EP4168835A1 - Wellenleiter und verfahren zur herstellung eines wellenleiters - Google Patents

Wellenleiter und verfahren zur herstellung eines wellenleiters

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Publication number
EP4168835A1
EP4168835A1 EP21736988.3A EP21736988A EP4168835A1 EP 4168835 A1 EP4168835 A1 EP 4168835A1 EP 21736988 A EP21736988 A EP 21736988A EP 4168835 A1 EP4168835 A1 EP 4168835A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cross
waveguide
structural elements
type
base body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21736988.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas KOGLBAUER
Andreas Ortner
Dr. Oliver SOHR
David Sohr
Dr. Andrea RAVAGLI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG filed Critical Schott AG
Publication of EP4168835A1 publication Critical patent/EP4168835A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/04—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres
    • G02B6/06—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres the relative position of the fibres being the same at both ends, e.g. for transporting images
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02342—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by cladding features, i.e. light confining region
    • G02B6/02357—Property of longitudinal structures or background material varies radially and/or azimuthally in the cladding, e.g. size, spacing, periodicity, shape, refractive index, graded index, quasiperiodic, quasicrystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/04—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres
    • G02B6/06—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres the relative position of the fibres being the same at both ends, e.g. for transporting images
    • G02B6/08—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres the relative position of the fibres being the same at both ends, e.g. for transporting images with fibre bundle in form of plate
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02042—Multicore optical fibres

Definitions

  • the invention relates to a waveguide for the transmission of electromagnetic waves, in particular for the transmission of image information, and a method for producing a waveguide, in particular an image conductor.
  • Image guides typically consist of a multitude of individual optical waveguides, each of which consists of a core and a cladding surrounding the core, the optical waveguides assembled as a bundle and arranged in cross-section in a grid with a one-to-one relationship between the light entry surface and the light exit surface are to form a plurality of picture elements (pixels).
  • each image point (pixel) serves to transmit a brightness value or color information via the image guide.
  • the highest possible resolution of the image guide is often desirable.
  • a high resolution can be achieved by reducing the diameter of the individual optical waveguides.
  • the resolution cannot be increased at will, because with ever smaller diameters of the individual optical waveguides, an ever larger proportion of the field distribution of the transmitted modes exceeds the dimensions of the optical waveguide, in particular the jacket, which leads to increased crosstalk between neighboring optical waveguides and thus leads to increasing blurring.
  • One approach to providing higher resolution image guides is based on the wave phenomenon of transverse Anderson localization (TAL).
  • TAL transverse Anderson localization
  • a large number of individual glass fibers with different refractive indices can be combined to form a random fiber bundle. If a light beam is coupled into such a waveguide, it spreads along the length of the image guide with a cross-section limited transverse extent.
  • Image conductors based on the principle of transversal Anderson localization enable higher resolutions on the one hand, but the random distribution of the refractive indices on the other hand has the disadvantage that the image quality, especially the sharpness of the image information transmitted, is subject to local fluctuations or is difficult to control.
  • the image sharpness in certain areas of the cross section can differ from the image sharpness in other areas of the cross section.
  • a faceplate is typically understood to be a group of often relatively short (a few mm), fused optical fibers or optical structural elements, the axes of which are perpendicular to the plate surface (a few mm 2 to many cm 2 ). Their central property is to enable an image transfer, identical in a strict order, i.e. 1: 1, or varied according to a rule, e.g. rotated, from one plate surface to the other plate surface.
  • One aspect of the object of the invention is to make the homogeneity over the cross section more controllable, particularly preferably even reproducible, for example in order to avoid rejects during production and to be able to reliably guarantee quality standards.
  • One aspect of the object of the invention is to be able to provide waveguides, in particular image guides, with large cross-sectional areas, which at the same time meet the aforementioned conditions, in particular, maintain a defined homogeneity. This applies in particular to waveguides designed as faceplates.
  • the present invention discloses a waveguide for the transmission of electromagnetic waves, in particular for the transmission of image information from a proximal end of the waveguide to a distal end of the waveguide, along a transport direction running between the proximal and the distal end, and across a direction of transport the direction of transport running cross section, wherein the waveguide comprises a plurality of structural elements.
  • At least two different types of structural elements are included, namely a first type with a first refractive index and a second type with a second refractive index.
  • the comprised plurality of structural elements can accordingly comprise at least one structural element of the first type and one or more structural elements of the second type, or vice versa, one or more structural elements of the first type and one structural element of the second type, or both several structural elements of the first type and several Include structural elements of the second type.
  • more than two different types, for example three different types, of structural elements can also be included.
  • the structural elements each extend along the transport direction and partially over the cross-section of the waveguide, such that a plurality of cross-sectional regions is defined in the cross-section of the waveguide, each of which corresponds to the cross-section of an individual structural element.
  • the structural elements accordingly run next to one another, in particular parallel to one another, along the transport direction of the waveguide and their cross-sections each take up a flat portion of the cross-section of the waveguide and therefore each define a cross-sectional region of the cross-section of the waveguide.
  • the cross-sectional regions therefore correspond in particular to the surface areas formed by the structural elements if one looks at a cross-sectional area of the waveguide, e.g. the light entry or light exit area.
  • the structural elements in particular their cross-sectional regions, are designed to be non-uniform, but clearly defined by a predetermined rule.
  • the Structural elements accordingly have a non-uniformity in relation to one another, that is to say are formed non-uniformly with respect to one another, for example arranged non-uniformly, non-uniformly shaped and / or made non-uniformly.
  • the non-uniformity is in particular not in each case in the individual structural elements themselves, but in the entirety of the structural elements; accordingly, there is in particular a physical disorder, that is to say a deviation from one or the symmetry.
  • the irregularly formed structural elements are formed fixed by a predetermined rule, ie not formed randomly.
  • the property that the structural elements have an irregularity or a disorder with respect to one another is contrasted with a regularity, in particular in the sense that the irregularity or the disorder follows a defined rule and not randomness.
  • the unevenness or the disorder is accordingly clearly predetermined or predetermined by a rule or characterized or can be characterized by a rule.
  • the cross-sectional regions of the structural elements can have a non-uniform, in particular aperiodic, arrangement which is clearly defined by the predetermined rule.
  • the cross-sectional regions can be arranged differently from a periodic lattice.
  • the cross-sectional regions can, however, also be distributed unevenly on a periodic grid, for example.
  • the cross-sectional regions of the structural elements can have geometries which are non-uniform, in particular deviating from one another, for example non-uniform diameters, which are clearly defined by the predetermined rule.
  • the geometries of the cross-sectional regions can, however, also be designed in the same way, but rotated relative to one another, in particular in the case of cross-sectional regions which have a non-circular shape.
  • the structural elements can alternatively or additionally have non-uniform, in particular deviating, refractive indices which are clearly defined by the predetermined rule.
  • the non-uniformity of the structural elements can limit, in particular, the amplitude of a transmitted electromagnetic wave to a partial area of the cross section of the waveguide.
  • the structural elements, in particular their cross-sectional regions, are accordingly designed in such a way that electromagnetic waves that are transmitted by the waveguide remain localized in a direction running transversely to the direction of transport, in particular around electromagnetic waves, possibly selected wavelength ranges, in particular visible and / or infrared and / or ultraviolet light directed or limited, in particular image information to be transmitted. Due to the limited propagation of light in the waveguide according to the invention, image information can be transmitted with a high degree of sharpness, it being possible to improve the sharpness compared to conventional fiber-optic image guides.
  • the structural elements are designed in such a way that the predetermined rule defines that the waveguide has a reproducible structure, in particular such that further waveguides with a structure identical to the waveguide can be produced.
  • the non-uniformity or the deviations from a symmetry which the waveguide has in itself can be generated solely on the basis of the predetermined rule and reproduced for a further waveguide.
  • the predetermined rule thus contains, in particular, the detailed information for the description and / or for the structure of the waveguide in its structure formed by the multiplicity of structural elements, in particular cross-sectional regions.
  • the structure of the waveguide defined in cross section by the cross-sectional regions of the structural elements can be invariant along the transport direction or also similar in the mathematical sense.
  • the waveguide can have regions along the transport direction, the cross section of which varies, for example extending continuously from the proximal to the distal end or in at least one area in between or continuously in at least a section of a length L changes.
  • the length L is preferably at least as long as the largest expansion or difference in the change in cross-section or corresponds to at least the largest expansion of the larger inlet cross-section.
  • the waveguide is similar in the mathematical sense along the transport direction, this can be accompanied by or without a change in the cross-sectional shape.
  • the corresponding position of one or the structural elements at the ends can also change in such a way that they are twisted against each other, which can be achieved, for example, by twisting or twisting the waveguide during manufacture and / or by thermal post-treatment with the application of a rotational force or a correspondingly directed force can be done.
  • a combination of a change in cross section and a twist is also conceivable.
  • the rule of unambiguous definition in particular the arrangement of the cross-sectional regions, the geometries of the cross-sectional regions and / or the refractive indices of the structural elements, can include the specification of a parameter for each of the structural elements according to a deterministic rule, in particular to define the position of the cross-sectional region, the area of the Cross-sectional region or the refractive index of the respective structural element.
  • the predetermined rule is preferably a deterministic rule which unambiguously and independently of chance defines parameters for the structural elements in order to describe the structure of the waveguide with its structural elements.
  • the rule of unambiguous definition in particular the deterministic rule for specifying the parameters, preferably comprises a, in particular mathematical, sequence of fixed values.
  • the sequence of values can be designed as a sequence with low discrepancy (Low Discrepancy Series) and / or as a deterministic sequence, e.g. as a Halton sequence, as a Sobol sequence, as a Niederreiter sequence, as a Hammersley sequence.
  • Sequence be designed as a Faure sequence or as a combination, link or sequence of several sequences. For example, part of a first sequence and part of another sequence for specifying the parameters can also be provided in a defined manner.
  • the rule of unambiguous definition in particular the deterministic rule for specifying the parameters, preferably includes the use of a specific value, in particular a determinable, clearly specified value, a deterministic sequence for specifying a parameter for a specific structural element, the use of a further deterministic value
  • the result of specifying a parameter for a further structural element is checking whether the value or the parameter for the further structural element, in particular in view of the value or the parameter for the specific structural element, violates a defined condition, and if the defined condition is violated , discarding the further value and using yet another value of the deterministic sequence for specifying a parameter for the further structure element, or modifying the further value in a predefined manner such that the defined condition is met or not me hr is injured.
  • the defined condition can be designed as a defined minimum difference between the values or parameters, in particular as a defined minimum distance between positions of the cross-sectional areas of the structural elements. In this context, reference is made to an exemplary description below.
  • the distribution of the surface areas of the Voronoi surfaces to the positions, in particular to the centers, of the cross-sectional areas of the structural elements of at least one type fulfills at least one of the following conditions, which can be designed in particular as homogeneity criteria for image sharpness in an image guide .
  • the variance Vd of the distribution is smaller than the variance V z of a corresponding distribution for random positions of the cross-sectional areas, the ratio V z A / d preferably being between 1 and 10, in particular greater than 1, preferably greater than 2, is most preferably greater than 2.5 and / or is less than 8, is preferably less than 7, is most preferably less than 6.5.
  • the ratio V z A / d can particularly preferably be in a range between 1 and 8, in particular in a range between 2 and 7, in particular in a range between 2.5 and 6.5.
  • the variance Vd of the distribution is less than 0.38 / N 2033 , where N denotes the number of structural elements of the at least one type, the variance again being understood in particular as a normalized variance.
  • the variance Vd of the distribution is greater than the variance of a corresponding distribution for periodic positions of the cross-sectional areas, the variance Vd / A 2 preferably being greater than 0, in particular greater than IO 10 , preferably greater than 10 9 , mostly is preferably greater than 10 8 , the variance again being to be understood in particular as a normalized variance.
  • the amount of skewness Sd of the distribution is smaller than the amount of skewness Sz of a corresponding distribution for random positions of the cross-sectional areas, the amount of skewness Sd being in the range between 0 and 1.5, in particular greater than 0.01, preferably greater than 0.05, most preferably greater than 0.1 and / or less than 1.4, preferably less than 1.2, most preferably less than 0.8.
  • the ratio of the amounts Sz / Sd can also be between 1 and 50, in particular greater than 1.1, preferably greater than 1.3, most preferably greater than 1.9 and / or less than 25, preferably less than 15 , mostly preferably less than 10.
  • the curvature Wd (kurtosis) of the distribution is smaller than the curvature W z of a corresponding distribution for random positions of the cross-sectional areas, the curvature Wd being between 0 and 10, in particular greater than 0.5, preferably greater than 1 , is usually larger than 2 and / or smaller than 10, preferably smaller than 6, mostly preferably smaller than 5.
  • the ratio W z / Wd can also be between 1 and 5, in particular larger than 1, 1, preferably greater than 1.5, most preferably greater than 2 and / or less than 4.5, preferably less than 4, most preferably less than 3.
  • the ratio of the total area of the cross-sectional regions of the structural elements of the first type and the total area of the cross-sectional regions of the structural elements of the second type is, for example, in a range between 1: 9 and 9: 1, preferably in a range between 3: 7 and 7: 3, particularly preferred in a range between 4: 6 and 6: 4, especially also at 5: 5. This can also be understood as the degree of filling.
  • the ratio of the total area of the cross-sectional regions of the structural elements of the first type and the total area of the cross-sectional regions of the structural elements of the second type can also be in a range between 1: 150 and 150: 1, preferably in a range between 1: 100 and 100: 1, particularly preferably in a range between 1:50 and 50: 1.
  • the total area of the cross-sectional regions of the structural elements for each type is, for example, at least 1 / (10 * T), preferably at least 1 / (5 * T), particularly preferably at least 1 / (3 * T) of the cross-sectional area, where T is the number of types of Structural elements called.
  • the first refractive index of the structural elements of the first type and the second refractive index of the structural elements of the second type can, for example, differ by at least 10 4 , in particular differ by at least 10 3 , in particular differ by at least 10 2 , in particular differ by at least IO 1 , in particular by at least 1 differ, in particular differ by at least 2, in particular differ by at least 3, in particular differ by at least 4.
  • At least one cross-sectional region has a diameter of 100 nm to 50 mhi, preferably 400 nm to 20 mhi, particularly preferably 1 mhi to 16 mhi.
  • At least one cross-sectional region has a diameter which is between 0.1 and 10 times the mean wavelength, in particular a wavelength range of electromagnetic waves that is preferably to be transmitted, preferably between 0.2 and 10 times 5 times the mean wavelength, particularly preferably between 0.5 times to 2 times the mean wavelength.
  • a cross-sectional region has a non-circular or polygonal, for example pentagonal or hexagonal, geometry.
  • the waveguide comprises a multiplicity of structural elements, at least two different types of structural elements being included.
  • a structural element of the first type and a plurality of structural elements of the second type are included.
  • the multiplicity of structural elements accordingly comprises in particular exactly one structural element of the first type.
  • the structural element of the first type is designed in particular as a, for example, monolithic, base body with or from a first medium, the first medium having the first refractive index.
  • the structural elements of the second type can be designed as cavities in the base body, the cavities preferably forming the second refractive index, for example through the refractive index of air or a gas that can be located as a medium in the cavities.
  • the cavities in the base body can be used as filament-shaped channels, that is to say channels that are e.g. the cross-sectional area of the waveguide have a significantly smaller area, which can be introduced into the base body in particular with a laser beam of an ultra-short pulse laser.
  • the filament-shaped channels in the base body can be reworked, in particular chemically or physically by etching processes, e.g. to smooth the contours of the filament-shaped channels.
  • the waveguide can preferably have a greater extent in cross section than along the direction of transport.
  • the waveguide can be designed as a faceplate.
  • the waveguide has an area of at least 4 square millimeters in cross section, preferably of at least 2,500 square millimeters, particularly preferably of at least 10,000 square millimeters.
  • the waveguide can for example have an extension in cross section which is at least 2 times larger than the extension along the transport direction, preferably at least 5 times larger than the extension along the transport direction, particularly preferably at least 10 times larger than the extension along the transport direction.
  • a base body with cavities can be produced or produced in various ways.
  • the cavities in the base body can be formed by additive construction of the base body, for example by means of a 3D printing process.
  • cavities can be introduced subtractively into the base body, in particular as bores which are made in the base body in particular by abrasive methods of material processing, for example mechanical drilling.
  • holes are not limited to round geometries.
  • the waveguide is preferably produced in a multi-pull process, in particular such that the waveguide comprises at least a second plurality of structural elements in addition to the plurality of structural elements, the waveguide having in cross section at least two surface areas, each of which is the cross-sectional regions of one of the two plurality of structural elements and these have an identical structure apart from a rotation and / or a mirroring.
  • the waveguide has an extension of less than 10 millimeters along the transport direction, preferably less than 6 millimeters, particularly preferably less than 5 millimeters, in particular if the waveguide is designed as a faceplate.
  • the waveguide has an extension of at least 10 millimeters, preferably of at least 20 millimeters, particularly preferably of at least 50 millimeters, even more preferably of at least 100 millimeters, along the transport direction.
  • the waveguide is designed as a base body with cavities, the cavities in the base body, in particular the filament-shaped channels and / or the bores, can be filled with a second medium, the second medium having the second refractive index.
  • At least one structural element in particular that or a structural element of the first type, in particular the structural element designed as a base body, comprises or consists of one or more of the following materials as a medium: glass, quartz glass, polymer, crystals, single crystals , polycrystalline materials and / or glass ceramics.
  • At least one structural element in particular the structural element or a structural element of the first type, in particular the structural element designed as a base body, can comprise or consist of a material as a medium, which in the wavelength range to be transmitted, in particular from 2 mhi to 20 mhi, has an attenuation of less than 10 ODB / m, in particular below 50 dB / m, in particular below 10 dB / m, in particular below 1 dB / m, in particular an infrared-transmissive material, in particular a chalcogenide, in particular comprising at least one element from the group oxygen, sulfur , Selenium and tellurium, as well as at least one element from the group arsenic, germanium, phosphorus, antimony, lead, boron, aluminum, gallium, indium, titanium, sodium.
  • a material as a medium which in the wavelength range to be transmitted, in particular from 2 mhi to 20 mhi, has an attenuation of less than
  • optically active materials can be provided, e.g. as part of a medium or a filling and / or also as a layer or coating or as another modification to or on the surfaces of an assembly of structural elements designed as rods or tubes.
  • a modification of the guided electromagnetic e.g. in terms of amplification or conversion, can be achieved.
  • a further structural element in particular that or a structural element of the second type, preferably has another of the materials mentioned or consists of one of these.
  • a structural element, in particular the or a structural element of the second type, in particular also the cavities in the base body filled with a second medium can also use one or more of the aforementioned materials as a medium comprise or consist of, in particular those materials which the structural element mentioned above, in particular the structural element of the first type, does not include.
  • the waveguide comprises a multiplicity of structural elements, at least two different types of structural elements being included, wherein, as already described, for example one structural element of the first type and many structural elements of the second type can be included.
  • the structural elements of the first type can be designed as, in particular rod-shaped or tubular, bodies with or from a first medium, the first medium having the first refractive index.
  • the structural elements of the second type can in this case be designed as, in particular rod-shaped or tubular, bodies with or from a second medium, the second medium having the second refractive index and / or as flea spaces in the structural elements of the first type, the flea spaces preferably form the second refractive index or are filled with a second medium which has the second refractive index.
  • the structural elements of the second type are present as filled flea spaces in the structural elements of the first type
  • the structural elements can be designed as core-jacket systems such that the core corresponds to the filled flea space.
  • rod-shaped or tubular bodies are not to be understood exclusively as having round cross-sectional geometries.
  • the invention further relates to a waveguide, in particular with one or more of the features described above, for the transmission of electromagnetic waves, in particular for the transmission of image information from a proximal end of the Waveguide to a distal end of the waveguide, along a transport direction running between the proximal and the distal end, and over a cross section running transversely to the transport direction, the waveguide comprising a plurality of structural elements, at least two different types of structural elements being included, namely a first type with a first refractive index and a second type with a second refractive index, the structural elements each extending along the direction of transport and proportionally over the cross section of the waveguide, such that a plurality of cross-sectional regions is defined in the cross section of the waveguide, each of which corresponds to the Corresponding cross-section of an individual structural element and wherein the waveguide has a greater extent in cross-section than along the transport direction.
  • the invention also relates to a waveguide, in particular with one or more of the features described above, for the transmission of electromagnetic waves, in particular for the transmission of image information from a proximal end of the waveguide to a distal end of the waveguide, along a between the proximal and the distal end Transport direction, and over a cross section running transversely to the transport direction, the waveguide comprising a plurality of structural elements, at least two different types of structural elements being included, namely a first type with a first refractive index and a second type with a second refractive index, wherein the structural elements each extend along the transport direction and proportionately over the cross section of the waveguide, in such a way that a plurality of cross-sectional regions is defined in the cross section of the waveguide, each of which corresponds to the cross section of a correspond to individual structural elements and where at least one of the structural elements in the wavelength range from 2 mhi to 20 mhi has an attenuation of less than 10OdB /
  • the following attenuations can also be provided.
  • an attenuation of a maximum of 100 dB / m can be provided.
  • a Attenuation of max. 50 dB / m must be provided.
  • an attenuation of a maximum of 30 dB / m can be provided.
  • the invention further relates to a method for producing a waveguide, in particular a waveguide with one or more of the features described above, comprising the provision of a structural element of a first type with a first refractive index, in the form of an, in particular monolithic, base body with or from a first medium and the introduction of a plurality of structural elements of a second type with a second refractive index, with cavities being introduced into the base body for this purpose and these preferably being filled with a second medium.
