-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Lichtleitfaser-Wellenleiter, und
spezieller Anordnungen von Submediumbereichen in mikrostrukturierten
Lichtleitfasern.
-
HINTERGRUND
-
Die
Entwicklung der mikrostrukturierten Lichtleitfaser in jüngerer Zeit,
bei welcher ein Kernbereich mit hohem Index von einem Mantel umgeben
ist, der eine Mischung aus Siliziumoxid und Luft aufweist, stellt
neue Fasereigenschaften infolge des großen Brechungsindex-Unterschieds dar,
der zwischen Glas und Luft vorhanden ist. Eine Mantelanordnung kann
einen räumlich
gleichmäßigen mittleren
Brechungsindex aufweisen, der so eingestellt werden kann, dass er
eine gewünschte
Beziehung zum Index des Kerns erfüllt. 1 zeigt
eine mikrostrukturierte Lichtleitfaser nach dem Stand der Technik
im Querschnitt. In der Lichtleitfaser 1b sind mehrere Löcher 3b in
Siliziumoxidglas 2b angeordnet. Die Durchmesser der Löcher 3b sind
im Querschnitt im Wesentlichen gleichförmig, und die Zentren der Löcher 3b fallen
im Wesentlichen mit den Gitterpunkten 4b eines hexagonalen
Gitters zusammen. Mit im Wesentlichen periodisch angeordneten Submediumbereichen
in dem Mantel kann der Kernbereich dadurch erzielt werden, dass
ein oder mehrere Submediumbereiche durch ein Hauptmedium (beispielsweise
Siliziumoxidglas) ersetzt werden. Ein Gitterpunkt 41b in
dem Zentrum der Faser weist kein entsprechendes Loch auf, so dass
das Zentrum der Faser einen höheren
mittleren Brechungsindex als der umgebende Bereich aufweist. Dies
führt dazu,
dass eine Lichtwelle im Zentrum der Faser angeordnet und durch die
Faser geführt
wird.
-
Es
ist schwierig, eine hohe Produktionsausbeute und niedrige Übertragungsverluste
bei der Herstellung mikrostrukturierter Lichtleitfasern mit einer
chromatischen Dispersion zu erzielen, die gleich Null oder negativ
ist, mit einer Steigung der chromatischen Dispersion, die Null oder
negativ ist, und/oder mit einer kleinen effektiven Kernfläche. Um
derartige Eigenschaften in mikrostrukturierten Lichtleitfasern zu
erzielen, sind Luftlöcher
mit kleinen Durchmessern und eine exakte Steuerung der Abmessung
und der Anordnung der Luftlöcher
erforderlich. Eine Verkleinerung des Lochdurchmessers führt jedoch
zu einer Erhöhung
der Oberflächenspannung
an den Oberflächen
der Löcher
während
des Ziehens der Faser. Die Erhöhung
der Oberflächenspannung
führt zu
einem zu starken Schrumpfen der Löcher, was zu erhöhter Unsteuerbarkeit
der optischen Eigenschaften der gezogenen Lichtleitfaser führt. Obwohl
der Einfluss der Oberflächenspannung
dadurch verringert werden kann, dass die Temperatur beim Ziehen
verringert wird, nimmt die Spannung beim Ziehen bei einer Abnahme
der Temperatur beim Ziehen zu, was zum erhöhten Auftreten eines Faserbruchs
während
des Ziehens führt,
zu einer Erhöhung
der Übertragungsverluste,
und einer Beeinträchtigung
der Standfestigkeit gegen UV-Strahlung.
-
Die
WO-A-99/64903 beschreibt verschiedene Anordnungen von Fasern mit
Photonen-Bandlücke
und verschiedene Verfahren zu deren einfacher Herstellung. Zum Beispiel,
- – einen
Mantel, der eine zweidimensionale, periodische Anordnung länglicher
Elemente (beispielsweise Kapillarröhren) aufweist, beispielsweise
eine dreieckige Anordnung, eine rechteckige, eine quadratische, eine
hexagonale, eine Bienenwabenanordnung, und eine Kagome-Anordnung,
- – einen
Mantel, der eine zweidimensionale periodische Anordnung primärer und
sekundärer
länglicher
Elemente aufweist, die sich in der Größe unterscheiden,
- – einen
Kern, der ein zusätzliches
längliches
Element (beispielsweise Kapillarröhren) aufweist, und die Symmetrie
in dem Mantel unterbricht,
- – einen
Kern, der zusätzliche
Kapillarröhren
aufweist, um den Außenumfang
des Kerns zu glätten,
- – einen
Faservorformling, der längliche
Elemente (beispielsweise Kapillarröhren) aufweist, sowie eingeführte Elemente
(beispielsweise Stangen),
- – ein
Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings unter Verwendung eines
Halters und länglicher
Elemente mit unterschiedlichen Längen.
