DE60027731T2

DE60027731T2 - Verfahren zum verstärken von optischen signalen mittels extrembreitbandigen erbium dotierten materialien

Info

Publication number: DE60027731T2
Application number: DE60027731T
Authority: DE
Inventors: J. Michel Palo Alto DIGONNET; Hiroshi Aki-gun NOGUCHI; M. Martin Menlo Park FEJER
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2020-07-29
Also published as: CN1223062C; CN1468458A; AU6751100A; EP1210750A2; JP2003506876A; KR100626246B1; WO2001009992A3; DE60027731D1; US6469825B1; KR20020038708A; WO2001009992A2; CA2380313A1; EP1210750A4; EP1210750B1; CA2380313C

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht das Prioritätsvorrecht gemäß 35 U.S.C. § 119(e) aus der vorläufigen U.S. Patentanmeldung No. 60/146,709, eingereicht am 30. Juli 1999, und aus der vorläufigen U.S. Patentanmeldung No. 60/149806, eingereicht am 18. August 1999.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Verstärker und, spezifischer betrachtet, bezieht sie sich auf das Gebiet der optischen Verstärker, welche eine Länge einer optischen Faser mit einem aktiven Dotiermittel aufweisen, welches als eine Antwortreaktion auf ein Pumplicht fluoresziert.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK AUF DIESEM GEBIET
Mit Erbium dotierte Faserverstärker (EDFAs = Erbium-doped fiber amplifiers) finden in den kommerziellen, optischen Kommunikationssystemen ein breite Anwendung, sowohl als volloptische Verstärker als auch als Vorverstärker. Die Signale, welche die kodierten Informationen tragen, werden durch den Faserverlust stark gedämpft, nachdem sie über weite Wegstrecken (typischerweise einige Zehner an Kilometern) durch die Kommunikationsfaser hindurch zurückgelegt haben, und die Rolle eines mit Erbium dotierten Faserverstärkers (EDFA) besteht darin, die Signale auf ein vernünftiges Leistungsniveau zu verstärken. Die EDFAs haben nunmehr den Punkt erreicht, wo sie im Hinblick auf ihre Energieeffizienz zum Minimieren ihrer Anforderungen an Pumpleistung (welche kostspielig ist) optimiert worden sind. Die EDFAs sind weiterhin optimiert worden im Hinblick auf ihr Rauschleistungsverhalten, so dass jetzt Rauschzahlen möglich sind, welche sich der im besten Fall erreichbaren theoretischen Grenze von 3 dB nähern. Die Flachheit der Verstärkung von optimierten EDFAs überschreitet jetzt einige Zehner an dB über Zehner an Nanometern der Bandbreite hinweg. Die EDFAs können nunmehr so ausgelegt werden, dass ihre Verstärkung nur sehr wenig von der Polarisation der Eingangssignale abhängig ist.
Ein Forschungsgebiet bezüglich der EDFAs, in welchem noch sehr viel Aktivität herrscht, bezieht sich auf die Bandbreitenverstärkung. Der Parameter der Bandbreitenverstärkung ist wichtig, weil derselbe letztlich die Anzahl der Signale der verschiedenen Wellenlängen bestimmt, welche durch einen gegebenen EDFA verstärkt werden können. Je breiter die Bandbreite ist, desto größer ist die Anzahl der einzelnen Signale, die verstärkt werden können, und daher gilt auch desto höher die Bandbreite (Informationsbits pro Zeiteinheit), die durch eine einzelne Faser getragen werden kann. Weil das Grund- bzw. Wirtmaterial die Spektroskopie der Erbiumionen beeinflusst, ist eine gewisse Anzahl von Grund- bzw. Wirtmaterialien für Fasern, einschließlich von Siliziumdioxid, Fluorzirkonatgläsern und von Chalkogeniden untersucht worden, und solche werden auch noch weiterhin untersucht werden, im Bestreben ein Grund- bzw. Wirtmaterial zu identifizieren, welches eine größere Bandbreite für den ⁴I_13/2 → ⁴I_15/2 Übergang des Er³⁺ bereitstellt. Bei den Gläsern auf Siliziumdioxidbasis wird die Bandbreite im Allgemeinen in Bereiche geteilt, welche als das C-Band und das L-Band bekannt sind. Gemäß einer Annäherung ist das C-Band der Teil des optischen Spektrums unterhalb von etwa 1.565 Nanometern, während das so genannte L-Band der Teil des optischen Spektrums oberhalb von etwa 1.565 Nanometern ist. In Fasern auf Siliziumdioxidbasis beträgt die totale Bandbreite der kombinierten C- und L-Bande annähernd 80 Nanometer, obwohl diese Zahl bisher nur durch eine Verkettung von zwei EDFAs erreicht worden ist. (Siehe zum Beispiel Y. Sun, et al., 80 nm ultra- wideband erbium-doped silica fibre amplifier, Electronic Letters, Vol. 33, No. 23, November 1997, Seiten 1965–1967.) Die Situation ist ähnlich mit einem Fluorzirkonatgrundmaterial. (Siehe zum Beispiel S. Kawai, et al., Wide bandwidth and long distance WDM transmission using highly gain-flattened hybrid amplifier, Proceedings of Optical Fiber Communication OFC'99, Paper FC3, Februar 1999, Seiten 56–58.) Bei Glasfasern aus Tellurit beträgt die totale Bandbreite ebenfalls etwa 80 Nanometer, aber sie kann mit einer einzelnen Faser bewerkstelligt werden. (Siehe zum Beispiel Y. Ohishi, et al., Optical fiber amplifiers for WDM transmission, NTT R&D, Vol. 46, No. 7, Seiten 693–698, 1997; und Y. Ohishi, et al., Gain characteristics of tellurite-based erbium-doped fibre amplifiers for 1,5-μm broadband amplification, Optics Letters, Vol. 23, No. 4, Februar 1998, Seiten 274–276.
1 illustriert ein Beispiel einer Standardform einer EDFA Konfiguration 100, welche eine mit Erbium dotierte Faser (EDF) 110 enthält. Optische Signale werden der mit Erbium dotierten Faser 110 eingegeben über einen ersten optischen Isolator 120 und über einen die Wellenlängen (durch Dividieren) multiplexierenden (WDM) Koppler 122 (WDM = wavelength division multiplexing). Ein optisches Pumpsignal von einer optischen Pumpquelle 124 wird ebenfalls in die mit Erbium dotierte Faser 110 über den WDM Koppler 122 eingegeben. Die verstärkten Ausgangssignale aus der mit Erbium dotierten optischen Faser 110 werden durch einen zweiten optischen Isolator 126 ausgegeben. Die optischen Isolatoren 126, 120 sind eingeschlossen, um Rückwärtsreflexionen von der Ausgangsöffnung her in die mit Erbium dotierte Faser 110 zu eliminieren beziehungsweise auch um Rückwärtsreflexionen aus der mit Erbium dotierten Faser 110 hin zu der Eingangsöffnung zu eliminieren. Die mit Erbium dotierte Faser 110 kann in die Vorwärtsrichtung gepumpt werden, so wie dies in der 1 illustriert ist, oder in die Rückwärtsrichtung (nicht gezeigt) oder in beide Richtungen. Wegen der breiten Natur des Faserverstärkungsmediums erzeugt die Konfiguration der 1 eine Verstärkung über eine ausgedehnte Bandbreite. Zum Beispiel werden in der Konfiguration gemäß der 1 mit Erbium dotierte Telluritfasern und mit Erbium dotierte Chalkogenidfasern verwendet. Wie von Y. Ohishi, et al., in Gain characteristics of tellurite-based erbium-doped fibre amplifiers for 1,5-μm broadband amplification, Optics Letters, Vol. 23, No. 4, Februar 1998, Seiten 274–276, bekannt gemacht worden ist, sind Verstärkungsbandbreiten von etwa 80 Nanometern unter Verwendung einer Telluritfaser erzeugt worden.
Wenn das Grundmaterial der Faser aus einem Glas auf Siliziumdioxidbasis (Quarzglas, Kieselglas) besteht, dann kann eine Verstärkung nicht über die gesamte Bandbreite (annähernd 1.525 Nanometer bis annähernd 1.610 Nanometer) mit einer einzelnen Faser bewerkstelligt werden. Stattdessen muss die Verstärkung über zwei benachbarte Spektralbereiche erzeugt werden und es werden dann die sich aus der Verstärkung ergebenden Ausgänge kombiniert. Ein generisches Verfahren zur Erzielung einer weiteren Bandbreitenverstärkung besteht darin, Hybridverstärker zu verwenden, bei denen zwei oder mehr Verstärker, die aus verschiedenen Grundmaterialien hergestellt sind, mit einander verknüpft werden. Die Verstärker sind so ausgelegt, dass sie Verstärkungsspektren bereitstellen, welche sich gegenseitig ergänzen und welche daher eine größere, gesamte Bandbreitenverstärkung erzeugen als dies ein jeder für sich allein tun würde. Dieses Verfahren wurde erfolgreich vorgeführt mit einem EDFA auf Siliziumdioxidbasis, gefolgt von einem EDFA auf Fluoridbasis, was eine 0,5-dB-Bandbreite von 17 Nanometern erzeugte. (Siehe, P. F. Wysocki, et al., Dual-stage erbium-doped, erbium/ytterbium-codoped fibre amplifier with up to +26-dBm output power and a 17-nm flat spectrum, Optics Letters, Vol. 21, November 1996, Seiten 1744– 1746.) In jüngerer Zeit wurde ein ähnliches Konzept bei zwei EDFAs auf Fluoridbasis angewandt. (Siehe zum Beispiel Y. Sun, et al., 80 nm ultra-wideband erbium-doped silica fibre amplifier, Electronic Letters, Vol. 33, No. 23, November 1997, Seiten 1965–1967.)
2 illustriert als Beispiel eine Konfiguration 200 mit zwei EDFAs 210, 220. Ein EDFA (der untere EDFA 210) ist ausgelegt, um das C-Band zu verstärken (von annähernd 1.525 Nanometer bis zu annähernd 1.565 Nanometer) und der andere EDFA (der obere EDFA 220) ist ausgelegt, um das L-Band zu verstärken (von annähernd 1.565 Nanometer bis zu annähernd 1.620 Nanometer). Die zwei EDFAs 210, 220 enthalten in vorteilhafter Weise jeweilige Pumpquellen (nicht gezeigt), welche an die mit Erbium dotierten Fasern unter Verwendung von jeweiligen WDM Kopplern gekoppelt sind, so wie dies in der 1 illustriert ist. Die Eingangssignale, welche verschiedene Wellenlängen λ_i aufweisen, die um eine bestimmtes Maß voneinander entfernt liegen, werden mit Hilfe eines WDM Kopplers 230 in die zwei Zweige gespalten und die verstärkten Ausgangssignale werden in einem Ausgangskoppler 232 kombiniert. Ein optischer Isolator 240 am Eingang und ein optischer Isolator 242 am Ausgang arbeiten so wie dies oben beschrieben worden ist. Wegen des WDM Kopplers 230 werden die Signale mit Wellenlängen von weniger als annähernd 1.565 Nanometer in den unteren Zweig gekoppelt, um zu dem C-Band EDFA 210 zu propagieren, und die Signale mit Wellenlängen von mehr als annähernd 1.565 Nanometer werden in den oberen Zweig gekoppelt, um zu dem L-Band EDFA 220 zu propagieren. (In der Praxis gibt es ein enges Führungsband zwischen dem C-Band und dem L-Band, um ein Überlappen der Signale in den beiden Zweigen zu vermeiden.) Zum Beispiel kann ein EDFA auf Siliziumdioxidbasis so ausgelegt werden, dass er ein L-Band mit einem Verstärkungsspektrum aufweist, welches innerhalb von 0,5 dB über den Bereich von 1.565 Nanometer bis 1.602 Nanometer flach verläuft. Die Flachheit der Verstärkung wird teilweise zum Beispiel dadurch erzielt, dass man die geeignete Faserlänge auswählt, oder dass man von Filtern Gebrauch macht. Beide Verfahren sind nach dem Stand der Technik gut bekannt.
Das C-Band EDFA 210 und das L-Band EDFA 220 können aus derselben mit Erbium dotierten Faser oder aus verschiedenen Fasern oder aus verschiedenen Grund- bzw. Wirtmaterialien hergestellt werden. Die C-Band und L-Band EDFAs 210, 220 können sich in ihren jeweiligen Auslegungen unterscheiden, insbesondere im Hinblick auf die Pumpwellenlänge, auf die Pumpkonfiguration und auf die Faserlänge.
Im Allgemeinen liegt die obere Grenze des L-Band EDFAs 220 bei annähernd 1.610 Nanometer. Es werden von der Forschungsgemeinschaft erhebliche Anstrengungen gemacht, um diese Grenze nach oben zu drücken, indem man das Grundmaterial anpasst. Die Schwierigkeit bei der weiteren Ausdehnung dieser Grenze beruht auf dem Vorhandensein einer durch ein Signal erregten Zustandsabsorption (ESA = excited state absorption) oberhalb von etwa 1.620 Nanometer für Telluritglas und oberhalb von etwa 1.610 Nanometer für Siliziumdioxidglas. Die ESA stellt einen nicht erwünschten Signalverlustmechanismus dar. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse liegt der gegenwärtige Bandweitenrekord für EDFAs auf Siliziumdioxidbasis (Y. Sun, et al., oben zitiert) und für solche auf Fluoridbasis (S. Kawai, et al., oben zitiert) bei etwa 80–85 Nanometer (d.h. ähnlich wie bei demjenigen von EDFAs auf Telluritbasis, wie dies in den zwei oben zitierten Artikeln von Y. Ohishi, et al. offenbart worden ist).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, so wie sie in den Ansprüchen definiert wird, besteht in einem Verfahren zur Verstärkung von optischen Eingangssignalen über einen weiten Bandbreitenbereich. Die optischen Eingangssignale werden bei einem optischen Wellenleiter angewandt, welcher aus einem mit Seltenerdmetallen dotierten, amorphen Yttrium-Aluminiumoxid-Material hergestellt ist (z.B. ein mit Erbium dotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material). Die optischen Eingangssignale weisen Wellenlängenbereiche auf, die reichen ausgehend von Werten, die so kurz sind wie annähernd 1.480 Nanometer, bis hin zu Wellenlängen, die so lang sind wie annähernd 1.650 Nanometer. Pumplicht wird bei dem optischen Wellenleiter angewandt, um den Wellenleiter dazu zu bringen, eine optische Verstärkung der optischen Eingangssignale zu bewerkstelligen. Die optische Verstärkung bringt die optischen Signale dazu, innerhalb des Wellenleiters verstärkt zu werden, um verstärkte optische Signale mit Wellenlängen in dem Bereich von annähernd 1.480 Nanometer bis zu annähernd 1.650 Nanometer bereitzustellen. Alternativ können die Wellenlängen der optischen Eingangssignale in dem Bereich von annähernd 1.480 Nanometer bis zu annähernd 1.565 Nanometer liegen. Als eine weitere Alternative können die Wellenlängen der optischen Eingangssignale in dem Bereich von annähernd 1.565 Nanometer bis zu annähernd 1.650 Nanometer liegen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zur Verstärkung von optischen Eingangssignalen. Das Verfahren umfasst die Eingabe der optischen Eingangssignale an einen optischen Wellenleiter, der ein mit Seltenerdmetallen dotiertes, amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material aufweist (z.B. ein mit Erbium dotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material). Die optischen Eingangssignale enthalten mindestens ein erstes optisches Signal mit einer Wellenlänge von weniger als 1.520 Nanometer und mindestens ein zweites optisches Signal mit einer Wellenlänge von mehr als 1.610 Nanometer. Das Verfahren umfasst weiterhin die Anwendung von Pumplicht bei dem optischen Wellenleiter, um den Wellenleiter dazu zu veranlassen, eine optische Verstärkung bei den optischen Eingangssignalen derart zu bewerkstelligen, dass mindestens das erste optische Signal und das zweite optische Signal verstärkt werden. Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Bereitstellen einer optischen Verstärkung, welche ein Spektrum von optischen Signalen mit Wellenlängen über einen Bereich von Wellenlängen verstärkt, welcher Wellenlängen von annähernd 1.480 Nanometer bis zu 1.650 Nanometer enthält.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zur Verstärkung von optischen Eingangssignalen. Das Verfahren umfasst die Eingabe der optischen Eingangssignale in einen optischen Wellenleiter, der mit Seltenerdmetallen dotiertes, amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material aufweist (z.B. ein mit Erbium dotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material). Die optischen Eingangssignale enthalten mindestens ein optisches Signal mit einer Wellenlänge von weniger als 1.520 Nanometer. Das Verfahren umfasst weiterhin das Einstrahlen eines Pumplichts in den optischen Wellenleiter, um den Wellenleiter dazu zu veranlassen, eine optische Verstärkung so bereitzustellen, dass mindestens das eine optische Signal verstärkt wird.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zur Verstärkung von optischen Eingangssignalen. Das Verfahren umfasst die Eingabe der optischen Eingangssignale in einen optischen Wellenleiter, der mit Seltenerdmetallen dotiertes, amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material aufweist (z.B. ein mit Erbium dotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material). Die optischen Eingangssignale enthalten mindestens ein optisches Signal mit einer Wellenlänge von mehr als 1.610 Nanometer. Das Verfahren umfasst weiterhin das Einstrahlen eines Pumplichts in den optischen Wellenleiter, um den Wellenleiter dazu zu veranlassen, eine optische Verstärkung so bereitzustellen, dass mindestens das eine optische Signal verstärkt wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem optischen Verstärker, welcher optische Eingangssignale verstärkt. Der optische Verstärker enthält eine optische Pumpquelle, die optisches Pumplicht liefert. Der optische Verstärker enthält weiterhin einen optischen Wellenleiter, der mit Seltenerdmetallen dotiertes, amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material aufweist (z.B. ein mit Erbium dotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material). Der optische Wellenleiter ist optisch so gekoppelt, dass er das optische Pumplicht von der optischen Pumpquelle empfängt. Der optische Wellenleiter empfängt optische Eingangssignale mit einer Vielzahl von Wellenlängen. Die optischen Eingangssignale enthalten mindestens ein erstes optisches Signal mit einer Wellenlänge von weniger als 1.520 Nanometer und sie enthalten mindestens ein zweites optisches Signal mit einer Wellenlänge, die größer als 1.610 Nanometer ist. Das Pumplicht weist eine Pumpwellenlänge und eine Intensität bei der Pumpwellenlänge auf, die den optischen Wellenleiter dazu veranlasst, eine optische Verstärkung so bereitzustellen, dass mindestens das erste optische Signal und das zweite optische Signal verstärkt werden. Vorzugsweise liefert der Wellenleiter eine optische Verstärkung, um die optischen Signale mit Wellenlängen über einen Bereich von Wellenlängen zu verstärken, welcher Wellenlängen enthält, die so kurz wie annähernd 1.480 Nanometer sind, bis hin zu solchen, die so lang wie annähernd 1.650 Nanometer sind.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem optischen Verstärker, welcher optische Eingangssignale verstärkt. Der optische Verstärker enthält eine optische Pumpquelle, die optisches Pumplicht liefert. Der optische Verstärker enthält weiterhin einen optischen Wellenleiter, der mit Seltenerdmetallen dotiertes, amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material aufweist (z.B. ein mit Erbium dotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material). Der optische Wellenleiter ist optisch so gekoppelt, dass er das optische Pumplicht von der optischen Pumpquelle empfängt. Der optische Wellenleiter empfängt optische Eingangssignale mit einer Vielzahl von Wellenlängen. Die optischen Eingangssignale enthalten mindestens ein optisches Signal mit einer Wellenlänge von weniger als 1.520 Nanometer. Das Pumplicht weist eine Pumpwellenlänge und eine Intensität bei der Pumpwellenlänge auf, die den optischen Wellenleiter dazu veranlasst, eine optische Verstärkung so bereitzustellen, dass mindestens das eine optische Signal verstärkt wird. Vorzugsweise liefert der Wellenleiter eine optische Verstärkung, um optische Signale mit Wellenlängen über einen Bereich von Wellenlängen zu verstärken, welcher Wellenlängen enthält, die so kurz wie annähernd 1.480 Nanometer sind, bis hin zu solchen, die so lang wie annähernd 1.565 Nanometer sind.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem optischen Verstärker, welcher optische Eingangssignale verstärkt. Der optische Verstärker enthält eine optische Pumpquelle, die optisches Pumplicht liefert. Der optische Verstärker enthält weiterhin einen optischen Wellenleiter, der mit Seltenerdmetallen dotiertes, amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material aufweist (z.B. ein mit Erbium dotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material). Der optische Wellenleiter ist optisch so gekoppelt, dass er das optische Pumplicht von der optischen Pumpquelle empfängt. Der optische Wellenleiter empfängt optische Eingangssignale mit einer Vielzahl von Wellenlängen. Die optischen Eingangssignale enthalten mindestens ein optisches Signal mit einer Wellenlänge, die größer als 1.610 Nanometer ist. Das Pumplicht weist eine Pumpwellenlänge und eine Intensität bei der Pumpwellenlänge auf, die den optischen Wellenleiter dazu veranlasst, eine optische Verstärkung so bereitzustellen, dass mindestens das eine optische Signal verstärkt wird. Vorzugsweise liefert der Wellenleiter eine optische Verstärkung, um die optischen Signale mit Wellenlängen über einen Bereich von Wellenlängen zu verstärken, welcher Wellenlängen enthält, die so kurz wie annähernd 1.565 Nanometer sind, bis hin zu solchen, die so lang wie annähernd 1.650 Nanometer sind.
