Zellen 11 in einer sechseckigen Gitterstruktur angeordnet sind, der Querschnitt jeder Zelleneinheit eine quadratische Struktur annehmen, wie in 8 gezeigt, oder kann in einer quadratischen Gitterstruktur angeordnet sein, wie in 9 gezeigt. Des Weiteren können die Zellen verschiedene andere Anordnungen einschließlich einer versetzt angeordneten Struktur annehmen.

Claims

Mikrostruktur-Lichtleitfaser, die aus einem Kern (1) und einem Mantel (2, 3, 4), der den Kern umgibt, besteht und die umfasst: Mikrostrukturen, die durch Teilmedien (6) gebildet werden, die Brechungsindizes haben, die sich von den Brechungsindizes der Hauptmedien (5) unterscheiden, die den Kern und den Mantel bilden, und die in der Querschnittsfläche der Faser senkrecht zu der axialen Richtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Brechungsindizes der Hauptmedien (5) und der Teilmedien (6) in der radialen Richtung der Faser in dem Bereich variiert, der die Mikrostrukturen enthält.
Mikrostruktur-Lichtleitfaser nach Anspruch 1, wobei sich der Brechungsindex des Hauptmediums, das den Mantelbereich (2, 3, 4) bildet, in einer radialen Richtung ändert.
Mikrostruktur-Lichtleitfaser nach Anspruch 2, wobei die Anordnung der Mikrostrukturen, die durch die Teilmedien gebildet werden, im Wesentlichen äquivalent zu einem sechseckigen Gitter oder einem quadratischen Gitter ist.
Mikrostruktur-Lichtleitfaser nach Anspruch 2, wobei die Querschnittsflächen der Mikrostrukturen, die durch die Teilmedien gebildet werden, im gleichen Querschnitt im Wesentlichen einheitlich sind.
Mikrostruktur-Lichtleitfaser nach Anspruch 4, wobei die Anordnung der Mikrostrukturen, die durch die Teilmedien gebildet werden, im Wesentlichen äquivalent zu einem sechseckigen Gitter oder einem quadratischen Gitter ist.