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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren zum
Herstellen einer Vorform eines photonischen Kristalls, welche einen
Defekt aufweist, aus welcher eine photonische Bandlücken-Kristall-Wellenleiterfaser
gezogen werden kann, und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen
des Defekts der Vorform des photonischen Kristalls.
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2. Technischer
Hintergrund
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Optische
Wellenleiter, welche Licht mittels des Prinzips einer totalen internen
Reflexion führen, sind
seit mehr als zwei Jahrzehnten in kommerzieller Verwendung. Obwohl
optische Wellenleiter dieses Designs einen vorwärtsgerichteten Quantenschritt auf
dem Gebiet der Telekommunikation darstellen, geht die Arbeit an
alternativen Wellenleiterfaserdesigns weiter. Ein besonderer Nachteil
des totalen internen Reflexionsmechanismus ist, dass er funktioniert,
indem das Licht in einem Teil mit höherem Brechungsindex eingeschlossen
wird, d. h. in dem Kern der Wellenleiterfaser. Ein höherer Brechungsindexkern
weist typischerweise eine höhere
Dichte auf und ist durch eine höhere
Dämpfung
aufgrund von Rayleigh-Streuung und einen höheren nicht-linearen Koeffizienten
gekennzeichnet. Die schädlichen
nicht-linearen Effekte können
durch Entwickeln von totalen internen Reflexionswellenleitern abgeschwächt werden,
welche eine relativ hohe effektive Fläche aufweisen. Jedoch steigt
in der Regel die Komplexität
des Kernbrechungsindexprofils gewöhnlicherweise für Designs
an, welche einen größeren effektiven
Bereich bereitstellen. Diese Komplexität überträgt sich in der Regel in höhere Kosten.
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Letztens
wurde Streuung als Mittel untersucht, um Licht in einem Material
zu führen.
In einem Lichtführungsprotokoll,
in welchem der Einschlussmechanismus Streuung ist, kann das Material,
in welchem das Licht geführt
wird, d. h. der Kern des optischen Wellenleiters, einen relativ
geringen Brechungsindex und damit eine geringere Dichte aufweisen.
Tatsächlich
wird die Verwendung eines Gases oder eines Vakuums als Wellenleiterkern
verwendbar.
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Eine
besondere, gut geeignete Struktur zur Verwendung als Diffraktionstyp
eines optischen Wellenleiters ist ein photonischer Bandlückenkristall. Dieser
photonische Kristall ist selbst ein regelmäßiges Gitter von Merkmalen,
in welchem der Abstand der Merkmale in der Größenordnung der zu führenden
Lichtwellenlänge
ist. Der photonische Kristall kann aus einem ersten Material gebildet
werden, welches einen ersten Brechungsindex aufweist. In dieses
Material ist in der Form eines regelmäßigen Gitters oder Feldes ein
zweites Material eingebettet, welches einen zweiten Brechungsindex
aufweist. Dies ist die grundlegende Struktur eines photonischen
Kristalls. Änderungen
dieses grundlegenden Designs können
mehr als zwei Materialien in der Bildung des photonischen Bandlückenkristalls
beinhalten. Die Zahl der nützlichen
Variationen in den Details der Gitterstruktur ist ebenso groß.
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In
der grundlegenden Struktur des photonischen Kristalls kann das "zweite Material" einfach Poren oder
Fehlstellen in dem ersten Material aufweisen. D. h., die Fehlstellen
dienen als zweites Material in einem photonischen Kristall. In Abhängigkeit
des Brechungsindexunterschieds der Materialien und der räumlichen
Anordnung und dem Abstand (Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen den Merkmalen)
der eingebetteten Merkmale wird der photonische Kristall Licht nicht
propagieren, welches eine Wellenlänge innerhalb eines bestimmten
Wellenlängenbandes
aufweist. Dies ist die "Bandlücke" des photonischen Kristalls
und ist die Eigenschaft des photonischen Kristalls, welche einen
Lichteinschluss bereitstellt. Aufgrund dieser Eigenschaft wird der
Struktur der Name "photonischer
Bandlückenkristall" gegeben.