Bei alternativen Ausführungen der zuvor genannten Verfahren und Vorrichtungen umfassen die seltenen Erden in vorteilhafter Weise Erbium und Ytterbium. Bei weiteren alternativen Ausführungen werden in vorteilhafter Weise Lanthanatome durch einen Teil an Yttriumatomen des optischen Wellenleiters ausgetauscht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Beispiel einer Standard EDFA Konfiguration illustriert, welche eine mit Erbium dotierte Faser enthält;
2 ein Beispiel einer Konfiguration mit zwei EDFAs illustriert, in welcher der eine EDFA das C-Band verstärkt und der andere EDFA das L-Band verstärkt;
3 Vorwärtsfluoreszenzspektren illustriert, welche in amorphen YAG Fasern und in amorphen, Lanthan-substituierten YAG Fasern gemessen worden sind, welche mit verschiedenen Konzentrationen an Erbium dotiert sind und mit annähernd 45 Milliwatt bei 980 Nanometer gepumpt sind.
4 die gemessenen Rückwärtsfluoreszenzspektren der amorphen YAG Fasern und der amorphen, Lanthan-substituierten YAG Fasern illustriert;
5 die Wirkung einer ansteigenden molaren Konzentration an Erbium auf die Bandbreiten sowohl der Vorwärts- als auch der Rückwärtsfluoreszenz der mit Erbium dotierten amorphen YAG und der mit Erbium dotierten amorphen, Lanthan-substituierten YAG illustriert;
6A den zeitlichen Zerfall (Relaxation) der Fluoreszenz illustriert, welche von einer mit 1% Erbium dotierten amorphen YAG Faser emittiert wird;
6B den zeitlichen Zerfall (Relaxation) der Fluoreszenz illustriert, welche von einer mit 5% Erbium dotierten amorphen YAG Faser emittiert wird;
7 die Wirkung einer Konzentration an Erbium auf die schnelle Komponente (quadratische Markierungen in der unteren Kurve) und auf die langsame Komponente (runde Markierungen in der oberen Kurve) der Fluoreszenz der mit Erbium dotierten amorphen YAG Faser illustriert;
8 die erste Konfiguration eines Verstärkers für eine Implementierung einer ersten Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert;
9 die zweite Konfiguration eines Verstärkersystems für eine Implementierung einer zweiten Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert;
10 einen Vorwärts L-Band Verstärker illustriert, welcher eine einzelne Länge einer mit Erbium dotierten amorphen YAG Faser enthält;
11 eine Verstärkungskonfiguration illustriert, die ähnlich wie die Konfiguration der 8 ist, aber mit einer längeren mit Erbium dotierten amorphen YAG Faser, für die Verwendung als ein L-Band Verstärker;
12 eine Konfiguration eines L-Band Verstärkers illustriert, in welchem eine mit Erbium dotierte amorphe YAG Faser zwischen zwei WDM Kopplern angeordnet ist, welche die jeweiligen Pumpsignale empfangen, um die mit Erbium dotierte amorphe YAG Faser sowohl in der Vorwärts- als auch der Rückwärtsrichtung zu pumpen;
13 eine Konfiguration eines L-Band Verstärkers illustriert, welcher zwei mit Erbium dotierte amorphe YAG Fasern enthält, die über einen WDM Koppler in Reihe miteinander verbunden sind, wobei das Pumplicht so eingeführt wird, um die zweite Faser nach vorwärts zu pumpen;
14 eine Verstärkungskonfiguration illustriert, die eine erste mit Erbium dotierte amorphe YAG Faser und eine zweite mit Erbium dotierte amorphe YAG Faser enthält, die beide über einen WDM Koppler in Reihe miteinander verbunden sind, wobei das Pumplicht so eingeführt wird, um die erste Faser nach rückwärts zu pumpen;
15 die 1/e Zeitkonstante des Zerfalls der Fluoreszenzleistung illustriert, welche von denselben Fluoreszenzzerfallskurven gemessen worden sind wie in den 6A und 6B, wobei die 1/e Zeitkonstante einen Durchschnitt von den schnellen und den langsamen Zeitkonstanten darstellt; und die
16–23 Reproduktionen von Zeichnungen aus der Internationalen Anmeldung No. PCT/US97/00466 sind, eingereicht am 9. Januar 1997, und veröffentlicht am 17. Juli 1997 als Internationale Veröffentlichung No. WO 97/25284, wobei die Zeichnungen und die Beschreibung ein Verfahren zum Herstellen einer Faser illustrieren, die bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und bei welchen:
16 ein schematisches Diagramm einer Ausführung eines Faserstangenzugsystems gemäß einem Verfahren zum Herstellen einer Faser illustriert;
17 eine Ausführung eines Verfahrens gemäß den Grundsätzen der WO 97/25284 illustriert zum Ziehen von Fasern in entgegengesetzte Richtungen ausgehend von einer unterkühlten und sich in Levitation befindlichen Schmelze;
18 eine Ausführung eines Verfahrens gemäß den Grundsätzen der WO 97/25284 illustriert zum Ziehen von Fasern aus einer unterkühlten Schmelze, die in einer Levitationsvorrichtung mit konischer Düse gehalten wird;
19 ein Diagramm einer typischen Abkühlungskurve für eine 0,3 cm im Durchmesser betragende Mullitprobe illustriert, welche in einer aero-akustischen Levitationsvorrichtung in Levitation versetzt und geschmolzen wurde;
20 ein typisches Aluminiumoxid-Siliziumdioxid Phasendiagramm illustriert;
21 eine Ausführung eines Verfahrens zum Ziehen von Fasern aus einer unterkühlten Schmelze illustriert, die in einem nicht isothermalen Behälter aufbewahrt wird;
22 einen Teil eines atypischen Aluminiumoxid-Siliziumdioxid Phasendiagramms illustriert, welches das Verhalten von Mullit in der Nähe der Schmelztemperatur zeigt; und
23 eine Graphik illustriert, welche typische Ergebnisse der Zugfestigkeit für Glasfasern aus einer Mullitzusammensetzung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist ausgerichtet auf ein Verfahren zum Verstärken optischer Signale über eine breitere Verstärkungsbandbreite. Das Verfahren hängt teilweise ab von der Verwendung einer optischen Faser mit einer breiteren Fluoreszenzbandbreite. Insbesondere hat die Containerless Research Inc. (CRI) jüngst ein Verfahren entwickelt, um Fasern und kleine Massenproben aus Materialien herzustellen, welche nahezu nicht viskose Flüssigkeiten bei dem Gleichgewichtsschmelzpunkt des Feststoffes darstellen. (Siehe J. K. R. Weber et al., Glass fibers of pure and erbium or neodymium-doped yttria-aluminia compositions, Nature, Vol. 393, 1998, Seiten 769–771; and Paul C. Nordine et al., Fiber Drawing from Undercooled Molten Materials, WIPO Internationale Veröffentlichung No. WO 97/25284, veröffentlicht am 17. Juli 1997.)
Das Verfahren impliziert ein vollständiges Schmelzen eines Feststoffes, um eine Flüssigkeit mit gleichmäßiger Zusammensetzung bei dem Gleichgewichtsschmelzpunkt des kristallinen Materials oder etwas über demselben zu bilden. Um die Viskosität zu erzielen, die erforderlich ist, um ein Faserziehen zu unterstützen, wird die Flüssigkeit unterkühlt (d.h. sie wird bis unter den Gleichgewichtsschmelzpunkt abgekühlt). Die Verwendung einer Unterkühlung, um eine erhöhte Viskosität zu erzielen, ist ein wesentlicher Schritt bei dem Verfahren. Glasfasern werden dann aus der viskosen, unterkühlten Flüssigkeit gezogen.
Eine Ausführung dieses Verfahrens der Fasersynthese verwendet behälterlose Verfahrenstechniken, welche eine heterogene Keimbildung durch einen Kontakt mit den festen Behälterwänden vermeiden und eine tiefe Unterkühlung bis auf eine Temperatur unter den Schmelzpunkt des kristallinen Vorläufermaterials erlauben. Die behälterlosen Verfahrenstechniken eliminieren eine chemische Verunreinigung der Flüssigkeit durch einen Kontakt mit einem externen Objekt (wie etwa mit einem Schmelztiegel). Sie können auch dazu verwendet werden, um Glassphäroide mit einem Durchmesser von 2–3 Millimeter aus einer Vielfalt von Oxidmaterialien zu synthetisieren. (Siehe zum Beispiel J. K. R. Weber et al., Enhanced Formation of Cacia-Gallia Glass by Containerless Processing, J. Am. Ceram. Soc. Vol. 76, No. 9, 1993, Seiten 2139–2141; und J. K. R. Weber et al., Aero-acoustic leviation-A method for containerless liquid-phase processing at high temperatures, Rev. Sci. Instrumen., Vol. 65, 1994, Seiten 456–465). Das neue Faserherstellungsverfahren ist auf eine Vielfalt von Oxidmaterialien angewandt worden, welche weder Siliziumdioxid (Silikat) noch irgendeinen von den anderen "Netzwerk"-Bildnern enthielten, welche typische Komponenten bei den Glasfasern sind, die durch herkömmliche Faserherstellungstechniken erzeugt werden. Dieses Verfahren erlaubt die Erzeugung von Fasern, die typischerweise 10 bis 30 Mikron im Durchmesser und bis zu einem Meter in der Länge groß sind.
Eines der prototypischen Materialien, welches durch dieses Verfahren verfügbar gemacht worden ist, besteht aus Glas mit der Zusammensetzung Y₃Al₅O₁₂. Die in dieser Anmeldung diskutierten Materialien sind Modifikationen aus dieser Zusammensetzung, die gebildet werden durch die Substitution von Lanthan (La), Ytterbium (Yb) und/oder Erbium (Er) durch Yttrium (Y) Atome in dem Material. Diese Materialien werden synthetisiert aus abgewogenen Mischungen der reinen Oxide Y₂O₃, Al₂O₃, La₂O₃, Yb₂O₃ und Er₂O₃, hergestellt mit Gewichtsfehlern von annähernd 0,5 Milligramm bei einer jeden Komponente in einer gesamten Masse von annähernd 0,5 Gramm. Die reinen Oxidkomponenten weisen einen Reinheitsgrad von 99,999% auf, sie sind Pulver mit einer Maschenzahl von weniger als 325 und sie sind erhältlich von Cerac aus Milwaukee, Wisconsin. Für eine Zusammensetzung, die 0,5 Mol-% oder weniger Er₂O₃ enthält, wird ein 9:1 Yb₂O₃:Er₂O₃ "Mutterlegierung" verwendet, um ein einfacheres Abwiegen des Dotierungsmittels zu ermöglichen. Die Mischungen dieser Komponentenoxide werden in einem Laserschmelzherd geschmolzen, zuerst um die 0,5 Gramm der Probe zu schmelzen und zu homogenisieren, dann um Sphäroide von annähernd 3 Millimeter zu erhalten, indem man zerbrochene Stücke aus der geschmolzenen Masse erneut schmilzt. (Siehe zum Beispiel J. K. R. Weber et al., Laser hearth melt processing of ceramic materials, Rev. Sci. Instrum., Vol. 67, 1996, Seiten 522–524.). Die Sphäroide werden dann in Levitation versetzt und durch ein Erhitzen mit einem Laserstrahl in einer aero-akustischen Levitationsvorrichtung geschmolzen (so wie dies zum Beispiel beschrieben wurde von J. K. R. Weber et al., in Aero-acoustic leviation-A method for containerless liquid-phase processing at high temperatures, Rev. Sci. Instrumen., Vol. 65, 1994, Seiten 456–465) oder in einer Levitationsvorrichtung mit einer konischen Düse (wie zum Beispiel beschrieben von J. P. Coutures et al., in Contactless Treatments of Liquids in a Large Temperature Range by an Aerodynamic Levitation Device under Laser Heating, Proc. 6th European Symposium on Materials under Microgravity Conditions, Bordeaux, France, 2–5 Dezember, 1986, Seiten 427–30; und von J. K. R. Weber et al., in Containerless Liquid-Phase Processing of Ceramic Materials, Microgravity Sci. Technol., Vol. 7, 1995, Seiten 279–282; und von S. Krishnan et al., in Levitation apparatus for structural studies of high temperature liquids using synchrotron radiation, Rev. Sci. Instrumen., Vol. 68, 1997, Seiten 3512–3518).
Glassphäroide werden hergestellt, indem man die Heizleistung des Laserstrahles abstellt, um so eine schnelle Abkühlung der flüssigen Probe auf Raumtemperatur unter behälterlosen Bedingungen zu ermöglichen. Glasfasern werden hergestellt, indem man die Heizleistung des Lasers so lange vermindert, bis die Flüssigkeitstemperatur in dem Bereich von 1.600°K–1.700°K liegt, wobei die Flüssigkeitsviskosität ausreichend ist, um die Arbeitsschritte des Faserziehens zu ermöglichen. Ein Wolframstangendraht wird dann schnell in die Schmelze eingeführt und mit einer konstanten Geschwindigkeit von annähernd 100 Zentimeter/Sekunde herausgezogen, um die Fasern aus der Schmelze heraus zu ziehen. Teile des oben beschriebenen Verfahrens sind beschrieben worden von Paul C. Nordine et al., in Fiber Drawing from Undercooled Molten Materials, WIPO Internationale Veröffentlichung No. WO 97/25284, veröffentlicht am 17. Juli 1997, ein Teil derselben wird hierin dargelegt.
Die kristalline Form des reinen Y₃Al₅O₁₂ ist bekannt als Yttrium-Aluminium-Granat oder kurz als YAG. So wie die Bezeichnung hierin verwendet wird, bezieht sich "YAG" auf dieses kristalline Material. Das mit Neodymionen (Nd³⁺) dotierte YAG, ist eines der ersten und erfolgreichsten Lasermaterialien gewesen, das vorgeführt werden soll. Neodym-YAG (Nd:YAG) Laser sind kommerziell seit mehr als 25 Jahren erhältlich und sie fahren damit fort, weiter einer der Laser zu sein, der am wirkungsvollsten ist, der über die höchste Leistung verfügt und der am weitesten verbreitet ist. Im Gegensatz dazu werden die hierin diskutierten amorphen Fasern einer Y₃Al₅O₁₂ Zusammensetzung als amorphes YAG bezeichnet werden, und die Y₃Al₅O₁₂ Fasern mit substituiertem Lanthan werden als amorphe, mit substituiertem Lanthan (oder La-substituierte) YAG Fasern bezeichnet.
Es gibt zwei grundsätzliche Unterschiede zwischen dem YAG und den hierin diskutieren Materialien. Erstens unterscheiden sich die hierin diskutierten Materialien deshalb, weil sie amorphe Glasmaterialien sind, im Gegensatz zu dem YAG, das ein kristallines Material ist. Zweitens besitzen die hierin diskutierten Materialien Lanthan (La) Atome, Ytterbium (Yb) Atome und/oder Erbium (Er) Atome, welche durch einen gewissen Anteil an Yttrium (Y) Atomen in der Y₃Al₅O₁₂ Zusammensetzung substituiert worden sind. Das hierin diskutierte Material wird als mit Erbium dotiertes, amorphes YAG, als mit Ytterbium dotiertes, amorphes YAG, als amorphem YAG mit substituiertem Lanthan oder als amorphes YAG bezeichnet. Diese Nomenklatur ist aus verschiedenen Ursachen abgeleitet für die Substitution des Erbiumatoms, des Ytterbiumatoms und des Lanthanatoms durch die Yttriumatome. Die Erbiumatome und die Ytterbiumatome sind optisch aktive Dotierungsstoffe, welche in das Glassgrundmaterial eingefügt werden.
Die Elemente Yttrium, Lanthan, Erbium und Ytterbium sind Mitglieder der Familie der Elemente der "seltenen Erden", d.h. der Elemente mit den Atomzahlen 21, 39 und 57 bis 71. Die Elemente der seltenen Erden weisen typischerweise eine +3 Valenz auf, obwohl einige der Elemente der seltenen Erden, insbesondere Ytterbium, auch eine +2 Valenz aufweisen. Die allgemeine chemische Formel für alle die Materialien, die in dieser Offenbarung synthetisiert werden, kann geschrieben werden als RE₃Al₅O₁₂, wobei das tief gestellte Zeichen "3" bei "RE" den Gesamtgehalt an Y, La, Er und Yb bezeichnet. Die Glassphäroide und die Fasern, welche Lanthan und/oder Erbium enthalten, werden hergestellt an der Luft, in reinem Argongas oder in reinem Sauerstoffgas. Obwohl die Beschreibung hier im Hinblick auf die zuvor genannten Elemente der seltenen Erden erfolgt, geht man bei der Betrachtung davon aus, dass auch andere Materialien der seltenen Erden verwendet werden können.
