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PATENTANSPRUCH
Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitfaser-Rohlings, insbesondere für eine Monomode-Faser, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Dampfreaktion, aus welcher Wasserstoff und dessen Verbindungen ausgeschlossen sind, Schichten in folgender Reihenfolge aufeinander auf die Innenwand eines Substratrohres (30) aus Siliciumdioxid abgelagert werden:
: - eine optisch absorbierende Glasschicht (31) aus do- tiertem Siliciumdioxid, enthaltend Oxide von Bor und/oder Phosphor, deren Brechungsindex grösser als jener von Siliciumdioxid ist, - eine durchsichtige optische Mantelglasschicht (32) aus dotiertem Siliciumdioxid, enthaltend Germaniumdioxid, deren Brechungsindex kleiner bis gleich gross wie jener der Absorptionsschicht (31) ist, und - eine durchsichtige optische Kernglasschicht (33) aus dotiertem Siliciumdioxid, enthaltend Germaniumdioxid, deren Brechungsindex grösser als jener der Mantelschicht (32) ist, und dass die Bohrung des derart beschichteten Rohres zum Zusammenfallen gebracht wird, um einen Faser-Rohling mit vollem Querschnitt zu bilden, wobei die Menge und die Zusammensetzung des abgelagerten Kern- bzw.
Mantelglases derart sind, dass eine aus diesem Rohling heruntergezogene Faser im Wellenbereich zwischen 1,5 bis 1,7 llm, gemessen im leeren Raum, als Monomodefaser betreibbar ist, in welchem Bereiche praktisch der ganze, der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel zugehörige Monomode Lichtstrom sich im Mantelglas fortpflanzt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitfaser-Rohlings, insbesondere für eine Monomode-Faser.
Diese Faser sollte im Wellenlängenbereich zwischen 1,5 bis 1,7 sum als Monomodefaser betreibbar sein.
Die Mehrheit der heutigen Fasern sind mehrwellige (Multimode-) Stufenindex- oder Gradientenindex-Fasern. In einer einwelligen (Monomode-) Faser können sich optische Signale mit sehr niedrigen Verlusten bei extremer Bandbreite verbreiten, die Herstellung einer derartigen Faser ist jedoch äusserst kompliziert.
Von den am Markt erhältlichen Fasern ist die Stufenfaser die billigere und besteht grundsätzlich aus einem Glaskern mit einheitlichem Brechungsindex und einem optischen Mantel aus Glas, dessen Brechungsindex ein wenig niedriger ist als der erstgenannte. Die teurere Gradientenfaser hat einen Kern mit einem Brechungsindexprofil, welches radial symmetrisch und ungefähr parabelförmig verläuft, wobei sich der höchste Wert im Mittelpunkt des Kerns befindet mit parabelförmig absinkenden Werten bis zu einem Ausgleich der Indexe an der Berührungsfläche zwischen Kern und Mantel.
Sowohl die Stufen- als auch die Gradientenfaser überträgt Licht in einer ganzen Anzahl von Moden, je mit einer charakteristischen Gruppengeschwindigkeit und Fortpflanzungszeit. Monomodefasern sind imstande, grössere Bandbreiten als eine Stufen- oder Gradientenfaser zu übertragen.
Heute sind Monomodefasern noch im Experimentierstadium wegen des äusserst kleinen Kerndurchmessers. Be stlmmte Techniken zur Herstellung von Monomodefasern verwenden eine Methode, bei welcher der Kern aus extrem dünnen Schichten aufgebaut wird. Dieser Schichtaufbau ist äusserst schwierig zu kontrollieren und folglich sind Änderungen in der Zusammensetzung der Faser, die sich auf deren Betrieb auswirken, unumgänglich. Es müssen -also homogene Kerne mit Durchmessern zwischen 2 und 20 ,um hergestellt werden und dies ist bei Verwendung herkömrn- licher Techniken äusserst schwierig erreichbar.
