Institut für angewandte Photonik e.V.

Kompetenz des Instituts für angewandte Photonik e. V.
auf dem Gebiet der mikrostrukturierten, bzw. photonischen Fasern

Abbildung 1.
REM-Bild einer Preform für die Herstellung einer mikrostrukturierten Faser, deren Kernbereich aus Nd₂O₃ dotiertem Glas besteht.

Abbildung 2.
REM-Aufnahme des Kernbereichs einer aus der in Abbildung 1 gezeigten Preform hergestellten mikrostrukturierten Faser (Lochdurchmesser: 280 nm, Abstand Loch/Loch: 918 nm, Kerndurchmesser: 1,5 µm)

Abbildung 3.
Mikrostrukturfaser mit zentralem Glaskern und seitlichen Metallfüllungen

Abbildung 4.
Darstellung der Endfläche einer Nd-dotierten Phosphatglasfaser im Laserbetrieb

Das IAP e. V. hat im Rahmen des Verbundprojekts „Photonische Kristallfasern für neuartige Lichtquellen mit steuerbarer Funktionalität“ (Koordinator: IPHT e. V., Jena) Ziehanlagen zur Herstellung von photonischen Kristallfasern aus Weichgläsern aufgebaut. Es steht eine Anlage I zur Herstellung von Glasstäben und – röhren aus geschmolzenen Glasblöcken zur Verfügung. In dieser Anlage können Weichgläser, die mit laseraktiven Ionen (z.B. Ytterbium, Erbium oder Neodym) dotiert sind, zu Ausgangsmaterialien für Faserstrukturen verarbeitet werden. Die Anlage II dient zur Produktion von Preformen, s. Abbildung 1 und mikrostrukturierten (photonischen) Fasern unterschiedlicher Geometrie, s. Abbildung 2. An dieser Anlage ist auch die Möglichkeit der Außenbeschichtung (Coating) der photonischen Fasern gegeben.

Die vorhandenen Ziehanlagen erlauben, maßgeschneiderte mikrostrukturierte, bzw. photonische Kristallfasern herzustellen. Diese Technologie kommt mit wesentlich geringeren Temperaturen aus, als konkurrierende Verfahren, die auf Quarzglas basieren. Strukturen im nm-Größenordnungsbereich lassen sich nach Vorgabe der relevanten Parameter reproduzierbar herstellen.

Neben optische Verfahren steht ein Rasterelektronenmikroskop zu technologiebegleitenden Untersuchungen zur Verfügung.

Die bereits etablierte Ziehtechnik kann von uns sukzessive auf komplexere Aufgaben erweitert werden. Für photonische Fasern, die durch einen Hohlkern und ein strukturiertes cladding gekennzeichnet sind, erlaubt die Ausnutzung photonischer Bandgaps z. B. eine schmalbandige Filterung bzw. die Übertragung ultrakurzer (Femtosekunden) Impulse ohne dispersionsbedingte Impulsbreitenänderung.

Weiterhin ist es uns gelungen, mikrostrukturierte Fasern mit integrierten metallischen Leitern herzustellen, s. Abbildung 3.

Dies ist ein wesentlicher neuer Aspekt, da solche Strukturen als Modulatoren verwendet werden können. Die Fasergeometrie kombiniert in einzigartiger Weise eine lange Wechselwirkungslänge und hohe elektrische Feldstärken bei relativ niedrigen angelegten Spannungen. Schließlich sind die Polarisationseigenschaften derartiger metall-dielektrisch mikrostrukturierter Fasern von besonderem Interesse.

In einer engen Kooperation mit dem Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie wurden die im IAP hergestellten Fasern erfolgreich in verschiedenen experimentellen Anordnungen getestet. So konnte in einer photonischen Kristallfaser mit einer Kagome-Gitter-Struktur aus Weichglas weißes Licht bei Einkopplung von gepulster Laserstrahlung aus einem komerziellen Ti-Saphir-Laser erzeugt werden (siehe P. Glas et al., „Supercontinuum generation in a two-dimensional photonic kagome crystal”, Appl. Phys. B 81, 209 – 217 (2005)).

Ein besonderer Anreiz für die Verwendung von Mikrostrukturfaserlasern liegt in der Realisierung von modengekoppelten Lasern. Mikrostrukturierten Fasern erlauben Dispersion und Nichtlinearität gezielt einzustellen, z. B. ist es möglich einen Nulldurchgang des Dispersionsparameters bei 1 Mikrometer Wellenlänge durch ein geeignetes Faserdesign zu realisieren.

Im Max-Born-Institut ist bereits eine erste Demonstration eines modengekoppelten Mikrostrukturfaserlasers erreicht worden. (siehe M. Moenster et al. „Femtosecond Neodymium-Doped Microstructure Fiber Laser“, Optics Express Vol. 13, No. 21, 8671 – 8677, 2005). Die dazu verwendete und im IAP hergestellte Mikrostrukturfaser zeigt Abbildung 4.

Durch die Mitarbeit des IAP e. V. im durch das BMBF geförderte Verbundprojekt (FKZ des IAP-Teilvorhabens: 13N8334) wurde in Deutschland eine Technologie zur Herstellung von photonischen Kristallfasern aus Weichgläsern für Laseran-wendungen erfolgreich etabliert, die auch bei der Realisierung von weiteren FuE-Projekten auf diesem Gebiet von Nutzen sein sollte.