Photonische Kristallfasern

Hohe Leistungsgrenze für Nichtlinearitäten in der Faser
Hohe Spitzenleistung in geführter Mode vor Erreichen der Materialzerstörschwelle
Füllen des Kern oder Mantels mit Flüssigkeiten oder Gasen möglich
Geringe Fresnel-Reflexion an den Faserendflächen
Breites Spektrum an Dispersionswerten möglich: Von stark negativ bis stark positiv
Die Fasern sind praktisch unempfindlich gegenüber Krümmungen, auch bei mehreren Windungen um Spulen mit einem Durchmesser von weniger als 1 Zentimeter

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Overview
Specifications
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Abb. 1 – Überblick über die verschiedenen Klassen photonischer Kristallfasern

Indexgeführte photonische Kristallfasern

PCF mit großem Modenfelddurchmesser (F-SM Serie)

Die photonischen Kristallfasern der F-SM Serie sind undotierte Quarzglas-Fasern, bei denen die Hohlräume im Mantel im Dreieck angeordnet sind. Da der Indexkontrast zwischen dem Kern und dem Mantel Δn nur durch die Geometrie der Hohlräume bestimmt wird, ist es möglich, Fasern mit sehr kleinem und präzisem Δn herzustellen und somit sehr kleine numerische Aperturen und sehr große Modenfelddurchmesser zu erhalten. Darüber hinaus verhält sich dieser Fasertyp über einen weiten Wellenlängenbereich wie eine Einmodenfaser - mit einem praktisch konstanten Modenfelddurchmesser (MFD). Bei kurzen Wellenlängen wird der Einsatz der Fasern durch Makrokrümmungsverluste beschränkt, was den praktikablen Wellenlängenbereich der Anwendung festlegt. Die F-SM Serie wurde optimiert, um einen möglichst großen MFD ohne hohe Makrokrümmungsverluste für typische Krümmungsradii von über 16 cm zu erhalten. Messkurven sind weiter unten im Abschnitt Technische Daten aufgeführt.

Anwendungen

Die photonischen Kristallfasern der F-SM Serie werden typischerweise für Aufgaben der Einmodenübertragung hoher Leistungen ohne nichtlineare Effekte verwendet. Weiterhin eignen sie sich optimal für Anwendungen, bei denen eine Einmodenführung in einem sehr breiten Wellenlängenbereich benötigt wird, z. B. in Sensoren, Spektroskopie, Interferometrie und RGB Anzeigen.

Freistrahlkopplung und Handhabung

Das Ein- und Auskoppeln von Licht ist bei F-SM Fasern so einfach wie bei Standard-LWL. Bei einem Freistrahlaufbau müssen die Optiken mit der numerischen Apertur der Faser übereinstimmen und beugungsbegrenzt sein, um eine Kopplung mit geringen Verlusten zu gewährleisten. Da der MFD praktisch konstant ist, ist die numerische Apertur proportional zur Wellenlänge. Dieses ist beim Design der Einkoppeloptiken für einen breiten Wellenlängenbereich zu berücksichtigen. Die Fasern der F-SM Serie lassen sich mit Standardfasern spleißen (kundenspezifische Anfertigung) und so einfach in vorhandene Systeme oder Instrumente integrieren. Zusätzlich sind optionale FC-Stecker zur Strahlaufweitung und Handhabung hoher Leistungen erhältlich.

Nichtlineare PCF (F-NL Serie)

Nichtlineare photonische Kristallfasern sind indexgeführte Lichtwellenleiter (siehe Abb. 1). Sie besitzen einen kleinen Kern, um einen hohen nichtlinearen Koeffizienten zu erzielen. Der mikrostrukturierte, mit Hohlräumen versehene Schutzmantel der nichtlinearen photonischen Kristallfasern bietet im Vergleich zu konventionellen Stufen-Indexfasern mehrere Vorteile. Der große Indexsprung zwischen dem Kern aus Quarzglas und der mit Hohlräumen gefüllten Mikrostruktur führt dazu, dass die Faser nur ein schmales Modenfeld und somit einen hohen nichtlinearen Koeffizienten besitzt. Durch die Hohlräume sind diese Fasern stark wellenlängenabhängig und können eine starke Wellenleiterdispersion aufweisen. Mit der Wellenleiterdispersion lässt sich die Materialdispersion in der Faser verstärken oder auslöschen. Photonische Kristallfasern verfügen dadurch über eine höhere Flexibilität im Dispersionsprofil als herkömmliche Fasern. Durch das Design der Mikrostruktur (Größe der Hohlräume, Steigung, Struktur der Hohlräume) lässt sich die Wellenleiterdispersion beliebig modulieren. So ist es möglich, Fasern herzustellen, die über einen Nulldurchgang der Dispersion im sichtbaren Wellenlängenbereich oder eine sehr geringe Dispersion nahe Null über einen großen Wellenlängenbereich verfügen. Durch die sorgfältige Wahl des Dispersionsprofils lassen sich Fasern speziell für verschiedene nichtlineare Prozesse herstellen.
Newports nichtlineare Fasern der F-NL Serie verfügen über relativ kleine Hohlräume, sodass sie sich bei der Betriebswellenlänge wie eine Einmodenfaser verhalten. Sie besitzen mehrere Vorteile im Vergleich zu nichtlinearen Mehrmodenfasern mit großen Hohlräumen. Aufgrund der kleineren Hohlräume lassen sie sich einfacher mit massiven Standardfasern spleißen. Die Ausrichtung und Fokussierung bei der Freistrahlkopplung ist wesentlich leichter, da das auf den Mantel fokussierte Licht nicht eingekoppelt wird, was bei Mänteln mit großen Hohlr umen durchaus möglich ist, wo das Licht in den Quarzglasbereichen zwischen den großen Hohlräumen geführt wird. Und nicht zuletzt erfordern zahlreiche Anwendungen einen konsequenten Einmodenbetrieb.

