DE10211247A1

DE10211247A1 - Glasfaser mit mindestens zwei Glasmänteln

Info

Publication number: DE10211247A1
Application number: DE2002111247
Authority: DE
Inventors: Ulrich Pauchert; Martin Letz; Ruediger Sorengard; Frank Buellesfeld
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2003-09-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Glasfaser, welche einen Kern umfasst, dessen Matrixglas mindestens ein Schwermetalloxid und mindestens eine Seltene Erden-Verbindung enthält, wobei der Kern von mindestens zwei Glasmänteln umgeben ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Glasfaser sowie einen optischen Verstärker, welcher mindestens eine erfindungsgemäße Glasfaser umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Glasfaser, welche einen Kern umfasst, dessen Matrixglas mindestens ein Schwermetalloxid und mindestens eine Seltene Erden-Verbindung enthält, wobei der Kern von mindestens zwei Glasmänteln umgeben ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Glasfaser sowie einen optischen Verstärker, welcher mindestens eine erfindungsgemäße Glasfaser umfasst.
Optische Verstärker sind eine der wichtigsten Schlüsselkomponenten in der optischen Nachrichtentechnik. Wenn ein rein optisches Telekommunikationssignal in einer Glasfaser übertragen wird, tritt unvermeidbar eine intrinsische Signaldämpfung auf. Um diese Dämpfung zu kompensieren, sind hocheffiziente optische Verstärker erforderlich, welche ein Signal verstärken können, ohne dass das optische Signal in ein elektronisches Signal und wieder zurück in ein optisches Signal umgewandelt werden muss. Auch kann durch optische Verstärker die Geschwindigkeit der Verstärkung erhöht werden, und die Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses fällt durch den Wegfall der Umwandlung in elektronische Signale und zurück wesentlich geringer aus.
Dabei erhöht insbesondere die stetig steigende Nachfrage nach immer größeren Bandbreiten die technischen Ansprüche an optische Verstärker. Breitbandige Datenübertragung wird momentan über die WDM-Technologie (WDM "wavelength division multiplexing") realisiert. Die meisten Verstärker des Stands der Technik arbeiten im C-Band (ca. 1528 nm bis 1560 nm) und weisen nur eine eingeschränkte Breitbandleistung auf, da derartige optische Verstärker bisher auf Er³⁺-dotierten SiO₂-Gläsern basieren. Die Nachfrage nach größeren Bandbreiten erforderte daher die Entwicklung von Multikomponentengläsern, beispielsweise Schwermetalloxidgläsern (HMO "heavy metal oxid glasses"). Schwermetalloxidgläser haben, manifestiert durch ihren intrinsisch sehr hohen Brechwert (bei 1,3 µm) von n > ca. 1,85 große interne elektrische Felder und führen so aufgrund einer größeren Stark-Aufspaltung zu einer breitbandigen Emission der Seltene Erden-Ionen.
Da absorbierende Polymerbeschichtungen mit einem Brechungsindex von n 1,4 zur Verfügung stehen, kann Rauschen, welches durch reflektierte Signale und/oder gestreutes Licht von außerhalb der Faser verursacht wird, durch eine Polymerbeschichtung auf der Glasfaser einfach absorbiert werden. Ferner tritt bei herkömmlichen SiO₂-Verstärkerfasern im wesentlichen kein Brechungsindexsprung an einer Kontaktstelle von einer Standard-Telekommunikationsfaser zu einer Glasfaser eines optischen Verstärkers auf, so dass die Reflektion, welche am Übergang von einem SiO₂-Glasfaserverstärker zu einer Standard-Kommunikationsglasfaser auftritt, vernachlässigt werden kann.
