DE10033177B4 - Optischer Wellenleiter, insbesondere Singlemodefaser, aus einem optisch hochbrechenden Material - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiter, insbesondere als Singlemodefaser, aus einem optisch hochbrechenden Material. Die Aufgabe, eine Wellenleiterstruktur anzugeben, die auch bei hochbrechenden Materialien eine Unterdrückung störender Lichtanteile gewährleistet, wird dadurch gelöst, daß ein Faserkern (1), ein innerer Fasermantel (2) und ein äußerer Fasermantel (3) vorgesehen sind, die im wesentlichen aus Arsensulfid bestehen, wobei der wellenleitende Faserkern (1) mit einer Ga- und/oder Ge-Dotierung im zehntel- bis Mol%-Bereich versehen und der vom inneren Fasermantel (2), dem eine gegenüber der Arsensulfidglasgrundzusammensetzung, As<SUB>x</SUB>S<SUB>100-x</SUB>, mit x zwischen 30 und 45, erhöhter Schwefelanteil gegeben ist, umfaßt ist, welcher einen niedrigeren Brechungsindex als der Faserkern (1) aufweist, wobei das Verhältnis der Durchmesser des Faserkerns (1) zum inneren Fasermantel (2) in der Größenorndung von 1 : 7 festgelegt ist und der innere Fasermantel (2) von einem äußeren Fasermantel (3) gleichen oder höheren Brechungsindex als der des inneren Fasermantels (2) umfaßt ist, wobei der äußere Fasermantel (3) mit Se- und/oder Te-Dotierungen sowie mit geringen Mengen von Übergangsmetallionen, wie Co, Ni, Fe, Cr, V, Mn, Cu, versehen ist und eine Mindestdicke von 10 µm aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiter, insbesondere als Singlemodefaser, aus einem optisch hochbrechenden Material. Wenn im nachfolgenden von Wellenleiter die Rede ist, sind darunter sowohl passive Wellenleiter als auch laseraktive Wellenleiter zu verstehen.
• Optische Wellenleiter haben die Aufgabe, Licht mit definierter Struktur (Modenstruktur, z. B. Singlemode- oder Multimodewellenleiter) zu übertragen. Die Übertragung von Licht, das nicht zu dieser Struktur gehört, stört bei der Charakterisierung und Anwendung von Lichtleitern. Solche Lichtanteile entstehen bei der Einkopplung von Licht in den Wellenleiter und durch Modenkopplung an Defekten bei der Lichtübertragung. Die übliche Technik zur Lösung dieses Problems besteht einerseits in der Abtrennung störender Lichtanteile durch geeignete Filter (Modenstripper) nach der Lichtübertragung oder durch Absorption dieser Lichtanteile während der Übertragung mit Hilfe von Polymerüberzügen um den Wellenleiter, deren Brechungsindex über dem Brechungsindex des Wellenleiters festgelegt ist.
• Bei Lichtwellenleitern, deren Material einen hohen Brechungsindex (z. B. n > 1.6) aufweist, sind die üblichen Techniken zur Beseitigung störender Lichtanteile schwer oder überhaupt nicht zu realisieren, weil die für Modenstripper und Polymerüberzüge in Frage kommenden Materialien keinen ausreichend hohen Brechungsindex aufweisen. So werden z. B. in Chalkogenidglas-Singlemodefasern mit einem Brechungsindex n 2.4 erhebliche Lichtanteile im Fasermantel geführt und stören die Übertragung des Lichtes in der Grundmode, siehe J. Kobelke, J. Kirchhof, S. Jetschke, U. Röpke, M. Scheffler, A. Schwuchow: Small core high NA Pr-doped As-glass fibres for efficient 1.3 μm amplification, Electron. Lett. Vol. 35, No. 6 (1999), S. 496–497, und J. Kobelke, J. Kirchhof, M. Scheffler, A. Schwuchow: Chalcogenide glass single mode fibres – preparation and properties, Journal of Non-crystalline Solids 256 & 257 (1999), S. 226–231. Eine Vermeidung solcher Störungen durch Polymerüberzüge oder das Abstreifen der Mantelmoden mit Immersionssubstanzen ist in diesem Fall kaum realisierbar.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wellenleiterstruktur anzugeben, die auch bei hochbrechenden Materialien eine Unterdrückung störender Lichtanteile gewährleistet.
• Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt.