Die chemischen Zusammensetzungen der amorphen YAG Verbundmaterialien, welche mit Lanthan-, Erbium- und Ytterbiumatomen synthetisiert worden sind, und mit Yttriumatomen substituiert sind, werden nachstehend in der Tabelle I dargelegt:
TABELLE I
Eines der am meisten auffallenden Merkmale des dotierten und substituierten amorphen YAG Materials besteht darin, dass es mit einer sehr hohen Konzentration an Er³⁺, Yb³⁺ oder an anderen Ionen von seltenen Erden dotiert werden kann. Die maximale Konzentration, die in einem Glas erzielt werden kann, hängt von der Löslichkeit von Er₂O₃ in diesem Glas ab. Wenn eine zu hohe Konzentration eines Oxids von seltenen Erden in eine Glasschmelze eingebracht wird und die Löslichkeit überschritten wird, dann schlagen sich die kristallinen Oxidpartikel in dem Grund- bzw. Wirtmaterial nieder. Diese kristallinen Partikel sind im Allgemeinen schädlich für den Laser und für die Verstärkungseigenschaften des Materials. Ein zweites Phänomen, welches die Konzentration der Dotierungsstoffe in einigen Materialien begrenzt, insbesondere in Gläsern auf Siliziumdioxidbasis, besteht in der Bildung von Clustern aufgelöster Ionen von Dotierungsstoffen in dem Grundmaterial, was bei Konzentrationen eintreten kann, die kleiner sind als diejenige, die erforderlich ist, damit sich die Oxidpartikel niederschlagen.
Anders als Erbiumionen, die gleichmäßig in dem Grundmaterial verteilt sind, unterliegen die sich in einem Cluster befindlichen Erbiumionen einem schädlich Prozess, der als Kreuz-Relaxation bekannt ist. (Siehe zum Beispiel J. L. Wagener et al., Modeling of ion pairs in erbium-doped fiber amplifiers, Optics Letters, Vol. 19, März 1994, Seiten 347–349.) Durch diesen Prozess verliert, wenn zwei Ionen optisch auf ihren metastabilen (Laser) Zustand angeregt werden, eines der Ionen schnell seine Energie an das andere Ion, was zu einem unerwünschten Verlust an Besetzungsinversion und zu einer drastischen Verminderung der optischen Verstärkung führt. Bei Gläsern auf Siliziumdioxidbasis beträgt die maximale Konzentration an Erbium, die verwendet werden kann, bevor dieser Effekt sich bemerkbar macht, etwa 100 Teile pro Million (ppm) Mol Er₂O₃. Um diesen Effekt zu vermeiden, verwenden die meisten Faserlaser und Verstärker auf Siliziumdioxidbasis weniger als 500 ppm Mol Er₂O₃. Diese Zahl liegt deutlich höher bei Fasern auf Fluoridbasis, wo Konzentrationen von einigen Tausend ppm annehmbar sind. (Siehe zum Beispiel J. S. Sanghera et al., Rare earth doped heavy-metal fluoride glass fibers, in Rare Earth Doped Fiber lasers and Amplifiers, M. J. F. Digonnet, Ed., Marcel Dekker, Inc., N. Y., 1993.) Bei Fasern aus Tellurit liegt die Zahl in der Größenordnung von Tausenden von ppm, d.h. mehrere Zehntel von einem Molprozent. (Siehe zum Beispiel Y. Ohishi, et al., Gain characteristics of tellurite-based erbium-doped fiber amplifiers for 1,5-μm broadband amplification, Optics Letters, Vol. 23, No. 4, Februar 1998, Seiten 274–276.) Die Hauptkonsequenz dieser Konzentrationsgrenzen liegt darin, dass nur so und so viele Ionen pro Längeneinheit in die Faser eingebunden werden können und dass eine große Länge einer Faser erforderlich ist, um damit eine nützliche Vorrichtung herzustellen, welche kostenaufwendig und unhandlich ist. Zum Beispiel erfordert ein typischer EDFA auf Siliziumdioxidbasis eine dotierte Faserlänge von Zehnern an Metern.
Eine anfängliche experimentelle Studie der spektroskopischen Eigenschaften der neuen mit Er³⁺ dotierten Glasmaterialien ist durchgeführt worden. Ein Ziel der Studien bestand darin, ein paar grundlegende optische Eigenschaften dieser Materialien zu kennzeichnen, entweder in einer sphäroidischen Form oder in einer Faserform. Insbesondere war die Studie ausgerichtet auf die Absorptions- und Emissionsquerschnitte der Materialien, sowie darauf ob Cluster (und Kreuz-Relaxation) vorhanden sind und bei welchen Konzentrationen, und auf die Bandbreite des Fluoreszenzspektrums (was die Verstärkungsbandbreite des Materials widerspiegelt).
Zum Zwecke der optischen Kennzeichnung werden kurze Längen von mit Erbium dotierten, amorphen YAG Fasern in Kapillarrohre eingesetzt, alsdann mit einer unter UV härtenden Epoxyverbindung verbunden und dann endgültig poliert. In typischer Weise werden vier von fünf Fasern des gleichen Grundmaterials und derselben Konzentration an Erbium in demselben Kapillarröhrchen befestigt. Mehrere Kapillare werden hergestellt – jeweils eine für eine jede der mehreren Konzentrationen (0,5, 1, 2, 5 und 8 Mol-% Er₂O₃). Die Fasern sind nicht ummantelt. Die äußeren Durchmesser der Fasern reichen von annähernd 30 Mikron bis zu annähernd 15 Mikron oder kleiner, und die Längen der Fasern nach dem Polieren betragen entweder annähernd 5 Millimeter oder annähernd 10 Millimeter. Zwei neue Grundmaterialzusammensetzungen eines Oxidglases sind getestet worden – nämlich amorphes YAG (Y₃Al₅O₁₂, wobei Erbium durch Yttrium substituiert worden ist) und amorphe, Lanthan-substituierte YAG Fasern, bei denen 50% des Yttriums durch Lanthan substituiert ist (La_1,5Y_1,5Al₅O₁₂, wobei Erbium durch Lanthan und Yttrium substituiert ist). Für alle Messungen werden die Fasern mit bis zu 50 Milliwatt einer 980 Nanometer optischen Leistung aus einer kommerziell erhältlichen Laserdiode mit einem Faserausgang gepumpt.
Absorptionsmessungen der Faser werden ausgeführt, indem man das Verhältnis der Ausgangs- zu der Eingangspumpleistung misst, dann von der Annahme einer 100%-Kopplung des Pumpens in die Faser ausgeht und dann eine Korrektur für die Fresnelreflexion (annähernd 8,3%) an jedem Faserende vornimmt. Die Fresnelreflexion wird berechnet unter der Annahme, dass der Brechnungsindex des Materials derselbe ist wie der des kristallinen YAG, welcher bei diesen Wellenlängen etwa 1,8 beträgt. Aus diesen Daten wird sowohl der Absorptionskoeffizient α_a abgeleitet als auch der Absorptionsquerschnitt σ_a = α_a/N₀, wobei N₀ die Konzentration an Erbium in der Faser ist. Der in mehreren Proben von zwei verschiedenen Konzentrationen beobachtete Mittelwert beträgt σ_a = 2,4 × 10^–21 cm². Der Wert ist günstig, wenn man ihn mit dem typischen Wert von 2,2 × 10^–21 cm² für mit Erbium dotierte Siliziumdioxidfasern vergleicht.
Die 3 zeigt Fluoreszenzspektren, die in amorphen YAG Fasern und in amorphen, Lanthan-substituierten YAG Fasern gemessenen worden sind, welche 0,5 Zentimeter bis 1,0 Zentimeter lang sind und annähernd 30 Mikron im Durchmesser aufweisen und welche mit verschiedenen Konzentrationen an Erbium dotiert und mit annähernd 45 Milliwatt bei 980 Nanometer gepumpt worden sind. Diese Spektren werden in Vorwärtsrichtung gemessen, d.h. die Spektren stellen eine Fluoreszenz dar, die in dieselbe Richtung emittiert worden ist wie die Richtung der Pumpausbreitung entlang der Faser. Alle Spektren sind breit und frei von den feineren Übergangslinien, die typisch für mit Erbium dotierte Kristalle sind. Die Beobachtung bestätigt die Ergebnisse der Röntgenbeugungsanalyse, welche zeigt, dass die Fasern, welche aus einer unterkühlten Flüssigkeit mit der YAG Zusammensetzung gezogen worden sind, amorph sind. (Siehe zum Beispiel J. K. R. Weber et al., Glass fibers of pure and erbium or neodymium-doped yttria- aluminia compositions, Nature, Vol. 393, 1998, Seiten 769–771.) Bei Fasern mit geringen Konzentrationen an Erbium zeigen die Spektren Merkmale, die typisch sind für Fluoreszenzspektren geringer Leistung von Er³⁺ in anderen Oxidgläsern – nämlich ein Spitzenwert bei etwa 1.530 Nanometer und eine flache Schulter bei etwa 1.550 Nanometer. Bei höheren Konzentrationen werden diese Merkmale weniger stark ausgeprägt und das Spektrum verschiebt sich in Richtung auf längere Wellenlängen, weil die Pumpleistung nicht ausreichend ist, um alle Erbiumionen anzuregen, und die Grundzustandsabsorption filtert das 1.530–1.550 Nanometerband (das C-Band) heraus. Bei diesen Fasern ist das L-Band (Wellenlängen größer als etwa 1.565 Nanometer) konsequenterweise bedeutender. Das L-Band dieses Materials ist extrem breit. In der 1-Zentimeter langen, mit 8% dotierten Faser erstreckt sich das L-Band so weit wie bis zu 1.653 Nanometer. Für die 3-dB Fluoreszenzbandbreite ist beobachtet worden, dass sie so groß wie 116 Nanometer ist in einer 1-Zentimeter langen, mit 5% dotierten, amorphen YAG Faser. Dies ist weit höher als irgendeine vorher erwähnte Bandbreite für diesen Erbiumübergang in irgendeinem Grundmaterial. Als Vergleichspunkt liegt die Fluoreszenzleistung bei einer mit Erbium dotierten Standardfaser auf Siliziumdioxidbasis bei 1.650 Nanometer typischerweise 50 dB unter dem Wert, den sie bei dem 1.530 Nanometer Scheitelwert aufweist. Im Gegensatz dazu fällt die Fluoreszenzleistung bei den amorphen YAG Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung nur um etwa 12 dB ab (siehe 3). Dies kann als ein Fluoreszenzspektrum interpretiert werden, welches sich in den Bereich von 20 Nanometer bis 40 Nanometer weiter in Richtung auf längere Wellenlängen erstreckt als bei mit Erbium dotierten Fasern auf Siliziumdioxidbasis.
Die in 4 gezeigten Rückwärtsfluoreszenzspektren zeigen meistens, wie erwartet, die C-Bandmerkmale, aber auch hier ist das Spektrum wieder sehr breit. Die höchste 3-dB Bandbreite, die für das Rückwärtsspektrum beobachtet worden ist, liegt bei 121 Nanometern in einer 0,5-Zentimeter langen, mit 8% dotierten YAG Faser.
Man hat herausgefunden, dass die Bandbreiten sowohl der Vorwärtsfluoreszenz als auch die der Rückwärtsfluoreszenz mit steigender Konzentration anwachsen, so wie dies in der 5 illustriert ist. Die Rautensymbole stellen mit Erbium dotiertes, amorphes YAG dar, während die Kreise mit Erbium dotiertes, amorphes Lanthan-substituiertes YAG darstellen. Vorwärtsfluoreszenz und Rückwärtsfluoreszenz werden jeweils durch ausgefüllte und nicht gefüllte Symbole gekennzeichnet. Die beiden Materialien erzeugen innerhalb der experimentellen Fehlergrenzen ein im Groben identisches Leistungsverhalten.
Die zeitliche Relaxation der Fluoreszenz wird gemessen, indem man die Pumpintensität in quadratischen Impulsen von etwa 20 Millisekunden Länge und mit einer kurzen Abfallzeit (annähernd 5 Mikrosekunden) moduliert, indem man einen akustisch-optischen 80-MHz Modulator in dem Weg des Eingangspumpstrahls aufstellt. Das zeitliche Abklingen der von der Faser nach einem jeden Pumpimpuls emittierten Fluoreszenz wird dann mit einem schnellen Photodetektor aufgezeichnet. Für geringe Konzentrationen an Erbium zeigen die Relaxationskurven einen einfachen exponentiellen Abfall, wie dies in 6A für eine mit 1% Erbium dotierte, amorphe YAG Faser gezeigt ist. Für höhere Konzentrationen an Erbium ist die Relaxationskurve nicht länger mehr ein einfacher exponentieller Abfall, sondern eher ein exponentieller Abfall mit einer Zeitkonstanten, die mit der Zeit ansteigt. Dies wird in der 6B für eine mit 5% Erbium dotierte, amorphe YAG Faser gezeigt. Die Kurve beginnt den Abfall mit einer Zeitkonstanten τ₁. Im weiteren Zeitverlauf steigt diese Konstante so lange an (abnehmende Steigung), bis die Zeitkonstante an dem unteren Ende der Abklingkurve ihren asymptotischen Wert τ₂ erreicht (größer als τ₁).
Ein anderes wichtiges Ergebnis, das aus den 6A und 6B offensichtlich wird, besteht darin, dass die Fasern im Wesentlichen frei von Erbiumclustern sind, dies sogar bei den höchsten Konzentrationen. Wenn Cluster vorhanden wären, dann würden die Relaxationskurven zuerst eine sehr schnelle Relaxationskomponente aufweisen, dies auf Grund der Bildung eines Clusters von Ionen, und alsdann eine langsame Komponente zeigen, dies auf Grund der Ionen, die sich nicht zu einem Cluster gebildet haben. (Siehe zum Beispiel P. F. Wysocki, et al., Evidence and modeling of paired ions and other loss mechanisms in erbium-doped silica fibers, in SPIE Proceedings on Fiber Laser Sources and Amplifiers IV, Vol. 1789, 1993, Seiten 66–79.) Bei anderen Materialien ist diese schnelle Komponente typischerweise zwei oder drei Größenordnungen kleiner als die Strahlungslebenszeit (d.h., man würde erwarten, dass sie in dem sub-100 Mikrosekundenbereich liegt). Die Tatsache, dass keine solche Komponente beobachtet worden ist, zeigt, dass die Clusterbildung von Erbium-Ionen in diesen zwei neuen Grundmaterialien vernachlässigbar ist und dies bis zu Konzentrationen von 8% in einem amorphen YAG, welcher Wert etwa 600 mal größer ist als die clusterfreie Konzentration in Gläsern auf Siliziumdioxidbasis.
Die Lebenszeiten τ₁ und τ₂, welche aus den für alle verfügbaren Konzentrationen gemessenen Abklingkurven abgeleitet werden, sind in der 7 in einem grafischen Verlauf dargestellt. Die Quadrate stellen die Lebenszeiten für die schnelle Komponente (τ₁) und die Kreise stellen die Lebenszeiten für die langsame Komponente (τ₂) dar, während die ausgefüllten und nicht gefüllten Symbole die Fasern des amorphen YAG Grundmaterials bzw. die Fasern des amorphen, Lanthan-substituierten YAG Grundmaterials darstellen. Beide Lebenszeiten nehmen mit steigender Konzentration an Erbium annähernd monoton ab, so wie dies gewöhnlich bei anderen Grundmaterialien beobachtet wird. Die langsame Komponente τ₂ ist die Strahlungslebenszeit. Die niedrigste gemessene Strahlungslebenszeit beträgt etwa 4 Millisekunden in den 5% und 8% YAG Fasern, während die kürzeste Lebenszeit in dem Bereich von 0,6–1,0 Millisekunden liegt (auch in diesen Materialien). Zum Vergleich liegt die Lebenszeit von Erbium in Telluritgläsern, ein Grundmaterial, das jetzt für kommerzielle EDFAs in Betracht gezogen wird, in dem Bereich von ein paar Millisekunden, während sie in Gläsern auf Siliziumdioxidbasis typischerweise bei 8 bis 10 Millisekunden liegt.
Um das relative Verhalten der zwei Materialien besser bewerten zu können, illustriert die 15 die Zeitkonstante der 1/e Abklingzeit der Fluoreszenzleistung, gemessen durch dieselben Fluoreszenzabklingkurven wie in den 6A und 6B. Die 1/e Zeitkonstante stellt einen Durchschnitt dar zwischen den schnellen und den langsamen Zeitkonstanten und in einem gewissen Sinne liefert sie ein Maß der durchschnittlichen Lebenszeit des angeregten Zustandes der Erbiumionen (diese durchschnittliche Lebenszeit steuert teilweise insbesondere die Dynamiken und das Sättigungsverhalten des Verstärkers). 15 zeigt, dass die 1/e Lebenszeit mit steigender Konzentration an Erbium monoton abnimmt und dass das Erbium in dem Lanthan-substituierten Material eine leicht niedrigere Lebenszeit aufweist, obwohl der Unterschied zwischen den zwei Materialien innerhalb der experimentellen Fehler liegt. Die Folgerung daraus besteht darin, dass Erbium in beiden Materialien annähernd dieselbe Bandbreite und dieselbe Lebenszeit zeigt, dies mit einem schwachen Vorteil für amorphes YAG.
Glasfasern sind auch mit mehr als nur einer Art Ionen von seltenen Erden dotiert worden, um einen Vorteil aus den günstigen Wechselwirkungen zwischen zwei oder mehr Dotierungsstoffarten zu ziehen. Zum Beispiel sind mit Erbium dotierte Fasern co-dotiert worden mit Yb³⁺, um ein Pumpen der Erbiumionen nahe bei 1,06 Mikron zu ermöglichen. (Siehe zum Beispiel J. E. Townsend, et al., Yb³⁺ sensitised Er³⁺ doped silica optical fibre with ultrahigh transfer efficiency and gain, Electronic Letters, Vol. 10, No. 21, 1991, Seiten 1958–1959.) Der Grund für diese Entwicklung liegt darin, dass es in mancher Hinsicht vorteilhaft ist, EDFAs (und andere mit Erbium dotierte Faservorrichtungen) nahe bei 1,06 Mikron zu pumpen, eine Laserwellenlänge, welche mit einer größeren Leistung und mit geringeren Kosten erhältlich ist, dies aus kommerziell erhältlichen Nd:YAG Lasern oder aus mantelgepumpten, mit Neodym-dotierten Faserlasern, als die 980-Nanometer und 1.480-Nanometer Laserdioden, welche geläufig als Pumpquellen verwendet werden. Er³⁺ zeigt kein Absorptionsband nahe bei 1,06 Mikron, aber Yb³⁺ tut dies. In einer mit Er³⁺ und Yb³⁺ co-dotierten und nahe bei 1,06 Mikron gepumpten Faser wird die Pumpenergie durch die Yb³⁺ Ionen absorbiert. Weil der angeregte Zustand von Yb³⁺ (²F_5/2) eine Energie aufweist, die nahe bei der des ⁴I_11/2 Niveaus von Er³⁺ liegt, wird die Energie eines angeregten Yb³⁺ Ions schnell auf das ⁴I_11/2 Niveau eines benachbarten Er³⁺ Ions übertragen. Die nachfolgende Relaxation von diesem ⁴I_11/2 Niveau aus bringt das Erbiumion zu dem darunter liegenden Anregungszustand (⁴I_13/2). Tatsächlich wirken die Ytterbiumionen als Zwischenvermittler, indem sie die Pumpenergie absorbieren und die erworbene Energie an die Erbiumionen übertragen. Dieses Prinzip kann für dieselben Zwecke bei Fasern verwendet werden, welche ähnlich sind wie die mit Ytterbium/Erbium dotierten, amorphen YAG Fasern, die in dem letzten Eintrag in der obigen Tabelle I identifiziert worden sind.