Geeignete Schwermetalloxidgläser weisen üblicherweise einen Brechungsindex von ungefähr n = 1,9 auf. Da Polymerbeschichtungen stets einen kleineren Brechungsindex als Schwermetalloxidgläser aufweisen, ist die Beschichtung mit Polymeren problematisch, da nur ein Polymermantel mit einem geringeren Brechungsindex bereitgestellt werden kann. Jede Beschichtung mit einem Mantel aus einem Material mit einem kleineren Brechungsindex führt jedoch zu einer starken Reflektion an der Grenzfläche dieses Materials zu den Kernregionen bzw. einem innenliegenden Mantel. Des weiteren bedeutet der große Brechungsindex, dass jede Kontaktstelle an einer SiO₂ -Standard-Telekommunikationsglasfaser zu einer starken Reflektion an der Grenzfläche zwischen SiO₂-Standardfaser zur Schwermetalloxidglasfaser des optischen Verstärkers führt. Da ein optischer Verstärker an beiden Ausgängen mit SiO₂- Telekommunikationsglasfasern bzw. auf SiO₂-basierenden Übergangsfasern hoher numerischer Apertur verbunden ist, besteht eine starke Tendenz, dass sich ein Laserresonator mit stehenden Lichtwellen im optischen Verstärker ausbildet. Um letzteres zu verhindern, bietet es sich an, die Kontaktstellen relativ zu den Glasfasern in einem bestimmten bzw. endlichen Winkel auszuführen. Dies resultiert jedoch in einer beträchtlichen bzw. nennenswerten Reflektion, welche in den Mantel der Faser gestreut wird. Daher wird Streulicht, welches im Mantel der Faser wandert, hin und her reflektiert, und es kann nicht verhindert werden, dass Streulicht die zentrale Kernregion erreicht und in diese eindringt. Dieses Streulicht wird die Inversion des Zustands der Seltene Erden-Ionen beeinflussen und führt zu einer Verstärkung des Rauschens und einem Absinken der Signalleistung(en) des Verstärkers.
Für verschiedene Glassysteme sind äußere, absorbierende Mäntel im Stand der Technik bekannt (beispielsweise K. Itoh et al., J. Non-Cryst. Sol, 256-257, 1 (1999)).
EP 1 127 858 beschreibt ein lichtverstärkendes Glas, dessen Matrixglas mit 0,01 bis 10 Mol-% Er-dotiert ist, wobei das Matrixglas notwendigerweise 20-80 Mol-% Bi ₂O₃, 0,01 bis 10 Mol-% CeO₂, und mindestens eines von B₂O₃ o- der SiO₂ enthält. Die in der Druckschrift beschriebenen Glasfasern sind jedoch nur mit üblichen Polymerbeschichtungen versehen. Gleiches gilt für die in WO 99/51537 beschriebenen hoch-Antimonoxid-führenden Gläser.
JP 11274613 A beschreibt eine Glasfaser umfassend Gläser mit hohem Brechungsindex, welche zwei Glasmäntel aufweist. Gemäß dieser Schrift sind jedoch 10.000 ppm absorbierendes Mittel erforderlich. Solche hohen Anteile an absorbierendem Mittel beeinflussen jedoch die Eigenschaften des Glases und sind daher nachteilig.
Somit bestand der Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Glasfaser, umfassend ein Matrixglas mit mindestens einem Schwermetalloxid, für einen optischen Verstärker bereitzustellen, mit welcher die vorstehend beschriebenen Probleme des Stands der Technik vermieden werden können. Insbesondere soll es diese Glasfaser ermöglichen, das Rauschen durch Streulicht zu minimieren und damit die Signalleistung des Verstärkers zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Glasfaser umfassend einen Kern, dessen Matrixglas mindestens ein Schwermetalloxid und mindestens eine Seltene Erden-Verbindung enthält, wobei der Kern von mindestens zwei Glasmänteln umgeben ist und wobei der Brechungsindexsprung Δn vom Kern auf den ersten Mantel im Bereich von 0,001 bis 0,08 liegt und der erste Mantel einen geringeren Brechungsindex als der Kern aufweist.
Die Figuren zeigen:
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasfaser.
Fig. 2 zeigt eine fotografische Abbildung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Glasfaser mit zwei Glasmänteln.
Fig. 3 zeigt schematisch ein bevorzugtes Faserdesign einer Doppelmantelfaser.
Fig. 4 zeigt schematisch ein bevorzugtes Faserdesign einer Faser mit drei Mänteln.
Fig. 5 zeigt eine fotografische Abbildung eines Querschnitts durch eine weitere erfindungsgemäße Glasfaser mit zwei Glasmänteln.
Fig. 6 zeigt den Vergleich der absorbierenden Wirkung von Eisenoxid und Cobaltoxid als absorbierendem Mittel in einem unter stark oxidierenden Bedingungen geschmolzenen Bismutoxid-haltigen Glas.
Vorzugsweise enthält der Kern mindestens ein Schwermetalloxid, welches aus Oxiden von Bi, Te, Se, Sb, Pb, Cd, Ga, As und/oder Mischoxiden und/oder Gemischen davon, ausgewählt ist. Besonders bevorzugt enthält das Matrixglas des Kerns Schwermetalloxide, welche aus Oxiden von Bi, Te, Sb und/oder Gemischen davon ausgewählt sind.
