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DIPLOMARBEIT

Characterization of Optical Fibers in the Mid-Infrared

ausgefhrt am Institut fr u u Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik der Technischen Universitt Wien a von

Martin Dirnwber o

Stzenweg 2 a 2211 Pillichsdorf Matrikelnummer 9325512

Wien, im Mai 2005

Betreuer:

Dr. Martin Pfennigbauer Prof. Dr. Walter R. Leeb

Zusammenfassung Diese Diplomarbeit befasst sich mit Fasern, die zur Ubertragung von elektromagnetischen Wellen mit Wellenlngen im Bereich von 2 20 m konzipiert sind. Der Einsatz von Fasern a an Stelle von Freistrahloptik in optischen Instrumenten ist, neben geringerem Gewicht und Platzbedarf, vor allem aufgrund der Mglichkeit der exiblen Strahlfhrung von Vorteil. o u Teile dieser Arbeit sind in das Projekt Phase Cap Phasing Cababilities for Fiber-Optic Devices eingeossen, das vom Institut fr Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik der u Technischen Universitt Wien fr die Europische Weltraumorganisation ESA durchgefhrt a u a u wird. Das Ziel dieses Projektes ist es, Einsatzmglichkeiten von Fasern in Weltrauminstruo menten zu untersuchen. Wellenfhrung innerhalb des erwhnten Wellenlngenbereiches lsst sich durch verschiedene u a a a Wellenleiterstrukturen (Fasern mit solider Kern-Mantel Struktur, hohle Wellenleiter sowie mikrostrukturierte Fasern) und mit verschiedenen Materialien (Fluorid, Chalcogenid, Germanat, Saphir, Silberhalid) realisieren. Der erste Teil der Arbeit beinhaltet eine Beschreibung der verschiedenen Faserstrukturen, Materialien und Wellenleitungsmechanismen. Im zweiten Teil werden Parameter beschrieben, die eine Charakterisierung jener Fasereigenschaften ermglichen, die fr den Einsatz in Weltrauminstrumenten bedeutend sind. Die o u Fasern werden hierbei hinsichtlich ihrer mechanischen, thermischen und optischen Eigenschaften beschrieben. Es wurde eine Suche nach den fr den Wellenlngenbereich 2 20 m erhltlichen Fasern u a a durchgefhrt. Der dritte Teil meiner Diplomarbeit enthlt Informationen uber den Preis der u a Fasern, die Hersteller, sowie einen Uerblick uber die von den Herstellern angegebenen Param eter. Im vierten Teil werden Messmethoden fr die wichtigsten der zuvor behandelten Parameu ter beschrieben, da viele hinsichtlich der gewnschten Einsatzbereiche wichtige Parameter von den Herstellern nicht oder nur teilweise angegeben werden, und weiters fr Fasern fr diese u u Wellenlngenbereiche keine standardisierten Messmethoden existieren. Besonderes Augena merk wurde dabei auf die Durchfhrbarkeit dieser Messungen mit der im optischen Labor des u Institutes fr Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik vorhandenen Ausstattung gelegt. u

SummaryThe topic of this thesis is bers transmitting light of wavelenghts within 2 20 m. Using bers instead of bulk optics in optical instruments enables exible beam guiding as well as mechanical advantages of reduced weight and space consumption arise. Parts of this work have been used for the project PhaseCap Assessment of Phasing Capabilities for Fiber-Optic Devices, performed by the Insitute of Communications and RadioFrequency Engineering of Vienna University of Technology for the European Space Agency ESA. The aim of this project is to investigate possible elds of application for bers in space instruments. Waveguiding within the wavelength range of 2 20 m can be realized with various structures (bers with solid core-cladding structure, hollow waveguides, and microstructured bers) and materials (Fluoride, Chalcogenide, Germanate, Sapphire, Silver Halide). The rst part of this thesis contains a description of ber structures, materials, and waveguiding mechanisms. Parameters allowing to characterize bers, especially concerning employment in space borne applications, are specied in part two. The bers are characterized by their mechanical, thermal, and waveguiding properties. In part three of this thesis the results of a comprehensive market survey are presented. Information of all infrared bers (that can transmit light above 2 m) presently oered, as well as information about the vendors, and a comparison of parameters of these bers is given. Part four comprises descriptions of measurement methods for parameters important for deployment of bers in space instruments. A lot of parameters are not given by the vendors and there are a no standardized measurement methods for bers transmitting light above 2 m. Technical feasibility of this methods with labaratory equipment, presently available in the optical labaratory of the Institute of Communications and Radio-Frequency Engineering, was especially taken into account.