Andere optische Faser- und Wellenleitervorrichtungen von möglicher kommerzieller Bedeutung sind in Glasfasern gezeigt worden, welche mit anderen Ionen der seltenen Erden als mit Er³⁺ dotiert worden sind. Insbesondere sind Faserlaser mit kontinuierlichen Wellen, Faserlaser mit Q-Schaltung und modusblockierte Faserlaser gezeigt worden, die irgendwo in dem Bereich von Ultraviolett bis hin zum entfernten Infrarot arbeiten. (Siehe zum Beispiel Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers, M. J. F. Digonnet, Ed., Marcel Dekker, Inc., N. Y., 1993.) Die oben beschriebenen experimentellen Ergebnisse sind zwar gesammelt worden mit dem ⁴I_13/2 → ⁴I_15/2 Übergang von Er³⁺, aber ihre Allgemeingültigkeit sollte nicht übersehen werden.
Die Merkmale der mit Erbium dotierten amorphen, optischen YAG Fasern, welche hierin beschrieben worden sind, werden in vorteilhafter Weise dazu verwendet, ein Verfahren zur Verstärkung optischer Eingangssignale über eine Bandbreite zu liefern, die breiter ist als diejenigen Bandbreiten, die von den bisherigen Vorrichtungen und Verfahren bereitgestellt worden sind. Indem man eine mit Erbium dotierte, amorphe YAG Faser gegen bekannte, mit Erbium dotierte Fasern auf Siliziumdioxidbasis austauscht, liefern ähnliche Konfigurationen der Verstärkung eine Verstärkung über eine Bandbreite, welche sich bis zu annähernd 1.650 Nanometer erstreckt, ganz im Gegensatz zu der oberen Grenze von annähernd 1.620 Nanometer bei den bis jetzt bekannten Verstärkern.
Eine erste Konfiguration 800 für den Einsatz im Rahmen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der 8 illustriert. Die 8 ist ähnlich wie die 1; jedoch wird in der 8 die herkömmliche, mit Erbium dotierte Faser 110 ersetzt durch eine mit Erbium dotierte, amorphe optische YAG Faser 810. Ein erster optischer Isolator 820, ein Wellenlängendivisionsmultiplex (WDM – wavelength division multiplexing) Koppler 822, ein zweiter optischer Isolator 824 und eine optische Pumpquelle 830 sind aus den Gründen, die oben in Verbindung mit der 1 beschrieben worden sind, mit eingebunden.
Die Arbeitsweise des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der Konfiguration der 8 ist ähnlich wie die Arbeitsweise des EDFAs 100 in der 1. Im Gegensatz zu dem Verfahren der Arbeitsweise der Konfiguration gemäß der 1 enthalten jedoch die optischen Signale, welche in die Ausführung der 8 eingestrahlt werden, Wellenlängen in dem oberen Bereich des L-Bandes von annähernd 1.610 Nanometer bis zu annähernd 1.653 Nanometer. Wegen der erweiterten Fluoreszenzbandbreite der mit Erbium dotierten, amorphen YAG Faser 810 werden die optischen Signale mit Wellenlängen in dem Bereich von 1.610–1.653 Nanometer innerhalb der mit Erbium dotierten, amorphen YAG Faser 810 verstärkt. Somit liefert das Verfahren nach der Betriebsweise der Konfiguration der 8 eine erweiterte Verstärkungsbandbreite im Vergleich zu den Verfahren nach den Betriebsweisen gemäß früherer Konfigurationen. Alternativ kann dieselbe Anordnung wie diejenige der 8 verwendet werden, mit der Ausnahme, dass in einer Rückwärtsrichtung gepumpt wird oder sowohl in die Vorwärtsrichtung als auch in die Rückwärtsrichtung.
3 zeigt, dass das C-Band sowohl des amorphen YAG Materials als auch des amorphen, mit Lanthan-substituierten YAG Materials extrem breit ist und dass das C-Band sich herunter bis auf annähernd 1.481 Nanometer (der 3-dB Punkt) erstreckt. Zum Beispiel erstreckt sich in der 0,5 Zentimeter, mit 8% Erbium dotierten, amorphen YAG Faser das Rückwärts-Fluoreszenzspektrum, welches wieder überwiegend den kürzeren Wellenlängenabschnitt von dem ⁴I_13/2 → ⁴I_15/2 Übergangsspektrum enthält, von annähernd 1.482 Nanometer bis zu annähernd 1.603 Nanometer (der 3-dB Punkt). Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines C-Band-Verstärkers unter Verwendung der Konfiguration der 8, um eine Vielzahl von Signalen mit Wellenlängen in dem Bereich von annähernd 1.480 Nanometer oder höher bis zu annähernd 1.565 Nanometer oder tiefer zu verstärken. Die niedrigere Wellenlänge dieses Bereiches, nämlich annähernd 1.480 Nanometer, liegt wesentlich tiefer als diejenigen Werte, die für denselben Übergang von Er³⁺ in anderen bekannten Grundmaterialien mitgeteilt worden sind.
Die 9 illustriert eine weitere Konfiguration 900 für die Verwendung im Rahmen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Konfiguration 900 der 9 ist ähnlich wie die Konfiguration 200 der 2 und enthält einen tieferen C-Band EDFA 910 und einen oberen L-Band EDFA 920. Die optischen Eingangssignale sind an die Eingänge der zwei EDFAs 910, 920 durch einen WDM Koppler 930 gekoppelt. Die Ausgänge der zwei EDFAs 910, 920 werden in einem WDM Koppler 932 kombiniert und die kombinierten Ausgänge werden zu einer Ausgangsöffnung geliefert. Ein jeder EDFA 910, 920 weist jeweils eine oder mehrere Pumpquellen (nicht gezeigt) auf. In der 9 umfasst der obere (L-Band) EDFA 920 eine mit Erbium dotierte, amorphe, optische YAG Faser 940, so wie dies oben beschrieben worden ist. Der untere (C-Band) EDFA 910 enthält in vorteilhafter Weise auch eine mit Erbium dotierte, amorphe, optische YAG Faser 950; jedoch können entweder der untere EDFA 910 oder der obere EDFA 920 auch ein herkömmlicher EDFA sein unter Verwendung herkömmlicher optischer Fasern auf Siliziumdioxidbasis oder anderer auf Glas beruhender optischer Fasern. Ein erster optischer Isolator 960 verhindert Rückwärtsreflexionen von den EDFAs 910, 920 in die Eingangsöffnung. Ein zweiter optischer Isolator 962 verhindert Rückwärtsreflexionen aus der Ausgangsöffnung zu den EDFAs 910, 920.
Die vorliegende Erfindung arbeitet mit der Konfiguration 900 aus 9, indem die optischen Eingangssignale mit Wellenlängen in einem Bereich von annähernd 1.481 Nanometer oder tiefer bis zu annähernd 1.653 Nanometer oder höher eingestrahlt werden. Der WDM Koppler 930 teilt die optischen Eingangssignale derart, dass die optischen Eingangssignale mit Wellenlängen von weniger als annähernd 1.565 Nanometer an den tieferen EDFA 910 gekoppelt werden und die optischen Eingangssignale mit Wellenlängen von mehr als annähernd 1.565 Nanometer an den oberen EDFA 920 gekoppelt werden. Der untere EDFA 910 verstärkt die Signale in dem Bereich von annähernd 1.481 Nanometer bis zu annähernd 1.565 Nanometer und liefert verstärkte Ausgangssignale an die Ausgangsöffnung über den Koppler 932. Der obere EDFA 920 verstärkt die Signale in dem Bereich von annähernd 1.565 Nanometer bis zu annähernd 1.653 Nanometer und liefert verstärkte Ausgangssignale an die Ausgangsöffnung über den Koppler 932. Ein Experte auf diesem Gebiet wird anerkennen, dass ein totes Band in den optischen Eingangssignalen um den Wert von etwa 1.565 Nanometer herum bereitgestellt werden kann, um eine Verstärkung von Signalen bei dieser Wellenlänge durch beide EDFAs 910, 920 auszuschließen. Wie vorher liefert die Verwendung der mit Erbium dotierten, amorphen YAG Faser 940 eine Verstärkung über eine Bandbreite, die breiter ist als diejenige Bandbreite, die früher verfügbar gewesen ist, und dies sowohl in dem oberen EDFA 920 als auch in dem unteren EDFA 910 oder in beiden EDFAs.
Der obere (L-Band) EDFA 920 in der 9 kann in vorteilhafter Weise wie ein solcher konfiguriert werden, der in den Ausführungen der 10–14 beschrieben worden ist.
Die 10 illustriert einen Vorwärts L-Band Verstärker 1000, welcher eine einzelne Länge 1010 einer mit Erbium dotierten, amorphen YAG Faser enthält, so wie oben beschrieben. Die Faser 1010 wird durch eine optische Pumpquelle 1020 über einen Eingang eines ersten WDM Kopplers 1022 gepumpt. Optische Eingangssignale auf einer Eingangsöffnung 1030 werden in die Faser 1010 über einen ersten optischen Isolator 1032 und über einen zweiten WDM Koppler 1022 eingestrahlt. Der Ausgang der Faser 1010 wird an die Ausgangsöffnung 1034 über einen zweiten optischen Isolator 1036 geliefert. Die Eingangsöffnung 1030 des Verstärkers 1000 in der 10 wird an die obere Ausgangsöffnung des WDM Kopplers 930 in der 9 gekoppelt und die Ausgangsöffnung 1034 wird an die obere Eingangsöffnung des Kopplers 932 in der 9 gekoppelt. In der 10 enthält die optische Pumpquelle 1020 eine erste optische Pumpe 1050, welche Pumplicht bei einer ersten optischen Wellenlänge λ_p1 liefert, und eine zweite optische Pumpe 1052, welche Pumplicht bei einer zweiten optischen Wellenlänge λ_p2 liefert. Die Ausgänge der zwei Pumpen 1050, 1052 werden in einem zweiten WDM Koppler 1054 kombiniert. Der Ausgang des zweiten WDM Kopplers 1054 wird zu dem ersten Eingang des ersten WDM Kopplers 1022 als das zusammengesetzte Pumpsignal geliefert. Die zwei Pumpsignale können bei anderen bekannten Verfahren multiplexiert werden. Bei einem bevorzugten Verfahren der Betriebsweise beträgt die erste Pumpwellenlänge λ_p1 entweder 980 Nanometer oder 1.480 Nanometer (oder eine andere Pumpwellenlänge von Er³⁺, welche vorzugsweise frei von einem durch Pumpen angeregten Absorptionszustand ist) und die zweite Pumpwellenlänge λ_p2 beträgt annähernd 1.555 Nanometer. Diese Pumpsignale können mit einem Halbleiterlaser oder mit einem anderen Festkörperlaser erzeugt werden. Die zwei Wellenlängen λ_p1 und λ_p2 werden in die Faser 1010 aus dem ersten WDM Koppler 1022 injiziert. Die erste Pumpwellenlänge λ_p1 spielt dieselbe Rolle wie die Pumpwellenlänge in einem C-Band EDFA. Insbesondere erzeugt die erste Pumpwellenlänge λ_p1 eine Besetzungsinversion in der Faser 1010 und daher liefert sie eine Verstärkung. Das Verstärkungsspektrum ist jedoch in dem C-Band am größten und in dem L-Band relativ schwach. Als ein Ergebnis davon wird die spontane Emission stark verstärkt in dem C-Band, was eine starke durch das C-Band verstärkte spontane Emission (ASE = amplified spontaneous emission) ergibt, welche die Verstärkung über die gesamte Verstärkungsbandbreite der Faser 1010 hinweg erschöpft, einschließlich der Verstärkung in dem L-Band. Daher wird die Verstärkung in dem L-Band vermindert und im Allgemeinen wird die Verstärkung in dem L-Band zu gering, um von praktischer Bedeutung zu sein. Um die Verstärkung in dem L-Band zu verbessern, wird die C-Band ASE vermindert. Mit dem Verfahren der Arbeitsweise gemäß der Konfiguration der 10 wird die C-Band ASE vermindert durch das zweite Pumpen bei der Wellenlänge λ_p2. Die Wellenlänge des zweiten Pumpens wird so ausgewählt, dass sie annähernd 1.555 Nanometer beträgt, um mit einem hohen Verstärkungsgebiet in dem C-Band zusammenzufallen. Das bei der Wellenlänge λ_p2 in die Faser 1010 injizierte Pumpen wird stark verstärkt, was eine Erschöpfung der Verstärkung sowohl in dem C-Band als auch in dem L-Band verursacht. Aber das Pumpen bei der Wellenlänge λ_p2 vermindert auch dramatisch die Leistung in der C-Band ASE (Siehe zum Beispiel J. F. Massicott et al., Low noise operation of Er³⁺ doped silica fibre amplifier around 1,6 μm, Electronic Letters, Vol. 28, No. 20, Sept. 1992, Seiten 1924–1925.) Die verminderte Leistung in der C-Band ASE veranlasst, dass die Verstärkung in beiden Banden anwächst. Von diesen zwei antagonistischen Wirkungen stellt sich heraus, dass der letztere Effekt der dominierende Effekt ist, so dass die L-Band Verstärkung anwächst und sogar gegenüber der C-Band Verstärkung dominiert. Dieser Typ von L-Band Verstärker weist eine gute (niedrige) Rauschzahl auf, aber der Wirkungsgrad seiner Verstärkung ist gering (es bedarf einer hohen Pumpleistung, um eine gegebene Verstärkung zu erzeugen).
Die 11 illustriert eine Konfiguration 1100, welche ähnlich wie die Konfiguration der 8 ist. Die Konfiguration 1100 enthält eine in Vorwärtsrichtung gepumpte, mit Erbium dotierte, amorphe YAG Faser 1110. Die Faser 1110 kann entweder bei 980 Nanometer oder bei 1.480 Nanometer gepumpt werden (oder bei einer anderen ESA-freien Pumpwellenlänge von Erbium) aus einer optischen Pumpquelle 1120 über einen WDM Koppler 1130. Die ersten und zweiten optischen Isolatoren 1140, 1142 arbeiten so wie dies oben beschrieben worden ist.
Die in der 11 gezeigte Konfiguration wird vorwärts gepumpt. Ein Pumpen nach rückwärts und ein bidirektionales Pumpen ist auch möglich. Erbium zeigt eine starke Grundzustandsabsorption (GSA = ground state absorption) in dem C-Band, aber wenig bis keine GSA in dem L-Band. GSA nimmt mit wachsender Wellenlänge in dem L-Band ab. Konsequenterweise wird dann, wenn die Länge der Faser 1110 ansteigt, an einem bestimmten Punkt die GSA für die C-Band Wellenlängen so groß, dass für eine gegebene Pumpleistung in dem C-Band keine Verstärkung vorhanden ist, sondern eher ein Verlust. Andererseits befindet sich in dem L-Band viel weniger GSA und man erzielt eine Verstärkung. Solch eine allgemeine Methode, um einen Verstärker mit einer einstellbaren Verstärkung in dem L-Band auszulegen, besteht darin, eine Faser 1110 auszuwählen, die lang genug ist, zum Beispiel zweimal so lang, wie es für einen C-Band Verstärker in demselben Fasertyp erforderlich ist. Dieser Ansatz zerstört die Verstärkung in dem C-Band und vermindert drastisch die ASE in dem C-Band. Daher wird die Konfiguration der 11 ein L-Band Verstärker, welcher in den oberen Arm der Konfiguration der 9 mit eingebunden werden kann.
Die 12 illustriert eine weitere Konfiguration 1200 eines L-Band Verstärkers, welcher ähnlich ist wie diejenige des in der 11 illustrierten Verstärkers. Die Konfiguration 1200 enthält eine mit Erbium dotierte, amorphe YAG Faser 1210 zwischen zwei WDM Kopplern 1220, 1222. Der erste WDM Koppler 1220 ist an eine Eingangsöffnung 1230 über einen ersten optischen Isolator 1232 gekoppelt. Der zweite WDM Koppler 1222 ist an eine Ausgangsöffnung 1240 über einen zweiten optischen Isolator 1242 gekoppelt. Eine erste optische Pumpquelle 1250 ist über den ersten WDM Koppler 1220 an die Faser 1210 gekoppelt, um Pumplicht in die Faser 1210 in die Richtung von dem ersten WDM Koppler 1220 hin in die Richtung des zweiten WDM Kopplers 1222 auszubreiten. Eine zweite optische Pumpquelle 1252 ist über den zweiten WDM Koppler 1222 an die Faser 1210 gekoppelt, um Pumplicht in die Faser 1210 in die Richtung von dem zweiten WDM Koppler 1222 hin in die Richtung des ersten WDM Kopplers 1220 auszubreiten. Daher breitet sich das Pumplicht von den zwei Quellen bidirektional in der Faser 1210 aus. Eine ähnliche, bidirektionale Konfiguration unter Verwendung herkömmlicher, mit Erbium dotierter Fasern ist zum Beispiel beschrieben von H. Ono et al., Gain-flattened Er³⁺-doped fiber amplifier for a WDM signal in the 1,57–1,60 μm wavelength region, in IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 9, No. 5, May 1997, Seiten 596–598, welcher Artikel eine ähnliche Ausführung zeigt unter Verwendung herkömmlicher, mit Erbium dotierter Fasern auf Siliziumdioxidbasis. Die Konfiguration der 12 arbeitet in einer ähnlichen Art und Weise wie die Konfiguration der 11. Die zweite Pumpquelle 1252, welche Pumplicht in der Rückwärtsrichtung liefert, wird dazu verwendet, um eine Anpassung des Verstärkungsspektrums zu ermöglichen. Insbesondere kann das Verstärkungsspektrum über einen weiten Bereich der Bandbreite des L-Bandes geglättet werden, indem man die Rückwärtspumpleistung geeignet anpasst.
Die 13 illustriert eine weitere Konfiguration 1300 eines L-Band Verstärkers. Die Konfiguration 1300 enthält zwei mit Erbium dotierte, amorphe YAG Fasern 1310, 1312, welche in Reihe miteinander über einen WDM Koppler 1320 verbunden sind. Insbesondere ist eine Eingangsöffnung 1330 an das eine Ende der ersten Faser 1310 über einen ersten optischen Isolator 1332 gekoppelt. Das andere Ende der ersten Faser 1310 ist mit einem Eingang des WDM Kopplers 1320 verbunden. Eine Pumpquelle 1340 ist mit einem zweiten Eingang des WDM Kopplers 1320 verbunden. Der Ausgang des WDM Kopplers 1320 ist mit dem einen Ende der zweiten Faser 1312 verbunden. Das andere Ende der zweiten Faser 1312 ist mit einer Ausgangsöffnung 1350 über einen zweiten optischen Isolator 1352 verbunden. Die von der Pumpquelle 1340 gelieferte Wellenlänge des Pumplichts liegt in vorteilhafter Weise bei etwa 980 Nanometer oder bei etwa 1.480 Nanometer. Die Pumpquelle 1340 pumpt die zweite Faser 1312, welche eine Verstärkung in der zweiten Faser 1312 erzeugt. Die zweite Faser 1312 erzeugt verstärkte spontane Emission (ASE) in der Rückwärtsrichtung, d.h. eine Emission, die in die Richtung des WDM Kopplers 1320 emittiert wird. Die ASE aus der zweiten Faser 1312 wird durch den WDM Koppler 1320 in die erste Faser 1310 gekoppelt. Diese ASE ist etwa um den Wert von 1.550 Nanometer (das C-Band) herum zentriert und die ASE wird durch die erste Faser 1310 absorbiert. Die erste Faser 1310 wird daher optisch gepumpt und erzeugt eine Verstärkung in dem L-Band Bereich. Siehe zum Beispiel J. Lee et al., Enhancement of the power conversion efficiency for an L-Band EDFA with a secondary pumping effect in the unpumped EDF section, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11, No. 1, Jan. 1999, Seiten 42–44, welcher Artikel eine ähnliche Ausführung zeigt unter Verwendung herkömmlicher, mit Erbium dotierter Fasern auf Siliziumdioxidbasis.