  • the structural elements of the second type are introduced in such a way that they each extend proportionally over the cross-section of the waveguide, such that a plurality of cross-sectional regions is defined in the cross-section of the waveguide, each of which corresponds to the cross-section of an individual structural element of the second type.
  • the structural elements of the second type are also introduced in such a way that the cross-sectional regions of the structural elements of the second type have a non-uniform, in particular aperiodic, but clearly defined by a predetermined rule, arrangement and / or irregular, but clearly defined by a predetermined rule, geometries, for example Diameter.
  • the rule of unambiguous definition in particular the arrangement and / or the geometries of the cross-sectional regions, includes that a parameter is specified for each of the structural elements of the second type according to a deterministic rule, in particular for Definition of the position and / or the area of the cross-sectional region of the respective structural element.
  • the rule of unambiguous definition in particular the deterministic rule for specifying the parameters, can in particular the use of a, in particular mathematical,
  • the distribution of the surface areas of the Voronoi surfaces to the positions, in particular to the centers, of the cross-sectional areas of the structural elements of at least one type preferably fulfills at least one of the above-mentioned conditions, in particular (i), (ii), (iii), (iv) , (v).
  • the cavities can be introduced into the base body as filament-shaped channels, in particular with a laser beam, for example an ultrashort pulse laser.
  • the filamentary channels in the base body can be reworked, in particular chemically and / or physically by etching processes, e.g. to smooth the contours of the filamentary channels, especially before the filamentary channels are filled with a second medium.
  • the cavities can be introduced into the base body at a distance from one another which is larger than the diameter of the cavities, preferably twice larger than the diameter of the cavities, particularly preferably three times larger than the diameter of the cavities.
  • the cavities can also be produced by additive construction of the base body and / or introduced subtractively into the base body, in particular by abrasive methods of material processing, e.g. mechanical drilling.
  • the base body comprises or consists of one or more of the materials listed above as a medium.
  • at least one structural element of the second type can comprise or consist of one or more of the materials mentioned for the base body of the first type as a medium, in particular those which the base body does not include.
  • the invention also relates to a method for producing a waveguide, in particular with one or more of the above-mentioned method steps, which can preferably be referred to as a pulling method or a multi-pulling method.
  • a waveguide with one or more of the features mentioned above is combined with one or more further waveguides, also each with one or more of the features mentioned above, in such a way that the waveguides have transport directions running parallel to one another in order to form a preform.
  • the assembled waveguides are then pulled together lengthways along the direction of transport.
  • the elongated assembled waveguides can then be broken down into sections transversely to the transport direction and the sections can in turn be assembled with transport directions running parallel to one another in order to again form a preform.
  • the compiled sections can then in turn be pulled together lengthways along the transport direction. Again, a draw factor of at least 1: 2, preferably of at least 1:10, particularly preferably at least 1: 100, comes into consideration.
  • the waveguides and / or the sections can each be put together in order to form a preform that the arrangement of the composition is clearly defined by a predetermined rule, in particular in accordance with the details explained in more detail above.
  • the waveguides and / or the partial pieces can furthermore be put together in each case in such a way to form a preform that the structure formed by the cross-sectional areas of the second structural elements in cross-section are rotated, in particular in a predefined manner, with respect to one another, in particular not rotated with respect to one another.
  • the waveguides and / or the sections can be turned lengthwise when assembling, so that the cross section is mirrored.
  • Partial pieces can also be put together that are produced from at least one further preform. These preforms are preferably put together according to a common specific rule and are essentially identical, but can also follow different determining rules.
  • the waveguides and / or the sections can each be assembled in an automated manner, in particular with the aid of a robot.
  • the elongated assembled waveguides and / or the elongated assembled sections can be fused by applying heat and / or pressure, and in particular under vacuum.
  • the invention further relates to a method for producing a waveguide, wherein two or more waveguides are produced which are designed identically, in such a way that the cross-sectional regions of the structural elements of the second type each have the same non-uniform, but clearly defined by a predetermined rule, arrangement and / or have the same non-uniform geometries, for example diameters, which are clearly defined by a predetermined rule.
  • the method is designed in particular as a method for producing a plurality of identical waveguides, the plurality of waveguides preferably being produced independently of one another.
  • further waveguides with the same structure can accordingly be produced solely on the basis of the predefined rule.
  • the method is also suitable for producing several waveguides which match at least with regard to certain properties.
  • the multiple waveguides can meet a defined homogeneity criteria for image sharpness and / or meet one or more of the conditions described above, which determine the distribution of the surface areas of the Voronoi surfaces to the positions, in particular to the centers, of the cross-sectional areas of the structural elements of at least one type affect.
  • the invention further relates to a waveguide, in particular with one or more of the features mentioned above for the waveguide, which is manufactured or can be manufactured using a method with one or more of the method steps described above.
  • the invention relates to a set with two or more waveguides, each in particular with one or more of the features mentioned above for the waveguide, in particular manufactured or producible using a method with one or more of the method steps described above, the waveguides each having a plurality of Include structural elements, wherein the structural elements, in particular their cross-sectional regions, are formed non-uniformly, but clearly defined by a predetermined rule, and wherein the two or more waveguides are formed identically, such that the structural elements, in particular their cross-sectional regions, formed non-uniformly in the same way are.
  • 3 a schematic cross-section of a waveguide with two types of structural elements, the cross-sectional areas of which are arranged unevenly distributed on a hexagonal lattice
  • 4 schematic cross-sections of a waveguide with two types of structural elements, the types / refractive indices of the structural elements being or will be determined according to a deterministic rule
  • FIG. 5 Schematic cross-sections of a waveguide, for example designed as a faceplate, with a structural element of a first type as the base body and a plurality of structural elements of a second type as flea spaces in the base body, the positions of the structural elements of the second type within the base body according to a deterministic rule are or will be determined,
  • Fig. 6 Diagrams of the variance of the distribution of the surface areas of the Voronoi surfaces to the positions of the cross-sectional areas of the structural elements of a second type positioned within a structural element of a first type, plotted against the number of structural elements of the second type, in (a) logarithmic and ( b) double logarithmic representation,
  • Structural elements of a second type positioned within a structural element of a first type which has a square cross-section, (b) positioning according to a Sobol sequence, (c) random positioning, (d) periodic positioning as further comparative examples,
  • FIG. 9 Schematic perspective views (a) of waveguides assembled to form a preform, which are drawn in length, (b), (c) from this in turn to a preform of waveguides assembled to form a preform, which are elongated, and (d) again are assembled and (e) waveguides fused under pressure
  • Fig. 10 Schematic cross-sections of the waveguides again assembled into a preform in Fig. 9, (a), (b) as sections of one elongated waveguide, (c), (d) as sections of two elongated Waveguides, where the waveguides (a),
  • Fig. 12 Schematic illustration of various aspects for variations among structural elements or their cross-sectional regions and possibilities for combinations of these aspects
  • FIG. 13 a schematic illustration of various further possibilities for waveguides with unevenly, but clearly defined by a predetermined rule, formed structural elements or their cross-sectional regions, the waveguides each comprising a structural element of a first type and a plurality of structural elements of a second type,
  • FIG. 16 a picture (and various enlarged sections) of a manufactured waveguide with a multiplicity of structural elements of a first type and a multiplicity of structural elements of a second type
  • FIG. 17 a picture of the waveguide from FIG. 16 in its application as an image guide.
  • the waveguides 1 shown in cross section each include a plurality of structural elements 10, which each extend along the transport direction of the waveguide 1, which here runs perpendicular to the figure, and also in each case proportionally over its cross section.
  • Each of the structural elements 10 thus defines a cross-sectional region 20, i.e. an area portion of the cross-section of the waveguide 1.
  • the examples of waveguides 1 shown each have at least two different types of structural elements which differ in their refractive indices.
  • the waveguide shown in cross section in FIG. 1 (a) has a structural element of a first type 10a which is embodied as a base body and which accommodates a multiplicity of structural elements of a second type 10b.
  • the structural elements of the second type 10b can be designed, for example, as flea spaces or hollow channels in the structural element of the first type 10a that run along the direction of transport.
  • the structural element of the first type 10a designed as a base body comprises a first material with a first refractive index and the structural elements of the second type 10b, for example designed as flea spaces, form the second refractive index, for example through the air or another gas contained therein.
  • the cross-sectional region 20 of the structural element of the first type 10a corresponds in this case to the cross-sectional area of the waveguide minus the holes defined by the flea spaces in this area, while the cross-sectional regions 20 of the structural elements of the second type 10b each correspond to the cross-sectional area of the flea spaces.
  • the flea spaces in the base body can, however, also be filled with a second material in such a way that the structural elements of the second type 10b correspond to the filled flea spaces.
  • the cross-sectional regions 20 of the structural elements of the second type 10b are designed unevenly to the effect that their positions are unevenly distributed over the cross-section, in particular do not lie on a periodic lattice. Are at the same time however, the positions of the structural elements are clearly defined by a predetermined rule, as will be explained in more detail below.
  • the waveguide shown in cross section in Fig. 1 (b) also has two types 10a, 10b of structural elements, namely again exactly one structural element 10a designed as a base body with a first refractive index, as well as a plurality of structural elements 10b with a second refractive index deviating therefrom.
  • the cross-sectional regions 20 of the structural elements of the second type 10b are not only arranged unevenly, but also have uneven geometries, in this case uneven diameters, in which case a limited number, namely two, different diameters are present.
  • the non-uniformity of the arrangement and / or the non-uniformity of the geometries is clearly defined in this case by a predetermined rule.
  • the waveguide shown in cross section in Fig. 1 (c) again has two types 10a, 10b of structural elements, the cross-sectional regions of the structural elements of the second type 10b each being arranged within a structural element of the first type 10a, in particular as core-cladding Systems.
  • a multiplicity of structural elements of the first type 10a and a multiplicity of structural elements of the second type 10b are provided.
  • the structural elements or their cross-sectional regions are designed unevenly to the effect that the structural elements of the first type 10a (which house the structural elements of the second type 10b) are arranged unevenly, in particular aperiodically, over the cross section of the waveguide, this arrangement being determined by a predetermined rule .
  • the waveguides shown in cross section in FIGS. 1 (d) and (e) correspond in some aspects to the waveguides shown in FIGS. 1 (a) or (b), but have structural elements of three types 10a, 10b, 10c with different refractive indices .
  • flea spaces in the structural element 10a embodied as a base body can be filled with various media.
  • the structural elements 10b, 10c accordingly have, in particular, a non-uniformity in that their refractive index deviates from one another, the Establishing which of the structural elements designed as a cavity receives which refractive index, preferably follows a predetermined rule.
  • FIG. 2 shows two further examples of waveguides 1, which can in particular be used as image guides.
  • the waveguides 1 in turn comprise a multiplicity of structural elements 10 which each extend from a proximal end 2 to a distal end 4 of the waveguide 1 along the transport direction 5 and are, for example, rod-shaped.
  • the waveguide shown in FIG. 2 (a) has a multiplicity of structural elements of a first type 10a and a multiplicity of structural elements of a second type 10b.
  • the cross-sectional regions of the structural elements are arranged on a periodic lattice.
  • the structural elements have an uneven arrangement in that the structural elements of the first type 10a and of the second type 10b, and thus the refractive indices, are unevenly arranged and / or distributed, the arrangement or the distribution in turn being clearly defined by a predetermined rule is.
  • the waveguide shown in FIG. 2 (b) again has a multiplicity of structural elements 10 which are arranged on a periodic lattice, the cross-sectional regions of the structural elements having non-uniform geometries in this example.
  • the geometries can differ in particular in that the diameters of the structural elements or their cross-sectional regions differ from one another. This form of unevenness is preferably also clearly defined by a predetermined rule.
  • the structural elements 10 can have a, in particular predetermined, non-uniformity in that the refractive indices of the structural elements differ from one another.
  • a discrete number of different refractive indices e.g. two, three, four, etc., but in principle also a continuous variation of the refractive index can be provided.
  • Fig. 3 shows another cross section of a waveguide which corresponds in some aspects to the waveguide shown in Fig. 2 (a).
  • the waveguide shown in FIG. 3 has a multiplicity of, in particular rod-shaped, structural elements 10, namely a multiplicity of a first type 10a and a multiplicity of a second type 10b, the structural elements 10 being arranged in cross section on a periodic grating, which in this Example of a hexagonal Grid corresponds. It is accordingly provided that at least one of the structural elements 10, or its cross-sectional area 20, is at the same distance from six immediately adjacent structural elements 10, or their cross-sectional areas 20, and preferably adjoins them.
  • a rule can be provided for the unambiguous definition of a key figure, e.g. the position, the type, the refractive index or the geometry, the rule preferably comprising a deterministic sequence (e.g. Halton sequence).
  • a deterministic sequence e.g. Halton sequence.
  • the sequence forms part of the deterministic rule described in more detail below for specifying the key figure for the structural elements.
  • the regulation is described in individual steps, with the overall structure of the waveguide defined by the steps being decisive, the definition of which can precede the manufacture of a waveguide in such a way that the entire structure of the waveguide is clearly predetermined.
  • an available area for example the cross-sectional area of the waveguide
  • structure elements at positions that can be determined in accordance with a deterministic rule, according to predetermined parameters.
  • These parameters generally include the dimensions of structural elements, in particular shape and size, as well as information, for example, on their position and spacing, as well as the fill factor, which indicates the proportion of the area to be filled with structural elements of one or more types.
  • structure elements 10b are selected for a predetermined fill factor according to a deterministic algorithm (for example comprising a Halton sequence) which are assigned, for example, a second refractive index from a medium.
  • a deterministic algorithm for example comprising a Halton sequence
  • points 102 are generated in the square 100 enclosing the round shape of the waveguide 1, for example according to a 2D Halton sequence.
  • the values of the sequence are in the range [0,1) x [0,1) and are scaled according to the dimensioning of the specified area of the waveguide.
  • the Flalton sequence is the multi-dimensional extension of the one-dimensional van der Corput sequence to different bases:
  • the van der Corput sequence is then defined via the radical inverse function for base b: where b is a prime number.
  • the structural elements 10 are located in predefined locations and the sequences cover the complete area [0,1) x [0,1), the following assignment takes place: The sequence elements are examined one after the other. The assignment to a structural element, in particular to a second type 10b, takes place via the smallest Euclidean distance. Sequence elements that are assigned to structural elements that have already been selected or that are outside the arrangement are ignored and the process continues with the next sequence element. This is continued until the number of structural elements corresponding to the desired fill factor, in particular of the second type 10b, has been selected.
  • a first embodiment shows a waveguide or a preform for a waveguide 1 in a round shape (FIG. 4), which is formed from at least two types, likewise round, structural elements with two different refractive indices, which are given in hexagonal packing or arrangement.
  • This arrangement is now determined according to specifications of a deterministic sequence and assigned the two refractive indices until a predetermined degree of filling is reached. As a result, certain occupied structural elements receive one refractive index, the rest the other.
  • sequence points 102 are discarded and the following sequence point 102 is continued until a predefined degree of filling is reached.
  • the figures show points 102v to be discarded (retained here) outside the round shape or double point, as well as a result for a degree of filling of 50%.
  • FIG. 5 Another exemplary embodiment (FIG. 5) shows the occupancy of a given area.
  • the aim here is, for example, on a square plate 110 of edge length D to position structural elements, for example holes with a diameter, according to the Halton sequence for a laser filamentation or drilling process.
  • the sequence points 112 are scaled from the value range [0,1) to the dimension range [-D / 2, D / 2) of the area specified here. This continues until a specified filling level is reached.
  • the degree of filling results from the area ratio of the sum of the holes to the substrate area.
  • the holes can be accordingly of the sequence points are set (Fig. 5a).
  • the sequence points can be rounded to the diameter of the holes (Fig. 5b).
  • a waveguide according to the invention particularly fulfills a certain homogeneity criterion with regard to the non-uniformity of the structural elements and preferably with regard to the image sharpness in the case of a waveguide designed as an image guide.
  • a distribution of surface areas which correspond to the cross-sectional areas of the structural elements or which can be clearly assigned can meet a certain condition.
  • Shown are examples of variances in the distributions of the area of the Voronoi areas based on the square A of the total area of the cross-section to be occupied (standardized variance V a / A 2 ) for the positions of the cross-sectional areas of the structural elements of at least one type, plotted against the number N of structural elements of this at least one type, a logarithmic representation (FIG. 6a) and a double logarithmic representation (FIG. 6b) being shown.
  • a waveguide according to the invention can be characterized with a deterministic sequence.
  • the variance curve 200 is based on positions of the cross-sectional areas established by means of a Haiton sequence
  • the variance curve 202 is based on by means of a Sobol sequence defined positions of the cross-sectional areas.
  • FIGS. 7 and 8 show examples of Voronoi surfaces 210 for positions 212 of the cross-sectional areas of the structural elements for waveguides with a round cross-section (FIG. 7) and a square cross-section (FIG. 8, on which FIG. 6 is based).
  • 7a, 8a show positions 212 and Voronoi surfaces 210 based on a Halton sequence and FIGS. 7b, 8b based on a Sobol sequence, each of which corresponds to the irregularity of a waveguide according to the invention.
  • FIGS. 7c, 8c show positions 212 and Voronoi surfaces 210 based on a random arrangement and FIGS. 7d, 8d based on a periodic arrangement.
  • waveguides according to the invention are characterized in that the structural elements, in particular their cross-sectional regions, are designed to be uneven, but with a higher degree of homogeneity than in the case of a random arrangement.
  • FIG. 9 shows steps of a method for setting a waveguide according to a multi-pull method.
  • Several waveguides 1 are put together in order to form a preform 30 and stretched (FIG. 9a).
  • the waveguides 1 can be, for example, an arrangement of structural elements 10, 20 or 10a, for example according to FIG are preferably already pulled out in a known manner.
  • multi-fiber The assembled and elongated waveguides (“multi-fiber”) are then broken down into sections and again put together to form a preform 40 (FIG. 9b, “multi-multi-assembly”).
  • the preform 40 can then in turn be elongated (FIG. 9c) and, if necessary, again divided into parts and put together (FIG. 9d). After all, it can obtained arrangement are fused by applying heat and / or pressure, and in particular under vacuum (Fig. 9e).
  • the elongated assembled waveguides (“multi-fiber”, here “M1”) can be assembled into a further preform without being twisted to one another (FIG. 10a) or, in particular, rotated to one another in a predefined manner be compiled (Fig. 10b). Furthermore, during the assembly, sections of at least two different elongated assembled waveguides (“M 1”, “M2”) can be assembled without twisting (FIG. 10c) or, in particular, rotated relative to one another (FIG. 10d) in a predefined manner. Analogously to the arrangements shown in FIGS.
  • the waveguides can also be or will be arranged untwisted or, in particular in a predefined manner, rotated with respect to one another during the assembly of the first preform.
  • the arrangement of these different waveguides can take place in accordance with an arrangement of different types of structural elements described above (e.g. FIG. 3), and thus again clearly determined by a predetermined rule.
  • the structural elements in particular their cross-sectional regions, are characterized on the one hand by an unevenness in relation to one another, on the other hand by a regularity in that the unevenness of the structural elements is clearly predetermined, in particular is deterministic and / or reproducible and does not follow randomness.
  • the structural elements or their cross-sectional regions can have an irregular arrangement which is clearly defined by a predetermined rule, have mutually non-uniform geometries which are clearly defined by a predetermined rule and / or have mutually non-uniform refractive indices which are clearly defined by the predetermined rule are.
  • FIG. 11 shows various possibilities for realizing an uneven arrangement which is clearly defined by a predetermined rule.
  • a structural element 10a is shown as the starting point, which, for example, can be embodied as a matrix material (it is also possible that the structural element 10a is embodied as air or is absent).
  • FIG. 11a structural element 10a is shown as the starting point, which, for example, can be embodied as a matrix material (it is also possible that the structural element 10a is embodied as air or is absent).
  • FIG. 11a structural element 10a is shown as the starting point, which, for example, can be embodied as a matrix material (it is also possible that the structural element 10a is embodied as
  • FIG. 11 b shows a further starting point derived therefrom with the structural element 10 a and a multiplicity of periodic positions P for occupation with structural elements, which then have a periodic positioning.
  • FIG. 11 d shows a further starting point derived from FIG. 11 a with the structural element 10 a and a plurality of aperiodic positions P for occupation with structural elements in order to achieve an aperiodic positioning. Proceeding from the starting points shown in FIGS. 11 b and 11 d, waveguides according to the invention result from occupying the positions P with structural elements, as will be described in more detail below.
  • FIG. 11c shows a waveguide 1 with structural elements 10b, 10c, the cross-sectional regions of which have a periodic positioning and / or are in periodic positions.
  • the waveguide shown in FIG. 11c has three types of structural elements 10a, 10b, 10c, which can each have a different refractive index.
  • the structural element 10a can be designed as a matrix material and the structural elements 10b and 10c can be cavities in the matrix material which are filled with materials with different refractive indices.
  • one of the materials of the structural elements 10b and 10c in turn corresponds to the matrix material of the structural element 10a or that the (filled) cavities corresponding to these structural elements are missing in the matrix material (compare further below with FIG. 13a). It is also possible for the structural element 10a to be in the form of air or to be absent and for the structural elements 10b and 10c to adjoin one another (compare further below with regard to FIG. 14a).
