CH641280A5

CH641280A5 - Optische gradientenindex-faser grosser bandbreite und verfahren zu ihrer herstellung.

Info

Publication number: CH641280A5
Application number: CH693979A
Authority: CH
Inventors: Robert Olshansky; Arnab Sarkar
Original assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1978-07-31
Filing date: 1979-07-26
Publication date: 1984-02-15
Also published as: NL191720B; BE877900A; ATA516479A; DK152631B; YU184579A; FI77945C; BR7904787A; DK316579A; JPS6337045B2; DE2930398C2; GB2027224A; SE443242B; ES8103389A1; FI77945B; IT1122359B; ES482852A1; AU4928479A; IL57899A0; FR2432487B1; GB2027224B

Description

Die Erfindung betrifft optische Gradientenindex-Fasern grosser Bandbreite, aufgebaut aus einer äusseren Mantelschicht mit vorbestimmtem Brechungsindex, einer Sperrschicht an der inneren Oberfläche der Mantelschicht, bestehend aus einem Grundglas und wenigstens einem Dotierungsmittel, wobei die Konzentration des Grundglases und des Dotierungsmittels durch die gesamte Dicke der Sperrschicht im wesentlichen gleichmässig ist, und einem Kern aus Glas hoher Reinheit mit einem Gradienten-Brechungsindex, der an der Sperrschicht unter Bildung einer Berührungsfläche zwischen beiden anhaftet, wobei dieser Kern im wesentlichen aus einem Grundglas und einem oder mehreren Dotierungsmitteln besteht, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Auf das gleiche Gebiet bezieht sich die gleichzeitig hinterlegte weitere Anmeldung (Ser.-Nr. 929416; OLP 2815 A) der Anmelderin. Beide Anmeldungen lösen die im wesentlichen gleiche Aufgabe, jedoch auf verschiedene Weise.

Optische Fasern, die in optischen Übertragungssystemen 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.

Optische Gradientenindexfaser-Wellenleiter, im folgenden kurz Gradientenfasern genannt, weisen eine radial sich ändernde Zusammensetzung auf und haben deshalb einen radial sich ändernden Brechungsindex. Die US-Patente 3 823 995 und 3711262 beschreiben Gradientenfasern und Verfahren zu ihrer Herstellung durch Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase. Wenn in diesem Rahmen von Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase die Rede ist, so schlies-sen diese die chemische Niederschlagung aus der Dampfphase, die Flammhydrolyse und andere Verfahren ein, bei welchen dampfförmiges Material in ein erhitztes Rohr geleitet, dort mit Sauerstoff und Hitzezufuhr umgesetzt und auf der inneren Oberfläche des Rohres niedergeschlagen wird. Das Material kann im Rohr in aufeinanderfolgenden Schichten niedergeschlagen werden, worauf das Rohr abgekühlt und ein geschmolzener (fused) Rohling erhalten wird. Nach Beendigung des Niederschlagsprozesses wird das Rohr kollabiert oder der Rohling wird nach Entfernen der Wärmequelle wieder erhitzt und anschliessend kollabiert, wobei jedes Mal eine feste Vorform 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

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der Vorform sorgfältig kontrolliert werden.

Bekanntlich besitzen Gradientenfasern einen höheren Brechungsindex im Zentrum des Kerns und niedrigere Brechungsindizes in radialer Richtung nach aussen. Der Gradienten-Brechungsindex kann kontinuierlich oder diskontinuierlich variiert werden und kann lineare, parabolische oder andere gewünschte Charakteristika aufweisen. Hinsichtlich der Herstellung und der Verwendung von optischen Wellenleitern sei verwiesen auf «Fiber Optics Principles and Applications» by N.S. Kapany, Academic Press, 1967; «Geometri-cal Optics of Parabolic Index Gradient Cylindrical Lenses» by F.P. Kapron, Journal of the Optical Society of America, Vol. 60, No. 11, Seiten 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 Brechungsindex 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 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 «Dotierungsmittel» wirken und deren Anwesenheit den Brechungsindex oder andere Charakteristika des Glases beeinflussen.

