DE60312291T2

DE60312291T2 - Mikrostrukturierte optische Faser und optisches Modul

Info

Publication number: DE60312291T2
Application number: DE60312291T
Authority: DE
Inventors: Takemi Hasegawa
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: EP1426795A2; EP1426795B1; DE60312291D1; AU2003262469A1; AU2003262469B2; DK1426795T3; CN1504784A; EP1426795A3; KR20040047530A; JP2004177817A; US6915053B2; US20040105640A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtleitfasern mit Mikrogefüge, und spezieller derartige Lichtleitfasern, die eine flache Dispersion und kleine effektive Kernflächen erzielen.
HINTERGRUND
Die Entwicklung der Lichtleitfaser mit Mikrostruktur, die in jüngster Zeit stattgefunden hat, bei welcher ein Kernbereich mit hohem Brechungsindex von einem Mantel umgeben wird, der eine Mischung aus Quarz und Luft aufweist, stellt neue Fasereigenschaften infolge des stark unterschiedlichen Brechungsindex zur Verfügung, der zwischen Glas und Luft vorhanden ist. Eine geeignete Konstruktion einer Lichtleitfaser mit Mikrogefüge kann flache Dispersionscharakteristiken erzielen. So wird beispielsweise, wie beschrieben in "Designing the properties of dispersionflattened photonic crystal fibers", von Ferrando et al., OPTICS EXPRESS; Seiten 687–697 (2001), ermöglicht, eine Dispersionscharakteristik D(λ) zu erzielen, die folgender Bedingung genügt:
in einem Wellenlängenbereich Ω = {λ = |λ| ≤ λ₂}, mit λ₁ ≅ 1,3 [μm], λ₂ ≅ 1,8 [μm], λ₂ – λ₁ = 523 [nm], ΔD = 2 [ps/nm/km], und D₀ = 0 [ps/nm/km]. Eine derartige Charakteristik wird in einer Konstruktion erhalten, bei welcher der Radius und der Teilungsabstand des Luftloches 0,316 μm bzw. 2,62 μm betragen.
Eine Lichtleitfaser, die mehrere Luftlöcher aufweist, die sich entlang der Faserlänge erstrecken, und als „löchrige Faser" oder „Faser aus einem photonischen Kristall" bekannt ist, wird in einer Veröffentlichung beschrieben mit dem Titel Photonic Crystal Fibres: An Endless Variety, T.A. Birks et al., IEICI Trans. Electron., V. E84-C, Seiten 585–592 (2001). Eine derartige Faser ist auch in der internationalen PCT-Anmeldung WO 02/39161 beschrieben. Dispersionsabstimmlöcher sind seitlich gegenüber der geometrischen Achse der Lichtleitfaser verschoben, um eine Entfernung von zumindest der Hälfte des Kernradius. Die Bereitstellung derartiger zusätzlicher Dispersionsabstimmlöcher kann dazu verwendet werden, die Faserdispersion unabhängig von den anderen Modeneigenschaften abzustimmen, beispielsweise der Modenform, dem Modenfelddurchmesser, und der effektiven Kernfläche. Bei einer Ausführungsform weisen die Dispersionsabstimmlöcher eine Querschnittsbreite von weniger als etwa einem Zehntel oder einem Sechstel der vorbestimmten Wellenlänge auf.
Eine Lichtleitfaser, die eine flache Dispersion und eine kleine effektive Kernfläche aufweist, ist wünschenswert für Anwendungen wie Supercontinuum-Lichterzeugung, Wiederherstellung der Form optischer Impulse, und optische parametrische Verstärkung. Bei der optischen Kommunikation wirken Abschwächung, Verzerrungen und Timingschwankungen auf optische Signalimpulse ein, während deren Ausbreitung über die Lichtleitfasern und Bauteile. Supercontinuum-Lichterzeugung ist ein nichtlinearer optischer Effekt, bei welchem ein optischer Impuls mit relativ hoher Leistung und relativ kurzer Dauer in ein nichtlineares Medium eingeführt wird, und das Spektrum des Impulses verbreitert wird, infolge nichtlinearer optischer Effekte und chromatischer Dispersion, wie beschrieben in Dispersion-flattened fiber for efficient supercontinuum generation, S. Taccheo und P. Vavassori, OFC 2002, ThYS (2002). Optische parametrische Verstärkung ist eine optische Verstärkung, die durch nichtlineare Suszeptibilität höherer Ordnung (normalerweise dritter Ordnung) hervorgerufen wird, und auftritt, wenn ein Phasenanpassungszustand zwischen den an dem Prozess teilnehmenden Lichtwellen vorhanden ist, wie beschrieben in Broadband fiber optical parametric amplifiers, M. E. Marhic et al., Opt. Lett. V. 21, Seiten 573–575 (1996). Bei der optischen Kommunikation wirken Abschwächung, Verzerrung und Timingschwankungen auf einen optischen Impuls während der Ausbreitung über die Lichtleitfasern und Bauteile ein. Operationen zum Entfernen der Einflüsse der Abschwächung, der Verzerrung und der Timingschwankungen werden jeweils bezeichnet als Regeneration, Wiederherstellung der Form bzw. Wiederherstellung des Timings, wie beschrieben in Analysis of Optical Regeneration Utilizing Self-Phase Modulation in a Highly Nonlinear Fiber, M. Matsumoto, Photon. Tech. Lett. V. 14, Seiten 319–321 (2002).
