AT395271B - Optischer gradientenindex-wellenleiter und verfahren zur herstellung einer vorform hievon - Google Patents

Description

AT 395 271B

Die Erfindung betrifft einen optischen Gradienindex-Wellenleiter mit einer äußeren Mantelschicht, einer Zwischenschicht an der inneren Oberfläche der Mantelschicht, und einem Kern, der unter Bildung einer Grenzfläche an der Zwischenschicht haftet, wobei über den Querschnitt des Kems, ausgehend von der Grenzfläche, in Richtung auf die Achse des Kems ein im wesentlichen sich kontinuierlich erhöhender Brechungsindex vorliegt und der 5 Brechungsindex des Kems an der Grenzfläche im wesentlichen gleich oder kleiner ist als der Brechungsindex der Zwischenschicht an der Grenzfläche.

Optische Fasern, die in optischen Obertragungssystemen verwendet werden, sind insbesondere optische Wellenleiter. Die Erfindung betrifft daher insbesondere optische Wellenleiter. Diese bestehen normalerweise aus einem transparenten dielektrischen Material, wie z. B. Glas oder Kunststoff. 10 Optische Gradientenindexfaser-Wellenleiter, im folgenden kurz Gradientenfasem genannt, weisen eine radial sich ändernde Zusammensetzung auf und haben deshalb einen radial sich ändernden Biechungsindex. Die US-Patente 3,823,995 und 3,711,262 beschreiben Gradientenfasem und Verfahren zu ihrer Herstellung durch Niederschlagverfahren aus der Dampfphase. Wenn im Rahmen der Erfindung von Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase dieRedeist, so schließen diese diechemischeNiederschlagungaus der Dampfphase, dieFlammhydrolyse 1 s und andere Verfahren ein, bei welchen dampfförmiges Material in ein erhitztes Rohr geleitet, dort mit Sauerstoff und

Hitzezufuhr umgesetztundauf derinneren Oberfläche des Rohres niedergeschlagen wird. Das Material kann im Rohr in aufeinanderfolgenden Schichten niedergeschlagen werden, worauf das Rohr abgekühlt und ein geschmolzener Rohling erhalten wird. Nach Beendigung des Niederschlagpiozesses wird das Rohr kolabiert oder der Rohling wird nach Entfernen der Wärmequelle wieder erhitzt und anschließend kollabiert, wobei jedes Mal eine feste Vorform 20 erhalten wird; das Kollabieren kann auch während des Ziehprozesses durchgeführt werden. Die feste Vorform wird anschließend erhitzt und zu einem langen, feinen Glasfaden ausgezogen. Da die Struktur des gezogenen Glasfadens bzw. Wellenleiters die Struktur der Vorform aufweist, ist es wichtig, daß die physikalischen Eigenschaften der Vorform sorgfältig kontrolliert werden.

Bekanntlich besitzen Gradientenfasem einen höheren Brechungsindex im Zentrum des Kems und niedrigere 25 Brechungsindizes in radialer Richtung nach außen. Der Gradienten-Brechungsindex kann kontinuierlich oder diskontinuierlich variiert werden und kann lineare, parabolische oder andere gewünschte Charakteristika auf weisen. Hinsichtlich der Herstellung und der Verwendung von optischen Wellenleitern sei verwiesen auf „Fiber Optics Principles and Applications“ by N. S. Kapany, Academic Press, 1967; „Geometrical Optics of Parabolic Index Gradient Cylindrical Lenses“ by F. P. Kapron, Journal of the Optical Society of America, Vol. 60, No. 11, Seiten 30 1433-1436, November 1970; und „Cylindrical Dielectric Waveguide Mode“ by E. Snitzer, Journal of the Optical

Society of America, Vol. 51, No. 5, Seiten 491-498, Mai 1961.

Um die Änderung des Brechungindex der Vorform oder des Rohlings, die durch Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase hergestellt werden, zu verändern, kann die chemische Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien, die durch Reaktion das auf der inneren Oberfläche des Rohres niedergeschlagene Material ergeben, variiert werden. Die 35 Dampfmischung wird hydrolysiert oder oxidiert und auf der inneren Oberfläche des Rohres niedergeschlagen und anschließend zu einem Glas hoher Qualität und hoher Reinheit geschmolzen. Gleichzeitig können ein oder mehrere zusätzliche dampfförmige Bestandteile in das Rohr gebracht werden, welche als „Dotiemngsmittel“ wirken und deren Anwesenheit den Brechungsindex oder andere Charakteristika des Glases beeinflussen. 40 45

Es ist bei der Herstellung von Rohlingen oder Vorformen durch Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase weiterhin bekannt, eine Sperrschicht auf der Innenseite des Trägers oder des Substratrohres aufzubringen, und zwar vor der Niederschlagung des Kemglases, wobei das Substratrohr den Mantel der Vorform bildet. Die hauptsächliche Funktion der Sperrschicht besteht darin, Streuungs- und Absorptions-Verluste an der Grenzschicht bzw. Berührungsfläche zu verhindern oder zu verringern, und zwar dadurch, daß die Kem-Mantel-Berührungsfläche bzw. Grenzschicht vermieden wird, die vorhanden wäre, wenn zwischen den niedergeschlagenen, dämpfungsarmen Glasschichten hoher Reinheit und der inneren Oberfläche des Substratrohres die Sperrschicht fehlen würde. Die Sperrschicht besteht herkömmlicherweise aus einem Bor-Silikat-Glas, da das Dotieren von Kieselsäure, welche im allgemeinen das Grundglas darstellt, mit Bor die Niederschlagstemperatur herabsetzt und dadurch die Schrumpfung des Substratrohres vermindert. Andere Vorteile beim Dotieren von Kieselsäure mit Bor bestehen darin, daß es den Brechungsindex des Glases reduziert und als Sperre gegen die Diffusion von Hydroxylionen, bzw. Wasserstoff oder 50 Wasser wirkt, die aus dem Substratrohr in das niedergeschlagene Kemglas bei höheren Verfahrens- oder Ziehtemperaturen eindiffundieren würden.