Die 14 illustriert eine Konfiguration 1400, die ähnlich ist wie die Konfiguration 1300 der 13. Die Konfiguration 1400 enthält eine erste mit Erbium dotierte, amorphe YAG Faser 1410 und eine zweite mit Erbium dotierte, amorphe YAG Faser 1412, welche in Reihe miteinander über einen WDM Multiplexer 1420 verbunden sind. Insbesondere ist eine Eingangsöffnung 1430 an das eine Ende der ersten Faser 1410 über einen ersten optischen Isolator 1432 gekoppelt. Das andere Ende der ersten Faser 1410 ist mit einem Eingang des WDM Kopplers 1420 verbunden. Eine Pumpquelle 1440 ist mit einem zweiten Eingang des WDM Kopplers 1420 verbunden; jedoch anders als bei der Ausführung der 13 ist die Pumpquelle 1440 mit einem zweiten Eingang des WDM Kopplers 1420 verbunden, welcher sich gegenüber dem ersten Eingang des WDM Kopplers 1420 befindet. Der Ausgang des WDM Kopplers 1420 ist mit dem einen Ende der zweiten Faser 1412 verbunden. Das andere Ende der zweiten Faser 1412 ist mit einer Ausgangsöffnung 1450 über einen zweiten optischen Isolator 1452 verbunden. In der Konfiguration 1400 wird das Pumplicht von der Pumpquelle 1440 auf die erste Faser 1410 gerichtet und der ASE Ausgang der ersten Faser 1410 bei etwa 1.555 Nanometer liefert das Pumplicht für die zweite Faser 1412. Der rückwärts gepumpte Dual-EDFA der 14 ist in vorteilhafter Weise ein bisschen effizienter als der in der Vorwärtsrichtung gepumpte EDFA der 13. Siehe zum Beispiel J. Lee et al., Enhancement of the power conversion efficiency for an L-Band EDFA with a secondary pumping effect in the unpumped EDF section, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11, No. 1, Jan. 1999, Seiten 42–44, welcher Artikel eine ähnliche Ausführung zeigt unter Verwendung herkömmlicher, mit Erbium dotierter Fasern auf Siliziumdioxidbasis.
Es versteht sich nach dem Stand der Technik, dass diese verschiedenen Ausführungen gewisse Vorteile darstellen hinsichtlich der Kriterien von Effizienz und Rauschzahl, aber auch hinsichtlich von Größe, Komplexität, Kosten, Reproduzierbarkeit bei der Herstellung usw. Weiterhin könnte eine besondere Konfiguration bei einem besonderen Typ einer Anwendung bevorzugt werden, und eine andere Konfiguration könnte bei einer anderen Anwendung bevorzugt werden.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung weist viele vorteilhafte Merkmale auf im Vergleich zu bekannten Verfahren, die Verstärker verwenden, welche aus anderen Fasern oder Wellenleitern hergestellt worden sind, die zum Beispiel Siliziumdioxid, Fluorzirkonat, Tellurit und dergleichen enthalten. Zum Beispiel besteht ein vorteilhaftes Merkmal des Verfahrens darin, dass die Bandbreite des C-Bandes breiter ist als diejenige von Erbium bei anderen bekannten Breitbandmaterialien. Fluoreszenz ist bei einigen Materialzusammensetzungen bis herunter auf annähernd 1.481 Nanometer (3-dB Punkt) beobachtet worden, was auf eine erweiterte Bandbreite in dem kurzwelligen Ausläufer des C-Bandes hinweist. Daher ist in diesen amorphen YAG-Verbundmaterialien die Verstärkungsbandbreite in dem kurzwelligen Ausläufer des C-Bandes wesentlich verbreitert.
Ein zweites Merkmal des Verfahrens besteht darin, dass die Bandbreite des L-Bandes breiter ist als diejenige von Erbium bei anderen bekannten Breitbandmaterialien. Fluoreszenz ist bei einigen Materialzusammensetzungen bis hinauf zu annähernd 1.653 Nanometer (3-dB Punkt) beobachtet worden, was auf eine erweiterte Bandbreite in dem langwelligen Ausläufer des L-Bandes hinweist. Die L-Band Bandbreite ist annähernd 60% breiter als diejenige von Erbium in irgendwelchen anderen bekannten Fasermaterialien.
Ein drittes Merkmal des Verfahrens besteht darin, dass durch das Kombinieren des zuvor erwähnten L-Band Verstärkers und des zuvor erwähnten C-Band Verstärkers unter Verwendung des allgemeinen in der 9 illustrierten Schaltkreises oder unter Verwendung des Schaltkreises der 8 der sich daraus ergebende Verstärker eine C-Band und eine L-Band Verstärkung über eine Bandbreite liefert, die breiter ist als diejenige von Erbium in irgendwelchen anderen bekannten Breitbandmaterialien. Zum Beispiel kann unter Verwendung des Schaltkreises der 9 eine Fluoreszenz von annähernd 1.481 Nanometer bis zu annähernd 1.653 Nanometer beobachtet werden oder eine 3-dB Bandbreite von annähernd 172 Nanometer, was annähernd zweimal so breit ist wie die breiteste Fluoreszenzbandbreite, die mit Erbium in anderen bekannten Breitbandmaterialien beobachtet worden ist.
Ein viertes Merkmal des Verfahrens besteht darin, dass das Verfahren unter Verwendung sehr kurzer L-Band und C-Band Faserverstärker ausgeführt werden kann, ein Merkmal, das mehrere Vorteile aufweist, etwa zum Beispiel Kompaktheit und verminderte Kosten. Ein anderer technischer Vorteil besteht darin, dass das Verfahren eine Verminderung von schädlichen, nichtlinearen Wirkungen zeigt, welche ein Problem bei den bekannten L-Band Verstärkern darstellen. Mit irgendeiner optischen Faser beginnen dann, wenn das Produkt der sich ausbreitenden Signalintensität mit der Länge, über welche die Signale sich ausbreiten, zu groß wird, einige nichtlineare Wirkungen aufzutreten, wie etwa zum Beispiel eine stimulierte Brillouinstreuung (SBS = stimulated Brillouin scattered) und eine Kreuzphasenmodulation (XPM = cross-phase modulation). Beide Effekte sind schädlich für die Arbeitsweise der EDFA. Die SBS wandelt das sich in die Vorwärtsrichtung ausbreitende Signallicht um in ein sich in die Rückwärtsrichtung ausbreitendes Signallicht mit einer damit verbundenen Frequenzverschiebung. Beides, sowohl die Erzeugung des sich in Rückwärtsrichtung ausbreitenden Lichts als auch die Frequenzverschiebung sind schädlich. Der XPM Effekt kann veranlassen, dass die auf dem einen Signal kodierte Information teilweise auf ein anderes Signal übertragen wird, was zu einer unerwünschten Übersprecherscheinung führt. Der SBS Effekt und der XPM Effekt treten sowohl in dem Verbindungsteil einer Faserverbindung als auch in dem EDFA selbst auf. Die Kommunikationsfaser ist sehr lang (Zehner von Kilometern), aber das Modusfeld einer Kommunikationsfaser ist vergleichsweise weit (d.h. die Intensität ist für eine gegebene Pumpleistung geringer), was sowohl den XPM als auch den SBS Effekt in der Kommunikationsfaser vermindert. Andererseits impliziert ein EDFA eine erheblich kürzere Faserlänge, aber sein Modusfeld ist im Allgemeinen beträchtlich kleiner (d.h. die mit Erbium dotierte Faser trägt eine viel höhere Signalintensität als die Kommunikationsfaser). Daher kann der XPM Effekt in einem EDFA stark sein, insbesondere in den herkömmlichen L-Band EDFAs, welche eine längere mit Erbium dotierte Faser als die herkömmlichen C-Band EDFAs implizieren. Die mit Erbium dotierten, amorphen YAG Materialien, welche gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, vermeiden diese Probleme, indem sie die erforderliche Faserlänge grob in dem Verhältnis der Erbiumkonzentrationen vermindern, welches typischerweise ein Faktor von 100 oder größer ist. Daher werden die Wirkungen des XPM Effekts und des SBS Effekts in diesen Fasern auch wegen der verminderten Faserlänge vermindert.
Für eine jede der hier vorgestellten Konfigurationen können die Länge der verschiedenen mit Erbium dotierter Fasern, die Leistung in den verschiedenen Pumpvorrichtungen und andere Parameter theoretisch und experimentell bewertet werden, um bestimmte EDFA Parameter zu optimieren, wie etwa die Verstärkung, das Verstärkungsprofil, die Rauschzahl, die Pumpeffizienz usw., unter Verwendung theoretischer Modelle und experimenteller Techniken, welche in der Literatur beschrieben sind und welche nach dem Stand der Technik gut bekannt sind.
Obwohl das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung oben in Verbindung mit den mit Erbium dotierten, amorphen YAG Fasern beschrieben worden ist, so sollte doch verstanden sein, dass das Verfahren ebenso unter Verwendung einer planaren Wellenleitertechnologie angewendet werden kann. Insbesondere kann das Verfahren mit planaren Kanalwellenleitern angewendet werden, wenn solche Wellenleiter unter Verwendung eines mit Erbium dotierten, amorphen YAG Materials gebaut werden.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist teilweise entstanden aus der Entdeckung, dass der ⁴I_13/2 → ⁴I_15/2 Übergang des Er³⁺ in einem amorphen YAG eine Fluoreszenzbandbreite zeigt, welche extrem breit ist, nämlich etwa 121 Nanometer in einer mit 8% Erbium dotierten Faser, und teilweise aus der Entdeckung, dass höhere Konzentrationen an Er³⁺ (und vielleicht an anderen Ionen der seltenen Erden) zu einer breiteren Fluoreszenzbandbreite führen und zu breiteren, optischen Verstärkungsspektren.
Die Anmelder haben ein Verfahren der Verstärkung für mit Erbium dotierte L-Band Faserverstärker beschrieben, welche eine neue Klasse von Materialien verwenden, welche ein im Wesentlichen breiteres L-Bandspektrum für den ⁴I_13/2 → ⁴I_15/2 Übergang des Er³⁺ als in irgendeinem anderen bekannten Material erzeugen. Die Anmelder haben auch ein Verfahren der Verstärkung für mit Erbium dotierte C-Band Faserverstärker beschrieben, welche eine neue Klasse von Materialien verwenden, welche ein im Wesentlichen breiteres C-Bandspektrum für den ⁴I_13/2 → ⁴I_15/2 Übergang des Er³⁺ als in irgendeinem anderen bekannten Material erzeugen.
BESCHREIBUNG AUS DER INTERNATIONALEN VERÖFFENTLICHUNG NO. WO 97/25284
Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Faser, welche in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden kann, um die vorliegende Erfindung zu implementieren, ist offenbart worden von Paul C. Nordine et al., in Fiber Drawing from Undercooled Molten Materials, WIPO Internationale Veröffentlichung No. WO 97/25284, veröffentlicht am 17. Juli 1997. Die detaillierte Beschreibung wird unten in Verbindung mit den 16–23 dargelegt, welche den 1–8 aus der WO 97/25284 entsprechen.
Gemäß der Internationalen Veröffentlichung No. WO 97/25284 waren Paul C. Nordine et al. überrascht zu entdecken, dass das Unterkühlen bestimmter flüssiger Schmelzen unter kontrollierten Bedingungen zu einer Bildung von Schmelzen mit ausreichender Viskosität führen kann, um ein Faserziehen zu ermöglichen ohne eine Rekristallisation des Flüssigkeitsvolumens, einschließlich von Schmelzen mit solchen Schmelzpunktviskositäten, die zu gering sind, um derartige Arbeitsweisen zu ermöglichen. In dieser Schrift sind Beispiele von Fasern beschrieben, welche aus unterkühlten Schmelzen ausgehend von mehreren Oxidmaterialien gezogen worden sind, bei welchen Fasern bei oder über dem Schmelzpunkt aus den Schmelzen nicht gezogen werden konnten. Unter Verwendung der Verfahren nach WO 97/25284 werden Fasern schnell aus solchen Schmelzen gezogen unter Unterkühlungsbedingungen von Temperaturen bis zu der Gleichgewichtsschmelztemperatur und bei mehr als 20% unter der Gleichgewichtsschmelztemperatur. Glasfasern können auch überraschenderweise aus unterkühlten Schmelzen von chemischen Zusammensetzungen gezogen werden, welche höhere Konzentrationen an Zusatzstoffen enthalten als bei den bisherigen Fasern nach dem Stand der Technik vorhanden sind. Zusätzlich wird angemerkt, dass die gemäß den Verfahren nach WO 97/25284 gezogenen Fasern überraschenderweise hohe Zugfestigkeiten aufweisen, was gemäß einer Hypothese auf die relativ fehlerfreie und rissfreie Oberfläche der Fasern nach WO 97/25284 zurückzuführen ist.
Die Verfahren nach WO 97/25284 verwenden eine "Stange" (stinger), um den Zug einzuleiten. Die Fähigkeit, Fasern zu züchten wird deutlich beeinflusst durch die physikalischen Eigenschaften der Stange und durch mehrere Bedingungen, unter denen die Stange verwendet wird, wie etwa das Material, die Größendimensionen, die Oberflächenendbearbeitung der Stange, die Tiefe, bis zu welcher die Stangenspitze in die Flüssigkeit eingetaucht wird, und von der Verweilzeit der Stange in der Flüssigkeit, bevor das Ziehen eingeleitet wird. Die Steuerung dieser Eigenschaften und Verfahren beeinflusst die Oberflächenbenetzung und die Haftung und sie ermöglicht eine beträchtliche Steuerung über den Faserziehprozess.
Die Verfahrenschritte des Verfahrens nach WO 97/25284 enthalten, kurz beschrieben, (i) ein Schmelzen von Proben ausgewählter Materialien, entweder unter behälterlosen Bedingungen, um Flüssigkeitstropfen zu erzeugen, die sich im Schwebezustand befinden, oder unter Behälterbedingungen wie zum Beispiel in einem Schmelztiegel, (ii) ein Abkühlen der Flüssigkeit auf eine Temperatur unterhalb dem Schmelzpunkt, d.h. um die Flüssigkeit zu unterkühlen, und (iii) den Schritt, die unterkühlte Flüssigkeit mit einer Stangensonde in Kontakt zu bringen, und ein Zurückziehen der Sonde unter den gewünschten Bedingungen, um eine Faser aus der Flüssigkeit heraus zu ziehen.
In allen Fällen wird die Kontrolle des Faserdurchmessers erzielt durch die Steuerung (i) der Viskosität der Flüssigkeit (durch ein Verändern der Schmelztemperatur und/oder der Gasumgebung) und (ii) der Ziehgeschwindigkeit der Faser. Die in den unten beschriebenen Experimenten verwendeten Gase enthalten zum Beispiel Sauerstoff, Luft und Argon, obwohl andere Gase auch verwendet werden können, wie zum Beispiel Stickstoff, Helium, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und Wasserdampf. Im Allgemeinen begünstigen schnellere Ziehgeschwindigkeiten und/oder kleinere Viskositäten dünnere Faserdurchmesser. Die obere Grenze der Faserdurchmesser wird bestimmt durch das Minimum der Ziehgeschwindigkeit, welche verwendet werden kann, ohne dass eine Kristallisation in der Masse der unterkühlten Schmelze eingeleitet wird. Die untere Grenze des Faserdurchmessers wird bestimmt durch das Maximum der Ziehgeschwindigkeit, welche erzielt werden kann, ohne dass die Faser bricht oder dass man sie aus der Schmelze heraus zieht.
Zusätzlich können Glasfasern, welche gemäß den Verfahren nach WO 97/25284 gezogen worden sind, in kristalline Fasern umgewandelt werden, indem man die Glasfasern auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher eine Kristallisation des besonderen Glases stattfindet.
Das nach WO 97/25284 beschriebene Verfahren ermöglicht es, Fasern von hoher Reinheit aus einer Zahl von Materialien herzustellen, von denen bekannt ist, dass sie eine hohe Festigkeit und Steifigkeit, kleine Kriechgeschwindigkeiten, eine hohe Oxidationsbeständigkeit oder eine chemische Kompatibilität mit den Komponenten der Verbundmaterialien bei hohen Temperaturen aufweisen. Dasselbe ermöglicht es, Fasern aus Materialien herzustellen, welche eine geringe Absorption elektromagnetischer Strahlung zeigen, wie etwa, aber nicht darauf beschränkt, diejenigen Materialien, welche in Telekommunikationsanwendungen und als faseroptische Lichtleiter verwendet werden, und Fasern aus Materialien von hoher Reinheit. Das in WO 97/25284 offenbarte Verfahren ermöglicht auch eine Synthese homogener Glasfasern, welche hohe Konzentrationen an Dotierungselementen enthalten können, dies für Verwendungen wie etwa, aber nicht darauf beschränkt, Faserlaseranwendungen und Anwendungen von Faserlaserverstärkungen. Gemäß WO 97/25284 können die Fasern schnell gezogen werden, was eine weniger kostenaufwendige Produktion ermöglicht, und sie können kristallisiert werden, um stabile Materialien herzustellen, welche zum Beispiel verwendet werden können bei den gegenüber der Oxidation widerstandsfähigen Verbundmaterialien mit strukturellen Anwendungen bei hoher Temperatur, etwa bei Auskleidungen für Turbinenbrennkammern und Schubdeflektoren. Das Verfahren gemäß WO 97/25284 ermöglicht auch die Synthese von Fasern mit einer verbesserten Zugfestigkeit und Steifigkeit für den Einsatz bei Anwendungen von Verbundmaterialien, die aus einer Polymermatrix bestehen. Zusätzlich erweitert das Verfahren gemäß WO 97/25284 den Bereich derjenigen Materialien erheblich, welche in Fasern umgewandelt werden können, indem man sie aus flüssigen Schmelzen auszieht.
BEISPIEL 1 – VORRICHTUNG ZUM FASERZIEHEN
16 stellt eine bevorzugte Anordnung zum Ziehen von Fasern aus unterkühlten Schmelzen dar, entweder unter Schmelzbedingungen mit einem Behälter oder unter behälterlosen Schmelzbedingungen, wobei die in WO 97/25284 offenbarten Prinzipien verwendet werden. Es ist wichtig anzumerken, dass ein neues und kritisches Merkmal der Stangenvorrichtung nach WO 97/25284 darin besteht, dass die Fasern nach ihrer Bildung nicht durch eine Düse oder eine ähnliche Formvorrichtung gezogen werden. In diesem Beispiel sind behälterlose Bedingungen dargestellt, obwohl die Grundsätze und die Methode des Faserziehens mit irgendeiner Schmelze verwendet werden können, aus welcher Fasern erwünscht sind, einschließlich aus in einem Behälter enthaltenen Schmelzen.
