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Dokumentenidentifikation DE60219980T2 10.01.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001241493
Titel Photonische optische Faser mit grosser effektiver Fläche
Anmelder Alcatel Lucent, Paris, FR
Erfinder Bayart, Dominique, 92140 Clamart, FR;
Berthelot, Laurent, 91400 Orsay, FR
Vertreter Patentanwälte U. Knecht und Kollegen, 70435 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 60219980
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 11.03.2002
EP-Aktenzeichen 022906044
EP-Offenlegungsdatum 18.09.2002
EP date of grant 09.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.01.2008
IPC-Hauptklasse G02B 6/02(2006.01)A, F, I, 20060822, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G02B 6/036(2006.01)A, L, I, 20060822, B, H, EP   H01S 3/067(2006.01)A, L, I, 20060822, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Übertragungen durch eine optische Faser und im Besonderen photonische optische Fasern.

Bei optischen Fasern wird das Indexprofil im Allgemeinen in Abhängigkeit vom Verlauf des Graphen der Funktion eingestuft, der den Radius der Faser mit dem Brechungsindex in Beziehung setzt. Klassischerweise wird auf den Abszissen die Entfernung r zum Mittelpunkt der Faser und auf den Ordinaten die Differenz zwischen dem Brechungsindex der Hülle und dem Brechungsindex der Faser dargestellt. Man spricht somit von einem "stufenförmigen", "trapezförmigen" oder "dreieckigen" Indexprofil bei Graphen, die jeweils die Form einer Stufe, eines Trapezes bzw. eines Dreiecks aufweisen. Diese Kurven sind im Allgemeinen für das theoretische oder Sollprofil der Faser repräsentativ, wobei die Sachzwänge bei der Herstellung der Faser zu einem erheblich abweichenden Profil führen können. Die Veränderungen des Index je nach Profil ermöglichen, die Ausbreitung des Lichts entlang der Faser zu kontrollieren.

In jüngster Zeit sind so genannte "photonische" Fasern aufgetaucht, die auf Englisch auch als "photonic crystal fibres" (PFC) bezeichnet werden: Diese Fasern bestehen nicht wie die klassischen Fasern vollständig aus einem festen transparenten Werkstoff wie dotiertes Silizium; im Querschnitt weist eine photonische Faser eine Vielzahl von Luftlöchern auf. Diese Löcher liegen parallel zur Achse der Faser und verlaufen in Längsrichtung entlang der Faser. In der praktischen Ausführung können diese Löcher erzielt werden, indem die Vorform durch Zusammenfügen von Kapillarrohren oder Zylindern aus Silizium hergestellt wird, wobei das Muster der Löcher, die die Faser aufweisen soll, eingehalten wird. Das Ziehen einer solchen Vorform liefert eine Faser mit Löchern, die den Kapillarrohren entsprechen.

Das Vorhandensein dieser Löcher im Werkstoff der Faser erzeugt Veränderungen des mittleren [Brechungs-] Indexes des Werkstoffs; diese Indexveränderungen können, wie in einer klassischen optischen Faser, zum Leiten von Lichtsignalen mit geeigneten Wellenlängen genutzt werden. Eine Beschreibung derartiger optischer Fasern wird in US 5802236 und in WO-A-00 49 435 geliefert; dieses letztgenannte Dokument beschreibt außer dem Funktionsprinzip der photonischen Fasern ein Verfahren, welches die Zusammenstellung solcher Fasern ermöglicht. Im geraden Querschnitt verwenden die in diesem Dokument vorgeschlagenen Lochmuster eine dreieckige Lochmatrix, das heißt, dass die möglichen Löcher Linien in drei Richtungen bilden, die zueinander in einem Winkel von 60° stehen. Das Weglassen bestimmter Löcher in der Matrix ermöglich es, das Licht zu leiten; insbesondere wird in einer Ausführungsform das Loch in der Mitte der Faser weggelassen, sodass die Faser im Querschnitt aus einem massiven Kern besteht, der von entsprechend der dreieckigen Matrix gebildeten Löchern umgeben ist. In der zweiten Ausführungsform sind in der Mitte der Faser sieben Löcher vorgesehen, welche die Eckpunkte und den Mittelpunkt eines regelmäßigen Sechsecks bilden; um dieses zentrale Sechseck herum sind die Löcher über den Eckpunkten der Sechsecke angeordnet, die eine "Pflasterung" des Faserquerschnitts bilden; allerdings ist ein Loch im Mittelpunkt der Sechsecke nur im zentralen Sechseck vorgesehen. Dieses Dokument schlägt auch noch vor, Löcher von unterschiedlichem Durchmesser zu verwenden, wobei die Symmetrie der Faser durch Rotation um einen Winkel von 60° um ihren Mittelpunkt durchbrochen wird; dies hat zum Ziel, die Doppelbrechung der Faser zu verändern.