Es ist weiterhin bekannt, daß die Informations-Bandbreite eines optischen Wellenleiters wesentlich durch ein Gradientenindexprofil erhöht werden kann. Die Bandbreite einer Gradientenfaser kann ca. lObis 10^ mal größer sein als die Bandbreite eines Wellenleiters ohne Gradientenindexprofil. Die Erhöhung der Bandbreite hängt stark von der 55 Gestalt des Brechzahlprofils ab.

Ein wesentlicher Nachteil bei der Herstellung von Vorformen oder Rohlingen und damit von optischen Wellenleitern durch Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase nach dem Stande der Technik besteht darin, daß -2-

AT 395 271B die Wellenleiter eine Kombination aus Stufenindex- und Gradientenindexprofilen aufweisen, was zur Impulsverbreiterung der Moden höherer Ordnung und damit zu einer geringeren Bandbreite führt. Ein derartiges Profil ist in Figur 1 gezeigt, wo der Gradiententeil durch Kurve (10) und der Stufenteil durch den im wesentlichen vertikal verlaufenden Teil (12) dargestellt ist.

Ein kombiniertes Stufenindex-Gradientenindexprofil, von welchem angenommen wird, daß es die Impulsverbreiterung von Moden höherer Ordnung verursacht, ist in Figur 2 dargestellt, wo der Gradiententeil durch die Kurve (14) und der Stufenteil durch die Stufe (16) dargestellt ist. Das unerwünschte kombinierte Stufenindex-Gradientenindexprofil der Figur 2 wird anscheinend nach dem Stande der Technik nicht verwendet, wird jedoch gleichwohl hier diskutiert, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen.

Es gibt wenigstens zwei Fälle der Kombination von Stufenindex- und Gradientenindexprofilen, wie sie in Figuren 1 und 2 dargestellt sind.

Ein hoher Borgehalt in der Sperrschicht ist aus den vorgenannten Gründen wünschenswert. Ein niedriger Boigehalt ist im Kern wünschenswert, um die numerische Apertur des resultierenden optischen Wellenleiters zu erhöhen, die Rayleigh-Streuung zu vermindern und die Infrarot-Absorption der B-0 Schwingungs-Banden im Spektralbereich von 1,2 bis 1,5 Mikrometer (II. Osani et al., Electronic Letters 12,549,1976) zu eliminieren.

Der zweite Grund für ein derartiges Stufenindex-Gradientenindexprofil besteht darin, daß an der Sperrschicht-Kem-Grenzfläche ein Dotierungsmittel, wie Ge02 und/oder P2O5 oder dergleichen, in einer begrenzten Menge eingeführt werden muß, die durch die Kapazität des die Ausgangsmaterialien liefernden Dampfsystems vorgegeben ist Es sei an dieser Stelle betont, daß in beiden Figuren 1 und 2 der Brechungsindex des Kerns an der Sperrschicht-Kem-Grenzfläche um einen Betrag An höher ist als der Brechungsindex des Materials des Substratrohres bzw. des Mantels. Man geht davon aus, daß diese stufenförmige Erhöhung des Brechungsindex des Kems an der Sperrschicht-Kem-Berührungsfläche bzw. Grenzschicht die Ursache ist für die Impulsverbreiterung der Moden höherer Ordnung und damit der geringeren Bandbreite. In jedem Beispiel ist Kieselsäure das Material des Substratrohres mit einem Brechungsindex von 1,4570 und einem Brechungsindex an der zentralen Achse (18) und (20) der Figuren 1 und 2 von 1,4766. Die Brechungsindizes beziehen sich auf eine Wellenlänge von ca. 630 nm für eine Faser mit einer numerischen Apertur von ca. 0,24.

Die Kurve (48) der Figur 12 zeigt die Impulsverbreiterung, die bei einem typischen kombinierten Stufenindex· Gradientenindexprofil nach dem Stande der Technik beobachtet wurde. Der obere, engere Teil des Impulses wird durch den Gradiententeil des Brechungsprofils erzeugt, während der untere breitere Teil, der sich nach rechts fortsetzt, durch den Stufenteil des Profils erzeugt wird. Die Bandbreite der durch Kurve (48) der Figur 12 dargestellten Faser wurde gemessen und ergab 260 mHz für einen Kilometer Länge.