  • the waveguide 1 shown in FIG. 11c has structural elements 10b, 10c with a periodic positioning.
  • the structural elements 10b, 10c are of different types and the occupancy of the different types on the regular grid is uneven, but is determined by a predetermined rule. In particular, the variation is thus the Structural elements 10b, 10c unevenly with one another, but determined by a predetermined rule.
  • the structure elements 10b, 10c can in particular be referred to as deterministically disordered.
  • 11c thus shows a case of a waveguide 1, the structural elements or their cross-sectional regions having a non-uniform arrangement which is clearly defined by a predetermined rule.
  • the term arrangement is to be understood here to the effect that the selection or assignment of the various types of structural elements 10b, 10c in the respective periodic positions is non-uniform, but is determined by the predetermined rule, i.e. is not random.
  • the structural elements 10b, 10c do not differ with regard to their refractive indices, i.e. for example have the same refractive index or consist of the same material, but vary with regard to other aspects (see below on FIG. 12). It is also possible for the structural elements 10b, 10c to differ both in terms of their refractive indices and in terms of other aspects.
  • FIG. 11e shows a waveguide 1 with two types of structural elements, namely the structural element 10a, which can be designed as a matrix material, for example, and a multiplicity of structural elements 10b, which can be used, for example, as, in particular filled, flea spaces in the Matrix material can be formed.
  • the cross-sectional regions of the structural elements 10b are positioned aperiodically in this case.
  • the positioning of the structural elements 10b can now represent the unevenness which is defined by a predetermined rule.
  • the structural elements 10b of the second type can have non-uniform positions that are defined by a predetermined rule.
  • FIG. 11e thus shows a case of a waveguide 1, the structural elements or their cross-sectional regions having a non-uniform arrangement which is clearly defined by a predetermined rule.
  • the term arrangement is to be understood here to the effect that the or some of the structural elements or their cross-sectional regions are positioned aperiodically, the positions being determined by the predetermined rule, that is to say not being random.
  • the structural elements 10b of the second type have a uniform refractive index, have uniform geometries and / or are uniform with regard to further aspects are formed, in particular are formed identically. In this case, one can speak of a uniform assignment of the aperiodic positions.
  • FIG. 11f shows a waveguide 1 in which an aperiodic positioning of structural elements with different types of structural elements 10b, 10c at the same time is provided.
  • the unevenness which is clearly defined by a predetermined rule, can lie in the aperiodic positioning of the structural elements 10b, 10c or in the occupancy, i.e. the variation of the structural elements 10b, 10c among one another, or both in the positioning lie in the occupancy.
  • FIG. 12 shows various possibilities of variations which structural elements can have among one another (middle row) as well as exemplary possible combinations of the variations (objectives below) that are not to be understood as conclusive.
  • the variations shown can be used, in particular, for occupying positions with structural elements which are designed to be non-uniform, but which are clearly defined by a predetermined rule.
  • Structural elements whose cross-sectional regions are located on periodic or aperiodic positions, e.g. within a matrix material can vary with one another with regard to their shape, vary with regard to their type or refractive index, vary with regard to their substructure and / or with regard to their rotation (and / or local Position) vary.
  • variations in the geometries of the structural elements can be designed as variations in the shape (number of corners, diameter).
  • Variations in the geometry can also be designed as variations in the substructure.
  • a substructure can in particular lie in the fact that a structural element, in particular its cross-sectional region, has at least two different areas of different refractive indices, in particular a core and a surrounding cladding (core-cladding system).
  • a first type of structural element can have a polygonal shell and / or a polygonal core and a second type of structural element have a round jacket and a polygonal core (lower row, first column). These two types of structural elements can then be used, for example, to occupy periodic or also aperiodic positions.
  • a first type of structural element can have a first refractive index and a first diameter and a second type of structural element can have a second refractive index and a second diameter (lower row, second column); or a first type of structural elements is a core-sheath system with a core with a first diameter and a second type of structural elements is a core-sheath system with a core with a second diameter (lower row, third column); or a first type of structural elements is a core-cladding system with a core with a first refractive index and a second type of structural elements is a core-cladding system with a core with a second refractive index (bottom row, fourth column); or a first type of structural element has a first diameter and a rotation about a pivot point located outside the structural element and a second type of structural element has a second diameter and a rotation about a pivot point located outside the structural element (lower row, fifth column), or a first type of structural elements a core-
  • FIG. 13a shows a waveguide 1 which is comparable in some aspects to the waveguide from FIG. 11c.
  • the waveguide has a first structural element 10a, which can be designed as a matrix material, for example.
  • the waveguide has a large number of structural elements 10b, which can be designed, for example, as filamentized flea spaces in the matrix material.
  • the structural elements 10b are in periodic locations, but not all periodic locations are occupied by a structural element. 13a thus shows a case of a waveguide 1, the structural elements or their cross-sectional regions having a non-uniform arrangement which is clearly defined by a predetermined rule.
  • arrangement is to be understood here to the effect that the or some of the structural elements or their cross-sectional regions lie in periodic places, some of the periodic places being occupied and some of the periodic places being unoccupied and the occupancy is clearly defined by a predetermined rule, is formed, so is not random.
  • FIG. 13b shows a waveguide 1 which is in each case comparable in some aspects with the waveguide from FIG. 11f.
  • the waveguide has a first structural element 10a, which can be designed as a matrix material, for example.
  • the waveguide has a multiplicity of structural elements 10b with a first diameter and a multiplicity of structural elements 10c with a second diameter.
  • the structural elements are positioned aperiodically, wherein the aperiodic positioning can be designed to be non-uniform but clearly defined by a predetermined rule.
  • 13b thus shows a case of a waveguide 1, the structural elements or their cross-sectional regions having a non-uniform arrangement which is clearly defined by a predetermined rule.
  • arrangement is to be understood here to the effect that the or some of the structural elements or their cross-sectional regions are positioned aperiodically, the aperiodic positions being determined by the predetermined rule, i.e. not being random and / or wherein the structural elements vary from one another, which is designed unevenly but clearly defined by a predetermined rule, the variation being designed as two types of structural elements, for example with different diameters.
  • the waveguides 1 shown here do not have any matrix material (that is to say, in particular, they are also not designed as a faceplate), rather the structural elements adjoin one another.
  • the waveguides 1 shown in FIG. 14 have in common that the structural elements of the various types, in particular their cross-sectional regions, are positioned periodically, but the occupation of the periodic positions with the types of structural elements is unevenly but clearly defined by a predetermined rule.
  • the structural elements or their cross-sectional regions have an uneven arrangement which is clearly defined by a predetermined rule, the term arrangement here being understood to mean that the selection or Occupancy of the different types of Structural elements on the periodic positions is uneven, but is determined by the predetermined rule, so is not random.
  • FIG. 14a shows, for example, a waveguide 1 with a multiplicity of structural elements 10a and a multiplicity of structural elements 10b which have different refractive indices.
  • 14b shows a waveguide 1 with a large number of structural elements 10d and a large number of structural elements 10e which have different refractive indices and a different substructure, the substructure being formed by the sub-structural elements 10a and 10b (with refractive indices a and b) and 10a, respectively and 10c (with indices of refraction a and c) is defined.
  • the substructure here is that the structural elements 10d and 10e are designed as core-shell systems, the cores differing.
  • 14c shows in a similar way a waveguide 1 with a multiplicity of structural elements 10d and a multiplicity of structural elements 10e which have different refractive indices and a different substructure, the substructure being formed by the sub-structural elements 10a and 10b (with refractive indices a and b) or 10c and 10b (with refractive indices c and b) is defined.
  • the substructure here is that the structural elements 10d and 10e are designed as core-jacket systems, the jackets differing.
  • 14d similarly shows a waveguide 1 with a multiplicity of structural elements 10e, a multiplicity of structural elements 10f, a multiplicity of structural elements 10g, and a multiplicity of structural elements 10h which have different refractive indices and a different substructure, the substructure being formed by the Sub-structural elements 10a and 10b (with refractive indices a and b) or 10a and 10c (with refractive indices a and c) or 10b and 10d (with refractive indices b and d) or 10c and 10d (with refractive indices c and d) is.
  • the substructure here is that the structural elements 10e, 10f, 10g and 10h are designed as core-jacket systems, with both the jackets and the cores differing.
  • FIG. 14e shows a waveguide 1 with a multiplicity of structural elements 10c and a multiplicity of structural elements 10d, which have different geometries and a have different substructures, the substructure of the structural element 10c being defined by the sub-structural elements 10a and 10b (with refractive indices a and b and a first core diameter), and the substructure of the structural element 10d by the sub-structural elements 10a and 10b (with refractive indices a and b and a second core diameter).
  • 14f shows a waveguide 1 with a large number of structural elements 10c and a large number of structural elements 10d which have different geometries and a different substructure, the substructure of the structural element 10c being formed by the sub-structural elements 10a and 10b (with refractive indices a and b and a centrally positioned core), and the substructure of the structural element 10d is defined by the sub-structural elements 10a and 10b (with refractive indices a and b and an eccentrically positioned core).
  • 15a and 15b show photographs as examples of practically manufactured waveguides 1 with a monolithic base body as a structural element of the first type 10a in which, by means of laser filamentation, a large number of filament-shaped channels were introduced as structural elements of the second type 10b, these having an aperiodic positioning and the aperiodic positions are unevenly but clearly defined by a predetermined rule.
  • laser filamentation it can also be provided, for example, that the laser scans the substrate line by line, which results in a periodicity or a raster.
  • the structural elements of the second type 10b designed as filament-shaped channels can also be positioned in periodic places, some of the periodic places being occupied and some of the periodic places being unoccupied and the occupancy being clearly defined by a predetermined rule.
  • FIG. 16a shows an image as an example of a practically produced waveguide 1 with a multiplicity of fibers with a first refractive index as structural elements of the first type 10a and a multiplicity of fibers with a second refractive index as structural elements of the second type 10b as well as an enlarged view and sketches thereof in Figure 16b.
  • the fibers of the structural elements 10a and 10b adjoin one another and are positioned according to a periodic grid, the allocation of the positions with types 10a and 10b being unevenly but clearly defined by a predetermined rule.
  • the structural elements of the first type 10a and the second type 10b can be surrounded by a structural element of a third type 10c designed as a cladding tube.
  • the cladding tube preferably has a refractive index which is both lower than the refractive index of the structural elements of the first type 10a and the refractive index of the second type 10b.
  • FIG. 17 shows a recording of the waveguide 1 from FIG. 16a in its application as an image guide, an image showing the number 5 being transmitted. Due to the non-uniformity in the arrangement of the structural elements, an image transmission with a high resolution based on the phenomenon of transversal Anderson localization is achieved. At the same time, due to the arrangement according to the predetermined rule, locally controllable image sharpness and homogeneity are made possible.
  • a waveguide 1 can be provided, the structural elements, in particular their cross-sectional regions, having a non-uniform arrangement which is clearly defined by a predetermined rule, the non-uniform arrangement which is clearly defined by the predetermined rule being formed
  • the structural elements can also differ from one another in terms of their shape or geometry.
  • the waveguide is formed as a fiber rod by means of a preform fiber drawing process that may be repeated several times, the initial shapes or geometries can be retained, but also due to the thermal and mechanical influences that may occur in the waveguide represent as deformed.
  • at least some structural elements can assume a hexagonal and / or hyperbolic polygonal shape, in particular triangular or hexagonal.
  • the introduction of structural elements by means of laser methods can also include such geometry variations, for example by guiding the or a laser beam or the laser radiation accordingly and / or optically adjusting its beam profile.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiter (1) zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, insbesondere zur Übertragung von Bildinformationen von einem proximalen Ende (2) des Wellenleiters zu einem distalen Ende (4) des Wellenleiters, entlang einer zwischen dem proximalen und dem distalen Ende verlaufenden Transportrichtung (5), und über einen quer zu der Transportrichtung verlaufenden Querschnitt, wobei der Wellenleiter (1) eine Vielzahl von Strukturelementen (10) umfasst, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind, nämlich ein erster Typ (10a) mit einem ersten Brechungsindex und ein zweiter Typ (10b) mit einem zweiten Brechungsindex, wobei die Strukturelemente (10) sich jeweils entlang der Transportrichtung (5) sowie anteilig über den Querschnitt des Wellenleiters (1) erstrecken, derart, dass im Querschnitt des Wellenleiters (1) eine Vielzahl von Querschnittsregionen (20) definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements (10) entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (10), insbesondere deren Querschnittsregionen (20), ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet sind.

Description

Wellenleiter und Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters
Die Erfindung betrifft einen Wellenleiter zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, insbesondere zur Übertragung von Bildinformationen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters, insbesondere eines Bildleiters.
Bildleiter bestehen typischerweise aus einer Vielzahl einzelner Lichtwellenleiter, welche jeweils aus einem Kern und einem den Kern umgebenden Mantel bestehen, wobei die Lichtwellenleiter als Bündel zusammengefügt und im Querschnitt in einem Raster mit einer Eins-zu-Eins- Beziehung zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche angeordnet sind, um eine Vielzahl von Bildpunkten (Pixeln) zu bilden. Grundsätzlich dient jeder Bildpunkt (Pixel) dazu, einen Helligkeitswert bzw. eine Farbinformation über den Bildleiter zu übertragen.
Häufig ist in der Praxis eine möglichst hohe Auflösung des Bildleiters wünschenswert. Eine hohe Auflösung kann grundsätzlich dadurch erreicht werden, dass die Durchmesser der einzelnen Lichtwellenleiter verringert wird. Allerdings kann die Auflösung aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten nicht beliebig erhöht werden, weil bei immer kleineren Durchmessern der einzelnen Lichtwellenleiter ein immer größerer Anteil der Feldverteilung der übertragenen Moden die Dimensionen der Lichtwellenleiter, insbesondere des Mantels, übersteigt, was zu einem vermehrten Übersprechen zwischen benachbarten Lichtwellenleitern und damit zu zunehmender Unschärfe führt.
Ein Ansatz, Bildleiter mit höherer Auflösung bereitzustellen, basiert auf dem Wellenphänomen der transversalen Anderson-Lokalisierung (TAL). Dabei macht man sich zunutze, dass eine zufällige Verteilung von Brechungsindizes über den Querschnitt des Bildleiters bei gleichzeitiger Invarianz der Brechungsindizes entlang der Länge des Bildleiters aufgrund destruktiver Interferenz zu einer Begrenzung des eingekoppelten Lichts im Querschnitt führt. In der Praxis können beispielsweise eine Vielzahl einzelner Glasfasern mit verschiedenen Brechungsindizes zu einem zufälligen Faser- Bündel zusammengestellt werden. Wird in einen solchen Wellenleiter ein Lichtstrahl eingekoppelt, breitet sich dieser entlang der Länge des Bildleiters mit einer im Querschnitt begrenzten transversalen Ausdehnung aus.
Bildleiter, die auf dem Prinzip transversalen Anderson-Lokalisierung beruhen, ermöglichen zwar einerseits höhere Auflösungen, andererseits führt die zufällige Verteilung der Brechungsindizes zu dem Nachteil, dass die Bildqualität, insbesondere die Bildschärfe, der übertragenen Bildinformation lokalen Schwankungen unterliegt bzw. schwer kontrollierbar ist. So kann etwa die Bildschärfe in bestimmten Bereichen des Querschnitts von der Bildschärfe in anderen Bereichen des Querschnitts abweichen.
Solche Inhomogenitäten erschweren es in der Praxis, Bildleiter mit einem bestimmten Qualitätsstandard herzustellen. Je nachdem, welche Qualitätskriterien für die Produktion angelegt werden, kann es zu einem hohen Ausschuss kommen. Die genannten Probleme spitzen sich weiter zu, wenn die Querschnittsfläche des Bildleiters große Abmessungen aufweisen soll. Dies betrifft insbesondere Faceplates, bei denen die Kantenlänge oder der Durchmesser des Querschnitts die Dicke der Faceplate mitunter um ein Vielfaches übersteigt.
Unter einem Faceplate wird typischerweise eine Gruppe von oft relativ kurzen (wenige mm), verschmolzenen optischen Fasern oder optischen Strukturelementen, deren Achsen senkrecht zur Plattenoberfläche (einige mm2 bis viele cm2) stehen, verstanden. Deren zentrale Eigenschaft ist es eine Bildübertragung, identisch in strenger Ordnung, also 1 :1, oder nach einer Regel variiert, bspw, gedreht, von einer Plattenoberfläche zur anderen Plattenoberfläche zu ermöglichen.
Es ist demnach eine Aufgabe der Erfindung, Wellenleiter, insbesondere Bildleiter, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welche eine erhöhte Homogenität, insbesondere der Bildschärfe, über den Querschnitt des Wellenleiters gewährleisten. Ein Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, die Homogenität über den Querschnitt besser kontrollierbar, besonders bevorzugt sogar reproduzierbar zu gestalten, zum Beispiel, um Ausschuss bei der Produktion zu vermeiden und Qualitätsstandards sicher gewährleisten zu können.
Ein Aspekt der Aufgabe der Erfindung liegt darin, Wellenleiter, insbesondere Bildleiter, mit großen Querschnittsflächen bereitstellen zu können, welche zugleich die vorgenannten Bedingungen, insbesondere eine definierte Homogenität einhalten. Dies betrifft insbesondere als Faceplate ausgebildete Wellenleiter.
Zur Lösung der Aufgabe offenbart die vorliegende Erfindung einen Wellenleiter zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, insbesondere zur Übertragung von Bildinformationen von einem proximalen Ende des Wellenleiters zu einem distalen Ende des Wellenleiters, entlang einer zwischen dem proximalen und dem distalen Ende verlaufenden Transportrichtung, und über einen quer zu der Transportrichtung verlaufenden Querschnitt, wobei der Wellenleiter eine Vielzahl von Strukturelementen umfasst.
Es sind zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst, nämlich ein erster Typ mit einem ersten Brechungsindex und ein zweiter Typ mit einem zweiten Brechungsindex. Die umfasste Vielzahl von Strukturelementen kann demnach zumindest ein Strukturelement des ersten Typs sowie eines oder mehrere Strukturelemente des zweiten Typs umfassen, oder umgekehrt eines oder mehrere Strukturelemente des ersten Typs sowie ein Strukturelement des zweiten Typs, oder auch sowohl mehrere Strukturelemente des ersten Typs als auch mehrere Strukturelemente des zweiten Typs umfassen. Selbstverständlich können auch mehr als zwei verschiedene Typen, z.B. drei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sein.
Die Strukturelemente erstrecken sich jeweils entlang der Transportrichtung sowie anteilig über den Querschnitt des Wellenleiters, derart, dass im Querschnitt des Wellenleiters eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen. Die Strukturelemente verlaufen demnach nebeneinander, insbesondere parallel zueinander, entlang der Transportrichtung des Wellenleiters und ihre Querschnitte nehmen jeweils einen flächigen Anteil des Querschnitts des Wellenleiters ein und definieren daher jeweils eine Querschnittsregion des Querschnitts des Wellenleiters. Die Querschnittsregionen entsprechen also insbesondere den durch die Strukturelemente gebildeten Flächenbereichen, wenn man auf eine Querschnittsfläche des Wellenleiters schaut, also z.B. die Lichteintritts- oder Lichtaustrittsfläche.
Erfindungsgemäß sind die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, dabei ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet. Die Strukturelemente weisen demnach eine Ungleichmäßigkeit im Verhältnis zueinander auf, d.h. sind zueinander ungleichmäßig ausgebildet, bspw. ungleichmäßig angeordnet, ungleichmäßig geformt und/oder ungleichmäßig beschaffen. Die Ungleichmäßigkeit liegt dabei insbesondere nicht jeweils in den einzelnen Strukturelementen selbst, sondern in der Gesamtheit der Strukturelemente, es liegt demnach insbesondere eine physikalische Unordnung, also eine Abweichung von einer oder der Symmetrie vor. Andererseits sind die ungleichmäßig ausgebildeten Strukturelemente durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ausgebildet, d.h. nicht zufällig ausgebildet. Der Eigenschaft, dass die Strukturelemente zueinander eine Ungleichmäßigkeit oder eine Unordnung aufweisen, steht also eine Regelmäßigkeit gegenüber, insbesondere in dem Sinne, dass die Ungleichmäßigkeit oder die Unordnung einer definierten Regel und nicht dem Zufall folgt. Insbesondere ist die Ungleichmäßigkeit oder die Unordnung demnach durch eine Regel eindeutig vorbestimmt bzw. vorgegeben bzw. durch eine Regel charakterisiert bzw. charakterisierbar.
Die Ungleichmäßigkeit der Strukturelemente, insbesondere ihrer Querschnittsregionen, kann auf verschiedene Weise ausgeprägt sein.
Beispielsweise können die Querschnittsregionen der Strukturelemente eine ungleichmäßige, insbesondere aperiodische, Anordnung aufweisen, welche eindeutig durch die vorbestimmte Regel festgelegt ist. Beispielsweise können die Querschnittsregionen abweichend von einem periodischen Gitter angeordnet sein. Die Querschnittsregionen können aber beispielsweise auch auf einem periodischen Gitter ungleichmäßig verteilt sein.
Alternativ oder zusätzlich können die die Querschnittsregionen der Strukturelemente zueinander ungleichmäßige, insbesondere voneinander abweichende, Geometrien aufweisen, beispielsweise ungleichmäßige Durchmesser, aufweisen, welche eindeutig durch die vorbestimmte Regel festgelegt sind. Die Geometrien der Querschnittsregionen können aber auch gleichartig, jedoch gegeneinander verdreht ausgebildet sein, insbesondere bei Querschnittsregionen, welche eine unrunde Form aufweisen. Ferner können die Strukturelemente alternativ oder zusätzlich zueinander ungleichmäßige, insbesondere voneinander abweichende, Brechungsindizes aufweisen, welche eindeutig durch die vorbestimmte Regel festgelegt sind.