Zur Herstellung eines Lichtleitfaser wird vorteilhafterweise Siliciumdioxid verwendet, da in diesem Falle ein Dampfreaktionsprozess anwendbar ist, der eine genaue Kontrolle der Menge anderer Materialien, die im Siliciumdioxid enthalten sind, ermöglicht. Dies ist umso wichtiger, als gewisse Fremdstoffe bereits bei einer Konzentration von weniger als 1:106 ausgeprägte Wirkungen auf die Übertragungsdämpfung der Faser aufweisen. In einem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Herstellung eines Faserrohlings, aus welchem die Faser nachfolgend heruntergezogen wird, werden die zur Bildung des optischen Mantels und Kerns verwendeten Glasmaterialien durch eine Dampfreaktion auf die Innenwand eines Substratrohrs aus Silicium abgelagert, welches Rohr anschliessend zum Zusammenfallen gebracht wird. Weitere Methoden zur Herstellung einer Monomodefaser sind in der Literatur zu finden.
Es sei hier z.B. auf den Artikel von T. Miya in Electronics Letters vom 15. Februar 1979, Band 15, Nr. 4, Seiten 106-108 oder auf jenen von B. J. Ainslie in derselben Zeitschrift vom 5. Juli 1979, Band 15, Nr. 14, Seiten 411-413 hingewiesen. In beiden Fällen weist die Zusammensetzung des zur Ablagerung des optischen Mantels verwendeten Materials einen Brechungsindex auf, der jenem des Siliciumdioxid-Substratrohres, auf dessen Innenwand die Schicht abgelagert wird, angepasst ist. Diese Anpassung verhindert das Entstehen einer Grenzfläche, in der sich - zusätzlich zum gewünschten Kern-Monomode - Mantelmodes ausbreiten würden.
Bei der Ablagerung von Kern und Mantel durch eine Dampfreaktion ist es wünschenswert, undotiertes Siliciumdioxid als Substratrohr-Material zu verwenden, da dessen verhältnismässig hoher Schmelzpunkt die durch die hohen Ablagerungstemperaturen entstandenen Probleme (Deformation des Rohres) zu mildern hilft. Unter diesen Umständen ist die Notwendigkeit einer Anpassung des Mantelindexes an jenen des Substratrohrs einer Festsetzung eines spezifischen Werts des Mantel-Brechungsindexes gleich zu setzen.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Mantelmaterial aufzuzeigen, dessen Brechungsindex nicht an jenen des Substratrohrs angepasst werden muss; dies ermöglicht eine grössere Flexibilität beim Entwurf, insbesondere in Hinsicht auf die numerische Apertur und auf die Möglichkeit eines Ausgleichs der Material- und Wellenleiter-Streuung derart, dass die Totalstreuung Null ist.
Die für den oben angegebenen Zweck zu ergreifenden Massnahmen sind dem Wortlaut des Patentanspruchs zu entnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Spektralcharakteristik einer Multimode-Gradientenfaser,
Fig. 2 eine Spektralcharakteristik einer Monomode-Faser, und
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein innen beschichtetes Substratrohr vor dessen Zusammenfallen zu einem Faserrohling, aus welchem eine Lichtleitfaser gezogen wird.
Um die Fortpflanzung von Mantelmodes zu verhindern, ist der Brechungsindex der Mantelschicht gleich oder kleiner als jener der Absorptionsschicht, die die Mantelschicht umgibt. Mantelmodes treten nur dann auf, wenn der Brechungsindex der Mantelschicht grösser als jener der Absorptionsschicht ist; falls der Brechungsindex jedoch nicht beträchtlich höher ist, wird sich ein bedeutender Teil des Lichtstroms von Mantelmodes in der in der Absorptionsschicht vorhandenen Grenzfläche ausbreiten. Unter diesen Umständen ist die Dämpfung der Mantelmodes so hoch,
dass das Vorhandensein eines Mantelmode-Wellenleiters tolerierbar ist. Die Grenzfläche zwischen der Absorptionsschicht und dem Substratrohr bildet auf ähnliche Weise einen Wellenleiter, aber auch in diesem Falle verhindert die Dämpfung der Absorptionsschicht die Ausbreitung unerwünschten Modes.