Ein allgemein verwendetes Verfahren zur Herstellung vonz. B. Ge02-Si02-B203 oder Si02-Ge02-B203-P205* Kem-Wellenleitem ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt, in welchen die gleichzeitige Verringerung der B203-Menge und der Einführung von begrenzten Mengen von GeÜ2 und/oder P2O5 eine stufenförmige Erhöhung des Brechungsindex an der Kante des Kems erzeugt und zu dem Stufenindex-Gradientenindexprofil der Figur 1 führt, wie vorstehend beschrieben ist Anderseits ergibt sich das in Figur 5 dargestellte Verfahren, das den zweiten Typ des unerwünschten Stufenindex-Gradientenindexprofils gemäß Figur 2 darstellt, wenn begrenzte Mengen von Ge02 und/oder P2O5 in der Sperrschicht zusammen mit B2O3 verwendet werden, und die Menge des B2O3 in der Sparschicht nicht hinreicht, um den Anstieg des Brechungsindex, verursacht durch den Gehalt an GeC^ und/oder P2O5, zu kompensieren. In diesem Falle wird eine stufenförmige Erhöhung des Brechungsindex an der Mantel-Sperrschicht-Grenzschicht verursacht, was zu einem Stufenindex-Gradientenindexprofil gemäß Figur 2 führt

Obwohl die Figuren 3, 4 und 5 als Ausgangsmaterialien die Chloride bzw. Oxichloride von Bor, Silizium, Germanium und Phosphor angeben, sind die entsprechenden Oxide, wie vorstehend beschrieben, gemeint, da die Chloride bzw. Oxichloride unter dem Einfluß von Sauerstoff und Hitze zu den entsprechenden Oxiden reagieren. Die hier beschriebene Dampfyhasen-Oxidation beinhaltet die „chemische Niederschlagung aus der Dampfphase“ und andere Dampfphasen-Oxidations-Verfahren. Der Ausdruck „chemische Niederschlagung aus der Dampfphase“ bedeutetdieBildungvonNiederschlägendurchchemischeReaktionen,dieauf, an oder in derNäheder Niederschlags-Oberfläche stattfinden. Diese Definition ist auf Seite 3 der Veröffentlichung „Vapor Deposition“, herausgegeben von C. F. Powell et al., New York, John Wiley & Sons, Inc., 1966, enthalten. Es können jedoch bekannte Variationen dieser Verfahren verwendet werden, um die Niederschlagungvon geeigneten Glasüberzügen durch chemische Niederschlagung aus der Dampfphase zu bewirken, wie z. B. solche, die auf Seite 263 der vorgenannten Veröffentlichung von Powell et al. beschrieben sind, wo es heißt: „Eine andere Möglichkeit zur Bildung gleichmäßiger Überzüge mit ebenfalls hohem Niederschlags-Wirkungsgrad und speziell anwendbar für die Herstellung von Überzügen auf der inneren Oberfläche von kleinen Rohrwandungen besteht darin, nur einen kleinen Teil des Rohres auf die Niederschlagstemperatur zu erhitzen. Der auf die Niederschlagstemperatur erhitzte Teil wird langsam über die gesamte Länge des Rohres oder die gesamte zu beschichtende Fläche bewegt. In diesem Zusammenhang wird auch auf die US-PS 3,031,338 verwiesen. -3-

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Eine andere wirksame Möglichkeit zur Aufbringung von Schichten durch Dampfphasen- Oxidation besteht darin, eine Rußschicht des gewünschten Materials zu sintern, die durch Flammhydrolyse entsprechend den US-Patentschriften 2,272,342 oder 2,326,059 aufgebracht wurde.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorstehend geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere also einen optischen Gradientenindex-Wellenleiter großer Bandbreite und wesentlich geringerer Impulsverbreiterung zu schaffen.

Diese Aufgabe wirderfindungsgemäßdadurchgelöstdaßbeieinerWellenlänge von ca. 630nmderBrechungsindex der Zwischenschicht kleiner oder gleich demjenigen der Mantelschicht ist, daß die Zwischenschicht aus einem Grundglas und wenigstens einem Dotierungsmittel besteht und das Verhältnis zwischen Grundglas und Dotierungsmittel über die gesamte Dicke der Zwischenschicht im wesentlichen konstant ist, und daß der Kern frei von B2O3 ist und aus einem Grundglas hoher Reinheit mit einem Zusatz aus wenigstens einem Dotierungsmittel besteht derart, daß an der Grenzfläche Zwischenschicht-Kern ein Brechungsindex gebildet wird, der kleiner oder gleich als derjenige der Zwischenschicht ist.

In der Folge wird die Zwischenschicht mit dem hiefür gleichfalls gebräuchlichen terminus „Sperrschicht“ bezeichnet

Wie Kurve (52) der Figur 12 zeigt, hat der Wellenleiter gemäß der Erfindung eine wesentlich geringere Impulsverbreiterung und eine gemessene Bandbreite von 910 mHz für einen Kilometer Länge. Die reduzierte Impulserweiterung und die hohe Bandbreite werden erzielt durch die Vermeidung des Stufenteils des Brechzahlprofils. Außerdem wird die numerische Apertur erhöht, die Rayleigh-Streuung reduziert und die Infrarot-Absorption der B-0 Schwingungsbanden im Spektralbereich zwischen 1,2 und 1,5 Mikrometer reduziert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Aufgabenstellungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen, wobei auch vorzugsweise Ausführungsformen beschrieben werden.

Fig. 1 zeigteine graphische Darstellung des Stufenindex-Gradientenindexprofils eines optischen Wellenleiters nach dem Stande der Technik.

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung eines anderen Stufenindex-Gradientenindexprofils eines optischen Wellenleiters mit geringer Bandbreite.

Fig. 3 und 4 zeigen graphische Darstellungen von Verfahren nach dem Stande der Technik betreffend die Verwendung von dampfförmigen Materialien bei der Herstellung von optischen Wellenleitern mit kombinierten Stufenindex-Gradientenindexprofilen.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung eines Verfahrens betreffend die Verwendung von dampformigen Materialien bei der Herstellung von optischen Wellenleitern mit einem kombinierten Stufenindex-Gradientenindexprofil gemäß Fig. 2.