Insbesondere aufgrund des physikalischen Effekts der transversalen Anderson-Lokalisierung kann durch die Ungleichmäßigkeit der Strukturelemente eine Begrenzung insb. der Amplitude einer übertragenen elektromagnetischen Welle auf einen Teilbereich des Querschnitts des Wellenleiters erzielt werden. Die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, sind demnach insbesondere derart ungleichmäßig ausgebildet, dass elektromagnetische Wellen, die von dem Wellenleiter übertragen werden, in einer quer zu der Transportrichtung verlaufenden Richtung lokalisiert bleiben, insbesondere, um elektromagnetische Wellen, ggf. ausgewählter Wellenlängenbereiche, insb. auch sichtbares und/oder infrarotes und/oder ultraviolettes Licht gerichtet bzw. eingegrenzt, insbesondere Bildinformationen, zu übertragen. Dabei können Bildinformationen aufgrund der Begrenztheit der Ausbreitung von Licht im erfindungsgemäßen Wellenleiter mit hoher Schärfe übertragen werden, wobei die Schärfe gegenüber herkömmlichen faseroptischen Bildleiter verbessert werden kann.
Andererseits sind die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, derart durch die vorbestimmte Regel festgelegt ausgebildet, dass der Wellenleiter eine reproduzierbare Struktur aufweist, insbesondere derart, dass weitere Wellenleiter mit einer zu dem Wellenleiter identischen Struktur herstellbar sind. Mit anderen Worten kann die Ungleichmäßigkeit oder die Abweichungen von einer Symmetrie die der Wellenleiter in sich trägt allein anhand der vorbestimmten Regel erzeugt und für einen weiteren Wellenleiter reproduziert werden. Die vorbestimmte Regel enthält somit insbesondere die detaillierte Information zur Beschreibung und/oder zum Aufbau des Wellenleiters in seiner durch die Vielzahl von Strukturelementen, insbesondere Querschnittsregionen, gebildeten Struktur.
Die durch die Querschnittsregionen der Strukturelemente im Querschnitt definierte Struktur des Wellenleiters kann entlang der Transportrichtung invariant oder auch im mathematischen Sinne ähnlich sein. Dabei kann der Wellenleiter entlang der Transportrichtung Regionen aufweisen deren Querschnitt variiert, bspw. sich von proximalen zum distalen Ende oder in zumindest einem Bereich dazwischen kontinuierlich oder in zumindest einem Abschnitt einer Länge L kontinuierlich ändert. Vorzugsweise ist die Länge L dabei mindestens so lang, wie die größte Ausdehnung oder Unterschied der Querschnittsänderung bzw. entspricht mindestens der größten Ausdehnung des größeren Eingangsquerschnittes.
Im Fall, dass der Wellenleiter entlang der Transportrichtung im mathematischen Sinne ähnlich ist kann dies mit oder ohne eine Änderung der Querschnittsform einhergehen. Es kann sich auch die korrespondierende Lage eines oder der Strukturelemente an den Enden derart ändern, dass diese gegeneinander verdreht vorliegen, was z.B. durch Verdrehen oder Verdrillen des Wellenleiters bei der Herstellung und/oder durch thermische Nachbehandlung unter Beaufschlagung mit einer Rotationskraft bzw. entsprechend gerichteten Kraft erfolgen kann. Auch eine Kombination von Querschnittsänderung und Verdrehung ist denkbar.
Die Regel der eindeutigen Festlegung, insbesondere der Anordnung der Querschnittsregionen, der Geometrien der Querschnittsregionen und/oder der Brechungsindizes der Strukturelemente, kann die Angabe einer Kenngröße für jedes der Strukturelemente gemäß einer deterministischen Vorschrift umfassen, insbesondere zur Definition der Position der Querschnittsregion, der Fläche der Querschnittsregion oder des Brechungsindex des jeweiligen Strukturelements.
Mit anderen Worten ist die vorbestimmte Regel vorzugsweise eine deterministische Regel, die auf eindeutige Weise und unabhängig vom Zufall Kenngrößen für die Strukturelemente definiert, um den Aufbau des Wellenleiters mit seinen Strukturelementen zu beschreiben.
Die Regel der eindeutigen Festlegung, insbesondere die deterministische Vorschrift zur Angabe der Kenngrößen, umfasst vorzugsweise eine, insbesondere mathematische, Folge von feststehenden Werten. Die Folge von Werten kann als eine Folge mit niedriger Diskrepanz (Low Discrepancy Series) ausgebildet sein und/oder als eine deterministische Folge, bspw. als eine Halton-Folge, als eine Sobol-Folge, als eine Niederreiter-Folge, als eine Hammersley-Folge, als eine Faure-Folge oder als eine Kombination, Verknüpfung oder Abfolge aus mehreren Folgen ausgebildet sein. Es kann z.B. auch in definierter Weise ein Teil einer ersten Folge und ein Teil einer anderen Folge zur Angabe der Kenngrößen vorgesehen sein. Die Regel der eindeutigen Festlegung, insbesondere die deterministische Vorschrift zur Angabe der Kenngrößen, umfasst vorzugsweise das Heranziehen eines bestimmten Wertes, insbesondere eines bestimmbaren, eindeutig vorgegebenen Wertes, einer deterministischen Folge zur Angabe einer Kenngröße für ein bestimmtes Strukturelement, das Heranziehen eines weiteren Wertes der deterministischen Folge zur Angabe einer Kenngröße für ein weiteres Strukturelement, das Prüfen, ob der Wert oder die Kenngröße für das weitere Strukturelement, insbesondere in Anbetracht des Wertes oder der Kenngröße für das bestimmte Strukturelement, eine definierte Bedingung verletzt, und, wenn die definierte Bedingung verletzt ist, das Verwerfen des weiteren Wertes und Heranziehen eines nochmals weiteren Wertes der deterministischen Folge zur Angabe einer Kenngröße für das weitere Strukturelement, oder Modifizieren des weiteren Wertes in vordefinierter Weise, derart, dass die definierte Bedingung erfüllt bzw. nicht mehr verletzt ist. Die definierte Bedingung kann dabei als eine festgelegte Mindestdifferenz der Werte oder Kenngrößen ausgebildet sein, insbesondere als ein festgelegter Mindestabstand zwischen Positionen der Querschnittsflächen der Strukturelemente. Es wird in diesem Zusammenhang auf eine beispielhafte Beschreibung weiter unten verwiesen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Wellenleiters erfüllt die Verteilung der Flächeninhalte der Voronoi-Flächen zu den Positionen, insbesondere zu den Mittelpunkten, der Querschnittsflächen der Strukturelemente zumindest eines Typs zumindest eine der folgenden Bedingungen, welche insbesondere als Homogenitätskriterien für die Bildschärfe bei einem Bildleiter ausgebildet sein können.
(i) Die Varianz Vd der Verteilung ist kleiner als die Varianz Vz einer entsprechenden Verteilung für zufällige Positionen der Querschnittsflächen, wobei das Verhältnis VzA/d vorzugsweise zwischen 1 und 10 liegt, insbesondere größer als 1 ist, bevorzugt größer 2 ist, meist bevorzugt größer als 2,5 ist und/oder kleiner als 8 ist, bevorzugt kleiner als 7 ist, meist bevorzugt kleiner als 6,5 ist.
Das Verhältnis VzA/d kann besonders bevorzugt ein einem Bereich zwischen 1 und 8, insbesondere in einem Bereich zwischen 2 und 7, insbesondere in einem Bereich zwischen 2,5 und 6,5 liegen. Unter Varianz im Sinne dieser Anmeldung ist insbesondere eine auf die Querschnittsfläche A des Wellenleiters normierte Varianz zu verstehen, derart, dass V=a/A2 gilt, wobei s die Varianz der Verteilung der Flächeninhalte der Voronoi-Flächen zu den Positionen der Querschnittsflächen der Strukturelemente innerhalb einer Fläche A bezeichnet. (ii) Die Varianz Vd der Verteilung ist kleiner als 0,38/N2033, wobei N die Anzahl der Strukturelemente des zumindest einen Typs bezeichnet, wobei die Varianz wiederum insbesondere als normierte Varianz zu verstehen ist.
(3) Die Varianz Vd der Verteilung ist größer als die Varianz einer entsprechenden Verteilung für periodische Positionen der Querschnittsflächen, wobei die Varianz Vd/A2 vorzugsweise größer als 0 ist, insbesondere größer als IO 10 ist, bevorzugt größer als 109 ist, meist bevorzugt größer als 108 ist, wobei die Varianz wiederum insbesondere als normierte Varianz zu verstehen ist.
(iv) Der Betrag der Schiefe Sd (Skewness) der Verteilung ist kleiner als der Betrag der Schiefe Sz einer entsprechenden Verteilung für zufällige Positionen der Querschnittsflächen, wobei der Betrag der Schiefe Sd im Bereich zwischen 0 und 1,5 liegt, insbesondere größer ist als 0,01, bevorzugt größer ist 0,05, meist bevorzugt größer ist als 0,1 und/oder kleiner ist als 1,4, bevorzugt kleiner ist als 1,2 meist bevorzugt kleiner ist als 0,8. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Verhältnis der Beträge Sz/Sd zwischen 1 und 50 liegen, insbesondere größer sein als 1,1, bevorzugt größer sein als 1,3, meist bevorzugt größer 1,9 und/oder kleiner als 25, bevorzugt kleiner 15, meist bevorzugt kleiner 10.
(v) Die Wölbung Wd (Kurtosis) der Verteilung ist kleiner als die Wölbung Wz einer entsprechenden Verteilung für zufällige Positionen der Querschnittsflächen, wobei die Wölbung Wd zwischen 0 und 10 liegt, insbesondere größer ist als 0,5, bevorzugt größer ist als 1, meist bevorzugt größer ist als 2 und/oder kleiner ist als 10, bevorzugt kleiner ist als 6 meist bevorzugt kleiner ist als 5. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Verhältnis Wz/Wd zwischen 1 und 5 liegen, insbesondere größer sein als 1,1, bevorzugt größer als 1,5, meist bevorzugt größer als 2 und/oder kleiner sein als 4,5, bevorzugt kleiner 4, meist bevorzugt kleiner 3.
Das Verhältnis der Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente des ersten Typs und der Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente des zweiten Typs liegt z.B. in einem Bereich zwischen 1 :9 und 9:1, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3:7 und 7:3, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 4:6 und 6:4, insbesondere auch bei 5:5. Dies kann auch als Füllgrad verstanden werden. Insbesondere im Fall, dass eine Vielzahl von Strukturelementen in Form von filamentförmigen Kanälen vorgesehen ist, kann das Verhältnis der Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente des ersten Typs und der Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente des zweiten Typs auch in einem Bereich zwischen 1 :150 und 150:1, bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 :100 und 100:1, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 :50 und 50:1 liegen.
Die Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente für jeden Typ beträgt z.B. mindestens 1/(10*T), vorzugsweise mindestens 1/(5*T), besonders bevorzugt mindestens 1/(3*T) der Querschnittsfläche, wobei T die Anzahl der Typen von Strukturelementen bezeichnet.
Der erste Brechungsindex der Strukturelemente des ersten Typs und der zweite Brechungsindex der Strukturelemente des zweiten Typs kann z.B. um mindestens 104 abweichen, insbesondere um mindestens 103 abweichen, insbesondere um mindestens 102 abweichen, insbesondere um mindestens IO 1 abweichen, insbesondere um mindestens 1 abweichen, insbesondere um mindestens 2 abweichen, insbesondere um mindestens 3 abweichen, insbesondere um mindestens 4 abweichen.
Hinsichtlich der lateralen Ausdehnung der Strukturelemente kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Querschnittsregion einen Durchmesser von 100 nm bis 50 mhi aufweist, vorzugsweise 400 nm bis 20 mhi, besonders bevorzugt 1 mhi bis 16mhi.
Ferner kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Querschnittsregion einen Durchmesser aufweist, welcher zwischen dem 0,1 -fachen bis 10-fachen der mittleren Wellenlänge, insb. eines bevorzugt zu übertragenden Wellenlängenbereiches elektromagnetischer Wellen, liegt, vorzugsweise zwischen dem 0,2-fachen bis 5-fachen der mittleren Wellenlänge liegt, besonders bevorzugt zwischen dem 0, 5-fachen bis 2-fachen der mittleren Wellenlänge liegt.
Hinsichtlich der geometrischen Form der Strukturelemente kann vorgesehen sein, dass eine Querschnittsregion eine unrunde oder polygonale, beispielsweise pentagonale oder hexagonale Geometrie aufweist. io
Wie bereits beschrieben umfasst der Wellenleiter eine Vielzahl von Strukturelementen, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind. In einer Ausführungsform des Wellenleiters kann nun vorgesehen sein, dass ein Strukturelement des ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind. Die Vielzahl von Strukturelementen umfasst demnach insbesondere genau ein Strukturelement des ersten Typs.
Das Strukturelement des ersten Typs ist insbesondere ausgebildet als, bspw. monolithischer, Grundkörper mit oder aus einem ersten Medium, wobei das erste Medium den ersten Brechungsindex aufweist. Die Strukturelemente des zweiten Typs können als Hohlräume in dem Grundkörper ausgebildet sein, wobei die Hohlräume vorzugsweise den zweiten Brechungsindex bilden, z.B. durch den Brechungsindex von Luft oder einem Gas, das sich als Medium in den Hohlräumen befinden kann.
Die Hohlräume in dem Grundkörper können als filamentförmige Kanäle, also Kanäle die bspw. ggü. der Querschnittsfläche des Wellenleiters eine signifikant kleinere Fläche aufweisen, ausgebildet sein, welche insbesondere mit einem Laserstrahl eines Ultrakurzpulslasers in den Grundkörper eingebracht sein können. Ferner können die filamentförmigen Kanäle in dem Grundkörper nachbearbeitet sein, insbesondere chemisch oder physikalisch durch Ätzprozesse, z.B. um die Konturen der filamentförmigen Kanäle zu glätten.
Insbesondere im Fall, dass der Wellenleiter als Grundkörper mit Hohlräumen ausgebildet ist, aber auch unabhängig davon, kann der Wellenleiter im Querschnitt vorzugsweise eine größere Ausdehnung aufweisen als entlang der Transportrichtung. Insbesondere kann der Wellenleiter als Faceplate ausgebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass der Wellenleiter im Querschnitt eine Fläche von mindestens 4 Quadratmillimeter aufweist, vorzugsweise von mindestens 2.500 Quadratmillimeter aufweist, besonders bevorzugt von mindestens 10.000 Quadratmillimeter aufweist. Der Wellenleiter kann im Querschnitt z.B. eine Ausdehnung aufweisen, welche mindestens 2 mal größer ist als die Ausdehnung entlang der Transportrichtung, bevorzugt mindestens 5 mal größer ist als die Ausdehnung entlang der Transportrichtung, besonders bevorzugt mindestens 10 mal größer ist als die Ausdehnung entlang der Transportrichtung.
Ein Grundkörper mit Hohlräumen kann auf verschiedene Weise herstellbar oder hergestellt sein. Einerseits können die Hohlräume in dem Grundkörper durch additiven Aufbau des Grundkörpers gebildet sein, bspw. mittels 3D-Druckverfahren. Alternativ oder zusätzlich können Hohlräume subtraktiv in den Grundkörper eingebracht sein, insbesondere als Bohrungen, welche insbesondere durch abrasive Verfahren der Materialbearbeitung, bspw. mechanisches Bohren, in den Grundkörper eingebracht sind. Wobei je nach eingesetztem Verfahren Bohrungen nicht ausschließlich auf runde Geometrien begrenzt sind.
Vorzugsweise ist der Wellenleiter in einem Multi-Zug-Verfahren hergestellt, insbesondere derart, dass der Wellenleiter neben der Vielzahl von Strukturelementen zumindest eine zweite Vielzahl von Strukturelementen umfasst, wobei der Wellenleiter im Querschnitt zumindest zwei Flächenbereiche aufweist, welche jeweils die Querschnittsregionen einer der beiden Vielzahlen von Strukturelementen beinhalten und diese abgesehen von einer Rotation und/oder einer Spiegelung eine identische Struktur aufweisen.
Hinsichtlich der Größe des Wellenleiters entlang der Transportrichtung kann vorgesehen sein, dass der Wellenleiter entlang der Transportrichtung eine Ausdehnung von weniger als 10 Millimeter aufweist, vorzugsweise von weniger als 6 Millimeter aufweist, besonders bevorzugt, von weniger als 5 Millimeter aufweist, insbesondere, wenn der Wellenleiter als Faceplate ausgebildet ist.
Allgemein kann aber auch vorgesehen sein, dass der Wellenleiter entlang der Transportrichtung eine Ausdehnung von mindestens 10 Millimeter aufweist, vorzugsweise von mindestens 20 Millimeter aufweist, besonders bevorzugt von mindestens 50 Millimeter aufweist, nochmals bevorzugter von mindestens 100 Millimeter aufweist. Im Fall, dass der Wellenleiter als Grundkörper mit Hohlräumen ausgebildet ist können die Hohlräume in dem Grundkörper, insbesondere die filamentförmigen Kanäle und/oder die Bohrungen, mit einem zweiten Medium gefüllt sein, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist.
Hinsichtlich der Materialien kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Strukturelement, insbesondere das oder ein Strukturelement des ersten Typs, insbesondere das als Grundkörper ausgebildete Strukturelement, als Medium eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst oder daraus besteht: Glas, Quarzglas, Polymer, Kristalle, Einkristalle, polykristalline Materialien und/oder Glaskeramik.
Ferner kann zumindest ein Strukturelement, insbesondere das oder ein Strukturelement des ersten Typs, insbesondere das als Grundkörper ausgebildete Strukturelement, als Medium ein Material umfassen oder daraus bestehen, welches im zu übertragenden Wellenlängenbereich, insb. von 2 mhi bis 20 mhi eine Dämpfung von unter 10OdB/m, insbesondere von unter 50 dB/m, insbesondere von unter 10 dB/m, insbesondere von unter 1 dB/m aufweist, insbesondere ein Infrarot-transmissives Material, insbesondere ein Chalkogenid, insbesondere umfassend zumindest ein Element aus der Gruppe Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur, sowie zumindest ein Element aus der Gruppe Arsen, Germanium, Phosphor, Antimon, Blei, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Titan, Natrium.
Es können ferner optische aktive Materialien vorgesehen sein, z.B. als Teil eines Mediums oder einer Füllung und/oder auch als Schicht oder Beschichtung oder als andere Modifikation an oder auf den Oberflächen einer Zusammenstellung von als Stäben oder Rohren ausgebildeten Strukturelementen. Damit kann bspw. eine Modifikation der geführten elektromagnetischen, z.B. im Sinne einer Verstärkung oder Konversion erreicht werden.
Ein weiteres Strukturelement, insbesondere das oder ein Strukturelement des zweiten Typs, weist vorzugsweise ein anderes der genannten Materialien auf oder besteht aus einem solchen. Mit anderen Worten kann ein Strukturelement, insbesondere das oder ein Strukturelement des zweiten Typs, insbesondere also auch die mit einem zweiten Medium gefüllten Hohlräume im Grundkörper, als Medium ebenfalls eines oder mehrere der vorstehend genannten Materialien umfassen oder daraus bestehen, insbesondere solche Materialien, welche das vorstehend genannte Strukturelement, insbesondere also das Strukturelement des ersten Typs, nicht umfasst.
Wie bereits beschrieben umfasst der Wellenleiter eine Vielzahl von Strukturelementen, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind, wobei wie bereits beschrieben, z.B. ein Strukturelement des ersten Typs und viele Strukturelemente des zweiten Typs umfasst sein können.
In einer weiteren Ausführungsform ist nun vorgesehen, dass eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind.
In diesem Fall können die Strukturelemente des ersten Typs ausgebildet sein als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem ersten Medium, wobei das erste Medium den ersten Brechungsindex aufweist.
Die Strukturelemente des zweiten Typs können in diesem Fall ausgebildet sein als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem zweiten Medium, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist und/oder als Flohlräume in den Strukturelementen des ersten Typs, wobei die Flohlräume vorzugsweise den zweiten Brechungsindex bilden oder gefüllt sind mit einem zweiten Medium, das den zweiten Brechungsindex aufweist.
Insbesondere im Fall, dass die Strukturelemente des zweiten Typs als gefüllte Flohlräume in den Strukturelementen des ersten Typs vorliegen, können die Strukturelemente als Kern-Mantel- Systeme ausgebildet sein, derart, dass der Kern dem gefüllten Flohlraum entspricht.
Dabei sind unter stabförmigen oder rohrförmigen Körpern nicht ausschließlich solche runder Querschnittsgeometrie zu verstehen.