• Im Rahmen der Erfindung wird ein Faserkern von einem inneren Fasermantel und dieser von einem äußeren Fasermantel umfaßt, die mit unterschiedlichen Brechungsindizes und Dotierungen versehen sind, wobei die Durchmesser des Faserkerns und des innerem Fasermantels in einer vorbestimmten Relation einzuhalten sind und dem äußeren Fasermantel eine gewisse Mindestdicke zu geben und die Verwendung von Übergangsmetallen in geringen Mengen von ausschlaggebender Bedeutung ist.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt 1 den Aufbau eines Wellenleiters nach der Erfindung im Längsschnitt.
• Es ist aus 1 ersichtlich, daß der Wellenleiter aus einem Faserkern 1, einem inneren Fasermantel 2 und einem äußeren Fasermantel 3 besteht. An den äußeren Fasermantel werden folgende Anforderungen gestellt:
• 1. Sein Material muss mit dem Wellenleitermaterial in materialwissenschaftlicher und technologischer Hinsicht kompatibel sein, z.B. hinsichtlich des viskosen Fließverhaltens und der Vermeidung von thermischen Spannungen in der Wellenleiterstruktur.
• 2. Sein Brechungsindex muß höher sein als der Brechungsindex des inneren Fasermantels.
• 3. Er muß eine hohe Absorption bei der Pump- und Arbeitswellenlänge des Faserkerns aufweisen.
• Diese Forderungen werden im Rahmen der Erfindung insbesondere durch eine geeignete Modifizierung des Basismaterials des Lichtleiters oder eng verwandter Materialien mit Hilfe zusätzlicher Substanzen erfüllt.
• Am Beispiel einer Praseodym-dotierten Chalkogenidglas-Singlemodefaser für eine Arbeitswellenlänge von 1,3 μm soll die erfindungsgemäße Lösung näher erläutert werden.
• Die Hauptglaskomponente, aus der alle drei Faserstrukturen, Faserkern 1, innerer Fasermantel 2 und äußerer Fasermantel 3 bestehen, ist durch Arsensulfid, As_xS_100-x, mit x zwischen 30 und 45, typischerweise x = 40, gebildet.
• Zum optimalen, dämpfungsarmen, hochdispersen nichtkristallinen Einbau fluoreszenzaktiver Metallionen (bspw. Pr³⁺) erfolgt eine Modifizierung des, im Beispiel As₄₀S₆₀-Faserkerns mit Ge und Ga im Mol%-Bereich bzw. zehntel-Mol%-Bereich, im Beispiel 1,5 Mol% GE und 0,5 Mol% Ga.
• Dem inneren Fasermantel 2 ist eine Änderung der ursprünglichen Schwefelkonzentration (im Beispiel 62 Mol% in Arsensulfid) gegeben. Die Einstellung der Brechzahl des inneren Fasermantels 2 im Vergleich zum Faserkern erfolgt durch zusätzliche Erhöhung einer Ge- und/oder Schwefelkonzentration. 2% Ge- oder S-Überschuß bewirken dabei eine Absenkung des Brechzahlniveaus gegenüber dem ursprünglichen Arsensulfid um Δn ≈ 190·10^–4.
• Für die gewünschte Lichtleitung sind nur der Faserkern 1 und der innere Fasermantel 2 wirksam. Das Verhältnis der Durchmesser von Faserkern 1 und innerem Fasermantel 2 beträgt größenordnungsmäßig 1:7. Im Ausführungbeispiel beträgt der Brechungsindex des Faserkerns 1 bei 1,3 μm Arbeitswellenlänge 2.4304 und der Durchmesser des Faserkerns 3 μm. Die optionale Dotierung des Kerns mit Praseodym oder einem anderen Seltenerdelement führt zu laseraktiven Materialeigenschaften. Der Brechungsindex des inneren Fasermantels 2 beträgt im Beispiel 2.4146 bei 1,3 μm und der Durchmesser 24.3 μm.
• Zur Unterdrückung störender geführter Mantelmoden ist der innere Fasermantel 2 von dem äußeren Fasermantel 3 umfaßt. Dieser weist eine gleiche oder höhere Brechzahl wie der innere Fasermantel 2 auf. Seine Zusammensetzung entspricht in den Glasbestandteilen dem inneren Fasermantel 2 bzw. variiert in der Zusammensetzung zwischen Innenmantelglas und reinem Arsensulfid. Es wurde gefunden, daß die Substitution von Se im S-Anteil, im Beispiel 5 Mol% in Kombination mit Arsen zu einer starken Absorption des Glases des äußeren Fasermantels 3 führt, die eine Unterdrückung der Ausbildung von geführten Mantelmoden bewirkt. Von besonderem Vorteil ist dabei die Möglichkeit der Einstellung der spektralen Verteilung der Absorption mit der Se-Konzentration, die eine optimale Anpassung an die gewünschte Faserarbeitswellenlänge ermöglicht. Gleiche und verstärkte Effekte sind durch Zugabe von Tellur, im Beispiel 1 Mol%, erreichbar.