Fig. 6 und 7 zeigen graphische Darstellungen der erfindungsgemäßen optischen Gradientenindex-Fasem großer Bandbreite.

Fig. 8 zeigt in schräger Ansicht einen optischen Wellenleiter gemäß der Erfindung.

Fig. 9 und 10 zeigen graphische Darstellungen von Verfahren unter Verwendung von dampfförmigen Materialien zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wellenleiter hoher Bandbreite.

Fig. 11 zeigt eine graphische Darstellung der Verzögerungszeit einer Hauptmodennummer vs eines optischen Wellenleiters gemäß der Erfindung im Vergleich zu einem Wellenleiter nach dem Stande der Technik.

Fig. 12 zeigteinegraphischeDarstellungderBandbreite(wobeidieZeitvsgegendieKraftaufgetragenist)eines erfindungsgemäßen Wellenleiters im Vergleich zu einem Wellenleiter nach dem Stande der Technik.

Es sei betont, daß die Zeichnungen die Erfindung lediglich verdeutlichen sollen und daß keine Absicht bestand, Maßstäbe oder relative Mengenangaben der verwendeten Substanzen anzugeben. Aus Vereinfachungsgründen wird die Erfindung anhand der Herstellung von Vorformen für optische Wellenleiter mit Gradientenindex und großer Bandbreite sowie anhand der Herstellung von optischen Wellenleitern selbst beschrieben, wobei das Grundglas Kieselsäure ist, obwohl die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.

Zwei Beispiele von Gradientenindex-Wellenleitem, hergestellt aus Vorformen oder Rohlingen gemäß der Erfindung sind durch die Figuren 6 und 7 dargestellt. Die Figur 8 zeigt einen typischen optischen Wellenleiter (22), hergestellt gemäß der Erfindung. Der Gradientenindex des Kerns (24) ist in Figur 6 durch Kurve (26) dargestellt während die Sperrschicht (28) durch den geraden Teil (30) angegeben ist. Das Substratrohr (32), welches schließlich den Mantel des Wellenleiters formt, ist durch den flachen bzw. geraden Teil (34) in Figur 6 gezeigt Die Sperrschicht stellt das erste niedergeschlagene Material auf der inneren Oberfläche des Substratrohres dar und wird deshalb manchmal als niedergeschlagener Mantel bezeichnet Das Substratrohrmaterial, das zur Beschreibung der Erfindung verwendet wird, ist ein Kieselsäure-Grundglas, enthaltend 2 Mol% Ge02 als Dotierungsmittel, dessen Brechungsindex in dem in Figur 6 dargestellten Mantelteil 1,4595 ist d. h., dieser Wert liegt um 0.0025 über dem -4-

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Wert des Brechungsindex des Kieselsäure-Grundglases. Dies trifft ebenfalls zu auf die Darstellungen der Figuren 6 und 7, um die Beschreibung der Erfindung zu erleichtern und insbesondere um einen leichteren Vergleich zwischen den einzelnen Ausführungsformen bzw. Darstellungen zu erlauben. Aus diesem Grunde ist auch der Brechungsindex bei jedem Beispiel an der zentralen Achse (36) und (38) der optischen Wellenleiter der Figuren 6 und 7 jeweils annähernd 1,4787, während die Schichtdicke („b“) der Sperrschicht jeweils annähernd 1 Mikrometer und der Kemradius („a“) jeweils annähernd 31,25 Mikrometer ist.

Die Vorformen oder Rohlinge gemäß der Erfindung sowie die Lichtleiter selbst können durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, z. B. gemäß den Verfahren in denUS-PatentschriftenNr. 3,823,995 undNr. 3,711,262. Es sind aber auch andere Verfahren zur Herstellung von optischen Gradientenindex-Wellenleitem im Rahmen der Erfindung geeignet. Obwohl beliebige bekannte Verfahren zur Herstellung der Substratrohre verwendet werden können, sind die Verfahren gemäß den US-Patentschriften Nr. 3,823,995 und 3,711,262 zur Herstellung vonRohren für den erfindungsgemäßen Zweck geeignet.

In den Figuren 9 und 10 sind zwei Verfahren zur Herstellung von optischen Gradientenindex-Wellenleitem großer Bandbreite mit B203-freiem Kern der Figuren 6 und 7 gezeigt. Es sei nochmals betont, daß die Figuren 9 und 10 die Ausgangsmaterialien beinhalten, also Chloride oder ähnliche Verbindungen von Bor, Silizium, Phosphor und Germanium, die unter dem Einfluß von Sauerstoff und Hitze zu den entsprechenden Oxiden reagieren. Das Grundglas, das in den Figuren 9 und 10 gezeigt ist, ist Kieselsäure, zu welcher B2O3, Ge02 und P2O5 selektiv zugegeben werden. Das Substratrohr ist in jedem Falle mit Ge02 dotierte Kieselsäure.