-
Allerdings
beschreibt dieses Dokument nicht die Unterbrechung der Symmetrie
durch Versetzen der Löcher
oder eine negative Dispersionssteigung.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung erfüllt
die voranstehenden Bedürfnisse
in Bezug auf Fasereigenschaften, während sie die Nach-teile beim
Stand der Technik zumindest teilweise überwindet, durch Versetzen
von Submediumbereichen gegenüber
den Gitterpunkten eines periodischen Gitters in dem innersten Bereich
der Faser, zur Ausbildung des Kernbereichs. Dies führt dazu,
dass es ermöglicht
wird, wertvolle Eigenschaften zu erzielen, beispielsweise eine chromatische
Dispersion von Null oder negativ, eine Steigung der chromatischen Dispersion
von Null oder negativ, und eine kleine effektive Kernfläche, mit
einer Anordnung, bei welcher die Krümmungsradien von Submedium-bereichen
größer sind
als jene des Stands der Technik. Eine Erhöhung der Krümmungsradien von Submediumbereichen
verringert den Einfluss der Oberflächenspannung während des Ziehens
einer Faser, was zu einer hohen Steuerbarkeit der Faseranordnung
und der optischen Eigenschaften führt, einer hohen Produktionsausbeute,
niedrigen Übertragungsverlusten
und einer hohen Beständigkeit
gegen UV-Strahlung.
-
Die
Erfindung stellt eine Lichtleitfaser gemäß Patentanspruch 1 und ein
Verfahren zu deren Herstellung gemäß Patentansprüchen 12
und 16 zur Verfügung.
Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
-
Die
folgenden Begriffe werden definiert, um bei der Beschreibung der
Eigenschaften mikrostrukturierter Fasern zu helfen.
-
Ein
Hauptmedium ist ein Medium, das selbst eine Lichtleitfaser bilden
kann. Andererseits ist. ein Submedium nicht notwendigerweise dazu
fähig,
selbst eine Lichtleitfaser zu bilden. So können beispielsweise Gläser und
Polymere als ein Hauptmedium oder ein Submedium eingesetzt werden,
während
Flüssigkeiten,
Gase und Vakuum als ein Submedium eingesetzt werden können, jedoch
nicht als ein Hauptmedium.
-
Der
mittlere Brechungsindex eines Bereichs, der aus mehreren Medien
i (i = 1 ... M) besteht, ist durch die folgende Formel definiert: navg = {(ΣMi-1 n2[i]f[i])/(ΣMi-1 f[i])}1/2 wobei
n[i] und f[i] der Brechungsindex bzw. das Volumen des Mediums i
sind.
-
Die
Gitterzelle eines Gitterpunkts ist jener Polygonbereich, der durch
senkrechte Halbierende zwischen diesem Gitterpunkt und den benachbarten
Gitterpunkten gebildet wird. Bei einer Anordnung, bei welcher Löcher periodisch
angeordnet sind, ist der relative Lochdurchmesser das Verhältnis des
Lochdurchmessers d zum Abstand L des periodischen Gitters. Wenn
eine Anordnung Translationssymmetrie aufweist, bleibt bei einer
Translationsoperation der Anordnung um eine Entfernung ungleich
Null die Anordnung unverändert.
Die Richtung und die Entfernung einer Translationsoperation können durch
einen Vektor repräsentiert
werden. Wenn N unabhängige
Vektoren vorhanden sind, welche die Translationsoperation repräsentieren,
bei welcher die Anordnung unverändert
bleibt, besitzt diese Anordnung N-dimensionale Translationssymmetrie.