Die Erfindung betrifft ferner einen Wellenleiter, insbesondere mit einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmalen, zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, insbesondere zur Übertragung von Bildinformationen von einem proximalen Ende des Wellenleiters zu einem distalen Ende des Wellenleiters, entlang einer zwischen dem proximalen und dem distalen Ende verlaufenden Transportrichtung, und über einen quer zu der Transportrichtung verlaufenden Querschnitt, wobei der Wellenleiter eine Vielzahl von Strukturelementen umfasst, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind, nämlich ein erster Typ mit einem ersten Brechungsindex und ein zweiter Typ mit einem zweiten Brechungsindex, wobei die Strukturelemente sich jeweils entlang der Transportrichtung sowie anteilig über den Querschnitt des Wellenleiters erstrecken, derart, dass im Querschnitt des Wellenleiters eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen und wobei der Wellenleiter im Querschnitt eine größere Ausdehnung aufweist als entlang der Transportrichtung.
Die Erfindung betrifft ferner einen Wellenleiter, insbesondere mit einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale, zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, insbesondere zur Übertragung von Bildinformationen von einem proximalen Ende des Wellenleiters zu einem distalen Ende des Wellenleiters, entlang einer zwischen dem proximalen und dem distalen Ende verlaufenden Transportrichtung, und über einen quer zu der Transportrichtung verlaufenden Querschnitt, wobei die der Wellenleiter eine Vielzahl von Strukturelementen umfasst, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind, nämlich ein erster Typ mit einem ersten Brechungsindex und ein zweiter Typ mit einem zweiten Brechungsindex, wobei die Strukturelemente sich jeweils entlang der Transportrichtung sowie anteilig über den Querschnitt des Wellenleiters erstrecken, derart, dass im Querschnitt des Wellenleiters eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen und wobei zumindest eines der Strukturelemente im Wellenlängenbereich von 2 mhi bis 20 mhi eine Dämpfung von unter 10OdB/m, insbesondere von unter 50 dB/m, insbesondere von unter 10 dB/m, insbesondere von unter 1 dB/m aufweist, insbesondere ein Infrarot-transmissives Material umfasst oder daraus besteht.
Je nach Ausdehnung des Wellenleiters in Transportrichtung können auch folgende Dämpfungen vorgesehen sein. Bei einem Wellenleiter mit einer Ausdehnung in Transportrichtung von mindestens 5 Millimeter kann eine Dämpfung von max. 100 dB/m vorgesehen sein. Bei einem Wellenleiter mit einer Ausdehnung in Transportrichtung von mindestens 10 Zentimeter kann eine Dämpfung von max. 50 dB/m vorgesehen sein. Bei einem Wellenleiter mit einer Ausdehnung in Transportrichtung von mindestens 1 Meter kann eine Dämpfung von max. 30 dB/m vorgesehen sein.
Die Erfindung betrifft ferner einen Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters, insbesondere eines Wellenleiters mit einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmalen umfassend das Bereitstellen eines Strukturelements eines ersten Typs mit einem ersten Brechungsindex, in Gestalt eines, insbesondere monolithischen, Grundkörpers mit oder aus einem ersten Medium und dem Einbringen einer Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs mit einem zweiten Brechungsindex, wobei dazu Hohlräume in den Grundkörper eingebracht werden und diese vorzugsweise mit einem zweiten Medium gefüllt werden.
Die Strukturelemente des zweiten Typs werden dabei derart eingebracht, dass diese sich jeweils anteilig über den Querschnitt des Wellenleiters erstrecken, derart, dass im Querschnitt des Wellenleiters eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements des zweiten Typs entsprechen.
Erfindungsgemäß werden die Strukturelemente des zweiten Typs ferner derart eingebracht, dass die Querschnittsregionen der Strukturelemente des zweiten Typs eine ungleichmäßige, insbesondere aperiodische, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegte, Anordnung aufweisen und/oder ungleichmäßige, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegte Geometrien, beispielsweise Durchmesser, aufweisen.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters kann vorgesehen sein, dass die Regel der eindeutigen Festlegung, insbesondere der Anordnung und/oder der Geometrien der Querschnittsregionen, umfasst, dass eine Kenngröße für jedes der Strukturelemente des zweiten Typs gemäß einer deterministischen Vorschrift angegeben wird, insbesondere zur Definition der Position und/oder der Fläche der Querschnittsregion des jeweiligen Strukturelements.
Die Regel der eindeutigen Festlegung, insbesondere die deterministische Vorschrift zur Angabe der Kenngrößen, kann insbesondere die Verwendung einer, insbesondere mathematischen,
Folge von feststehenden Werten umfassen. Weiterhin wird auf die oben angegebenen Folgen verwiesen. Ferner wird auf die oben im Detail angegebenen Schritte Heranziehen, Prüfen, und, ggf. Verwerfen/Modifizieren von Werten verwiesen.
Bevorzugt erfüllt die Verteilung der Flächeninhalte der Voronoi-Flächen zu den Positionen, insbesondere zu den Mittelpunkten, der Querschnittsflächen der Strukturelemente zumindest eines Typs zumindest eine der oben genannten Bedingungen, insb. (i) ,(ii), (iii), (iv), (v).
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters können die Hohlräume in den Grundkörper als filamentförmige Kanäle eingebracht werden, insbesondere mit einem Laserstrahl, bspw, eines Ultrakurzpulslasers. Ferner können die filamentförmigen Kanäle in dem Grundkörper nachbearbeitet werden, insbesondere chemisch und/oder physikalisch durch Ätzprozesse, z.B. um die Konturen der filamentförmigen Kanäle zu glätten insbesondere bevor die filamentförmige Kanäle mit einem zweiten Medium gefüllt werden.
Die Hohlräume können in einem Abstand zueinander in den Grundkörper eingebracht werden, welcher größer ist als der Durchmesser der Hohlräume, vorzugsweise zweimal größer ist als der Durchmesser der Hohlräume, besonders bevorzugt dreimal größer ist als der Durchmesser der Hohlräume.
Die Hohlräume können auch durch additiven Aufbau des Grundkörpers hergestellt werden und/oder subtraktiv in den Grundkörper eingebracht werden, insbesondere durch abrasive Verfahren der Materialbearbeitung, z.B. mechanisches Bohren.
Hinsichtlich der Materialien kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper als Medium eines oder mehrere der oben aufgeführten Materialien umfasst oder daraus besteht. Ferner kann zumindest ein Strukturelement des zweiten Typs als Medium eines oder mehrere der für den Grundkörper des ersten Typs genannten Materialien umfassen oder daraus bestehen, insbesondere solche, welche der Grundkörper nicht umfasst.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters, insbesondere mit einem oder mehreren der vorstehend genannten Verfahrensschritte, welches vorzugsweise als Zugverfahren oder Multizugverfahren bezeichnet werden kann. Bei diesem Verfahren wird ein Wellenleiter mit einem oder mehreren der vorstehend genannten Merkmale mit einem oder mehreren weiteren Wellenleiter, ebenfalls jeweils mit einem oder mehreren der vorstehend genannten Merkmale zusammengestellt, derart, dass die Wellenleiter parallel zueinander verlaufende Transportrichtungen aufweisen, um eine Preform zu bilden.
Die zusammengestellten Wellenleiter werden dann gemeinsam entlang der Transportrichtung in die Länge gezogen. Hierbei kommt insbesondere ein Ziehfaktor von mindestens 1 :2, vorzugsweise von mindestens 1 :10, besonders bevorzugt mindestens 1:100 in Betracht.
Vorzugsweise können die in die Länge gezogenen zusammengestellten Wellenleiter dann quer zur Transportrichtung in Teilstücke zerlegt werden und die Teilstücke wiederum mit parallel zueinander verlaufenden Transportrichtungen zusammengestellt werden, um wiederum eine Preform zu bilden.
Die zusammengestellten Teilstücke können dann wiederum gemeinsam entlang der Transportrichtung in die Länge gezogen werden. Hierbei kommt wiederum insbesondere ein Ziehfaktor von mindestens 1 :2, vorzugsweise von mindestens 1:10, besonders bevorzugt mindestens 1 :100 in Betracht.
Die Wellenleiter und/oder die Teilstücke können jeweils derart zusammengestellt werden, um eine Preform zu bilden, dass die Anordnung der Zusammenstellung eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist, insbesondere gemäß der vorstehend näher erläuterten Details.
Die Wellenleiter und/oder die Teilstücke können ferner jeweils derart zusammengestellt werden, um eine Preform zu bilden, dass die durch die Querschnittsbereiche der zweiten Strukturelemente im Querschnitt gebildete Struktur auf, insbesondere vordefinierte Weise zueinander, gedreht sind, insbesondere unverdreht zueinander sind. Ferner können die die Wellenleiter und/oder die Teilstücke beim Zusammenstellen der Länge nach gewendet werden, so dass eine Spiegelung des Querschnitts entsteht. Dabei können auch Teilstücke zusammengestellt werden, die aus zumindest einer weiteren Preform hergestellt werden. Diese Preformen werden bevorzugt entsprechend einer gemeinsamen bestimmten Regel zusammengestellt und sind im Wesentlichen identisch, können aber auch unterschiedlichen bestimmenden Regeln folgen.
Außerdem können die Wellenleiter und/oder die Teilstücke jeweils automatisiert, insbesondere robotergestützt zusammengestellt werden.
Ferner können die in die Länge gezogenen zusammengestellten Wellenleiter und/oder die die in die Länge gezogenen zusammengestellten Teilstücke durch Beaufschlagung mit Hitze und/oder Druck, sowie insbesondere unter Vakuum, verschmolzen werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters, wobei zwei oder mehr Wellenleiter hergestellt werden, welche gleichartig ausgebildet sind, derart, dass die Querschnittsregionen der Strukturelemente des zweiten Typs jeweils die gleiche ungleichmäßige, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegte, Anordnung aufweisen und/oder die gleichen ungleichmäßigen, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegten Geometrien, beispielsweise Durchmesser, aufweisen.
Das Verfahren ist insbesondere als Verfahren zu Herstellung mehrerer identischer Wellenleiter ausgebildet, wobei die mehrern Wellenleiter vorzugsweise unabhängig voneinander hergestellt werden. Insbesondere können demnach weitere Wellenleiter mit gleicher Struktur allein anhand der vordefinierten Regel hergestellt werden.
Abgesehen davon, dass mit dem Verfahren mehrere identische Wellenleiter hergestellt werden können, eignet sich das Verfahren auch zur Herstellung mehrerer Wellenleiter, welche zumindest hinsichtlich bestimmter Eigenschaften übereinstimmen. Bspw. können die mehrern Wellenleiter ein definiertes Homogenitätskriterien für die Bildschärfe erfüllen und/oder eine oder mehrere der vorstehend beschriebenen Bedingung erfüllen, welche die Verteilung der Flächeninhalte der Voronoi-Flächen zu den Positionen, insbesondere zu den Mittelpunkten, der Querschnittsflächen der Strukturelemente zumindest eines Typs betreffen. Die Erfindung betrifft ferner einen Wellenleiter, insbesondere mit einem oder mehreren der vorstehend für den Wellenleiter genannten Merkmale, welcher hergestellt oder herstellbar ist mit einem Verfahren mit einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte.
Schließlich betrifft die Erfindung noch einen Satz mit zwei oder mehr Wellenleitern, jeweils insbesondere mit einem oder mehreren der vorstehend für den Wellenleiter genannten Merkmale, insbesondere hergestellt oder herstellbar mit einem Verfahren mit einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte, wobei die Wellenleiter jeweils eine Vielzahl von Strukturelementen umfassen, wobei die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet sind, und wobei die zwei oder mehr Wellenleiter gleichartig ausgebildet sind, derart, dass die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, in gleicher Weise ungleichmäßig ausgebildet sind.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 : schematische Darstellung von Querschnitten verschiedener Wellenleiter mit (a), (b), (c) zwei Typen von Strukturelementen bzw. (d), (e) drei Typen von Strukturelementen, wobei die Querschnittsbereiche der Strukturelemente ungleichmäßig angeordnet sind,
Fig. 2: schematische perspektivische Ansichten zweier Wellenleiter mit (a) zwei Typen von Strukturelementen deren Querschnittsbereiche ungleichmäßig auf einem Gitter verteilt angeordnet sind und (b) einer Vielzahl von Strukturelementen ungleichmäßiger Brechungsindizes (Vielzahl von Typen) und/oder ungleichmäßiger Geometrien (Durchmesser),
Fig. 3: schematischer Querschnitt eines Wellenleiters mit zwei Typen von Strukturelementen deren Querschnittsbereiche ungleichmäßig auf einem hexagonalen Gitter verteilt angeordnet sind, Fig. 4: schematische Querschnitte eines Wellenleiters mit zwei Typen von Strukturelementen, wobei die Typen/Brechungsindizes der Strukturelemente gemäß einer deterministischen Regel festgelegt sind bzw. werden,
Fig. 5: schematische Querschnitte eines, z.B. als Faceplate ausgebildeten, Wellenleiters mit einem Strukturelement eines ersten Typs als Grundkörper und einer Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs als Flohlräume im Grundkörper, wobei die Positionen der Strukturelemente des zweiten Typs innerhalb des Grundkörpers gemäß einer deterministischen Regel festgelegt sind bzw. werden,
Fig. 6: Diagramme der Varianz der Verteilung der Flächeninhalte der Voronoi-Flächen zu den Positionen der Querschnittsflächen der Strukturelemente eines zweiten Typs positioniert innerhalb eines Strukturelements eines ersten Typs, aufgetragen über die Anzahl der Strukturelemente des zweiten Typs, in (a) logarithmischer und (b) doppeltlogarithmischer Darstellung,
Fig. 7: (a) Beispiele für Voronoi-Flächen zu den Positionen der Querschnittsflächen der
Strukturelemente eines zweiten Typs nach einer Haiton Folge positioniert innerhalb eines Strukturelements eines ersten Typs, welches einen runden Querschnitt aufweist, (b) Positionierung nach einer Sobol-Folge, (c) zufällige Positionierung, (d) periodisch Positionierung als weitere Vergleichsbeispiele,
Fig. 8: (a) Beispiele für Voronoi-Flächen zu den Positionen der Querschnittsflächen der
Strukturelemente eines zweiten Typs positioniert innerhalb eines Strukturelements eines ersten Typs, welches einen quadratischen Querschnitt aufweist, (b) Positionierung nach einer Sobol-Folge, (c) zufällige Positionierung, (d) periodisch Positionierung als weitere Vergleichsbeispiele,
Fig. 9: schematische perspektivische Ansichten (a) zu einer Preform zusammengestellter Wellenleiter, welche in die Länge gezogen werden, (b), (c) daraus wiederum zu einer Preform zusammengestellter Wellenleiter, welche in die Länge gezogen werden, und (d) wiederum zusammengestellt werden und (e) unter Druck verschmolzene Wellenleiter, Fig. 10: schematische Querschnitte der in Fig. 9 wiederum zu einer Preform zusammengestellten Wellenleiter, (a), (b) als Teilstücke aus einem in die Länge gezogen Wellenleiter, (c), (d) als Teilstücke aus zwei in die Länge gezogen Wellenleitern, wobei die Wellenleiter (a),
(c) zueinander unverdreht sind, (b), (d) zueinander auf vordefinierte Weise gedreht sind,
Fig. 11: schematische Veranschaulichung verschiedener Möglichkeiten für Wellenleiter mit ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildeten Strukturelementen bzw. deren Querschnittsregionen,
Fig. 12: schematische Veranschaulichung verschiedener Aspekte für Variationen unter Strukturelementen bzw. deren Querschnittsregionen und Möglichkeiten für Kombinationen dieser Aspekte,
Fig. 13: schematische Veranschaulichung verschiedener weiterer Möglichkeiten für Wellenleiter mit ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildeten Strukturelementen bzw. deren Querschnittsregionen, wobei die Wellenleiter jeweils ein Strukturelement eines ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs umfassen,
Fig. 14: schematische Veranschaulichung verschiedener weiterer Möglichkeiten für Wellenleiter mit ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildeten Strukturelementen bzw. deren Querschnittsregionen, wobei die Wellenleiter jeweils eine Vielzahl von Strukturelementen eines ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs und ggf. weiterer Typen umfassen
Fig. 15: Aufnahmen von der Stirnseite von hergestellten Wellenleitern mit einem Strukturelement eines ersten Typs ausgebildet und einer Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs ausgebildet als filamentförmige Kanäle in dem Strukturelement des ersten Typs,
Fig. 16: eine Aufnahme (sowie verschiedene vergrößerte Ausschnitte) eines hergestellten Wellenleiters mit einer Vielzahl von Strukturelementen eines erstes Typs und einer Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs, Fig. 17: eine Aufnahme des Wellenleiters aus Fig. 16 in seiner Anwendung als Bildleiter.
Fig. 1 zeigt verschiedene prinzipielle Beispiele von Wellenleitern 1, welche insbesondere als Bildleiter nutzbar sein können. Die im Querschnitt dargestellten Wellenleiter 1 umfassen jeweils eine Vielzahl von Strukturelementen 10, welche sich jeweils entlang der hier senkrecht zur Abbildung verlaufenden Transportrichtung des Wellenleiters 1 sowie jeweils anteilig über dessen Querschnitt erstrecken. Jedes der Strukturelemente 10 definiert damit eine Querschnittsregion 20, d.h. einen Flächenanteil des Querschnitts des Wellenleiters 1. Die gezeigten Beispiele von Wellenleitern 1 weisen jeweils zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen auf, welche sich in ihren Brechungsindizes unterscheiden. Diese prinzipiellen Darstellungen dienen zur Verdeutlichung einiger Varianten der Ungleichmäßigkeit und können im Detail von einer erfindungsgemäß bestimmten, deterministischen Positionierung von Strukturelementen abweichen.
Der in Fig. 1 (a) im Querschnitt gezeigte Wellenleiter weist ein als Grundkörper ausgebildetes Strukturelement eines ersten Typs 10a auf, welches eine Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs 10b beherbergt. Die Strukturelemente des zweiten Typs 10b können dabei z.B. als sich entlang der Transportrichtung verlaufende Flohlräume bzw. Hohlkanäle in dem Strukturelement des ersten Typs 10a ausgebildet sein. Das als Grundkörper ausgebildete Strukturelement des ersten Typs 10a umfasst dabei ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindex und die z.B. als Flohlräume ausgebildeten Strukturelemente des zweiten Typs 10b bilden den zweiten Brechungsindex, bspw. durch die darin befindliche Luft oder ein anderes Gas. Die Querschnittsregion 20 des Strukturelementes des ersten Typs 10a entspricht in diesem Fall der Querschnittsfläche des Wellenleiters abzüglich der durch die Flohlräume definierten Löcher in dieser Fläche, während die Querschnittsregionen 20 der Strukturelemente des zweiten Typs 10b jeweils der Querschnittsfläche der Flohlräume entsprechen. Die Flohlräume in dem Grundkörper können aber auch mit einem zweiten Material gefüllt sein, derart, dass das die Strukturelemente des zweiten Typs 10b den gefüllten Flohlräumen entsprechen. Wie in der Figur schematisch dargestellt ist, sind die Querschnittsregionen 20 der Strukturelemente des zweiten Typs 10b dahingehend ungleichmäßig ausgebildet, dass ihre Positionen ungleichmäßig über den Querschnitt verteilt sind, insbesondere nicht auf einem periodischen Gitter liegen. Zugleich sind die Positionen der Strukturelemente aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, wie weiter unten noch näher ausgeführt wird.
Der in Fig. 1 (b) im Querschnitt gezeigte Wellenleiter weist ebenfalls zwei Typen 10a, 10b von Strukturelementen auf, nämlich wiederum genau ein als Grundkörper ausgebildetes Strukturelemente 10a mit einem ersten Brechungsindex, sowie eine Vielzahl von Strukturelementen 10b mit einem davon abweichenden zweiten Brechungsindex. In dem hier gezeigten Beispiel sind die Querschnittsregionen 20 der Strukturelemente des zweiten Typs 10b nicht nur ungleichmäßig angeordnet, sondern weisen auch ungleichmäßige Geometrien auf, in diesem Fall ungleichmäßige Durchmesser, wobei in diesem Fall eine begrenzte Anzahl, nämlich zwei, verschiedene Durchmesser vorliegen. Die Ungleichmäßigkeit der Anordnung und/oder die Ungleichmäßigkeit der Geometrien ist in diesem Fall eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt.
Der in Fig. 1 (c) im Querschnitt gezeigte Wellenleiter weist wiederum zwei Typen 10a, 10b von Strukturelementen auf, wobei die Querschnittsregionen der Strukturelemente des zweiten Typs 10b jeweils innerhalb eines Strukturelementes des ersten Typs 10a angeordnet sind, insb. als Kern-Mantel-Systeme. In diesem Fall ist also eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs 10a und eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs 10b vorgesehen. Die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen sind dahingehend ungleichmäßig ausgebildet, dass die Strukturelemente des ersten Typs 10a (welche die Strukturelemente des zweiten Typs 10b beherbergen) ungleichmäßig, insbesondere aperiodisch, über den Querschnitt des Wellenleiters angeordnet sind, wobei diese Anordnung durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist.
Die in den Fig. 1 (d) und (e) im Querschnitt gezeigten Wellenleiter entsprechend in einigen Aspekten den in Fig. 1 (a) bzw. (b) gezeigten Wellenleitern, aber Strukturelemente dreier Typen 10a, 10b, 10c mit verschiedenen Brechungsindizes aufweisend. Insbesondere können Flohlräume in dem als Grundkörper ausgebildeten Strukturelement 10a mit verschiedenen Medien gefüllt sein. Die Strukturelemente 10b, 10c weisen demnach insbesondere eine Ungleichmäßigkeit dahingehend auf, dass ihr Brechungsindex voneinander abweicht, wobei die Festlegung, welches der als Hohlraum ausgebildeten Strukturelemente welchen Brechungsindex erhält, vorzugsweise einer vorbestimmten Regel folgt.