Die Sperrschicht wird gebildet durch Aufbringen einer Vielzahl von Materialschichten auf die innere Oberfläche des Substratrohres, wobei die Zusammensetzung der Sperrschicht im wesentlichen überall gleichmäßig ist, und zwar mit im wesentlichen konstanten Proportionen von Kieselsäure, P2O5, Ge02 und wahlweise B2O3. Wie in Figur 9 gezeigt, werden die Mengen von P2O5 und Ge02 in der Sperrschicht auf einem Niveau gehalten, wobei der Brechungsindex der Sperrschicht geringer istals derjenige der mit Ge02 dotierten Grundglas-Kieselsäure, wie durch den geraden Teil (30) in Figur 6 verdeutlicht wird. Im einzelnen liegt der Brechungsindex der Sperrschicht gemäß Figur 6 annähernd um 0,0004 niedriger als der Brechungsindex der dotierten Kieselsäure-Mantelschicht. Um den Gradientenindex im Kern gemäß Kurve (26) der Figur 6 zu erhalten, werden die Mengen an Ge02 und P2O5 in der Kemmaterialzusammensetzung, die auf der Sperrschicht niedergeschlagen wird, allmählich während des sukzessiven Niederschlagens von Schichten aus Kemmaterial erhöht. Der Kemteilkann durch Aufbringung einer Vielzahl von Schichten des Kemmaterials gebildet werden, bis die gewünschte Dicke der Kemschicht erreicht ist

Da erfindungsgemäß sowohl die Sperrschicht als auch der Kern gemäß Figur 9 P2O5 und Ge02 enthalten und keine abrupte Änderung in den Mengen dieser Dotierungsmittel noch eine abrupte Einführung eines neuen Dotierungsmittels, wenn der Kern über der Sparschicht gebildet wird, vorhanden ist, ist das resultierende Brechzahlprofil, wie es in Figur 6 dargestellt ist, kein kombiniertes Stufenindex-Gradientenindexprofil, wie es Wellenleiter nach dem Stande der Technik aufweisen. Die Änderung der Menge an P2O5 und Ge02 innerhalb der Kemdickeist in einer vorbestimmten Weise programmiert, so daßein gewünschtes, vorherbestimmtes Brechzahlprofil über den Querschnitt des optischen Wellenleiters erhalten wird.

In Figur 10 ist ein Verfahren zur Herstellung des in Figur 7 gezeigten optischen Wellenleiters hoher Bandbreite dargestellt Der B2Ü3-freie Kern (24) mit Gradientenindex gemäß Figur 8 ist in Figur 7 durch die Kurve (40) dargestellt, während die Sperrschicht (28) durch den flachen bzw. geraden Teil (42) dargestellt ist Das Substratrohr (32), welches letztlich den Mantel des Wellenleiters bildet, ist durch den flachen Teil (44) in Figur 7 dargestellt. Wie in Figur 10 gezeigt werden die Mengen von B2O3, P2Og und Ge02 in der Sperrschicht auf gleichen Niveaus gehalten, wobei der Brechungsindex der Sperrschicht im wesentlichen gleich demjenigen des mit Ge02 dotierten Kieselsäure-Ausgangsteils ist, wie durch den flachen Teil (42) der Figur 7 verdeutlicht wird. Um den Gradientenindex im Kern gemäß Kurve (40) in Figur 7 zu erhalten, wird, wie aus Figur 10 ersichtlich ist B2C>3 völlig aus der Kemmaterialzusammensetzung, die auf der Sperrschicht niedergeschlagen wird, eliminiert während die Menge an Ge02 und P2O5 zunächst in der Kemzusammensetzung abrupt erniedrigt und dann allmählich in jeder nachfolgenden Schicht erhöht wird. Der Kern kann durch Aufbringung einer Vielzahl von Schichten aus Kemmaterial gebildet werden, bis die gewünschte Dicke der Kemschicht erreicht ist. Da B2O3 völlig aus dem Kemmaterial eliminiert ist und sowohl Ge02 als auch P20^ abrupt erniedrigt werden, wenn die erste Schicht aus Kemmaterial auf der Sparschicht niedergeschlagen wird, gibt es eine abrupte Erniedrigung des Brechungsindex an der Sperrschicht-Kem-Berührungsfläche, wie das in Figur 7 dargestellte Brechzahlprofil zeigt. Der resultierende Wellenleiter gemäß Figur 7 hat daher auch nicht das Stufenindex-Gradientenindexprofil mit einem stufenförmigen Anstieg des Brechungsindex des Kerns gemäß dem Stande der Technik. Die Änderung der Mengen von P20^ und Ge02 innerhalb des Kerns wird in einer vorbestimmten Weise programmiert, so daß ein gewünschtes, vorbestimmtes Brechzahlprofil über den Querschnitt des schließlich hergestellten optischen Wellenleiters erhalten wird. Obwohl das in den Figuren 9 und 10 dargestellte Verfahren zur Herstellung von optischai Wellenleitern der Figuren 6 und 7 in Verbindung mit B2O3, Ρ20^ und Ge02 als Dotierungsmittel beschrieben wurde, können im Rahmen der -5-

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Erfindung auch andere Dotierungsmittel oder deren Kombinationen verwendet werden, mit der Ausnahme, daß der Kern frei von B2O3 ist Wenn andere Dotierungsmittel oder deren Kombinationen verwendet werden, müssen auch deren Mengen in geeigneter Weise programmiert werden, um eben ein gewünschtes, vorgegebenes Brechzahlprofil über den Querschnitt des Wellenleiters zu erhalten.