-
Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten
Beschreibung deutlich, einfach durch Erläuterung der besten Art und
Weise, die zur Ausführung
der Erfindung überlegt
wird. Die Erfindung ist zu anderen und unterschiedlichen Ausführungsformen
fähig,
und ihre verschiedenen Einzelheiten können in verschiedenen, offensichtlichen
Aspekten abgeändert
werden, sämtlich
ohne Abweichung von der Erfindung. Daher sind die Zeichnung und
die Beschreibung als erläuternd
zu verstehen, und nicht einschränkend.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Die
vorliegende Erfindung wird beispielhaft erläutert, und nicht einschränkend, in
den Figuren der beigefügten
Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszeichen entsprechende Elemente
bezeichnen, und in welchen:
-
1 eine
Darstellung eines Querschnitts senkrecht zur Faserachse einer mikrostrukturierten
Lichtleitfaser nach dem Stand der Technik ist;
-
2 eine
Darstellung eines Querschnitts senkrecht zur Faserachse einer mikrostrukturierten
Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
-
3 bis 5 Diagramme
sind, die verschiedene Fasereigenschaften für jede Faser gemäß der vorliegenden
Erfindung und Fasern nach dem Stand der Technik zeigen;
-
6 eine
Darstellung eines Querschnitts senkrecht zur Faserachse einer mikrostrukturierten
Lichtleitfaser gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
7 Diagramme
der Dispersion und des Modenfeldurchmessers (MFD) der in 6 gezeigten
Lichtleitfaser 1a zeigt;
-
8 eine
Darstellung eines Querschnitts senkrecht zur Faserachse einer mikrostrukturierten
Lichtleitfaser gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
9 bis 11 Diagramme
sind, welche einen Vergleich verschiedener Fasereigenschaften von
Faseranordnungen gemäß der Ausführungsform
von 8 mit anderen Faseranordnungen zeigen;
-
12 einen
Prozess zur Herstellung eines Vorformlings gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
13 einen
Prozess zum Ziehen eines Vorformlings gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
14 eine
Darstellung eines anderen Prozesses zum Ziehen eines Vorformlings
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
-
15 eine
Darstellung der Vorformling-Herstellung gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
2 zeigt
den Querschnitt einer Lichtleitfaser 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welcher mehrere Löcher 3,
die Submediumbereiche sind, in Siliziumoxidglas 2 angeordnet sind,
das ein Hauptmedium ist. Der Querschnitt weist einen inneren Bereich 11 und
einen den inneren Bereich umgebenden, äußeren Bereich 12 auf.
Die Anordnung der Löcher
ist im Wesentlichen ein hexagonales Gitter. In dem äußeren Bereich
fallen die Zentren der Löcher 32 im
Wesentlichen mit den äußeren Gitterpunkten 42 zusammen,
die ein Teil der Gitterpunkte 4 eines hexagonalen Gitters
sind, und in dem äußeren Bereich
angeordnet sind. Andererseits sind in dem inneren Bereich die Zentren
der Löcher 31 von
den inneren Gitterpunkten 41 um etwa 0,1 Gitterperioden
nach außen
getrennt. Die inneren Gitterpunkte sind ein Teil der Gitterpunkte 4 des
hexagonalen Gitters, und sind in dem inneren Bereich angeordnet.
Die Durchmesser der Löcher 31 und 32 sind
im Querschnitt im Wesentlichen gleichmäßig. Für jede Gitterzelle des Gitterpunkts 41 oder 42 weist
ein einzelnes Loch 31 oder 32 sein Zentrum in
der Zelle auf. Bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird das
Loch, das in einer Gitterzelle eines Gitterpunkts angeordnet ist,
als das Loch entsprechend dem Gitterpunkt bezeichnet.
-
Der äußere Bereich
wird weiterhin durch einen Umhüllungsbereich 13 umgeben,
der aus Siliziumoxidglas besteht. Obwohl der Umhüllungsbereich nicht wesentlich
zum Führen
einer Lichtquelle im Kern der Lichtleitfaser ist, bestehen seine
Auswirkungen darin, die mechanische Festigkeit der Lichtleitfaser
zu erhöhen,
und Mikrobiegeverluste zu verringern, eine der Ursachen für Übertragungsverluste.
Infolge der voranstehend geschilderten Anordnung der Löcher wird
die Fläche
des Hauptmediumbereichs 21 zwischen den Löchern 31 in dem
inneren Bereich 11 größer als
jene des Hauptmediumbereichs 22 zwischen den Löchern 32 in
dem äußeren Bereich 12.
Dies führt
dazu, dass der innere Bereich einen höheren mittleren Brechungsindex
als der äußere Bereich
aufweist, und ermöglicht
wird, eine Lichtwelle in dem Hauptmediumbereich 21 in dem
inneren Bereich 11 mittels Totalreflexion anzuordnen, und über die
Lichtleitfaser zu führen.
-
Eine
Untersuchung optischer Eigenschaften wurde bei drei Anordnungen
ha8, ha7 und ha6 gemäß der vorliegenden
Erfindung durchgeführt,
und bei drei Anordnungen hb8, hb7 und hb6 nach dem Stand der Technik.
Die relativen Lochdurchmesser dieser Anordnungen sind in der folgenden
Tabelle angegeben.
-
-
Bei
der Untersuchung wurde der Lochdurchmesser variiert, und wurden
andere Abmessungen in der Faser proportional variiert.