Superkontinuum in PCF

Um ein Supercontinuum schnell und einfach zu erzeugen, bietet es sich an, den in sich geschlossenen SCG-800 Supercontinuum Generator zu verwenden. Der SCG-800 besteht aus einer nichtlinearen Photonischen Kristallfaser, die sich in einem robusten, versiegelten Metallgehäuse mit 25,4 mm Durchmesser befindet. Die Faser braucht lediglich mit einem 800 nm Femtosekunden Laser gepumpt werden, um ein Oktaven umspannendes Ausgangsspektrum zu erzeugen, ohne sich dabei mit der Handhabung und Endflächenpräparation der Faser selbst abgeben zu müssen. Das SCG-800 Datenblatt mit weiteren Informationen steht zum Download bereit.

Photonische Bandlücken Fasern oder Fasern mit Luftführung (F-AIR Serie)

Eine sehr interessante Eigenschaft der photonischen Kristallfasertechnologie besteht darin, dass man Fasern herstellen kann, die Licht in einem mit Luft gefüllten Kern leiten können. Im Gegensatz zu konventionellen indexgeführten Fasern (und unserem breiten Spektrum von indexgeführten PCF) leiten diese Fasern das Licht über den Effekt der Photonischen Bandlücke (PBG). Die periodische Struktur der Lufträume im Mantel der Faser erzeugen eine photonische Bandlücke. Das bedeutet, dass sich Licht mit Frequenzen innerhalb der Bandlücke nicht durch den Mantel, dafür aber im Faserkern fortpflanzen kann. Im Gegensatz zu indexgeführten Fasern gibt es keine Bedingung, dass der Brechungsindex des Kernbereichs größer als der des Mantels sein muss. Ein besonderes Merkmal der Bandlückenführung besteht darin, dass die Faser Licht nur in einem begrenzten Spektralbereich überträgt. Bei Fasern mit einem Übertragungsspektrum um 1550nm herum beträgt eine typische Bandbreite ~200nm. Außerhalb dieses Bereichs ist der Faserkern nicht lichtführend. In Abb. 2 ist ein typisches Übertragungsspektrum dargestellt.

Abb. 2 – Typisches Übertragungsspektrum einer Faser mit Luftführung

PBG-Fasern können extreme Dispersionseigenschaften besitzen, z. B. anomale Dispersionswerte in Tausenden von ps/nm/km. Da das Kernmaterial (Luft) praktisch keinen Einfluss auf die Dispersion hat, wird die Dispersion von PBG-Fasern durch die Dispersion des Wellenleiters bestimmt.

Photonische Kristallfaser Startersätze (F-PCF-KIT-2)

Für diejenigen, die mit mehreren verschiedenen Typen von Photonischen Kristallfasern experimentieren möchten, steht ein Startersatz zur Verfügung. Das neue F-PCF-KIT-2 umfasst insgesamt 22 m von acht verschiedenen Typen von Photonischen Kristallfasern.

Newport will seinen Kunden stets die neuesten Innovationen aus dem Bereich der photonisches Kristallfasern zur Verfügung stellen. Die neuesten Produkte und aktuellsten Spezifikationen finden Sie online auf der Newport-Website (www.newport.com), Rubrik Photonik.