Um ein besseres Verständnis der Vorteile der Erfindung zu ermöglichen, sei nunmehr näher auf die Figuren 11 und 12 eingegangen. Die Kurve (46) in Figur 11 und die Kurve (48) in Figur 12 wurden erhalten bei Verwendung eines optischen Wellenleiters nach dem Stande der Technik, und zwar des in Figur 1 gezeigten Typs, während die Kurve (50) der Figur 11 und die Kurve (52) der Figur 12 erhalten wurden mit einem erfindungsgemäßen Wellenleiter, wie er in Figur 6 dargestellt ist. Die Kurven (50), der Figur 11 und (52) der Figur 12 stellen unter Verwendung von optischen Wellenleitern erhaltene Meßdaten-Trends dar und die aufgezeichneten Kurven (46) und (50) der Figur 11 zeigen die Verzögerungszeit in Nanosekunden/km als eine Funktion der Hauptmodennummer (m). Im Zusammenhang mitFigur 11 sei auch auf einen Aufsatz mit dem Titel „Differential Mode Attenuation in Graded-Index Optical Waveguides“ von Robert Olshansky, veröffentlicht auf Seite 423 des Technical Digest of the 1977 International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communications, Tokyo, Japan, verwiesen. Die Hauptmodennummer „m“ steht in Beziehung zur Eindringposition „r“ des Laserpunkts an der Eingangsseite einer Faser durch die Gleichung m = M(r/a)^, in welcher „a“ den Kemradius und „M“ den maximalen Wert der Hauptmodennummer bedeutet, welche gegeben ist durch die Gleichung M = 1/2 njka Ί2Α, in welcher „n^“ der Brechungsindex an der Kemachse bedeutet, „k“ gleich 2π/λ ist, λ die Vakuumwellenlänge (799 nm für die in Figur 11 gezeigten Daten) bedeutet, Δ gleich (n j - n2)/(n j) ist und ,^2“ der Brechungsindex des Mantels ist.

Aufgrund der Stufe im Brechzahlprofil an der Kem-Speirschicht-Grenzfläche des in Figur 1 dargestellten Wellenleiters resultiert eine große Verschiebung der Verzögerungszeit für Moden höherer Ordnung, die durch einen derartigen Wellenleiter übertragen werden. Ais eine Folge davon wird eine große rms-Impulsbreite von 0,69 ns erzeugt, wie durch Kurve (46) der Figur 11 verdeutlicht wird. Wenn aber das Brechzahlprofil gemäß der Erfindung, wie in Figur 6 dargestellt, aufgebaut wird, wird die Verschiebung der Verzögerungszeit gemäß Kurve (46) in Figur 11 eliminiert, was durch Kurve (50) bewiesen wird. Man sieht, daß die rms-lmpulsverbreitenmg gemäß Kurve (50) in Figur 11 um 0/21 ns reduziert ist.

In Figur 12, wo Kurve (48) die Meßwerte für einen optischen Wellenleiter nach dem S tande der Technik gemäß Figur 1 wiedergibt, ist die Impulsbreite „o“ von 0,69 ns mathematisch umgerechnet in eineBandbreite von 0,28 GHz. Die gemessene Bandbreite war 260 mHz. Andererseits ist der optische Wellenleiter gemäß der Erfindung nach Figur 6, wiedergegeben durch Kurve (50) derFigur 11 und Kurve (52) derFigur 12 mit einer rms-Impulsbreite „<r“ von ca. 0,21ns mathematisch umgerechnet zu einer Bandbreite von 0,95 GHz.

Um einen Vergleich zu ermöglichen, sind die Verfahrensdaten für die chemische Niederschlagung aus der Dampfphase, dargestellt durch die Figuren 3 und 4, entsprechend optischen Wellenleitern nach dem Stande der Technik gemäß Figur 1 und die berechneten Verfahrensdaten gemäß Figur 5, entsprechend einem optischen Wellenleiter gemäß Figur 2 in der folgenden Tabelle I gegenübergestellt. Die Daten des Beispiels der Figuren 1 und 4 sind dargestellt durch die Kurven (46) in Figur 11 und (48) in Figur 12.

Tabelle I Beisp. Reaktions mittel Sperrschicht Reaktionsmittel- Kern Reaktionsmittel-Fluß CO Ό fluß s SiCl4 0.6 g/min 0.6 g/min i GeCl4 - 0.05 - 0.465 g/min s BC13 20 ml/min 5 ml/min -6-

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Sperrschicht Reaktionsmittel fluß Kern Reaktionsmittel-Fluß 0.6g/min 0.6 g/min - 0.05 - 0.465 g/min - 0.049 g/min 20 ml/min 5 ml/min 0.6 g/min 0.6 g/min 0.2 g/min 0.2 - 0.465 g/min 20 ml/min 20-5 ml/min δη Reaktions mittel

SiCl4

GeQ4 POCl3 BC13

SiCl4

GeQ4 BC13 Für jedes der Beispiele der Tabelle I beträgt der überschüssige Sauerstoff 1000 ml/min, ist die Temperatur 1750 °C und die transversale Geschwindigkeit für die Aufbringung der Schichten 15 cm/min sowohl für die Sperrschicht als auch für den Kern; die Sperrschicht wird durch drei Abscheidezyklen oder Schichten gebildet, während der Kern durch 60 Abscheidezyklen oder Schichten gebildet wird. Der erhaltene optische Wellenleiter hat einen äußeren Durchmess»' von ca. 125 Mikrometer, einen Kemdurchmesser von ca. 62,5 Mikrometer und eine Sperrschichtdicke von ca. 1 Mikrometer, obwohl die Sperrschicht im Rahmen der Erfindung auch eine Dicke von ca. 1 bis 10 Mikrometer haben kann, falls im Einzelfall erwünscht.

