DE69829211T2

DE69829211T2 - Temperaturstabilisierung von optischen wellenleitern

Info

Publication number: DE69829211T2
Application number: DE69829211T
Authority: DE
Inventors: Engholm Jens PEDERSEN; Martijn Beukema; Vestergaard Christian POULSEN; Erik Lars ESKILDSEN
Original assignee: Koheras AS
Current assignee: Koheras AS
Priority date: 1997-11-24
Filing date: 1998-11-24
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2018-11-25
Also published as: AU736870B2; EP1040375A2; EP1040375B1; WO1999027400A2; CA2310316A1; US6449293B1; WO1999027400A3; US6603779B2; ATE290226T1; CA2310316C; DE69829211D1; US20020181908A1; AU1434099A

Description

1. HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturstabilisierung eines optischen Wellenleiters mit einer positiven Wärmeausdehnung des Lichtwegs, insbesondere eines Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Lasers oder eines Lichtleitfaser-Distributed Bragg-Reflector-Lasers.
Technisches Gebiet
Es ist auf dem Gebiet der Optik weithin bekannt, dass die Leistungsfähigkeit optischer Komponenten über eine induzierte Änderung der optischen Weglänge von der Temperatur abhängt. Diese Abhängigkeit beruht auf einer Änderung des Brechungsindex (thermooptischer Effekt) und der Beanspruchung bzw. Verformung mit der Temperatur. Typischerweise ergibt der thermooptische Effekt den größten Beitrag, und für die meisten optischen Materialien ist der thermooptische Koeffizient positiv, d. h. der Brechungsindex nimmt mit zunehmender Temperatur zu. Bei Siliciumdioxid ist diese Zunahme in der Größenordnung von +11·10^–6/°C. Für Komponenten auf Basis von UV-geschriebenen Bragg-Gittern in Fasern oder planaren Wellenleitern führt dies zu einer Temperaturdrift der zentralen Wellenlänge von ungefähr 0,01 nm/°C. Obwohl diese Zahl etwa 10-fach besser ist als das, was mit optischen Komponenten auf Halbleiterbasis erreicht werden kann, ist dies für einen Bereich wichtiger Anwendungen immer noch zu hoch. Ein bemerkenswertes Beispiel wird in optischen Kommunikationssystemen angetroffen, die auf dem "dense wavelength division multiplexing" basieren, wobei der Kanalabstand z. B. 100 GHz/0,8 nm betragen kann, und die Systemverwaltung eine Wellenlängendrift von nicht höher als 0,001 nm/°C erfordert, d. h. 10-mal niedriger als der intrinsische Wert für UV-geschriebene Bragg-Gitter in Fasern oder planaren Wellenleitern. Somit ist es wichtig, die Wellenlänge zu stabilisieren.
Verschiedene Verfahren zur Stabilisierung der Wellenlänge sind in der Technik vorgeschlagen worden. Bei einem Verfahren wird die Temperatur der Vorrichtung aktiv stabilisiert, z. B. durch Messen der Vorrichtungstemperatur und Steuerung dieser über eine geeignete Rückkopplung. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass Energie, die sich in den Rest des Systems verteilt, verbraucht wird.
Mit anderen Worten wird der thermooptische Koeffizient so manipuliert, dass die Wärmeausdehnung ausgeglichen wird, oder umgekehrt.
Im Allgemeinen wird die Temperaturabhängigkeit der zentralen Wellenlänge λ eines Bragg-Gitters in einer optischen Faser von der Temperatur T durch die folgende Gleichung (1) angegeben:
wobei n, α und ε die Werte für den Brechungsindex, die Wärmeausdehnung und die Verformung sind. Λ ist der Bragg-Gitterabstand. Der erste Term, der den thermooptischen Koeffizienten
enthält, stellt die Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur dar, der zweite Term stellt den Wärmeausdehnungskoeffizienten der optischen Faser dar, der dritte Term, der den elastooptischen Koeffizienten
enthält, stellt die Änderung des Brechungsindex mit der Verformung dar, und der letzte Term stellt die Änderung des Bragg-Gitterabstands mit der Verformung dar.
Aus dieser Gleichung können die folgenden Verfahren zur Temperaturstabilisierung vorgeschlagen. werden:
Der thermooptische Koeffizient wird so geändert, dass die Beiträge der Wärmeausdehnung und der Verformung ausgeglichen werden. In den meisten Lichtleitfaser-Materialien wirken diese zwei Effekte zusammen, wobei die Zentrumwellenlänge mit der Temperatur erhöht wird. Durch Ausgestalten des optischen Materials derart, dass ein negativer thermooptischer Koeffizient bereitgestellt wird, wird jedoch der positive Beitrag der verbleibenden Terme ausgeglichen, sodass eine stabile Zentrumswellenlänge bereitgestellt wird. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass es nicht leicht ist, ein optisches Material herzustellen, das einen negativen thermooptischen Koeffizienten bereitstellt, während die anderen Eigenschaften des Materials beibehalten werden.
Alternativ kann die optische Faser derart unter (Zug-)Spannung auf ein Substrat gesetzt werden, dass deren effektive Wärmeausdehnung negativ wird, um den normalerweise positiven Beitrag der thermooptischen und fotoelastischen Koeffizienten zu kompensieren. Wenn die optische Faser unter Spannung aufgesetzt wird, reduziert sich Gleichung (1) zu Gleichung (2):
Wobei α_s und α_f die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats und der optischen Faser sind. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats kann durch zwei Verfahren negativ gemacht werden.
In einem Verfahren kann das Substrat aus zwei Materialien verschiedener Länge und mit verschiedenen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgebaut sein. Das kürzeste Materialteil ist aus dem Material mit dem höchsten positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, und das längste Teil ist aus dem Material mit dem niedrigsten positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt. Durch Anbringen eines Endes des kurzen Teils an einem Ende des langen Teils werden sich die anderen Enden der zwei Teile einander annähern, wenn die Temperatur erhöht wird. Dies setzt voraus, dass die Längen und Materialparameter richtig ausgewogen sind. Wenn eine optische Faser unter (Zug-)Spannung zwischen diese Enden gesetzt wird, wird deren effektive Wärmeausdehnung negativ. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass sorgfältige Einstellungen der Längen und Wärmeausdehnungen der zwei Teile erforderlich sind, um zu gewährleisten, dass die negativ wirkende Wärmeausdehnung den positiven thermooptischen Koeffizienten kompensiert.
In einem anderen Verfahren besteht das Substrat aus einem einzigen Material mit einem intrinsischen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Eine optische Faser wird unter (Zug-)Spannung auf das Substrat aufgebracht. Durch Auswählen und/oder Gestalten eines Substratmaterials mit einem geeigneten Wert des negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten kompensiert die effektive negative Wärmeausdehnung den positiven Beitrag der thermooptischen und fotoelastischen Koeffizienten der optischen Faser. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass wenn die korrekte Materialzusammensetzung einmal bereitgestellt wurde, keine weiteren Einstellungen erforderlich sind, um eine Wellenlänge mit stabilem Zentrum zu erhalten. Dieses Verfahren hat daher den Vorteil der Einfachheit des Anbringprozesses; die exakte Länge der Faser ist nicht wichtig. Weiterhin kann in Abhängigkeit des Substratmaterials das Aufsetzen beträchtlich robuster vorgenommen werden.