Ein wichtiger, die optischen Übertragungseigenschaften beeinflussender Faktor einer durch Dampfablagerung auf die Innenwand eines Rohres hergestellten Faser ist der Verunreinigungs-Pegel durch Hydroxylgruppen. Falls Wasser eines der Produkte der zur Ablagerung verwendeten Dampfreaktion ist, können solche Gruppen direkt Bestandteil des abgelagerten Materials werden. Die Verunreinigungsquelle wird eliminiert, indem man Dampfreaktionen wählt, aus welchen Wasserstoff und dessen Zusammensetzungen ausgeschlossen sind. Eine Klasse geeigneter Reaktionen betrifft die direkte Oxidation von Halogeniden oder Oxyhalogeniden mit Sauerstoff. Zu diesem Zwecke können die Reagentien in Sauerstoff entlang dem Substratrohr mitgeführt werden. Die Reaktion verläuft nicht bei Raumtemperatur, kann aber in einer lokalisierten Region von hoher Temperatur durchgeführt werden, z.B. durch eine Knallgasflamme.
Die die hohe Temperatur aufweisende Zone wird entlang dem Rohr fortbewegt, so dass eine klare Gasablagerung von gleichförmiger Dicke entlang der ganzen Länge entsteht.
Das Material des Substratrohres ist durch Hydroxylgruppen schwer verunreinigt und folglich dient die Absorptionsschicht zusätzlich als Diffusionsbarriere, welche die Diffusion von Hydroxylgruppen aus dem Substratrohr in den optischen Mantel und Kern einschränkt. Zu diesem Zwecke ist es wünschenswert, die Absorptionsschicht aus einer derartigen Glaszusammensetzung zu bilden, die bei einer verhältnismässig niedrigen Temperatur und hoher Ablagerungsgeschwindigkeit aufgetragen werden kann. Es wurde festgestellt, dass die direkte Oxidation von Tetrachlorsilicium mit Sauerstoff verhältnismässig langsam vorschreitet und es wird eine verhältnismässig hohe Ablagerungstemperatur zur Erzeugung einer klaren, geschmolzenen Ablagerung benötigt.
Wird aber das Siliciumdioxid mit einem oder mehreren Oxiden von Bor, Phosphor und Germanium abgelagert, erhöht sich die Ablagerungsgeschwindigkeit und man kann eine tiefere Ablagerungstemperatur zur Erzeugung der benötigten, klaren, geschmolzenen Ablagerung wählen.
Eine Faser aus dotiertem Siliciumdioxid, welches durch wasserstofffreie Ablagerung auf die Innenwand eines Siliciumdioxid-Substratrohrs hergestellt wurde, weist Spektralcharakteristiken auf, bei welchen sich die Dämpfung mit steigender Wellenlänge in der Region von 0,7 bis 1,3 llm verringert. Diese Verringerung wird der sogenannten Rayleighschen Streuung zugeschrieben. Der absinkenden Dämpfung sind jedoch eine Anzahl von Absorptionsspitzen überlagert, die auf Restmengen von Hydroxyl-Verunreinigungen zurückzuführen sind. Die Spitzen entstehen bei 0,95, 1,25 und 1,4 llm. In der Region jenseits der 1,4 Wm-Spitze ist ein weiteres Fenster vorhanden, welches sich bis zu ungefähr 1,8 ,um erstrecken kann.
Nachher beginnt die Dämpfung wieder zu steigen, was auf verschiedene, mit Siliciumdioxid und in dieses absichtlich eingeführte Dotierungsmittel zusammenhängende Absorptionserscheinungen zurückzuführen ist. Die Spitze der Grundschwingungsdämpfung der Si-O-Bindung ist bei 9,0 Sm, sein Dämpfungsausläufer erstreckt sich jedoch in die Region zwischen 1,0 bis 2,0 ,um.
Die Bindungen B-O, P-O und Ge-O zeigen ähnliche Dämpfungsspitzen bei 7,3, 8,0 bzw. 11,0 llm. Es wurde festgestellt, dass aufgrund dieser verschiedenen, den erwähnten Bindungen zugeordneten Dämpfungsspitzen das Ausmass und die Tiefe der Fenster in der Region unmittelbar jenseits der 1,4 m-Dämpfungsspitze der Hydroxylgruppe stark von der Zusammensetzung des Materials abhängt, in welchem sich der Lichtstrom fortpflanzt.