Es besteht daher ein Bedürfnis im Stand der Technik nach der gleichzeitigen Erzielung einer flachen Dispersion und einer kleinen effektiven Kernfläche in Fasern mit Mikrogefüge. Obwohl eine flache Dispersion in der voranstehend erwähnten Veröffentlichung von Ferrando beschrieben wird, lässt sich die effektive Kernfläche als 36 μm² bei der Konstruktion berechnen, die einen Lochradius von 0,316 μm und einen Teilungsabstand von 2,62 μm aufweist. Obwohl der angegebene Stand der Technik eine Art und Weise zur Einstellung der chromatischen Dispersion unabhängig von der effektiven Kernfläche beschreibt, beschreibt er nicht die Fähigkeit, eine flache Dispersion und eine kleine effektive Kernfläche zu erzielen.
Bei den erwähnten Konstruktionen nach dem Stand der Technik ist es schwierig, einen niedrigen Übertragungsverlust, eine hohe Beständigkeit gegen UV-Licht zu erzielen, und eine hohe Ausbeute bei dem Faserziehvorgang. Um eine Faser mit Mikrogefüge mit stabiler Qualität zu ziehen ist es erforderlich, die Ofentemperatur niedrig zu halten, oder entsprechend die Zugspannung hoch, da der Einfluss der Oberflächenspannung, welcher die Luftlöcher zum Schrumpfen veranlasst, mit der Abnahme der Temperatur abnimmt. Allerdings führt das Ziehen einer Faser mit hoher Spannung häufig zum Faserbruch während des Ziehens, oder zu Materialfehlern in dem Glas der gezogenen Faser. Fälle von Faserbruch verringern die Herstellungsausbeute. Glas-Materialfehler rufen zu hohe Verluste der UV-Wellenlänge und erhöhte Verluste infolge der Einwirkung von UV-Licht hervor. Da der Einfluss der Oberflächenspannung proportional zum Kehrwert der Krümmungsradien von Luftlöchern zunimmt, wird eine höhere Spannung benötigt, wenn die Luftlöcher kleiner werden. Bei den Beschreibungen des Stands der Technik, bei welchen Dispersionsabstimmlöcher kleiner oder gleich ein Sechstel bis ein Zehntel der Wellenlänge sind, ist eine extrem hohe Zugspannung erforderlich, was zu einer schlechten Beständigkeit gegenüber W-Licht und einer niedrigen Herstellungsausbeute führt.
WO 02/12931 beschreibt eine Lichtleitfaser, bei welcher vorgesehen sind: ein Kernbereich und mehrere Mantelbereiche, wobei ein erster Mantelbereich den Kernbereich umgibt, und ein (k + 1)-ter Mantelbereich einen k-ten Mantelbereich umgibt; wobei der erste und der dritte Mantelbereich mehrere Untermediumbereiche aufweisen, die in einem Hauptmedium verteilt sind; das Hauptmedium Quarzglas aufweist, und die Untermediumbereiche Löcher aufweisen; das Untermedium einen niedrigeren Brechungsindex als das Hauptmedium aufweist, der Kern, die k-ten Mantelbereiche (k = 1, 2, 3), und die Untermediumbereiche sich entlang der Faserlänge erstrecken; die mittleren Brechungsindizes des Kernbereichs N[0], und der k-ten Mantelbereiche N[k] (k = 1, 2, 3) die Bedingung N[0] > N[1] < N[2] > N[3] erfüllen; die mittlere Querschnittsfläche der Löcher in dem ersten Mantelbereich kleiner ist als die mittlere Querschnittsfläche der Löcher in dem dritten Mantelbereich; und die chromatische Dispersion D (λ) folgende Bedingung erfüllt:
{|D(λ)|} < 20 [ps/nm/km], in einem Wellenlängenbereich Ω = {λ|λ₁ < = λ < = λ₂}, mit λ₁ > = 1200 [nm], λ₂ < = 1700 [nm], und λ₂ – λ₁ > = 100 [nm]. Bei dieser Lichtleitfaser können der Kernbereich und der zweite Mantelbereich aus dem Hauptmedium ohne Untermediumbereiche bestehen, und kann die mittlere Querschnittsfläche der Löcher in dem ersten Mantelbereich größer sein als 0,06 μm². Dieses Dokument beschreibt auch ein Rohr über dem Mantel, und es ist ein Mikrogefüge vorgesehen, um den ersten Mantel mit einer Rotationssymmetrieordnung von mehr als zwei auszubilden.
In dem Artikel von ORTIGOSA-BLANCH A ET AL: „HIGHLY BIREFRINGENT PHOTONIC CRYSTAL FIBERS", OPTICS LETTERS; OPTICAL SOCIETY OF AMERICA; WASHINGTON; US; vol. 25, Nr. 18, 15. September 2000 (2000-09-15), Seiten 1325–1327, XP00095103 ISSN: 0146-9592 wird beschrieben, dass die Position von Mantellöchern und insbesondere eine doppelte Rotationssymmetrie eine hohe Doppelbrechung hervorrufen können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung erfüllt die voranstehend angegebenen Fasereigenschaften, während sie die Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise überwindet, durch Bereitstellung einer Faser, bei welcher die chromatische Dispersion flach über einen breiten Wellenlängenbereich mit einer kleinen effektiven Fläche ist, ohne dass Luftlöcher erforderlich sind, die unakzeptabel klein sind. Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung eine vergrößerte effektive Kernfläche durch selektives Schließen der Löcher in dem ersten Mantel zur Verfügung, welche Löcher kleiner und einfacher zu schließen sind als die Löcher in den anderen Bereichen.
Die folgenden Begriffe werden definiert, um die Beschreibung der Charakteristika von Fasern mit Mikrogefüge zu erleichtern.
Ein Hauptmedium ist ein Medium, das selbst eine Lichtleitfaser bilden kann. Andererseits ist ein Untermedium nicht notwendigerweise dazu fähig, selbst eine Lichtleitfaser zu bilden. So können beispielsweise Gläser und Polymere als ein Hauptmedium oder ein Untermedium verwendet werden, während Flüssigkeiten, Gase und Vakuum als ein Untermedium verwendet werden können, jedoch nicht als Hauptmedium.