Außer einer Änderung der zentralen Wellenlänge beeinflussen Temperaturänderungen auch die spektrale Linienbreite von optischen Wellenleiter-Lasern, z. B. optischen Faserlasern beziehungsweise Lichtleitfaser-Lasern. Die spektrale Linienbreite von Lasern, einschließlich Einfrequenz-Seltenerd-dotierten Faserlasern, wird schließlich durch spontanes optisches Emissionsrauschen bestimmt, entsprechend der Shawlow-Townes Grenze. Für Seltenerd-dotierte Faserlaser liegt dies im Hz- bis Sub-Hz-Bereich. In praktischen Implementierungen beeinflussen jedoch Umgebungseinflüsse die Hohlraumstabilität und führen zu Linienbreiten deutlich über der Shawlow-Townes Grenze. Obwohl daher eine Langzeittemperaturdrift durch spezielle Verpackungstechniken wie oben beschrieben kompensiert werden können, führen kleine und schnelle Temperaturfluktuationen zu Schwankungen der zentralen Frequenz (Jitter). Die Frequenzverschiebung aufgrund des thermooptischen Effekts beträgt etwa 10^–5°C^–1·ν·ΔT Hz, wobei ν die optische Frequenz und ΔT die Temperaturänderung ist. Als Beispiel müssen, wenn die Frequenzstabilität besser als 1 MHz bei 1550 nm sein muss, die Temperaturfluktuationen geringer als 10^–3°C sein. Auf diese Weise führen Temperaturschwankungen in der Umgebung zu einer Erhöhung der effektiven Linienbreite. Ein anderer wichtiger Beitrag zu Schwankungen (Jitter) und einer Linienbreitenvergrößerung kommt von akustischen Vibrationen, welche den Hohlraum über den elastooptischen Effekt beeinflussen. Um die Laserfrequenz zu stabilisieren und deren Linienbreite zu vermindern, ist es somit notwendig, diese vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Dabei ist es notwendig, sowohl akustische als auch Temperatureinflüsse zu berücksichtigen, und bezüglich Letztgenannten ist es insbesondere notwendig, schnelle Temperaturänderungen zu berücksichtigen.
Veröffentlichungen des Standes der Technik
Chu et al. "Multilayer dielectric materials of SiO_x/Ta₂O₅/SiO₂ for temperature-stable diode lasers", Materials Chemistry and Physics, 42 (1995), S. 214–216, offenbaren ein SiO_x/Ta₂O₅/SiO₂-Sandwichwellenleitergestaltung mit einem effektiven negativen thermooptischen Koeffizienten zur Temperaturstabilisierung von Dioden-Lasern. Es wird nichts bezüglich der Temperaturstabilisierung optischer Wellenleiter offenbart.
US-Patent 5 042 898 offenbart ein Verfahren, in dem zwei Teile unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und unterschiedlichen Längen so angeordnet werden, dass der thermooptische Koeffizient einer optischen Faser ausbalanciert wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass eine vollständige Steuerung des Prozesses zur Fixierung der optischen Faser an dem Substrat erforderlich ist. Überdies wird die Faser in der Halterung aufgehängt angebracht, was zu einer akustischen Kopplung führt und die (Ver)Packung fragil macht. Schließlich ist Quarz eine ideale Materialwahl für das längere Stück, da Quarz sowohl einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als auch sehr billig ist. Quarz ist jedoch ebenfalls ein brüchiges Material.
Die internationale Anmeldung WO 97/26572 offenbart ein Verfahren, wobei ein einzelnes Substratmaterial mit einem intrinsischen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine bestimmte Klasse eines Substratmaterials mit einem intrinsischen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet wird, Lithium-Aluminiumoxid-Siliciumoxid-Typ-Keramikgläser, die zur Entwicklung der β-Eucryptit-Kristallphase wärmebehandelt wurden. β-Eucryptit als Keramikglas ist potenziell brüchig. Es weist eine Wärmeausdehnungsanisotropie auf, was zu Mikrorissen führt.
Patent Abstract of Japan Vol. 97, No. 6, Abstract von JP-A-9 055 556 offenbart ein Verfahren zum Schützen einer optischen Faser vor Beschädigung durch Beschichten einer gekrümmten optischen Faser und anschließend deren Umhüllung durch Erzeugen einer Harz-beschichteten schicht, die diese enthält.
2. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ziel der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Temperaturstabilisierung eines optischen Wellenleiters mit einer positiven Wärmeausdehnung des Lichtwegs bereitzustellen, insbesondere eines Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Lasers oder eines Lichtleitfaser-Distributed Bragg- Reflector-Lasers, und somit einen robusten, temperaturstabilisierten optischen Wellenleiter bereitzustellen.
Erfindungsgemäße Lösung
Dieses Ziel wird durch Bereitstellen eines Verfahrens der Temperaturstabilisierung eines optischen Wellenleiters mit einer positiven Wärmeausdehnung des Lichtwegs wie in Anspruch 1 erreicht.
Gemäß der Erfindung umfasst das Verfahren das Anbringen des optischen Wellenleiters an mindestens zwei Punkten eines Verbundmaterials mit einer negativen Temperatur- bzw. Wärmeausdehnung, wobei das Verbundmaterial eine Harzmatrix umfasst, wobei die Harzmatrix darin eingebettet Fasern mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, und die Harzmatrix wahlweise darin eingebettet Fasern mit einem positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
Es wird erreicht, dass dieses Verbundmaterial mit negativer Ausdehnung den positiven Beitrag der Änderung der optischen Weglänge aufgrund der thermooptischen und fotoelastischen Koeffizienten des optischen Wellenleiters kompensiert. Weiterhin ist das Verbundmaterial leicht herzustellen und weist eine hohe mechanische Festigkeit auf. Dies ist bei der Konstruktion mechanischer Teile nützlich, wobei ein robuster, temperaturstabilisierter optischer Wellenleiter bereitgestellt wird.
Auch wenn sowohl Fasern mit negativen als auch positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten vorliegen, kann die negative Wärmeausdehnung des endgültigen Verbundmaterials genau auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Zudem können kräftige verstärkende Fasern, z. B. Glasfasern, die mechanischen Eigenschaften weiter verbessern.
Fasern mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten sind in der Technik bekannt. Geeignete Fasern sind in US-Patent Nr. 4 436 689 offenbart.
Bevorzugte Ausführungsformen
Fasern mit einem geeigneten negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten können verwendet werden.
Im Allgemeinen ist es bevorzugt, dass die Fasern mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von –5·10^–6/°C bis –12·10^–6/°C aufweisen, bevorzugt von –9·10^–6/°C bis –12·10^–6/°C.
Die Konzentrationen der Fasermaterialien und Harzmatrixmaterialien werden so gewählt, dass gewährleistet wird, dass ein Verbundmaterial mit dem gewünschten numerischen Wert des negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten zur Kompensierung der thermooptischen und elastooptischen Koeffizienten erhalten wird.
Es ist bevorzugt, dass die Fasern in einem Anteil von 40 bis 70 Vol.-% vorliegen.
Die Fasermaterialien können in irgendeiner geeigneten Form vorliegen. Allgemein ist es bevorzugt, dass die Fasern derart verflochten sind, dass Fasern mit unterschiedlichen Orientierungen bereitgestellt werden, was eine Einstellung der negativen Wärmeausdehnung in Längs- und Querrichtung ermöglicht.
Es ist bevorzugt, dass das Verbundmaterial 60% bis 100% axial orientierte Fasern und 0% bis 40% quer orientierte Fasern enthält.