R.F. Cregan und andere, Distribution of Spontaneous Emission from an Er3-Doped Photonic Crystal Fiber, Journal of Lightwave Technology, Band 17, Nr. 11, November 1999, untersucht die spontane Emission in einer photonischen Faser. Die Luftlöcher sind entsprechend einer dreieckigen Matrix verteilt, wobei die Faser eine sechseckige Form aufweist; im Mittelpunkt des Sechsecks weist die Faser kein Loch auf, und das Silizium ist erbiumdotiert. Dieses Dokument untersucht die räumliche Verteilung der spontanen Emission während des axialen Pumpens der Faser; es zeigt, dass die Verteilung von der Anordnung der Löcher in der Faser abhängt, was mit der Simulation übereinstimmt. Auf die Nutzung der dotierten Faser wird in keiner Weise Bezug genommen.

Thomas Sondergaard, Photonic Crystal Distributed Feedback Fiber Lasers with Bragg Gratings, Journal of Lightwave Technology, Band 18, Nr. 4, April 2004, diskutiert die Verwendung photonischer Fasern zur Herstellung von Faserlasern; er führt aus, dass die Modenflächen für das Signal oder für die Pumpe kleiner oder größer sein können als die entsprechenden Modenflächen von klassischen Fasern mit Indexsprung. Die Verwendung von photonischen Fasern ermöglicht folglich die Herstellung von Faserlasern mit niedriger Pumpschwelle – im Fall von schwachen Modenflächen – oder die Herstellung von Lasern mit hoher Leistung – im Fall von starken Modenflächen. Dieses Dokument verweist nur auf digitale Simulationen ohne jede praktische Ausführung.

W.J. Wadsworth und andere, Yb3+ doped photonic crystal fibre laser, Electronics Letters, Band 36, Nr. 17, August 2000, weist experimentell einen Lasereffekt in einer photonischen Faser nach; die Faser wird aufgebaut, indem ein mit Yb dotiertes und mit Al co-dotiertes Siliziumrohr mit Kapillaren aus reinem Silizium umgeben wird; die Gesamtanordnung wird anschließend in die Länge gezogen, um eine Faser zu bilden, um die herum eine Hülse aus reinem Silizium angeordnet wird. Zwei Reihen von Löchern umgeben den dotierten Kern, und das Licht wird stark im dotierten Kern der Faser eingeschlossen.

EP-A-1 043 816 beschreibt eine Faser mit doppelter Hülle; das Signal wird im dotierten Kern der Faser übertragen, und eine Pumpe wird in die erste Hülle eingefügt. Um das Licht der Pumpe zum dotierten Kern zu leiten, wird vorgeschlagen, in der ersten Hülle Bereiche mit modifiziertem Index vorzusehen. Diese Bereiche mit modifiziertem Index können insbesondere aus Luftlöchern bestehen. In einer Ausführungsform sind drei Bereiche mit modifiziertem Index vorgesehen, die über die Peripherie der ersten Hülle verteilt sind. In einer anderen Ausführungsform sind sechs Bereiche mit modifiziertem Index vorgesehen, die die Eckpunkte und die Mittelpunkte der Seiten eines gleichseitigen Dreiecks bilden. Es wird vorgeschlagen, dass die Bereiche mit modifiziertem Index so weit wie möglich vom Kern der Faser entfernt angeordnet werden sollten, um eine Veränderung der Polarisation im Kern der Faser zu vermeiden.