DanksagungIch mchte mich bei allen bedanken, die zum Gelingen dieser Diplomarbeit beigetragen haben. o Ich bedanke mich bei meinen Eltern, Rosa und Martin Dirnwber, die mir das Studium der o Elektrotechnik ermglicht haben, fr ihre Untersttzung. o u u Herzlichen Dank an Herrn Prof. Dr. Walter Leeb, Vorstand des Institutes fr Nachrichtenu und Hochfrequenztechnik, fr die zahlreichen Anregungen und Hilfestellungen in Bezug auf u diese Diplomarbeit. Mein ganz besonderer Dank gilt Herrn Dr. Martin Pfennigbauer, fr die ausgezeichnete Betreuu ung, die vielen Ratschlge und aufschlussreichen Diskussionen, sowie seine kollegiale Untera sttzung bei der Durchfhrung meiner Diplomarbeit. u u Ich danke Herrn Dr. Oswald Wallner und Herrn DI Franz Fidler fr ihre Hilfe, sowie meinen u Studienkollegen fr aufschlussreiche Diskussionen und ihre Hilfe bei technischen Problemen. u Martin Dirnwber o

Contents1 Introduction 1.1 Infrared bers advantages and applications 1.2 Fiber types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Solid-Core Fibers . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Crystalline Fibers . . . . . . . . . . . 1.2.3 Hollow Waveguides . . . . . . . . . . . 1.2.4 Photonic Crystal Fibers . . . . . . . . 1.3 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Identication of ber parameters 2.1 Physical parameters . . . . . . . 2.1.1 Dimensions . . . . . . . . 2.1.2 Mechanical parameters . . 2.1.3 Thermal parameters . . . 2.2 Waveguiding parameters . . . . . 2.2.1 Transmission parameters 2.2.2 Wavelength parameters . 2.2.3 Fiber coupling . . . . . . 2.2.4 Dispersion . . . . . . . . . 3 Market survey 3.1 Fibers oered . . . . . . . . . 3.2 Fiber vendors . . . . . . . . . 3.3 Comparison of bers oered . 3.3.1 Chalcogenide Fibers . 3.3.2 Flouride . . . . . . . . 3.3.3 Polycrystalline . . . . 3.3.4 Other IR bers . . . . 3.3.5 Standard single mode bers for 1.5 m . . . 1 1 2 2 3 4 5 5 6 6 6 7 7 8 8 9 10 11 12 12 14 18 20 22 24 25 26 27 27 28 29 31 31

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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . bers . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . and photonic . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . crystal . . . . .

4 Measurement methods 4.1 Attenuation vs. wavelength . . 4.1.1 Cut-back technique . . 4.1.2 Taper-based technique 4.2 Attenuation vs. bending radius 4.3 Minimum bending radius . . .

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Cut-o wavelength . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Transmitted power technique . . 4.5 Mode eld diameter . . . . . . . . . . . 4.5.1 Theoretical background . . . . . 4.5.2 Far-eld scan . . . . . . . . . . . 4.5.3 Near-eld scan . . . . . . . . . . 4.5.4 Variable aperture technique . . . 4.6 Eective numerical aperture . . . . . . 4.7 Output divergence angle . . . . . . . . . 4.8 Coupling eciency . . . . . . . . . . . . 4.9 Chromatic dispersion . . . . . . . . . . . 4.9.1 Non-Fourier-transform methods . 4.9.2 Fourier-transform methods . . . 4.10 Temperature coecient of optical length 4.11 Coeecient of elasticity . . . . . . . . . 5 Outlook

4.4

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