DE60217684T2

DE60217684T2 - Optische fasern mit hoher numerischer apertur

Info

Publication number: DE60217684T2
Application number: DE60217684T
Authority: DE
Inventors: Jes Broeng; Anders Bjarklev; Eigil Stig LIBORI; Riis Jacob FOLKENBERG; Guillaume Vienne
Original assignee: Crystal Fibre AS
Current assignee: Crystal Fibre AS
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2022-08-31
Also published as: DE60217684D1; WO2003019257A1; CA2445280A1; CA2445280C; JP2005500583A; JP4511831B2; ATE352050T1; AU2002336075B2; EP1421420B1; EP1421420A1

Description

1. Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft elektromagnetische Wellenleiter, insbesondere optische Fasern mit hoher numerischer Apertur, wie optische Multimodefasern zum Zuführen einer hohen Leistung sowie optische Fasern, die Seltenerddotierstoffe im Kern und/oder mindestens einem Mantelbereich enthalten und über Wellenleitungseigenschaften verfügen, die zur Hochleistungsverstärkung und/oder für Laservorgänge konzipiert sind, und sie betrifft die Verwendung derselben.
Technisches Gebiet
In den letzten wenigen Jahren wurden über den Mantel gepumpte Faserlaser und Verstärker zu grundlegenden Werkzeugen in Forschungslabors. Im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Fasern, die über einen Bereich mit relativ hohem Brechungsindex – den Kern – verfügen, der von einem Bereich mit relativ niedrigem Brechungsindex – dem Mantel – umgeben ist, bestehen über den Mantel gepumpte (oder Doppelmantel) Fasern aus einem Kern mit hohem Index, der durch einen Bereich mit mittlerem Brechungsindex umgeben ist, der seinerseits durch einen Bereich (typischerweise ein Polymer) mit niedrigem Brechungsindex umgeben ist, das beim Leiten des Lichts eine Rolle spielt. Doppelmantelfasern finden beispielsweise Verwendung in Hochleistungs(über den Mantel gepumpten)lasern und -verstärkern. Bei derartigen Komponenten wird Licht von Quellen hoher Helligkeit, wie Diodenarrays, leicht in den Innenmantel einer Doppelmantelfaser gekoppelt, da der Innenmantel über eine große Querschnittsfläche und eine hohe numerische Apertur verfügt. Wenn das Multimode-Pumplicht den Kern schneidet, wird es durch den Seltenerddotierstoff absorbiert, und um die Überlappung des Pumplichts mit dem Kern zu erhöhen, ist der Innenmantel häufig nicht kreisförmig gemacht. An dieser Stelle ist es wesentlich, darauf hinzuweisen, dass eines der Probleme bei der Verwendung kreisförmiger Innenmäntel in der möglichen Anregung sogenannter Schrägstrahlen besteht, die als optische Strahlen von Spiralform angesehen werden, d.h. Strahlen, die nicht streng mit dem Kernbereich überlappen, weswegen sie die im Kern vorhandenen Seltenerdmaterialien nicht wirkungsvoll pumpen. Die Idee hinter derartigen Doppelmanteldesigns ist in jüngeren Lehrbüchern beschrieben (beispielsweise von Becker, Olsson und Simpson in "Erbium-Doped Fiber Amplifiers, Fundamentals and Technology", Academic Press, 1999, ISBN 0-12-084590-3). Jedoch wurde es auch von Becker et al. beschrieben, dass der Innenmantel häufig ein Glasmantel ist, der durch einen zweiten Mantel aus einem Polymer mit niedrigem Index umgeben ist, was es ermöglicht, dass der Innenmantel zu einer Führungsstruktur wird. Pumplicht wird vom Faserende in den undotierten Mantel abgestrahlt, wobei es sich auf Multimodeweise ausbreitet und mit dem dotierten Kern wechselwirkt, wenn es die Faser entlang läuft.
Bei einer Bewertung eines Faserlasers hoher Leistung beschreiben Becker et al., dass für den Multimodeabschnitt (den Innenmantel) eine Rechteckform bevorzugt ist, um Strahlung zum inneren Einzelmodekern wirkungsvoll zu koppeln und eine gute Anpassung an das geometrische Seitenverhältnis von Pumpdiodenlasern zu erzielen. Das Ausgangssignal der Faserlaser dieses Typs wird durch den Einzelmode-Faserkern auf eine Einzelmode beschränkt, weswegen diese Vorrichtungen häufig den Namen Helligkeitswandler (von einer großen Multimodefläche auf einen Einzelmode) tragen.
Hochleistungs-Faserlaser werden häufig dazu verwendet, Festkörperlaser zu ersetzen, da gut konzipierte Faserlaser hervorragende Wärmeeigenschaften, Zuverlässigkeit, Einfachheit und Kompaktheit zeigen (wie von Hodzynski et al. in der Veröffentlichung CWA49, Technical Digest of CLEO, 6.-11. Mai 2001, Baltimore, MD, USA beschrieben). Über den Mantel gepumpte Laser und Verstärker finden nicht nur in der Telekommunikation als mit Erbium dotierte Hochleistungs-Faserverstärker (EDFAs) und Ramanverstärker Anwendung, sondern auch bei eher herkömmlichen Anwendungen wie als schmalbandige und Einzelfrequenz-Pumpquellen für optische parametrische Generatoren und nichtlineare Frequenzwandler. Auch werden für Anwendungen wie optische Kommunikationsstrecken über den freien Raum Laserquellen mit hoher Spitzenleistung benötigt, und wie es von Valley et al. in der Veröffentlichung CWA51, Technical Digest of CLEO, 6.-11. Mai 2001, Baltimore, MD, USA beschrieben ist, ist ein möglicher Kandidat ein über den Mantel gepumpter, mit Yb dotierter Hochleistungsfaserverstärker mit einem pulspositionsmodulierten Keimoszillator. Diese Prinzipien gelten auch für Fasern, die mit anderen Seltenerdionen dotiert sind, um bei anderen Wellenlängen zu arbeiten. Eine interessante Möglichkeit ist von Sö derlund et al. in IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 13, No. 1, Jan. 2001, S. 22-24 beschrieben, wo über verstärkte, spontane Emission (ASE) in über den Mantel gepumpten, mit Erbium dotierten Fasernverstärkern für das lange Wellenlängenband berichtet ist. Hier ist es angegeben, dass durch Mantelpumpen Richtungseffekte des Pumpvorgangs stark verringert werden, wenn die Mantelfläche erhöht wird. Tatsächlich führen große Mantelflächen zu einer gleichmäßigeren Pumpleistungsverteilung entlang der Faserlänge, wodurch der Aufbau einer Verstärkung kurzer Wellenlängen und einer ASE-Leistung verhindert ist.
In jüngerer Zeit wurde ein neuer Typ optischer Fasern vorgeschlagen, der durch eine sogenannte Mikrostruktur gekennzeichnet ist. Optische Fasern dieses Typs (die mit mehreren Namen bezeichnet werden – beispielsweise als mikrostrukturierte Fasern, photonische Kristallfasern, Löcherfasern und Fasern mit Photonenbandlücke) sind in einer Anzahl von Literaturstellen beschrieben, wie WO 99/64903, WO 99/64904 und Broeng et al. (siehe Pure and Applied Optics, S. 477-482, 1999) wobei Fasern mit Mänteln beschrieben sind, die Photonenbandlücke(PBG)-Strukturen bilden, und im US-Patent Nr. 5,802,236, Knight et al. (siehe J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 15, No. 3, S. 748-752, 1998), Monro et al. (siehe Optics Letters, Vol. 25(4), S. 206-8, Februar 2000), wo Fasern definiert sind, bei denen das Licht unter Verwendung interner Totalreflexion (TIR) übertragen wird. Diese Anmeldung deckt Fasern ab, die hauptsächlich durch TIR leiten. Es ist bekannt, dass mikrostrukturierte Fasern Wellenleitungseigenschaften zeigen, die mit herkömmlichen Fasern nicht erzielbar sind.
Um die Menge des in die Faser koppelbaren Pumplichts zu erhöhen, haben D.J.DiGiovanni und R.S.Windeler im US-Patent Nr. 5,907,652 ein neues Faserdesign mit Luftmantel beschrieben. DiGiovanni et al. offenbaren eine über den Mantel gepumpte optische Faserstruktur, die eine verbesserte Kopplung von Pumpstrahlung in Fasern erleichtert. Ein anderer Gesichtspunkt bei den durch DiGiovanni et al. offenbarten Fasern besteht im optischen Isolieren des Innenmantels gegen die Außenstruktur, um durch Neubeschichtung induzierte Änderungen der optischen Eigenschaften der durch Ultraviolett (UV) Licht in die Faser geschriebenen Bragg-Fasergitter zu vermeiden. Die Fasern gemäß der Beschreibung von DiGiovanni et al. verfügen über eine erhöhte numerische Apertur (NA), die sich aus dem Anbringen eines Mantelbereichs mit ausreichend niedrigerem effektivem Brechungsindex, als er sich beim Stand der Technik findet, ergibt. Dies wurde dadurch bewerkstelligt, dass der erste Außenmantelbereich im Wesentlichen zu einem Luftmantelbereich gemacht wurde.
Die Anwendung mikrostrukturierter Fasern – oder photonischer Kristallfasern – in Verbindung mit einer Ytterbiumdotierung wurde von W.J.Wadsworth et al. in IEE Electronic Letters, Vol. 36, S. 1452-1453, 2000 vorgeschlagen und mitgeteilt. Ferner nahmen sich W.J.Wadsworth et al. in der Veröffentlichung CWC1, Technical Digest of CLEO'2001, 6.-11. Mai 2001, Baltimore, MD, USA des Problems an, dass hohe Leistungspegel zu unerwünschten Nichtlinearitäten oder einer körperlichen Schädigung führen. Die Vorgehensweise von W.J.Wadsworth et al. besteht im Kombinieren der Einzelmode- und Großmodefläche-Eigenschaften photonischer Kristallfasern mit einer Codotierung von Ytterbium. Darüber hinaus wird von Wadsworth et al. darauf hingewiesen, dass darauf geachtet werden muss, dass alle dotierten Bereiche innerhalb der PCF nicht selbst Wellenleiter bilden. Um dies zu verhindern, wurde der Kern der angegebenen, mit Ytterbium dotierten Faser in 425 dotierte Bereiche mit Durchmessern von jeweils unter 250 nm mikrostrukturiert – um dabei ein Medium mit einem effektiven Index mit einem Gebietsfüllanteil des dotierten Glases von einigen Prozent zu erzeugen, was zu einer effektiven Stufe führt, die für starkes Führen unzureichend ist. Wadsworth et al. nennen ferner das Potenzial dieser Technologie, auf noch größere Kerne, hohe Ausgangsleistungen und für effizientes Pumpen über den Mantel durch Diodenlesearrays unter Verwendung von Doppelmantel-Mikrostrukturen mit hoher numerischer Apertur skaliert zu werden.
In einer jüngeren Veröffentlichung von Doya, Legrand und Mortessagne (Optics Letters, Vol. 26, No. 12, 15. Juni 2001, S. 872-874) ist optimierte Absorption der Pumpleistung für eine Faser mit D-förmigem Innenmantel beschrieben. Doya et al. verwenden einen Strahlverlauf im Querschnitt des Innenmantels der D-förmigen Faser, um eine gut verteilte Pumpverteilung zu erzielen (wobei die o.g. Schrägstrahlen vermieden werden).
Russell et al. beschreiben in WO 0142829 mikrostrukturierte Fasern zur Verwendung als Laser beispielsweise als über den Mantel gepumpte Vorrichtungen. Die von Russell et al. beschriebenen Fasern sind durch einen mikrostrukturierten Innenmantel mit einer großen Anzahl (mehr als 10) von Strukturen mit niedrigem Index, die auf periodische Weise angeordnet sind, gekennzeichnet. Der Innenmantelbereich der von Russell et al. beschriebenen Fasern ist ferner durch eine symmetrische Außenform gekennzeichnet – beispielsweise eine kreisförmige oder rechteckige Form.
Um eine hohe NA zu erzielen, beschreiben DiGiovanni et al. im US-Patent Nr. 5,907,652, dass der erste Außenmantelbereich (auch als Luftmantel bezeichnet) "im Wesentlichen ein leerer Raum, wobei ein relativ kleiner Anteil (typischerweise < 50%, vorzugsweise < 25%) des ersten Außenmantelbereichs eine Stützstruktur (ein "Netz"), das den zweiten Außenmantelbereich relativ zum Annenmantelbereich fixiert" sein sollte. Wie es in der detaillierten Beschreibung der Erfindung demonstriert wird, haben die Erfinder jedoch erkannt, dass es nicht notwendigerweise ausreicht, über einen Luftmantelbereich mit großem Luftfüllungsanteil zu verfügen, damit die Faser hinsichtlich des Innenmantels eine hohe NA zeigt. Tatsächlich haben die Erfinder erkannt, dass es erforderlich ist, dass das "Netz" auf spezielle Weise konzipiert ist, die mit der Dicke der Fäden des "Netzes" im Vergleich zur optischen Wellenlänge des im Innenmantel geführten Lichts in Beziehung steht, um eine hohe NA zu erzielen.