Es ist bei der Herstellung von Rohlingen oder Vorformen durch Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase weiterhin bekannt, eine Sperrschicht (barrier layer) auf der Innenseite des Trägers oder des Substratrohres aufzubringen, und zwar vor der Niederschlagung des Kernglases, 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 Kern-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 Wasser wirkt, die aus dem Substratrohr in das niedergeschlagene Kernglas bei höheren Verfahrensoder Ziehtemperaturen eindiffundieren würden.

Es ist weiterhin bekannt, dass die Informations-Bandbreite eines optischen Wellenleiters wesentlich durch ein Gradientenindex-Brechzahlprofil erhöht werden kann. Die Bandbreite einer Gradientenfaser kann ca. 10- bis 103mal grösser sein als die Bandbreite eines Wellenleiters ohne Gradientenindex-Brechzahlprofil. Die Erhöhung der Brandbreite hängt stark von der 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 die Wellenleiter eine Kombination aus Stufenindex und Gradientenindex-Brechzahlprofilen aufweisen, was zur Impulsverbreiterung der Moden höherer Ordnung und damit zu einer geringeren

Bandbreite führt. Ein derartiges Profil ist in Fig. 1 gezeigt, wo der Gradiententeil durch Kurve 10 und der Stufenteil durch den im wesentlichen vertikal verlaufenden Teil 12 dargestellt ist.

Ein kombiniertes Stufenindex-Gradientenindex-Brech-zahlprofil, von welchem angenommen wird, dass es die Impulsverbreiterung von Moden höherer Ordnung verursacht, ist in Fig. 2 dargestellt, wo der Gradiententeil durch die Kurve 14 und der Stufenteil durch die Stufe 16 dargestellt ist. Das unerwünschte kombinierte Stufenindex-Gradientenin-dex-Brechzahlprofil der Fig. 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 Stu-fenindex- und Gradientenindex-Brechzahlprofilen, wie sie in Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Ein hoher Borgehalt in der Sperrschicht ist aus den vorgenannten Gründen wünschenswert. Ein niedriger Borgehalt 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-O-Schwingungs-Banden im Spektralbereich von 1,2 bis 1,5 Mikrometer (H. Osani et al., Electronic Letters 12, 549,1976) zu eliminieren. Der zweite Grund für ein derartiges Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil besteht darin, dass an der Sperrschicht-Kern-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-Kern-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 Kerns an der Sperrschicht-Kern-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 Fig. 13 zeigt die Impulsverbreiterung, diebei einem typischen kombinierten Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil 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 Fig. 13 dargestellten Faser wurde gemessen und ergab 260 mHz für einen Kilometer Länge.

Ein allgemein verwendetes Verfahren zur Herstellung von z.B. Ge02-Si02-B203- oder Si02-Ge02-B203-P20s-Kern-Wellenleitern ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt, in welchen die gleichzeitige Verringerung der B203-Menge und der Einführung von begrenzten Mengen von GeOi und/oder P2O5 eine stufenförmige Erhöhung des Brechungsindex an der Kante des Kerns erzeugt und zu dem Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil der Fig. 1 führt, wie vorstehend beschrieben ist. Andererseits ergibt sich das in Fig. 5 dargestellte Verfahren, dass den zweiten Typ des unerwünschten Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofils gemäss Fig. 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 Sperrschicht nicht hinreicht, um den Anstieg des Brechungsindex, verursacht durch den Gehalt an

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GeCh und/oder P2O5, zu kompensieren. In diesem Falle wird eine stufenförmige Erhöhung des Brechungsindex an der Mantel-Sperrschicht-Grenzschicht verursacht, was zu einem Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofîl gemäss Fig.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 Dampfphasen-Oxidation beinhaltet die «chemische Niederschlagung aus der Dampfphase» und andere Dampfphasen-Oxidations-Verfahren. Der Ausdruck «chemische Niederschlagung aus der Dampfphase» bedeutet die Bildung von Niederschlägen durch chemische Reaktionen, die auf, an oder in der Nähe der Niederschlags-Oberfläche stattfinden. Diese Definition ist auf Seite 3 der Veröffentlichung «Vapor Déposition», herausgegeben von C.F. Powell et. al., New York, John Wiley & Sons, Inc., 1966, enthalten. Es können jedoch bekannte verfahrensmässige Variationen dieser Verfahren verwendet werden, um die Niederschlagung von 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 3031338 verwiesen.