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Um
einen optischen Wellenleiter (oder allgemeiner eine Struktur, welche
elektromagnetische Energie führt)
zu bilden, wird ein Defekt in dem photonischen Bandlückenkristall
hergestellt. Dieser Defekt ist eine Diskontinuität in der Gitterstruktur und
kann eine Änderung
in dem Abstand des Gitters, eine Ersetzung eines Teils des Gitters
durch ein Material mit einem unterschiedlichen Brechungsindex oder
die Entfernung eines Teils aus dem photonischen Bandlückenkristallmaterial
sein. Die Form und Größe des Defekts
werden ausgewählt,
um einen oder mehrere Moden der Lichtfortpflanzung, welche entsprechende Wellenlängen innerhalb
der Bandlücke
des photonischen Kristalls aufweisen, zu erzeugen bzw. zu tragen.
Die Wände
des Defekts sind somit aus einem Material gemacht, einem photonischen
Bandlückenkristall,
welcher nicht die Mode propagiert, welcher durch den Defekt hergestellt
wird.
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In
Analogie mit dem totalen internen reflexionsoptischen Wellenleiter
agiert der Defekt als Wellenleiterkern und der photonische Bandlückenkristall als
Verkleidung. Jedoch erlaubt es der Mechanismus des Wellenleiters
dem Kern, einen sehr geringen Brechungsindex aufzuweisen und somit
den Nutzen einer geringen Dämpfung
und eines geringen nicht-linearen Koeffizienten zu realisieren.
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Aufgrund
des möglichen
Nutzens, welcher durch einen photonischen Bandlücken-Kristallwellenleiter bereitgestellt
wird, besteht ein Bedarf, effektive, kostengünstige Verfahren zum Bilden
des photonischen Bandlücken-Kristallwellenleiters
zu identifizieren, welche maßgeschneidert
für eine
Verwendung in einem Herstellungsverfahren sind.
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Solche
Verfahren können
die Schritte zur Bildung einer Vorform beinhalten, welche eine Mehrzahl an
longitudinalen Passagen aufweist, Ätzen der Passagen, um eine
gewünschte
Vorformgeometrie zu erreichen, und dann Ziehen der Vorform in eine
photonische Bandlücken-Kristallwellenleiterfaser.
WO 9964903 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer photonischen
Bandlückenstruktur,
wobei längliche
Elemente der Vorform, d. h. kapillare Röhren, in einer vorbestimmten
Form unter Verwendung kurzer Bohrungen angeordnet werden. Die WO
0060388 offenbart Staplungsstäbe,
wobei der Stapel mindestens einen abgeschnittenen Stab aufweist,
welcher einen Hohlraum in dem Stapel festlegt, und das Ziehen des
Stapels in eine Faser, welche einen länglichen Hohlraum aufweist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit einem Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Bilden
einer photonischen Kristallwellenleiterfaser:
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Zusammensetzung
einer Mehrzahl von Rohren parallel zueinander in einem Bündel, um
einen ersten Teil eines photonischen Kristalls zu bilden, wobei
der erste Teil eine erste Gruppe an Röhren (14) aufweist,
welche um einen zentralen Teil (16) des Bündels angeordnet
sind, Zusammensetzen einer zweiten Mehrzahl von Röhren (12)
parallel zueinander, um das Bündel
um einen zweiten Teil des photonischen Kristalls zu bilden, wobei
jede Röhre
(12) des zweiten Teils ein Zentrum (6) seines
inneren Umfangs (10) aufweist, welches mit einem Zentrum
seines äußeren Umfangs
(8) zusammenfällt,
gekennzeichnet durch:
- a) Bilden jeder der Röhren (14)
der ersten Gruppe mit einem Zentrum (26) seines inneren
Umfangs versetzt von einem Zentrum seines äußeren Umfangs, um die Dicke
eines Teils seiner Wand zu verringern, und Zusammensetzen dieser,
so dass der verringerte Wandteil zu dem zentralen Teil (16)
des Bündels
gerichtet ist; und
- b) Ätzen
der Wände
der ersten und zweiten Mehrzahl von Röhren, um die verringerten angrenzenden,
dünneren
Wandteile der ersten Mehrzahl der Röhren wegzuätzen, um einen Defekt in dem
photonischen Kristall zu erzeugen und den Leerstellenbruchteil zu
erhöhen.