-
Die 3 bis 5 zeigen
verschiedene Fasereigenschaften für jede der aufgeführten Fasern. 3 zeigt
die chromatische Dispersion bei einer Wellenlänge von 1550 nm in Abhängigkeit
vom Lochdurchmesser. Wie in der Figur gezeigt, führt die Erhöhung des relativen Lochdurchmessers
zu einer Erhöhung
des Lochdurchmessers, unterhalb von welchem eine Dispersion von
Null oder negative Dispersion erhalten werden kann. Der Lochdurchmesser,
unterhalb welchem eine Dispersion von Null oder eine negative Dispersion
erhalten werden kann, ist größer für die Fasern
gemäß der vorliegenden
Erfindung als bei den Fasern nach dem Stand der Technik, welche
die gleichen. relativen Lochdurchmesser aufweisen. 4 zeigt
die Steigung der chromatischen Dispersion bei einer Wellenlänge von
1550 nm in Abhängigkeit
von dem Lochdurchmesser. Wie aus dieser Figur hervorgeht, führt die
Erhöhung
des relativen Lochdurchmessers zu einer Erhöhung des Lochdurchmessers,
unterhalb welchem eine Dispersionssteigung von Null oder eine negative
Dispersionssteigung erhalten werden kann. Der Lochdurchmesser, unterhalb
dessen eine Dispersionssteigung erhalten werden kann, die Null oder
negativ ist, ist größer für die Fasern
gemäß der vorliegenden
Erfindung als bei den Fasern nach dem Stand der Technik, welche
die gleichen relativen Lochdurchmesser aufweisen. 5 zeigt
die effektive Kernfläche
bei einer Wellenlänge
von 1550 nm in Abhängigkeit
von dem Lochdurchmesser. Wie aus dieser Figur hervorgeht, führt die
Vergrößerung des
relativen Lochdurchmessers zu einer Vergrößerung des Lochdurchmessers,
unterhalb welchem eine kleine (kleiner als 5 μm2)
effektive Kernfläche
erhalten werden kann. Der Lochdurchmesser, unterhalb welchem eine
kleine (kleiner als 5 μm2) effektive Kernfläche erhalten werden kann, ist
größer für die Fasern
gemäß der vorliegenden
Erfindung als bei Fasern nach dem Stand der Technik, welche die
gleichen relativen Lochdurchmesser aufweisen. Diese Diagramme demonstrieren
Vorteile, die mit Fasern gemäß der vorliegenden
Erfindung erreicht werden.
-
Es
ist ebenfalls vorzuziehen, Dotiermittel wie beispielsweise Germanium
und Fluor dem Hauptmedium in dem Hauptmediumbereich 21 in
dem inneren Bereich 11 hinzuzufügen, und dort die Viskosität zu verringern. Hierdurch
wird ermöglicht,
die Konzen-tration der Spannung beim Ziehen auf den Hauptmediumbereich
in dem inneren Bereich zu verringern, in welchem eine geführte Lichtwelle
angeordnet werden soll, und übermäßige Übertragungsverluste
infolge einer Restspannung zu verringern. Weiterhin ist vorzuziehen,
1 bis 35 Mol-% Germanium dem Haupt-medium in dem Hauptmediumbereich 21 in
dem inneren Bereich 11 hinzuzufügen, und ein Fasergitter dadurch
auszubilden, dass eine Variation des Brechungsindex entlang der
Faserlänge
dadurch erzielt wird, dass die Lichtleitfaser UV-Strahlung ausgesetzt
wird. Hierdurch wird ermöglicht,
eine Wellenlängen-selektive Übertragung
und einen Wellenlängen-selektiven
Richtungskoppler zu erzielen. Es ist ebenfalls vorzuziehen, die
Querschnittsanordnung entlang der Faserlänge zu variieren. Hierdurch
wird ermöglicht,
die chromatische Dispersion entlang der Faserlänge zu ändern, und eine Übertragungsleitung
mit Dispersions-Management auszubilden. Es ist ebenfalls vorzuziehen,
eine Länge
eines Abschnitts vorzusehen, in welcher keine Löcher vorhanden sind. Durch
Bereitstellen derartiger Abschnitte in den Faserenden wird ermöglicht,
das Eindringen von Verunreinigungen in die Löcher zu verhindern. Es ist ebenfalls
vorzuziehen, Verbundglas oder Polymer als Hauptmedium einzusetzen,
oder die Löcher
mit Gasen oder Metallen zu füllen,
welche optische Verstärkungseigenschaften
aufweisen. Hierdurch wird ermöglicht,
den Wirkungsgrad nicht-line-arer optischer
Effekte zu vergrößern, und/oder
eine optische Verstärkungsfunktion
zu erzielen.