Fig. 1 zeigt die Spektralcharakteristik einer Multimode Gradientenfaser mit einem Kern aus Siliciumdioxid, welches hauptsächlich mit Germaniumdioxid dotiert ist, jedoch gleichfalls ungefähr 1 Mol% eines Oxids von Phosphor enthält. Der optische Mantel besteht aus mit einem Oxid von Bor dotiertem Siliciumdioxid. Fig. 2 zeigt die Spektralcharakteristik einer Monomodefaser, welche einen germaniumdotierten Siliciumdioxidkern und einen optischen Mantel aus mit Oxiden von Bor und Phosphor dotiertem Siliciumdioxid aufweist, um den Brechungsindex jenem von Siliciumdioxid anzupassen.
Ein Vergleich der beiden Charakteristiken zeigt, dass das Fenster jenseits von 1,4 llm der Faser gemäss Fig. 1 verhältnismässig breit und tief ist, da sich der Lichtstrom fast ausschliesslich im Kernmaterial ausbreitet, während das entsprechende Fenster der Faser gemäss Fig. 2 seichter und schmäler ist, weil sich ein beträchtlicher Teil des Lichtstroms im Mantel ausbreitet, wo diese Ausbreitung durch die Dämpfungsausläufer der D-O- und P-O Bindungen behindert wird. Die Dotierung mit Oxiden von Phosphor und Bor, welche sich auf die Faser gemäss Fig. 2 ungünstig auswirkt, kann jedoch vorteilhafterweise bei der Herstellung der Absorptionsschicht der erfindungsgemässen Faser verwendet werden.
Gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein ungefähr 1 m langes Siliciumdioxidrohr 30 mit einem Durchmesser von 14 auf 12 mm gründlich gereinigt, getrocknet und in einer speziellen Drehbank befestigt, deren Spindel- und Reitstock synchron betrieben sind. Sauerstoff durchströmte das um die eigene Achse gedrehte Rohr, während eine Knallgasflamme entlang der Rohrlänge fortbewegt wurde, um eine reine, trockene, feuerpolierte Innenwand zu produzieren, auf die eine Schicht 31 aus Glas aufgetragen wurde, welche nachfolgend die optische Absorptionsschicht der fertigen Faser bilden sollte.
Diese Schicht 31 wird aus Siliciumdioxid gebildet, welches durch die gleichzeitige Ablagerung von Oxiden von Phosphor und Bor dotiert ist. Oxid von Bor wird bei einer Konzentration von ungefähr 10 Mol% hinzugefügt, da dessen Absorptionsausläufer weiter in den relativen Teil der Spektralregion reicht als jener des Oxids von Phosphor.
Oxid von Phosphor wird bei einer Konzentration im Bereiche zwischen 10 bis 15 Mol% hinzugefügt, um einen weitern Beitrag zur benötigten Absorption zu liefern und um den Brechungsindex der Ablagerung über jenen von undotiertem Siliciumdioxid zu erhöhen. Bei der Bestimmung des Anteils von Dotierungsstoffen ist es nötig, deren Einfluss auf die Ablagerung in Betracht zu ziehen. Beide erwähnten Dotierungsstoffe reduzieren die Viscosität der Ablagerung und erhöhen deren Ausdehnungszahl. Die erstgenannte Auswirkung kann Probleme beim Zusammenfallen der Bohrung des Rohres in Sachen Kreissymmetrie, die letztgenannte Auswirkung Probleme in Sachen belastungsbedingte Rissbildung verursachen. Die Reagentien zur Bildung der Schicht 31 sind Sauerstoffgas und Tetrachlorsilicium-, Bortribromid- und Phosphoroxychlorid-Dampf.
Die Dämpfe werden in Sauerstoff als Trägergas befördert, indem gesonderte Sauerstoffströme die drei Flüssigkeiten durchbrodeln.
Diese werden dann mit einem weitern Sauerstoffstrom gemischt, der als Verdünnungsmittel wirkt. Die Reaktion zwischen den Dämpfen und Sauerstoff tritt nicht spontan bei Raumtemperaturen ein, vielmehr wird sie durch Hitze einer Knallgasflamme hervorgerufen, welche entlang dem Rohr fortbewegt wird. Einige Durchgänge der Flamme werden benötigt, um eine Schicht von genügender Dicke zu bilden.
Sowohl Temperatur als auch Durchgangsgeschwindigkeit der Flamme werden sorgfältig kontrolliert, um gerade ge nügend Hitze zur Bildung einer klaren, kohärenten Glasschicht zur Verfügung zu stellen..