• Zudem sind dem äußeren Fasermantel 3 geringe Mengen von Übergangsmetallionen wie Co, Ni, Fe, Cr, V, Mn, Cu zugegeben, wodurch die gesamte Grunddämpfung des Mantelmaterials stark angehoben und die Mantelmoden unterdrückt werden.
• Durch eine Kombination beider Möglichkeiten, Se- bzw. Te-Glasmodifizierung zzgl. Übergangsmetalldotierung, können sowohl die Grundabsorption wie auch die spektrale Verteilung unabhängig voneinander gezielt verändert werden.
• Der Brechungsindex des äußeren Mantels 3 beträgt im Beispiel 2.4361 bei 1,3 μm Wellenlänge. Die Dicke des äußeren Mantels ist größer als 10 μm festzulegen. Die gesamte Faser 1, 2, 3 weist im speziellen Ausführungsbeispiel einen Außendurchmesser von 225 μm auf. Die Materialabsorption des äußeren Fasermantels 3 ist im Beispiel durch Dotierung mit 124 ppm Fe einstellbar. Es sind dadurch Materialdämpfungen größer als 1000 dB/m realisierbar. Alternativ ist als Dotand statt Eisen ein anderes Übergangsmetall, bspw. Co, Ni, Cr, V, Mn oder Cu im Bereich von 0,01 ... 0,05 Masse% einsetzbar.
• Der Faserkern 1 und innerer Fasermantel 2 sind in einem ersten Technologieschritt vermittels eines bekannten Doppeltiegelverfahrens hergestellt. Der äußere Fasermantel 3 ist zunächst als Rohr ausgebildet, in das der stabförmige, vom inneren Fasermantel umfaßte Faserkern eingebracht wird und nach einem sogenannten "rod-in-tube Verfahren" anschließend gemeinsam zur optischen Faser ausgezogen wird, welche vorstehend beschriebene Struktur und Zusammensetzung aufweist.

Claims (6)

1. Optischer Wellenleiter aus einem optisch hochbrechenden Material, mit einem Faserkern (1), einem inneren Fasermantel (2) und einem äußeren Fasermantel (3), die eine Arsensulfidglasgrundzusammensetzung As_xS_100-x, mit x zwischen 30 und 45, aufweisen, wobei der wellenleitende Faserkern (1) mit einer Ga- und/oder Ge-Dotierung im zehntel- Mol%-Bereich bis Mol%-Bereich versehen und vom inneren Fasermantel (2) umfasst ist, dem ein gegenüber der Arsensulfidglasgrundzusammensetzung As_xS_100-x mit x zwischen 30 und 45, erhöhter Schwefelanteil gegeben ist, welcher einen niedrigeren Brechungsindex als der Faserkern (1) aufweist, wobei der innere Fasermantel (2) von dem äußeren Fasermantel (3) mit gleichem oder höherem Brechungsindex als der des inneren Fasermantels (2) umfaßt ist und der äußere Fasermantel (3) mit Se- und/oder Te-Dotierungen versehen ist und eine Mindestdicke von 10 μm hat, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Fasermantel (3) zusätzlich mit Mengen von Übergangsmetallen in der Größenordnung von 0,01 bis 0,05 Masse% dotiert ist und dass das Verhältnis des Durchmessers des Faserkerns (1) zum Durchmesser des inneren Fasermantels (2) in der Größenordnung von 1:7 festgelegt ist.
2. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserkern (1) mit einer fluoreszenzaktiven Dotierung, wie Pr³⁺, versehen ist.
3. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Fasermantel (2) eine gegenüber dem Faserkern (1) erhöhte Ge-und/oder S-Dotierung aufweist.
4. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Fasermantel (3) mit Se in der Größenordnung von 5 Mol% dotiert ist.
5. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Fasermantel (3) mit Te in der Größenordnung von 1 Mol% dotiert ist.
6. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Fasermantel (2) mit Co, Ni, Fe, Cr, V, Mn oder Cu in der Größenordnung von 0,01 bis 0,05 Masse% dotiert ist.