-
6 zeigt
den Querschnitt einer Lichtleitfaser 1a gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Anordnung sind mehrere Löcher 3a in
Siliziumoxidglas 2a angeordnet, und sind die Löcher 32a in
dem äußeren Bereich 12a so
angeordnet, dass ihre Zentren mit jeweiligen Gitterpunkten 42a zusammenfallen,
die Teile der Gitterpunkte 4a eines hexagonalen Gitters
sind, und in dem äußeren Bereich angeordnet
sind, so dass die Anordnung eine zweidimensionale Translationssymmetrie
aufweist. Andere Medien, die geeignete Brechungsindices aufweisen,
können
anstatt von Löchern
eingesetzt werden. Infolge der zweidimensionalen Translationssymmetrie
ist es möglich,
eine Lichtwelle in dem inneren Bereich 11a mittels Bragg-Reflexion
anzuordnen, und sie über
die Faser zu führen.
Da die Anordnung der Löcher 32a periodisch im äußeren Bereich 12a ist,
kann der äußere Bereich 12a eine
Lichtwelle reflektieren, die zu einem bestimmten Frequenzbereich
gehört,
und einer bestimmten Ausbreitungskonstante, mittels Bragg-Reflexion.
Obwohl sich eine derartige Lichtwelle nicht in dem äußeren Bereich 12a ausbreiten
kann, da die Periodizität
der Anordnung in dem inneren Bereich 11a unterbrochen ist,
wird sie in dem inneren Bereich 11a angeordnet, und breitet
sich dort aus.
-
Ein
Wellenleitermechanismus, der als Führung mittels Bragg-Reflexion bekannt
ist, oder Führung
mit Hilfe einer Photonen-Bandlücke, ist
beschrieben in Stig E. Barkou et al., OFC '99 FG5. und in J. A. West et al., ECOC '01 Th.A.2.2. Allerdings
erkennen diese Veröffentlichungen
des Stands der Technik nicht, dass es möglich ist, die bauliche Periodizität dadurch
zu unterbrechen, dass die Löcher
gegenüber
den zugehörigen Gitterpunkten
versetzt werden. Dies führt
dazu, dass zwar von J. A. West eine Dispersion mit einer positiven
Dispersionssteigung beschrieben wurde, jedoch eine Dispersion mit
einer negativen Dispersionssteigung nicht bekannt war. Bei der vorliegenden
Erfindung wird eine Dispersion mit einer negativen Dispersionssteigung
dadurch erzielt, dass ein Bereich ausgebildet wird, in welchem eine
Lichtwelle geführt
wird, durch Versetzen der Löcher
gegenüber
den zugehörigen
Gitterpunkten. 7 zeigt die Dispersion und den
Modenfelddurchmesser (MFD) der in 6 gezeigten
Lichtleitfaser 1a. Beim vorliegenden Beispiel beträgt der Abstand
des hexagonalen Gitters 1,68 μm
und der Lochdurchmesser 0,84 μm.
Die Löcher 35a in
dem inneren Bereich 11a sind 0,15 Gitterperioden außerhalb
der inneren Gitterpunkte 41a angeordnet. Das Loch 31a im
Zentrum des inneren Bereichs 11a befindet sich auf dem
inneren Gitterpunkt 41a. Wie bei diesem Beispiel ist es
ebenfalls vorzuziehen, in dem inneren Bereich Löcher vorzusehen, die Zentren
aufweisen, die getrennt von den zugehörigen Gitterpunkten angeordnet
sind, zusätzlich
zu Löchern,
deren Zentren sich auf den entsprechenden Gitterpunkten befinden.
-
Wie
in 7 gezeigt, wird die Lichtwelle mit einer Wellenlänge von
1540 nm bis 1570 nm im inneren Bereich 11a angeordnet,
und weist einen kleinen Modenfeaddurchmesser (MFD) auf. Weiterhin
ist die Dispersionssteigung in diesem Wellenlängenbereich negativ, was für Anwendungen
zum Kompensieren einer Dispersion mit positiver Steigung vorteilhaft
ist. Es ist ebenfalls möglich,
die Lichtleitfaser 1a als Bandpassfilter zu verwenden,
da Bragg-Reflexion in einem begrenzten Frequenzbereich auftritt,
und daher eine Wellenlängen-abhängige Übertragung
erzielt werden kann.