Als nächstens wird die Zusammensetzung und der Anteil der Reagentien geändert, um eine Schicht 32 abzulagern, welche den optischen Mantel der fertigen Faser bilden soll.
Diese Schicht 32 besteht aus vornehmlich mit Germaniumdioxid dotiertem Siliciumdioxid. Sie enthält ungefähr 1 bis 2 Mol% Germaniumdioxid und üblicherweise nicht mehr als 1 Mol% eines Oxids von Phosphor, jedoch kein Oxid von Bor. Die kleine Menge von Oxid von Phosphor, üblicherweise ungefähr 0,2 Mol%, wird beibehalten, da bei dieser Konzentration deren Absorption keinen schwerwiegenden Nachteil darstellt, während sich deren Anwesenheit günstig auf die Herabsetzung der Temperatur auswirkt, bei welcher die Schicht in klarer Glasform abgelagert werden kann.
Eine zu hohe Ablagerungstemperatur ist abzulehnen, da sie zur Deformation des Substratrohrs während des Ablagerungsprozesses führen kann.
Nach der Ablagerung der Schicht 32, die in gleicher Weise wie jene der Schicht 31 erfolgt, wird die Zusammensetzung der Reagentien wieder geändert, um die Ablagerung für die Schicht 33 zu bilden. Es handelt sich um jene Schicht, deren Material in der fertigen Faser den optischen Kern bilden soll und sie enthält einen höhern Anteil von Germaniumdioxid-Dotierungsstoffen, um einen höhern Brechungsindex als jenen der Schicht 32 zu erreichen. Die Zusammensetzung der Schicht 33 weist ungefähr 4 Mol% mehr Germaniumdioxid auf als die Mantelschicht 32, jedoch dieselbe Konzentration von Oxid von Phosphor.
Als nächstes wird die Bohrung des beschichteten Substratrohres zum Zusammenfallen gebracht, um einen Lichtleitfaser-Rohling mit vollem Querschnitt zu bilden. Dieses Zusammenfallen wird durch eine Flamme mit höherer Temperatur bewirkt, durch welche die Wandung des Rohres weich gemacht wird, so dass es unter den Auswirkungen der Oberflächenspannung in sich zusammenfällt.
Einige Durchgänge der Flamme bewirken das vollkommene Zusammenfallen der Innenwand des Rohres; im Anfangsstadium des Zusammenfalls, der in einer Weise stattfindet, wie es im CH-Patent Nr. 627 284 beschrieben ist, wird vorzugsweise ein Durchfluss von Tetrachlorgermanium und Sauerstoff durch das Rohr aufrecht erhalten, um einerseits den Verlust des Dotierungsmittels durch Verflüchtigung zu ersetzen und um andererseits einen kleinen zusätzlichen Druck in der Bohrung des Substratrohres aufrecht zu erhalten, wodurch die Kreisförmigkeit während des Zusammenfallprozesses gewährleistet ist.
Der fertige Rohling kann gelagert werden, bis er zum Herunterziehen einer Faser benötigt wird. Er wird dann senkrecht in einer Ziehvorrichtung montiert und bei gesteuerter Geschwindigkeit in einen Ofen herabgelassen, während die Faser von seinem durch Hitze weichgemachten untern Ende gezogen wird. Vorzugsweise passiert die Faser unmittelbar nach dem Ziehvorgang ein Beschichtungsbad, in welchem ein Kunststoff-Schutzmantel auf die Faseroberfläche aufgebracht wird, welcher die frische Faser gegen unerwünschte atmosphärische Einwirkungen und gegen direkten Kontakt mit irgend einem Gegenstand, der die Oberfläche beschädigen könnte, schützt.
Die Dicke der einzelnen abgelagerten Schichten auf das Rohr 30 werden beispielsweise so gewählt, dass ein optischer Kern mit einem Durchmesser von 6,5 llm, ein optischer Mantel mit einem Durchmesser von 45 ,um und eine Absorptionsschicht mit einem Durchmesser von 65 llm entsteht, wobei der Gesamtdurchmesser, ohne die Schutzummantelung, 125 Wm beträgt.