Es ist ein Nachteil der von DiGiovanni et al. im US-Patent Nr. 5,907,652 beschriebenen Fasern, dass das "Netz" nicht für eine hohe NA optimiert wurde.
Ein weiterer Nachteil der von DiGiovanni et al. im US-Patent Nr. 5,907,652 beschriebenen Fasern besteht darin, dass der Querschnitt des Innenmantels bei den dargestellten Beispielen im Wesentlichen kreisförmig ist. Dies kann zum Auftreten von Schrägstrahlen des Pumplichts führen und ein nicht optimales Pumpen des Kernbereichs ergeben.
Es ist ein weiterer Nachteil der von DiGiovanni et al. im US-Patent Nr. 5,907,652 beschriebenen Fasern, dass der Innenmantel nicht mikrostrukturiert ist, d.h., es ist keine Kontrolle des effektiven Brechungsindex des Innenmantels beschrieben, und darüber hinaus wurde die Verwendung speziell platzierter Luftlöcher oder von Hohlräumen im Innenmantel nicht untersucht.
Ein Nachteil der mit Yb codotierten Fasern, über die von W.J.Wadsworth et al. in IEE Electronics Letters, Vol. 36, S. 1452-1453, 2000 geschrieben wurde, besteht darin, dass das Problem der Pumpleistungsverteilung in Multimodebereichen, wie sie im Wesentlichen in Doppelmantelfasern für Hochleistungsanwendungen verwendet werden, nicht berücksichtigt ist.
Ein Nachteil der von Doya et al. beschriebenen D-förmigen Fasern besteht darin, dass die Vorteile einer Mikrostrukturierung nicht genutzt sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Design mit D-förmiger Faser eine deutliche Komplexität der Vorformungsbehandlung erfordert (wozu häufig ein Langzeitpolieren gehört), was zu Faserglasdefekten führen kann.
Ein Nachteil der von Russell et al. angegebenen Fasern besteht darin, dass die Form des Innenmantelbereichs symmetrisch ist. Es kann ein weiterer Nachteil sein, dass die von Russell et al. angegebenen Fasern im Innenmantelbereich über eine große Anzahl von Strukturen mit niedrigem Index verfügen, da diese so wirken, dass sie die NA von Moden im Innenmantel im Vergleich zu Innenmantelstrukturen verringern, die über keine oder eine geringe Anzahl von Strukturen mit niedrigem Brechungsindex (weniger als 10) verfügen. Es kann ein weiterer Nachteil der von Russell et al. angegebenen Fasern sein, dass die Strukturen mit niedrigem Brechungsindex des Innenmantelbereichs periodisch angeordnet sind. Die Erfinder haben erkannt, dass eine nicht periodische Anordnung von Strukturen im Innenmantelbereich für eine effizientere Kopplung zwischen Mantelmoden und mindestens einer im Faserkern geführten Mode führen kann.
2. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Klasse optischer Wellenleiter anzugeben, für die eine verbesserte Kopplung in über den Mantel gepumpte optische Fasern durch optimales Design mikrostrukturierter Außenmantelbereiche erzielt werden kann, die für eine hohe NA für mindestens eine Mode eines Innenmantelbereichs sorgen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine neue Klasse optischer Wellenleiter zu schaffen, bei denen eine verbesserte Effizienz von über den Mantel gepumpten optischen Fasern durch ein optimales Design mikrostrukturierter Innenmantelbereiche erzielt werden kann. Hierbei ist ein stärker dynamisches Design des effektiven Index – und ein höherer Flexibilitätsgrad betreffend eine vorgegebenene räumliche Umverteilung – möglich.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, neue und verbesserte, über den Mantel gepumpte Vorrichtungen zu schaffen, bei denen die Modeausbreitungseigenschaften des Photonenbandlückeneffekts mit einem mikrostrukturierten Innenmantel kombiniert werden können, um eine höhere Leistungsverstärkung und Laserwirkung zu erzielen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, verbesserte Faserlaser und Verstärker zu schaffen, bei denen die Ausführbarkeit einer genauen Raummodesteuerung mikrostrukturierter optischer Fasern mit Multimode-Pumpeigenschaften und eine optimale Platzierung des aktiven Mediums, beispielsweise des seltenerddotierten Materials, kombiniert sind.
Lösung gemäß der Erfindung
Die Erfinder haben erkannt, dass die Verwendung von Mantelstrukturen mit niedrigem Index mit relativ kleinem Gebiet zwischen benachbarten Strukturen mit niedrigem Index erforderlich sein kann, um über den Mantel gepumpte Faserverstärker und Laser mit hoher NA bei einer Faserstruktur zu realisieren, die eine Anzahl innerer Mantelmoden führt. Die Erfinder haben eine wichtige Beziehung zwischen der Weite der o.g. Gebiete und der optischen Wellenlänge der inneren Mantelmoden erkannt. Die hohe NA der Fasern, die in Fasern gemäß der Erfindung erzielbar ist, liefert Vorteile in Bezug auf eine effiziente Kopplung von Licht von Laserquellen in die Fasern. Die hohe NA kann ferner für Vorteile in Bezug auf eine effiziente Übertragung von Energie von Mantelmoden in einem Innenmantel in mindestens eine Mode des Kerns sorgen.
Die optische Faser gemäß der Erfindung ist dergestalt, wie es in den Ansprüchen definiert ist. Die optische Faser gemäß der Erfindung verfügt über mindestens einen Kern, der durch einen Annenmantelbereich und einen ersten Außenmantelbereich umgeben ist, wobei der erste Außenmantelbereich durch einen zweiten Außenmantelbereich umgeben ist und er einen Querschnitt mit einer Anzahl erster Außenmantelstrukturen mit niedrigerem Brechungsindex als dem des Materials um die ersten Außenmantelstrukturen herum aufweist, wobei für mehrere der ersten Außenmantelstrukturen der Minimalabstand zwischen zwei am nächsten benachbarten ersten Außenmantelstrukturen kleiner als 1 μm ist. Hierbei kann der Kern durch einen Außenmantel umgeben sein, der aus dem ersten und dem zweiten Außenmantelbereich besteht, wobei der erste Außenmantelbereich zwischen dem Kern und dem zweiten Außenmantelbereich angeordnet ist.
Der Innenmantelbereich kann als Reservoir von im Kern erzeugtem Licht dienen.
Bei der Erfindung soll der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten Außenmantelstrukturen den Minimalabstand zwischen den Außengrenzen der zwei nächstbenachbarten Mantelstrukturen bedeuten. Es ist zu beachten, dass dann, wenn auf eine Faser vorgegebener Länge geblickt wird, die Querschnittsabmessungen der Faser entlang der Länge derselben variieren können. So überdeckt die Erfindung Gegenstände mit einer Faser, die in mindestens einer Querschnittsfläche entlang der Faserlänge durch eines oder mehrere der hier beschriebenen Ausführungsformen gekennzeichnet ist. Hierbei kann die mindestens eine Querschnittsfläche eine Endfläche der Faser sein. Es liegt auch innerhalb einer bevorzugten Ausführungsform, dass die mindestens eine Querschnittsfläche die größte Querschnittsfläche entlang der Faserlänge ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Faser so bemessen sein, dass ihre Querschnittsflächen entlang ihrer Länge eine Variation aufweist, die nicht höher als 15% oder nicht höher als 10% ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der erste Außenmantelbereich im Querschnitt einen Innendurchmesser oder eine Innenquerschnittsabmessung aufweisen, die 15 μm oder mehr beträgt. Hierbei kann der Innendurchmesser oder die Innenquerschnittsabmessung des ersten Außenmantelbereichs 20 μm oder mehr betragen. Vorzugsweise liegt der Innendurchmesser oder die Innenquerschnittsabmessung des ersten Außenmantelbereichs im Bereich von 80–125 μm oder im Bereich von 125–350 μm.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung verfügt die optische Faser über mindestens einen weiteren Außenmantelbereich mit einem weiteren Außenmantel-Hintergrundmaterial, wobei er den ersten Außenmantelbereich umgibt.
Die Erfindung betrifft auch eine optische Faser in Kombination mit einer Pumpstrahlungsquelle, wobei für mehrere der ersten Außenmantelstrukturen zwei nächstbenachbarte erste äußere Außenmantelstrukturen über einen Minimalabstand verfügen, der kleiner als die Wellenlänge des Mantelpumplichts ist.
Die optische Faser gemäß der Erfindung kann durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten hergestellt werden:

(a) Bereitstellen einer Vorform, die Folgendes aufweist: (i) ein zentrales Vorformelement zum Erzeugen eines Kernbereichs der optischen Faser, wobei dieses zentrale Vorformelement über mindestens ein Element verfügt, das aus der aus Stäben, Rohren oder Kombinationen hiervon bestehenden Gruppe ausgewählt ist; (ii) mehrere Innenmantel-Vorformelemente zum Herstellen eines Innenmantelbereichs der optischen Faser, wobei diese Innenmantel-Vorformelemente über mindestens ein Element verfügen, das aus der aus Stäben, Rohren oder Kombinationen hiervon bestehenden Gruppe ausgewählt ist; (iii) mehrere erste Außenmantel-Vorformelemente zum Herstellen eines ersten Außenmantelbereichs der optischen Faser, wobei diese ersten Außenmantel-Vorformelemente über mehrere Elemente verfügen, die aus der aus Stäben, Rohren oder Kombinationen hiervon bestehenden Gruppe ausgewählt sind; (iv) wahlweise mehreren weiteren Außenmantel-Vorformelementen zum Herstellen mindestens eines weiteren Außenmantelbereichs der optischen Faser, wobei diese weiteren äußeren Außenmantel-Vorformelemente über mehrere Elemente verfügen, die aus der aus Stäben, Rohren oder Kombinationen hiervon bestehenden Gruppe ausgewählt sind; und (v) ein Übermantel-Vorformelement zum Herstellen eines Außendurchmessers der optischen Faser, wobei es über ein Element in Form eines Rohrs verfügt; und
(b) Ziehen der Vorform zu einer Faser;

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen offenbart, und sie werden nachfolgend weiter erörtert.
Die Erfindung betrifft auch eine Ausführungsform, bei der der zweite Außenmantelbereich Teil eines Außenmantels ist, der ferner über einen dritten und einen vierten Außenmantelbereich verfügt, wobei der dritte Außenmantelbereich zwischen dem zweiten und dem vierten Außenmantelbereich angeordnet ist, wobei der dritte Außenmantelbereich im Querschnitt über eine Anzahl dritter Außenmantelstrukturen mit niedrigerem Brechungsindex als dem von irgendeinem Material um diese dritten Außenmantelstrukturen herum verfügt, wobei für mehrere der dritten Außenmantelstrukturen der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten dritten Außenmantelstrukturen kleiner als 1 μm oder kleiner als die optische Wellenlänge des durch die Faser im Gebrauch geführten Lichts ist.
Wenn für mehrere der ersten und/oder dritten Außenmantelstrukturen der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten Außenmantelstrukturen kleiner als 1 μm ist, liegt es innerhalb einer bevorzugten Ausführungsform, dass für mehrere der ersten und/oder dritten Außenmantelstrukturen der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten Außenmantelstrukturen kleiner als 0,8 μm. Der Minimalabstand kann hier kleiner als 0,5 μm, wie kleiner als 0,4 μm, wie kleiner als 0,3 μm, oder wie kleiner als 0,2 μm sein.
Wenn für mehrere der ersten Außenmantelstrukturen der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten derselben kleiner als die optische Wellenlänge von durch die Faser im Gebrauch geführtem Licht ist, ist es bevorzugt, dass für mehrere der ersten Außenmantelstrukturen der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten derselben kleiner als die kürzeste optische Wellenlänge von durch die Faser geführtem Licht ist. Auch wenn für mehrere der dritten Außenmantelstrukturen der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten derselben kleiner als die optische Wellenlänge von durch die Faser im Gebrauch geführtem Licht ist, ist es bevorzugt, dass für mehrere dieser dritten Außenmantelstrukturen der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten derselben kleiner als die kürzeste optische Wellenlänge des durch die Faser geführten Lichts ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Kern über eine Querschnittsabmessung über 25 μm verfügen. Hierbei kann die Querschnittsabmessung größer als 50 μm sein, wie größer als 75 μm oder wie größer als 100 μm, um dadurch dafür zu sorgen, dass die Faser im Kern Licht in mehreren Moden führt.