-
8 zeigt
den Querschnitt einer Lichtleitfaser 1c gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung. In der Lichtleitfaser 1c sind mehrere Löcher 3c in
Siliziumoxidglas 2c angeordnet. Der Querschnitt weist einen
inneren Bereich 11c und einen den inneren Bereich umgebenden, äußeren Bereich 12c auf.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
ist die Anordnung der Löcher
im Wesentlichen ein quadratisches Gitter. In dem äußeren Bereich 12c sind
die Zentren von Löchern 32c an
den äußeren Gitterpunkten 42c angeordnet,
die ein Teil von Gitterpunkten 4c des quadratischen Gitters
sind, und in dem äußeren Bereich 12c angeordnet
sind. Andererseits sind in dem inneren Bereich 11c die
Zentren von Löchern 31c getrennt
von den inneren Gitterpunkten 41c um annähernd 0,1
Gitterperioden nach außen
angeordnet. Die inneren Gitterpunkte 41c sind ein Teil
von Gitterpunkten 4c des quadratischen Gitters, und sind
in dem inneren Bereich 11c angeordnet. Für jede Gitterzelle
des Gitterpunkts 41c oder 42c weist ein einzelnes
Loch 31c oder 32c sein Zentrum in der Zelle auf. Der äußere Bereich 12c ist
weiterhin von einem Umhüllungsbereich 13c umgeben.
Obwohl der Umhüllungsbereich 13c zum
Wellenleiten nicht un-bedingt erforderlich ist, hat er die Auswirkung,
die mecha-nische Festigkeit der Lichtleitfaser 1c zu verbessern,
und Mikrobiegeverluste zu verringern, die eine Ursache für Übertragungsverluste
darstellen.
-
Infolge
der voranstehend geschilderten Anordnung der Löcher ist die Fläche des
Hauptmediumbereichs 21c zwischen den Löchern 31c in dem inneren
Bereich 11c größer als
jene des Hauptmediumbereichs 22c zwischen den Löchern 32c in
dem äußeren Bereich 12c.
Dies führt
dazu, dass der innere Bereich einen höheren mittleren Brechnungsindex
aufweist als der äußere Bereich,
und ermöglicht
wird, eine Lichtwelle in dem Hauptmediumbereich 21c in
dem inneren Bereich 11c mittels Totalreflexion anzuordnen,
und sie über
die Lichtleitfaser zu leiten.
-
Es
wurde eine Untersuchung zum Vergleich optischer Eigenschaften von
Fasern mit Anordnungen wie in 8 dargestellt,
mit mikrostrukturierten Fasern durchgeführt, die Löcher aufweisen, deren Zentren
im Wesentlichen mit sämtlichen
Gitterpunkten eines quadratischen Gitters zusammenfallen, aber bei
denen kein Loch im Zentrum der Faser vorhanden ist, wodurch sie
mit einem höheren
mittleren Brechungsindex im Zentrum als im umgebenden Bereich versehen
werden. Relative Lochdurchmesser sind in der folgenden Tabelle angegeben,
wobei Anordnungen ra8, ra7 und ra6 Faseranordnungen gemäß der vorliegenden
Erfindung bezeichnen, wie in 8 dargestellt,
und die Anordnungen rb8, rb7 und rb6 keine gegenüber dem Gitter versetzte Löcher aufweisen.
-
-
Bei
der Untersuchung wurde der Lochdurchmesser variiert, und wurden
andere Abmessungen in der Faser proportional variiert.
-
Die 9 bis 11 zeigen
verschiedene Fasereigenschaften für jede der aufgeführten Fasern. 9 zeigt
die chromatische Dispersion bei einer Wellenlänge von 1550 nm in Abhängigkeit
von dem Lochdurchmesser. Wie aus der Figur hervorgeht, führt die
Vergrößerung des
relativen Lochdurchmessers zu einer Vergrößerung jenes Lochdurchmessers,
unterhalb welchem eine Dispersion von Null oder eine negative Dispersion
erhalten werden kann. Der Lochdurchmesser, unterhalb dessen eine
Dispersion von Null oder eine negative Dispersion erhalten werden
kann, ist größer bei
den Fasern gemäß der vorliegenden
Erfindung als bei den anderen Fasern, welche den gleichen relativen
Lochdurchmesser aufweisen. 10 zeigt
die Steigung der chromatischen Dispersion bei einer Wellenlänge von
1550 nm in Abhängigkeit
von dem Lochdurchmesser. Wie aus der Figur hervorgeht, führt die
Vergrößerung des
relativen Lochdurchmessers zu einer Vergrößerung des Lochdurchmessers,
unterhalb dessen eine Dispersionssteigung von Null oder eine negative
Dispersionssteigung erhalten werden. kann. Der Lochdurchmesser,
unterhalb dessen eine Dispersionssteigung von Null oder negative
Dispersionssteigung erhalten werden kann, ist größer bei den Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung
als bei den anderen Fasern, welche denselben relativen Lochdurchmesser
aufweisen. 11 zeigt die effektive Kernfläche bei
einer Wellenlänge
von 1550 nm in Abhängigkeit
von dem Lochdurchmesser. Wie aus der Figur hervorgeht, führt eine
Vergrößerung des
relativen Lochdurchmessers zu einer Vergrößerung des Lochdurchmessers,
unterhalb dessen eine kleine (kleiner als 5 oder 6 μm2) effektive Kernfläche erhalten werden kann. Der
Lochdurchmesser, unterhalb dessen eine kleine (kleiner als 5 oder
6 μm2) effektive Kernfläche erhalten werden kann, ist
größer für die Fasern
gemäß der vorliegenden
Erfindung als bei den anderen Fasern, welche dieselben relativen
Lochdurchmesser aufweisen. Diese Diagramme demonstrieren Vorteile,
die bei Fasern gemäß der vorliegenden
Erfindung erzielt werden.