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 2272342 oder 2326059 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 wird erfindungsgemäss aufgrund der Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 gelöst.

Wie Kurve 52 der Fig. 12 zeigt, hat die Faser 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-O-Schwingungsbanden im Spektralbereich zwischen 1,2 und 1,5 Mikrometer reduziert.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen, wobei bevorzugte Ausführungsformen beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung des Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofils eines optischen Wellenleiters nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung eines anderen Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofils 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-Gradientenindex-Brechzahlprofilen.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung eines Verfahrens betreffend die Verwendung von dampfförmigen Materialien bei der Herstellung von optischen Wellenleitern mit einem kombinierten Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil gemäss Fig.2.

Fig. 6 und 7 zeigen graphische Darstellungen des Brechzahlprofils von erfindungsgemässen optischen Gradientenin-dex-Fasern 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 Faser hoher Bandbreite.

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

Fig. 12 zeigt eine graphische Darstellung der Bandbreite (wobei die Zeit vs die Leistung aufgetragen ist) eines erfindungsgemässen Wellenleiters im Vergleich zu einem Wellenleiter nach dem Stande der Technik.

Es sei betont, dass die Zeichnungen die Erfindung leichter verdeutlichen sollen und dass keine Absicht bestand, Massstäbe oder relative Mengenangaben der verwendeten Substanzen anzugeben.

Zwei Beispiele von Gradientenindex-Wellenleitern, hergestellt aus Vorformen oder Rohlingen gemäss der Erfindung, sind durch die Fig. 6 und 7 dargestellt. Die Fig. 8 zeigt einen typischen optischen Wellenleiter 22, hergestellt gemäss der Erfindung. Der Gradientenindex des B203-freien Kerns 24 ist in Fig. 6 durch Kurve 26 dargestellt, während die Sperrschicht 28 durch den geraden Teil 30 angegeben ist. Das Ausgangsteil oder Substratrohr 32, welches schliesslich den Mantel des Wellenleiters formt, ist durch den flachen bzw. geraden Teil 34 in Fig. 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 Kiesel-säure-Grundglas, enthaltend 2 Mol-% Ge02 als Dotierungsmittel, dessen Brechungsindex in dem in Fig. 6 dargestellten Mantelteil 1,4595 ist, d.h. dieser Wert liegt um 0,0025 über dem Wert des Brechungsindex des Si02-Grundglases. Dies trifft ebenfalls zu auf die Darstellungen der Fig. 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 Fig. 6 und 7 jeweils annähernd 1,4787, während die Schichtdicke «b» der Sperrschicht jeweils annähernd 1 Mikrometer und der Kernradius «a» jeweils annähernd 31,25 Mikrometer ist.

Die Vorformen oder Rohlinge sowie die Lichtleiter selbst können durch verschiedene Methoden hergestellt werden, z.B. gemäss den US-Patentschriften Nr. 3 823 995 und Nr. 3711262.

In den Fig. 9 und 10 sind zwei Verfahren zur Herstellung von optischen Gradientenindex-Wellenleitern grosser Bandbreite mit B203-freiem Kern der Fig. 6 und 7 gezeigt. Es sei nochmals betont, dass die Fig. 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 Fig. 9 und 10

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gezeigt ist, besteht aus SÌO2, zu welchem B2O3, GeCh und P2O5 selektiv zugegeben werden. Das Ausgangsteil oder Substrator ist in jedem Falle mit GeC>2 dotiertes SÌO2.

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 SÌO2, P2O5, GeOi und wahlweise B2O3. Wie in Fig.9 gezeigt, werden die Konzentrationen von P2O5 und GeCh in der Sperrschicht auf einem Niveau gehalten, wobei der Brechungsindex der Sperrschicht geringer ist als derjenige des mit Ge02m dotierten SÌO2 des Grundglases, wie durch den geraden Teil in Fig. 6 verdeutlicht wird. Im einzelnen liegt der Brechungsindex der Sperrschicht gemäss Fig. 6 annähernd um 0,0004 niedriger als der Brechungsindex der dotierten Si02-Mantelschicht. Um den Gradientenindex im Kern gemäss Kurve 26 der Fig. 6 zu erhalten, werden die Mengen an Ge02 und P2O5 in der Kernmaterialzusammensetzung, die auf der Sperrschicht niedergeschlagen wird, allmählich während des sukzessiven Niederschlagens von Schichten aus Kernmaterial erhöht. Der Kernteil kann durch Aufbringung einer Vielzahl von Schichten des Kernmaterials gebildet werden, bis die gewünschte Dicke der Kernschicht erreicht ist.