Der mittlere Brechungsindex eines Bereiches, der aus mehreren Medien i besteht (i = 1 ... M), ist durch die folgenden Formeln definiert:
wobei n[i] und f[i] jeweils den Brechungsindex bzw. das Volumen des Mediums i bezeichnen.
Die Erfindung stellt eine Lichtleitfaser gemäß Patentanspruch 1 und ein Optikmodul gemäß Patentanspruch 8 zur Verfügung. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einfach aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich, einfach mit Hilfe der Erläuterung der besten überlegten Art und Weise zur Ausführung der Erfindung. Die Erfindung kann mit anderen und unterschiedlichen Ausführungsformen verwirklicht werden, und ihre verschiedenen Einzelheiten können in verschiedenen, offensichtlichen Hinsichten abgeändert werden, sämtlich ohne Abweichung von der Erfindung. Daher sind die Zeichnung und die Beschreibung als erläuternd zu verstehen, nicht als einschränkend.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft, und nicht einschränkend, in den Figuren der beigefügten Zeichnungen erläutert, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und in welchen:
1 eine Darstellung eines Querschnitts senkrecht zu der Faserachse einer Lichtleitfaser mit Mikrogefüge gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 die chromatische Dispersion der Fundamentalmode der in 1 gezeigten Lichtleitfaser zeigt;
3 die effektive Kernfläche der Fundamentalmode der in 1 gezeigten Lichtleitfaser zeigt;
4 eine Darstellung eines Querschnitts senkrecht zur Faserachse einer Lichtleitfaser mit Mikrogefüge gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 ein Diagramm ist, das die chromatische Dispersion der Fundamentalmode der in 4 gezeigten Lichtleitfaser zeigt;
6 die effektive Kernfläche der Fundamentalmode der in 4 gezeigten Lichtleitfaser zeigt;
7 eine Darstellung eines Querschnitts entlang der Faserachse einer Lichtleitfaser mit Mikrogefüge gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
8 ein Optikmodul für Supercontinuumerzeugung unter Verwendung einer Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ein Optikmodul zur Wiederherstellung der Form optischer Impulse unter Verwendung einer Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ein Optikmodul für optische parametrische Verstärkung unter Verwendung einer Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
11 ein Diagramm ist, das die Biegeverluste der Lichtleitfasern von Ausführungsformen von Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Wellenlänge von 1550 nm zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine Darstellung eines Querschnitts senkrecht zur Faserachse einer Lichtleitfaser mit Mikrogefüge gemäß der vorliegenden Erfindung. Mehrere Löcher 3, welche Untermedien sind, sind im Quarzglas 2 angeordnet, das ein Hauptmedium ist. Das Quarzglas ist typischerweise frei von Verunreinigungen. Allerdings ist es ebenfalls vorzuziehen, Dotiermittel wie Germanium, Fluor, Chlor, Bor, Aluminium, und Titan dem Quarzglas hinzuzufügen, und ein Brechungsindexprofil innerhalb des Querschnitts der Lichtleitfaser auszubilden. Dies führt dazu, dass ermöglicht wird, die Wellenleiterfunktion aufrechtzuerhalten, selbst wenn die Löcher zusammengeschrumpft sind. Derartige Zusammenschrumpfungen werden häufig in Schmelzverbindungen der Lichtleitfaser mit anderen optischen Bauteilen hervorgerufen, sodass der optische Verlust an einer Schmelzverbindung durch das Wellenleiterindexprofil unterdrückt werden kann. Weiterhin wird durch Hinzufügen von Germanium zu Quarzglas und Aussetzen der Lichtleitfaser einer W-Strahlung ermöglicht, Fasergitter zu erzeugen, und optische Filter und Entzerrer für die optische Leistung zu erzielen. Weiterhin wird durch Hinzufügen von Dotiermitteln wie Germanium, Phosphor, Stickstoff ermöglicht, die Nichtlinearität des Glases zu erhöhen, und hierdurch die optische Leistung zu verringern, die zur Supercontinuumerzeugung benötigt wird, oder das Raman-Verstärkungsspektrum abzuändern, und hierdurch ein optisches Verstärkungsmedium zu erzielen, das für Raman-Verstärkung über einen breiten Wellenlängenbereich geeignet ist. Weiterhin wird durch Hinzufügen von Dotiermitteln wie Erbium, Ytterbium, Neodym, und Praseodym ermöglicht, optische Verstärkungscharakteristiken zu erzielen. Andererseits sind Löcher typischerweise mit Inertgas wie Stickstoffgas, Argongas, Neongas und Heliumgas unter einem vorbestimmten Druck gefüllt. Allerdings ist es ebenfalls möglich, optische Verstärkungscharakteristiken durch Füllen von Löchern mit aktiven Gasen wie beispielsweise Wasserstoffgas zu erzielen.
In dem Querschnitt der in 1 gezeigten Faser ist der Kernbereich 10 ein kreisförmiger Bereich, der keine Löcher enthält. Der erste Mantelbereich 11 ist ein Ringbereich, der den Kernbereich umgibt, und vier Löcher enthält. Der zweite Mantelbereich 12 ist ein Ringbereich, der den ersten Mantelbereich umgibt, und keine Löcher enthält. Der dritte Mantelbereich 13 ist ein Ringbereich, der den zweiten Mantelbereich umgibt, und achtundsechzig Löcher enthält. Der vierte Mantelbereich 14 ist ein Ringbereich, der den dritten Mantelbereich umgibt, und keine Löcher enthält. Die Außengrenze des vierten Mantelbereichs ist die Außengrenze des Glasbereiches der Lichtleitfaser. Allerdings ist es ebenfalls möglich, die äußere Oberfläche des vierten Mantelbereichs mit einem Beschichtungsmittel wie beispielsweise Polymer abzudecken, und hierdurch die mechanische Festigkeit der Lichtleitfaser zu erhöhen. Die Zentren des Kerns und des ersten bis vierten Mantelbereichs stimmen mit dem Zentrum der Lichtleitfaser überein.