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Vorzugsweise
werden der äußere Umfang und
der innere Umfang aus einer Gruppe gewählt, welche einen Kreis und
ein Polygon beinhaltet.
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Vorzugweise
weist die erste Mehrzahl von Röhren
eine erste Zusammensetzung auf, welche eine erste Ätzrate aufweist,
und die zweite Mehrzahl der Röhren
hat eine zweite Zusammensetzung mit einer zweiten Ätzrate,
und die erste Ätzrate
ist größer als
die zweite Ätzrate.
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Die
Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Bilden einer photonischen
Kristall-Wellenleiter-Faser-Vorform mit:
Zusammensetzen einer
ersten Mehrzahl von Röhren parallel
zueinander in einem Bündel,
um einen ersten Teil eines photonischen Kristalls zu bilden, wobei
der erste Teil eine erste Gruppe von Röhren (14) aufweist,
welche um einen zentralen Teil (16) des Bündels angeordnet
ist,
Zusammensetzen einer zweiten Mehrzahl von Röhren (12)
parallel zueinander, um das Bündel
um einen zweiten Teil des photonischen Kristalls zu bilden, gekennzeichnet
durch
- a) Bilden jeder der Röhren (14) der ersten
Gruppe aus einem Material mit einer Ätzrate, welche größer ist
als die des Materials, welches die zweite Gruppe der Röhren bildet;
und
- b) Ätzen
der Wände
der ersten und zweiten Mehrzahl von Röhren, um angrenzende Wandteile
der ersten Mehrzahl von Röhren
wegzuätzen,
um einen Defekt in dem photonischen Kristall zu bilden und um den
Leerstellenanteil zu erhöhen.
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Die
Erfindung beinhaltet ebenso nach Schritt b) ein Verringern einer
Fläche
eines Querschnitts des photonischen Kristalls, um eine Wellenleiterfaser
zu bilden.
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Vorzugsweise
ist der Umfang des Defekts in dem photonischen Kristall symmetrisch
um einen Mittelpunkt.
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Vorzugsweise
ist, wenn Licht einer Wellenlänge λ in dem Defekt
propagiert, die Differenz zwischen dem kürzesten Abstand zwischen zwei
gegenüberliegenden
Punkten auf dem Defektumfang, welche 180 Grad voneinander entfernt
angeordnet sind, gemessen von einem Mittelpunkt, und dem längsten Abstand
zwischen zwei gegenüberliegenden
Punkten auf dem Defektumfang, welche 180 Grad voneinander entfernt
angeordnet sind, gemessen von dem Mittelpunkt, ist im Wesentlichen
gleich λ.
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Zusätzliche
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der detaillierten
folgenden Beschreibung fortgesetzt und werden teilweise für einen Fachmann
aus dieser Beschreibung leicht erkennbar sein oder durch Ausführen der
Erfindung, wie hierin beschrieben, einschließlich der detaillierten Beschreibung,
welche folgt, der Ansprüche
wie auch der angefügten
Zeichnungen erkannt.