Allgemein ist bevorzugt, dass die Fasern in einer Verbundstruktur von mehr als einer Schicht angeordnet sind, wodurch eine besonders gute Stabilität erhalten wird. Für eine gegebene mechanische Stabilität gewährleistet eine Verbundstruktur mit mehreren Schichten so einen höheren Prozentsatz von axial orientierten Fasern, wodurch ein numerisch höherer Wert des negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten gewährleistet wird. Andere Strukturen als Verbundstrukturen sind möglich.
Allgemein können die Fasern mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus irgendeinem geeigneten Material sein.
In bevorzugten Ausführungsformen sind die Fasern Fasern aus Materialien, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Polyethylen, Aramid, Polyacrylat, Polybenzobisoxozol, Polybenzobisthiazol, Polyethylennaphthalin, Polyethylensulfid, Polyamid-imid, Polyetheretherketon und Polyethylenterephthalin, allein oder in Kombination.
Polyethylen- und Aramidfasern sind bevorzugt. Insbesondere sind Polyethylenfasern des Typs Dyneema SK60, SK65 und SK66 und Ähnliche bevorzugt, da diese Fasern numerisch hohe negative Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa –12·10^–6/°C aufweisen.
Die Harzmatrix ist irgendeine geeignete Harzmatrix, in welche die Fasern mit einer geeigneten Haftung eingebettet werden können. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Harz ein wärmehärtbares Harz. Es ist bevorzugt, dass die Harzmatrix eine konsolidierte Matrix von Epoxyharzen, ungesättigten Polyesterharzen, Vinyletherharzen, Urethanharzen und Urethanacrylatharzen ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Fasern aus Polyethylen, insbesondere solche des Typs Dyneema SK60, SK65 und Dyneema SK66, und das Harz ist ein Epoxyharz, von dem gefunden wurde, dass es für diese Fasern am geeignetsten ist.
Im Allgemeinen weist ein Verbundmaterial mit einer negativen Wärmeausdehnung gemäß der Erfindung irgendeinen gewünschten negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Zur Temperaturstabilisierung optischer Fasern, z. B. optischer Fasern mit einem Bragg-Gitter, ist es bevorzugt, dass das Verbundmaterial einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von –4·10^–6/°C bis –10·10^–6/°C aufweist, bevorzugt im Bereich von –6·10^–6/°C bis –9·10^–6/°C.
Das Anbringen des optischen Wellenleiters an mindestens zwei Punkten des Verbundmaterials mit einer negativen Wärmeausdehnung kann durch irgendein geeignetes Verfahren bewerkstelligt werden. Z. B. beinhaltet das Anbringen des optischen Wellenleiters an mindestens zwei Punkten das Anbringen der gesamten Länge des optischen Wellenleiters.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine kontrollierte (Zug-)Spannung auf den optischen Wellenleiter ausgeübt, bevor dieser an dem Verbundmaterial angebracht wird, sodass gewährleistet wird, dass die Wärmeausdehnung des Wellenleiters über den für die Vorrichtung spezifizierten Temperaturbereich nur durch die Wärmeausdehnung des Substrats bestimmt wird, und nicht durch die Wärmeausdehnung des Wellenleiters selbst.
Allgemein kann jeder geeignete optische Wellenleiter temperaturstabilisiert werden, z. B. optische Einzelmodus- beziehungsweise Einmodenfasern und Multimodenfasern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der optische Wellenleiter eine optische Faser beziehungsweise ein Lichtwellenleiter, bevorzugt eine Einmodenfaser, deren Eigenschaften der axialen Symmetrie und Flexibilität es besonders einfach machen, diese durch Anbringen an einem Verbundmaterial mit einer negativen Wärmeausdehnung zu temperaturstabilisieren.
In einer anderen Ausführungsform ist der optische Wellenleiter eine optische Faservorrichtung beziehungsweise eine Lichtleitfaser-Vorrichtung, wie beispielsweise ein Bragg-Reflexionsgitter oder ein Kerbfilter, die weiterhin bevorzugt polarisationsstabil ist.
Besonders bevorzugte optische Wellenleiter sind optische Faserlaser, bevorzugt polarisationsstabil, wie beispielsweise Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser oder Lichtleitfaser-Distributed Bragg-Reflector-Laser, insbesondere Seltenerd-dotierte Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser mit UV-induzierten Bragg-Gittern oder Seltenerd-dotierte Lichtleitfaser-Distributed Bragg-Reflector-Laser, die auch UV-induzierte Bragg-Gitter aufweisen. Die Seltenerddotierungsmittel beinhalten die Elemente: La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu.
Besonders bevorzugt sind Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser im stabilen Polarisationsmodus oder Lichtleitfaser-Distributed Bragg-Reflector-Laser im stabilen Polarisationsmodus. Ein stabiler Einpolarisationsmodusbetrieb dieser Vorrichtungen ist für eine Vielzahl wichtiger Anwendungen notwendig, einschließlich der optischen Kommunikation, wobei eine externe Modulation die Verwendung von Polarisationsempfindlichen Vorrichtungen wie Lithiumniobatmodulatoren erfordert.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Lichtleitfaser-Laser beziehungsweise optische Faserlaser an eine die Polarisation aufrechterhaltende Faser gespleißt, und die Polarisationsachsen des Lichtleitfaser-Lasers und der die Polarisation aufrechterhaltenden Faser wurden durch Verdrillen der Faserachsen relativ zueinander vor dem Anbringen des Lichtleitfaser-Lasers und der die Polarisation aufrechterhaltenden Faser an das Verbundmaterial mit negativer Wärmeausdehnung ausgerichtet beziehungsweise aligniert, wodurch die Polarisationsauslöschung am anderen Ende der die Polarisation aufrechterhaltenden Faser optimiert wird, sodass eine vorherrschende lineare Polarisation vorliegt.
Das Verbundmaterial mit negativer Wärmeausdehnung kann in irgendeiner geeigneten Form vorliegen. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verbundmaterial mit negativer Wärmeausdehnung in Form eines Rohrs oder einer Beschichtung auf dem optischen Wellenleiter mit einer positiven Wärmeausdehnung des Lichtwegs vor, wodurch der an den inneren Teil hiervon angebrachte optische Wellenleiter vor äußeren Erschütterungen geschützt ist. Ein solcher stabilisierter optischer Wellenleiter ist kompakter, insbesondere in der spezifischen Ausführungsform einer Faserbeschichtung.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform liegt das Verbundmaterial mit negativer Wärmeausdehnung in Form eines Substrats für den optischen Wellenleiter mit einer positiven Wärmeausdehnung des Lichtwegs vor, wodurch besonders einfache standardisierte Formen des Verbundmaterials mit negativer Wärmeausdehnung für das Anbringen des zu temperaturstabilisierenden optischen Wellenleiters verwendet werden können.
Durch die Erfindung wird weiterhin ein temperaturstabiler, verpackter DFB- oder DBR-Faserlaser bereitgestellt. Der Faserlaser wird wie oben beschrieben auf ein Substratmaterial mit einem intrinsischen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der zum Ausgleich der Änderung des Brechungsindex der Faserlaserfaser mit der Temperatur angepasst ist, aufgebracht.
3. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung ausführlicher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei
1 ein UV-geschriebenes Gitter zeigt, z. B. einen Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser, aufgebracht auf ein planares Substrat aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten;
1a ein UV-geschriebenes Gitter zeigt, z. B. einen Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser oder einen Lichtleitfaser-Distributed Bragg-Reflector-Laser, das zwischen zwei planare Substrate aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebracht ist;
1b ein UV-geschriebenes Gitter zeigt, z. B. einen Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser oder einen Lichtleitfaser-Distributed Bragg-Reflector-Laser, das auf einem planaren Substrat aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgebracht ist. Zwei Quarzglasstücke sind auf dem Substrat angebracht;
1c ein UV-geschriebenes Gitter zeigt, z. B. einen Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser oder einen Lichtleitfaser-Distributed Bragg-Reflector-Laser, das zwischen zwei planare Substrate aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten gesetzt ist. Zwei Quarzglasstücke sind auf dem unteren Substrat aufgebracht;
1d ein UV-geschriebenes Gitter zeigt, z. B. einen Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser oder einen Lichtleitfaser-Distributed Bragg-Reflector-Laser, das zwischen zwei planare Substrate aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten gesetzt ist;
1e ein UV-geschriebenes Gitter zeigt, z. B. einen Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser oder einen Lichtleitfaser-Distributed Bragg-Reflector-Laser, das zwischen zwei planare Substrate aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten gesetzt ist. Zwei Quarzglasstücke sind auf dem unteren Substrat aufgebracht;
2 ein UV-geschriebenes Gitter zeigt, z. B. einen Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser, der in einem Substrat in Form eines Rohrs aus einem Verbundmaterial mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten angebracht ist;
3 eine Filtertransmissionscharakteristik zeigt, die mit einem abstimmbaren Außenhohlraum-Halbleiterlaser von Photonetics mit einer Wellenlängenauflösung von 1 pm gemessen wurde;
4 eine grafische Darstellung zeigt, welche die athermale Eigenschaft eines temperaturstabilisierten Gitterkerbfilters zeigt (Quadrate; Durchschnittswert +0,0008 nm/°C), im Vergleich mit einem nicht-stabilisierten Gitterkerbfilter (Kreise; Durchschnittswert +0,008 nm/°C);
5 eine grafische Darstellung zeigt, in der das Laserspektrum, gemessen auf einem ANDO-Modell AQ-6315A Doppelmonochromator optischen Spektralanalysator mit einer Wellenlängenauflösung von 0,05 nm, gezeigt ist; und
6 eine grafische Darstellung der athermalen Eigenschaft eines temperaturstabilisierten DFB-Faserlasers (Quadrate; Durchschnittswert –0,0006 nm/°C) im Vergleich mit einem nicht-stabilisierten DFB-Faserlaser (Kreise; Durchschnittswert +0,013 nm/°C) zeigt.
4. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Beschreibung des Verbundmaterials
Geeignete Fasern für das erfindungsgemäße Verbundmaterial mit negativer Wärmeausdehnung können durch im Stand der Technik bekannte Verfahren bereitgestellt werden.
US-Patent Nr. 4 436 689 offenbart einen speziellen Typ einer Polyethylenfaser mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMW-PE). Diese Faser wird zusammen mit einem Epoxyharz verwendet, um ein Verbundmaterial mit negativer Wärmeausdehnung herzustellen, welches leicht und preiswert herzustellen ist und in jeder notwendigen Größe verarbeitet werden kann. Es ist robust und beständig gegen Erschütterungen und Vibrationen.
Der negative Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials kann auf einen maximalen numerischen Wert maßgeschneidert werden, der von der negativen Wärmeausdehnung der UHMW-PE-Faser und der positiven Wärmeausdehnung des verwendeten Epoxyharzes abhängt.
Die Substrate sind aus Dyneema SK60-Faser-/Epoxyharz-Laminat hergestellt. Dyneema ist die eingetragene Marke für Fasern, die aus Polyethylen über ein Gelverspinnverfahren hergestellt werden, bei dem eine parallele makromolekulare Orientierung von 95% und ein Kristallisationsgrad von bis zu 85% erreicht wird. Die Orientierung verliert sich bei Temperaturen über 144°C. Die wichtigsten Eigenschaften der Faser sind der negative Ausdehnungskoeffizient von –12·10^–6°C (in der axialen Richtung) und ein E-Modul von 89 GPa (SK60) oder 95 GPa (SK66). Ähnliche Produkte sind im Handel erhältlich, z. B. Produkte, die von Spectra Fibers verkauft werden.
Die Fasern werden in drei Qualitäten hergestellt: SK60, SK65 und SK66. SK60 ist eine Allzweckqualität, die z. B. für Seile verwendet wird. SK65 weist eine höhere axiale Zugfestigkeit und ein höheres Modul im Vergleich zu SK60 auf, und ist daher zur Konstruktion mechanischer Teile sehr geeignet. SK66 ist besonders für ballistische Zwecke ausgelegt. Für die Zwecke von Substraten mit negativem Temperaturkoeffizienten können SK60, SK65 und SK66 verwendet werden. Bisher ist SK60 bevorzugt.
Als im Verbund mit den Dyneema-Fasern verwendetes Harz kann jedes wärmehärtbare Harz verwendet werden, das bei Temperaturen von 140°C oder niedriger härtet. Aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften ist Epoxyharz am geeignetsten. Das Harz weist einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Um eine verbesserte Haftung an dem Harz zu erhalten, sollte die SK60/SK65/SK66-Faser Korona-behandelt sein.
Der negative Wärmeausdehnungskoeffizient der Verbundsubstrate wird durch das Volumenverhältnis zwischen Faser und Harz sowie die Orientierung der Dyneema-Fasern bestimmt. Die Verbundsubstrate werden so hergestellt, dass sie einen numerisch großen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einer Richtung aufweisen. Für die Verbundsubstrate wird eine Faserverteilung gewählt, bei der 80% in einer Richtung des Substrats orientiert sind, und 20% senkrecht (90°) zu dieser Richtung. Auf diese Weise kann ein relativ hoher negativer Wärmeausdehnungskoeffizient in einer Richtung (80% Orientierung) erzeugt werden, wohingegen immer noch genügend mechanische Stabilität in der anderen Richtung (20% Orientierung) vorliegt. Eine Verteilung von 85% und 15% ist ebenfalls möglich, was zu einer noch höheren negativen Wärmeausdehnung bis zu einem Maximalwert von etwa –9·10^–6/°C führt.