Es ist bevorzugt, dass für einen oder mehrere erste Außenmantelbereiche die ersten Außenmantelstrukturen eine relativ große Fläche des ersten Außenmantelbereichs belegen. So können die ersten Außenmantelstrukturen 45% oder mehr der Querschnittsfläche des einen oder der mehreren ersten Außenmantelbereiche belegen. Es ist bevorzugt, dass für alle ersten Außenmantelbereiche die ersten Außenmantelstrukturen 45% oder mehr der Querschnittsfläche derselben belegen. Es befindet sich auch innerhalb bevorzugter Ausführungsformen, dass die ersten Außenmantelstrukturen mindestens 50%, wie mindestens 60% oder mindestens 70% der Querschnittsfläche des ersten Außenmantelbereichs oder der ersten Außenmantelbereiche belegen. Es befindet sich auch innerhalb einer Ausführungsform der Erfindung, dass die dritten Außenmantelstrukturen 45% oder mehr des dritten Außenmantels belegen. Hierbei können die dritten Außenmantelstrukturen mindestens 50%, wie mindestens 60% oder mindestens 70% der Querschnittsfläche des dritten Außenmantels belegen.
Die Erfindung deckt auch eine Ausführungsform ab, bei der die optische Faser über einen Kern verfügt, der durch einen Innenmantel mit einer Anzahl von Innenmantelstrukturen umgeben ist, die innerhalb des Innenmantels zweidimensional verteilt sind, wobei der Innenmantel durch einen ersten Außenmantelbereich umgeben ist. Es ist bevorzugt, dass der Kern über eine Kernstruktur mit niedrigerem Brechungsindex als demjenigen des die Kernstruktur umgebenden Kernmaterials verfügt. Es ist auch bevorzugt, dass die periodische Anordnung der Annenmantelstrukturen mindestens vier oder fünf Perioden in der radialen Richtung ausgehend vom Zentrum des Innenmantels umfasst.
Die erste und/oder die dritte Außenmantelstruktur können auf periodische oder nicht periodische Weise platziert sein. Jedoch ist es bevorzugter, dass die ersten und/oder dritten Außenmantelstrukturen auf nicht kreisförmige, symmetrische Weise platziert sind. Es liegt auch innerhalb einer Ausführungsform der Erfindung, dass der erste Außenmantelbereich im Querschnitt im Wesentlichen über Sechseckform verfügt.
Die ersten Außenmantelstrukturen können ungefähr von gleicher Größe sein, jedoch deckt die Erfindung auch Ausführungsformen ab, bei denen erste Außenmantelstrukturen verschiedener Größen vorhanden sind.
Es ist bevorzugt, dass die ersten und/oder dritten Außenmantelstrukturen und/oder die Annenmantelstrukturen Hohlräume sind, und es ist bevorzugt, dass die ersten und/oder dritten Außenmantelstrukturen und/oder die Innenmantelstrukturen mit Vakuum, Luft, einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Polymer oder einer Kombination hiervon gefüllt sind. So können, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die ersten und/oder dritten Mantelstrukturen mit Luft gefüllte Hohlräume sein.
Für Ausführungsformen mit einem Innenmantel mit einem Kern, der durch einen Innenmantel oder einen Innenmantelbereich umgeben ist, ist es bevorzugt, dass der Kern oder die Kerne über eine Querschnittsabmessung unter 10 μm verfügt/verfügen. Dies kann die Faser dazu anpassen, Licht in einer Einzelmode im Kern zu führen. Es ist bevorzugt, dass der Kern über mindestens ein Element aus der aus Ge, Al, P, Sn und B bestehenden Gruppe verfügt. Jedoch deckt die Erfindung auch Ausführungsformen ab, bei denen der Kern oder die Kerne mindestens eine seltene Erde enthält bzw. enthalten, wie Er, Yb, Nd, La, Ho, Dy und/oder Tm.
Es liegt auch innerhalb von Ausführungsformen der Erfindung, dass die Faser über ein Gitter langer Periode oder ein Bragg-Fasergitter entlang zumindest einem Teil der Faserlänge verfügt.
Es ist zu beachten, dass zum Herstellen der Faser gemäß der Erfindung verschiedene Materialien verwendet werden können. Hierbei kann die Faser über ein Hintergrundmaterial verfügen, bei dem es sich um Siliciumoxid, ein Chalcogenid oder irgendeinen anderen Glastyp handelt. Es liegt auch innerhalb der Erfindung, dass die Faser über ein Hintergrundmaterial verfügt, das ein Polymer ist.
Die Erfinder haben erkannt, wie das flexible Design von mikrostrukturierten optischen Fasern dazu verwendet werden kann, für eine verbesserte Kopplungseffizienz für eine Pumplichtquelle (beispielsweise ein Halbleiterlaserarray) zu sorgen, und wie derartige Designs unter Verwendung einer Vorformherstell technik, die eine Detailsteuerung der mikrostrukturierten Elemente gewährleistet, leicht hergestellt werden kann.
Eines der durch die Erfindung zu lösenden Grundprobleme besteht darin, wie eine bessere Transversal- und Longitudinal-Pumpleistungsverteilung bei Faserlasern und -verstärkern durch optimale Kombinationen mikrostrukturierter Elemente im Innenmantel sowie eine verbesserte Modensteuerung von Signal- und Pumpmoden in über den Mantel gepumpten Fasern durch Mikrostrukturierung des Außenmantels erzielt werden können.
Demgemäß kann, bei Ausführungsformen der Erfindung mit einem Innenmantel, der Gegenstand gemäß der Erfindung ein über den Mantel gepumpter Faserlaser oder -verstärker sein. Hierbei kann der Gegenstand ein über den Mantel gepumpter Faserlaser oder -verstärker mit einer Pumpstrahlungsquelle und einem Stück der optischen Faser sein. Demgemäß kann, wenn der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten Außenmantelstrukturen kleiner als die kürzeste optische Wellenlänge ist, dieselbe durch die Wellenlänge dieser Pumpstrahlungsquelle bestimmt sein.
Es liegt auch innerhalb einer Ausführungsform der Erfindung, dass die optische Faser im Querschnitt über eine ungleichmäßige Form des Innenmantelbereichs entlang der Faserlänge verfügt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die ersten und/oder dritten Außenmantelstrukturen periodisch verteilt sein. Hierbei kann die Faser Photonenbandlückeneffekte zeigen, die Mantelmoden in den Kern und/oder den Innenmantelbereich einschränken.
Es ist zu beachten, dass für Fasern mit einem Innenmantel der Innenmantelbereich als Reservoir für im Kern erzeugtes Licht dienen kann. Die optischen Fasern gemäß der Erfindung verfügen über einen Innenmantel, der bidirektional optisch gepumpt werden kann.
Für Fasern mit Innenmantelstrukturen kann das Faserkernmaterial dasselbe wie das Hintergrundmaterial des Innenmantelbereichs sein.
Die Erfindung deckt auch Ausführungsformen ab, bei denen, für die Mehrzahl oder alle der ersten Außenmantelstrukturen, der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten Außenmantelstrukturen kleiner als 1 μm ist. Hierbei kann, für die Mehrzahl oder alle der ersten Außenmantelstrukturen, der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten derselben kleiner als 0,8 μm, wie kleiner als 0,5 μm, wie kleiner als 0,4 μm, wie kleiner als 0,3 μm, oder wie kleiner als 0,2 μm sein.
Ferner deckt die Erfindung auch Ausführungsformen ab, bei denen, für die Mehrzahl oder alle der ersten Außenmantelstrukturen, der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten derselben kleiner als die optische Wellenlänge von im Gebrauch durch die Faser geführtem Licht ist. Hierbei kann die optische Wellenlänge die kürzeste optische Wellenlänge von im Gebrauch durch die Faser geführtem Licht sein.
In ähnlicher Weise deckt die Erfindung auch Ausführungsformen ab, bei denen, für die Mehrzahl oder alle der dritten Außenmantelstrukturen, der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarte der Außenmantelstrukturen kleiner als 1 μm ist. Hierbei kann, für die Mehrzahl oder alle der dritten Außenmantelstrukturen, der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten Außenmantelstrukturen kleiner als 0,8 μm, wie kleiner als 0,5 μm, wie kleiner als 0,4 μm, wie kleiner als 0,3 μm, oder wie kleiner als 0,2 μm sein. Ferner deckt die Erfindung auch Ausführungsformen ab, bei denen, für die Mehrzahl oder alle der dritten Außenmantelstrukturen, der Minimalabstand zwischen zwei nächstbenachbarten Außenmantelstrukturen kleiner als die optische Wellenlänge von im Gebrauch durch die Faser geführtem Licht ist. Hierbei kann die optische Wellenlänge die kürzeste optische Wellenlänge von im Gebrauch durch die Faser geführtem Licht sein.
Es ist zu beachten, dass es innerhalb einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt, dass der Außenmantel über eine effektive Brechung nicht mit einem Wert unter dem effektiven Brechungsindex des Kerns oder irgendeiner der Kerne verfügt. Es ist auch bevorzugt, dass der Außenmantel über keine effektive Brechung mit einem Wert unter dem effektiven Brechungsindex des Innenmantels oder von Innenmantelbereichen verfügt. Hierbei sollte der effektive Brechungsindex des Innenmantels oder der Innenmantelbereiche kleiner als der effektive Brechungsindex des Kerns oder irgendeines der Kerne sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der zweite Außenmantelbereich aus einem homogenen Material bestehen.
Damit die ersten Außenmantelstrukturen innerhalb einer Ausführungsform der Erfindung liegen, entspricht die größte Querschnittsabmessung 10 μm oder weniger. Hierbei kann die größte Querschnittsabmessung der ersten Außenmantelstrukturen 3 μm oder weniger entsprechen.
Für Fasern gemäß der Erfindung mit einem Innenmantel liegt es innerhalb einer Ausführungsform der Erfindung, dass der Innenmantel über ein Hintergrundmaterial und mehrere Strukturen verfügt, die über einen Brechungsindex verfügen, der höher und/oder niedriger als derjenige des Hintergrundmaterials des Martensitstahls ist. Es ist bevorzugt, dass die Innenmantelstrukturen über einen niedrigeren Index verfügen, als es dem Brechungsindex des Hintergrundmaterials entspricht, und dass die Innenmantelstrukturen über Hohlräume verfügen können. Die Innenmantelstrukturen können mit Vakuum, Luft, einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Polymer oder einer Kombination hiervon gefüllt sein. Wenn die Innenmantelstrukturen über einen niedrigeren Index verfügen, als es dem Brechungsindex des Innenmantel-Hintergrundmaterials entspricht, können die Innenmantelstrukturen über einen Querschnittsdurchmesser oder eine Querschnittsabmessung im Bereich vom 0,3- bis 0,6-fachen oder vom 0,3- bis 0,5-fachen des Mitte-Mitte-Abstands zwischen benachbarten Innenmantelstrukturen verfügen. Hierbei kann der Mitte-Mitte-Abstand zwischen benachbarten Innenmantelstrukturen ein mittlerer Mitte-Mitte-Abstand sein. Der Mitte-Mitte-Abstand kann größer als 5 μm sein, wie im Bereich von 8–12 μm, oder wie ungefähr 10 μm. Es liegt auch innerhalb einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung, dass der Kern über einen oder mehrere Dotierstoffe zum Erhöhen oder Absenken des Brechungsindex über den Brechungsindex des Hintergrundmaterials des Innenmantels verfügt. Der Außendurchmesser des Innenmantels kann im Bereich von 60–400 μm, oder im Bereich von 200–400 μm liegen.
Die Erfindung deckt ferner Ausführungsformen ab, bei denen die optische Faser über eine Länge mit einem ersten und einem zweiten Ende verfügt, wobei die Querschnittsfläche der ersten Außenmantelstrukturen am ersten Ende größer als jede Querschnittsfläche erster Außenmantelstrukturen am zweiten Ende ist. Hierbei kann das zweite Ende über keine erste Außenmantelstruktur verfügen, oder die ersten Außenmantelstrukturen können am zweiten Ende vollständig zusammengebrochen sein.
In ähnlicher Weise deckt die Erfindung Ausführungsformen ab, bei denen die optische Faser über eine Länge mit einem ersten und einem zweiten Ende verfügt und die Querschnittsfläche der ersten Außenmantelstrukturen am ersten Ende größer als irgendeine Querschnittsfläche der dritten Außenmantelstrukturen am zweiten Ende ist. Auch hier kann das zweite Ende über keine dritten Außenmantelstrukturen verfügen, oder diese können am zweiten Ende vollständig zusammengebrochen sein.
Es ist zu beachten, dass gemäß der Erfindung die ersten Außenmantelstrukturen längliche Strukturen sind, die sich in der Achsenrichtung der Faser erstrecken. In ähnlicher Weise können die dritten Außenmantelstrukturen längliche Strukturen sein, die sich in der axialen Richtung der Faser erstrecken, und auch die Innenmantelstrukturen sind längliche Strukturen, die sich in der axialen Richtung der Faser erstrecken.
Für Fasern mit einem Innenmantel liegt es innerhalb einer Ausführungsform der Erfindung, dass das die ersten Innenmantelstrukturen umgebende Hintergrundmaterial oder das die Fläche zwischen benachbarten ersten Außenmantelstrukturen ausfüllende Überbrückungsmaterial einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, als es dem Brechungsindex des Hintergrundmaterials des Innenmantels entspricht.