In dem ersten Mantelbereich sind vier Löcher in gleichem Abstand auf dem Umfang des Kreises angeordnet, dessen Zentrum im Zentrum der Lichtleitfaser liegt, und einen Radius von 0,85 μm aufweist. Jedes der Löcher weist einen Durchmesser von 0,41 μm oder eine Fläche von 0,13 μm² auf. In dem dritten Mantel sind 8, 14, 20 und 26 Löcher in gleichem Abstand auf den Umfängen der Kreise mit Zentrum im Zentrum der Lichtleitfaser angeordnet, die einen Radius von 1,85 μm, 3,19 μm, 4,53 μm bzw. 5,88 μm aufweisen. Jedes der Löcher hat einen Durchmesser von 1,13 μm. Weiterhin weist infolge einer derartigen Anordnung die Anordnung der Löcher in dem ersten Mantel und in der innersten Schicht des dritten Mantels eine Rotationssymmetrie der vierten Ordnung auf. Dies führt dazu, dass Doppelbrechung und Polarisationsmodendispersion verringert sind.
Die Außengrenzen des Kernbereichs, des ersten, des zweiten und des dritten Mantelbereichs sind Umfänge von Kreisen mit Zentrum im Zentrum der Lichtleitfaser, die einen Radius von 0,65 μm, 1,06 μm, 1,29 μm bzw. 6,45 μm aufweisen. Dies führt dazu, dass die mittleren Brechungsindizes des Kerns N[0] und der k-ten Mantelbereiche N[k] (k = 1 ...4) folgendermaßen sind: N[0] = 1,444, N[1] = 1,351, N[2] = 1,444, N[3] = 1,221, N[4] = 1,444, und daher die folgende Bedingung erfüllt ist: N[0] > N[1] < N[2] > N[3].
Der Brechungsindex von Quarzglas und Loch beträgt 1,444 bzw. 1. Die Werte der Brechungsindizes sind bei einer Wellenlänge von 1550 nm festgelegt, falls nicht anders angegeben.
2 zeigt die chromatische Dispersion der Fundamentalmode der in 1 gezeigten Lichtleitfaser. Die chromatische Dispersion beträgt –4,1 ps/nm/km bei einer Wellenlänge von 1200 nm, und +4,1 ps/nm/km bei 1700 nm. Der Mittelwert, die Standardabweichung, das Maximum und das Minimum der chromatischen Dispersion über einem Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1700 nm beträgt +2,7 ps/nm/km, 3,0 ps/nm/km, +5,7 ps/nm/km, bzw. –4,1 ps/nm/km, sodass das Maximum der absoluten chromatischen Dispersion gleich 5,7 ps/nm/km ist. Weiterhin beträgt die chromatische Dispersion +5,0 ps/nm/km bei 1500 nm, und +5,6 ps/nm/km bei 1600 nm. Der Mittelwert, die Standardabweichung, das Maximum und das Minimum der chromatischen Dispersion über einen Wellenlängenbereich von 1500 nm bis 1600 nm sind gleich +5,4 ps/nm/km, 0,2 ps/nm/km, +5,7 ps/nm/km bzw. +5,0 ps/nm/km, sodass das Maximum der absoluten chromatischen Dispersion 5,7 ps/nm/km beträgt.
3 zeigt die effektive Kernfläche der Fundamentalmode der in 1 gezeigten Lichtleitfaser. Die effektive Kernfläche ist gleich 2,9 μm² bei einer Wellenlänge von 1200 nm, und 4,0 μm² bei 1700 nm. Der Mittelwert, die Standardabweichung, das Maximum und das Minimum der effektiven Kernfläche über einem Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1700 nm sind gleich 3,4 μm², 0,3 μm², 4,0 μm² bzw. 2,9 μm². Weiterhin beträgt die effektive Kernfläche 3,6 μm² bei 1500 nm, und 3,8 μm² bei 1600 nm. Der Mittelwert, die Standardabweichung, das Maximum und das Minimum der effektiven Kernfläche über einen Wellenlängenbereich von 1500 nm bis 1600 nm betragen 3,7 μm², 0,1 μm², 3,8 μm² bzw. 3,6 μm².
Da die Charakteristik der chromatischen Dispersion einen kleinen Absolutwert aufweist, und in vernachlässigbarer Weise über einen breiten Wellenlängenbereich wellenlängenabhängig ist, können unter Verwendung dieser Lichtleitfaser eine Supercontinuumerzeugung über einem breiten Wellenlängenbereich und mit hoher Kohärenz erzielt werden, eine Wiederherstellung der Form optischer Impulse mit einer kleinen Verzerrung der Impulse, und optische parametrische Verstärkung über einen breiten Wellenlängenbereich.
4 ist eine Darstellung eines Querschnitts senkrecht zur Faserachse einer Lichtleitfaser mit Mikrogefüge gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Löcher 3, die Untermedien sind, sind im Quarzglas 2 angeordnet, das ein Hauptmedium ist. Wie bei der ersten Ausführungsform ist es ebenfalls möglich, obwohl das Quarzglas typischerweise frei von Verunreinigungen ist, Dotiermittel dem Quarzglas zuzusetzen, beispielsweise Germanium, Fluor, Chlor, Bor, Aluminium, Titan, Phosphor, Stickstoff, Wismut, Erbium, Ytterbium, Neodym, und Praseodym. Obwohl die Löcher typischerweise mit einem Inertgas wie Luft, Stickstoffgas, Argongas, Neongas und Heliumgas gefüllt sind, ist es ebenfalls möglich, die Löcher mit aktiven Gasen wie beispielsweise Wasserstoffgas zu füllen.