Auf Dyneema-Fasern und Epoxyharzen basierende Verbundmaterialien können auf mehrere unterschiedliche Arten hergestellt werden:

a) Ein Korona-behandeltes Dyneema-Gewebe mit der gewünschten Faserverteilung in der axialen und Querrichtung kann bezogen werden und anschließend mit Harz imprägniert und bis zur gewünschten Dicke des Substrats gestapelt werden (Nassaufschichtung). Die Gesamtdicke des Substrats hängt von der Zahl der Schichten des Fasergewebes und der Harzmenge ab. Die minimale Harzmenge ist etwa 30% bis 60% des Gesamtvolumens. Das Harz härtet bei Raumtemperatur und kann bei höheren Temperaturen nachgehärtet werden, um die Hochtemperaturstabilität des Substrats zu verbessern, siehe z. B. Beispiel 1.
b) Unidirektionale Dyneema/Epoxy-Prepregs (UD-Tape; Korona-imprägnierte und behandelte Dyneema-Fasern) sind im Handel erhältlich. Unidirektional bedeutet, dass alle Fasern entlang der gleichen Achse orientiert sind. Der Prepreg weist eine Schichtdicke von 0,25 mm auf. Ein Substrat mit größerer Dicke kann durch Stapeln der Prepregschichten erzeugt werden. Im Prinzip kann je Schicht in einer beliebigen Orientierung angeordnet werden. Die Erzeugung der gewünschten Verteilung der Fasern von 80% in der axialen (0°) und 20% in der Querrichtung (90°) kann durch Änderung der Orientierung der Faserschichten relativ zu den anderen Schichten erreicht werden. Um beispielsweise ein Substrat mit etwa 2,5 mm Dicke zu erzeugen, kann die folgende Schichtverteilung eingesetzt werden: erste Schicht 0°, zweite Schicht 90°, dritte bis achte Schicht 0°, neunte Schicht 90° und schließlich die zehnte Schicht 0°. Dieses Substrat kann in einem Autoklaven bei Temperaturen bis zu 140°C und Drücken bis zu 6 bar gehärtet werden. Aufgrund des hohen Drucks kann eine geringere Harzmenge verwendet werden, die etwa 40% des Volumens beträgt. Dies führt zu einem Substrat mit einem numerisch höheren negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Nachhärtbedingungen des Substrats hängen von der Härttemperatur des Prepregs ab. Wenn ein Nachhärten notwendig ist, kann das unter a) diskutierte Verfahren eingesetzt werden, jedoch mit einer Starttemperatur von 20°C höher als der Härttemperatur des Harzes.
c) Ein sofort einsetzbares Dyneema/Epoxyprepreg-Gewebe kann bezogen werden. Dies stellt eine Kombination von (a) und (b) mit der gewünschten Verteilung der Fasern in der 0°- und 90°-Orientierung dar. Das Härten erfolgt so wie unter (b) erläutert.

Weiterhin können Prepregs mit unterschiedlichen Typen wärmehärtbarer Harze hergestellt werden.
Temperaturstabilisierung
1 zeigt eine Skizze eines Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Lasers 11, 12, der auf einem planaren Substrat 13 aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt ist, in welchem ein Gitter 11 UV-geschrieben in einer optischen Einmodenfaser 12, die an den Punkten 14 und 15 an dem Substrat befestigt ist, vorliegt. Das Gitter ist auf die optische Faser beschränkt. Die übertriebene Darstellung des skizzierten Gitters in das Substrat hinein dient nur zu Erläuterungszwecken.
2 zeigt einen Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser 11, 12, der in einem Substrat 13 in Form eines Rohrs aus einem Verbundmaterial mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich 1 angebracht ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind optische Wellenleiter wie UV-geschriebene Bragg-Gitter durch Anbringen des optischen Wellenleiters unter kontrollierter (Zug-)Spannung auf ein Verbundmaterial mit einer negativen Wärmeausdehnung, welches die positive Wärmeausdehnung des Lichtwegs des Wellenleiters ausgleicht, temperaturstabilisiert.
In einer anderen Ausführungsform sind optische Faser-DFB-Laser durch Verwendung dieses Verbundmaterials temperaturstabilisiert.
Das Verbundmaterial mit einer negativen Wärmeausdehnung enthält in einer besonders bevorzugten Ausführungsform verflochtene Fasern, bevorzugt Polymerfasern, sowie Epoxy. Die negative Wärmeausdehnungseigenschaft liegt vornehmlich in der Faser und deren struktureller Ausrichtung und/oder ihrem Kristallisationsgrad. Die herkömmliche Verwendung von Verbundmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung ist z. B. diejenige als Konstruktionsmaterial in der Luftfahrtindustrie, z. B. für Flugzeugteile.
Neben einem hohen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten beinhalten die Materialqualitäten eine hohe mechanische Stabilität, eine einfache Herstellbarkeit in großen Größen und Mengen und niedrige Kosten.
Der benötigte negative Ausdehnungskoeffizient wird aus Gleichung 3 erhalten:
Typische Werte sind:
n = 1,45 (Quarz)
dn/dT = 11·10^–6/°C (Quarz)
1/n·dn/dε = –0,22 (fotoelastische Konstante)
α_f = 0,55·10^–6/°C (Quarz)
Der benötigte Wert für das Verbundmaterial mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten ist daher ungefähr (abhängig von den genauen Lichtleitfaser-Parametern): αs = –7,7·10–6/°C
Die spezifischen Beispiele des Verbundmaterials sind Rohre, Beschichtungen oder Substrate mit negativen Werten des Wärmeausdehnungskoeffizienten von numerisch bis zu etwa 9·10^–6/°C.
Ein temperaturstabilisierter optischer Wellenleiter wird durch Anbringen des optischen Wellenleiters unter kontrollierter (Zug-)Spannung auf dem Verbundmaterial erhalten. Spezifisch wird ein optischer Faserlaser mit Bragg-Gitter zunächst in einem kleinen – typischerweise 3–4 mm langen – Bereich auf beiden Seiten des Gitters entschichtet. Eine kontrollierte (Zug-)Spannung wird dann auf die optische Faser in einem solchen Ausmaß auferlegt, dass sowohl die gewünschte zentrale Wellenlänge erhalten wird als auch die Faser über das gesamte für dessen Funktion spezifizierte Temperaturintervall unter positiver Spannung verbleibt. Dieses Intervall kann typischerweise zwischen –40°C und +70°C liegen. D. h., wenn die optische Faser bei Raumtemperatur, beispielsweise 20°C, an dem Verbundmaterial angebracht wird, sollte sie dann bei Erhitzen auf 70°C noch unter Spannung sein. Bei einer Temperaturempfindlichkeit der zentralen Wellenlänge von z. B. 0,01 nm/°C in einer freien optischen Faser muss daher eine (Zug-)Spannung in einem solchen Ausmaß auf die optische Faser auferlegt werden, dass die zentrale Wellenlänge mindestens +0,50 nm bewegt wird. Nachdem die Spannung auferlegt wurde, wird die optische Faser an dem Verbundmaterial unter Verwendung z. B. eines Klebstoffs angebracht, der während des Härtens deutlich aushärtet und keine Kriechdehnung und Hysterese über das für den optischen Faserlaser spezifizierte Temperaturintervall aufweist.
5. BEISPIELE
Die Erfindung wird weiter durch die folgenden Herstellungsbeispiele des Verbundmaterials mit negativer Wärmeausdehnung und dessen Anwendung zur Temperaturstabilisierung optischer Wellenleiter erläutert.
Beispiel 1
Herstellung des Verbundmaterials
Das oben beschriebene Herstellungsverfahren (a) wurde zur Herstellung des Verbundmaterials gewählt. Das Dyneema-Fasergewebe wies ein Gewicht von 112,5 g/m² mit 80% Fasern in der axialen und 20% Fasern in der Querrichtung auf. Insgesamt 10 Gewebeschichten wurden gestapelt und mit LY5082/HY5083-Epoxyharz von Ciba Geigy imprägniert. Dieses Harz wurde bei Raumtemperatur gehärtet und war nach 7 Tage Härten bis zu 80°C temperaturstabil. Nach den ersten 24 Stunden des Härtens wurde ein Vakuum auferlegt, um die Haftung zwischen den Schichten zu verbessern und überschüssiges Harz zu entfernen. Die Temperatur, bei der die Stabilität abnahm (die Glasübergangstemperatur T_g), wurde durch Nachhärten des Verbundmaterials auf 150°C erhöht. Dieses Nachhärten wird in 5 Schritten durchgeführt:

a) Erhitzen auf 60°C und Halten dieser Temperatur für 2 Stunden
b) Erhitzen von 60°C auf 80°C in Schritten von 1°C/Minute, Halten bei 80°C für 2 Stunden
c) Erhitzen von 80°C auf 100°C mit Schritten von 1°C/Minute, Halten bei 100°C für 2 Stunden
d) Erhitzen von 100°C auf 120°C mit Schritten von 1°C/Minute, Halten bei 120°C für 2 Stunden
e) Erhitzen von 120°C auf 140°C mit Schritten von 1°C/Minute, Halten bei 140°C für 2 Stunden.