Es ist zu beachten, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung für die Erfindung lediglich beispielhaft sind und sie dazu vorgesehen sind, für einen Überblick oder einen Rahmen zum Verstehen der Art und des Charakters der beanspruchten Erfindung zu sorgen. Die beigefügten Figuren sind enthalten, um für ein weiteres Verständnis der Erfindung zu sorgen. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern sie ist durch die beigefügten Ansprüche definiert. Die Figuren veranschaulichen verschiedene Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung, und sie dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien und den Betrieb der Erfindung zu erläutern. Wo es angegeben ist, werden die Figuren zum Beschreiben des Stands der Technik verwendet.
Definition von Ausdrücken und Begriffen
Der Begriff "Gegenstand mit einer optischen Faser" soll umfassend interpretiert werden. Beispielsweise beinhaltet er eine optische Faser selbst, bei spielsweise eine mit einer Faserbeschichtung beschichtete optische Faser; ein optisches Fasererzeugnis mit einer optischen Faser beispielsweise in einer Kabelanordnung; ein optisches Fasererzeugnis mit einer optischen Faser als optischer Komponente; oder ein optisches Kommunikationssystem oder Teile eines solchen mit einer optischen Faser.
Bei Mikrostrukturen ist eine direkt messbare Größe der sogenannte "Füllungsanteil", d.h., das Volumen von in einer Mikrostruktur vorhandenen Strukturen relativ zum Gesamtvolumen einer Mikrostruktur. Für Fasern, die in ihrer axialen Richtung invariant sind, kann der Füllungsanteil aus einer direkten Untersuchung des Faserquerschnitts bestimmt werden.
In dieser Anmeldung wird zwischen "Brechungsindex", "geometrischem Index" und "effektivem Index" unterschieden. Der Brechungsindex ist der herkömmliche Brechungsindex eines homogenen Materials. Der geometrische Index einer Struktur ist der geometrisch gewichtete Brechungsindex derselben. Als Beispiel verfügt eine Struktur aus 40% Luft (Brechungsindex = 1,0) und 60% Siliciumoxid (Brechungsindex ≈ 1,45) über einen geometrischen Index von 0,4 × 1,0 + 0,6 × 1,45 = 1,27. Die Prozedur zum Bestimmen des effektiven Brechungsindex, der kurz als effektiver Index bezeichnet wird, einer vorgegebenen Mikrostruktur bei einer vorgegebenen Wellenlänge ist dem Fachmann gut bekannt (siehe beispielsweise Joannopoulos et al., "Photonic Crystals", Princeton University Press, 1995 oder Broeng et al., Optical Fiber Technology, Vol. 5, S. 305-330, 1999).
Im Allgemeinen ist zur genauen Bestimmung der effektiven Indizes von Mikrostrukturen ein numerisches Verfahren erforderlich, das die Maxwell-Gleichung in voller Vektorform lösen kann. Die Erfindung nutzt die Anwendung eines derartigen Verfahrens, wie sie in der Literatur gut dokumentiert ist (siehe die vorige Literaturstelle von Joannopoulos). Im Bereich langer Wellenlängen ist der effektive Index grob mit dem gewichteten Mittel der Brechungsindizes der Bestandteile des Materials identisch, d.h., dass in diesem Wellenlängenbereich der effektive Index nahe am geometrischen Index liegt. Selbstverständlich ist bei einem homogenen Medium der effektive Brechungsindex mit dem Brechungsindex identisch.
3. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Funktion sowie zusätzliche Merkmale der Erfindung werden unter Berücksichtigung der verschiedenen Ausführungsformen deutlicher werden, die nun in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben werden. In den Figuren ist Folgendes dargestellt:
1 zeigt eine Doppelmantelfaser gemäß dem Stand der Technik, bei der der Innenmantel kreisförmig ist.
2 zeigt eine Doppelmantelfaser gemäß dem Stand der Technik, bei der der Innenmantel in einer Querrichtung länglich ist.
3 zeigt eine Doppelmantelfaser gemäß dem Stand der Technik, bei der der Martensitstahl nicht kreisförmig ist und über einen blattförmigen Querschnitt verfügt.
4 zeigt ein Beispiel einer Doppelmantelfaser gemäß dem Stand der Technik, wobei der erste Außenmantel im Wesentlichen ein Luftmantelbereich ist.
5 zeigt Siliciumoxid-Überbrückungsbereiche, wie sie um die Grenzfläche zwischen dem Innenmantel und dem Außenmantel herum existieren. Es ist eine Minimalbreite eines Überbrückungsbereichs definiert.
6 veranschaulicht die numerische Apertur von Luftmantelfasern mit einem festen Luftfüllungsanteil von ungefähr 45%, jedoch verschiedenen Breiten des Überbrückungsbereichs.
7 veranschaulicht die numerische Apertur der Luftmantelfasern mit einem festen Luftfüllungsanteil von ungefähr 58%, jedoch verschiedenen Breiten des Überbrückungsbereichs.
8 vergleicht die numerische Apertur von Luftmantelfasern mit verschiedenen Luftfüllungsanteilen für ähnliche Überbrückungsbreiten.
9 zeigt einen Querschnitt einer photonischen Kristallfaser gemäß dem Stand der Technik, wobei der effektive Brechungsindex des Innenmantels durch eine große Anzahl periodisch angeordneter, kleinerer Luftlöcher bestimmt ist und der effektive Brechungsindex des Außenmantels durch Luftlöcher mit einem anderen Querschnitt als dem beim Innenmantel bestimmt ist.
10 zeigt ein Beispiel zum Querschnitt einer photonischen Kristallfaser, bei der die den zweiten Mantel bildenden Luftlöcher nicht kreisförmig positioniert sind.
11 zeigt ein Beispiel zum Querschnitt einer photonischen Kristallfaser, bei der die den zweiten Mantel bildenden Luftlöcher von verschiedenen Größen sind.
12 zeigt ein anderes Beispiel einer photonischen Kristallfaser gemäß der Erfindung. Die Faser verfügt über einen großen Kernbereich, in dem Licht in einer Einzelmode geführt werden kann. Die Faser verfügt ferner über eine Mikrostruktur im Innenmantel, die so wirkt, dass sie nur eine Einzelmode im Kern unterstützt, und mit einem Luftmantelbereich, der so wirkt, dass er für Moden im Innenmantel für eine hohe NA sorgt.
13 veranschaulicht schematisch den Parameter T, der dazu verwendet wird, die Dicke der Luftmantelschicht zu charakterisieren.
14 zeigt schematisch eine optische Faser gemäß der Erfindung, bei der periodisch verteilte Strukturen im Innenmantel für eine Einengung des Signallichts unter Verwendung des PBG-Effekts sorgen.
15 veranschaulicht schematisch den Betrieb eines Faserverstärkers oder eines Faserlasers, wobei unter Verwendung des PBG-Effekts verbesserte Effizienz erzielt ist.
16 zeigt Versuchs- und Simulationsergebnisse für die NA zweier Fasern mit verschiedenen Überbrückungsbreiten als Funktion der Wellenlänge.
17 zeigt Versuchs- und Simulationsergebnisse für die NA als Funktion der Wellenlänge geteilt durch die Überbrückungsbreite.
18 zeigt schematisch den Querschnitt einer optischen Faser gemäß der Erfindung mit niedrigerem Brechungsindex in den Überbrückungsbereichen als demjenigen des Hintergrundmaterials des Innenmantelbereichs.
19 zeigt schematisch das Brechungsindexprofil entlang einer Richtung im Querschnitt einer Faser gemäß der Erfindung mit niedrigerem Brechungsindex in den Überbrückungsbereichen im Vergleich zum Hintergrundmaterial des Innenmantelbereichs.
20 zeigt Simulationsergebnisse für die NA als Funktion der Wellenlänge geteilt durch die Überbrückungsbreite für Fasern mit verschiedenenen Brechungsindexkontrasten zwischen den Überbrückungsbereichen und dem Hintergrundmaterial des Innenmantelbereichs.
4. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Beschreibung der Erfindung beruht auf Beispielen. Die Erfindung ist in keiner Weise auf die angegebenen Beispiele beschränkt, die lediglich dazu dienen, die Konzepte und die Designideen zu veranschaulichen, die der Erfindung zugrunde liegen.
Die 1 zeigt ein Beispiel einer typischen Doppelmantelfaser, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Dieser Fasertyp wird in weitem Umfang für über den Mantel gepumpte Faserverstärker und Faserlaser verwendet. Die Faser ist durch einen Kernbereich 10 und zwei Mantelbereiche, nämlich einen Innenmantel 11 und einen Außenmantelbereich 12, gekennzeichnet. Typischerweise ist der Brechungsindex des Kernbereichs höher als derjenige des Innenmantelbereichs, wobei der Kern als Kern in einer herkömmlichen optischen Einzelmodefaser wirken kann, und der Innenmantelbereich verfügt über einen höheren Brechungsindex als der Außenmantelbereich, wodurch im Innenmantel eine Anzahl von Mantelmoden geführt werden kann. Das Prinzip der Faser als über den Mantel gepumpter Verstärker oder Laserbauteil besteht lediglich darin, dass das Pumpen eines aktiven Materials im Faserkern unter Verwendung der Mantelmoden als Maßnahmen zum Übertragen von Pumplicht von einem Pumplaser zum Kern erleichtert ist. Hochtemperturlaser arbeiten typischerweise in mehreren Moden, und sie können an Mantelmoden der Doppelmantelfaser effizienter als direkt an eine Mode im Kern gekoppelt werden. Durch Übertragung der optischen Energie von den Mantelmoden an die Kernmode entlang der Faserlänge kann ein insgesamt effizienteres Pumpen als bei direkter Kopplung von Pumplaserlicht in den Faserkern erzielt werden. Im Abschnitt betreffend den Hintergrund der Erfindung findet sich eine Anzahl von Literaturstellen zu diesem Typ von Faserbauteil (siehe auch US 5,937,134 ).
Um die Übertragung von Energie von den Mantelmoden auf eine Kernmode zu verbessern, wird häufig eine nicht kreisförmige Form des Innenmantelbereichs verwendet. Die 2 zeigt ein Beispiel einer bekannten Doppelmantelfaser mit nahezu rechteckig geformtem Innenmantelbereich 21, der den Kernbereich 20 umgibt. Der Außenmantelbereich 22 ist durch einen niedrigeren Brechungsindex als dem des Innenmantelbereichs gekennzeichnet, wie dies für die Faser in der 1 gilt. Die Vorteile der Verwendung einer nicht kreissymmetrischen Form für den Innenmantel sind im Hintergrund der Erfindung beschrieben. Außerdem können die Form des Innenmantelbereichs und der Einbau von Spannungen ausübenden Strukturen in die Innenmantelstruktur dazu genutzt werden, in Doppelmantelfasern Doppelbrechung zu erzielen, wie beispielsweise für die Polarisation aufrechterhaltende Anwendungen (siehe US 5,949,941 für Beispiele derartiger Fasern). Die 3 zeigt ein anderes Beispiel einer bekannten Faser mit nicht kreisförmiger Form des Innenmantels 31.
Wenn über den Mantel gepumpte Fasern und Faserbauteile optimiert werden, besteht ein erster wichtiger, zu berücksichtigender Punkt in der Realisierung eines großen Indexkontrasts zwischen dem Innenmantelbereich und seiner Außenumgebung. Dies ist wichtig, um über eine hohe numerische Apertur, NA, des Innenmantels zu verfügen, damit eine effiziente Kopplung von einem Pumplaser auf die Mantelmoden erzielt werden kann. Typischerweise ist die numerische Apertur von Pumplasern, wie beispielsweise Multimode-Festkörperlasern, deutlich größer als 0,2. Demgemäß ist es erwünscht, Faserdesigns mit einem Innenmantelbereich mit einer NA über 0,2 bei der Pumpwellenlänge zu realisieren. Zweitens ist es wesentlich, die Feldverteilung, sowohl hinsichtlich der räumlichen Größe als auch der Form, an die Mantelmoden der Pumpfasermoden anzupassen. Drittens ist es wesentlich, dass die Faser über eine effiziente Übertragung der Energie von Mantelmoden auf den Kern verfügt.
Ein Beispiel einer bekannten Doppelmantelfaser mit möglicherweise großer NA des Innenmantels 41 ist in der 4 dargestellt. Diese Faser ist eine sogenannte Luftmantelfaser, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Außenmantel in zwei Bereiche unterteilt ist, nämlich einen ersten Außenmantelbereich mit einer Anzahl von Strukturen mit niedrigem Index (Typischerweise Luftlöchern) 42, und einen zweiten Außenmantelbereich 43 um den ersten Außenmantelbereich herum, wobei er hauptsächlich als Übermantelschicht wirkt, die für mechanische Abstützung und Stabilität der Faser sorgt. In US 5,907,652 beschreiben DiGiovanni et al. diesen Typ einer Luftmantelfaser. DiGiovanni et al. weisen darauf hin, dass es einen Vorteil bildet, Luftlöcher zu verwenden, um einen niedrigen effektiven Brechungsindex des ersten Außenmantelbereichs zu erzielen.