In dem in 4 gezeigten Querschnitt ist der Kernbereich 10 ein kreisförmiger Bereich, der keine Löcher enthält. Der erste Mantelbereich 11 ist ein Ringbereich, der den Kernbereich umgibt, und 16 Löcher enthält. Der zweite Mantelbereich 12 ist ein Ringbereich, der den ersten Mantelbereich umgibt, und keine Löcher enthält. Der dritte Mantelbereich 13 ist ein Ringbereich, der den zweiten Mantelbereich umgibt, und 68 Löcher enthält. Der vierte Mantelbereich 14 ist ein Ringbereich, der den dritten Mantelbereich umgibt, und keine Löcher enthält. Die Außengrenze des vierten Mantelbereichs ist die Außengrenze des Glasbereiches der Lichtleitfaser. Allerdings ist es ebenfalls möglich, die äußere Oberfläche des vierten Mantelbereichs mit Beschichtungsmaterialien wie beispielsweise Polymer abzudecken, und hierdurch die mechanische Festigkeit der Lichtleitfaser zu verbessern. Die Zentren des Kerns und des ersten bis vierten Mantelbereichs stimmen mit dem Zentrum der Lichtleitfaser überein.
In dem ersten Mantelbereich sind sechzehn Löcher in gleichen Abständen auf dem Umfang des Kreises mit Zentrum im Zentrum der Lichtleitfaser angeordnet, der einen Radius von 1,24 μm aufweist. Jedes der Löcher weist einen Durchmesser von 0,31 μm auf, oder entsprechend eine Fläche von 0,08 μm². In dem dritten Mantelbereich sind 8, 14, 20 und 26 Löcher in gleichen Abständen auf den Umfängen von Kreisen mit Zentrum im Zentrum der Lichtleitfaser angeordnet, die einen Radius von 2,52 μm, 4,34 μm, 6,17 μm bzw. 8,00 μm aufweisen. Jedes der Löcher hat einen Durchmesser von 1,54 μm. Infolge dieser Anordnung weist die Anordnung der Löcher in dem ersten Mantel und der innersten Schicht des dritten Mantelbereichs eine Rotationssymmetrie der vierten Ordnung auf.
Die Außengrenzen des Kerns und des ersten bis dritten Mantelbereichs sind Umfänge von Kreisen mit Zentrum im Zentrum der Lichtleitfaser, die einen Radius von 1,08 μm, 1,39 μm, 1,75 μm bzw. 8,77 μm aufweisen. Dies führt dazu, dass der mittlere Brechungsindex des Kerns N[0] und des k-ten Mantelbereichs N[k] (k = 1 ...4) folgendermaßen sind: N[0] = 1,444, N[1] = 1,242, N[2] = 1,444, N[3] = 1,221, und N[4] = 1,444, sodass die Bedingung der voranstehend angegebenen Formel erfüllt ist. Der Brechungsindex von Quarzglas und Loch beträgt 1,444 bzw. 1. Die Werte der Brechungsindizes sind bei 1550 nm Wellenlänge angegeben, falls nicht anders angegeben.
5 zeigt die chromatische Dispersion der Fundamentalmode der in 4 gezeigten Lichtleitfaser. Die chromatische Dispersion ist gleich +14,3 ps/nm/km bei einer Wellenlänge von 1200 nm und gleich +2,9 ps/nm/km bei 1700 nm. Der Mittelwert, die Standardabweichung, das Maximum und das Minimum der chromatischen Dispersion über einem Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1700 nm sind gleich +5,5 ps/nm/km, 3,9 ps/nm/km, +14,3 ps/nm/km bzw. +1,9 ps/nm/km, sodass das Maximum der absoluten chromatischen Dispersion 14,3 ps/nm/km beträgt. Weiterhin ist die chromatische Dispersion gleich +2,6 ps/nm/km bei 1500 nm, und gleich +2,0 ps/nm/km bei 1600 nm. Der Mittelwert, die Standardabweichung, das Maximum und das Minimum der chromatischen Dispersion über einem Wellenlängenbereich von 1500 nm bis 1600 nm betragen +2,2 ps/nm/km, 0,2 ps/nm/km, +2,6 ps/nm/km bzw. +2,0 ps/nm/km, sodass das Maximum der absoluten chromatischen Dispersion gleich 2,6 ps/nm/km ist.
6(2a) zeigt die effektive Kernfläche der Fundamentalmode der in 4 gezeigten Lichtleitfaser. Die effektive Kernfläche beträgt 3,3 μm², bei einer Wellenlänge von 1200 nm, und 4,7 μm² bei 1700 nm. Der Mittelwert, die Standardabweichung, das Maximum und das Minimum der effektiven Kernfläche über einen Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1700 nm betragen 3,9 μm², 0,4 μm², 4,7 μm² bzw. 3,3 μm². Weiterhin ist die effektive Kernfläche gleich 4,1 μm² bei 1500 nm, und 4,4 μm² bei 1600 nm. Der Mittelwert, die Standardabweichung, das Maximum und das Minimum der effektiven Kernfläche über einen Wellenlängenbereich von 1500 nm bis 1600 nm betragen 4,2 μm², 0,1 μm², 4,4 μm² bzw. 4,1 μm².