Die in 16 dargestellten behälterlosen Bedingungen werden erzielt durch den Einsatz einer aero-akustischen Levitationsvorrichtung (AAL), um die Flüssigkeitstropfen, aus denen die Fasern gezogen werden, in Levitation zu versetzen. Dieses Verfahren verwendet aerodynamische Kräfte aus einem Gasstrahl 32 und die Levitation wird stabilisiert durch die Anwendung von akustischen Kräften durch ein dreiachsiges, akustisches Positionierungssystem 33. Gemäß WO 97/25284 sind diese und andere Vorrichtungen, um Proben in Levitation zu halten, nach dem Stand der Technik beschrieben, und es ist bezweckt, dass die Verwendung irgendwelcher Vorrichtungen, um eine unterkühlte Probe in Levitation zu halten, innerhalb des Umfangs der WO 97/25284 liegen sollen. Solche Verfahren erstrecken sich zum Beispiel auf eine elektromagnetische Levitation und auf eine elektrostatische Levitation. Diese Vorrichtungen implizieren die Levitation und das Halten der Schmelze unter hohen Vakuumbedingungen, was eine leichte Anwendung der Methoden zum Faserziehen nach WO 97/25284 auf Metalle, Legierungen und Materialien ermöglicht, welche gegenüber einer Reaktion mit Luft oder Gasarten, die in einer Gasumgebung vorliegen, empfindlich sind.
Der sich in Levitation befindliche Flüssigkeitstropfen 1 wird durch ein Erwärmen und Schmelzen einer Probe mit dem Strahl eines CO₂ Lasers gebildet, obwohl man von der Betrachtung ausgeht, dass irgendwelche Erwärmungsvorrichtung innerhalb dem Umfang der WO 97/25284 liegt, wie etwa zum Beispiel Glühlampen oder Bogenlampen, Erhitzen mittels Mikrowellen, Induktionserwärmung, Öfen oder Levitation in einem heißen Gasstrom. Zusätzlich kann irgendein Laserstrahl, welcher in der Lage ist, eine ausreichende Wärme für die Probe bereitzustellen, mit dem Verfahren gemäß WO 97/25284 verwendet werden. In diesem besonderen Beispiel wird der CO₂ Laserstrahl in zwei Strahlen 34 aufgespaltet, welche auf die gegenüberliegenden Seiten der sich in Levitation befindlichen Probe fokussiert wird, was die Probe veranlasst zu schmelzen. Die Schmelze wird dann bei hohen Temperaturen so lange gehalten, bis sie vollständig geschmolzen ist, und dann wird ein Unterkühlen des geschmolzenen Tropfens eingeleitet und aufrechterhalten, indem man die einfallende Heizleistung ausschaltet oder vermindert.
Eine Stange und eine Vorrichtung 31 zum Ziehen von Fasern, welche aus einer im Durchmesser 0,01 cm großen Stange 2 aus Wolframdraht besteht, die an einem Stab 3 befestigt ist, welcher mit einem Solenoid als Aktuator 4 betrieben wird, wird so positioniert, dass die Spitze der Stange aus Wolframdraht in den in Levitation befindlichen Flüssigkeitstropfen 1 eingefügt wird, wenn der Solenoid betätigt ist. Ein Kontakt zwischen der Stange aus Wolframdraht und der unterkühlten Schmelze muss sorgfältig gesteuert werden, um eine heterogene Keimbildung von Kristallen in der unterkühlten Schmelze auf Grund des Kontaktes mit der Stange zu vermeiden. Obwohl die Keimbildung im Allgemeinen nicht durch den Arbeitsgang des Faserziehens gemäß WO 97/25284 eingeleitet wird, können die mit der heterogenen Keimbildung zusammenhängenden Probleme gemildert werden, wenn die zuvor hergestellten Glasfasern als Stangenmaterial verwendet werden. Obwohl ein Wolframdraht als die Stange bei dieser Ausführung verwendet wird, zieht WO 97/25284 in Betracht, dass Stangen aus verschiedenen Materialien und Größen verwendet werden können, abhängig von der Schmelzenzusammensetzung, der Viskosität und den gewünschten Fasermerkmalen, und solche andere Stangen liegen innerhalb des Umfangs der WO 97/25284.
In diesem Beispiel liefert ein von einer Feder betriebener Ziehmechanismus 5 die Ziehkraft für das Ziehen der Fasern von definierten Längen, obwohl irgendwelche Vorrichtungen zum Ziehen der Faser innerhalb des Umfangs der WO 97/25284 liegen. Die Ziehkraft der Feder wird so angepasst, dass die Kraftkonstante in dem Bereich von k = 0,1–0,25 lb/in liegt. Die Geschwindigkeit des Faserziehens wird weiter gesteuert durch einen Reibungsdämpfer 6. Ein elektronischer Steuerkreis 7 wird verwendet, um den Solenoid als Aktuator in Gang zu setzen und um die Stange während einer vorgegebenen Zeit in dem Flüssigkeitstropfen zu halten, bevor sie dazu freigegeben wird, den Arbeitsschritt des Faserziehens zu ermöglichen. Ein Hochgeschwindigkeitspyrometer 35 wird verwendet, um die Temperatur der sich in Levitation befindenden Probe zu überwachen, welche in Realzeit auf einem Computerbildschirm angezeigt werden kann, und zwar als ein grafischer gegen die Zeit aufgetragener Temperaturverlauf. Die Temperatur des geschmolzenen Tropfens wird auf der gewünschten unterkühlten Temperatur gehalten, indem die Intensität oder die Zeit der Aussetzung der Probe gegenüber dem Laserstrahl erhöht oder vermindert wird.
Natürlich ist es beabsichtigt, dass die Kraftkonstante der Feder und damit die Ziehgeschwindigkeit der Faser angepasst werden können, wenn es notwendig ist, Fasern mit den gewünschten Dimensionen zu erhalten. Zusätzlich ist es beabsichtigt, dass die Vorrichtungen zum Ziehen der Fasern irgendwelche geeigneten Vorrichtungen sein können, zum Beispiel eine Anordnung mit einem Motor und einem Rad, und dass die Ziehkraft gemäß den physikalischen Eigenschaften der gewünschten Faser und der verwendeten Ziehmethoden der Fasern angepasst werden kann.
Das Ziehen der Faser wird eingeleitet durch ein erstes Sperren der Erwärmung durch den Laserstrahl und durch eine Überwachung der Temperatur des Flüssigkeitstropfens, wenn dieser sich abkühlt (als ein grafischer Kurvenverlauf der Temperatur gegen die Zeit auf dem Computerbildschirm angezeigt). Der Solenoid als Aktuator 4 wird manuell in Gang gesetzt, wenn die Temperatur einen im Voraus gewählten Wert erreicht, welcher vorzugsweise innerhalb des Bereiches der optimalen Ziehtemperatur liegt. In dieser besonderen Ausführung wird das Solenoid so ausgelegt, dass es nach dem Einstecken in die Probe automatisch abschaltet. Die Stange wird dann durch die Betätigung des Ziehmechanismus zurückgezogen und eine Faser wird aus dem Flüssigkeitstropfen gezogen. Die Steuerung der Temperatur des Flüssigkeitstropfens ist ein kritischer Teil des Verfahrens gemäß WO 97/25284. Bei Temperaturen, die höher sind als der optimale Temperaturbereich zum Ziehen der Fasern, wird die Stange aus dem Flüssigkeitstropfen herausgezogen, ohne dass dabei eine Faser gezogen wird. Bei Temperaturen, die niedriger sind als der optimale Temperaturbereich, ist die Viskosität der Flüssigkeit so hoch, dass die durch die Stange ausgeübte Kraft auf den Flüssigkeitstropfen bis zu dem Punkt gesteigert werden muss, wo die Kraft die Rückstellkraft der Levitationsvorrichtung übersteigt, und die Stangenbewegung dient dazu, den Flüssigkeitstropfen eher aus der Levitationsposition heraus zu stoßen oder zu ziehen als eine Faser aus der Flüssigkeit zu ziehen. Zusätzlich werden dann, wenn die Schmelztemperatur zu niedrig ist, die resultierenden Fasern kürzer als erwünscht sein. Bei unterkühlten Temperaturen im mittleren Zwischenbereich können Faser von verschiedenen Längen hergestellt werden mit Durchmessern, die von weniger als 1 Mikrometer bis zu über 60 Mikrometer reichen.
Obwohl in diesem Beispiel nur über einen bestimmten Bereich von Fasergrößen berichtet wird, wird in Betracht gezogen, dass Fasern mit einem weiten Größenbereich hergestellt werden können, abhängig von den Ziehbedingungen. Der Durchmesser der Fasern ist größer, wenn das Ziehen bei einer niedrigeren Geschwindigkeit erfolgt. Der Durchmesser der Fasern ist kleiner, wenn das Ziehen bei einer höheren Geschwindigkeit erfolgt. Die Länge der Fasern wird durch zwei Effekte begrenzt. Erstens werden bei niedrigeren Temperaturen die auf den Flüssigkeitstropfen ausgeübten Kräfte den Flüssigkeitstropfen eventuell aus seiner Levitationsposition herausziehen. Zweitens nimmt bei höheren Temperaturen der Faserdurchmesser ab, wenn die Ziehgeschwindigkeit so ansteigt, dass die Zugkräfte nicht länger die Kräfte der Oberflächenspannung überwinden und dass das Ziehen einer Faser aus der Flüssigkeit beendet wird. Innerhalb des geeigneten Ziehtemperaturbereiches können Fasern von extrem langen Längen gezogen werden. Zum Beispiel führt ein Ziehen einer Faser mit einem Durchmesser von 10 Mikrometer, wenn ein Tropfen von 0,35 cm Durchmesser auf 0,25 cm Durchmesser vermindert wird, zu einer Faser mit einer Länge von 18.000 cm.
Die 17 illustriert ein bevorzugtes Verfahren gemäß den Grundsätzen der WO 97/25284 zum Ziehen von Fasern aus mehr als einer Richtung aus einem im Schwebezustand befindlichen Flüssigkeitstropfen unter behälterlosen Bedingungen. Bei diesem Verfahren wird ein sich in Levitation befindlicher Flüssigkeitstropfen anfänglich in einer Levitationsdüse 16 hergestellt oder unter Verwendung einer anderen Technik des Levitationsschmelzens. Die Fasern 17 werden gleichzeitig von entgegengesetzten Seiten des Flüssigkeitstropfens her in entgegengesetzte Richtungen gezogen durch die Einwirkung von Motoren und Rädern 18 oder durch andere Ziehvorrichtungen, welche eine Steuerung der Stangenarbeitsbewegung und der Geschwindigkeit des Ziehens der Fasern ermöglichen werden. Die Ziehkräfte sind entgegengesetzt und können so gesteuert werden, dass sie nahezu gleich und entgegengesetzt sind, so dass die resultierende Kraft auf den Flüssigkeitstropfen vermindert werden wird und der Tropfen nicht aus seiner Anfangsposition weggezogen werden wird. Die Figur illustriert auch ein Erwärmen durch einen Laserstrahl 19 oder durch eine andere strahlende Wärmequelle, welche mit einer Linse 20 auf die obere Oberfläche des sich in Levitation befindenden Flüssigkeitstropfens fokussiert wird. Die Temperatur in dem erhitzten Bereich kann oberhalb des Schmelzpunktes gehalten werden, während die Temperatur in anderen Bereichen des Flüssigkeitstropfens abnehmen wird, und sie kann an den Seiten des Flüssigkeitstropfens ausreichend unterkühlt werden, um ein Faserziehen zu erlauben. Das aus dem Tropfen entfernte Fasermaterial kann aufgefüllt werden, indem man Feststoffmaterial 21 in den strahlend erhitzten Bereich hinzu gibt und dort schmilzt, wobei das Material zu der sich in Levitation befindlichen Flüssigkeit in kontrollierten Raten als ein Strom von Pulver oder als ein Stab oder als mehrere Stäbe aus Feststoffmaterialien hinzugegeben werden kann. Dadurch dass man eine Steuerung der Ziehgeschwindigkeit der Faser, der Zugabe und des Schmelzens des Materials in dem strahlend erhitzten Bereich und des Aufrechterhaltens eines unterkühlten Bereiches, aus dem die Fasern zu ziehen sind, mit einbezieht, kann ein kontinuierlicher Prozess erreicht werden, um lange und kontinuierliche Fasern herzustellen. Natürlich betrachtet das in WO 97/25284 offenbarte Verfahren das Ziehen von einzelnen Fasern aus einer einzelnen Richtung oder das Ziehen von mehrfachen Fasern aus vielen Richtungen, welche aus Positionen gezogen werden, welche die Schmelze nicht merklich aus ihrer sich in Levitation befindlichen Position verschieben.
Die Bedingungen für die Stange und die Betriebsweise umfassen ein Priming der Stange durch einen Kontakt mit der Schmelze bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt, vor der Verwendung derselben zum Ziehen von Fasern aus der unterkühlten Schmelze, und die Zeitdauer, die es der Stange erlaubt, im Kontakt mit dem geschmolzenen Tropfen zu bleiben (typischerweise 1–50 Millisekunden, obwohl die Zeit des Primings in Abhängigkeit von der Stange, von der Zusammensetzung der Schmelze und von der Viskosität in der Schmelze variieren kann), und die Entfernung, bis zu welcher die Stange in die Schmelze eingetaucht wird, sowie die Geschwindigkeiten der Stangeneinführung in und des Rückzuges aus der Schmelze. Wenn die Temperatur zu hoch ist, kann eine Keimbildung durch die Stange durch eine schnelle Einführung/ein schnelles Zurückziehen der Stange vermieden werden, aber die Geschwindigkeiten des Ziehens darf nicht zu hoch sein, um eine Faser aus der Schmelze zu ziehen. Bei der geeigneten, unterkühlten Temperatur steigt die Viskosität der Schmelze bis zu dem Punkt an, wo Fasern gezogen werden können, und die Geschwindigkeit der Kristallisation nimmt auf eine Geschwindigkeit ab, die niedriger ist als diejenige, welche nahe bei dem Schmelzpunkt beobachtet worden ist.
BEISPIEL 2 – FASERZIEHEN UNTER VERWENDUNG EINER LEVITATIONSVORRICHTUNG MIT KONISCHER DÜSE
18 illustriert die Anordnung zum Ziehen von Fasern aus Schmelzen unter Verwendung eines Motor- und Radzusammenbaus und einer Levitationsvorrichtung mit konischer Düse (CNL = conical nozzle levitation), um Fasern von Proben mit einem Durchmesser von 0,25–0,40 cm in Levitation zu halten und zu ziehen, obwohl größere Proben in Levitation gehalten werden können, abhängig von ihrer Oberflächenspannung und Dichte. Ein Strom eines Levitationsgases 8 fließt durch eine Diffusorkammer 9, durch die Düse 10 und über die in Levitation gehaltene Probe 11. Die in Levitation gehaltenen Proben werden erhitzt und mit einem CO₂ Laserstrahl 12, welcher mit einer ZnSe Linse 13 auf die obere Oberfläche der Probe fokussiert wird, geschmolzen. Die Temperatur der Probe wird gesteuert, indem man den erhitzenden Laserstrahl sperrt unter Verwendung irgendwelcher, verfügbarer Mittel zur Signalsperrung oder durch Veränderungen in der Laserleistung. Die Fasern 76 werden aus der unteren Oberfläche der unterkühlten Schmelze gezogen unter Verwendung eines Wolframstangendrahtes 77, welcher durch die Düse zugeführt wird und von einem Zusammenbau 14 aus einem reversiblen Schrittmotor und aus einem Rad angetrieben wird. Die Stange umfasst einen langen, an dem Rad befestigten Wolframdraht, welcher auf das Rad aufgewickelt wird, wenn das Ziehen der Faser eintritt. Natürlich zieht man in Betracht, dass andere Laser verwendet werden können, um die Probe zu erwärmen, zum Beispiel ein kontinuierlicher Nd-Yttrium-Aluminium-Granat(Nd-YAG)-Wellenlaser. Natürlich kann irgendeine Heizmethode zusätzlich zu den Lasern verwendet werden, welche die Materialien auf wirksame Weise schmelzen wird und den Arbeitsgang des Ziehens nicht beeinträchtigt. Es wird auch in Betracht gezogen, dass irgendwelche Antriebsvorrichtungen für das Ziehverfahren verwendet werden können, zusätzlich zu der Stangenmethode des Beispiels 1 und der oben beschriebenen Anordnung aus Schrittmotor und Rad.
Die Richtung und die Beschleunigung der Motor- und Radanordnung 14 werden von einem Computer gesteuert, um die Stange zu bewegen, um die Beschleunigung der Ziehgeschwindigkeit der Faser zu variieren und um eine konstante Ziehgeschwindigkeit der Faser zu erzielen. Ein Hochgeschwindigkeitspyrometer wird verwendet, um die Probentemperatur zu überwachen und das Abkühlungsverhalten zu steuern. Die Stange und die resultierenden Fasern werden auf das an dem Motor 14 befestigte Rad aufgewickelt, ohne dass dabei eine weitere mechanische Bearbeitung durchlaufen wird, wie etwa ein Ziehen durch eine Düse. Bei dieser Ausführung werden Fasern bei Geschwindigkeiten bis zu 120 cm/Sekunde gezogen, obwohl die Ziehgeschwindigkeit der Faser abhängig ist von der einzelnen Vorrichtung, die verwendet wird, um die Antriebskraft für das Ziehen bereitzustellen (hier der Motor und das Rad). Die Beschleunigung der Stange wird von einem Computer gesteuert und es wird eine Beschleunigung verwendet, die gleich einem Wert von 1200 cm/sec2 ist, obwohl WO 97/25284 in Betracht zieht, dass andere Beschleunigungsraten verwendet werden können, abhängig von dem besonderen Material, das gezogen werden soll, und von den gewünschten Fasereigenschaften. Fasern von bis zu 60 cm Länge und mit gleichmäßigen Durchmessern von 5–20 Mikrometer können mit dieser Vorrichtung gezogen werden, obwohl andere Längen und Durchmesser erzielt werden können, indem man unterschiedliche Verfahrensbedingungen verwendet. Die Stangen- und Faserzieharbeitsgänge werden typischerweise innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 0,6 Sekunden abgeschlossen, obwohl die Zeit variieren kann in Abhängigkeit von der Viskosität der Schmelze, von der Kristallisationsgeschwindigkeit und von der Geschwindigkeit, mit welcher die Fasern gezogen werden. Es ist notwendig, die Faser anfänglich bei einer Geschwindigkeit zu ziehen, bei welcher ein Kontakt der Schmelze mit der Stange keine Kristallisation der Schmelze induziert.
Ein Faserziehen mit der CNL Vorrichtung kann eingeleitet und fortgesetzt werden bei tieferen Temperaturen als mit der oben in dem Beispiel 1 beschriebenen AAL Vorrichtung, weil die flüssige Probe nicht durch die Faser weggezogen wird, wenn die Ziehkraft groß ist. Bei tieferen Temperaturen, wenn die Viskosität der Schmelze größer ist, und bei höheren Ziehgeschwindigkeiten, bei denen die Faserziehkraft größer ist, wird die Ziehkraft ausreichend, um die Schmelze so zu verschieben, dass die Schmelze in Kontakt mit den Seiten der Levitationsdüse kommt. Eine Kristallisation der Schmelze wird durch diesen Kontakt mit der Düse eingeleitet, das Ziehen der Fasern setzt sich jedoch so lange fort, bis die Schmelze bis zu dem Punkt des Faserziehens kristallisiert. Bei Temperaturen, bei denen die Ziehkraft für die Schmelze ausreichend groß ist, um Kontakt mit der Düse herzustellen, ist die Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls typischerweise niedrig genug, so dass das Zentrum der Probe während einer Zeitdauer flüssig bleibt, die ausreicht, um kontinuierliche Fasern von Längen von mehr als 60 cm zu ziehen.