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Es
ist zu verstehen, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung
und die nachfolgende detaillierte Beschreibung im Wesentlichen exemplarisch
für die
Erfindung sind und nicht gedacht sind, einen Überblick oder Rahmen zum Verstehen der
Natur und des Charakters der Erfindung bereitzustellen, wie sie
beansprucht ist. Die beigefügten Zeichnungen
sind beigefügt,
um ein weiteres Verständnis
der Erfindung bereitzustellen, und sind mit eingeschlossen und bilden
einer Teil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen zeigen vielfältige Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die
Prinzipien und einen Betrieb der Erfindung zu erklären.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Darstellung einer Zusammenstellung von Röhren in Übereinstimmung mit der Erfindung
vor dem Ätzschritt;
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2 ist
eine Darstellung einer symmetrischen Röhre zur Verwendung beim Zusammensetzung
einer photonischen Kristallvorform;
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3 ist
eine Darstellung einer asymmetrischen Röhre zur Verwendung beim Zusammensetzen
einer photonischen Kristallvorform;
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4 ist
eine Darstellung einer photonischen Kristallzusammensetzung, welche
symmetrische Röhren
oder einen extrudierten photonischen Kristallkörper nach dem Ätzschritt
verwendet; und
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5 ist
eine Darstellung einer photonischen Kristallzusammensetzung, welche
asymmetrische Röhren
verwendet, welche durch symmetrische Röhren oder einen extrudierten
photonischen Kristallkörper
nach dem Ätzschritt
umgeben sind.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Nun
wird im Detail Bezug auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung genommen, ein Beispiel dieser ist in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht. Wenn möglich,
werden die gleichen Bezugszeichen für alle Zeichnungen verwendet,
um auf die gleichen oder ähnliche Teile
Bezug zu nehmen. Eine exemplarische Ausführungsform der photonischen
Bandlücken-Kristall-Wellenleiter-Vorform
der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt.
Röhren 12 und 14 haben
einen hexagonalförmigen äußeren Umfang
und einen kreisförmigen
inneren Umfang 10. Röhren 12 und 14 werden
in einer hexagonal geschlossenen gepackten Struktur zusammengesetzt,
d. h. es gibt im Wesentlichen keinen Luftraum zwischen angrenzenden
Kanten der Röhren.
Die Röhren 14 in
dem inneren Teil der Zusammensetzung sind asymmetrisch dahingehend,
dass der Mittelpunkt des Kreises, welcher durch einen inneren Umfang 10 festgelegt
wird, versetzt zu der Mitte des Hexagons ist, welches durch den
hexagonalförmigen äußeren Umfang 8 festgelegt
wird. Röhren 12 (nur
sechs Röhren
gezeigt) repräsentieren
die Mehrzahl der Röhren,
welche Röhren 14 umgeben,
und sind symmetrisch dahingehend, dass die Mitte des Kreises, welcher
durch den Umfang 10 festgelegt wird, im Wesentlichen mit
dem Hexagon übereinstimmt,
welches durch den Umfang 8 festgelegt ist.
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Aufgrund
der Asymmetrie der Röhren 14 werden
drei dünnwandige
Teile 4, 4' und 4'' jeder der Röhren 14 gebildet.
Durch Anordnen der mittleren dünnen
Wand 4, welche in dem zentralen Teil 16 des photonischen
Kristalls zeigt, die dünnen
Wände 4' der nächsten benachbarten
Röhren 14 umeinander, wie
die dünnen
Wände 4'' der nächsten benachbarten Röhren 14.
Während
des Ätzschrittes
werden die entsprechenden dünnen
Wände 4 der
Röhren 14 zuerst
entfernt. Die nächsten
zu entfernenden Wände werden
die entsprechenden Sätze
der angrenzenden Wände 4' und 4'' der Röhren 14 sein. In dieser
Ausführungsform
werden die Wände
von jeder der Mehrzahl von Röhren 12 und 14 aus
dem gleichen, im Wesentlichen homogenen Material gebildet, so dass
die Ätzrate die
gleiche für
alle Wände
ist. Während
eine Anzahl von dielektrischen Materialien als Material für die Wände verwendet
werden kann, ist siliziumbasiertes Glas eine vorteilhafte Wahl für ein Wandmaterial.
Das Entfernen dieser Wände
dient dazu, den Defekt in dem photonischen Bandlückenkristall zu bilden, welcher
schließlich
die gewünschten
Moden in der photonischen Bandlücken-Kristalllichtleiterfaser trägt, welcher
aus der photonischen Kristallvorform gebildet wird.