Infolge dieser Charakteristik der chromatischen Dispersion, die einen kleinen Absolutwert und eine vernachlässigbare Wellenlängenabhängigkeit über einem breiten Wellenlängenbereich aufweist, können unter Verwendung dieser Lichtleitfaser eine Supercontinuumerzeugung über einem breiten Wellenlängenbereich und mit hoher Kohärenz, die Wiederherstellung der Form optischer Impulse mit einer kleinen Verzerrung der Impulse, und optische parametrische Verstärkung über einen breiten Wellenlängenbereich erzielt werden.
6(2b) zeigt die effektive Kernfläche der in 4 gezeigten Lichtleitfaser in jenem Fall, in welchem die Löcher durch Quarzglas ersetzt sind. Das Verhältnis der effektiven Fläche nach dem Ersetzen zu jener vor dem Ersetzen beträgt 2,0 bei 1200 nm, und 1,6 bei 1550 nm. Weiterhin weisen bei der in 4 gezeigten Lichtleitfaser die Löcher in dem ersten Mantelbereich einen kleineren Durchmesser auf als jene in dem dritten Mantelbereich, und daher eine höhere Oberflächenspannung. Dies führt dazu, dass ermöglicht wird, die Löcher in dem ersten Mantel selektiv zusammenschrumpfen zu lassen, durch Halten der Lichtleitfaser auf einer Temperatur, bei welcher ein Schrumpfen der Löcher infolge von Oberflächenspannung nur in dem ersten Mantel stattfindet. Ein derartiges selektives Zusammenschrumpfen ist vorzuziehen, da die wirksame Kernfläche vergrößert wird, während keine Erhöhung der Kriechverluste infolge eines geschwächten Einschlusses auftritt. Speziell ist es möglich, die effektive Kernfläche in einem Faserende zu vergrößern, durch Ausbildung eines Abschnitts 21, in welchem die Löcher in dem ersten Mantelbereich geschrumpft sind, und eines Abschnitts 22, in welchem sich die Durchmesser der Löcher in dem ersten Mantel allmählich entlang der Faserlänge ändern, wie in 7 gezeigt ist.
Da die herkömmlichen Single-Mode-Fasern effektive Kernflächen von mehr als 10 bis 80 μm² bei einer Wellenlänge von 1550 nm aufweisen, war es schwierig, einen hohen Kopplungswirkungsgrad bei einer optischen Kopplung zwischen einer herkömmlichen Single-Mode-Faser und einer Lichtleitfaser zu erzielen, die eine effektive Kernfläche unterhalb von 5 μm² bei der Wellenlänge von 1550 nm aufweist. Allerdings wird es einfach, einen hohen Kopplungswirkungsgrad bei einer optischen Kopplung mit einer herkömmlichen Single-Mode-Faser zu erreichen, durch Einsatz der Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung, und Vergrößern der effektiven Kernfläche in einem Faserende, durch selektives Zusammenschrumpfen der Löcher in dem ersten Mantel, wie in 7 gezeigt. Weiterhin wird durch die vorliegende Erfindung mit vergrößerter effektiver Kernfläche in einem Faserende ebenfalls ermöglicht, einen hohen Kopplungswirkungsgrad bei der optischen Kopplung mit externen Optikbauteilen zu erzielen, da die Anforderung an die Genauigkeit der Positionierung verringert ist.
Obwohl die Lichtleitfasern der Ausführungsformen der 1 und 4 im Wesentlichen eine Rotationssymmetrie der vierten Ordnung um das Faserzentrum aufweisen, ist es ebenfalls möglich, die Ordnung der Rotationssymmetrie niedriger als drei zu wählen, indem die Abstände zwischen dem auf den Umfängen angeordneten Löchern ungleichmäßig gewählt werden, und hierdurch die Doppelbrechung der Lichtleitfaser erhöht wird, und die Polarisationsaufrechterhaltungseigenschaften zu verbessern. Im Ergebnis wird ermöglicht, den Wirkungsgrad eines optischen parametrischen Verstärkers zu verbessern, durch Stabilisieren der Zustände der Polarisation der Pump- und der Signallichtwellen und Erreichen einer großen Wechselwirkungslänge.
Die Lichtleitfaser gemäß den voranstehend geschilderten Ausführungsformen kann folgendermaßen hergestellt werden. Zuerst werden vier (oder sechzehn) Löcher mit einem jeweiligen Durchmesser von 1,5 mm und achtundsechzig Löcher mit einem jeweiligen Durchmesser von 4,2 mm (oder 7,5 mm) durch Bohren in einer gesinterten Glassäule mit einem Durchmesser von 60 mm erzeugt. Zweitens wird die Glassäule auf einen Durchmesser von 6 mm gelängt. Drittens wird die gelängte Glassäule in ein Glasrohr eingeführt und mit diesem vereinigt, das einen Innendurchmesser von etwa 6 mm und einen Außendurchmesser von 39 mm aufweist, was zu einem Lichtleitfaser-Vorformling führt. Schließlich wird der Vorformling zu einer Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von 106 μm (oder 80 μm) ausgezogen. Bei diesem Verfahren wird ermöglicht, den optischen Verlust der Lichtleitfaser infolge Absorption durch Verunreinigungen und Streuung durch Oberflächenrauigkeit durch Ätzen der inneren Oberfläche der Löcher zu verringern, nachdem die Löcher durch Bohren hergestellt wurden. Verglichen mit Lochdurchmessern, die so klein sind wie weniger als 1/6 bis 1/10 der Wellenlänge (kleiner als 0,16 μm bis 0,26 μm bei einer Wellenlänge von 1550 nm) bei dem voranstehend erläuterten Stand der Technik sind die Löcher gemäß der vorliegenden Erfindung so groß wie 0,31 μm bis 0,41 μm. Dies führt dazu, obwohl es beim Stand der Technik erforderlich war, eine niedrige Temperatur beim Ziehen der Faser zum Steuern der Durchmesser der Löcher aufrechtzuerhalten, dass es bei der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird, die Temperatur beim Ziehen zu erhöhen, und hierdurch einen niedrigen optischen Verlust, eine hohe Beständigkeit gegenüber UV-Licht, und eine hohe Ausbeute beim Faserziehen zu erreichen. Der Stand der Technik beschreibt nicht die vorteilhaften Eigenschaften der vorliegenden Erfindung, nämlich eine flache chromatische Dispersion und eine kleine effektive Kernfläche.