Das Problem der Erfindung besteht in der Verteilung der Löcher in einer photonischen Faser, um die effektive Fläche zu verbessern. Die Erfindung schlägt in einer Ausführungsform eine Verteilung der Löcher einer photonischen Faser vor, die es ermöglicht, eine starke effektive Fläche zu erzielen; sie schlägt in einer anderen Ausführungsform eine Faser mit doppelter Hülle vor, in welcher Löcher vorgesehen sind, die die Überlappung zwischen dem Signal und der Pumpe verbessern.

Genauer gesagt, schlägt die Erfindung eine photonische optische Faser vor, die eine Vielzahl von über die Punkte einer regelmäßigen Matrix verteilten Löchern aufweist; in dieser Faser

  • – sind die Löcher der Faser auf mindestens zwei konzentrischen Schichten von Punkten der Matrix angeordnet, die auf den Mittelpunkt der Faser zentriert sind;
  • – weisen die auf einer Schicht angeordneten Löcher der Faser jeweils dieselbe Abmessung auf und belegen sämtliche Punkte der Schicht;
  • – weisen die auf mindestens einer Schicht angeordneten Löcher der Faser eine andere Abmessung auf als die Abmessung der Löcher der Faser, die auf mindestens einer anderen Schicht angeordnet sind;
wobei die Faser mindestens eine konzentrische Schicht von Punkten der Matrix ohne Löcher aufweist, die zwischen zwei konzentrischen Schichten liegt, welche Löcher umfassen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Matrix eine dreieckige Matrix, und die Schichten weisen eine sechseckige Form auf.

Man kann auch vorsehen, dass die auf einer Schicht angeordneten Löcher der Faser eine größere oder gleiche Abmessung aufweisen als die Abmessung der Löcher der Faser, die auf einer anderen, in ihrem Inneren liegenden Schicht angeordnet sind.

Vorzugsweise ist die Faser so angeordnet, dass sie eine effektive Fläche größer oder gleich 150 &mgr;m2 aufweist. Die Erfindung schlägt auch ein Übertragungssystem vor, welches als Leitungsfaser eine solche Faser aufweist; sie schlägt auch einen optischen Verstärker vor, der einen Abschnitt dieser Faser umfasst, wobei diese Faser mit mindestens einem Seltene-Erden-Ion dotiert ist. Sie betrifft schließlich einen Faserlaser, der einen Abschnitt einer solchen Faser umfasst.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der Lektüre der nachfolgenden Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich werden, die als Beispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben werden, auf denen

1 eine schematische Darstellung des Querschnitts einer photonischen optischen Faser nach einer Ausführungsform der Erfindung ist;

2 eine Darstellung des Soll-Indexprofils der Faser von 1 ist;

3 eine Darstellung der Signalstärke auf einem Radius der Faser von 1 ist.

Die Erfindung schlägt in einer photonischen Faser eine Verteilung der Löcher in der Lochmatrix nach einem Muster vor, das so weit wie möglich die Symmetrie der Faser um ihre Längsachse erhält. Sie schlägt dagegen vor, dass die Verteilung in einer radialen Richtung unregelmäßig ist: Zum Bespiel ist es möglich, bestimmte Löcher wegzulassen oder auch deren Durchmesser zu verringern.

Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird der Begriff "Matrix" verwendet, um sämtliche möglichen Orte der Löcher in der photonischen Faser zu bezeichnen; insofern, als die Vorform der Faser durch Zusammenfügen von Kapillarrohren und Vollzylindern gebildet wird, ist diese "Matrix" durch die Anordnung der Rohre und der Zylinder in der Vorform definiert. In den weiter oben erwähnten Beispielen des Stands der Technik ist die Matrix dreieckig: Die Rohre und Zylinder sind in Reihen angeordnet, wobei zwei benachbarte Reihen um einen Abstand verschoben sind, der dem Abstand zwischen zwei benachbarten Rohren oder Zylindern in der Reihe entspricht. Andere Matrixformen sind möglich – zum Beispiel eine quadratische Matrix. In allen Fällen wird die Matrix von einer Menge von Punkten gebildet, an denen es gegebenenfalls möglich ist, ein Loch vorzusehen.