Fig. 2 zeigt zwei weitere Beispiele von Wellenleitern 1, welche insbesondere als Bildleiter nutzbar sein können. Die Wellenleiter 1 umfassen wiederum eine Vielzahl von Strukturelementen 10, welche sich jeweils von einem proximalen Ende 2 zu einem distalen Ende 4 des Wellenleiters 1 entlang der Transportrichtung 5 erstrecken und beispielsweise stabförmig ausgebildet sind.
Der in Fig. 2 (a) gezeigte Wellenleiter weist eine Vielzahl von Strukturelementen eines ersten Typs 10a und eine Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs 10b auf. In diesem Beispiel sind die Querschnittsregionen der Strukturelemente auf einem periodischen Gitter angeordnet. Die Strukturelemente weisen jedoch eine ungleichmäßige Anordnung dahingehend auf, dass die Strukturelemente des ersten Typs 10a und des zweiten Typs 10b, und damit die Brechungsindizes, ungleichmäßig angeordnet und/oder verteilt sind, wobei die Anordnung bzw. die Verteilung wiederum eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist.
Der in Fig. 2 (b) gezeigte Wellenleiter weist wiederum eine Vielzahl von Strukturelementen 10 auf, die auf einem periodischen Gitter angeordnet sind, wobei in diesem Beispiel die Querschnittsregionen der Strukturelemente ungleichmäßige Geometrien aufweisen. Die Geometrien können sich insbesondere dadurch unterscheiden, dass die Durchmesser der Strukturelemente bzw. ihrer Querschnittsregionen voneinander abweichen. Bevorzugt ist auch diese Form der Ungleichmäßigkeit eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt. Darüber hinaus können die Strukturelementen 10 eine, insbesondere vorbestimmte, Ungleichmäßigkeit dahingehend aufweisen, dass die Brechungsindizes der Strukturelemente voneinander abweichen. Dabei kann eine diskrete Anzahl verschiedener Brechungsindizes, z.B. zwei, drei, vier, etc., aber grundsätzlich auch eine kontinuierliche Variation der Brechzahl vorgesehen sein.
Fig. 3 zeigt einen weiteren Querschnitt eines Wellenleiters, welcher in einigen Aspekten dem in Fig. 2 (a) gezeigten Wellenleiter entspricht. Der in Fig. 3 gezeigte Wellenleiter weist eine Vielzahl von, insbesondere stabförmigen, Strukturelementen 10, nämlich eine Vielzahl eines ersten Typs 10a und eine Vielzahl eines zweiten Typs 10b auf, wobei die Strukturelemente 10 im Querschnitt auf einem periodischen Gitter angeordnet sind, welches in diesem Beispiel einem hexagonalen Gitter entspricht. Es ist demnach vorgesehen, dass zumindest eines der Strukturelemente 10, bzw. sein Querschnittsbereich 20, einen gleichen Abstand zu sechs unmittelbar benachbarten Strukturelementen 10, bzw. ihren Querschnittsbereichen 20, aufweist, und vorzugsweise an diese angrenzt.
Bezugnehmend auf Fig. 4 und 5 werden nachfolgend Beispiele angegeben wie Strukturelemente ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ausgebildet sein können. Dazu kann eine Regel zur eindeutigen Festlegung einer Kennzahl, z.B. der Position, des Typs, der Brechzahl oder auch der Geometrie, vorgesehen sein, wobei die Regel bevorzugt eine deterministische Folge (z.B. Halton-Folge) umfasst. Die Folge bildet einen Bestandteil der nachfolgend näher beschriebenen deterministischen Vorschrift zur Angabe der Kennzahl für die Strukturelemente. Zum besseren Verständnis wird die Vorschrift in einzelnen Schritten beschrieben, wobei insbesondere die durch die Schritte definierte Gesamtstruktur des Wellenleiters maßgeblich ist, deren Festlegung der Herstellung eines Wellenleiters vorausgehen kann, derart, dass die gesamte Struktur des Wellenleiters eindeutig vorbestimmt ist.
Für einen erfindungsgemäßen Wellenleiter wird z.B. nach vorgegebenen Parametern eine zur Verfügung stehende Fläche, bspw. die Querschnittsfläche des Wellenleiters nach einer deterministischen Regel mit Strukturelementen an so bestimmbaren Positionen gefüllt. Diese Parameter umfassen allgemein die Dimensionen von Strukturelementen, insbesondere Form und Größe, sowie Angaben bspw. zu deren Lage und Abstand, sowie dem Füllfaktor, der angibt zu je welchem Anteil die Fläche mit Strukturelementen eines oder mehrerer Typen gefüllt sein soll.
Beispielsweise soll für eine runde Form eines Wellenleiters 1 (vgl. Fig. 3), insb. bspw. auch eine Preform dafür (vgl. Fig. 10), mit vorgegebener Anordnung und Anzahl von Strukturelementen (hier im Beispiel gleiche Durchmesser, hexagonal dichteste Packung), für einen vorgegebenen Füllfaktor nach einem deterministischen Algorithmus (z.B. umfassend eine Halton-Folge) Strukturelemente 10b ausgewählt werden, die aus einem Medium mit bspw. einem zweiten Brechungsindex belegt werden.
Hierfür werden in dem die runde Form des Wellenleiters 1 einschließenden Quadrat 100 bspw. nach einer 2D-Halton-Sequenz Punkte 102 erzeugt. Die Werte der Sequenz liegen im Bereich [0,1) x [0,1) und werden entsprechend Dimensionierung der vorgegebenen Fläche des Wellenleiters skaliert.
Die Flalton-Sequenz ist die mehrdimensionale Erweiterung der eindimensionalen van der Corput Sequenz zu unterschiedlichen Basen: Die van der Corput Sequenz xn = fύ h ) zur Basis b ist dabei über die Umkehrung der Basis b Repräsentation einer Zahl n definiert: Jede ganze positive Zahl n >=0 lässt sich bspw. als Summe zu einer Basis b>= 2 darstellen: wobei die Koeffizienten ak(n) Elemente aus dem vollständiges Restesystem modulo b sind [lb = (0,1, ... , b - 1)), und m die kleinste ganze Zahl, so dass as(n)=0 für alle j>m. Die van der Corput Sequenz ist dann über die radikale Umkehrfunktion (radical inverse function) zur Basis b definiert: wobei b eine Primzahl ist.
Da die Strukturelemente 10 auf vordefinierten Plätzen lokalisiert sind, und die Sequenzen, den vollständigen Bereich [0,1) x [0,1) abdecken, findet folgende Zuordnung statt: Die Sequenzelemente werden der Reihe nach durchgegangen. Die Zuordnung zu einem Strukturelement, insbesondere zu einem zweiten Typ 10b, erfolgt über den kleinsten euklidischen Abstand. Sequenzelemente, die so bereits selektierten Strukturelementen zugeordnet werden, oder außerhalb der Anordnung liegen, werden ignoriert und mit dem nächsten Sequenzelement fortgefahren. Dies wird solange fortgeführt, bis die den gewünschten Füllfaktor entsprechende Anzahl von Strukturelementen, insbesondere des zweiten Typs 10b, selektiert wurde.
Dies wird zur Verdeutlichung anhand zweier Ausführungsbeispiele dargestellt. Ein erstes Ausführungsbeispiel zeigt einen Wellenleiter oder eine Preform für einen Wellenleiter 1 in runder Form (Fig. 4), der gebildet wird aus mindestens zwei Typen, ebenfalls runder, Strukturelemente mit zwei unterschiedlichem Brechungsindizes, die in hexagonaler Packung oder Anordnung vorgegeben sind.
Diese Anordnung wird nun nach Vorgaben einer deterministischen Folge bestimmt mit den beiden Brechungsindizes belegt bis ein vorgegebener Füllgrad erreicht ist. Dadurch dann bestimmte besetzte Strukturelemente erhalten einen Brechungsindex die übrigen den anderen.
Dies geschieht unter den folgenden Bedingungen: Die Strukturelemente, welche einem Sequenzpunkt 102 am nächsten liegen werden besetzt (z.B. einem Typ 10b zugeordnet), sofern der Sequenzpunkt innerhalb der runden Form liegt und die zugehörige Positionen bzw. das zugehörige Strukturelement nicht schon besetzt ist (z.B. einem Typ 10b zugeordnet ist). In diesen Fällen wird der Sequenzpunkt verworfen und der nächste in der Folge herangezogen.
Somit wird ein erster Punkt mit der deterministischen Folge bestimmt und skaliert in die Form gesetzt (schwarzer Punkt), obige Bedingungen geprüft und in diesem ersten Fall das grau unterlegte Strukturelement besetzt. Entsprechend wird mit den folgenden Punkten verfahren.
Kommt es im Weiteren zu Sequenzpunkten 102 außerhalb der hier runden Form oder Dopplung, so werden diese Sequenzpunkte 102 verworfen und mit dem folgenden Sequenzpunkt 102 fortgefahren bis ein vorgegebener Füllgrad erreicht ist.
Es zeigen die Figuren zu verwerfenden Punkte 102v (hier beibehalten) außerhalb der runden Form bzw. doppelten Punkt sowie ein Ergebnis für einen Füllgrad von 50%.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel (Fig. 5) zeigt die Belegung einer vorgegebenen Fläche. Ziel hier ist es bspw. auf einer quadratischen Platte 110 der Kantenlänge D Strukturelemente, bspw. Löcher mit einem Durchmesser, nach der Halton-Sequenz für einem Laser-Filamentierungs- oder Bohr-Prozess zu positionieren. Hier werden die Sequenzpunkte 112 aus dem Wertebereich [0,1) auf den Dimensionsbereich [-D/2, D/2) der hier vorgegebenen Fläche skaliert. Dies erfolgt solange bis ein vorgegebener Füllgrad erreicht ist. Der Füllgrad ergibt sich aus dem Flächenverhältnis der Summe der Löcher zur Substratfläche. Die Löcher können entsprechend der Sequenzpunkte gesetzt werden (Fig. 5a). Alternativ können die Sequenzpunkte auf den Durchmesser der Löcher gerundet werden (Fig. 5b). Falls nicht gewünscht, dass die Löcher sich überlappen (überlappende Löcherpaare 114), sind solche Sequenzpunkte zu verwerfen. Doppelplatzierungen (Fig. 5b), werden entsprechend verworfen und in der Sequenz weiter fortgeschritten. Ebenso kann es hier weitere Vorgaben geben, die bspw. einen Mindestabstand der Strukturelemente definieren.
Es versteht sich, dass die oben grundsätzlicher beschriebenen und an 2 Beispielen näher ausgeführte Methode ohne Beschränkung auf weitere mögliche Variationen auch für Strukturelemente mit mehr als zwei Brechungsindizes und/oder variierender oder variabler Geometrie, Dimension, bspw. zweier oder mehrere Durchmesser und/oder Form oder einer Kombination daraus auf jedweder, ggf. vorbestimmter, Fläche angewendet werden können bzw. anwendbar sind bzw. deren Struktur eindeutig vorbestimmen können. Die Bedingungen zur Belegung bzw. Belegbarkeit der verfügbaren Fläche sind dann fallweise entsprechend anzupassen oder zu erweitern, um einen gewünschte, geforderte Belegung zu erreichen.
Bezugnehmend auf Fig. 6 erfüllt ein erfindungsgemäßer Wellenleiter insbesondere ein bestimmtes Homogenitätskriterium bezüglich der Ungleichmäßigkeit der Strukturelemente und vorzugsweise bezüglich der Bildschärfe bei einem als Bildleiter ausgebildeten Wellenleiter.
Beispielsweise kann eine Verteilung von Flächeninhalten, welche den Querschnittsflächen der Strukturelemente entsprechen oder eindeutig zuordenbar sind, eine bestimmte Bedingung erfüllen. Gezeigt sind exemplarisch Varianzen der Verteilungen der Flächeninhalte der Voronoi- Flächen bezogen auf das Quadrat A der Gesamtfläche des zu besetzenden Querschnittes (normierte Varianz V=a/A2) zu den Positionen der Querschnittsflächen der Strukturelemente zumindest eines Typs aufgetragen über die Anzahl N der Strukturelemente dieses zumindest einen Typs, wobei eine logarithmische (Fig. 6a) und eine doppeltlogarithmische Darstellung (Fig. 6b) gezeigt sind.
Ein erfindungsgemäßer Wellenleiter kann wie oben beschrieben mit einer deterministischen Folge charakterisierbar sein. Demgemäß basiert die Varianz-Kurve 200 auf mittels einer Haiton- Folge festgelegten Positionen der Querschnittsflächen, die Varianz-Kurve 202 auf mittels einer Sobol-Folge festgelegten Positionen der Querschnittsflächen. Zum Vergleich gezeigt ist eine Varianz-Kurve 204 basierend auf zufällig festgelegten Positionen der Querschnittsflächen und eine der Varianz-Kurve 204 entsprechende Fit-Kurve 206 (Varianz = 0,38A2/N2 033). Ersichtlich ist, dass die Varianz der Verteilung bei einem erfindungsgemäßen Wellenleiter (für jedes N) kleiner ist als die Varianz bei einem Wellenleiter mit zufälliger Unordnung.
Hierbei ist anzumerken, dass die dargestellten Kurven auf Verteilungen basieren, welche sich über den Wertebereich von [0,1) erstrecken.
Die Fig. 7 und Fig. 8 zeigen exemplarisch Voronoi-Flächen 210 zu den Positionen 212 der Querschnittsflächen der Strukturelemente, für Wellenleiter mit runden Querschnitt (Fig. 7) und quadratischen Querschnitt (Fig. 8, welche Fig. 6 zugrunde liegen). Die Fig. 7a, 8a zeigen Positionen 212 und Voronoi-Flächen 210 basierend auf einer Halton-Folge und Fig. 7b, 8b basierend auf einer Sobol-Folge, welche jeweils der Ungleichmäßigkeit eines erfindungsgemäßen Wellenleiters entsprechen. Zum Vergleich zeigen Fig. 7c, 8c Positionen 212 und Voronoi-Flächen 210 basierend auf einer zufälligen Anordnung und Fig. 7d, 8d basierend auf einer periodischen Anordnung. Ersichtlich ist, dass erfindungsgemäße Wellenleiter dadurch gekennzeichnet sind, dass die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, ungleichmäßig, aber mit einer höheren Homogenität als bei zufälliger Anordnung, ausgebildet sind.
Fig. 9 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Fierstellung eines Wellenleiters gemäß einem Multi- Zug-Verfahren. Dabei werden mehrere Wellenleiter 1 zusammengestellt, um eine Preform 30 zu bilden und in die Länge gezogen (Fig. 9a). Bei den Wellenleitern 1 kann es sich dabei z.B. um eine Anordnung von Strukturelemente 10, 20 bzw, 10a, b bspw. nach Fig.3, oder alternativen Zusammenstellungen bspw. nach den in Fig. 1 (a) bis (e) handeln, welche vorzugsweise bereits in bekannter Weise ausgezogen sind.
Die zusammengestellten und in die Länge gezogenen Wellenleiter („Multi-Fiber“) werden dann in Teilstücke zerlegt und wiederum zu einer Preform 40 zusammengestellt (Fig. 9b, „Multi-Multi- Assembly“). Die Preform 40 kann dann wiederum in die Länge gezogen werden (Fig 9c), und ggf. wiederum in Teilstücke zerlegt und zusammengestellt werden (Fig. 9d). Schließlich kann die so erhaltene Anordnung durch Beaufschlagung mit Hitze und/oder Druck, sowie insbesondere unter Vakuum, verschmolzen werden (Fig. 9e).
Bezugnehmend auf Fig. 10 können die in die Länge gezogenen zusammengestellten Wellenleiter („Multi-Fiber“, hier „M1 “) bei der Zusammenstellung zu einer weiteren Preform zueinander unverdreht zusammengestellt werden (Fig. 10a) oder, insbesondere auf vordefinierte Weise, zueinander gedreht zusammengestellt werden (Fig. 10b). Ferner können bei der Zusammenstellung Teilstücke aus zumindest zwei verschiedenen in die Länge gezogenen zusammengestellten Wellenleitern („M 1 “, „M2“) unverdreht (Fig. 10c) oder, insbesondere auf vordefinierte Weise, zueinander gedreht (Fig. 10d) zusammengestellt werden. Analog zu den Fig. 10a, b gezeigten Anordnungen können auch die Wellenleiter bei der Zusammenstellung der ersten Preform unverdreht oder, insbesondere auf vordefinierte Weise, gedreht zueinander angeordnet sein oder werden. Im Fall, dass eine Preform aus Teilstücken zumindest zweier verschiedener Wellenleiter („M1“, „M2“) zusammengestellt wird, kann die Anordnung dieser verschiedenen Wellenleitern entsprechend einer vorstehend beschriebenen Anordnung verschiedener Typen von Strukturelementen (z.B. Fig. 3) erfolgen, und damit wiederum eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt sein.
Bezugnehmend auf die Fig. 11 bis 14 soll nachfolgend nochmals beispielhaft auf verschiedene Ausprägungen der erfindungsgemäßen Ungleichmäßigkeit der Strukturelemente eingegangen werden. Wie beschrieben sind die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, einerseits durch eine Ungleichmäßigkeit im Verhältnis zueinander gekennzeichnet, andererseits durch eine Regelmäßigkeit dahingehend, dass die Ungleichmäßigkeit der Strukturelemente eindeutig vorbestimmt ist, insbesondere deterministisch und/oder reproduzierbar ist und nicht dem Zufall folgt.
Beispielsweise können die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist, zueinander ungleichmäßige Geometrien aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt sind und/oder zueinander ungleichmäßige Brechungsindizes aufweisen, welche eindeutig durch die vorbestimmte Regel festgelegt sind. Fig. 11 zeigt anhand eines Baumdiagramms verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung einer ungleichmäßigen Anordnung, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist. In Fig. 11a ist als Ausgangspunkt ein Strukturelement 10a gezeigt, welches z.B. als Matrixmaterial ausgebildet sein kann (es ist auch möglich, dass das Strukturelement 10a als Luft ausgebildet ist bzw. abwesend ist). Figur 11 b zeigt einen davon abgeleiteten weiteren Ausgangspunkt mit dem Strukturelement 10a sowie einer Vielzahl von periodischen Positionen P zur Belegung mit Strukturelementen, welche dann eine periodische Positionierung aufweisen. Figur 11 d zeigt einen weiteren von Fig. 11 a abgeleiteten Ausgangspunkt mit dem Strukturelement 10a sowie einer Vielzahl von aperiodischen Positionen P zur Belegung mit Strukturelementen, um eine aperiodische Positionierung zu erlangen. Ausgehend von den in Fig. 11 b und 11 d gezeigten Ausgangspunkten ergeben sich durch Belegung der Positionen P mit Strukturelementen erfindungsgemäße Wellenleiter wie nachfolgend näher beschrieben wird.
Ausgehend von Fig. 11 b zeigt Fig. 11c einen Wellenleiter 1 mit Strukturelementen 10b, 10c deren Querschnittsregionen eine periodische Positionierung aufweisen und/oder auf periodischen Positionen liegen. Der in Fig. 11c gezeigte Wellenleiter weist drei Typen von Strukturelementen 10a, 10b, 10c auf, welche jeweils einen anderen Brechungsindex aufweisen können. Beispielsweise kann das Strukturelement 10a als Matrixmaterial ausgebildet sein und die Strukturelemente 10b und 10c können Hohlräume in dem Matrixmaterial sein, welche mit Materialien abweichender Brechungsindizes gefüllt sind.
Möglich ist jedoch ebenso, dass eines der Materialien der Strukturelemente 10b und 10c wiederum dem Matrixmaterial des Strukturelements 10a entspricht bzw. dass die diesen Strukturelementen entsprechenden (gefüllten) Hohlräume in dem Matrixmaterial fehlen (vergleiche hierzu weiter unten zu Fig. 13a). Möglich ist ebenso, dass das Strukturelement 10a als Luft ausgebildet ist bzw. abwesend ist und die Strukturelemente 10b und 10c aneinandergrenzen (vergleiche hierzu weiter unten zu Fig. 14a).
Der in Fig. 11c gezeigte Wellenleiter 1 weist Strukturelemente 10b, 10c mit einer periodischen Positionierung auf. Die Strukturelemente 10b, 10c sind jedoch unterschiedlichen Typs und die Belegung der unterschiedlichen Typen auf dem regelmäßigen Gitter ist ungleichmäßig, aber durch eine vorbestimmte Regel festgelegt. Insbesondere ist somit die Variation der Strukturelemente 10b, 10c untereinander ungleichmäßig, aber durch eine vorbestimmte Regel festgelegt. Die Strukturelemente 10b, 10c können insbesondere als deterministisch ungeordnet bezeichnet werden. Fig. 11c zeigt somit einen Fall eines Wellenleiters 1, wobei die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist. Der Begriff der Anordnung ist hierbei dahingehend zu verstehen, dass die Auswahl bzw. Belegung der verschiedenen Typen von Strukturelementen 10b, 10c auf den jeweiligen periodischen Positionen ungleichmäßig ist, aber durch die vorbestimmte Regel festgelegt ist, also nicht zufällig ist.