Da sowohl die Sperrschicht als auch der Kern gemäss Fig. 9 P2O5 und Ge02 enthalten und keine abrupte Änderung in den Konzentrationen dieser Dotierungsmittel noch eine abrupte Einführung eines neuen Dotierungsmittels, wenn der Kern über der Sperrschicht gebildet wird, vorhanden ist, hat das resultierende Wellenleiterprofil, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, kein kombiniertes Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil, wie es Wellenleiter nach dem Stande der Technik aufweisen. Die Änderung der Konzentration an P2O5 und GeÛ2 innerhalb der Kerndicke ist in einer vorbestimmten Weise programmiert, so dass ein gewünschtes, vorherbestimmtes Brechzahlprofil über den Querschnitt des optischen Wellenleiters erhalten wird.

In Fig. 10 ist ein Verfahren zur Herstellung des in Fig. 7 gezeigten optischen Wellenleiters hoher Bandbreite dargestellt. Der B203-freie Kern 24 mit Gradientenindex gemäss Fig. 8 ist in Fig. 7 durch die Kurve 40 dargestellt, während die Sperrschicht 28 durch den flachen bzw. geraden Teil 42 dargestellt ist. Das Ausgangsteil oder Substrator 32, welches letztlich den Mantel des Wellenleiters bildet, ist durch den flachen Teil 44 in Fig. 7 dargestellt. Wie in Fig. 10 gezeigt, werden die Konzentrationen von B2O3, P2O5 und GeÛ2 in der Sperrschicht auf gleichen Höhen gehalten, wobei der Brechungsindex der Sperrschicht im wesentlichen gleich demjenigen des mit Ge02 dotierten Si02-Ausgangsteils ist, wie durch den flachen Teil 42 der Fig. 7 verdeutlicht wird. Um den Gradientenindex im Kern gemäss Kurve 40 in Fig. 7 zu erhalten, wird, wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, B2O3 völlig aus der Kernmaterialzusammensetzung, die auf der Sperrschicht niedergeschlagen wird, eliminiert, während die Konzentration an Ge02 und P2O5 zunächst in der Kernzusammensetzung erniedrigt und dann allmählich in jeder nachfolgenden Schicht erhöht wird. Dabei erfolgt die Erniedrigung der Konzentration in Ge02 auf abrupte Weise. Der Kern kann durch Aufbringung einer Vielzahl von Schichten aus Kernmaterial gebildet werden, bis die gewünschte Dicke der Kernschicht erreicht ist. Da B2O3 völlig aus dem Kernmaterial eliminiert ist und sowohl Ge02 als auch P2O5 auf die genannte Weise erniedrigt werden, wenn die erste Schicht aus Kernmaterial auf der Sperrschicht niedergeschlagen wird, gibt es eine abrupte Erniedrigung des Brechungsindex an der Sperrschicht-Kern-Grenzfläche, wie das in Fig. 7 dargestellte Brechzahlprofil zeigt. Das resultierende Wellenleiterprofil gemäss Fig. 7 hat daher auch nicht das Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil mit einem stufenförmigen Anstieg des Brechungsindex des Kerns gemäss dem Stande der Technik. Die Änderung der Konzentration von P2O5 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 Fig. 9 und 10 dargestellte Verfahren zur Herstellung von optischen Wellenleitern der Fig. 6 und 7 in Verbindung mit B2O3, P2O5 und GeÛ2 als Dotierungsmittel beschrieben wurde, können im Rahmen der 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 Fig. 11 und 12 eingegangen. Die Kurve 46 in Fig. 11 und die Kurve 48 in Fig. 12 wurden erhalten bei Verwendung eines optischen Wellenleiters nach dem Stande der Technik, und zwar des in Fig. 1 gezeigten Typs, während die Kurve 50 der Fig. 11 und die Kurve 52 der Fig. 12 erhalten wurden mit einem erfindungsgemässen Wellenleiter, wie er in Fig. 6 dargestellt ist. Die Kurven 50, der Fig. 11 und 52 der Fig. 12 stellen unter Verwendung von optischen Wellenleitern erhaltene Messdaten-Trends dar, und die aufgezeichneten Kurven 46 und 50 der Fig. 11 zeigen die Verzögerungszeit in Nanosekunden/km als eine Funktion der Hauptmodennummer (m). Im Zusammenhang mit Fig. 11 sei auch auf einen Aufsatz mit dem Titel «Differential Mode Atténuation 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 (laser spot) an der Eingangsseite einer Faser durch die Gleichung m = M(r/a)2 ,