Als "Schicht" wird eine Untermenge der Punktmatrix bezeichnet, die im Querschnitt so weit wie möglich eine Rotationssymmetrie um den Mittelpunkt der Faser beachtet. Aufeinander folgende Schichten sind konzentrisch, mit dem Mittelpunkt der Faser als gemeinsamem Mittelpunkt. In dem Beispiel einer dreieckigen Matrix wird eine Schicht typischerweise von einer Menge von Löchern gebildet, die an den Eckpunkten und gegebenenfalls den Seiten eines Sechsecks angeordnet sind; die erste Schicht weist sechs Punkte auf, die an den Eckpunkten eines Sechsecks angeordnet sind, dessen Mittelpunkt der Mittelpunkt der Faser ist; in dem Beispiel der Figur sind Löcher für sämtliche Punkte dieser Schicht vorgesehen. Die zweite Schicht wird von zwölf Punkten gebildet, die an den Eckpunkten und den Seitenmittelpunkten eines regelmäßigen Sechsecks angeordnet sind; die Länge einer Seite dieses Sechsecks ist gleich zwei Mal der Seitenlänge des Sechsecks, welches die erste Schicht bildet; in dem Beispiel von 1 sind Löcher auch für sämtliche Punkte dieser Schicht vorgesehen. Die dritte Schicht wird von vierundzwanzig Punkten gebildet, die an den Eckpunkten eines Sechsecks und an einem Drittel und zwei Dritteln jeder Seite angeordnet sind; in dem Beispiel von 1 gibt es keine Löcher auf der dritten Schicht. Man kann auf dieselbe Weise die folgenden Schichten definieren. In diesem Beispiel ist jede Schicht bei Drehung um einen Winkel von 60° um den Mittelpunkt der Faser invariant; jede Schicht stellt folglich eine Näherung eines Kreises dar, wobei die möglichen Punkte der Matrix verwendet werden. Diese Definition einer "Schicht" kann auf andere Matrixtypen verallgemeinert werden. So könnte bei einer quadratischen Matrix eine Schicht aus einer Menge von Punkten gebildet werden, die auf den Kanten eines Quadrats oder eines Achtecks angeordnet sind; eine Schicht wäre dann bei Drehung um einen Winkel von 90° um den Mittelpunkt der Faser invariant. Das weiter oben zitierte Dokument von W.J. Wadsworth und anderen stellt zwei "Perioden" von Löchern vor, die den Mittelpunkt der Faser umgeben; jede "Periode" ist kreisförmig.

1 zeigt eine schematische Darstellung des Querschnitts einer Photonischen optischen Faser nach einer Ausführungsform der Erfindung; in dem Beispiel von 1 ist die Matrix dreieckig, mit einem Abstand von 5 &mgr;m zwischen den Punkten der Matrix; jede Schicht bildet ein regelmäßiges Sechseck, wie weiter oben erklärt. Der Mittelpunkt der Faser weist kein Loch auf; die erste, zweite und vierte Schicht weisen Löcher mit einem Durchmesser von 0,5 &mgr;m auf. Die dritte Schicht weist keine Löcher auf; die fünfte Schicht weist Löcher mit einem Durchmesser von 1,5 &mgr;m auf, und die sechste Schicht Löcher mit einem Durchmesser von 2,0 &mgr;m. Auf einem Radius, der durch die Eckpunkte der Sechsecke verläuft, welche die verschiedenen Schichten bilden, findet man folglich, ausgehend vom Mittelpunkt:

  • – Löcher mit einem Durchmesser von 0,5 &mgr;m in Abständen von 5, 10 und 20 &mgr;m;
  • – ein Loch mit einem Durchmesser von 1,5 &mgr;m in einem Abstand von 25 &mgr;m; und
  • – ein Loch mit einem Durchmesser von 2,0 &mgr;m in einem Abstand von 30 &mgr;m.