Anschließend wurde das Verbundmaterial mit einer Diamantsäge auf die gewünschte Größe zugeschnitten. Um raue Verbundmaterialkanten zu vermeiden, wurde das Material zwischen zwei 5 mm dicke Holzplatten eingeklemmt.
Das Verbundmaterial wies eine negative Wärmeausdehnung, hohe mechanische Festigkeit und eine einfache Herstellbarkeit in großen Größen und Mengen auf.
Beispiel 2
Temperaturstabilisierung eines Lichtleitfaser-Bragg-Gitters basierten Notch-Filters (Kerbfilter)
Ein Notch-Filter wurde in eine UV-empfindliche Faser fotoinduziert. Die Faser wurde von FIBERCORE bezogen und war eine Faser vom Typ PS1500, Fasernummer HD451-00 mit einer Cut off-Wellenlänge von 1495 nm, einer numerischen Apertur von 0,13 und einem Außendurchmesser von 125 μm. Die Faser war ausreichend UV-empfindlich, dass keine Wasserstoff- oder Deuteriumzufuhr zum Schreiben starker Gitter notwendig war. Die Faser wurde über eine Länge von 7 cm entschichtet, um zu ermöglichen, dass die Phasenmaske nur auf dem abgeschichteten Faserabschnitt verbleibt. Sie wurde dann in eine Reihe von V-Vertiefungen angeordnet, eine (Zug-)Spannung wurde auferlegt, und die Phasenmaske wurde auf dem abgeschichteten Faserabschnitt angeordnet (5 cm lange Phasenmaske mit einer Maskenperiode von 1067 nm und einer Nullordnungsunterdrückung besser als 2%, bezogen von QPS, Canada, S/N 6020YA-15-50-3). Das Gitter wurde in die optische Faser unter Verwendung eines Lambda Physics Modell COMPEX 205 KrF Excimer-Lasers, der bei 248 nm betrieben wurde, induziert. Die Faser wurde einer Gesamteinströmung von etwa 250 J/cm² unterzogen, wodurch ein 20 dB Notch-Filter mit einer in 3 gezeigten Spektralcharakteristik, gemessen mit einem ANDO-Modell AQ-6315A Doppelmonochromator optischen Spektralanalysator mit einer Wellenlängenauflösung von 0,05 nm, bereitgestellt wurde. Das Gitter wurde durch Ausglühen bei 200°C für 1/2 Stunde stabilisiert. Eine temperaturstabilisierte optische Faser wurde durch Anbringen der optischen Faser unter kontrollierter Spannung entsprechend etwa 1 nm auf dem Substrat mit negativem Ausdehnungskoeffizienten angebracht. Die Spannung wurde zunächst so ausgeübt, dass sowohl die richtige zentrale Wellenlänge erhalten wurde, als auch dass die Faser über das für die Komponente spezifizierte Temperaturintervall unter positiver Spannung verblieb. Dieses Intervall ist typischerweise zwischen –40°C und +70°C. D. h., wenn die Faser bei Raumtemperatur befestigt wird, angenommen 20°C, sollte sie bei Erhitzen um 50°C auf eine Temperatur von 70°C noch unter Spannung sein. Die Temperaturempfindlichkeit der zentralen Wellenlänge in einer freien optischen Faser dieses Typs beträgt 0,0084 nm/°C. Daher muss eine Spannung an die Faser angelegt werden, die einer Verschiebung der zentralen Wellenlänge von mindestens 0,42 nm entspricht. Nach Anlegen der Spannung wurde die Faser an das Substrat unter Verwendung eines Leims, der nach Härten beträchtlich aushärtet und keine Kriechdehnung und Hysterese über das für die Komponente spezifizierte Temperaturintervall aufweist, angeleimt. Das temperaturstabilisierte Gitter wies eine Temperaturempfindlichkeit der zentralen Wellenlänge von 0,0008 nm/°C auf. Dies sollte mit einer Empfindlichkeit von 0,0084 nm/°C des freien Gitters in 4 verglichen werden. Es wurde also eine Verbesserung von etwa einem Faktor 10 durch Temperaturstabilisierung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials mit negativer Wärmeausdehnung erreicht.
Beispiel 3
Temperaturstabilisierung eines optischen Faser-DFB-Lasers
Ein optischer Faserlaser beziehungsweise Lichtleitfaser-Laser wies ein phasenverschobenes Reflexionsgitter in einer UV-empfindlichen Erbium-dotierten Faser auf. Die UV-empfindliche Erbium-dotierte Lichtleitfaser wurde von LUCENT Denmark, Faser ID 930810, bezogen. Die Faser wies einen Kern, einen Mantel und einen Zwischenbereich sowie eine Dotierungsmittelkonzentration von 1,5·10²⁵ Atome m^–3 im Kern auf, der einen Durchmesser von 4 μm und eine numerische Apertur von 0,27 aufwies. Sie wies einen Außendurchmesser von 80 μm auf. Die Faser wies ein fotorefraktives Dotierungsmittelprofil auf, umfassend Germanium im Zwischenbereich. Die Faser ist ausreichend UV-empfindlich, dass keine Wasserstoff- oder Deuteriumzufuhr zum Schreiben starker Gitter notwendig ist. Der Lichtleitfaser-Laser wurde durch Spleißen eines 5 cm entschichteten Stücks der UV-empfindlichen Erbium-dotierten Faser an eine gewöhnliche, nicht-dotierte Faser hergestellt. Sie wurde dann in einer Reihe von V-Vertiefungen angeordnet, es wurde eine kontrollierte Spannung ausgeübt, und eine Phasenmaske wurde auf dem Abschnitt der dotierten optischen Faser angeordnet. Das Bragg-Gitter wurde unter Verwendung eines Lambda Physics Modell COMPEX 205 KrF Excimer-Lasers, der bei 248 nm betrieben wurde, durch Belichten der 5 cm langen Phasenmaske mit einer Maskenperiode von 1067 nm und einer Nullordnungsunterdrückung besser als 2% (S/N 6020YA-15-50-3, bezogen von QPS, Canada) fotoinduziert. Die optische Faser wurde einer Gesamteinströmung von etwa 1,2 kJ/cm² unterzogen, wodurch ein 99% reflektives Gitter, gemessen mit einem ANDO-Modell AQ-6315A Doppelmonochromator optischem Spektralanalysator mit einer Wellenlängenauflösung von 0,05 nm, erzeugt wurde. Nach Gitterwachstum wurde eine Phasenverschiebung in dem zentralen Teil des Gitters durch Unterziehen eines nur 4 mm langen Abschnitts des 50 mm langen Gitters einer UV-Behandlung induziert. Typischerweise war eine zusätzliche Einströmung von 0,4 kJ/cm² zum Erhalt eines Lasereffekts notwendig. Der Laser wurde durch Wärmebehandlung bei 200°C für 1/2 Stunde stabilisiert. Das in 5 gezeigte Laserspektrum wurde mit einem ANDO-Modell AQ-6315A Doppelmonochromator optischem Spektralanalysator mit einer Wellenlängenauflösung von 0,05 nm gemessen. Der Laser wurde mit einem Scanning Fabry-Perot-Interferometer mit einem freien Spektralbereich von 10 GHz überwacht und zeigte eine