Zum Beispiel sind bei tieferen Temperaturen, bei denen die Flüssigkeitstropfen aus Mullit- oder aus Yttrium-Aluminium-Granat(YAG)-Zusammensetzungen unter einer Ziehgeschwindigkeit von 120 cm/Sekunde verschoben werden, um einen Kontakt mit der Düse herzustellen, die Wachstumsgeschwindigkeiten des Kristalls wesentlich kleiner als 1 cm/Sekunde. Die Kontaktpunkte zwischen der Flüssigkeit und der Düse sind annähernd 0,2 cm weit von dem Punkt entfernt, an dem die Fasern gezogen werden. Daher wird das Faserziehen fortgesetzt während einer Zeit, die größer als 0,2 Sekunden nach dem Kontakt mit der Düse ist, um Fasern von einer Länge zwischen 24 und 60 cm Länge zu ergeben. Der Ansatz, der unterkühlten Flüssigkeit zu ermöglichen, in Kontakt mit einer mechanischen Rückhalteeinrichtung zu kommen als ein Ergebnis der Verschiebung durch die Faserziehkraft, kann daher dazu verwendet werden, Fasern von nützlichen Längen zu ziehen. Überraschenderweise breiten sich die durch den Kontakt mit der mechanischen Rückhalteeinrichtung gekeimten Kristalle mit begrenzten Geschwindigkeiten aus und sie beeinträchtigen das fortgesetzte Ziehen der Fasern nicht, so lange, bis diese Kristalle den Punkt erreichen, an welchem die Fasern aus der Flüssigkeit gezogen werden.
Die Abkühlungsgeschwindigkeit des gezogenen Stranges kann geschätzt werden. Zum Beispiel wird für eine Faser, die einen Durchmesser von 10 Mikrometer aufweist und in der Luft bei einer Geschwindigkeit von 100 cm/Sekunde unter Verwendung der CNL Vorrichtung gezogen wird, die Abkühlungsgeschwindigkeit wie folgt berechnet.
Zum Beispiel betrachtet man einen flüssigen Oxidtropfen, dessen Temperatur bei 1500 Grad C liegt. Die Dicke der thermischen Grenzschicht an dem Flüssigkeitstropfen ist beträchtlich kleiner als der Probendurchmesser an dem Stagnationspunkt des Levitationsgasflusses, welcher derselbe Punkt ist, an dem die Faser aus der Flüssigkeit gezogen wird. Für einen typischen Flüssigkeitstropfen mit 0,3 cm Durchmesser und eine Ziehgeschwindigkeit von 100 cm/Sekunde wird das Fasermaterial in weniger als 0,003 Sekunden durch die Grenzschicht gezogen. Unter der Annahme, dass das Fasermaterial sich im thermischen Gleichgewicht mit dem Gas befindet, würde die Abkühlungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 500.000 Grad C/Sekunde liegen. Diese Abkühlungsgeschwindigkeit würde auftreten, wenn der Wärmefluss an der Faseroberfläche annähernd 700 Watt/cm² beträgt, so wie man dies aus der Veränderungsgeschwindigkeit der Enthalpie der Faser mit 10 Mikrometer im Durchmesser pro Einheitsfläche berechnet, und wenn man sich dabei auf die thermischen Eigenschaften zum Beispiel des Aluminiumoxids stützt.
Man nehme nun an, dass die Faser heiß bleibt. Der konvektive Strahlungsfluss q'' aus der Faser bei 1500 Grad C zu dem kalten Umgebungsgas ist gegeben durch: q'' = [Nuhkf(Tf – Ta)]/dwobei

T_f und T_a: die Faser- bzw. die Umgebungstemperaturen darstellen,
k_f: die thermische Leitfähigkeit des Gases bei der mittleren Gas-"Film"-Temperatur = (T_f + T_a)/2 ist,
d: den Faserdurchmesser darstellt, und
Nu_h: die Nusselt-Zahl für den Wärmeübergang bezeichnet.

Für die angenommenen Bedingungen beträgt k_f annähernd 4 × 10^–4 Watt/(cm Grad C), N_uh beträgt annähernd 1 und q'' beträgt annähernd 600 Watt/cm². Daher führt die Annahme, dass die Faser nicht abkühlt zu einem Wärmefluss, der vergleichbar ist mit einem solchen, der erforderlich ist, um das thermische Gleichgewicht mit dem Umgebungsgas aufrechtzuerhalten. Es kann daher gefolgert werden, dass die CNL Faserziehungsmethode Abkühlungsgeschwindigkeiten in der gezogenen Faser von einigen 100.000 Grad C/Sekunde für Fasern mit 10 Mikrometer Durchmesser aufweist. Für große Faserdurchmesser ist die Abkühlungsgeschwindigkeit kleiner und steht annähernd im Verhältnis zu dem Quadrat des Faserdurchmessers. Somit werden Abkühlungsgeschwindigkeiten von mehr als 4.000 Grad C/Sekunde für Fasern mit 50 Mikrometer Durchmesser auftreten.
BEISPIEL 3 – ZIEHEN VON FASERN AUS MULLITSCHMELZEN
19 illustriert die Zeit- und Temperaturbedingungen, unter denen die Fasern aus unterkühlten Schmelzen mit der Mullitkomposition gezogen werden, eine 60:40 Molfraktion von Al₂O₃:SiO₂ unter Verwendung der Faserziehmethoden nach WO 97/25284.
19 zeigt das typische Zeit-Temperaturgeschehen einer sich in Levitation befindlichen Probe während der Experimente des Faserziehens als einen grafischen Funktionsverlauf der Temperatur, gemessen mit dem optischen Pyrometer, als eine Funktion der Zeit. Vor dem illustrierten Zeitpunkt werden die Proben mit einem CO₂ Laserstrahl geschmolzen und gleichzeitig in einer AAL Vorrichtung in einem Fluss von Argongas in Levitation gehalten und bei einer konstanten Temperatur gehalten. Der Temperaturbereich für das Faserziehen wird bestimmt durch ein Ziehen von Fasern bei verschiedenen Temperaturen unter Verwendung der in der 16 illustrierten und in dem Beispiel 1 beschriebenen Ziehvorrichtung mit Faserstangenvorrichtung. Der zeitliche Abfall der Temperatur während der Zeitdauer von 0 bis 2,0 Sekunden des aufgezeichneten Zeitintervalls zeigt ein Abkühlen der Flüssigkeit anschließend an ein Sperren des erhitzenden Laserstrahls. Der Temperaturbereich, in welchem Fasern erfolgreich aus der unterkühlten Flüssigkeit während dieser Abkühlungsperiode gezogen werden können, ist in der Figur angezeigt. Während der Zeitdauer von annähernd 2,0 bis 2,2 Sekunden ist ein rapider Temperaturanstieg bis hinauf zu dem Schmelzpunkt der Probe gezeigt. Dieser Temperaturanstieg tritt auf, wenn die unterkühlte Flüssigkeit spontan kristallisiert. Die durch die Kristallisation freigesetzte Energie ist ausreichend, um die Probe bis hinauf zu dem Schmelzpunkt zu erwärmen, wo die Temperatur annähernd konstant bleibt, während sich die Kristallisation weiter fortsetzt. Schließlich fällt die Temperatur auf Grund des Wärmeverlustes aus der festen Probe ab, nachdem die gesamte Flüssigkeit verbraucht worden ist.
Wie man aus der 22 ersehen kann, ist die Zusammensetzung des kristallinen Mullits, welches sich bei höheren Temperaturen im Gleichgewicht mit der Flüssigkeit befindet, nicht bei tieferen Temperaturen innerhalb des Mullitphasenfeldes enthalten. Das Diagramm zeigt daher, dass der bei den höchsten Temperaturen im Gleichgewicht mit der Flüssigkeit gebildete Mullit bei tieferen Temperatururen thermodynamisch nicht stabil sein wird. Der Mullit, bei höheren Temperaturen, im Gleichgewicht mit der Flüssigkeit wird einen Überschuss an Aluminiumoxid enthalten, welches dazu neigen wird, eine zweite Phase niederzuschlagen, wenn der Mullit abgekühlt oder in einer Anwendung bei höheren Temperaturen verwendet wird. Im Gegensatz hierzu kann die Zusammensetzung der Glasfasern, welche gemäß den Grundsätzen der WO 97/25284 hergestellt werden, unabhängig gewählt werden, um innerhalb des Mullitphasenfeldes bei der beabsichtigten Anwendungstemperatur zu liegen. Die Glasfasern können erwärmt werden, um sich in reine, kristalline Mullitfasern umzuwandeln, welche im Hinblick auf den Niederschlag einer zweiten Phase bei der Anwendungstemperatur stabil sind.
Es ist auch in vielen Fällen möglich, Glasfasern zu ziehen, bei welchen Rekaleszenz (durch die Kristallisation freigesetzte Wärme, welche zu einem Temperaturanstieg bis zu dem Schmelzpunkt führt) beobachtet wird. Zum Beispiel können Glasfasern der Mullitzusammensetzung so erzielt werden, wie es in diesem Beispiel beschrieben ist, sogar dann, wenn Rekaleszenz beobachtet wird.
BEISPIEL 4 – FASERN, WELCHE AUS UNTERKÜHLTEN SCHMELZEN UNTER VERWENDUNG VON BEHÄLTERSYSTEMEN GEZOGEN SIND
Die Beschreibung in WO 97/25284 betrachtet auch Fasern, welche in Behältersystemen gezogen werden. 21 illustriert eine bevorzugte Ausführung eines Verfahrens zum Tragen einer Flüssigkeit unter Verwendung eines Behälters, welcher das Faserziehen aus unterkühlten Schmelzen ohne Rekristallisation ermöglicht. Ein wichtiges Merkmal des Verfahrens besteht in dem Aufbau und dem Halten eines Temperaturgradienten innerhalb des Behälters so, dass ein Teil der geschmolzenen Massen unterkühlt ist. Bei diesem Verfahren wird das interessierende Material 30 ins Innere eines offenen Behälters 22 gebracht, wie etwa eines Schmelztiegels, wobei der Behälter bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt gehalten wird. Eine Abdeckplatte 25, welche auch bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt gehalten wird, kann anfänglich auf den Behälter gelegt werden, um ein thermisches Gleichgewicht innerhalb des Behälters zu erzielen und um das Schmelzen des Materials vollständig abzuschließen. Die Abdeckplatte kann dann herunter genommen oder ganz entfernt werden, wodurch eine Wärmeverlust und ein Abkühlen der Schmelzoberfläche ermöglicht wird. Die Bedingungen des Wärmeübergangs an der Schmelzoberfläche 23 können so gesteuert werden, das der zentrale Bereich der ausgesetzten Schmelzoberfläche unterkühlt wird, wodurch das Ziehen von Fasern aus der unterkühlten Flüssigkeit ermöglicht wird. Die inneren Wände des Behälters 28 und ein kleiner Teil der Flüssigkeit 27 in der engen Nachbarschaft der Wände des Behälters können oberhalb der Schmelztemperatur gehalten werden, so dass eine heterogene Keimbildung von Kristallen an den Wänden nicht eintreten kann.
21 zeigt den erhitzenden Schmelztiegel 22 und das geschmolzene Material 30, aus dem mehrere Fasern 24 durch die Öffnungen in der erhobenen Abdeckplatte 25 gezogen werden können, welche größer als die Fasern sind, oder durch Öffnungen in einer getrennten Führung unter Einwirkung von zum Beispiel eines Motors und eines Rades 26 oder mit Hilfe von anderen Zieheinrichtungen. Das aus der Schmelze entfernte Fasermaterial kann wieder aufgefüllt werden, indem man Feststoffmaterial in den Bereich einführt und dort schmilzt, wo die Schmelztemperatur den Schmelzpunkt übersteigt. Das Ziehen wird eingeleitet durch die Verwendung von einer oder von mehreren Stangen (nicht gezeigt), so wie dies oben in dem Beispiel 1 beschrieben worden ist, und durch die Einwirkung der Motor- und Radanordnung oder von anderen Zieheinrichtungen.
Die Temperatur auf der Oberfläche der Flüssigkeit und des Schmelztiegels wird schematisch illustriert in dem unteren Teil der 21 als eine Funktion der Querposition auf der Oberfläche des Schmelztiegels und der darin enthaltenen Flüssigkeit. Die Gleichgewichtsschmelztemperatur wird auf der Ordinate dieses Teiles der 21 mit Tm bezeichnet. Die Temperatur des Schmelztiegels und diejenige von jenem Teil der Flüssigkeit in der Nähe der Wände des Schmelztiegels liegt über Tm, während die Temperatur der Flüssigkeitsoberfläche weiter von den Wänden des Behälters entfernt auf einen Wert von weniger als Tm abfällt. Die Temperatur in dem Mittelpunkt der ausgesetzten Flüssigkeitsoberfläche kann wie folgt geschätzt werden, unter der Annahme, dass der Durchmesser des Behälters viel größer ist als die Tiefe der Flüssigkeit, so dass die Wärme von dem Boden aus zu der Oberfläche hin geleitet wird. Zum Zwecke des Abschätzens der Größe des Temperaturgradienten wird auch angenommen, dass der konvektive Wärmeverlust vernachlässigbar ist, dass Wärme von der Oberfläche der Flüssigkeit nur durch Strahlung verloren geht und dass Strahlungswärme nicht auf die Flüssigkeitsoberfläche zurückreflektiert wird. Der Temperaturabfall in der Flüssigkeit ist dann näherungsweise gegeben durch die unten stehende Gleichung, in welcher die rechte Seite den Wärmefluss wiedergibt von der Oberfläche des Bodens, welche auf der Temperatur des Schmelztiegels gehalten wird, hin zu der Oberfläche der Flüssigkeit, und wobei die linke Seite den Wärmestrahlungsverlust von der Flüssigkeitsoberfläche angibt: σεT4 S = k(Tc – TS)/hwobei σ = 5,67 × 10^–12 Watt/(cm² Grad K⁴), die Stefan-Boltzmann Konstante, ε, beträgt annähernd 0,8 für Flüssigkeitsoxide, das Emissionsvermögen der Flüssigkeitsoberfläche, T_S, ist die Temperatur der Flüssigkeitsoberfläche, T_c die Temperatur des Schmelztiegels und h die Tiefe der Flüssigkeitsschicht.
Typische Werte für die thermische Leitfähigkeit, k, von Oxiden bei hohen Temperaturen liegen in dem Bereich von 0,02 bis 0,2 Watt/(cm Grad C).
Unter Verwendung von Mullit als ein Beispiel mit T_c = 1.900 Grad C (leicht oberhalb des Schmelzpunktes) und T_S = 1.670 Grad C (annähernd 200 Grad C an Unterkühlung) hat Nordine et al. einen Wert h = 0,045 bis 0,45 cm erhalten, abhängig von dem tatsächlichen Wert von k.
Die obige Berechnung zeigt, dass eine geschätzte Flüssigkeitstiefe von weniger als 0,5 cm ausreichend ist, um eine tiefe Unterkühlung an der Flüssigkeitsoberfläche in einem Behälter zu erzielen, welcher oberhalb des Schmelzpunktes gehalten wird. Diese Tiefe ist klein genug, auf dass die Annahme einer Flüssigkeitstiefe von viel weniger als den Durchmesser des Behälters leicht erfüllt werden kann.
BEISPIEL 5 – WIRKUNG EINER GASFÖRMIGEN UMGEBUNG UND REKALESZENZ
Man hat herausgefunden, dass das Maß der Unterkühlung, die Herstellung einer Glasmasse und die Bedingungen zum Faserziehen von der gasförmigen Umgebung abhängen. In diesem Beispiel wird über das Faserziehen unter drei verschiedenen gasförmigen Umgebungen berichtet: Luft, reiner Sauerstoff und reines Argongas. Man zieht jedoch in Betracht, dass andere Gase verwendet werden können, wie unter anderen zum Beispiel Stickstoff, Helium, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und Wasserdampf.
Zum Beispiel kann eine Glasmasse aus einer Y₃Al₅O₁₂ Zusammensetzung unter Argon ohne Kristallisation hergestellt werden. In Luft oder Sauerstoff kristallisiert die flüssige Y₃Al₅O₁₂ Zusammensetzung spontan, wenn sie unterkühlt wird. Ein zweites Beispiel wird bereitgestellt durch reines Aluminiumoxid, für welches die Flüssigkeit in Argon bis auf 450 Grad C unter den Schmelzpunkt abgekühlt werden kann und in Luft oder Sauerstoff auf nur 360 Grad C unter den Schmelzpunkt, bevor eine spontane Kristallisation eintritt. Die durch die Kristallisation freigesetzte Wärme führt zu einer Rekaleszenz. Es ist möglich, in allen Fällen Glasfasern zu ziehen, bei welchen Proben aus der Glasmasse gebildet werden und eine Kristallisation nicht auftritt, wenn die Schmelze abgekühlt ist. Es ist oft möglich, Glasfasern in vielen Fällen zu ziehen, in denen eine Rekaleszenz beobachtet wird. Zum Beispiel können in einer Sauerstoffumgebung Glasfasern aus der Mullitzusammensetzung erhalten werden, wo die Rekaleszenz auch beobachtet worden ist. Diese Fasern werden aus der unterkühlten Schmelze bei Temperaturen oberhalb derjenigen Temperatur gezogen, bei welcher Kristalle aus der Schmelze keimen und eine spontane Kristallisation der Schmelze eintritt.
Typische Abkühlungsgeschwindigkeiten einer Flüssigkeitsmasse sind 100–500 Grad C/Sekunde unter den Bedingungen, welche zu einer spontanen Kristallisation einer unterkühlten Schmelze mit Rekaleszenz führen. Es ist bekannt, dass eine Glasbildung aus einer Schmelze eintreten wird, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit für die Glasbildung übersteigt; somit weist die Beobachtung einer Rekaleszenz darauf hin, dass die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeitsmasse nicht erzielt worden ist. Glasfasern können jedoch noch erzielt werden durch ein Ziehen der Fasern, wenn die Temperatur der Flüssigkeit größer ist als die Temperatur, bei welcher eine spontane Kristallisation stattfindet. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Verfahren des Ziehens einer Faser zu einer Abkühlungsgeschwindigkeit der Fasern führt, welche die freie Abkühlungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitstropfens übersteigt.
BEISPIEL 6 – NEUE FASERZUSAMMENSETZUNGEN
Die Tabelle II listet die Zusammensetzungen einiger neuer Fasern auf, welche erzielt werden können unter Verwendung der Verfahren nach WO 97/25284. Die in der Tabelle II aufgelisteten Fasern können gezogen werden unter Verwendung einer Vielfalt von Verfahren, einschließlich der in dem Beispiel 1 beschriebenen Ziehvorrichtung mit Stangeneinrichtung und der in der 18 gezeigten und in dem Beispiel 2 beschriebenen Anordnung aus Motor und Rad. Die Schmelzen können suspendiert werden unter Verwendung irgendwelcher Levitationsvorrichtungen, einschließlich sowohl der AAL- als auch der CNL-Vorrichtung, die beide oben beschrieben worden sind, oder die Schmelzen können in einem Behälter enthalten sein, so wie es zum Beispiel oben in dem Beispiel 4 beschrieben worden ist. Die festen Proben werden aus den reinen Elementaroxiden durch Schmelzen in einem Laserherd erzeugt, ein Verfahren, welches nach dem Stand der Technik gut bekannt ist. Zusätze an Neodymium oder Erbium werden verwendet mit bei Verhältnissen von 50:50 an Al₂O₃:SiO₂ und 63:37 an Al₂O₃:Y₂O₃ und anderen Materialien.