Die Schichten der Faser in der Figur sind konzentrisch; wenn eine Schicht Löcher aufweist, belegen diese Löcher sämtliche Punkte der Schicht: In dem Beispiel umfasst die erste Schicht sechs Löcher, das heißt, alle möglichen Löcher der ersten Schicht.

2 zeigt ein Indexprofil der Faser auf einem Radius der Faser, der durch einen Eckpunkt des von den Löchern gebildeten Sechsecks verläuft. Auf der Ordinate erscheint der Index, auf der Abszisse der Abstand zum Mittelpunkt der Faser. In dem Beispiel der Figur wäre die Faser, wenn keine Löcher vorhanden sind, eine einfache Faser mit Indexsprung: Der Werkstoff, aus dem die Faser besteht, weist folglich einen konstanten Index auf, der einen ersten Wert in der Nähe von 1,46 für Radien unter 33 &mgr;m besitzt, und einen Index mit einem Wert in der Nähe von 1,44 jenseits davon, d.h., in der Hülle. Wenn keine Löcher vorhanden sind, würde ein solches Profil zu einer Faser führen, die keine Einmodenfaser wäre. Die Faser aus dem Beispiel ist aufgrund der Löcher bei allen Wellenlängen eine Einmodenfaser.

3 zeigt eine Darstellung der Signalstärke auf einem Radius der Faser von 1. Auf der Ordinate wurde die genormte Stärke des in die Faser eingespeisten Signals aufgetragen und auf der Abszisse der Abstand zum Mittelpunkt der Faser in &mgr;m. Als dünner Strich ist das Schema des Indexprofils der Faser dargestellt. Die Figur zeigt, dass die Löcher die Wirkung haben, "Barrieren" für das Feld aufzubauen. Genauer gesagt, hat das Profil die Tendenz, sich in die Teile der Faser auszubreiten, in denen das Verhältnis zwischen der Fläche der Löcher und der Siliziumfläche (Faktor für die Füllung mit den Löchern) am geringsten ist; man stellt daher in 3 einen Einschnitt in der Signalstärke in der Umgebung der Löcher mit 5 und 10 &mgr;m fest; dagegen führt das Fehlen der Löcher in der dritten Reihe zu einem lokalen Maximum der Signalstärke in der Umgebung eines Radius von 12 &mgr;m. Die Löcher der vierten, fünften und sechsten Reihe haben dieselbe Wirkung, die in der Figur durch den geringen relativen Wert der Signalstärke verdeckt ist.

Die Faser von 1 weist eine effektive Fläche von 991 &mgr;m2 auf. Sie weist außerdem eine chromatische Dispersion von 21,2 ps/nm/km mit einer Steigung von 0,071 ps/nm2/km auf.

Allgemeiner ausgedrückt, kann die Faser wie folgt definiert werden:

  • – Die Löcher der Faser sind auf mindestens zwei konzentrischen Schichten von Punkten der auf den Mittelpunkt der Faser zentrierten Punktmatrix angeordnet;
  • – Die auf einer Schicht angeordneten Löcher der Faser weisen dieselbe Abmessung auf und belegen sämtliche Punkte der Schicht;
  • – Die auf mindestens einer Schicht angeordneten Löcher der Faser weisen eine andere Abmessung auf als die Abmessung der Löcher der Faser, die auf mindestens einer anderen Schicht angeordnet sind.

Gemäß der Erfindung weist die Faser mindestens eine Schicht ohne Löcher auf; diese Schicht hat die Wirkung, dass sich das Feld in der Faser ausbreiten kann und so die effektive Fläche vergrößert wird.

Anders ausgedrückt, weisen die Löcher der Faser so weit wie möglich eine radiale Symmetrie auf, wobei die durch die Punktmatrix auferlegten geometrischen Sachzwänge berücksichtigt werden. Wenn man einem Radius der Faser folgt, können die Löcher jedoch veränderliche Abmessungen aufweisen.