Einzelpolarisation und einen Longitudinalmodusbetrieb. Der Laser wies ein Seitenmodusunterdrückungsverhältnis von besser als 60 dB auf. Ein temperaturstabilisierter Lichtleitfaser-DFB-Laser wurde durch Anbringen des Lichtleitfaser-DFB-Lasers unter kontrollierter Spannung auf einem Verbundmaterial mit negativer Wärmeausdehnung, wie in Beispiel 1 hergestellt, erhalten. Eine kontrollierte Spannung wurde zunächst so angelegt, dass sowohl die richtige zentrale Wellenlänge erhalten wurde, als auch dass die optische Faser über das Temperaturintervall von typischerweise zwischen –40°C bis +70°C unter positiver Spannung blieb. D. h., wenn die optische Faser bei Raumtemperatur angebracht wurde, angenommen 20°C, wäre sie bei Erhitzen um 50°C auf 70°C noch unter kontrollierter Spannung. Die Temperaturempfindlichkeit der zentralen Wellenlänge in einem freien Lichtleitfaser-DFB-Laser beträgt etwa 0,013 nm/°C. Daher muss auf die optische Faser eine Spannung ausgeübt werden, die einer Verschiebung der zentralen Wellenlänge von mindestens 0,65 nm entspricht. Nach Anlegen der Spannung wurde die Faser auf das Verbundmaterial unter Verwendung eines Leims geleimt, der nach Härten beträchtlich aushärtet und frei von einem Kriechverhalten und einer Hysterese über den Temperaturbereich von typischerweise zwischen –40°C und +70°C ist. In 6 ist die Leistungsfähigkeit des temperaturstabilisierten Lichtleitfaser-DFB-Lasers, –0,0006 nm/°C (Durchschnittswert über das Intervall von 20–70°C), mit dem eines nichtstabilisierten Lichtleitfaser-DFB-Lasers, 0,013 nm/°C (Durchschnittswert über das Intervall von 20–90°C), verglichen. Es wurde also eine Verbesserung um einen Faktor von mehr als 10 durch Temperaturstabilisierung unter Verwendung des Verbundmaterials mit negativer Wärmeausdehnung erreicht.
Beispiel 4
Temperaturstabilisierung eines Lichtleitfaser-DFB-Lasers, der an eine die Polarisation aufrechterhaltende Faser gespleißt ist
Ein wie im vorherigen Beispiel beschrieben hergestellter Lichtleitfaser-Laser wurde an eine die Polarisation aufrechterhaltende Faser (PM) (3M elliptischer Mantel FS-CG-7421) unter Verwendung einer Ericsson Spleißvorrichtung FSU 925 PM-A gespleißt. Obwohl die Spleißvorrichtung Möglichkeiten zum automatischen Spleißen einer PM-Faser an eine PM-Faser beinhaltet, ist die Lichtleitfaser-Laserfaser selbst nicht PM. Um die Polarisationsauslöschung an der Ausgabe der PM-Faser zu optimieren, ist es notwendig, die Polarisationsachse des Laserlichts an der Polarisationsachse der PM-Faser auszurichten. Die Achsen müssen daher manuell aligniert werden. Dies kann auf zwei Weisen geschehen. Entweder wird die PM-Faser manuell vor dem Spleißen rotiert, während die Polarisationsauslöschung an der Ausgabe der PM-Faser beobachtet wird. Dieses Verfahren leidet unter ernsthaften Instabilitäten des Lasers aufgrund einer variierenden und starken Rückkopplung des Laser-Hohlraums von dem zwischen den gespleißten Fasern erzeugten Etalon (Engl.: etalon). Alternativ wird die Faser ohne Berücksichtigung der Polarisationsachsen gespleißt. Dies erleichtert das Spleißverfahren beträchtlich. Die Polarisationsachsen können anschließend während des Aufsetzverfahrens aligniert werden, indem zunächst ein Ende des Lichtleitfaser-Lasers angebracht wird, und dann die optische PM-Faser rotiert wird, während die Polarisationsauslöschung beobachtet wird. Wenn die beste Auslöschung erhalten wird, wird auch die optische PM-Faserseite des Faserlasers befestigt.
Beispiel 5
Alternative Wege zur Befestigung des optischen Wellenleiters auf einem temperaturkompensierenden Substrat
Mit Bezug auf 1a wird der optische Wellenleiter 12 zwischen zwei Verbundsubstrate 13a, 13b mit einem negativen Ausdehnungskoeffizienten angebracht. Eine V-Vertiefung 16 wurde in das obere Substrat 13b eingearbeitet, sodass kein Kontakt zwischen dem optischen Wellenleiter 12 und dem oberen Substrat 13b besteht. Wenn der optische Wellenleiter 12 beschichtet ist, beispielsweise mit einer Acrylat- oder Polyimidbeschichtung, sollte diese Beschichtung teilweise an den Stellen 14, 15, wo der optische Wellenleiter an das untere Verbundsubstrat 13a angebracht wird, entfernt werden. Bevor das obere Substrat 13b auf dem unteren Substrat 13a befestigt wird, wird der optische Wellenleiter 12 kontrolliert auf eine Wellenlänge unter Spannung gesetzt, die geringfügig unter der zentralen Zielwellenlänge ist, bevorzugt unter Verwendung einer Microstage. An den zwei äußeren Enden des unteren Substrats 13a sind Klebstoffflächen 14, 15 angeordnet. Das Anbringen wird mit einem Klebstoff durchgeführt, der nach Härten beträchtlich aushärtet und frei von einem Kriechverhalten und einer Hysterese über das für die Komponente spezifizierte Temperaturintervall ist. Danach folgt das Positionieren des oberen Substrats 13b. An den Seiten der eingeklemmten Substrate wird eine Klebstofffläche angebracht. Um das obere Substrat 13b fest an das untere Substrat 13a zu pressen, wird ein Gewicht auf die Sandwichstruktur gesetzt. Schließlich wird der optische Wellenleiter 12 auf die bevorzugte zentrale Wellenlänge unter Spannung gesetzt.
In einem zweiten Verfahren, das in 1b gezeigt ist, werden zwei dünne Stücke planaren Quarzglases 17, 18 auf dem Substrat 13 derart angebracht, dass die obere Oberfläche der Quarzglasstücke 17, 18 mit der oberen Oberfläche des Verbundsubstrats 13 ausgerichtet sind. Die Quarzglasstücke 17, 18 können mit irgendeinem Klebstoff angebracht werden, bevorzugt mit einem Klebstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Wärmeausdehnung des Quarzglases und der des Verbundsubstrats 13. Die Quarzglasstücke 17, 18 sollten fest gegen die Kante des Substrats 13 befestigt werden. Der optische Wellenleiter 12 wird dann wie in dem ersten Verfahren beschrieben mit einem Klebstoff befestigt (siehe 1a, 14, 15). Bevorzugt werden die zwei Klebstoffbereiche 14, 15 mit Quarzglasstücken auf den Verbindungen gestützt (nicht in 1b gezeigt).