Möglich ist darüber hinaus, dass die Strukturelemente 10b, 10c sich nicht hinsichtlich ihrer Brechungsindizes unterscheiden, also z.B. denselben Brechungsindex aufweisen bzw. aus demselben Material bestehen, jedoch hinsichtlich anderer Aspekte variieren (vergleiche hierzu weiter unten zu Fig. 12). Es ist ferner möglich, dass die Strukturelemente 10b, 10c sich sowohl hinsichtlich ihrer Brechungsindizes unterscheiden als auch hinsichtlich anderer Aspekte.
Ausgehend von Fig. 11 d zeigt Fig. 11 e einen Wellenleiter l mit zwei Typen von Strukturelementen, nämlich dem Strukturelement 10a, welches z.B. als Matrixmaterial ausgebildet sein kann, sowie einer Vielzahl von Strukturelementen 10b, welche beispielsweise als, insbesondere gefüllte, Flohlräume in dem Matrixmaterial ausgebildet sein können. Die Querschnittsregionen der Strukturelemente 10b sind in diesem Fall aperiodisch positioniert. Die Positionierung der Strukturelemente 10b kann hierbei nun die Ungleichmäßigkeit darstellen, welche durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist. Insbesondere können die Strukturelemente 10b des zweiten Typs ungleichmäßige, aber durch eine vorbestimmte Regel festgelegte, Positionen aufweisen. Fig. 11 e zeigt somit einen Fall eines Wellenleiters 1, wobei die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist. Der Begriff der Anordnung ist hierbei dahingehend zu verstehen, dass die oder einige der Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen aperiodisch positioniert sind, wobei die Positionen durch die vorbestimmte Regel festgelegt sind, also nicht zufällig sind. Im Fall von Fig. 11 e ist insbesondere vorgesehen, dass die Strukturelemente 10b des zweiten Typs einen einheitlichen Brechungsindex aufweisen, einheitliche Geometrien aufweisen und/oder im Hinblick auf weitere Aspekte einheitlich ausgebildet sind, insbesondere identisch ausgebildet sind. In diesem Fall kann von einer einheitlichen Belegung der aperiodischen Positionen gesprochen werden.
Fig. 11f zeigt demgegenüber ausgehend von Fig. 11 d einen Wellenleiter 1 bei welchem eine aperiodische Positionierung von Strukturelementen mit zugleich verschiedenen Typen von Strukturelementen 10b, 10c vorgesehen ist. In diesem Fall kann die Ungleichmäßigkeit, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist, in der aperiodischen Positionierung der Strukturelemente 10b, 10c liegen oder in der Belegung, also der Variation der Strukturelemente 10b, 10c untereinander, liegen, oder sowohl in der Positionierung als auch in der Belegung liegen.
Fig. 12 zeigt verschiedene Möglichkeiten von Variationen, welche Strukturelemente untereinander aufweisen können (mittlere Zeile) sowie beispielhafte, nicht abschließend zu verstehende, Kombinationsmöglichkeiten der Variationen (untere Ziele). Die gezeigten Variationen können insbesondere für eine Belegung von Positionen mit Strukturelementen herangezogen werden, welche ungleichmäßig ausgebildet ist, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist. Strukturelemente, deren Querschnittsregionen auf periodischen oder auch aperiodischen Positionen, z.B. innerhalb eines Matrixmaterials, lokalisiert sind, können beispielsweise untereinander hinsichtlich ihrer Form variieren, hinsichtlich ihres Typs bzw. Brechungsindex variieren, hinsichtlich ihres Substruktur variieren und/oder hinsichtlich ihrer Rotation (und/oder lokalen Position) variieren.
Beispielsweise können Variationen der Geometrien der Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, ausgebildet sein als Variationen der Form (Anzahl der Ecken, Durchmesser). Variationen der Geometrie können auch als Variationen der Substruktur ausgebildet sein. Eine Substruktur kann insbesondere darin liegen, dass ein Strukturelement, insbesondere dessen Querschnittsregion, zumindest zwei verschiedene Bereiche unterschiedlicher Brechungsindizes aufweist, insbesondere einen Kern und einen umgebenen Mantel (Kern-Mantel-System).
In Kombination kann beispielsweise eine erste Art von Strukturelementen einen polygonalen Mantel und/oder einen polygonalen Kern aufweisen und eine zweite Art von Strukturelementen einen runden Mantel und einen polygonalen Kern aufweisen (untere Zeile, erste Spalte). Diese zwei Arten von Strukturelementen können dann beispielsweise zur Belegung periodischer oder auch aperiodischer Positionen dienen.
Ferner kann beispielsweise eine erste Art von Strukturelementen einen ersten Brechungsindex und einen ersten Durchmesser aufweisen und eine zweite Art von Strukturelementen einen zweiten Brechungsindex und einen zweiten Durchmesser aufweisen (untere Zeile, zweite Spalte); oder eine erste Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einem ersten Durchmesser und eine zweite Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einem zweiten Durchmesser (untere Zeile, dritte Spalte); oder eine erste Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einem zweiten Brechungsindex (untere Zeile, vierte Spalte); oder eine erste Art von Strukturelementen einen ersten Durchmesser und eine Rotation um einen außerhalb des Strukturelements liegenden Drehpunkt und eine zweite Art von Strukturelementen einen zweiten Durchmesser und eine Rotation um einen außerhalb des Strukturelements liegenden Drehpunkt (untere Zeile, fünfte Spalte), oder eine erste Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem zentrierten Kern und eine zweite Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einer Rotation um einen außerhalb des Kerns liegenden Drehpunkt (untere Zeile, sechste Spalte), und dergleichen mehr.
Fig. 13a zeigt einen Wellenleiter 1, welcher jeweils in einigen Aspekten mit dem Wellenleiter aus Fig. 11c vergleichbar ist. Der Wellenleiter weist ein erstes Strukturelement 10a auf, welches z.B. als Matrixmaterial ausgebildet sein kann. Ferner weist der Wellenleiter eine Vielzahl von Strukturelementen 10b auf, welche z.B. als filamentierte Flohlräume in dem Matrixmaterial ausgebildet sein können. Die Strukturelemente 10b liegen auf periodischen Plätzen, jedoch sind nicht alle periodischen Plätzen mit einem Strukturelement belegt. Fig. 13a zeigt somit einen Fall eines Wellenleiters 1, wobei die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist. Der Begriff der Anordnung ist hierbei dahingehend zu verstehen, dass die oder einige der Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen auf periodischen Plätzen liegen, wobei einige der periodischen Plätze belegt sind und einige der periodischen Plätze unbelegt sind und die Belegung eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, also nicht zufällig ist.
Fig. 13b zeigt einen Wellenleiter 1, welcher jeweils in einigen Aspekten mit dem Wellenleiter aus Fig. 11f vergleichbar ist. Der Wellenleiter weist ein erstes Strukturelement 10a auf, welches z.B. als Matrixmaterial ausgebildet sein kann. Ferner weist der Wellenleiter eine Vielzahl von Strukturelementen 10b mit einem ersten Durchmesser auf sowie eine Vielzahl von Strukturelementen 10c mit einem zweiten Durchmesser. Die Strukturelemente sind in diesem Beispiel aperiodisch positioniert, wobei die aperiodische Positionierung ungleichmäßige, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet sein kann. Fig. 13b zeigt somit einen Fall eines Wellenleiters 1, wobei die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist. Der Begriff der Anordnung ist hierbei dahingehend zu verstehen, dass die oder einige der Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen aperiodisch positioniert sind, wobei die aperiodischen Positionen durch die vorbestimmte Regel festgelegt sind, also nicht zufällig sind und/oder wobei die Strukturelemente untereinander eine Variation aufweisen, welche ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, wobei die Variation als zwei Arten von Strukturelementen ausgebildet ist, z.B. mit verschiedenen Durchmessern.
Fig. 14 zeigt einige Wellenleiter 1, mit jeweils einer Vielzahl von Strukturelementen einer ersten Art und einer Vielzahl von Strukturelementen einer zweiten Art (und mitunter weiteren Arten in Fig. 14d). Die hier gezeigten Wellenleiter 1 weisen insbesondere kein Matrixmaterial auf (sind also insbesondere auch nicht als Faceplate ausgebildet), vielmehr grenzen die Strukturelemente aneinander. Die in Fig. 14 gezeigten Wellenleiter 1 haben gemeinsam, dass die Strukturelemente der verschiedenen Arten, insbesondere deren Querschnittsregionen, periodisch positioniert sind, jedoch die Belegung der periodischen Positionen mit den Arten der Strukturelemente ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist. Die in Fig. 14 gezeigten Wellenleiter 1 zeichnen sich somit dadurch aus, dass die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist, wobei der Begriff der Anordnung hierbei dahingehend zu verstehen ist, dass die Auswahl bzw. Belegung der verschiedenen Arten von Strukturelementen auf den periodischen Positionen ungleichmäßig, aber durch die vorbestimmte Regel festgelegt ist, also nicht zufällig ist.
Fig. 14a zeigt etwa einen Wellenleiter 1 mit einer Vielzahl von Strukturelementen 10a und einer Vielzahl von Strukturelementen 10b, welche unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen.
Fig. 14b zeigt einen Wellenleiter 1 mit einer Vielzahl von Strukturelementen 10d und einer Vielzahl von Strukturelementen 10e, welche unterschiedliche Brechungsindizes und eine unterschiedliche Substruktur aufweisen, wobei die Substruktur durch die Sub-Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b) bzw. 10a und 10c (mit Brechungsindizes a und c) definiert ist. Die Substruktur liegt hier darin, dass die Strukturelemente 10d und 10e als Kern- Mantel-Systeme ausgebildet sind, wobei sich die Kerne unterscheiden.
Fig. 14c zeigt in ähnlicher Weise einen Wellenleiter 1 mit einer Vielzahl von Strukturelementen 10d und einer Vielzahl von Strukturelementen 10e, welche unterschiedliche Brechungsindizes und eine unterschiedliche Substruktur aufweisen, wobei die Substruktur durch die Sub- Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b) bzw. 10c und 10b (mit Brechungsindizes c und b) definiert ist. Die Substruktur liegt hier darin, dass die Strukturelemente 10d und 10e als Kern-Mantel-Systeme ausgebildet sind, wobei sich die Mäntel unterscheiden.
Fig. 14d zeigt in ähnlicher Weise einen Wellenleiter 1 mit einer Vielzahl von Strukturelementen 10e, einer Vielzahl von Strukturelementen 10f, einer Vielzahl von Strukturelementen 10g, und einer Vielzahl von Strukturelementen 10h, welche unterschiedliche Brechungsindizes und eine unterschiedliche Substruktur aufweisen, wobei die Substruktur durch die Sub-Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b) bzw. 10a und 10c (mit Brechungsindizes a und c) bzw. 10b und 10d (mit Brechungsindizes b und d) bzw. 10c und 10d (mit Brechungsindizes c und d) definiert ist. Die Substruktur liegt hier darin, dass die Strukturelemente 10e, 10f, 10g und 10h als Kern-Mantel-Systeme ausgebildet sind, wobei sich sowohl die Mäntel als auch die Kerne unterscheiden.
Fig. 14e zeigt einen Wellenleiter 1 mit einer Vielzahl von Strukturelementen 10c und einer Vielzahl von Strukturelementen 10d, welche unterschiedliche Geometrien und eine unterschiedliche Substruktur aufweisen, wobei die Substruktur des Strukturelements 10c durch die Sub-Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b und einem ersten Kerndurchmesser) definiert ist, und die Substruktur des Strukturelements 10d durch die Sub- Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b und einem zweiten Kerndurchmesser).
Fig. 14f zeigt einen Wellenleiter 1 mit einer Vielzahl von Strukturelementen 10c und einer Vielzahl von Strukturelementen 10d, welche unterschiedliche Geometrien und eine unterschiedliche Substruktur aufweisen, wobei die Substruktur des Strukturelements 10c durch die Sub- Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b und einem zentral positionierten Kern) definiert ist, und die Substruktur des Strukturelements 10d durch die Sub-Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b und einem exzentrisch positionierten Kern).
Fig. 15a und Fig. 15b zeigen Aufnahmen als Beispiele praktisch hergestellter Wellenleiter 1 mit einem monolithischen Grundkörper als Strukturelement des ersten Typs 10a in welchem mittels Laserfilamentierung eine Vielzahl von filamentförmigen Kanälen als Strukturelemente des zweiten Typs 10b eingebracht wurden, wobei diese eine aperiodische Positionierung aufweisen und die aperiodischen Positionen ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet sind. Bei der Laserfilamentierung kann aber z.B. auch vorgesehen sein, dass der Laser das Substrat zeilenweise abfährt, woraus sich eine Periodizität bzw. ein Raster ergibt. Insbesondere in einem solchen Fall können die als filamentförmige Kanäle ausgebildeten Strukturelemente des zweiten Typs 10b auch auf periodischen Plätzen positioniert sein, wobei einige der periodischen Plätze belegt sind und einige der periodischen Plätze unbelegt sind und die Belegung eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist.
Fig. 16a zeigt eine Aufnahme als Beispiel eines praktisch hergestellten Wellenleiters 1 mit einer Vielzahl von Fasern mit einem ersten Brechungsindex als Strukturelemente des ersten Typs 10a und einer Vielzahl von Fasern mit einem zweiten Brechungsindex als Strukturelemente des zweiten Typs 10b sowie eine vergrößerte Ansicht und Skizzen davon in Fig. 16b. Die Fasern der Strukturelemente 10a und 10b grenzen hierbei aneinander und sind gemäß einem periodischen Gitter positioniert, wobei die Belegung der Positionen mit den Typen 10a und 10b ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist. Die Strukturelemente des ersten Typs 10a und des zweiten Typs 10b können von einem als Hüllrohr ausgebildeten Strukturelement eines dritten Typs 10c umgeben sein. Bevorzugt weist hierbei das Hüllrohr einen Brechungsindex auf, welcher sowohl geringer ist als der Brechungsindizes der Strukturelemente des ersten Typs 10a als auch der Brechungsindex des zweiten Typs 10b.
Fig. 17 zeigt eine Aufnahme des Wellenleiters 1 aus Fig. 16a in seiner Anwendung als Bildleiter, wobei ein Bild übertragen wird, das die Ziffer 5 zeigt. Aufgrund der Ungleichmäßigkeit in der Anordnung der Strukturelemente wird hierbei eine Bildübertragung mit einer hohen Auflösung basierend auf dem Phänomen der transversalen Anderson-Lokalisierung erzielt. Zugleich wird hierbei aufgrund der Anordnung gemäß der vorbestimmten Regel lokal kontrollierbare Bildschärfe und Homogenität ermöglicht.
Zusammenfassend kann beispielsweise ein Wellenleiter 1 vorgesehen sein, wobei die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist, wobei die ungleichmäßige Anordnung, welche eindeutig durch die vorbestimmte Regel festgelegt ist, ausgebildet ist
(a) als eine periodische Positionierung von Strukturelementen, insbesondere deren Querschnittsregionen, wobei die periodisch positionierten Strukturelemente untereinander eine Variation aufweisen, welche ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, wobei die Variation der periodisch positionierten Strukturelemente untereinander vorzugsweise als Variation des Typs der Strukturelemente, des Brechungsindex der Strukturelemente und/oder der Geometrie (z.B. der Form, des Durchmessers und/oder der Substruktur) der Strukturelemente ausgebildet ist,
(b) als eine aperiodische Positionierung von Strukturelementen, insbesondere deren Querschnittsregionen, wobei die aperiodischen Positionen der Strukturelemente ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet sind, wobei optional die Strukturelemente zudem untereinander eine Variation aufweisen, welche ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, und/oder (c) als eine Positionierung von Strukturelementen, insbesondere deren Querschnittsregionen, auf periodischen Plätzen, wobei einige der periodischen Plätze belegt sind und einige der periodischen Plätze unbelegt sind und die Belegung eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, wobei optional die Strukturelemente zudem untereinander eine Variation aufweisen, welche ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist.
Wie zuvor beschrieben können sich die Strukturelemente auch in deren Form bzw. Geometrie voneinander unterscheiden. Insbesondere im Falle, dass der Wellenleiter mittels eines, sich ggf. mehrfach wiederholenden Preform-Faserzug-Verfahrens als ein Faserstab ausgebildet wird, können die Ausgangsformen oder Geometrien erhalten bleiben, aber sich auch aufgrund der thermischen und den dabei ggf. auftretenden mechanischen Einflüssen im Wellenleiter als verformt darstellen. Insbesondere können zumindest einige Strukturelemente eine hexagonale und / oder hyperbolisch polygonale Form, insbesondere drei- oder sechseckig, annehmen. Auch die Einbringung von Strukturelementen mittels Laserverfahren kann derartige Geometrievariationen umfassen, indem bspw. der oder ein Laserstrahl bzw. die Laserstrahlung entsprechend geführt und/oder optisch dessen Strahlprofil eingestellt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Wellenleiter (1 ) zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, insbesondere zur Übertragung von Bildinformationen von einem proximalen Ende (2) des Wellenleiters zu einem distalen Ende (4) des Wellenleiters, entlang einer zwischen dem proximalen und dem distalen Ende verlaufenden Transportrichtung (5), und über einen quer zu der Transportrichtung verlaufenden Querschnitt, wobei der Wellenleiter 1 umfasst: eine Vielzahl von Strukturelementen (10), wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind, nämlich ein erster Typ (10a) mit einem ersten Brechungsindex und ein zweiter Typ (10b) mit einem zweiten Brechungsindex, wobei die Strukturelemente (10) sich jeweils entlang der Transportrichtung (5) sowie anteilig über den Querschnitt des Wellenleiters (1) erstrecken, derart, dass im Querschnitt des Wellenleiters (1) eine Vielzahl von Querschnittsregionen (20) definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements (10) entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (10), insbesondere deren Querschnittsregionen (20), ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet sind.
2. Wellenleiter gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, eine ungleichmäßige, insbesondere aperiodische, vorbestimmte Anordnung aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist, und/oder wobei die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, ungleichmäßige, insbesondere voneinander abweichende, Geometrien aufweisen, beispielsweise ungleichmäßige Durchmesser, aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt sind, und/oder wobei die Strukturelemente ungleichmäßige, insbesondere voneinander abweichende Brechungsindizes aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt sind.
3. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, derart ungleichmäßig ausgebildet sind, dass elektromagnetische Wellen, die von dem Wellenleiter übertragen werden, in einer quer zu der Transportrichtung verlaufenden Richtung lokalisiert bleiben, insbesondere, um Bildinformationen zu übertragen und/oder wobei die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, derart durch die vorbestimmte Regel festgelegt ausgebildet sind, dass der Wellenleiter eine reproduzierbare Struktur aufweist, insbesondere derart, dass weitere Wellenleiter mit einer zu dem Wellenleiter identischen Struktur herstellbar sind und/oder wobei die durch die Querschnittsregionen der Strukturelemente im Querschnitt definierte Struktur des Wellenleiters entlang der Transportrichtung im mathematischen Sinne ähnlich ist, insbesondere invariant ist.
4. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Regel der eindeutigen Festlegung, insbesondere der Anordnung der Querschnittsregionen, der Geometrien der Querschnittsregionen und/oder der Brechungsindizes der Strukturelemente, umfasst:
Angabe einer Kenngröße für jedes der Strukturelemente, insbesondere zur Definition der Position der Querschnittsregion, der Fläche der Querschnittsregion oder des Brechungsindex des jeweiligen Strukturelements, gemäß einer deterministischen Vorschrift.
5. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Regel der eindeutigen Festlegung, insbesondere die deterministische Vorschrift zur Angabe der Kenngrößen, eine, insbesondere mathematische, Folge von feststehenden Werten umfasst, wobei die Folge von Werten vorzugsweise als eine Folge mit niedriger Diskrepanz (Low Discrepancy Series) ausgebildet ist, und/oder wobei die Folge von Werten vorzugsweise als eine deterministische Folge, bspw. als eine Halton-Folge, als eine Sobol-Folge, als eine Niederreiter-Folge, als eine Hammersley-Folge, als eine Faure-Folge oder als eine Kombination aus mehreren Folgen ausgebildet ist.
6. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Regel der eindeutigen Festlegung, insbesondere die deterministische Vorschrift zur Angabe der Kenngrößen, umfasst:
Heranziehen eines bestimmten Wertes einer deterministischen Folge zur Angabe einer Kenngröße für ein bestimmtes Strukturelement,
Heranziehen eines weiteren Wertes der deterministischen Folge zur Angabe einer Kenngröße für ein weiteres Strukturelement,
Prüfen, ob der Wert oder die Kenngröße für das weitere Strukturelement, insbesondere in Anbetracht des Wertes oder der Kenngröße für das bestimmte Strukturelement, eine definierte Bedingung verletzt, und wenn die definierte Bedingung verletzt ist:
Verwerfen des weiteren Wertes und Heranziehen eines nochmals weiteren Wertes der deterministischen Folge zur Angabe einer Kenngröße für das weitere Strukturelement, oder Modifizieren des weiteren Wertes in vordefinierter Weise, derart, dass die definierte Bedingung erfüllt oder nicht mehr verletzt ist.
7. Wellenleiter gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die definierte Bedingung als eine festgelegte Mindestdifferenz der Werte oder Kenngrößen ausgebildet ist, insbesondere als ein festgelegter Mindestabstand zwischen Positionen der Querschnittsflächen der Strukturelemente.
8. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verteilung der Flächeninhalte der Voronoi-Flächen zu den Positionen, insbesondere zu den Mittelpunkten, der Querschnittsflächen der Strukturelemente zumindest eines Typs zumindest eine folgender Bedingungen erfüllt:
(1 ) Varianz Vd der Verteilung ist kleiner als die Varianz Vz einer entsprechenden Verteilung für zufällige Positionen der Querschnittsflächen, wobei das Verhältnis VzA/d vorzugsweise zwischen 0 und 10 liegt, insbesondere größer als 1 ist, bevorzugt größer 2 ist, meist bevorzugt größer als 2,5 ist und/oder kleiner als 8 ist, bevorzugt kleiner als 7 ist, meist bevorzugt kleiner als 6,5 ist und/oder
(2) Varianz Vd der Verteilung ist kleiner als 0,38/N2 033, wobei N die Anzahl der Strukturelemente des zumindest einen Typs bezeichnet und/oder (3) Varianz Vd der Verteilung ist größer als die Varianz einer entsprechenden Verteilung für periodische Positionen der Querschnittsflächen, wobei die Varianz Vd vorzugsweise größer als 0 ist, insbesondere größer als 10-10 ist, bevorzugt größer als 10- 9 ist, meist bevorzugt größer als 108 ist.
9. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente des ersten Typs und der Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente des zweiten Typs in einem Bereich zwischen 1 :9 und 9:1 liegt, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3:7 und 7:3 liegt, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 4:6 und 6:4 liegt, und/oder wobei die Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente für jeden Typ mindestens 1/(10*T), vorzugsweise mindestens 1/(5*T), besonders bevorzugt mindestens 1/(3*T) der Querschnittsfläche, beträgt, wobei T die Anzahl der Typen bezeichnet, und/oder wobei der erste Brechungsindex der Strukturelemente des ersten Typs und der zweite Brechungsindex der Strukturelemente des zweiten Typs um mindestens 104 abweichen, insbesondere um mindestens 103 abweichen, insbesondere um mindestens 102 abweichen, insbesondere um mindestens 101 abweichen, insbesondere um mindestens 1 abweichen, insbesondere um mindestens 2 abweichen, insbesondere um mindestens 3 abweichen, insbesondere um mindestens 4 abweichen.
10. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Querschnittsregion einen Durchmesser von 100 nm bis 50 mhi, vorzugsweise 400 nm bis 20 mhi, besonders bevorzugt 1 mhi bis 16mhi aufweist, und/oder wobei zumindest eine Querschnittsregion einen Durchmesser aufweist, welcher zwischen dem 0,1 -fachen bis 10-fachen der mittleren Wellenlänge liegt, vorzugsweise zwischen dem 0,2-fachen bis 5-fachen der mittleren Wellenlänge liegt, besonders bevorzugt zwischen dem 0, 5-fachen bis 2-fachen der mittleren Wellenlänge liegt und/oder wobei zumindest eine Querschnittsregion eine polygonale, beispielsweise pentagonale oder hexagonale Geometrie aufweist.
11. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Strukturelement des ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind, und wobei das Strukturelement des ersten Typs ausgebildet ist als, insbesondere monolithischer, Grundkörper mit oder aus einem ersten Medium, wobei das erste Medium den ersten Brechungsindex aufweist, und wobei die Strukturelemente des zweiten Typs ausgebildet sind als Hohlräume in dem Grundkörper, wobei die Hohlräume vorzugsweise den zweiten Brechungsindex bilden.
12. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hohlräume in dem Grundkörper als filamentförmige Kanäle ausgebildet sind, welche insbesondere mit einem Laserstrahl eines Ultrakurzpulslasers in den Grundkörper eingebracht sind, und wobei die filamentförmigen Kanäle in dem Grundkörper vorzugsweise chemisch nachbearbeitet sind, insbesondere durch Ätzen, um die Konturen der Kanäle zu glätten, und wobei der Wellenleiter vorzugsweise im Querschnitt eine größere Ausdehnung aufweist als entlang der Transportrichtung, wobei der Wellenleiter bevorzugt ausgebildet ist als Faceplate.
13. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wellenleiter im Querschnitt eine Fläche von mindestens 4 Quadratmillimeter aufweist, vorzugsweise von mindestens 2.500 Quadratmillimeter aufweist, besonders bevorzugt von mindestens 10.000 Quadratmillimeter aufweist und/oder wobei der Wellenleiter im Querschnitt eine Ausdehnung aufweist, welche mindestens 2 mal größer ist als die Ausdehnung entlang der Transportrichtung, bevorzugt mindestens 5 mal größer ist als die Ausdehnung entlang der Transportrichtung, besonders bevorzugt mindestens 10 mal größer ist als die Ausdehnung entlang der Transportrichtung.
14. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hohlräume in dem Grundkörper durch additiven Aufbau des Grundkörpers ausgebildet sind und/oder subtraktiv in den Grundkörper eingebracht sind, insbesondere als Bohrungen, welche insbesondere durch mechanisches Bohren in den Grundkörper eingebracht sind und wobei der Wellenleiter vorzugsweise in einem Multi-Zug-Verfahren hergestellt ist, insbesondere derart, dass der Wellenleiter neben der Vielzahl von Strukturelementen zumindest eine zweite Vielzahl von Strukturelementen umfasst, wobei der Wellenleiter im Querschnitt zumindest zwei Flächenbereiche aufweist, welche jeweils die Querschnittsregionen einer der beiden Vielzahlen von Strukturelementen beinhalten und abgesehen von einer Rotation eine identische Struktur aufweisen.
15. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wellenleiter entlang der Transportrichtung eine Ausdehnung von weniger als 10 Millimeter aufweist, vorzugsweise von weniger als 6 Millimeter aufweist, besonders bevorzugt, von weniger als 5 Millimeter aufweist, insbesondere, wenn der Wellenleiter als Faceplate ausgebildet ist, oder wobei der Wellenleiter entlang der Transportrichtung eine Ausdehnung, insbesondere Ausdehnung größer als eine Ausdehnung im Querschnitt, von mindestens 10 Millimeter aufweist, vorzugsweise von mindestens 20 Millimeter aufweist, besonders bevorzugt von mindestens 50 Millimeter aufweist, nochmals bevorzugter von mindestens 100 Millimeter aufweist.
16. Wellenleiter gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die Hohlräume in dem Grundkörper, insbesondere die filamentförmigen Kanäle und/oder die Bohrungen, mit einem zweiten Medium gefüllt sind, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist.
17. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Strukturelement, insbesondere das oder ein Strukturelement des ersten Typs, insbesondere das als Grundkörper ausgebildete Strukturelement, als Medium eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst oder daraus besteht: Glas, Quarzglas, Polymer, Kristalle, Einkristalle, polykristalline Materialien, Glaskeramik und/oder wobei zumindest ein Strukturelement, insbesondere das oder ein Strukturelement des ersten Typs, insbesondere das als Grundkörper ausgebildete Strukturelement, als Medium ein Material umfasst oder daraus besteht, welches im Wellenlängenbereich von 2 mhi bis 20 mhi eine Dämpfung von unter 50 dB/m, insbesondere von unter 10 dB/m, insbesondere von unter 1 dB/m aufweist, insbesondere ein Infrarot-transmissives Material umfasst oder daraus besteht, insbesondere ein Chalkogenid, insbesondere umfassend zumindest ein Element aus der Gruppe Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur, sowie zumindest ein Element aus der Gruppe Arsen, Germanium, Phosphor, Antimon, Blei, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Titan, Natrium.
18. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Strukturelement, insbesondere das oder ein Strukturelement des zweiten Typs, insbesondere die mit einem zweiten Medium gefüllten Hohlräume im Grundkörper, als Medium eines oder mehrere der im vorstehenden Anspruch für das Strukturelement des ersten Typs genannten Materialien umfasst oder daraus besteht, insbesondere solche, welche das Strukturelement des ersten Typs nicht umfasst.
19. Wellenleiter gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind, und wobei die Strukturelemente des ersten Typs ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem ersten Medium, wobei das erste Medium den ersten Brechungsindex aufweist, und wobei die Strukturelemente des zweiten Typs ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem zweiten Medium, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist oder wobei die Strukturelemente des zweiten Typs ausgebildet sind als Hohlräume in den Strukturelementen des ersten Typs, wobei die Hohlräume vorzugsweise den zweiten Brechungsindex bilden.
20. Wellenleiter, insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, insbesondere zur Übertragung von Bildinformationen von einem proximalen Ende des Wellenleiters zu einem distalen Ende des Wellenleiters, entlang einer zwischen dem proximalen und dem distalen Ende verlaufenden Transportrichtung, und über einen quer zu der Transportrichtung verlaufenden Querschnitt, wobei der Wellenleiter umfasst: eine Vielzahl von Strukturelementen, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind, nämlich ein erster Typ mit einem ersten Brechungsindex und ein zweiter Typ mit einem zweiten Brechungsindex, wobei die Strukturelemente sich jeweils entlang der Transportrichtung sowie anteilig über den Querschnitt des Wellenleiters erstrecken, derart, dass im Querschnitt des Wellenleiters eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen und wobei der Wellenleiter im Querschnitt eine größere Ausdehnung aufweist als entlang der Transportrichtung.
21. Wellenleiter gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei ein Strukturelement des ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind, und wobei das Strukturelement des ersten Typs ausgebildet ist als, insbesondere monolithischer, Grundkörper mit oder aus einem ersten Medium, wobei das erste Medium den ersten Brechungsindex aufweist, und wobei die Strukturelemente des zweiten Typs ausgebildet sind als Hohlräume in dem Grundkörper, wobei die Hohlräume vorzugsweise den zweiten Brechungsindex bilden, und wobei die Hohlräume in dem Grundkörper als filamentförmige Kanäle ausgebildet sind, welche insbesondere mit einem Laserstrahl eines Ultrakurzpulslasers in den Grundkörper eingebracht sind, und wobei die filamentförmigen Kanäle in dem Grundkörper vorzugsweise chemisch nachbearbeitet sind, insbesondere durch Ätzen, um die Konturen der Kanäle zu glätten, und wobei die als filamentförmige Kanäle ausgebildeten Hohlräume in dem Grundkörper vorzugsweise mit einem zweiten Medium gefüllt sind, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist.
22. Wellenleiter gemäß einem der zwei vorstehenden Ansprüche, wobei der Wellenleiter im Querschnitt eine Fläche von mindestens 4 Quadratmillimeter aufweist, vorzugsweise von mindestens 2.500 Quadratmillimeter aufweist, besonders bevorzugt von mindestens 10.000 Quadratmillimeter aufweist und/oder wobei der Wellenleiter im Querschnitt eine Ausdehnung aufweist, welche mindestens 2 mal größer ist als die Ausdehnung entlang der Transportrichtung, bevorzugt mindestens 5 mal größer ist als die Ausdehnung entlang der Transportrichtung, besonders bevorzugt mindestens 10 mal größer ist als die Ausdehnung entlang der Transportrichtung und/oder wobei der Wellenleiter entlang der Transportrichtung eine Ausdehnung von weniger als 10 Millimeter aufweist, vorzugsweise von weniger als 6 Millimeter aufweist, besonders bevorzugt, von weniger als 5 Millimeter aufweist.
23. Wellenleiter, insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, insbesondere zur Übertragung von Bildinformationen von einem proximalen Ende des Wellenleiters zu einem distalen Ende des Wellenleiters, entlang einer zwischen dem proximalen und dem distalen Ende verlaufenden Transportrichtung, und über einen quer zu der Transportrichtung verlaufenden Querschnitt, wobei die der Wellenleiter umfasst: eine Vielzahl von Strukturelementen, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind, nämlich ein erster Typ mit einem ersten Brechungsindex und ein zweiter Typ mit einem zweiten Brechungsindex, wobei die Strukturelemente sich jeweils entlang der Transportrichtung sowie anteilig über den Querschnitt des Wellenleiters erstrecken, derart, dass im Querschnitt des Wellenleiters eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen und wobei zumindest eines der Strukturelemente im Wellenlängenbereich von 2 mhi bis 20 mhi eine Dämpfung von unter 50 dB/m, insbesondere von unter 10 dB/m, insbesondere von unter 1 dB/m aufweist, insbesondere ein Infrarot-transmissives Material umfasst oder daraus besteht.
24. Wellenleiter gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei zumindest eines der Strukturelemente, insbesondere ein als Grundkörper ausgebildetes Strukturelement, ein Chalkogenid umfasst oder daraus besteht, insbesondere umfassend zumindest ein Element aus der Gruppe Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur, sowie zumindest ein Element aus der Gruppe Arsen, Germanium, Phosphor, Antimon, Blei, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Titan, Natrium.
25. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters (1), insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche umfassend:
Bereitstellen eines Strukturelements eines ersten Typs (10a) mit einem ersten Brechungsindex, in Gestalt eines, insbesondere monolithischen, Grundkörpers mit oder aus einem ersten Medium,
Einbringen einer Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs (10b) mit einem zweiten Brechungsindex, wobei dazu Hohlräume in den Grundkörper eingebracht werden und diese vorzugsweise mit einem zweiten Medium gefüllt werden, wobei die Strukturelemente des zweiten Typs (10b) derart eingebracht werden, dass diese sich jeweils anteilig über den Querschnitt des Wellenleiters (1) erstrecken, derart, dass im Querschnitt des Wellenleiters (1) eine Vielzahl von Querschnittsregionen (20) definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements des zweiten Typs (10b) entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente des zweiten Typs (10b) derart eingebracht werden, dass die Querschnittsregionen (20) der Strukturelemente des zweiten Typs (10b) eine ungleichmäßige, insbesondere aperiodische, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegte, Anordnung aufweisen und/oder ungleichmäßige, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegte Geometrien, beispielsweise Durchmesser, aufweisen.
26. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die Regel der eindeutigen Festlegung, insbesondere der Anordnung und/oder der Geometrien der Querschnittsregionen umfasst:
Angabe einer Kenngröße für jedes der Strukturelemente des zweiten Typs, insbesondere zur Definition der Position und/oder der Fläche der Querschnittsregion des jeweiligen Strukturelements, gemäß einer deterministischen Vorschrift.
27. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Regel der eindeutigen Festlegung, insbesondere die deterministische Vorschrift zur Angabe der Kenngrößen, eine, insbesondere mathematische, Folge von feststehenden Werten umfasst, wobei die Folge von Werten vorzugsweise als eine Folge mit niedriger Diskrepanz (Low Discrepancy Series) ausgebildet ist, und/oder wobei die Folge von Werten vorzugsweise als eine deterministische Folge, bspw. als eine Halton-Folge, als eine Sobol-Folge, als eine Niederreiter-Folge, als eine Hammersley-Folge, als eine Faure-Folge oder als eine Kombination aus mehreren Folgen ausgebildet ist.
28. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Regel der eindeutigen Festlegung, insbesondere die deterministische Vorschrift zur Angabe der Kenngrößen, umfasst:
Heranziehen eines bestimmten Wertes einer deterministischen Folge zur Angabe einer Kenngröße für ein bestimmtes Strukturelement,
Heranziehen eines weiteren Wertes der deterministischen Folge zur Angabe einer Kenngröße für ein weiteres Strukturelement,
Prüfen, ob der Wert oder die Kenngröße für das weitere Strukturelement, insbesondere in Anbetracht des Wertes oder der Kenngröße für das bestimmte Strukturelement, eine definierte Bedingung verletzt, und wenn die definierte Bedingung verletzt ist:
Verwerfen des weiteren Wertes und Heranziehen eines nochmals weiteren Wertes der deterministischen Folge zur Angabe einer Kenngröße für das weitere Strukturelement, oder Modifizieren des weiteren Wertes in vordefinierter Weise, derart, dass die definierte Bedingung erfüllt oder nicht mehr verletzt ist.
29. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die definierte Bedingung als eine festgelegte Mindestdifferenz der Werte oder Kenngrößen ausgebildet ist, insbesondere als ein festgelegter Mindestabstand zwischen Positionen der Querschnittsflächen der Strukturelemente.
30. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verteilung der Flächeninhalte der Voronoi-Flächen zu den Positionen, insbesondere zu den Mittelpunkten, der Querschnittsflächen der Strukturelemente zumindest eines Typs zumindest eine folgender Bedingungen erfüllt:
(1 ) Varianz Vd der Verteilung ist kleiner als die Varianz Vz einer entsprechenden Verteilung für zufällige Positionen der Querschnittsflächen, wobei das Verhältnis VzA/d vorzugsweise zwischen 0 und 10 liegt, insbesondere größer als 1 ist, bevorzugt größer 2 ist, meist bevorzugt größer als 2,5 ist und/oder kleiner als 8 ist, bevorzugt kleiner als 7 ist, meist bevorzugt kleiner als 6,5 ist und/oder
(2) Varianz Vd der Verteilung ist kleiner als 0,38/N2 033, wobei N die Anzahl der Strukturelemente des zumindest einen Typs bezeichnet und/oder
(3) Varianz Vd der Verteilung ist größer als die Varianz VP einer entsprechenden Verteilung für periodische Positionen der Querschnittsflächen, wobei die Varianz Vd vorzugsweise größer als 0 ist, insbesondere größer als 10-10 ist, bevorzugt größer als 10- 9 ist, meist bevorzugt größer als 108 ist.
31. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hohlräume in den Grundkörper als filamentförmige Kanäle eingebracht werden, insbesondere mit einem Laserstrahl eines Ultrakurzpulslasers, und wobei die filamentförmigen Kanäle in dem Grundkörper vorzugsweise chemisch nachbearbeitet werden, insbesondere durch Ätzen, insbesondere um die Konturen der Kanäle zu glätten, insbesondere bevor die filamentförmige Kanäle mit einem zweiten Medium gefüllt werden.
32. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hohlräume in einem Abstand zueinander in den Grundkörper eingebracht werden, welcher größer ist als der Durchmesser der Hohlräume, vorzugsweise zweimal größer ist als der Durchmesser der Hohlräume, besonders bevorzugt dreimal größer ist als der Durchmesser der Hohlräume.
33. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hohlräume in dem Grundkörper durch additiven Aufbau des Grundkörpers hergestellt werden und/oder subtraktiv in den Grundkörper eingebracht werden, insbesondere durch mechanisches Bohren.
34. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper als Medium eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst oder daraus besteht: Glas, Quarzglas, Polymer, Kristalle, Einkristalle, polykristalline Materialien, Glaskeramik und/oder wobei der Grundkörper als Medium ein Material umfasst oder daraus besteht, welches im Wellenlängenbereich von 2 mhi bis 20 mhi eine Dämpfung von unter 50 dB/m, insbesondere von unter 10 dB/m, insbesondere von unter 1 dB/m aufweist, insbesondere ein Infrarot-transmissives Material umfasst oder daraus besteht, insbesondere ein Chalkogenid, insbesondere umfassend zumindest ein Element aus der Gruppe Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur, sowie zumindest ein Element aus der Gruppe Arsen, Germanium, Phosphor, Antimon, Blei, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Titan, Natrium, und/oder wobei zumindest ein Strukturelement des zweiten Typs, als Medium eines oder mehrere der vorstehend für den Grundkörper des ersten Typs genannten Materialien umfasst oder daraus besteht, insbesondere solche, welche das Strukturelement des ersten Typs nicht umfasst.
35. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters, insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Wellenleiter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24 und ein oder mehrere weitere Wellenleiter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24 mit parallel zueinander verlaufenden Transportrichtungen zusammengestellt werden, um eine Preform (30) zu bilden, und wobei die zusammengestellten Wellenleiter gemeinsam entlang der Transportrichtung in die Länge gezogen werden.
36. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die in die Länge gezogenen zusammengestellten Wellenleiter quer zur Transportrichtung in Teilstücke zerlegt werden, und wobei die Teilstücke wiederum mit parallel zueinander verlaufenden Transportrichtungen zusammengestellt werden, um eine Preform (40) zu bilden, und wobei die zusammengestellten Teilstücke wiederum gemeinsam entlang der Transportrichtung in die Länge gezogen werden.
37. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wellenleiter und/oder die Teilstücke jeweils derart zusammengestellt werden, dass die Anordnung der Zusammenstellung eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, und/oder wobei die Wellenleiter und/oder die Teilstücke jeweils derart zusammengestellt werden, um eine Preform zu bilden, dass die durch die Querschnittsbereiche der zweiten Strukturelemente im Querschnitt gebildete Struktur auf, insbesondere vordefinierte Weise, zueinander gedreht sind, insbesondere unverdreht zueinander sind und/oder wobei die Wellenleiter und/oder die Teilstücke jeweils automatisiert, insbesondere robotergestützt zusammengestellt werden.
38. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die in die Länge gezogenen zusammengestellten Wellenleiter und/oder die die in die Länge gezogenen zusammengestellten Teilstücke durch Beaufschlagung mit Hitze und/oder Druck, sowie insbesondere unter Vakuum, verschmolzen werden.
39. Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwei oder mehr Wellenleiter hergestellt werden, welche gleichartig ausgebildet sind, derart, dass die Querschnittsregionen der Strukturelemente des zweiten Typs jeweils die gleiche ungleichmäßige, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegte, Anordnung aufweisen und/oder die gleichen ungleichmäßigen, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegten Geometrien, beispielsweise Durchmesser, aufweisen.
40. Wellenleiter, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24, hergestellt oder herstellbar mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 39.
41. Satz mit zwei oder mehr Wellenleitern, jeweils insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24, insbesondere hergestellt oder herstellbar mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 39, wobei die Wellenleiter jeweils eine Vielzahl von Strukturelementen umfassen, wobei die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, ungleichmäßig, aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet sind, und wobei die zwei oder mehr Wellenleiter gleichartig ausgebildet sind, derart, dass die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, in gleicher Weise ungleichmäßig ausgebildet sind.
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