DiGiovanni et al. führen aus, dass der effektive Brechungsindex durch den Luftfüllungsanteil bestimmt ist, und um die Faser zu verbessern, sollte der Luftfüllungsanteil so groß wie möglich sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen verfügt die Faser gemäß DiGiovanni et al. demgemäß über einen Luftfüllungsanteil von über 50%, und weiter bevorzugte Ausführungsformen verfügen über mehr als 75% Luft in der Luftmantelschicht (als "Netz" bezeichnet). Allgemein ist es gut verstanden, dass der effektive Index von Mikrostrukturen niedriger sein kann, wenn der Luftfüllungsanteil (oder der Anteil von Strukturen mit niedrigem Index) erhöht wird, weswegen es als naheliegende Verbesserung erscheint, den Luftfüllungsfaktor in den von DiGiovanni et al. angegebenen Fasern zu verbessern (entsprechend einer Erhöhung des Luftfüllungsanteils führen DiGiovanni et al. aus, dass die Menge des Materials mit hohem Index (typischerweise Siliciumoxid im Hintergrundmaterial des "Netzes" im Luftmantelbereich verringert werden sollte – vorzugsweise unter 50% oder ferner unter 25%).
Wenn eine detaillierte theoretische Analyse NA von Luftmantelfasern verwendet wird, stellt es sich heraus, dass die Aussagen von DiGiovanni et al. hinsichtlich Verbesserungen von Luftmantelfasern zu einfach sind und sich nur auf den Luftfüllungsanteil konzentrieren. Tatsächlich stellt es sich heraus, dass ein großer Luftfüllungsanteil in bestimmten Fällen für über den Mantel gepumpte Fasern keinen Vorteil darstellt. Andererseits stellt es sich überraschend heraus, dass die Breite des Materials mit hohem Index im ersten Außenmantelbereich ein wichtiger Parameter zum Optimieren einer Luftmantelfaser ist, und welcher Parameter in Bezug auf die optische Wellenlänge des durch die optische Faser geführten Lichts abgestimmt werden kann. Wenn der Querschnitt einer Luftmantelfaser betrachtet wird, ist der fragliche Parameter die Dicke der Fäden im "Netz", die in der Luftmantelschicht vorhanden sind. Genauer gesagt, ist der Parameter, der mit b bezeichnet wird, die "kleinste Breite des Materials mit hohem Index im ersten Außenmantelbereich", wie es in der 5 für zwei verschiedene Luftmantelfasern dargestellt ist. In den
5a und 5b verfügen beide Fasern über einen Kernbereich 52, einen Innenmantelbereich 53, einen ersten Außenmantelbereich mit Strukturen 50 und 51 mit jeweils niedrigem Index, und einen zweiten Außenmantelbereich 54. Der Parameter b ist für beide Fasern angegeben. Der Parameter b kann auch als Abstand zwischen zwei Strukturen angesehen werden, wobei es sich um den Minimalabstand zwischen Rändern zweier benachbarter Strukturen mit niedrigem Index handelt. Bei periodisch verteilten Strukturen mit niedrigem Index im ersten Außenmantel, wie es in der 5a dargestellt ist, sollte es deutlich sein, dass b unabhängig davon ist, welche zwei Strukturen mit niedrigem Index zum Definieren von b verwendet werden. Andererseits ist bei nicht periodischen Strukturen mit niedrigem Index – oder Luftmantelstrukturen mit gewissen Strukturschwankungen, wie sie aufgrund der Herstellung häufig auftreten – b nicht über den gesamten ersten Außenmantel hinweg gleichmäßig – siehe die 5b. In diesem letzteren Fall gilt die Erfindung für typische, repräsentative Werte von b, mehrere mögliche Werte von b, den Hauptteil von Werten von b oder alle Werte von b.
Ein theoretisches Werkzeug zum Analysieren von Luftmantelfasern ist ein vollständig vektorisiertes, numerisches Computerprogramm, wie es extensiv getestet wurde und in der Literatur gut beschrieben ist (siehe Johnson et al., Optics Express 8, No. 3, 173-190 (2001)).
Um die Erkenntnisse der Erfinder zu verstehen, zeigt die 6 die NA betreffend die Mantelmoden bei einer Luftmantelfaser mit einem Design, wie es in der 5a schematisch dargestellt ist. Die Faser verfügt im ersten Außenmantelbereich über einen mäßigen Luftfüllungsanteil von ungefähr 45% (demgemäß unter demjenigen bei den angegebenen bevorzugten Ausführungsformen der Luftmantelfasern gemäß DiGiovanni et al. in US 5,907,652 ). Wenn die 6 betrachtet wird, ist es ersichtlich, dass es durch Abstimmen des Parameters b auf 0,6 μm oder weniger möglich ist, eine NA von über 0,2 über einen Wellenlängenbereich λ von über ungefähr 0,8 μm bis 2,0 μm zu erzielen. Typische bevorzugte Pumpwellenlängen von mit Erbium dotierten Faserverstärkern und -lasern betragen ungefähr 0,98 μm und ungefähr 1,48 μm. Bei Faserverstärkern und -lasern mit anderen Seltenerddotierstoffen, wie beispielsweise Yb, betragen bevorzugte Pumpwellenlängen ungefähr 1,06 μm. Aus der 6 ergibt es sich auch, dass größere Abmessungen von b als 0,6 μm keinen Vorteil bilden, wenn der Luftfüllungsanteil auf ungefähr 45% beschränkt ist. Demgemäß ist der Luftfüllungsanteil alleine kein ausreichender Parameter zur Einstellung, wenn eine Luftmantelfaser auf eine große NA optimiert wird.
Wenn eine ähnliche Luftmantelfaser wie in der 6 betrachtet wird, die jedoch über einen größeren Luftfüllungsanteil des ersten Außenmantels verfügt, nämlich ungefähr 58%, zeigt es sich, dass der Parameter b eine wichtige Rolle spielt, wenn die NA optimiert wird – siehe die 7. Für den bedeutsamen Wellenlängenbereich von ungefähr 0,98 μm bis 2,0 μm zeigt es sich, dass, um über eine NA von mehr als 0,2 zu verfügen, der Parameter b kleiner als 0,8 μm sein muss. Wie bereits angegeben, führt ein großer Luftfüllungsanteil nicht notwendigerweise zu einer hohen NA. Dies zeigt sich aus der 7, wo die NA für b über 0,8 mal der optischen Wellenlänge kleiner als 0,2 ist. Andererseits kann derselbe Luftfüllungsanteil eine sehr hohe NA – von über 0,5 – liefern, wenn b kleiner als 0,2 mal der optischen Wellenlänge ist (bei der vorliegenden Ausführungsform wird nur auf die optische Wellenlänge im freien Raum Bezug genommen). Es zeigt sich auch, dass eine NA von über 0,3 erzielt werden kann, wenn b kleiner als 0,4 mal der optischen Wellenlänge ist.
Während die 6 und 7 nur zwei verschiedene Luftfüllungsanteile berücksichtigen, zeigt es sich, dass es, um über eine NA von ungefähr 0,2 oder mehr zu verfügen, erforderlich ist, dass b nicht größer als die optische Wellenlänge des durch die Faser geführten Lichts ist. Demgemäß ist es zum Pumpen mit ungefähr 0,98 μm erforderlich, dass b kleiner als 1,0 μm ist.
Mit den Angaben gemäß DiGiovanni et al. kann es überraschend erscheinen, dass der Parameter b eine derartige wichtige Rolle für die NA von Luftmantelfasern spielt. Wenn den Angaben von DiGiovanni et al. gefolgt wird, kann es noch überraschender sein, zu erkennen, dass dieselbe NA tatsächlich für zwei Fasern mit verschiedenen Luftfüllungsanteilen, aber einem ähnlichen Wert des Parameters b, erzielt werden kann. Dies ist jedoch dasjenige, was die Erfinder herausgefunden haben – wie es aus der 8 erkannt werden kann. Die Figur zeigt die NA einer Faser mit einem Luftfüllungsanteil von ungefähr 58% und b von 0,2 μm (obere Kurve). Ferner vergleicht die Figur die NA zweier Fasern mit ähnlichem Wert b von 0,3 μm, jedoch verschiedenen Luftfüllungsanteilen von ungefähr 45% und ungefähr 58% (mit d/Λ = 0,7 bzw. d/Λ = 0,8 markierten Kurven). Aus diesen zwei Kurven zeigt es sich, dass trotz der verschiedenen Luftfüllungsanteile die NA der zwei Fasern über den weiten Wellenlängenbereich von ungefähr 0,8 μm bis 2,0 μm beinahe identisch ist. Dieses Ergebnis zeigt ferner die Bedeutung des Parameters b hinsichtlich der NA von Luftmantelfasern, und wie eine Konzentration alleine auf den Luftfüllungsanteil zum Optimieren der Fasern eine zu einfache Vorgehensweise ist. Um zu demonstrieren, dass die NA nicht nur zufällig für Fasern mit b = 0,3 μm Übereinstimmung zeigt, zeigt die 8 ferner, dass dies auch für Fasern mit b = 0,4 μm der Fall ist.
Wie es aus den 6 bis 8 erkennbar ist, nimmt die NA der Fasern bei kürzeren Wellenlängen ab. Diese Abnahme steht mit der größeren Überbrückungsbreite relativ zur optischen Wellenlänge in Zusammenhang. Es stellt sich heraus, dass es ein weiterer Vorteil ist, wenn das Überbrückungsmaterial einen niedrigeren Brechungsindex als das Hintergrundmaterial des Innenmantelbereichs aufweist. Bei einer vorgegebenen, gewünschten NA einer Faser erlaubt dies eine Erhöhung der Überbrückungsbreite, oder alternativ erlaubt es für eine vorgegebene, gewünschte Überbrückungsbreite die Erzielung einer höheren NA. Diese Gesichtspunkte, die eine Erhöhung der Überbrückungsbreite bei einer vorgegebenen NA erlauben, können sich bei Problemen als vorteilhaft erweisen, die mit der mechanischen Robustheit und der Handhabung der Fasern in Zusammenhang stehen, wie beispielsweise dem Spalten und Spleisen –, wie dies in einem späteren Stadium dieser Anmeldung erörtert wird. Daher verfügt, bei bevorzugten Ausführungsformen, die Luftmantelschicht über Strukturen mit niedrigem Index, die in einem Hintergrundmaterial platziert sind, dessen Brechungsindex um mindestens 0,5% niedriger als der Brechungsindex des Hintergrund-Brechungsindex des Innenmantelbereichs ist. Vorzugsweise ist die Indexdifferenz größer, wie größer als 1%, oder 2%, oder größer. Derartige Differenzen können unter Verwendung von Siliciumoxid-Dotierungstechniken durch Verwenden von beispielsweise F-dotiertem Silicatglas für das Hintergrundmaterial der Luftmantelschicht und/oder unter Verwendung von Ge-dotiertem Glas für das Hintergrundmaterial des Innenmantelbereichs erzielt werden. Wenn andere Glastypen – wie Nicht-Siliciumoxidgläser – verwendet werden, können noch größere Indexdifferenzen erzielt werden. Daher ist, bei den ferner bevorzugten Ausführungsformen, die o.g. Indexdifferenz größer als 5%, oder größer als 10%. Bei einer Indexdifferenz von ungefähr 10% oder weniger ist typischerweise die für Fasern mit einer NA von ungefähr 0,5 oder größer erzielbare Zunahme der Überbrückungsbreite relativ klein. Demgemäß liegen, bei bevorzugten Ausführungsformen die Überbrückungsbreiten für Fasern mit einer NA von ungefähr 0,5 oder größer im Bereich von ungefähr 200 nm bis 400 nm.
Nachdem eine Konzentration auf den Luftmantelbereich erfolgte, ist es selbstverständlich auch wesentlich, zu beachten, dass eine Mikrostrukturierung des Innenmantelbereichs die NA beeinflussen kann. Diesbezüglich kann eine große Anzahl mikrostrukturierter Strukturen mit kleinem Index im Innenmantelbereich die NA der Mantelmoden beeinträchtigen. Demgemäß müssen Faserdesigns mit einer (großen) Anzahl von großen Innenmantelstrukturen, wie im Stand der Technik angegeben, nicht von Vorteil sein (siehe die bereits im Abschnitt zum Hintergrund der Erfindung angegebene Literaturstelle von Russell et al.). Ein Beispiel einer derartigen Faser ist in der 9 dargestellt. Ein Vorteil einer Mikrostrukturierung des Innenmantelbereichs besteht jedoch darin, dass diese dazu verwendet werden kann, die Modenfeldverteilung im Innenmantel maßzuschneidern – oder die Mantelmoden zu verwürfeln –, um für eine verbesserte Überlappung mit einer Kernmode zu sorgen. Es stellt sich heraus, dass zum Optimieren einer Luftmantelfaser für über den Mantel gepumpte Anwendungen eine relativ kleine Anzahl von Innenmantelstrukturen verwendet werden sollte – um die NA der Faser nicht schwerwiegend zu beeinträchtigen.