Im folgenden wird ein typisches Beispiel für die Herstellung eines optischen Wellenleiters beschrieben, der ein Brechzahlprofil wie in Figur 6 aufweist und durch das in Figur 9 dargestellte Verfahren hergestellt wird. Ein Substratrohr aus Kieselsäure, dotiert mit 2 Mol% GeC^, mit einem äußeren Durchmesser von 25 mm und einer Wandstärke von 1,275 mm wird in einer Drehbank montiert. Die Reaktionsmittel SiCI4, GeCl4 und POCL3 werden mittels bekannter Verfahren der chemischen Niederschlagung aus der Dampfphase in das Substratrohr eingeführt. Die Verfahrensparameter dieses Beispiels sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt:

Beisp. Reaktions- Tabelle Π Sperrschicht Kern mittel Reaktionsmittel- Reaktionsmittel-Fluß ON 1 vo SiCl4 Fluß 0.6 g/min 0.6 g/min. i GeCl4 0.04 g/min 0.04 - 0.46 g/min POCI3 0.0059 g/min 0.0059 - 0.20 g/min. Für das Beispiel der Tabelle II wurde überschüssiger Sauerstoff mit ca. 1000 ml/min verwendet, die Bildungstemperatur war ca. 1750 °C und die transversale Geschwindigkeit für die Aufbringung der Schichten betrug ca. 15 cm/min sowohl für die Sperrschicht als auch den Kern; die Sperrschicht wurde durch drei Abscheidezyklen bzw. Schichten hergestellt, während der Kern durch 60 Abscheidezyklen bzw. Schichten hergestellt wurde.

Der Rohling bzw. die Vorform, die auf diese Weise erhalten wurde, wurde dann auf eine Temperatur von ca. 2200 °C erhitzt, mit einer Geschwindigkeit von 60 bis 90 U/min rotiert und die zentrale Öffnung wurde zu einer festen -7-

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Vorform kollabiert. Die feste Vorfarm wurde dann in an sich bekannter Weise in einer Zieh vorrichtung montiert, ihr Ende auf eine Temperatur von ca. 2000 °C erhitzt und zu einem optischen Wellenleiter gezogen, der das in Figur 6 dargestellte Brechzahlprofil und die durch Kurve (50) der Figur 11 und Kurve (52) der Figur 12 dargestellten Eigenschaften aufwies. Der erhaltene optische Wellenleiter hatte einen äußeren Durchmesser von ca. 125 Mikrometer, einen Kemdurchmesser von ca 62,5 Mikrometer und eine Sperrschichtdicke von ca. 1 Mikrometer. Der Kieselsäuremantel, enthaltend 2 Mol% GeÖ2 hatte einen Brechungsindex von ca. 1,4595, die Sperrschicht, enthaltend 1 Mol% sowohl von Geö2 als auch von P2C>5 und dem Rest Kieselsäure hatte einen Brechungsindex von ca. 1,4591 und der Kern an der zentralen Achse (36), enthaltend ca. 15 Mol% Ge02 und ca 4 Mol% P205 mit dem Rest Kieselsäure hatte einen Brechungsindex von ca 1,4787.

In dem folgenden weiteren Beispiel der Erfindung wird das gleiche Zuführungssystem und die gleiche für die chemische Niederschlagung aus der Dampfphase eingerichtete Drehbank, wie vorstehend beschrieben, verwendet.

Ein Kieselsäurerohr, enthaltend 2 Mol% Ge02, mit einem äußeren Durchmesser von 25 mm und einer Wandstärke von 1,275 mm wird in der Drehbank montiert. Die Verfahrensparameter gemäß dem in Figur 10 dargestellten Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters mit einem Brechzahlprofil gemäß Figur 7 wurden mathematisch berechnet und geschätzt und sind in der folgenden Tabelle ΙΠ zusammengestellt:

Tabelle ΠΙ

Beisp. Reaktions- Sperrschicht Kern mittel Reaktionsmittel- Reaktionsmittel-Fluß o 1^ Ό e s SiCl4 Fluß 0.6 g/min 0.6 g/min f- i GeCl4 0.23 g/min 0.02 - 0.46 g/min 1 POCl3 0.05 g/min 0.044 - 0.20 g/min BC13 30 ml/min - Für das Beispiel der Tabelle ΙΠ betrug der überschüssige Sauerstoff ca. 1000ml/min, die Bildungstemperatur war ca 1750 °C und die transversale Geschwindigkeit für die Aufbringung der Schichten betrug ca. 15 cm/min, sowohl für die Sperrschicht als auch für den Kern; die Sperrschicht wurde durch drei Abscheidezyklen bzw. Schichten und der Kern durch 60 Abscheidezyklen bzw. Schichten gebildet