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PATENT CLAIM
Method for producing an optical fiber blank, in particular for a single-mode fiber, characterized in that layers are deposited on one another in the following sequence on the inner wall of a substrate tube (30) made of silicon dioxide by a vapor reaction from which hydrogen and its compounds are excluded:
: - an optically absorbing glass layer (31) made of doped silicon dioxide, containing oxides of boron and / or phosphorus, whose refractive index is greater than that of silicon dioxide, - a transparent optical cladding glass layer (32) made of doped silicon dioxide, containing germanium dioxide, whose refractive index is smaller to the same size as that of the absorption layer (31), and - a transparent optical core glass layer (33) made of doped silicon dioxide containing germanium dioxide, the refractive index of which is greater than that of the cladding layer (32), and that the bore of the tube coated in this way for Is collapsed to form a full-section fiber blank, the amount and composition of the deposited core or
Cladding glasses are such that a fiber drawn from this blank in the wave range between 1.5 to 1.7 llm, measured in empty space, can be operated as a single-mode fiber, in which areas practically all of the single-mode luminous flux associated with the boundary layer between core and jacket can be found propagated in the cladding glass.
The present invention relates to a method for producing an optical fiber blank, in particular for a single-mode fiber.
This fiber should be able to be operated as a single-mode fiber in the wavelength range between 1.5 and 1.7 sum.
The majority of today's fibers are multi-mode (multimode) step index or gradient index fibers. In a single-wave (single-mode) fiber, optical signals can propagate with very low losses at extreme bandwidth, but the manufacture of such a fiber is extremely complicated.
Of the fibers available on the market, the stepped fiber is the cheaper one and basically consists of a glass core with a uniform refractive index and an optical cladding made of glass, the refractive index of which is slightly lower than the former. The more expensive gradient fiber has a core with a refractive index profile that is radially symmetrical and approximately parabolic, the highest value being in the center of the core with parabolically decreasing values until the indexes on the contact surface between core and cladding are balanced.
Both the step and the gradient fibers transmit light in a whole number of modes, each with a characteristic group speed and propagation time. Single-mode fibers are able to transmit larger bandwidths than a step or gradient fiber.
Today, single-mode fibers are still in the experimental stage due to the extremely small core diameter. Certain techniques for producing single-mode fibers use a method in which the core is built up from extremely thin layers. This layer structure is extremely difficult to control and consequently changes in the composition of the fiber that affect its operation are inevitable. So homogeneous cores with diameters between 2 and 20 µm have to be produced, and this is extremely difficult to achieve when using conventional techniques.
Silicon dioxide is advantageously used for the production of an optical fiber, since in this case a steam reaction process can be used which enables precise control of the amount of other materials contained in the silicon dioxide. This is all the more important since certain foreign substances already have a pronounced effect on the transmission loss of the fiber at a concentration of less than 1: 106. In a described embodiment of the production of a fiber blank, from which the fiber is subsequently pulled down, the glass materials used to form the optical cladding and core are deposited by a steam reaction on the inner wall of a silicon substrate tube, which tube is then brought to collapse. Further methods for producing a single-mode fiber can be found in the literature.
Here it is e.g. on the article by T. Miya in Electronics Letters of February 15, 1979, volume 15, No. 4, pages 106-108 or on that of BJ Ainslie in the same journal of July 5, 1979, volume 15, No. 14, pages 411-413. In both cases, the composition of the material used to deposit the optical cladding has a refractive index which is matched to that of the silicon dioxide substrate tube, on the inner wall of which the layer is deposited. This adaptation prevents the formation of an interface in which - in addition to the desired core single mode - cladding modes would spread.
When depositing the core and cladding by a steam reaction, it is desirable to use undoped silicon dioxide as the substrate tube material, since its relatively high melting point helps to alleviate the problems caused by the high deposition temperatures (deformation of the tube). Under these circumstances, the need to match the cladding index to that of the substrate tube is equivalent to setting a specific value of the cladding refractive index.
The purpose of the present invention is to show an optical cladding material whose refractive index does not have to be adapted to that of the substrate tube; this allows greater flexibility in design, particularly with regard to the numerical aperture and the possibility of equalizing the material and waveguide scatter such that the total scatter is zero.
The measures to be taken for the above-mentioned purpose can be found in the wording of the patent claim.
An embodiment of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
1 shows a spectral characteristic of a multimode gradient fiber,
2 shows a spectral characteristic of a single-mode fiber, and
Fig. 3 shows a cross section through an internally coated substrate tube before it collapses into a fiber blank, from which an optical fiber is drawn.