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Beim
Bilden der photonischen Kristallvorform dient der Ätzschritt
zwei Zwecken in dieser Ausführungsform
des Verfahrens in Übereinstimmung mit
der Erfindung. Zusätzlich
zum Bilden des Defekts in dem photonischen Kristall vergrößert das Ätzen von
symmetrischen Röhren 12 den
kreisförmigen Umfang 10,
wodurch der Bruchteil des photonischen Kristallvolumens erhöht wird,
welche eine Leerstelle ist, d. h. des Leerstellenbruchteils. Erhöhen des
Leerstellenbruchteils kann für
eine vorteilhafte Änderung in
der Leistungsfähigkeit
des photonischen Bandlücken-Kristallwellenleiters
vorgesehen sein. Z. B. ein Teil der Modenleistung, welche in dem
Defekt eingeschlossen ist, kann durch Erhöhen des Leerstellenbruchteils
erhöht
werden. Es ist zu verstehen, dass die Leerstelle, welche beim Beschreiben
eines photonischen Kristalls verwendet wird, sich auf Poren bezieht,
welche evakuiert oder luftgefüllt
sein können.
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Beim
Zusammensetzen des photonischen Kristalls nach 1 kann
der zentrale Teil 16 durch Auslassen einer Röhre entstehen.
Alternativ kann eine dünnwandige
Röhre 2 als
Platzhalterglied in dem zentralen Teil 16 verwendet werden.
Die Röhre kann
nach dem Zusammensetzen der Mehrzahl von Röhren entfernt werden, um die
Vorform zu bilden, oder die Röhre
kann an dem Ort belassen werden und während des Ätzschritts weggeätzt werden.
Alternative Vorrichtungen und Bohrungen können verwendet werden, um den
zentralen Teil 16 der Mehrzahl der Röhren 12 und 14 zu
bilden.
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Zwei
Ausführungsformen,
welche veranschaulichend für
symmetrische Röhren 12 sind,
sind in 2 dargestellt. In einer ersten
Ausführungsform beschreibt
der innere Umfang 10 den Umfang eines Kreises, welcher
einen Mittelpunkt 6 aufweist. Der äußere Umfang 8 legt
ein Hexagon fest, welches eine Mitte 6 aufweist. Die entsprechenden
Mitten 6 des Kreises, welcher einen Umfang 10 aufweist,
und des Hexagons, welches einen Umfang 8 aufweist, fallen zusammen,
um die symmetrischen Röhren 12 zu
bilden. In einer zweiten Ausführungsform
ist der innere Umfang 10 wieder der Umfang eines Kreises.
Der äußere Umfang 18 definiert
einen größeren Kreis.
Die entsprechenden Mitten 6 des Kreises, welcher den Umfang 10 aufweist,
und des Kreises, welcher den Umfang 18 aufweist, fallen
zusammen, um symmetrische Röhren 12 zu
bilden.
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Zwei
Ausführungsformen,
welche illustrativ für
asymmetrische Röhren 14 sind,
sind in 3 dargestellt. In einer ersten
Ausführungsform
weist der innere Umfang 20 eine elliptische Form auf, mit
seiner Hauptachse 22, welche senkrecht zu der Richtung der
Versetzung 24 ist. Der äußere Umfang
legt ein Hexagon 8 fest. Die geometrische Mitte 26 der
elliptischen Form ist von der Mitte 6 des Hexagons versetzt.
Die Hauptachse 22 ist parallel zu einer Seite des Hexagons
ausgerichtet, welches durch einen Umfang 8 festgelegt wird,
so dass der Versatz einer Mitte 26 von einer Mitte 6 in
der Bildung von drei dünnen
Wänden 4, 4' und 4'' resultiert.
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In
einer zweiten Ausführungsform
legt der innere Umfang 20 wieder eine elliptische Form
fest. Der äußere Umfang 18 ist
der Umfang eines Kreises, welcher eine Mitte 6 aufweist.
Die Mitte 6 des Kreises, welcher einen Umfang 18 aufweist,
ist relativ zu der Mitte 26 der elliptischen Form versetzt.