Der Rohling oder die Vorform, die auf diese Weise hergestellt wurde, wurde dann auf eine Temperatur von ca. 2200 °C erhitzt, mit einer Geschwindigkeit von 60 bis 90 U/min rotiert und die zentrale Öffnung zu einer festen Vorform kollabiert. Die feste Vorform wurde dann in einer an sich bekannten Ziehvorrichtung montiert, ihr Ende erhitzt und zu einem optischen Wellenleiter mit einem äußeren Durchmesser von ca. 125 Mikrometer, einem Kemdurchmesser von ca. 62,5 Mikrometer und einer Sperrschichtdicke von ca. 1 Mikrometer in an sich bekannter Weise gezogen. Der so erhaltene Wellenleiter hatte ein Brechzahlprofil, wie es in Figur 7 dargestellt ist. Der Kieselsäuremantel, enthaltend2Mol% Ge02 hatte einen Brechungsindex von ca 1,4595, die Sperrschicht, enthaltend 5,7 Mol% Ge02,1 Mol% P2C>5 und 10 Mol% B2C>3 mitdem RestKieselsäure hatteeinen Brechungsindex von nicht höher als ca 1,4595, die erste Kemschicht, enthaltend 1 Mol% sowohl von Ge02 als auch von Ρ20^ mit dem Rest Kieselsäure hatte einen Brechungsindex von 1,4591 und der Kern an der zentralen Achse (38), enthaltend ca 15 Mol% Ge02 und ca 4 Mol% P2Og mit dem Rest Kieselsäure hatte einen Brechungsindex von ca 1,4787.

Die zentrale Öffnung der Vorformen der vorstehenden Beispiele kann entweder, wie beschrieben, nach Beendigung des Niederschlagsprozesses kollabiert werden oder die Vorform kann anschließend erneut erhitzt und die Öffnung kollabiert werden; auch kann die Öffnung während des Ziehprozesses kollabiert werden, falls dies im Einzelfall wünschenswert ist. -8-

Claims (8)

1. AT 395 271B PATENTANSPRÜCHE 1. Optischer Gradientenindex-Wellenleiter mit einer äußeren Mantelschicht, ein»1 Zwischenschicht an der inneren Oberfläche der Mantelschicht, und einem Kern, der unter Bildung einer Grenzfläche an der Zwischenschicht haftet, wobei über den Querschnitt des Kerns, ausgehend von der Grenzfläche, in Richtung auf die Achse des Kems ein im wesentlichen sich kontinuierlich erhöhender Brechungsindex vorliegt und der Brechungsindex des Kems an der Grenzfläche im wesentlichen gleich oder kleiner ist als der Brechungsindex der Zwischenschichtander Grenzfläche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Wellenlänge vcn ca. 630 nm der Brechungsindex (30,42) der Zwischenschicht (28) kleiner oder gleich demjenigen der Mantelschicht (32) ist, daß die Zwischenschicht (28) aus einem Grundglas und wenigstens einem Dotierungsmittel besteht und das Verhältnis zwischen Grundglas und Dotierungsmittel über die gesamte Dicke der Zwischenschicht (28) im wesentlichen konstant ist, und daß der Kern (24) frei von B2O3 ist und aus einem Grundglas hoher Reinheit mit einem Zusatz aus wenigstens einem Dotierungsmittel besteht derart, daß an der Grenzfläche Zwischenschicht-Kern ein Brechungsindex gebildet wird, der kleiner oder gleich als derjenige der Zwischenschicht (28) ist.
2. 2. Optischer Gradientenindex-Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelschicht (32) aus Kieselsäure, enthaltend Ge02> besteht.
3. 3. OptischerGradientenindex-Wellenleiternach Anspruch loder2,dadurch gekennzeichnet,daßdieDotierungsmittel dm* Zwischenschicht (28) und des Kems (24) Ge02 und/oder P2O5 sind.
4. 4. Optischer Gradientenindex-Wellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Dotierungsmittel der Zwischenschicht (28) B2O3 ist.
5. 5. Verfahren zur Herstellung einer Vorform für einen optischen Gradientenindex-Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis4, durch Aufbringen einer Zwischenschichtaus einem Grundglas und wenigstens einem Dotierungsmittel auf der inneren Oberfläche eines zylindrischen, rohrförmigen Ausgangsteils, der aus einem Grandglas und wenigstens einem Dotierangsmittel zur Erhöhung des Brechungsindex des rohrförmigen Ausgangsteüs über denjenigen des Grundglases besteht, wobei das Verhältnis von Grundglas zu Dotierungsmittel über die Dicke der Zwischenschicht im wesentlichen konstant gehalten wird, und durch Bildung eines Kems durch Aufbringung einer Vielzahl von Schichten des Kemmaterials, das im wesentlichen aus einem Grandglas hoher Reinheit und einem oder mehreren Dotierangsmittel(n) besteht, auf die Zwischenschicht, wobei ausgehend von der Grenzfläche Zwischenschicht-Kern durch allmähliches Variieren des (der) Dotierangsmittel(s) im Kemmaterial ein in Richtung zur zentralen Achse der Vorform steigender Brechungsindex mit Gradientenprofil erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Kemmaterial ein oder mehrere, von B2O3 verschiedene Dotierangsmittel eingesetzt werden, daß die Menge des (der) Dotierangsmittel(s) im Kemmaterial in der ersten auf die Zwischenschicht aufgebrachten Schicht derart bestimmt wird, daß an der Grenzfläche ein Brechungsindex geschaffen wird, der gleich oder kleiner ist als derjenige der Zwischenschicht (28), und daß eine derartige Menge des genannten wenigstens einen Dotierungsmittels in der Zwischenschicht (28) eingesetzt wird, daß die Zwischenschicht (28) einen Brechungsindex aufweist, der höchstens gleich dem Brechungsindex des rohrförmigen Ausgangsteils ist.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer, rohrförmiger Ausgangsteil aus Ge02 enthaltender Kieselsäure eingesetzt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungsmittel in den Zwischen- und Kemschichten (28,24) GeÜ2 und/oder P2O5 eingesetzt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Dotierangsmittel in der Zwischenschicht B2O3 ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -9-