in welcher «a» den Kernradius und «M» den maximalen Wert der Hauptmodennummer bedeutet, welche gegeben ist durch die Gleichung

M = »/4nika^2Ä ,

in welcher «m» der Brechungsindex an der Achse (on-axis) bedeutet, «k» gleich 2n/X ist, X die freie Raumlängenwelle (799 nm für die in Fig. 11 gezeigten Daten) bedeutet, A gleich (m -m)/(ni) ist und «m» der Brechungsindex des Mantels ist.

Aufgrund der Stufe im Brechzahlprofil an der Kern-Sperrschicht-Grenzfläche des in Fig. 1 dargestellten Wellenleiters resultiert eine grosse Verschiebung der Verzögerungszeit für Moden höherer Ordnung, die durch einen derartigen Wellenleiter übertragen werden; als eine Folge davon wird eine grosse rms-Impulsbreite von 0,69 ns erzeugt, wie durch Kurve 46 der Fig. 11 verdeutlicht wird. Wenn aber das Brechzahlprofil gemäss der Erfindung, wie in Fig. 6 dargestellt, aufgebaut wird, wird die Verschiebung der Verzögerungszeit gemäss Kurve 46 in Fig. 11 eliminiert, was durch Kurve 50 bewiesen wird. Man sieht, dass die rms-Impulsverbreiterung gemäss Kurve 50 in Fig. 11 um 0,21 ns reduziert ist.

In Fig. 12, wo Kurve 48 die Messwerte für einen optischen Wellenleiter nach dem Stande der Technik gemäss Fig. 1 wie5

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dergibt, ist die Impulsbreite «a» von 0,69 ns mathematisch umgerechnet in eine Bandbreite von 0,28 GHz. Die gemessene Bandbreite war 260 mHz. Andererseits ist der optische Wellenleiter gemäss der Erfindung nach Fig. 6, wiedergegeben durch Kurve 50 der Fig. 11 und Kurve 52 der Fig. 12 mit einer rms-Impulsbreite «o» von ca. 0,21 ns 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 Fig. 3 und 4, entsprechend optischen Wellenleitern nach dem Stande der Technik gemäss Fig. 1 und die berechneten Verfahrensdaten gemäss Fig. 5, entsprechend einem optischen Wellenleiter gemäss Fig.2 in der folgenden Tabelle I gegenübergestellt. Die Daten des Beispiels der Fig. 1 und 4 sind dargestellt durch die Kurven 46 in Fig. 11 und 48 in Fig. 12.

Tabelle I

Reaktions

Sperrschicht

Kern mittel

Reaktionsmittelfluss

Beispiel zu

Figuren 1 und 3

SiCU

0,6 g/min

GeCh

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0,05-0,465 g/min

BCb

20 cmVmin

5 cmVmin

Beispiel zu

Figuren 1 und 4

SiCU

0,6 g/min

GeCU

-

0,05-0,465 g/min

POCh

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0,049 g/min

BCh

20 cmVmin

5 cmVmin

Beispiel zu

Figuren 2 und 5

SiCU

0,6 g/min

GeCU

0,2 g/min

0,2-0,465 g/min

BCb

20 cmVmin

20-5 cmVmin

Für jedes der Beispiele der Tabelle I beträgt der überschüssige Sauerstoff 1000 cmVmin, 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 Durchmesser von ca. 125 Mikrometer, einen Kerndurchmesser 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 Fig. 6 aufweist und durch das in Fig. 9 dargestellte Verfahren hergestellt wird. Ein Substratrohr aus SÌO2, dotiert mit 2 Mol-% GeCh, mit einem äusseren Durchmesser von 25 mm und einer Wandstärke von 1,275 mm wird in einer Drehbank montiert. Die Reaktionsmittel SiCU, GeCU und POCh 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:

Tabelle II

Reaktions- Sperrschicht Kern mittel Reaktionsmittelfluss Reaktionsmittelfluss

Beispiel zu Figuren 6 und 9

SiCU 0,6 g/min 0,6 g/min

GeCU 0,04 g/min 0,04-0,46 g/min

POCh 0,0059 g/min 0,0059-0,20 g/min

Für das Beispiel der Tabelle II wurde überschüssiger Sauerstoff mit ca. 1000 cmVmin 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 Vorform kollabiert. Die feste Vorform wurde dann in an sich bekannter Weise in einer Ziehvorrichtung montiert, ihr Ende auf eine Temperatur von ca. 2000 °C erhitzt und zu einem optischen Wellenleiter gezogen, der das in Fig. 6 dargestellte Brechzahlprofil und die durch Kurve 50 der Fig. 11 und Kurve 52 der Fig. 12 dargestellten Eigenschaften aufwies. Der erhaltene optische Wellenleiter hatte einen äusseren Durchmesser von ca. 125 Mikrometer, einen Kerndurchmesser von ca. 62,5 Mikrometer und eine Sperrschichtdicke von ca. 1 Mikrometer.

Der SiOî-Mantel, enthaltend 2 Mol-% GeCh, hatte einen Brechungsindex von ca. 1,4595, die Sperrschicht, enthaltend 1 Mol-% sowohl von GeCh als auch von P2O5 und dem Rest SÌO2 hatte einen Brechungsindex von ca. 1,4591 und der Kern an der zentralen Achse 36, enthaltend ca. 15 Mol-% GeCh und ca. 4 Mol-% P2O5 mit dem Rest SÌO2 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 SiCh-Rohr, enthaltend 2 Mol-% GeCh, mit einem äusseren Durchmesser von 25 mm und einer Wandstärke von 1,275 mm, wird in der Drehbank montiert. Die Verfahrensparameter gemäss dem in Fig. 10 dargestellten Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters mit einem Brechzahlprofil gemäss Fig. 7 wurden mathematisch berechnet und geschätzt und sind in der folgenden Tabelle III zusammengestellt:

Tabelle III

Reaktions

Sperrschicht

Kern mittel

Reaktionsmittelfluss

Beispiel zu

Figuren 7 und 10

SiCU

0,6 g/min

GeCU

0,23 g/min

0,02-0,46 g/min

POCh

0,05 g/min

0,044-0,20 g/min

BCb

30 cmVmin

-

Für das Beispiel der Tabelle III betrug der überschüssige Sauerstoff ca. 1000 cmVmin, 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

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

o5

7

641 280

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 5 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 Kerndurchmesser von ca. 62,5 10 Mikrometer und einer Sperrschichtdicke von ca. 1 Mikrometer in an sich bekannter Weise gezogen. Der so erhaltene Wellenleiter hatte ein Brechzahlprofil, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Der Si02-Säuremantel, enthaltend 2 Mol-% GeCh, hatte einen Brechungsindex von ca. 1,4595, die Sperrschicht, ent- 15

haltend 5,7 Mol-% GeCh, 1 Mol-% P2O5 und 10 Mol-% B2O3 mit dem Rest SiCh, hatte einen Brechungsindex von nicht höher als ca. 1,4595, die erste Kernschicht, enthaltend 1 Mol-% sowohl von GeCh als auch von P2O5 mit dem Rest SiCh, hatte einen Brechungsindex von 1,4591 und der Kern an der zentralen Achse 38, enthaltend ca. 15 Mol-% GeCh und ca. 4 Mol-% P2O5 mit dem Rest SiCh, 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.