Für Temperaturen an oder über den Schmelzpunkten weisen Schwingungen und ein Fluidfluss, die in den sich in Levitation befindlichen Schmelzen beobachtet werden, darauf hin, dass die Schmelzen eine niedrige Viskosität aufweisen, vergleichbar mit der Viskosität von flüssigem Aluminiumoxid und viel kleiner als die Viskosität der typischen Glas bildenden Materialien wie etwa Siliziumdioxid oder an Siliziumdioxid reichen Schmelzen. Die niedrige Viskosität dieser Schmelzen zeigt sich auch in der Tatsache, dass Fasern nicht aus den Schmelzen bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt gezogen werden können. In allen hierin beschriebenen Fällen können jedoch Glasfasern aus unterkühlten Schmelzen gezogen werden unter Verwendung von Verfahren entsprechend WO 97/25284. Die aus den Schmelzen gezogenen Glasfasern sind in allen Fällen gleichmäßig in ihrem Aussehen. Eine visuelle Prüfung unter einem Mikroskop deckt keinen Beweis für einen Niederschlag von sekundären Phasen in den Fasern auf.
Die Synthese von Glasfasern mit hohen Konzentrationen an optisch-aktiven Dotierungsstoffen kann erzielt werden durch ein Hinzugeben von Nd₂O₃ und Er₂O₃ zu den Materialien mit 50:50 an Al₂O₃:SiO₂ und mit 63:37 an Al₂O₃:Y₂O₃. Die verwendeten Konzentrationen an Zusatzstoffen sind viel größer als die typischen Konzentrationen von 1% oder weniger bei den bisherigen Fasern nach dem Stand der Technik. Das Verfahren nach WO 97/25284 erzielt diese Fasern mit hohen Konzentrationen an Zusatzstoffen, indem zuerst das Material auf eine Temperatur erwähnt wird, bei welcher alle Komponenten eine vollständig geschmolzene Flüssigkeit bilden. Beim Unterkühlen steigt die Viskosität ausreichend an, so dass die Glasfasern aus der Schmelze gezogen werden können. Da die unterkühlte Schmelze nicht kristallisiert, bleibt sie homogen und ermöglicht damit, dass die Glasfasern mit hohen Konzentrationen an Zusatzstoffen gebildet werden.
Zusätzlich ist auch die Synthese von Fasern mit sehr hoher Reinheit und von Fasern mit extrem kleinen Konzentrationen an Zusatzstoffen ebenso möglich. Die Verwendung behälterloser Bedingungen, um die Schmelze aufrechtzuerhalten, erlaubt der Schmelze, gereinigt zu werden durch (i) ein Verdampfen der Verunreinigungen und (ii) eine reaktive Vergasung der Verunreinigungen. Zum Beispiel kann Aluminiumoxid, welches anfänglich etwa 0,0005 Molprozent an Chrom enthält (5 Teile pro Million Teile Chrom = 5 ppm), gereinigt werden durch ein behälterloses Schmelzen und Erwärmen der Flüssigkeit auf Temperaturen bis zu 2400 Grad C. Die analysierte Konzentration an Chrom wird um Faktoren von bis zu 1 Million mal vermindert in ein paar Minuten der Verarbeitung. Auf ähnliche Weise ist die Reinigung von vielen Oxiden durch eine Verdampfung möglich mit Hilfe von Mitteln, die nach dem Stand der Technik bekannt sind. Wenn Materialien bei sehr hohen Temperaturen in einem Behälter verarbeitet werden, dann wird die Auflösung des Behältermaterials in der Schmelze eine Reinigung der Flüssigkeit verhindern. Daher können, indem man die Flüssigkeit unter behälterlosen Bedingungen reinigt, Fasern hergestellt werden, die weniger als 0,0001 Molprozent (1 ppm) an Verunreinigungen enthalten. Auf ähnliche Weise können, indem man zuerst die Flüssigkeit reinigt, Zusatzstoffe verwendet werden, um gesteuerte Konzentrationen an Zusatzstoffen in dem Bereich von weniger als 0,0001 Molprozent bis zu 50 Molprozent in Fasern zu erzielen, die aus der Flüssigkeit heraus gezogen werden.
Glasfasern mit der chemischen Zusammensetzung CaAl₂O₄ werden unter behälterlosen Bedingungen gemäß den Verfahren nach WO 97/25284 synthetisiert, wobei die Schmelze ausreichend unterkühlt wird, so dass die Fasern gezogen werden können. Das Verfahren des Faserziehens ist in der 18 dargestellt und die Levitation findet in einem Sauerstoffgas statt. Die Fasern werden aus einer Schmelze gezogen, welche bis auf eine Temperatur von annähernd 200 Grad C unter der Schmelztemperatur des Materials unterkühlt ist. Bei einer weiteren Unterkühlung tritt keine Kristallisation auf und es werden Proben aus der Glasmasse aus CaAl₂O₄ erhalten. Man zieht in Betracht, dass andere Verfahren des Faserziehens verwendet werden können, zum Beispiel die in der 16 gezeigte Faserstangenzugvorrichtung, und irgendein Verfahren, welches zu gezogenen Fasern führt, wird als ein solches betrachtet, das in den Rahmen des Schutzumfanges von WO 97/25284 fällt.
Unter Verwendung der Verfahren nach WO 97/25284 können Glasfasern aus CaO-Al₂O₃ Schmelzen synthetisiert werden, welche als biokompatible, strukturelle Materialien verwendet werden können, die keine Silikose verursachen, wenn man sie einatmet, so wie dies in dem U.S. Patent No. 5,552,213 offenbart worden ist.
Unter Verwendung der Verfahren nach WO 97/25284 können Glasfasern auch mit der chemischen Zusammensetzung des Minerals Forsterit, Mg₂SiO₄, hergestellt werden. Dieses Mineral ist thermodynamisch kompatibel mit dem Mineral Enstatit, Mg₂SiO₆, welches nach dem Stand der Technik dafür bekannt ist, eine Interphasenabschwächung der Beschichtung bei dem Einsatz für das Verfestigen von Verbundmaterialien zu ergeben. Die Forsteritfasern werden gebildet unter Verwendung der in der 16 illustrierten Faserstangenzugvorrichtung und aus Schmelzen, welche sich in Levitation befinden und welche in der Levitationsvorrichtung mit einer konischen Düse unterkühlt worden sind.
Die 20 zeigt das Gleichgewichtsphasendiagramm des Aluminiumoxid-Siliziumdioxid-Systems, welches den gesamten Bereich der Zusammensetzungen zwischen dem reinen Siliziumdioxid und Aluminiumoxid illustriert. Man kann aus der Tabelle II ersehen, dass die in WO 97/25284 offenbarte Arbeit eine Glasfaserbildung über einen weiten Bereich von Zusammensetzungen erzielt, welcher ebenfalls Zusammensetzungen enthält, für welche reines Mullit bei tieferen Temperaturen stabil ist.
BEISPIEL 7 – KRISTALLISATION VON FASERN
Die gemäß WO 97/25284 hergestellten Fasern können auch kristallisiert werden. Tabelle III berichtet über die Kristallisation von Glasfasern mit einer Mullitzusammensetzung, z.B. 60:40 an Al₂O₃:SiO₂ bei Temperaturen von 1100 Grad C und 1200 Grad C. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Verfahren des Ziehens von Glasfasern aus einer unterkühlten Schmelze, gefolgt von einer Erwärmung auf eine Zwischentemperatur, kristalline Fasern mit gesteuerten, chemischen Zusammensetzungen ergibt, welche bei den Zwischentemperaturen stabil sind.
Die Ziehgeschwindigkeit der Faser wird so gesteuert, dass sie typischerweise die Kristallisationsgeschwindigkeit der unterkühlten Schmelze übersteigt, und die in den Fasern erzielte Abkühlgeschwindigkeit ist typischerweise größer als die kritische Abkühlgeschwindigkeit für die Glasbildung in den Materialien, welche zu Fasern gezogen werden. Die Kristallisationsgeschwindigkeiten oder die kritischen Abkühlgeschwindigkeiten für die Glasbildung sind nicht genau als eine Funktion der Temperatur bekannt. Für Mullitfasern ist eine Faserziehgeschwindigkeit von 30 cm/s ausreichend, um eine Schmelzkristallisation zu vermeiden. Beim Mullit beträgt die Kristallisationsgeschwindigkeit annähernd 3 cm/s bei 200 K unter dem Schmelzpunkt.
Die Kristallisationsgeschwindigkeit ist für flüssiges Yttriumoxid-Aluminiumoxid größer als für flüssige Mullitzusammensetzungen. Glasfasern aus Yttriumoxid-Aluminiumoxid von einer Länge von ein Paar mm werden bei 30 cm/s gezogen und Fasern bis zu einer Länge von 60 cm werden bei 100 cm/s gezogen unter Verwendung des in der 18 dargestellten Motor- und Radzusammenbaus unter einem Strom von reinem Argongas. Die Flüssigkeit wird bis auf annähernd 200 Grad C unter den Schmelzpunkt abgekühlt.
So wie dies in dem Beispiel 2 gezeigt worden ist, wird die in den Fasern erzielte Abkühlgeschwindigkeit abnehmen, wenn der Faserdurchmesser zunimmt. Die Ziehgeschwindigkeit, welche erforderlich ist, um Fasern mit einem gegebenen Durchmesser zu erzielen, wird ebenfalls abnehmen, wenn der Faserdurchmesser zunimmt. Daher können beim Ziehen von Fasern mit einem großen Durchmesser Bedingungen eintreten, unter welchen die in den Fasern erzielte Abkühlgeschwindigkeit kleiner ist als die kritische Abkühlgeschwindigkeit für die Glasbildung. Die unter dieser Bedingung erhaltenen Fasern werden dann mindestens etwas kristallines Material enthalten. Weiterhin werden, wenn die Kristallisationsgeschwindigkeit unter den Bedingungen des Faserziehens die Ziehgeschwindigkeit der Faser übersteigt, die in der Faser gebildeten Kristalle sich in der Faser ausbreiten, um eine Kristallisation der unterkühlten Flüssigkeit zu veranlassen, aus welcher heraus die Fasern gebildet werden, wodurch somit das Faserziehverfahren beendet wird.
Die Tabelle III stellt die Daten des Zugspannungstests für Glasfasern dar, welche aus den unterkühlten Schmelzen gezogen worden sind, und für kristalline Fasern, welche durch ein Erwärmen der gezogenen Fasern an der Luft gebildet worden sind. Es ist von Interesse anzumerken, dass die Fasern, wenn sie gezogen sind, sehr hohe Zugfestigkeiten aufweisen. Die Zugfestigkeiten der im Handel erhältlichen Fasern nach dem bisherigen Stand der Technik mit ähnlichen Zusammensetzungen sind auf weniger als 3 GPa beschränkt, verglichen mit den Werten der Zugfestigkeit von bis zu 6,4 GPa bei Fasern der Mullitzusammensetzung, welche man gemäß den Grundsätzen von WO 97/25284 erzielt hat.
TABELLE II: CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG VON GLASFASERN, DIE AUS UNTERKÜHLTEN SCHMELZEN GEZOGEN WORDEN SIND
TABELLE III: EIGENSCHAFTEN VON FASERN AUS EINER MULLIT-ZUSAMMENSETZUNG
Obwohl das hier vorliegende Verfahren in Verbindung mit optischen Faserverstärkern beschrieben worden ist, kann das Verfahren zur Verstärkung optischer Signale gemäß der vorliegenden Erfindung auch durchgeführt werden unter Verwendung von integrierten optischen Verstärkern, welche aus Proben aus der Masse des amorphen YAG heraus durch Anwenden mehrerer Techniken hergestellt worden sind, die nach dem Stand der Technik gut bekannt sind.

Claims

Verfahren zur Verstärkung optischer Eingangssignale über eine erweiterte optische Bandbreite, wobei das Verfahren aufweist: Eingabe der optischen Eingangssignale in einen Lichtwellenleiter, der seltenerdmetalldotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material aufweist, wobei die optischen Eingangssignale mindestens ein erstes optisches Signal mit einer Wellenlänge von weniger als 1520 Nanometer und mindestens ein zweites optisches Signal mit einer Wellenlänge von mehr als 1610 Nanometer enthalten; und Einstrahlen von Pumplicht in den Lichtwellenleiter, um eine optische Verstärkung der optischen Eingangssignale durch den Lichtwellenleiter zu bewirken, so daß zumindest das erste optische Signal und das zweite optische Signal verstärkt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das eine optische Verstärkung bereitstellt, die ein optisches Signalspektrum über einen Wellenlängenbereich verstärkt, der Wellenlängen von 1480 Nanometer bis 1650 Nanometer enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das amorphe Yttrium-Aluminiumoxid-Material mit Erbium dotiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das amorphe Yttrium-Aluminiumoxid-Material mit Erbium und Ytterbium dotiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Teil der Yttriumatome des Lichtwellenleiters durch Lanthanatome substituiert sind.
Verfahren zur Verstärkung optischer Eingangssignale, wobei das Verfahren aufweist: Eingabe der optischen Eingangssignale in einen Lichtwellenleiter, der ein seltenerdmetalldotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material aufweist, wobei die optischen Eingangssignale mindestens ein optisches Signal mit einer Wellenlänge von weniger als 1520 Nanometer enthalten; und Einstrahlen von Pumplicht in den Lichtwellenleiter, um eine optische Verstärkung durch den Lichtwellenleiter zu bewirken, so daß zumindest das eine optische Signal verstärkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das amorphe Yttrium-Aluminiumoxid-Material mit Erbium dotiert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das amorphe Yttrium-Aluminiumoxid-Material mit Erbium und Ytterbium dotiert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Teil der Yttriumatome des Lichtwellenleiters durch Lanthanatome substituiert sind.
Verfahren zur Verstärkung optischer Eingangssignale, wobei das Verfahren aufweist: Eingabe der optischen Eingangssignale in einen Lichtwellenleiter, der ein seltenerdmetalldotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material aufweist, wobei die optischen Eingangssignale mindestens ein optisches Signal mit einer Wellenlänge von mehr als 1610 Nanometer enthalten; und Einstrahlen von Pumplicht in den Lichtwellenleiter, um eine optische Verstärkung durch den Lichtwellenleiter zu bewirken, so daß zumindest das eine optische Signal verstärkt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das amorphe Yttrium-Aluminiumoxid-Material mit Erbium dotiert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das amorphe Yttrium-Aluminiumoxid-Material mit Erbium und Ytterbium dotiert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Teil der Yttriumatome des Lichtwellenleiters durch Lanthanatome substituiert sind.
Optischer Verstärker, der optische Eingangssignale über eine erweiterte optische Bandbreite verstärkt, wobei der optische Verstärker aufweist: eine optische Pumpquelle, die optisches Pumplicht liefert; und einen Lichtwellenleiter, der seltenerdmetalldotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material aufweist, wobei der Lichtwellenleiter optisch so gekoppelt ist, daß er das optische Pumplicht von der optischen Pumpquelle empfängt, wobei der Lichtwellenleiter optische Eingangssignale mit mehreren Wellenlängen empfängt, wobei die optischen Eingangssignale mindestens ein erstes optisches Signal mit einer Wellenlänge von weniger als 1520 Nanometer und mindestens ein zweites optisches Signal mit einer Wellenlänge von mehr als 1610 Nanometer enthalten, wobei das Pumplicht eine Pumpwellenlänge und eine Intensität bei der Pumpwellenlänge aufweist, die eine optische Verstärkung durch den Lichtwellenleiter bewirkt, so daß zumindest das erste optische Signal und das zweite optische Signal verstärkt werden.
Optischer Verstärker nach Anspruch 14, wobei der Lichtwellenleiter eine optische Verstärkung bereitstellt, um optische Signale mit Wellenlängen über einen Bereich von so kurzen Wellenlängen wie etwa 1480 Nanometer bis zu so langen Wellenlängen wie etwa 1650 Nanometer zu verstärken.
Optischer Verstärker nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, wobei das amorphe Yttrium-Aluminiumoxid-Material mit Erbium dotiert ist.
Optischer Verstärker nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, wobei das amorphe Yttrium-Aluminiumoxid-Material mit Erbium und Ytterbium dotiert ist.
Optischer Verstärker nach Anspruch 14, wobei ein Teil der Yttriumatome des Lichtwellenleiters durch Lanthanatome substituiert sind.
Optischer Verstärker, der optische Eingangssignale verstärkt, wobei der optische Verstärker aufweist: eine optische Pumpquelle, die optisches Pumplicht liefert; und einen Lichtwellenleiter, der seltenerdmetalldotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material aufweist, wobei der Lichtwellenleiter optisch so gekoppelt ist, daß er das optische Pumplicht von der optischen Pumpquelle empfängt, wobei der Lichtwelleneiter optische Eingangssignale mit mehreren Wellenlängen empfängt, wobei die optischen Eingangssignale mindestens ein erstes optisches Signal mit einer Wellenlänge von weniger als 1520 Nanometer enthalten, wobei das Pumplicht eine Pumpwellenlänge und eine Intensität bei der Pumpwellenlänge aufweist, die eine optische Verstärkung durch den Lichtwellenleiter bewirkt, so daß das zumindest das eine optische Signal verstärkt wird.
Optischer Verstärker nach Anspruch 19, wobei der Lichtwellenleiter eine optische Verstärkung bereitstellt, um optische Signale mit Wellenlängen über einen Bereich von so kurzen Wellenlängen wie etwa 1480 Nanometer bis zu so langen Wellenlängen wie etwa 1565 Nanometer zu verstärken.
Optischer Verstärker nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, wobei das amorphe Yttrium-Aluminiumoxid-Material mit Erbium dotiert ist.
Optischer Verstärker nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, wobei das amorphe Yttrium-Aluminiumoxid-Material mit Erbium und Ytterbium dotiert ist.
Optischer Verstärker nach Anspruch 19, wobei ein Teil der Yttriumatome des Lichtwellenleiters durch Lanthanatome substituiert sind.
Optischer Verstärker, der optische Eingangssignale verstärkt, wobei der optische Verstärker aufweist: eine optische Pumpquelle, die optisches Pumplicht liefert; und einen Lichtwellenleiter, der seltenerdmetalldotiertes amorphes Yttrium-Aluminiumoxid-Material aufweist, wobei der Lichtwellenleiter optisch so gekoppelt ist, daß er das optische Pumplicht von der optischen Pumpquelle empfängt, wobei der Lichtwellenleiter optische Eingangssignale mit mehreren Wellenlängen empfängt, wobei die optischen Eingangssignale mindestens ein erstes optisches Signal mit einer Wellenlänge von mehr als 1610 Nanometer enthalten, wobei das Pumplicht eine Pumpwellenlänge und eine Intensität bei der Pumpwellenlänge aufweist, die eine optische Verstärkung durch den Lichtwellenleiter bewirkt, so daß zumindest das eine optische Signal verstärkt wird.
Optischer Verstärker nach Anspruch 24, wobei der Lichtwellenleiter eine optische Verstärkung bereitstellt, um optische Signale mit Wellenlängen über einen Bereich von so kurzen Wellenlängen wie etwa 1565 Nanometer bis zu so langen Wellenlängen wie etwa 1650 Nanometer zu verstärken.
Optischer Verstärker nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, wobei das amorphe Yttrium-Aluminiumoxid-Material mit Erbium dotiert ist.
Optischer Verstärker nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, wobei das amorphe Yttrium-Aluminiumoxid-Material mit Erbium und Ytterbium dotiert ist.
Optischer Verstärker nach Anspruch 24, wobei ein Teil der Yttriumatome des Lichtwellenleiters durch Lanthanatome substituiert sind.