Ein drittes Verfahren ist in 1c erläutert. Der optische Wellenleiter 12 wird zwischen zwei Verbundsubstrate 13a, 13b befestigt, wie in dem ersten Verfahren beschrieben (siehe 1a). Das untere Substrat 13a wird mit Quarzglasstücken 17, 18 hergestellt, wie in dem zweiten Verfahren beschrieben (siehe 1b).
Ein viertes Verfahren ist in 1d illustriert. Dieses Verfahren ist nahezu identisch zu dem Verfahren, das in 1a gezeigt ist. Der Unterschied zu dem ersten Verfahren liegt in der Länge des oberen Substrats 13b, welches gleich der Länge des unteren Substrats 13a abzüglich der Länge der Teile, wo der optische Wellenleiter aufgesetzt wird, 14, 15, ist. Das obere Substrat 13b, das mit einer 'V-Vertiefung' 16, ausgeführt ist, wie in dem ersten Verfahren beschrieben (siehe 1a), wird unter Verwendung eines Klebstoffs mit einer Wärmeausdehnung nahe derjenigen der Verbundsubstrate 13a, 13b auf dem unteren Substrat 13a befestigt. Bevorzugt sollten die aufgebauten Substrate bei einer Temperatur zwischen 40 und 100°C für eine geeignete Zeitdauer wärmebehandelt werden. Anschließend wird der optische Wellenleiter 12, beispielsweise ein Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser oder ein Lichtleitfaser-Distributed Bragg-Reflector-Laser, durch das Loch zwischen dem oberen 13b und dem unteren 13a Substrat gezogen. Dann wird eine kontrollierte Spannung auf den optischen Wellenleiter 12 ausgeübt, um die bevorzugte zentrale Wellenlänge zu erhalten. Der optische Wellenleiter 12 wird schließlich mit einem Klebstoff wie in dem ersten Verfahren beschrieben (siehe 1a) befestigt. Bevorzugt werden die zwei Klebstoffflächen 14, 15 mit Quarzglasstücken auf den Verbindungen gestützt (in 1d nicht gezeigt).
Ein fünftes Verfahren wird in 1e erläutert. Dieses Verfahren ist nahezu identisch zu dem oben beschriebenen vierten Verfahren. Das untere Substrat 13a wird wie in dem zweiten Verfahren beschrieben hergestellt (siehe 1b). Der optische Wellenleiter 12 wird wie in dem vierten Verfahren beschrieben befestigt (siehe 1d).
Beispiel 6
Nachhärten des Verbundmaterials
Das Verbundmaterial wird wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, wonach es für eine geeignete Zeit bei Temperaturen zwischen 40 und 120°C nach-wärmebehandelt wird.
Beispiel 7
Alternative Faserverteilung mit Aramid/Kevlar^TM-Fasern
Das Verbundmaterial wird wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Das Gewebe ist eine Kombination von Dyneema-Fasern und Kevlar^TM-Fasern, z. B. in einer Verteilung von 62% Dyneema und 28% Kevlar^TM in einer Richtung und 10% Dyneema-Faser in der senkrechten Richtung, bei einem Gesamtgewicht von 138 g/m².

Claims

Verfahren zur Temperaturstabilisierung eines optischen Wellenleiters (11, 12) mit einer positiven Wärmeausdehnung des Lichtwegs, wobei das Verfahren das Anbringen des optischen Wellenleiters an mindestens zwei Punkten (14, 15) eines Materials (13) mit negativer Wärmeausdehnung umfaßt; dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus einem Verbundstoff besteht, umfassend eine Harzmatrix, wobei die Harzmatrix in diese eingebettet Fasern mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, und die Harzmatrix wahlweise in diese eingebettet Fasern mit einem positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fasern mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von –5·10^–6/°C bis –12·10^–6/°C aufweisen, bevorzugt von –9·10^–6/°C bis –12·10^–6/°C.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fasern in einem Anteil von 40 Vol.-% bis 70 Vol.-% des Verbundstoffs vorliegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Fasern miteinander verwoben sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Verbundstoff 60% bis 100% axial orientierte Fasern und 0% bis 40% quer orientierte Fasern, bezüglich des Wellenleiters, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Fasern in einer Verbundstruktur mit mehr als einer Schicht angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die Fasern Fasern aus Materialien sind, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Polyethylen, Aramid, Polyacrylat, Polybenzobisoxozol, Polybenzobisthiazol, Polyethylennaphthalin, Polyethylensulfid, Polyamid-imid, Polyetheretherketon und Polyethylenterephthalin, allein oder in einer Kombination.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Harzmatrix eine verfestigte Matrix aus Epoxyharzen, ungesättigten Polyesterharzen, Vinyletherharzen, Urethanharzen und Urethanacrylatharzen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, wobei das Harz in einem Anteil von 30 Vol.-% bis 60 Vol.-% vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die Fasern aus Polyethylen sind, und das Harz ein Epoxyharz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, wobei das Material mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von –4·10^–6/°C bis –10·10^–6/°C aufweist, bevorzugt im Bereich von –6·10^–6/°C bis –9·10^–6/°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, wobei eine kontrollierte Spannung auf den optischen Wellenleiter ausgeübt wird, bevor dieser an dem Verbundstoff angebracht wird, so daß die Spannung des befestigten Wellenleiters beibehalten wird, während sich die Temperatur des optischen Wellenleiters und Verbundstoffs ändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, wobei der optische Wellenleiter eine Lichtleitfaser ist, bevorzugt eine Einzelmodus-Faser.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, wobei der optische Wellenleiter eine Lichtleitfaser-Vorrichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der optische Wellenleiter ein Lichtleitfaser-Laser ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Lichtleitfaser-Laser ein Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser oder Lichtleitfaser-Distributed Bragg Reflector-Laser ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Lichtleitfaser-Distributed Feedback-Laser mit einem oder mehreren Seltenerdelementen dotiert ist, einschließlich La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu, und UV-induzierte Bragg-Gitter aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14–17, wobei die Lichtleitfaser-Vorrichtung oder der Lichtleitfaser-Laser gegenüber einer Polarisation stabil ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14–18, wobei die Lichtleitfaser-Vorrichtung oder der Lichtleitfaser-Laser an eine die Polarisation aufrechterhaltende Faser gespleißt ist, und die Achsen beider durch Verdrehen der die Polarisation aufrechterhaltenden Faser und der Lichtleitfaser-Vorrichtung oder des Lichtleitfaser-Lasers relativ zu einander aligniert wurden, bevor Lichtleitfaser-Vorrichtung oder der Lichtleitfaser-Laser und die die Polarisation aufrechterhaltende Faser beide an den Verbundstoff mit negativer Wärmeausdehnung angebracht wurden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–19, wobei der Verbundstoff mit einer negativen Wärmeausdehnung in Form eines Rohrs oder einer Beschichtung auf dem optischen Wellenleiter mit einer positiven Wärmeausdehnung des Lichtwegs vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–19, wobei der Verbundstoff mit einer negativen Wärmeausdehnung in Form eines Substrats für den optischen Wellenleiter mit einer positiven Wärmeausdehnung des Lichtwegs vorliegt.
Stabilisierter optischer Wellenleiter mit einer positiven Wärmeausdehnung des Lichtwegs, wobei der optische Wellenleiter durch ein Verfahren wie in einem der Ansprüche 1–21 definiert stabilisiert ist.