8 zeigt ein Optikmodul zur Supercontinuumerzeugung unter Verwendung der Lichtleitfaser einer der Ausführungsformen der Erfindung. Das Modul weist eine Lichtleitfaser 1 auf, die zu einem Durchmesser von 10 mm bis 150 mm aufgewickelt ist. An den Faserenden 31 und 32 ist die effektive Kernfläche vergrößert, durch Zusammenschrumpfen der Löcher in dem ersten Mantelbereich, wie in 7 gezeigt. An dem Faserende 31 werden optische Impulse von der gepulsten Lichtquelle 33 in die Lichtleitfaser eingekoppelt. Die an dem Faserende 31 eingekoppelten optischen Impulse weisen eine Zentrumswellenlänge im Bereich von 1200 nm bis 1700 nm auf, einen Leistungsspitzenwert von mehr als 10 mW, und eine Dauer von weniger als 1 μs. Dies führt dazu, dass die Spektren der Impulse infolge nichtlinearer optischer Effekte in der Lichtleitfaser verbreitert werden, und Supercontinuumstrahlung aus dem Faserende 32 austritt. Da die Lichtleitfaser eine kleine absolute chromatische Dispersion aufweist, die vernachlässigbar wellenlängenabhängig über einem breiten Wellenlängenbereich ist, und eine kleine effektive Kernfläche, wird ermöglicht, eine Supercontinuumstrahlung über einem breiten Wellenlängenbereich und mit hoher Kohärenz zu erzeugen. Da der Kopplungswirkungsgrad an den Faserenden hoch ist, ist auch der Wirkungsgrad der optischen Leistung hoch.
9 zeigt ein Optikmodul zur Wiederherstellung der Form optischer Impulse. Das Modul weist eine Lichtleitfaser 1 gemäß der vorliegenden Erfindung auf, aufgewickelt mit einem Durchmesser von 10 mm bis 150 mm. An den Faserenden 31 und 32 ist die effektive Kernfläche vergrößert, durch Zusammenschrumpfen der Löcher in dem ersten Mantelbereich, wie in 7 gezeigt ist. An dem Faserende 31 werden optische Signalimpulse in die Lichtleitfaser eingegeben. Die Eingangssignalimpulse weisen eine Zentrumswellenlänge im Bereich von 1200 nm bis 1700 nm auf, einen Leistungsspitzenwert von mehr als 10 mW, und eine Impulsdauer von weniger als 1 μs. Obwohl optische Signalimpulse von Rauschen begleitet sind, wird das Rauschen außerhalb der Signalbandbreite herausgefiltert, bevor das Signal in das Modul eingegeben wird. Die Spektren der Signalimpulse werden infolge nichtlinearer optischer Effekte in der Lichtleitfaser verbreitert, und dann geht das Signal durch ein Bandpassfilter 35 hindurch, das eine Zentrumswellenlänge getrennt von jener des Eingangssignals aufweist. Dies führt dazu, dass das Rauschen von dem Signal entfernt wird, und die Form des Signalimpulses wieder hergestellt wird. Da die Lichtleitfaser eine kleine chromatische Dispersion in Bezug auf den Absolutwert aufweist, die vernachlässigbar wellenlängenabhängig über einen breiten Wellenlängenbereich ist, und eine kleine effektive Kernfläche aufweist, wird ermöglicht, eine Wiederherstellung der Form optischer Impulse mit geringer Verzerrung der Impulse infolge einer Modulationsinstabilität und anderer nichtlinearer Effekte zu erzielen. Da der Kopplungswirkungsgrad an den Faserenden hoch ist, ist auch der Wirkungsgrad der optischen Leistung hoch.
10 zeigt ein Optikmodul für optische parametrische Verstärkung. Das Modul weist eine Lichtleitfaser 1 gemäß der vorliegenden Erfindung auf, aufgewickelt mit einem Durchmesser von 10 mm bis 150 mm. An den Faserenden 31 und 32 ist die effektive Kernfläche durch Zusammenschrumpfen der Löcher in dem ersten Mantelbereich vergrößert, wie in 7 gezeigt ist. An dem Port 43 wird ein optisches Signal mit einer vorbestimmten Wellenlänge im Bereich von 1200 nm bis 1700 nm zugeführt. Die optische Quelle 44 erzeugt eine Dauer-Pumplichtwelle mit einer Leistung von mehr als 10 mW. Nachdem die Signal- und die Pumplichtwelle durch eine Mischervorrichtung 45 vereinigt wurden, werden sie in die Lichtleitfaser eingegeben. In der Lichtleitfaser wird die optische Leistung von der Pumpwelle auf die Signalwelle über den optischen parametrischen Prozess übertragen, sodass das Signal verstärkt wird, und aus dem Faserende 32 austritt. Da die Lichtleitfaser einen kleinen Absolutwert der chromatischen Dispersion aufweist, vernachlässigbar wellenlängenabhängig über einem breiten Wellenlängenbereich ist, und eine kleine effektive Kernfläche aufweist, wird ermöglicht, optische parametrische Verstärkung über einem breiten Wellenlängenbereich und mit hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Da der Kopplungswirkungsgrad an den Faserenden hoch ist, ist auch der Wirkungsgrad der optischen Leistung hoch.