To prevent the propagation of cladding modes, the refractive index of the cladding layer is equal to or less than that of the absorption layer surrounding the cladding layer. Sheath modes only occur if the refractive index of the cladding layer is greater than that of the absorption layer; however, if the refractive index is not significantly higher, a significant part of the luminous flux of cladding modes will spread in the interface present in the absorption layer. Under these circumstances, the damping of the cladding modes is so high
that the presence of a cladding mode waveguide is tolerable. The interface between the absorption layer and the substrate tube similarly forms a waveguide, but also in this case the damping of the absorption layer prevents the spreading of undesired modes.
An important factor influencing the optical transmission properties of a fiber produced by vapor deposition on the inner wall of a tube is the level of contamination by hydroxyl groups. If water is one of the products of the vapor reaction used for deposition, such groups can directly become part of the deposited material. The source of contamination is eliminated by choosing vapor reactions from which hydrogen and its compositions are excluded. One class of suitable reactions relates to the direct oxidation of halides or oxyhalides with oxygen. For this purpose, the reagents can be carried along in the oxygen along the substrate tube. The reaction does not proceed at room temperature, but can be carried out in a localized region of high temperature, e.g. by a detonating gas flame.
The high temperature zone is moved along the tube so that there is a clear gas deposit of uniform thickness along the entire length.
The material of the substrate tube is heavily contaminated by hydroxyl groups and consequently the absorption layer additionally serves as a diffusion barrier, which restricts the diffusion of hydroxyl groups from the substrate tube into the optical cladding and core. For this purpose, it is desirable to form the absorption layer from such a glass composition that can be applied at a relatively low temperature and high deposition rate. It has been found that the direct oxidation of carbon tetrachloride with oxygen is relatively slow and a relatively high deposition temperature is required to produce a clear, molten deposit.
However, if the silicon dioxide is deposited with one or more oxides of boron, phosphorus and germanium, the rate of deposition increases and a lower deposition temperature can be selected to produce the clear, molten deposit required.
A fiber of doped silicon dioxide, which has been produced by hydrogen-free deposition on the inner wall of a silicon dioxide substrate tube, has spectral characteristics in which the attenuation decreases with increasing wavelength in the region from 0.7 to 1.3 llm. This reduction is attributed to the so-called Rayleigh scatter. However, the falling damping is overlaid with a number of absorption peaks, which are due to residual amounts of hydroxyl impurities. The peaks arise at 0.95, 1.25 and 1.4 llm. In the region beyond the 1.4 Wm peak there is another window which can extend up to approximately 1.8 µm.
After that, the attenuation begins to rise again, which can be attributed to various absorption phenomena associated with silicon dioxide and dopant intentionally introduced into this. The peak of the fundamental vibration damping of the Si-O bond is at 9.0 Sm, but its damping extension extends into the region between 1.0 and 2.0 µm.
The B-O, P-O and Ge-O bonds show similar attenuation peaks at 7.3, 8.0 and 11.0 llm, respectively. It has been found that due to these different attenuation peaks associated with the mentioned bonds, the size and depth of the windows in the region immediately beyond the 1.4 m attenuation peak of the hydroxyl group strongly depend on the composition of the material in which the luminous flux is propagated.
Fig. 1 shows the spectral characteristic of a multimode gradient fiber with a core of silicon dioxide which is mainly doped with germanium dioxide, but also contains approximately 1 mol% of an oxide of phosphorus. The optical cladding consists of silicon dioxide doped with an oxide of boron. FIG. 2 shows the spectral characteristic of a single-mode fiber which has a germanium-doped silicon dioxide core and an optical cladding made of silicon dioxide doped with oxides of boron and phosphorus in order to match the refractive index to that of silicon dioxide.
A comparison of the two characteristics shows that the window beyond 1.4 lm of the fiber according to FIG. 1 is relatively wide and deep, since the luminous flux spreads almost exclusively in the core material, while the corresponding window of the fiber according to FIG. 2 is shallower and is narrower because a considerable part of the luminous flux spreads in the cladding, where this spread is impeded by the damping extensions of the DO and PO bonds. The doping with oxides of phosphorus and boron, which has an unfavorable effect on the fiber according to FIG. 2, can, however, advantageously be used in the production of the absorption layer of the fiber according to the invention.