-
Die
voranstehend beschriebenen Lichtleitfasern der Ausführungsformen
der Erfindung können
wie in 12 erläutert hergestellt werden. Zuerst
wird ein Vorformling mit Säulenform,
der aus Siliziumoxidglas besteht, durch wohlbekannte Verfahren,
wie beispielsweise das VAD-Verfahren, das MCVD-Verfahren, und das OVD-Verfahren,
hergestellt. Das Siliziumoxidglas für den Vorformling kann frei
von Verunreinigungen sein, oder kann Dotiermittel wie Germanium,
Fluor, Chlor, Bor, Aluminium, Phosphor, Seltenerdelemente und Übergangs-metalle
enthalten. Durch geeignete Auswahl der Art und Konzentration der
Dotiermittel wird ermöglicht, den
Wirkungsgrad nicht-linearer optischer Effekte zu vergrößern, oder
optische Verstärkungseigenschaften
zu erzielen.
-
Zweitens
werden mehrere Löcher 64,
die sich entlang der Länge
des Vorformlings erstrecken, durch eine Bohrvorrichtung 63 in
dem Vorformling 61 hergestellt, der durch eine Greifvorrichtung 62 gehaltert
wird. Die Anordnung der Löcher sollte
proportional zu jener der Löcher
in der herzustellenden Faser erfolgen, beispielsweise jener in den 2, 6 und 8.
Es ist vorzuziehen, dass die Spitze 65 der Bohrvorrichtung 63 aus
einer Legierung besteht, welche Diamantteilchen enthält, oder
aus Metall mit einer Oberfläche,
die mit Diamantteilchen versehen ist. Es ist ebenfalls möglich, den
Wirkungsgrad des Bohrens von Löchern
dadurch zu erhöhen,
dass eine Ultraschallwelle auf die Bohrvorrichtung 63 aufgebracht
wird. Obwohl die Löcher 64 den Vorformling
durchragen können,
ist es ebenfalls möglich,
die Löcher
in der Mitte des Vorformlings enden zu lassen, so dass eine ausreichende
Länge der
ursprünglichen
Vorformlingslänge
zur Handhabung in den späteren
Schritten beibehalten werden kann. Die Verkürzung der Bohrlänge verkürzt auch
die Zeit für
den Bohrschritt. Die Löcher 64 können dadurch
gebohrt werden, dass entweder die Bohrvorrichtung 63 um
die Achse eines Lochs 64 gedreht wird, oder der Vorformling 61 um
die Achse eines Lochs 64 gedreht wird, oder sowohl die
Bohrvorrichtung als auch der Vorformling gedreht wird.
-
Nach
dem Bohrschritt umfassen weitere Prozessschritte ein Längen des
Vorformlings 61, das Einführen des gelängten Vorformlings 61 in
ein Glasrohr mit einem Innendurchmesser, der etwas größer ist
als der Außendurchmesser
des gelängten
Vorformlings 61, und das Erwärmen und Aufschrumpfen des
Glasrohrs auf den gelängten
Vorformling 61. Weiterhin ist es möglich, Ruß aus Siliziumoxidglas auf
der äußeren Oberfläche des
Vorformlings 61 mittels Dampfphasenablagerung abzulagern,
und den abgelagerten Ruß zu
erwärmen und
zu sintern. Durch Einsatz derartiger Schritte wird ermöglicht,
das Verhältnis
des Lochdurchmessers zum gesamten Vorformlings-Durchmesser zu verringern,
und so entsprechend Löcher
mit kleinen Durchmessern auszubilden, die durch Bohren schwer herstellbar
sind.
-
Es
ist ebenfalls möglich,
die innere Oberfläche
der Löcher 64 mit
einer Flusssäurelösung oder
SF6-Gas zu ätzen. Hierdurch wird ermöglicht,
Verunreinigungen auszuschalten, beispielsweise Hydroxylgruppen und Übergangsmetalle
auf der Oberfläche
oder in dem Glas in der Nähe
der Oberfläche,
und um die Oberflächenrauhigkeit
zu verringern, was zu niedrigen Übertragungsverlusten
führt.