11 zeigt die Biegeverluste der Lichtleitfasern (1) und (2) der beiden Ausführungsformen der Faser in 1 bzw. 4. Wie dargestellt, weisen die Lichtleitfasern gemäß der vorliegenden Erfindung einen niedrigen Biegeverlust bei einem Biegedurchmesser von 30 mm auf, sodass es vorzuziehen ist, zur Verringerung des Volumens des Optikmoduls, die Lichtleitfaser mit einem kleinen Durchmesser von weniger als 30 mm aufzuwickeln.
Während die Erfindung im Zusammenhang damit beschrieben wurde, was momentan als die praktischsten bevorzugten Ausführungsformen angesehen wird, ist die Erfindung nicht auf die geschilderten Ausführungsformen beschränkt, wobei im Gegensatz angestrebt ist, verschiedene Abänderungen und äquivalente Anordnungen innerhalb des Umfangs der Erfindung abzudecken, der sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung, und den Zeichnungen ergibt.

Claims

Lichtleitfaser, bei welcher vorgesehen sind: ein Kernbereich (10) und mehrere Mantelbereiche (11, 12, 13), wobei ein erster Mantelbereich (11) den Kernbereich umgibt, und ein (k + 1)-ter Mantelbereich einen k-ten Mantelbereich (k = 1, 2, ...) umgibt, wobei der erste (11) und der dritte (13) Mantelbereich (11, 13) mehrere in einem Hauptmedium verteilte Untermediumbereiche aufweisen; das Hauptmedium Quarzglas (2) aufweist, und die Untermediumbereiche Löcher (3) aufweisen; das Untermedium einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Hauptmedium, und der Kern, die k-ten Mantelbereiche (k = 1, 2, 3) und die Untermediumbereiche sich entlang der Faserlänge erstrecken; die mittleren Brechungsindizes des Kernbereiches N[0], und der der k-ten Mantelbereiche N[k] (k = 1, 2, 3) die Bedingung N[0] > N[1] < N[2] > N[3] erfüllen, mit N[0] = N[2]; die mittlere Querschnittsfläche der Löcher in dem ersten Mantelbereich (11) kleiner ist als die mittlere Querschnittsfläche der Löcher in dem dritten Mantelbereich (13); die chromatische Dispersion D(λ) und die effektive Kernfläche A_eff(λ) der Fundamentalmode folgende Bedingung erfüllen: max{D(λ)} – min{D(λ)} < 10 [ps/nm/km] max{|D((λ)|} < 20 [ps/nm/km], und min {A_eff(λ)} < 5 [μm²], in einem Wellenlängenbereich Ω = {λ|₁λ < = λ₂}, mit λ₁ > = 1200 [nm], λ₂ < = 1700 [nm], λ₂ – λ₁ > = 100 [nm]; die effektive Kernfläche der Fundamentalmode bei einer vorbestimmten Wellenlänge λ in dem Wellenlängenbereich Ω, wenn die Löcher in dem ersten Mantelbereich (11) durch Quarzglas ersetzt werden, größer als das 1,5-fache der effektiven Kernfläche ist, wenn die Löcher in dem ersten Mantelbereich nicht durch Quarzglas ersetzt werden; und die Lichtleitfaser weiterhin einen zusammengeschrumpften Abschnitt (21) in zumindest einem Faserende aufweist, wobei die Löcher in dem ersten Mantelbereich (11) zusammengeschrumpft sind, und die Löcher in dem dritten Mantelbereich (13) nicht zusammengeschrumpft sind.
Lichtleitfaser nach Anspruch 1, bei welcher der Kernbereich (11) und der zweite Mantelbereich (12) aus dem Hauptmedium ohne Untermediumbereiche bestehen.
Lichtleitfaser nach Anspruch 2, bei welcher die mittlere Querschnittsfläche der Löcher in dem ersten Mantelbereich (11) größer oder gleich 0,06 μm² ist.
Lichtleitfaser nach Anspruch 3, bei welcher die mittlere Querschnittsfläche der Löcher in dem ersten Mantelbereich (11) größer oder gleich 0,010 μm² ist.
Lichtleitfaser nach Anspruch 3, welche weiterhin einen vierten Mantelbereich (14) aufweist, welcher den dritten Mantelbereich (13) umgibt, wobei der vierte Mantelbereich nur aus dem Hauptmedium besteht, und die Untermediumbereiche in dem dritten Mantelbereich äquidistant auf dem Umfang auf mehreren Kreisen angeordnet sind, die zum Zentrum der Lichtleitfaser zentriert sind.
Lichtleitfaser nach Anspruch 3, bei welcher die Anordnung der Untermediumbereiche in dem ersten Mantelbereich (11) eine Rotationssymmetrie von höherer als zweiter Ordnung um das Zentrum des Kernbereichs (10) aufweist.
Lichtleitfaser nach Anspruch 3, bei welcher die Ordnung der Rotationssymmetrie der Anordnung der Untermediumbereiche in dem ersten Mantelbereich (11) um das Zentrum des Kernbereichs (10) niedriger ist al die dritte Ordnung.
Optikmodul, bei welchem vorgesehen sind: eine Lichtleitfaser (1) nach Anspruch 1, die mit einem vorbestimmten Durchmesser von weniger als 150 mm über eine oder mehrere Umdrehungen gewickelt ist; und eine optische Kopplungsvorrichtung, die eine Lichtwelle in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich Ω = {λ|λ₁ < = λ < = λ₂} innerhalb von 1200 nm bis 1700 nm in die beiden Enden der Lichtleitfaser einkoppelt.
Optikmodul nach Anspruch 8, bei welchem der vorbestimmte Durchmesser, mit welchem die Lichtleitfaser gewickelt ist, kleiner ist als 30 mm.