According to an embodiment of the invention, an approximately 1 m long silicon dioxide tube 30 with a diameter of 14 to 12 mm was thoroughly cleaned, dried and fastened in a special lathe, the spindle and tailstock of which are operated synchronously. Oxygen flowed through the tube, which was rotated about its own axis, while a detonating gas flame was moved along the length of the tube to produce a clean, dry, fire-polished inner wall, onto which a layer 31 of glass was applied, which should subsequently form the optical absorption layer of the finished fiber .
This layer 31 is formed from silicon dioxide, which is doped by the simultaneous deposition of oxides of phosphorus and boron. Oxide of boron is added at a concentration of approximately 10 mol% because its absorption tail extends further into the relative part of the spectral region than that of the oxide of phosphorus.
Oxide of phosphorus is added at a concentration in the range of 10-15 mole% to further contribute to the absorption required and to increase the refractive index of the deposit above that of undoped silica. When determining the proportion of dopants, it is necessary to consider their influence on the deposition. Both dopants mentioned reduce the viscosity of the deposit and increase its expansion number. The former impact can cause problems with the collapse of the bore of the tube in terms of circular symmetry, the latter impact can cause problems in terms of stress-related cracking. The reagents for forming layer 31 are oxygen gas and carbon tetrachloride, boron tribromide and phosphorus oxychloride vapor.
The vapors are carried in oxygen as the carrier gas by separate oxygen flows bubbling through the three liquids.
These are then mixed with another stream of oxygen, which acts as a diluent. The reaction between the vapors and oxygen does not occur spontaneously at room temperature, rather it is caused by the heat of an oxyhydrogen gas flame which is moved along the tube. Some passes of the flame are needed to form a layer of sufficient thickness.
Both the temperature and the speed of the flame are carefully controlled to provide just enough heat to form a clear, coherent layer of glass.
Next, the composition and proportion of the reagents are changed to deposit a layer 32 which is to form the optical cladding of the finished fiber.
This layer 32 consists primarily of silicon dioxide doped with germanium dioxide. It contains about 1 to 2 mole percent germanium dioxide and usually not more than 1 mole percent of an oxide of phosphorus, but no oxide of boron. The small amount of oxide of phosphorus, usually about 0.2 mole percent, is retained as is Concentration whose absorption is not a serious disadvantage, while their presence has a beneficial effect on the lowering of the temperature at which the layer can be deposited in a clear glass form.
A too high deposition temperature should be rejected because it can lead to deformation of the substrate tube during the deposition process.
After layer 32 is deposited in the same manner as layer 31, the reagent composition is changed again to form the layer 33 deposit. It is the layer whose material in the finished fiber is to form the optical core and it contains a higher proportion of germanium dioxide dopants in order to achieve a higher refractive index than that of layer 32. The composition of layer 33 has approximately 4 mole% more germanium dioxide than cladding layer 32, but the same concentration of oxide of phosphorus.
Next, the coated substrate tube bore is collapsed to form a full cross-section optical fiber blank. This collapse is caused by a higher temperature flame that softens the wall of the tube so that it collapses under the effects of surface tension.
Some passes of the flame cause the inner wall of the tube to collapse completely; at the initial stage of the collapse, which takes place in a manner as described in Swiss Patent No. 627,284, flow of tetrachloride germanium and oxygen through the tube is preferably maintained, on the one hand to replace the loss of the dopant by volatilization and so on on the other hand, to maintain a small additional pressure in the bore of the substrate tube, which ensures the circularity during the collapse process.
The finished blank can be stored until it is needed to pull down a fiber. It is then mounted vertically in a puller and lowered into an oven at controlled speed while the fiber is pulled from its heat-softened lower end. The fiber preferably passes through a coating bath immediately after the drawing process, in which a protective plastic coating is applied to the fiber surface, which protects the fresh fiber against undesirable atmospheric influences and against direct contact with any object which could damage the surface.
The thickness of the individual layers deposited on the tube 30 are selected, for example, so that an optical core with a diameter of 6.5 .mu.m, an optical cladding with a diameter of 45 .mu.m and an absorption layer with a diameter of 65 .mu.m are formed, whereby the total diameter, without the protective jacket, is 125 Wm.