Eine andere Ausführungsform ist in der 10 dargestellt. Die Form des Innenmantelbereichs 111 kann auch nicht kreisförmig sein, wenn eine nicht kreisförmige Anordnung von Strukturen 112 mit niedrigem Index in einem ersten Außenmantelbereich verwendet wird. Der Kern 110 dieser Faser ist ebenfalls dargestellt. Ein anderes Beispiel einer optischen Faser ist in der 12 angegeben, wobei hier der Kern 120 durch einen Innenmantelbereich 121 umgeben ist, der über eine nicht kreisförmige Außenform verfügt, die unter Verwendung verschieden bemessener Strukturen 122, 123 mit niedrigem Index in einem ersten Außenmantelbereich erzielt wurde.
Um optische Fasern gemäß der Erfindung herzustellen, kann eine Technik verwendet werden, wie sie zur Herstellung mikrostrukturierter Fasern gut bekannt ist, siehe beispielsweise US5907652 oder irgendeine der o.g. Literaturstellen. Dieses Verfahren wurde dazu verwendet, Ausführungsformen optischer Fasern gemäß der Erfindung herzustellen. Das Verfahren beruht auf einem Stapeln von Kapillarrohren und Stäben zum Erzeugen einer Vorform und im Ziehen derselben zu einer Phase unter Verwendung eines herkömmlichen Ziehturms.
Optische Fasern gemäß der Erfindung verfügen häufig entlang einem Teil ihrer Länge über Bragg-Gitter, um beispielsweise optische Faserlaser zu realisie ren. Diese Bragg-Gitter können durch einen UV-Schreibvorgang für Brechungsindexänderungen in der Längsrichtung der optischen Fasern eingebracht werden.
In der 12 ist ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform einer optischen Faser gemäß der Erfindung dargestellt, die für Faserlaseranwendungen verwendbar ist. Die Figur zeigt schematisch den Querschnitt einer Faser, die einen aktiven Kernbereich 200 enthält, der typischerweise durch Eindotieren eines oder mehrerer Seltenerdelemente, wie beispielsweise Yb oder Er, realisiert wird. Um den Kernbereich herum befindet sich ein Innenmantel mit einem Hintergrundmaterial 201 und einer Anzahl von Strukturen 202 mit hohem und/oder niedrigem Index. Um den Innenmantelbereich herum befindet sich eine Luftmantelschicht 203, die schließlich durch einen Übermantelbereich 204 umgeben ist. Eine derartige Faser kann beispielsweise mit Siliciumoxidmaterialien konzipiert werden, wobei die Innenmantelstrukturen 202 Hohlräume sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die optische Faser als über den Mantel gepumpte optische Faserlaser mit großer Modenfläche für Hochleistungsanwendungen verwendet. Unter Verwendung von Strukturen mit niedrigem Index im Innenmantel mit einem Durchmesser von ungefähr 0,30 bis 0,50 mal dem mittleren, typischen oder repräsentativen Mitte-Mitte-Abstand, Λ, zwischen den Innenmantelstrukturen, kann Einzelmodebetrieb bei einer Signalwellenlänge, λ_s, im Kernbereich erzielt werden, wohingegen der Kern sowie der Innenmantelbereich mit Pumplicht mit einer Wellenlänge λ_p, wie kleiner als λ_s ist, gepumpt werden kann. Typische Werte von λ_p sind ungefähr 800 nm, 980 nm, 1050 nm und 1480 nm, und typische Werte von λ_s sind ungefähr 980 nm, 1050 nm, 1300 nm, 1550 nm, wie von 1500 nm bis 1640 nm. Selbst bei einer deutlichen Anzahl und Größe der Innenmantelstrukturen kann eine hohe NA unter Verwendung einer Luftmantelschicht erzielt werden, wenn die Werte b im Bereich von 100 nm bis 1000 nm (vorzugsweise kleiner als 400 nm) liegen – wie bereits beschrieben. Typischerweise verfügt der Kernbereich 200 über einen oder mehrere den Index erhöhende Dotierstoffe (die eingebracht werden, um den Einbau von Seltenen Erden in Siliciumoxid zu verbessern). Daher kann es bevorzugt sein, die optische Faser unter Verwendung eines Hintergrundmaterials 201 mit einem Brechungsindex über dem von reinem Siliciumoxid herzustellen, wie größer als 1,444 bei einer Wellenlänge von 1,55 μm. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass ein Hintergrundmaterial 201 mit Ge und/oder Al vorliegt. Der Kernbereich kann auch ein oder mehrere Codotierstoffe (außer einem oder mehreren (aktiven) Seltenerd-Dotierstoffen und irgendwelchen optionalen, den Index erhöhenden Codotierstoffen) enthalten, die den Brechungsindex absenken, wie beispielsweise F und/oder B. Hinsichtlich Abmessungen der Faser, wie der in der 12 dargestellten, verfügt der Innenmantelbereich typischerweise über einen Außendurchmesser von ungefähr 60 μm–100 μm für Fasern mit einem Außendurchmesser von ungefähr 125 μm des Außenmantelbereichs 204. Für Fasern mit größerem Außendurchmesser kann der Innenmantel einen Außendurchmesser bis zu 200 μm aufweisen. Typischerweise sind die Innenmantelstrukturen durch einen typischen Mitte-Mitte-Abstand, A, von mehr als 5 μm, und typischerweise von ungefähr 10 μm, wie im Bereich von 8,0 μm bis 12,0 μm, gekennzeichnet. Um Biegeverluste zu vermeiden, und um den Einzelfasermode im Kernbereich bei der Signalwellenlänge aufrechtzuerhalten, verfügen die Innenmantelstrukturen typischerweise über einen Durchmesser im Bereich von 0,3 Λ bis 0,6 Λ~ Die Faser kann als Teil eines Gegenstands verwendet werden, bei dem es sich um einen Faserlaser handelt, wobei dieser Gegenstand über eine oder mehrere Pumpquellen und externe Reflektoren verfügt, oder die Reflektoren direkt unter Verwendung eines oder mehrerer durch UV-Strahlung hervorgerufener Bragg-Gitter ausgebildet sind.
Optische Fasern gemäß der Erfindung, die für Laser- oder Verstärkeranwendungen verwendet werden, können auf verschiedene Arten gepumpt werden, wie sie aus der standardmäßigen Fasertechnologie bekannt sind, wie Stirn- und Seitenpumpen.
Die Erfinder haben ferner einen anderen Designparameter erkannt, der für Fasern mit Luftmantelschicht von praktischer Bedeutung ist. Durch Versuchsarbeiten haben die Erfinder erkannt, dass die Dicke, T, der Luftmantelschicht 223 eine wichtige mechanische Rolle beim Spalten der Fasern spielt. Der Parameter T ist in der 13 für eine Faser mit einem dotierten Kernbereich 220, einem Innenmantelbereich 221, einem Luftmantelbereich 223 und einem Außenmantelbereich 222 angegeben. Da das Spalten im Allgemeinen durch Einbringen irgendeiner Art eines Kratzers an der Außenfläche der Faser ausgeführt wird, wobei sich dieser Kratzer zu einem die Faser durchsetzenden Riss entwickelt, kann es nachteilig sein, wenn die Luftmantelschicht eine zu große Dicke T aufweist, so dass der Innenmantelbereich vom Außenmantel mechanisch isoliert wird. Andererseits muss die Dicke T von bestimmter Größe sein, um den Innenmantel 221 und den Außenmantel 222 optisch zu trennen. Die Erfinder haben erkannt, dass die optimale Dicke der Luftmantelschicht 223 im Bereich von ungefähr 3,0 μm bis ungefähr 10 μm liegt. Da Fasern gemäß der Erfindung auch für Anwendungen einsetzbar sind, bei denen die Luftmantelschicht nach der Fa serherstellung mit beispielsweise polymeren und/oder anderen Materialien gefüllt wird, können andere Dickenwerte von Interesse sein, um ein vorgegebenes Volumen zu erzielen. Demgemäß können auch Luftmantelschichten mit einer Dicke über 10 μm relevant sein.
Die Erfinder haben ferner erkannt, dass ein verbesserter Typ von über den Mantel gepumpten, mit Erbium dotierten Faserverstärkern (EDFAs) unter Verwendung des PBG-Effekts zum Einengen der Kernmode in die Faser erzielt werden können. Im Allgemeinen müssen, wenn optische Felder unter Verwendung des PBG-Effekts eingegrenzt werden, mindestens 4–5 Perioden der periodisch verteilten Mantellöcher verwendet werden. Da optische, über den Mantel gepumpte Fasern über relativ große Innenmantelbereiche verfügen, kann zur Eingrenzung der Kernmode gut eine ausreichende Anzahl von Perioden eingeschlossen werden. Es sind die Vorteile des Verwendens einer PBG-Eingrenzung gewährleistet. Ein erster Gesichtspunkt ist der, dass die PBG-Strukturierung bei der Wellenlänge der verstärkten Mode als Modenverwürfelungsstruktur von Luftlöchern bei der Wellenlänge des Pumpmodefelds wirken kann, jedoch ohne Eingrenzung der Pumpverteilung auf den begrenzten zentralen Teil der PCF. Demgemäß beinhaltet die Erfindung, bei bevorzugten Ausführungsformen, Luftmantelfasern mit periodisch verteilten Strukturen im Innenmantelbereich, die für eine Wellenleitung von Licht bei der Signallänge durch den PBG-Effekt sorgen.
Die 14 zeigt ein Beispiel einer optischen Faser gemäß der Erfindung mit einer Luftmantelschicht 270 zum Liefern einer hohen NA sowie einer Anzahl periodisch verteilter Strukturen 271 im Innenmantel. Die Faser verfügt ferner über eine Struktur 272 mit niedrigem Index im Kern. Die Struktur 272 kann beispielsweise ein Hohlraum oder gering dotiertes Silicatglas sein. Die Strukturen können wahlweise ein aktives Material enthalten, wie ein Seltenerd-Dotierungsmaterial (SED), das für Verstärkung zur optischen Verstärkung oder für einen Laservorgang sorgt. Die Faser verfügt auch in einem Bereich um die Struktur 272 herum über ein aktives Material.
Ferner kann eine bessere Leistungswandlung vom Pumplicht auf das Signal aufgrund einer anderen Überlappung zwischen einer SED-Materialmode erzielt werden, und es kann eine Verteilung des Mantelpumplichts erzielt werden. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt kann die PBG-Führung dazu verwendet werden, aus Lasern und Verstärkern, die mit einer Mode höherer Ordnung (nicht normal verteilte Modenverteilung) arbeiten, eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen.
Dies ist möglich, da die PBG-Struktur so konzipiert werden kann, dass die Kernmode nur in eine Mode höherer Ordnung leitet und alle anderen Moden auslecken, da sie außerhalb der Bandlücke platziert sind. Die PBG-Führung für die verstärkte Mode kann auch bei Anwendungen relevante Verwendung finden, bei denen Verstärker mit speziellen Dispersionseigenschaften benötigt werden (zur Pulsaufweitung oder Pulskompression).
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt kann die PBG-Führung dazu verwendet werden, spezielle Teile des Verstärkerspektrums anzuheben. Hier kann die Bandlückenkante bei einer Frequenz innerhalb des Emissionsspektrums des Seltenerdions platziert werden. Für denjenigen Teil des SED-Emissionsspektrums, der innerhalb der Bandlücke liegt, ist die Kernmode gut eingegrenzt, wohingegen diejenigen Spektralkomponenten, die außerhalb der Bandlücke liegen, weniger gut eingegrenzt sind, und demgemäß erfahren die zwei Bereiche verschiedene Verstärkung. Diese Eigenschaft kann dazu verwendet werden, neue Verstärker hoher Leistung spektral zu formen und Laser mit speziellen Emissionswellenlängen aufgrund der starken Modenauswahl/Diskriminierung, wie sie durch den PBG-Effekt möglich ist, herzustellen. Eine schematische Darstellung dieses Gesichtspunkts ist in der 12 dargestellt.
Fasern gemäß der Erfindung können unter Verwendung von Techniken hergestellt werden, die auf dem Gebiet mikrostrukturierter Fasern gut bekannt sind. Beispielsweise können die Luftmantelschicht und optionale Strukturen im Innenmantelbereich unter Verwendung eines Stapel- und Ziehverfahrens realisiert werden, das Kapillarrohre und Stäbe verwendet. Dieses Verfahren wurde in der Literatur gut beschrieben, siehe beispielsweise US 5,907,652 und US 5,802,236 . Verfahren gemäß der Erfindung können in der Längsrichtung ungleichmäßig sein, sie können unter Verwendung verschiedener Arten von Nachbearbeitungsschritten nach dem Faserziehen realisiert werden, wie durch Wärmebehandlung, Strecken, Druckausübung oder Vakuumbehandlung der Hohlräume in den Fasern, Einführen von Materialien in die Hohlräume oder Kombinationen dieser Schritte.