Aufgrund der Kreissymmetrie des äußeren Umfangs
muss die Richtung des Versatzes in der zweiten Ausführungsform
nicht beschrieben werden. Jedoch ist zu verstehen, dass beim Zusammensetzen
von Röhren
in Übereinstimmung
mit der zweiten Ausführungsform die
Mitte des dünnwandigen
Teils einer Röhre 14 im Wesentlichen
diametral gegenüberliegend
einer entsprechenden Röhre 14 sein
sollte. Diese Konfiguration ist zum Wegätzen des gewünschten
Teils des photonischen Kristalls in dem Ätzschritt bereitgestellt.
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Der
Nutzen, welcher aus der Verwendung der asymmetrischen Röhren in
einem zentralen Bereich des photonischen Kristalls resultiert, kann durch
Vergleich von 4 und 5 erkannt
werden. 4 und 5 sind Darstellungen
des Defekts 16 in dem photonischen Kristall zusammen mit mehreren
der symmetrischen Röhren 12,
welche den Defekt 16 umgeben. 4 stellt
eine photonische Kristallvorform nach dem Ätzschritt dar, wobei die Vorform
unter Verwendung nur einer Mehrzahl von symmetrischen Röhren zusammengesetzt
wurde. Die langen Überstände 30 erstrecken
sich in den Defekt 16, welcher eine unregelmäßige Oberfläche bildet,
von welcher erwartet werden kann, in dem Defekt propagierendes Licht
zu streuen. Während
des Ziehschrittes wird die Vorform aufgeheizt, um das Material der
Wände aufzuweichen,
und gedehnt unter Verwendung der mehreren Vorrichtungen und Verfahren,
welche in dem Stand der Technik bekannt sind. Das Wandmaterial ist
vorzugsweise als Silicat-basiertes Glas gewählt, obwohl andere Gläser oder
andere kristalline dielektrische Materialien verwendet werden können. Die
Oberflächenspannung des
aufgeweichten Wandmaterials wird verursachen, die Überstände zu dünnen und
aus der Mitte des Defekts 16 zu schwinden. Auch die bogenförmigen Leerstellen 32 werden
sich teilweise aufgrund der Oberflächenspannung auffüllen. Jedoch,
da der Überstand 30 und
die Leerstellen 32 ausgeprägt sind, wird die Defektoberfläche in der
photonischen Bandlü cken-Kristallwellenleiterfaser
nach dem Ziehen immer noch recht unregelmäßig sein.
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Im
Gegensatz dazu wird die photonische Kristallvorform, welche in 5 dargestellt
ist, unter Verwendung asymmetrischer Röhren 14 in einem zentralen
Teil des photonischen Kristalls in Übereinstimmung mit der Erfindung
zusammengesetzt. Nach dem Ätzschritt
werden die angrenzenden dünnen Wände weggeätzt, wodurch
kleine Überstände 34 und
Leerstelleneinschnitte 36 zurückbleiben. Während des
Ziehschrittes werden die kleinen Überstände 34 im Wesentlichen
verschwinden, welche zurück in
das Wandmaterial aufgrund von Oberflächenspannung zurückgezogen
werden. Auch die nach innen zeigenden gewinkelten Vorsprünge 38 des
umgebenden Hexagons und die nach außen zeigenden Vorsprünge 36 des
umgebenden Hexagons werden während
des Ziehschritts geglättet,
um eine photonische Bandlücken-Kristall-Wellenleiterfaser
zu bilden, welche eine Defektoberfläche aufweist, welche glatt und
nahezu kreisförmig
ist. Die glatte, nahezu kreisförmige
Defektoberfläche,
welche aus dem Ziehen der geätzten
Vorform von 5 entsteht, erzeugt einen stark
verringerte Menge von Lichtstreuung im Gegensatz zu dem Defekt,
welcher in 4 dargestellt ist.
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Der
Defekt 16, welcher in 5 dargestellt ist,
kann ebenso unter Verwendung symmetrischer Röhren, z. B. ähnlich zu
Röhren 12,
gebildet werden, aber aus einem Material, welches eine höhere Ätzrate als
die Röhren 12 aufweist.