NA & MFD über der Wellenlänge für F-SM8 Faser

Dämpfung über der Wellenlänge für F-SM20 Faser

NA & MFD über der Wellenlänge für F-SM20 Faser

NA & MFD über der Wellenlänge für F-SM25 Faser

Dämpfung über der Wellenlänge für F-NL-PM-750 Faser

Dispersion über der Wellenlänge für F-NL-PM-750 Faser

Technische Daten der F-SM Serie

	F-SM8	F-SM10	F-SM15	F-SM20	F-SM25	F-SM35
Manteldurchmesser (µm)	125 ± 5	125 ± 2	230 ± 5	229,5 ± 5	285 ± 5	283 ± 5
Durchmesser der Beschichtung (µm)	245 ± 10	240 ± 5	405 ± 10	340 ± 10	430 ± 10	426 ± 10
Schutzmantel-Material	Einlagiger Acrylat-Mantel
Kerndurchmesser (µm)	8,5 ± 0,3	10 ± 1	15 ± 0,5	20 ± 0,4	24,5 ± 0,4	35 ± 0,5
Empfohlene minimale Wellenlänge (nm)	260	400	450	700	950	1450
Cut-Off Wellenlänge	Keine
Modenfelddurchmesser (µm)	6,0 ± 1,0	7,5 ± 1,0	11,5 ± 1,5	15,0 ± 1,5	18,5 ± 2,0	26,0 ± 2,5
NA	0,059 ± 0,01 @ 450 nm	0,08 ± 0,01 @ 635 nm 0,09 ± 0,01 @ 780 nm 0,10 ± 0,01 @ 980 nm	0,04 @ 532 nm 0,05 @ 780 nm	0,041 ± 0,01 @ 780 nm 0,055 ± 0,01 @ 1064 nm	0,041 ± 0,01 @ 980 nm 0,045 ± 0,01 @ 1064 nm	0,046 ± 0,01 @ 1550 nm
Abschwächung, maximal (nm)	<11 dB/km @ 635⁽¹⁾	<2 dB/km @ 1550 nm <7 dB/km @ 700-1000 nm	<0,03 dB/m @ 532 nm <0,01 dB/m @ 780⁽²⁾	<7 dB/km @ 780⁽²⁾	<10 dB/km @ 1064⁽²⁾	<10 dB/km @ 1550⁽²⁾
Nulldurchgang der Dispersion (nm)	1155 ± 15	1192 ± 15	1224 ± 10	1243 ± 10	1251 ± 10	1260 ± 10
Spleißverlust (dB)	unbestimmt	<0,8⁽³⁾⁽⁴⁾	<0,6⁽³⁾⁽⁴⁾	<0,8⁽³⁾⁽⁴⁾	unbestimmt	unbestimmt

(1) Gemessen bei einem Krümmungsradius von 8 cm
(2) Gemessen bei einem Krümmungsradius von 16 cm
(3) bei 1550 nm
(4) Wenn mit einer Standard Einmoden Faser gespleißt (auf kundenspezifischer Basis erhältlich)

Technische Daten der polarisationserhaltenden F-SM Serie

	F-SM5-PM	F-SM16-PM	F-SM20-PZ
Manteldurchmesser (µm)	125 ± 3	230 ± 3	340 ± 5
Durchmesser der Beschichtung (µm)	240 ± 10	330 ± 10	566 ± 10
Kerndurchmesser (µm)	4,9 ± 0,5	16,3 ± 0,5	19,7 ± 0,5
Modenfelddurchmesser (µm)	4,2 ± 0,5	13,0 ± 1,0	15,5 ± 1,0
NA @ 470 nm	0,051 ± 0,01	0,051 ± 0,01	0,051 ± 0,01
Abschwächung, maximal (nm)	<0,03 dB/m @ 470	<0,02 dB/m @ 780	<15 dB/km @ 780
Polarisations-Löschungsverhältnis	>30 dB⁽²⁾	>28 dB⁽²⁾	>30 dB⁽²⁾

(1) Vorläufiger Wert, 10 m Faser @ 650 nm
(2) Vorläufiger Wert, 10 m Faser @ 1000 nm

Technische Daten der F-NL Serie

	F-NL-PM-750	F-NL-5/1040
Manteldurchmesser (µm)	120 ± 5	125 ± 1
Kerndurchmesser (µm)	1,8 ± 0,3	4,9 ± 0,1
Nulldurchgang der Dispersion (nm)	750 ± 15 nm 1260 ± 20 nm	1040 ± 10
Abschwächung, maximal (nm)	<50 dB/km @ 800	<2,0 dB/km @ 1040
Cut-Off Wellenlänge (nm)	<650
Modenfelddurchmesser (µm)	1,6 ± 0,3⁽¹⁾	3,2 ± 0,1⁽³⁾
NA	~0,38 ± 0,05 @ 780 nm	unbestimmt
Nichtlinearer Koeffizient (W km)^-1	95⁽¹⁾	10⁽²⁾
Doppelbrechung	>3 x 10^{-4 (1)}	<4 x 10^{-6 (4)}

(1) @ 780 nm
(2) @ 1064 nm
(3) @ 980 nm
(4) @ 1550 nm
(5) Beim Spleißen mit einer Standard-Einmodenfaser (auf kundenspezifischer Basis)

Technische Daten der F-AIR Serie

	F-AIR-6/800	F-AIR-10/1060	F-AIR-11/1550	F-AIR-20/1550
Material	Reines Quarzglas
Manteldurchmesser (µm)	122 ± 5	123	120	115
Durchmesser der Beschichtung (µm)	243 ± 10	220	220	220
Schutzmantel-Material	Einlagiger Acrylat-Mantel
Kerndurchmesser (µm)	6 ± 1	9,7	10,9	20 ± 2
NA	~0,17 @ 780 nm ~0,22 @ 830 nm	-	0,12	0,13 ± 0,03
Abschwächung (nm)	<0,4 dB/m @ 760-800	<0,1 dB/m @ 1060	<0,1 dB/m @ 1550	<0,02 dB/m @ 1570

Data Sheets

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