Man kann vorgeben, dass die Löcher in radialer Richtung ansteigende Abmessungen aufweisen sollen: Anders ausgedrückt, sind die Löcher einer Schicht von einer größeren Abmessung als die Löcher, die auf einer Schicht weiter innen angeordnet sind; dies ist bei der Faser von 1 der Fall, da die Löcher der fünften Reihe eine größere Abmessung besitzen als die Löcher der Reihen erster, zweiter und vierter Ordnung; außerdem besitzen die Löcher der sechsten Reihe eine größere Abmessung als die Löcher der Reihen erster, zweiter, vierter und fünfter Ordnung. Diese radiale Vergrößerung der Abmessungen der Löcher ermöglicht, den Effekt des Einschlusses des Lichts im Innern der Faser zu verbessern; in qualitativer Hinsicht entsprechen nämlich Löcher von größerer Abmessung einer stärkeren Absenkung des mittleren Index, und man kann davon ausgehen, dass eine Lochschicht eine Art Indexsprung bildet, wobei die Änderung des Index umso größer ist, je stärker sich die Abmessung der Löcher ändert.

Diese charakteristischen Unterschiede ermöglichen, eine Faser mit einer effektiven Fläche größer oder gleich 150 &mgr;m2 zu erzielen. Die Faser ist bei allen Wellenlängen eine Einmodenfaser.

Diese Merkmale können sowohl mit einer Dotierung des Siliziums als auch ohne Dotierung des Siliziums umgesetzt werden. Die Dotierung kann Indexveränderungen bewirken oder sie kann eine Dotierung mit seltenen Erden für die Verstärkung sein.

Die Faser kann als Leitungsfaser in einem auf optischen Fasern basierenden Übertragungssystem eingesetzt werden; sie kann auch als Bauteil in einem Faserlaser oder in einem Faserverstärker genutzt werden; dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sie eine geeignete Dotierung aufweist. Im Fall eines Verstärkers wird eine Dotierung mit mindestens einem Seltene-Erden-Ion verwendet, das eine Ordnungszahl zwischen 57 und 71 aufweist. Man kann insbesondere Erbium, Ytterbium, Germanium oder die anderen Elemente verwenden, die als solche für ihren Einsatz in optischen Verstärkern allgemein bekannt sind. Die starke effektive Fläche der Faser ist für derartige Anwendungen besonders vorteilhaft.


Anspruch[de]
Photonische optische Faser, aufweisend eine Vielzahl von über die Punkte einer regelmäßigen Matrix verteilten Löchern, wobei

– die Löcher der Faser auf mindestens zwei konzentrischen Schichten von Punkten der Matrix angeordnet sind, die auf den Mittelpunkt der Faser zentriert sind;

– die auf einer Schicht angeordneten Löcher der Faser jeweils dieselbe Abmessung aufweisen und sämtliche Punkte der Schicht belegen;

– die auf mindestens einer Schicht angeordneten Löcher der Faser eine andere Abmessung aufweisen als die Abmessung der Löcher der Faser, die auf mindestens einer anderen Schicht angeordnet sind; wobei

die Faser mindestens eine konzentrische Schicht von Punkten der Matrix ohne Löcher aufweist, die zwischen zwei konzentrischen Schichten liegt, welche Löcher umfassen.
Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix eine dreieckige Matrix ist und die Schichten eine sechseckige Form aufweisen. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf mindestens einer Schicht angeordneten Löcher der Faser eine größere oder gleiche Abmessung aufweisen wie die Abmessung der Löcher der Faser, die auf mindestens einer anderen, in ihrem Inneren liegenden Schicht angeordnet sind. Faser nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie so angeordnet ist, dass sie eine effektive Fläche größer oder gleich 150 &mgr;m2 aufweist. Übertragungssystem, aufweisend als Leitungsfaser eine Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 4. Optischer Verstärker, umfassend einen Abschnitt mit einer Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Faser mit mindestens einem Seltene-Erden-Ion dotiert ist. Faserlaser, umfassend einen Abschnitt mit einer Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 4.






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