Genauer gesagt, kann es zum Herstellen von Fasern von Vorteil sein, die Faser in mehreren Schritten zu ziehen, wobei ein Einzelkern und die ihn umgebende Luftmantelschicht durch den ersten Schritt hergestellt werden, wobei eine Vorform zusammengesetzt wird, die über einem einzelnen massiven Stab besteht, der durch eine Schicht von Rohren kleineren Durchmessers als dem des Stabs umgeben ist. Diese Vorform mit einem Durchmesser von typischerweise 10 mm bis 50 mm kann zu einer Anzahl erster Rohrbündel Rohrbündel – mit typischerweise einem Durchmesser von 1 mm bis 50 mm – gezogen werden. Dann kann eine zweite Vorform dadurch hergestellt werden, dass eine Anzahl erster Rohrbündel zusammengeschichtet wird, und diese Vorform kann wahlweise mit einem Mantel überzogen werden und direkt zu einer Faser gezogen werden, oder die zweite Vorform kann zu einer Anzahl zweiter Rohrbündel gezogen werden, die erneut zusammengeschichtet werden können und mit einem Mantel überzogen werden können, um eine dritte Vorform herzustellen, die zu einer Faser gezogen werden kann.
Die 16a zeigt Versuchsergebnisse der gemessenen NA für zwei verschiedene Luftmantelfasern. Jede der Fasern verfügt über einen Luftmantelbereich mit einem Design, wie es schematisch in der 5b dargestellt ist, jedoch verfügen die Fasern über verschiedene b-Werte von 420 nm und 950 nm. In der Figur sind gemessene NA-Werte durch Punkte angegeben, wohingegen die Linien simulierte NA-Werte der Fasern angeben. Es ist eine sehr gute Übereinstimmung für die Fasern zu beobachten. Die Figur zeigt, dass die NA der Faser mit Überbrückungsbereichen minimaler Breite b von ungefähr 420 nm deutlich höher als für die Faser mit einem b-Wert von ungefähr 950 nm ist. In der 16b ist ein Mikroskopbild eines Teils der Faser mit b = 420 nm dargestellt. Die Luftmantelschicht verfügt über einen einzelnen Ring von Luftlöchern, und vorzugsweise liegt die Weite dieser Luftlöcher in der radialen Richtung vom Zentrum der Faser aus im Bereich von 5 μm bis 15 μm. Hier ist es erwünscht, die radiale Breite – und damit die Überbrückungsbereiche – ausreichend lang zu halten, um die optischen Eigenschaften hinsichtlich einer hohen NA zu gewährleisten, während die radiale Breite ausreichend kurz dafür ist, gute mechanische Eigenschaften hinsichtlich des Spaltens der Faser und/oder der Handhabungsfestigkeit zu gewährleisten. Weitere Punkte, die hinsichtlich der Breite zu berücksichtigen sind, können den Wärmeübergang von den inneren Teilen der Faser nach außen betreffen. Für Hochleistungsanwendungen kann es wünschenswert sein, über eine begrenzte radiale Breite des Luftmantelbereichs zu verfügen, um thermische Isolation zu vermeiden. Demgemäß kann es bevorzugt sein, über eine große Anzahl von Überbrückungsbereichen zu verfügen – und entsprechend über eine hohe Anzahl von Strukturen mit niedrigem Index im Außenmantel zu verfügen – um für ausreichende Wärmeübertragung zu sorgen. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird der kleinste Querschnittsabstand von zwei benachbarten Überbrückungsbereichen daher über einer ersten Größe gehalten, um optische Isolation zu gewährleisten (typischerweise ist ein Abstand von ungefähr dem drei- bis fünffachen der Betriebswellenlänge ausreichend, um Isolation der einzelnen Brücken zu gewährleisten), während er gleichzeitig kleiner als eine zweite Größe ist, um eine ausreichend große Anzahl von Brücken zu gewährleisten (beispielsweise eine zweite Größe von ungefähr dem zehnfachen der Betriebswellenlänge). Es können jedoch andere erste und zweite Größen bevorzugt sein. Typischerweise kann der Bereich der zweiten Größe deutlich variieren, so dass eine zweite Größe vom mehrmals zehnfachen der Betriebswellenlänge bevorzugt sein kann.
Die 16a zeigt ferner, wie die NA abhängig von der Wellenlänge variiert. Die Erfinder haben erkannt, dass die NA und ihre Variation hauptsächlich durch die Wellenlänge in Bezug auf den Parameter b bestimmt ist. Um dies detaillierter zu demonstrieren, zeigt die 17 die NA als Funktion der Wellenlänge geteilt durch b für sowohl experimentell erhaltene Ergebnisse als auch Simulationen. Wie bei der 16 gelten die Ergebnisse in der 17 für eine Faser, die alleine über reines Siliciumoxid und Luftlöcher im Luftmantelbereich verfügt. Die Figur zeigt eine sehr deutliche Beziehung zwischen der NA und der durch b geteilten Wellenlänge, also λ/b – wobei die experimentell beobachteten Ergebnisse durch numerische Simulationen bestätigt wurden. Demgemäß kann die 17 zum Entwerfen von Fasern mit einer bestimmten NA bei einer vorgegebenen Wellenlänge verwendet werden. Aus der 17 ergibt es sich, dass, um eine NA von ungefähr 0,3 oder höher zu erzielen, b kleiner als λ sein sollte. Für eine NA von ungefähr 0,4 oder höher sollte b kleiner als ungefähr 0,8 λ sein, und für eine NA über 0,5 sollte b kleiner als ungefähr 0,6 λ sein, und für eine NA über 0,6 sollte b kleiner als ungefähr 0,95 λ sein. Die 4 zeigt auch, dass eine extrem höhere NA von über 0,7 unter Verwendung eines Werts von b machbar ist, der kleiner als ungefähr 0,3 λ ist. Demgemäß sollte für Anwendungen, bei denen eine Faser gemäß der Erfindung als über den Mantel gepumptes Bauteil verwendet wird (für beispielsweise einen Laser oder einen Verstärker), wobei die Pumpwellenlänge ungefähr 980 nm beträgt und eine NA von ungefähr 0,5 erwünscht ist, b so konzipiert werden, dass es ungefähr 560 nm beträgt oder kleiner ist.
Für verschiedene Anwendungen kann es erwünscht sein, die größtmöglichen Überbrückungsbereiche für eine vorgegebene NA zu erzielen. Diese kann beispielsweise zu verbesserten mechanischen Eigenschaften beitragen, wie zur Faserfestigkeit oder zum Spalten, oder es kann für verbesserte Wärmeübertragung sorgen, wie bereits erörtert. Um die Überbrückungsbreite für eine vorgegebene NA zu erhöhen, haben die Erfinder erkannt, dass es von Vorteil ist, zwischen dem Material der Beschreibung und dem Hintergrundmaterial des Innenmantels über eine Indexdifferenz Δ_Mantel zu verfügen. Die 18 zeigt schematisch ein Beispiel einer verbesserten Faser gemäß der Erfindung, bei der der Außenmantelbereich über ein Hintergrundmaterial 310 mit niedrigerem Δ_Mantel als demjenigen des Hintergrundmaterials 311 im Innenmantelbereich verfügt. Diese Indexdifferenz kann beispielsweise unter Verwendung von Siliciumoxid-Dotiertechniken realisiert werden, wobei der Innenmantelbereich aus mit Ge dotiertem Silicatglas besteht und der Aunenmantelbereich aus undotiertem Silicatglas besteht. Selbstverständlich kann an viele andere Arten zum Realisieren dieser Indexdifferenz gedacht werden, beispielsweise an die Verwendung von mit F dotiertem Glas im Außenmantel, da Fluor den Δ_Mantel im Vergleich zu reinem Siliciumoxid verringert. Die Indexdifferenz Δ_Mantel ist auch schematisch in der 19 dargestellt, die schematisch ein Beispiel des Brechungsindexprofils in einer Richtung durch den Querschnitt einer Faser gemäß der Erfindung zeigt. Während die 17 die NA als Funktion von λ/b ohne Indexdifferenz zwischen dem Brechungsindex des Hintergrundmaterials im Innenmantel und Außenmantel zeigt, also Δ_Mantel = 0%, zeigt die 33, wie die NA durch Erhöhen von Δ_Mantel erhöht werden kann. Die Figur zeigt Simulationen der NA für Fasern auf Siliciumoxidbasis, wobei Δ_Mantel von 0% bis 4% variiert ist. Wie es aus der Figur erkennbar ist, kann unter Verwendung eines von Null abweichenden Werts von Δ_Mantel eine deutliche Erhöhung der NA realisiert werden. Als Beispiel kann beim bereits erörterten Faserbauteil, das mit einer Pumpwellenlänge von 980 nm und einer NA von 0,5 arbeitet, ein b-Wert von ungefähr 650 nm realisiert werden, im Vergleich zu b = 560 nm für eine Faser mit Δ_Mantel = 0% (eine NA von 0,5 ergibt sich für λ/b von ungefähr 1,50 und 1,75 bei Δ_Mantel = 1% bzw. 0%). Gemäß einem anderen Beispiel können Fasern mit einer NA von ungefähr 0,5 bei einem b-Wert von ungefähr λ für Δ_Mantel von ungefähr 3% realisiert werden. Ferner können Fasern mit einer NA von über 0,8 für einen Wert von λ/b von ungefähr 3,0 oder größer realisiert werden. die Idee des Erhöhens der NA unter Verwendung eines von Null abweichenden Werts von Δ_Mantel kann für alle Typen von Fasern mit hoher NA genutzt werden, die über Strukturen 314, 324 mit niedrigem Index im Außenmantelbereich verfügen, wobei keine Einschränkung auf die in den 18 und 19 dargestellten zwei Beispiele besteht, die über einen aktiven Kern 313, 320 und Innenmantelstrukturen 312, 322 im Innenmantelbereich 321 verfügen. Wahlweise kann der Übermantelbereich 315, 325 über ein Hintergrundmaterial verfügen, das anders als das Hintergrundmaterial 310 ist. Während es die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Material in den Überbrückungsbereichen und dem Hintergrundmaterial im Innenmantel ist, das für verbesserte NA-Eigenschaften sorgt, muss die radiale Weite des Außenmantels mit einem Hintergrundmaterial 317 mit niedrigem Index nicht kritisch sein. Es kann bevorzugt sein, dass die radiale Weite 317 größer als die radiale Weite einer Struktur mit niedrigem Index im Außenmantel 316 ist. Eine derartige Beziehung würde für eine Faser auftreten, die unter Verwendung des Schichtungs- und Ziehprozesses hergestellt wird (wie beispielsweise in US 5907652 beschrieben), wo der Außenmantelbereich unter Verwendung von Siliciumoxid-Kapillarrohren mit niedrigerem Brechungsindex als dem Stab zum Realisieren des Überbrückungsbereichs (und des Kerns) realisiert ist. Der Innenmantelbereich und der Kern können selbstverständlich auch durch verschiedene Kombinationen von Rohren und/oder Stäben hergestellt werden.
Ein weiterer Vorteil beim Verwenden eines von Null abweichenden Werts von Δ_Kern betrifft über den Mantel gepumpte Fasern mit großem aktiven Kern. Die 19 zeigt die Indexdifferenz Δ_Kern zwischen einem aktiven Kern 320 und dem Hintergrundmaterial des Innenmantels 321. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet die Faser Innenmantelstrukturen 322, um Licht unter Verwendung von PBG-Effekten, wie bereits beschrieben, in den Kern einzugrenzen. Bei bevorzugten Ausführungsformen hat Δ_Kern ungefähr den Wert Null, und bei anderen bevorzugten Ausführungsformen kann Δ_Kern negativ sein. Ein niedriger (oder negativer) Wert von Δ_Kern erlaubt die Verwendung sehr großer aktiver Kerne mit einem Durchmesser von mehr als 15 μm, während Einzelmodebetrieb für zumindest die Signalwellenlänge erzielt wird. Da Dotierstoffe zum Realisieren aktiver Kerne (wie beispielsweise Er, Yb oder andere Seltenerdelemente oder Kombinationen derselben) und wahlweise verwendete Codotierstoffe (wie beispielsweise Al, Ge und/oder La) den Brechungsindex im Vergleich zu reinem Siliciumoxid erhöhen können, ist es bevorzugt, im Innenmantelbereich ein Hintergrundmaterial mit höherem Brechungsindex zu verwenden – beispielsweise mit Ge dotiertes Siliciumoxid. Während dies für einen Wert von Δ_Kern von ungefähr Null sorgen kann, kann gleichzeitig ein Wert von Δ_Mantel über Null erzielt werden. Demgemäß sorgt die Erfindung, bei einer bevorzugten Ausführungsform, für einen optischen Faserlaser oder -verstärker für sichtbare Wellenlängen oder solche im Nahinfrarot, mit einem aktiven Kern mit Er und/oder Yb mit einem Durchmesser von über 15 μm und einem Innenmantelbereich mit mit Ge dotiertem Siliciumoxid als Hintergrundmaterial sowie einer Anzahl von Hohlräumen mit einem Wert von d/Λ von ungefähr 0,35 oder mehr, sowie einem Luftmantelbereich mit einem Hintergrundmaterial (beispielsweise reinem Siliciumoxid) mit einem Bre chungsindex unter dem des Hintergrundmaterials des Innenmantels, und mit großen Hohlräumen, die für einen b-Wert von weniger als 1,0 μm sorgen, vorzugsweise weniger als 2/3 mal der Pumpwellenlänge im freien Raum (um dadurch eine NA von ungefähr 0,5 oder höher zu realisieren).