G

3 Blatt Zeichnungen

Claims

641 280

PATENTANSPRÜCHE

1. Optische Gradientenindex-Faser grosser Bandbreite, aufgebaut aus einer äusseren Mantelschicht mit vorbestimmtem Brechungsindex, einer Sperrschicht an der inneren Oberfläche der Mantelschicht, bestehend aus einem Grundglas und wenigstens einem Dotierungsmittel, wobei die Konzentration des Grundglases und des Dotierungsmittels durch die gesamte Dicke der Sperrschicht im wesentlichen gleichmässig ist, und einem Kern aus Glas hoher Reinheit mit einem Gradienten-Brechungsindex, der an der Sperrschicht unter Bildung einer Berührungsfläche zwischen beiden, anhaftet,

wobei dieser Kern im wesentlichen aus einem Grundglas und einem oder mehreren Dotierungsmitteln besteht, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein oder mehreren Dotierungsmittel andere Dotierungsmittel als B2O3 sind und in einer Konzentration enthalten sind, die über den Querschnitt des Kerns einen im wesentlichen kontinuierlich variierenden Brechungsindex, ausgehend von der Berührungsfläche in Richtung auf die Achse des Kerns, gewährleistet, wobei der Brechungsindex des Kerns an dieser Berührungsfläche im wesentlichen gleich oder kleiner ist als der Brechungsindex der Sperrschicht an der Berührungsfläche und wobei der Brechungsindex der Sperrschicht höchstens gleich demjenigen der Mantelschicht ist.
2. Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelschicht aus SÌO2 enthaltend Ge02 besteht.
3. Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsmittel in der Sperrschicht und im Kern Ge02 und/oder P2O5 sind.
4. Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Dotierungsmittel, lediglich in der Sperrschicht, B2O3 ist.
5. Verfahren zur Herstellung einer Gradientenindex-Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit anfänglichem Ausbilden einer Vorform durch Bereitstellen eines zylindrischen, rohrförmigen Ausgangsteils, das aus einem Grundglas und wenigstens einem Dotierungsmittel zur Erhöhung des Brechungsindex des rohrförmigen Ausgangsteils über denjenigen des Grundglases besteht, Ausbilden einer Sperrschicht aus einem Grundglas und wenigstens einem zusätzlichen Dotierungsmittel auf der inneren Oberfläche des rohrförmigen Ausgangsteils, Gleichhalten der Konzentration des Grundglases und des Dotierungsmittels im wesentlichen gleichmässig durch die Dicke der Sperrschicht und Bilden einer Kernschicht des Kernmaterials, das im wesentlichen aus einem Grundglas hoher Reinheit und einem oder mehreren Dotierungsmittel besteht, auf die Sperrschicht, wobei eine Grenzfläche zwischen der Sperrschicht und der Kernschicht gebildet wird und der Kern einen Gradienten-Brechungsindex von der Grenzfläche zur zentralen Achse der Vorform aufweist, gekennzeichnet durch Anwendung eines anderen Dotierungsmittels als B2O3 während der Ausbildung der Kernschicht, wobei die Konzentration des Dotierungsmittels im Kernmaterial in der ersten Schicht von der Mehrzahl der auf die Sperrschicht aufgebrachten Schichten derart zusammengesetzt ist, dass an der Grenzfläche ein Brechungsindex geschaffen wird, der gleich oder kleiner ist als derjenige der Sperrschicht, dass die Konzentration des Dotierungsmittels in den folgenden Schichten des Kernmaterials, das auf der Sperrschicht aufgebracht wird, allmählich von der Berührungsfläche in Richtung auf die zentrale Achse der Vorform in einer vorherbestimmten Weise variiert wird, so dass über den Querschnitt der Kernschicht ein gewünschter Gradienten-Brechungsindex erzeugt wird, und eine derartige Menge des genannten wenigstens einen zusätzlichen Dotierungsmittels in der Sperrschicht verwendet wird, dass die Sperrschicht einen Brechungsindex aufweist, der höchstens gleich dem Brechungsindex des rohrförmigen Ausgangsteils ist und Zusammenziehen des zentralen Hohlraumes der Vorform mit anschliessendem Ziehen des somit massiven Gebildes zur Ausbildung der optischen Faser.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische, rohrförmige Ausgangsteil aus Ge02 enthaltendem SÌO2 besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsmittel in den Sperr- und Kern-Schichten Ge02 und/oder P2O5 sind.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dotierungsmittel in der Sperrschicht B2O3 ist.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform durch Erhitzen zu einem festen Gegenstand zusammengezogen wird, dass der so erhaltene Gegenstand auf die Ziehtemperatur des Materials erhitzt wird und dass der erhitzte Gegenstand unter Verringerung seiner Quer-schnittsfläche zu einer optischen Faser mit den vorbestimmten gewünschten Eigenschaften gezogen wird.