-
Schließlich wird
der Vorformling 61 zu einer Lichtleitfaser ausgezogen,
wie in 13 gezeigt ist. Der Vorformling 61 wird
durch eine Greifvorrichtung (nicht gezeigt) gegriffen. Ein Ende
des Vorformlings 61, welches die Löcher 64 aufweist,
wird an eine Druckeinstellvorrichtung 72 über eine
Verbindungsvorrichtung 71 angeschlossen, und hierdurch
wird der Druck in den Löchern 64 eingestellt.
Die Anordnung der Löcher
ist ebenso wie in dem Vorformling-Herstellungsschritt, der in 12 oder 15 gezeigt
ist, die nachstehend beschrieben wird, oder proportional hierzu.
Von dem anderen Ende wird der Vorformling einer Heizvorrichtung 73 mit vorbestimmter
Geschwindigkeit zugeführt.
Aus dem erwärmten
und erweichten Abschnitt des Vorformlings wird eine Lichtleitfaser 76 aus-gezogen.
Die Lichtleitfaser wird durch eine Ziehvorrichtung (nicht gezeigt)
gezogen. Der Lochdurchmesser in der Lichtleitfaser kann durch Steuern
des Drucks der Druckeinstellvorrichtung 72 gesteuert werden.
-
Es
ist ebenfalls möglich,
eine Lichtleitfaser von dem Vorformling 61 zu ziehen, in
welchem die Löcher 64 abgedichtet
sind, wie in 14 gezeigt. Dies führt dazu,
dass es einfacher wird, zu verhindern, dass Verunreinigungen in
die Löcher 64 eindringen.
Die Anordnung der Löcher
ist ebenso wie in dem Vorformling-Herstellungsschritt, der in 12 oder 15 gezeigt
ist, die nachstehend erläutert
wird, oder proportional hierzu.
-
Es
ist ebenfalls möglich,
die Löcher 64 in
dem Vorformling 61 nicht durch Bohren wie in 12 herzustellen. 15 erläutert die
Vorformling-Herstellung zum Erhalten von Lichtleitfasern unter Verwendung
mehrerer unterschiedlicher Materialien. Ein Vorformling 61a kann
dadurch ausgebildet werden, dass mehrere Siliziumoxidkapillaren 67 um
eine Siliziumoxid-stange 66 als Bündel angeordnet werden, und
das Bündel
in ein Siliziumoxid-Umhüllungsrohr 68 eingeführt wird.
Die Siliziumoxidstange 66 weist einen kleineren Durchmesser auf
als die Siliziumoxidkapillaren 67. Dann wird der Vorformling 61a in
dem Schritt gezogen, wie er in 13 oder 14 gezeigt
ist. Die Ziehtemperatur ist so gewählt, dass die Zwischenraum-lücken zwischen
den Siliziumoxidkapillaren 67 schrumpfen und/oder sich
schließen,
infolge der Oberflächenspannung.
Da die Flussmenge erweichten Glases, die beim Schrumpfen der Lücke auftritt,
dort klein ist, wo die Siliziumoxidstange 66 vorhanden
ist, wird die Entfernung zwischen den Löchern größer als sonst in dem Querschnitt.
Dies führt
dazu, dass eine Lichtleitfaser mit einem Querschnitt erhalten werden
kann, der gleich jenem bei der Ausführungsform 1 ist.
-
Das
Vorformling-Herstellungsverfahren von 15 ist
dazu geeignet, Lichtleitfasern unter Verwendung verschiedener unterschiedlicher
Materialien herzustellen. Wenn beispielsweise Siliziumoxid mit mehr
als 10 Mol-% Germanium als das Material für die Siliziumoxidstange 66 eingesetzt
wird, kann der Wirkungsgrad nicht-linearer optischer Effekte vergrößert werden.
Weiterhin kann durch Verwendung einer Siliziumoxidstange 66,
die mit Seltenerdelementen dotiert ist, eine Lichtleitfaser mit
optischen Verstärkungseigenschaften
erhalten werden.
-
Zwar
wurde die vorliegende Erfindung im Zusammenhang damit beschrieben,
was momentan als die praktischsten und bevorzugten Ausführungsformen
angesehen wird, jedoch ist die Erfindung nicht auf die geschilderten
Ausführungsformen
beschränkt,
sondern soll im Gegensatz verschiedene Modifikationen und äquivalente
Anordnungen umfassen, die vom Wesen und Umfang der beigefügten Patentansprüche umfasst
sind.