Claims

Lichtleitfaser zum Führen von Licht einschließlich des Führens von Mantelpumpenlicht, wobei die Lichtleitfaser eine Längsrichtung sowie einen dazu senkrechten Querschnitt aufweist, wobei die Lichtleitfaser umfaßt: (a) einen Kernbereich (52, 180, 241, 250, 251, 262), umfassend ein optisch aktives Medium in Form eines mit Seltenerdelementen dotierten Materials, und (b) einen am Kernbereich anliegenden und diesen umgebenden Mantelbereich, wobei der Mantelbereich umfaßt: einen inneren Mantelbereich (53, 102, 201), umfassend ein inneres Mantelhintergrundmaterial, wobei der innere Mantelbereich eine Anzahl von inneren Mantelausprägungen aufweist, die in einer Längsrichtung der Faser verlaufen und die innerhalb des inneren Mantelbereichs periodisch verteilt sind, und für das im Kernbereich geführte Licht eine photonische Bandlücke ausprägt, und einen äußeren Mantel, umfassend: (i) zumindest einen den inneren Mantelbereich umgebenden ersten äußeren Mantelbereich, wobei der erste äußere Mantelbereich ein erstes äußeres Mantelhintergrundmaterial und mehrere erste äußere Mantelausprägungen (50, 51, 181, 242) aufweist, die in einer Längsrichtung der Faser verlaufen, wobei die ersten äußeren Mantelausprägungen einen geringeren Brechungsindex als das erste äußere Mantelhintergrundmaterial aufweisen und den Kernbereich und den inneren Mantelbereich umgeben, und (ii) zumindest einen weiteren äußeren Mantelbereich (54, 171, 172, 173, 182, 240), wobei dieser äußere Mantelbereich bzw. jeder der mehreren äußeren Mantelbereiche ein weiteres äußeres Mantelhintergrundmaterial umfaßt und den ersten äußeren Mantelbereich umgibt, wobei die zwei einander am nächsten benachbarten ersten äußeren Mantelausprägungen für mehrere der ersten äußeren Mantelausprägungen einen minimalen Abstand haben, der kleiner als 1,0 μm ist, und wobei der minimale Abstand zwischen zwei einander am nächsten benachbarten äußeren Mantelausprägungen den minimalen Abstand zwischen den Außengrenzen der zwei einander am nächsten benachbarten Mantelausprägungen bezeichnet, und wobei der innere Mantelbereich der Lichtleitfaser dazu ausgelegt ist, eine Bandlückenflanke bei einer Frequenz innerhalb des Emissionsspektrums des Seltenerdions aufzuweisen.
Lichtleitfaser nach Anspruch 1, wobei der erste äußere Mantelbereich im Querschnitt einen Innendurchmesser oder eine innere Querschnittsabmessung hat, die größer oder gleich 15 μm ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Innendurchmesser oder die innere Querschnittsabmessung des ersten äußeren Mantelbereichs größer oder gleich 20 μm ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Innendurchmesser oder die innere Querschnittsabmessung des ersten äußeren Mantelbereichs im Bereich von 80 μm bis 125 μm oder im Bereich von 125 μm bis 350 μm liegt.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste äußere Mantelbereich im Querschnitt einen Innendurchmesser oder eine innere Querschnittsabmessung im Bereich von 5 bis 100 μm hat.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste äußere Mantelbereich im Querschnitt einen Innendurchmesser oder eine innere Querschnittsabmessung im Bereich von 30 bis 60 μm hat.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der minimale Abstand zwischen zwei einander am nächsten benachbarten äußeren Mantelausprägungen für mehrere der ersten äußeren Mantelausprägungen kleiner als 0,8 μm ist, vorzugsweise kleiner als 0,7 μm, besser kleiner als 0,6 μm, noch besser kleiner als 0,5 μm, insbesondere kleiner als 0,4 μm, insbesondere noch kleiner als 0,3 μm, darüber hinaus insbesondere kleiner als 0,2 μm.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Faser in der Lage ist, mindestens zwei vorgegebene Wellenlängen zu führen, wobei die mindestens zwei Wellenlängen eine Pumpenwellenlänge und eine Signalwellenlänge sind.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Kern eine Querschnittsabmessung hat, die größer als 25 μm ist, sowie größer als 50 μm, sowie größer als 75 μm, sowie größer als 100 μm, was die Faser das Licht in mehrfachen Moden innerhalb des Kerns führen läßt.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei für einen oder mehrere der ersten äußeren Mantelbereiche die ersten äußeren Mantelausprägungen 45 % oder mehr der Querschnittsfläche des ersten äußeren Mantelbereichs belegen.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei für alle ersten äußeren Mantelbereiche die ersten äußeren Mantelausprägungen 45 % oder mehr der Querschnittsfläche des ersten äußeren Mantelbereichs belegen.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die ersten äußeren Mantelausprägungen mindestens 50 %, sowie mindestens 60 %, sowie mindestens 70%, der Querschnittsfläche des ersten äußeren Mantels belegen.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Kern eine Kernausprägung umfaßt, die einen geringeren Brechungsindex hat als der des die Kernausprägung umgebenden Kernmaterials.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die periodische Anordnung der inneren Mantelausprägungen mindestens 4 oder 5 Perioden in einer radialen Richtung vom Mittelpunkt des inneren Mantels aus umfaßt.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die ersten äußeren Mantelausprägungen in einer nichtkreisförmigen symmetrischen Weise angeordnet sind.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der erste äußere Mantelbereich im Querschnitt eine im wesentlichen hexagonartige Form aufweist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei erste äußere Mantelausprägungen von verschiedener Größe vorhanden sind.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die ersten äußeren Mantelausprägungen Lücken sind.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die ersten äußeren Mantelausprägungen gefüllt sind mit Vakuum, Luft, einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Polymer oder einer Kombination davon.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei der Kern eine Querschnittsabmessung hat, die kleiner als 10 μm ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der Kern mindestens ein Element aus der Gruppe von Ge, Al, P, Sn und B umfaßt.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Kern mindestens ein Seltenerdelement umfaßt, das aus der Gruppe Er, Yb, Nd, La, Ho, Dy und/oder Tm ausgewählt wird.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Faser ein langes Periodengitter oder ein Fiber-Bragg-Grating zumindest entlang eines Teils der Faserlänge aufweist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Faser ein Hintergrundmaterial umfaßt, das Siliciumdioxid, Chalcogenid- oder ein Glas eines anderen Typs ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Faser ein Hintergrundmaterial umfaßt, das polymer ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei die Lichtleitfaser eine Faser für einen Faserlaser oder -verstärker mit Mantelpumpe ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 26 in Kombination mit einer Pumpstrahlungsquelle, wobei zwei einander am nächsten benachbarte erste äußere Mantelausprägungen für mehrere der ersten äußeren Mantelausprägungen einen minimalen Abstand aufweisen, der kleiner als die Wellenlänge des Mantelpumpenlichts ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei die Lichtleitfaser im Querschnitt eine unregelmäßige Form des inneren Mantelbereichs entlang der Faserlänge aufweist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei die ersten äußeren Mantelausprägungen periodisch verteilt sind.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 29, wobei der Kern für Hochleistungsbreitbandverstärkung ausgelegt ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei das Faserkernmaterial das gleiche ist wie das Hintergrundmaterial des inneren Mantelbereichs.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 31, wobei für eine Mehrheit oder für alle der ersten äußeren Mantelausprägungen der minimale Abstand zwischen zwei einander am nächsten benachbarten äußeren Mantelausprägungen kleiner als 0,6 μm ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 32, wobei für eine Mehrheit oder für alle der ersten äußeren Mantelausprägungen der minimale Abstand zwischen zwei einander am nächsten benachbarten äußeren Mantelausprägungen kleiner als 0,5 μm ist, sowie kleiner als 0,4 μm, sowie kleiner als 0,3 μm oder kleiner als 0,2 μm ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 33, wobei der weitere äußere Mantelbereich aus einem homogenen Material hergestellt ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 34, wobei die größte Querschnittsabmessung der ersten äußeren Mantelausprägungen kleiner oder gleich 10 μm ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 35, wobei die größte Querschnittsabmessung der ersten äußeren Mantelausprägungen kleiner oder gleich 3 μm ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 36, wobei der innere Mantel ein Hintergrundmaterial und mehrere Ausprägungen umfaßt, wobei die Ausprägungen einen Brechungsindex haben, der höher oder niedriger als der Brechungsindex des Hintergrundmaterials ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 37, wobei die inneren Mantelausprägungen einen geringeren Index haben als der Brechungsindex des Hintergrundmaterials.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 38, wobei die inneren Mantelausprägungen Lücken sind.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 39, wobei die inneren Mantelausprägungen gefüllt sind mit Vakuum, Luft, einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Polymer oder einer Kombination davon.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 40, wobei die inneren Mantelausprägungen einen geringeren Index haben als der Brechungsindex des Hintergrundmaterials und wobei die inneren Mantelausprägungen einen Querschnittsdurchmesser oder eine Querschnittsabmessung im Bereich des 0,3–0,6-fachen, vorzugsweise des 0,3–0,5-fachen, darüber hinaus vorzugsweise des 0,2–0,3-fachen und besonders vorzugsweise des 0,22–0,28-fachen eines Mittelpunkt-zu-Mittelpunkt-Abstands zwischen benachbarten inneren Mantelausprägungen aufweisen.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 41, wobei der Kern eine oder mehrere Dotiersubstanzen zum Anheben oder Absenken des Brechungsindex über den Brechungsindex des Hintergrundmaterials des inneren Mantels umfaßt.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 42, wobei der Außendurchmesser des inneren Mantels im Bereich von 60 bis 400 μm oder innerhalb des Bereichs von 200 bis 400 μm liegt.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 43, wobei die Lichtleitfaser eine Längenausdehnung mit einem ersten und einem zweiten Ende hat und wobei die Querschnittsfläche der ersten äußeren Mantelausprägungen im ersten Ende größer sind als jede Querschnittsfläche von ersten äußeren Mantelausprägungen im zweiten Ende.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 44, wobei das zweite Ende keine ersten äußeren Mantelausprägungen aufweist oder wobei die ersten äußeren Mantelausprägungen im ersten Ende vollständig zerfallen sind.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 45, wobei das Hintergrundmaterial, das die ersten äußeren Mantelausprägungen umgibt, oder das Brückenmaterial, das die Fläche zwischen benachbarten ersten äußeren Mantelausprägungen füllt, einen geringeren Brechungsindex aufweist als das Hintergrundmaterial des inneren Mantels.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 46, wobei das Hintergrundmaterial, das die ersten äußeren Mantelausprägungen umgibt, oder das Brückenmaterial, das die Fläche zwischen benachbarten ersten äußeren Mantelausprägungen füllt, einen geringeren Brechungsindex aufweist, der weniger als 4 % niedriger als der Brechungsindex des Hintergrundmaterials des inneren Mantels ist, sowie weniger als 3 % niedriger, sowie weniger als 2 % niedriger, sowie weniger als 1 % niedriger.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 47, wobei der Kern einen Brechungsindex aufweist, der sich um weniger als 1,0 % vom Brechungsindex des Hintergrundmaterials des inneren Mantels unterscheidet, sowie um weniger als 0,5 %, sowie um weniger als 0,2 %, sowie um weniger als 0,1 %, sowie um weniger als 0,05 %.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 48, wobei der Kern einen Brechungsindex aufweist, der größer oder gleich dem Brechungsindex des Hintergrundmaterials des inneren Mantels ist.
Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 48, wobei der Kern einen Brechungsindex aufweist, der kleiner oder gleich dem Brechungsindex des Hintergrundmaterials des inneren Mantels ist.
Verwendung einer nach Anspruch 1 bis 50 definierten Lichtleitfaser in einem optischen Laser, einem optischen Verstärker oder einem Endoskop.
Verwendung nach Anspruch 51, wobei der optische Laser ein Hochleistungslaser ist, vorzugsweise ein Laser mit Mantelpumpe.
Gegenstand umfassend eine wie in Anspruch 1 bis 50 definierte Lichtleitfaser in Kombination mit einer Pumpstrahlungsquelle, wobei zwei einander am nächsten benachbarte erste äußere Mantelausprägungen für mehrere der ersten äußeren Mantelausprägungen einen minimalen Abstand haben, der kleiner als die Wellenlänge des aus der Pumpstrahlungsquelle emittierten Lichts ist.
Gegenstand nach Anspruch 53, wobei der minimale Abstand zwischen zwei einander am nächsten benachbarten äußeren Mantelausprägungen für mehrere der ersten äußeren Mantelausprägungen kleiner als 0,5 μm ist.
Gegenstand nach Anspruch 53, wobei die Lichtleitfaser des Gegenstands dazu ausgelegt ist, optisch in beide Richtungen gepumpt zu werden.