Das Matrixglas des Kerns umfasst ferner mindestens ein Dotiermittel, welches durch Licht angeregt werden kann. Erfindungsgemäß enthält das Matrixglas des Kerns Seltene Erden-Ionen als Dotiermittel.
Vorzugsweise umfasst das Matrixglas des Kerns wenigstens eine Seltene Erden-Verbindung, welche aus Verbindungen von Cc, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und/oder Lu ausgewählt ist. Besonders bevorzugt sind Oxide der Elemente Er, Pr, Tm, Nd und/oder Dy, wobei Oxide von Er am meisten bevorzugt sind.
Gegebenenfalls können zusätzlich zu einer oder mehreren Seltene Erden- Verbindung(en) auch Sc- und/oder Y-Verbindungen im erfindungsgemäßen Glas enthalten sein.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem als Dotiermittel verwendeten Seltene Erden-Verbindungen um sogenannte "optisch aktive Verbindungen", wobei unter "optisch aktiven Verbindungen" solche verstanden werden, welche dazu führen, dass das erfindungsgemäße Glas zur stimulierten Emission befähigt ist, wenn das Glas durch eine geeignete Pumpquelle angeregt wird.
Es können auch mindestens zwei Seltene Erden-Verbindungen in einer Gesamtmenge von 0,01 bis 15 Mol-% verwendet werden. Gläser mit optisch aktiven Seltene Erden-Ionen können mit optisch nicht aktiven Seltene Erden- Elementen codotiert werden, um beispielsweise die Emissionslebensdauern zu erhöhen. So kann beispielsweise Er mit La und/oder Y codotiert werden. Um die Pumpeffizienz des Verstärkers zu erhöhen, kann beispielsweise Er auch mit weiteren optisch aktiven Seltene Erden-Verbindungen, wie beispielsweise Yb, codotiert werden. Zur Stabilisierung der Kristallisation kann Gd codotiert werden.
Gegebenenfalls können zusätzlich zu einer oder mehreren Seltene Erden- Verbindungen auch Sc- und/oder Y-Verbindungen im erfindungsgemäßen Glas enthalten sein.
Durch die Dotierung mit anderen Seltene Erden-Ionen wie beispielsweise Tm können andere Wellenlängenbereiche erschlossen werden, wie im Fall von Tm das sogenannte S-Band zwischen 1420 und 1520 nm.
Ferner können, um eine wirkungsvollere Ausnutzung des Anregungslichts zu bewirken, Sensibilisatoren wie Yb, Ho und Nd in einer geeigneten Menge, beispielsweise 0,005 bis 8 Mol-%, zugefügt werden.
Der Gehalt jeder einzelnen Seltene Erden-Verbindung beträgt beispielsweise von 0,005 bis 8 Mol-% auf Oxidbasis.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Matrixglas sowohl Ce als auch Er.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Matrixglas des Kerns Cer-frei.
Die folgenden Zusammensetzungen sind bevorzugt:
In der vorstehenden Tabelle ist M^I mindestens eines von Li, Na, K, Rb und Cs und M^II mindestens eines von Be, Mg, Ca, Sr, Ba und/oder Zn. Es ist besonders bevorzugt Li und/oder Na als M^I einzusetzen.
Die erfindungsgemäße Glasfaser umfasst neben dem Kern mindestens zwei Glasmäntel, welche den Kern umgeben.
Die Mantelgläser unterliegen keiner besonderen Beschränkung. Vorzugsweise weisen sie ähnliche physikalische Eigenschaften wie das Matrixglas des Kerns und/oder das Glas der anderen Mäntel auf. Vorzugsweise umfassen die Mäntel im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie der Kern, wobei jedoch die Zusammensetzungen so abgewandelt sind, dass die notwendigen Brechwerthübe vom Kern zum ersten Mantel und gegebenenfalls von einem Mantel zu einem anderen Mantel erfüllt werden.
Erfindungsgemäß wird unter dem "ersten Mantel" der den Kern umgebende Mantel verstanden. Die Mäntel werden vom ersten Mantel nach außen hin zu höheren Nummern nummeriert.
Erfindungsgemäß sind die genannten Brechwerte jeweils die Brechwerte bzw. Brechungsindizes der Gläser für elektromagnetische Strahlung im nahen IR- Bereich. Der Brechungsindexsprung Δn vom Kern auf den ersten Mantel beträgt von 0,001-0,08, besonders bevorzugt von 0,005-0,05, wobei erste der Mantel einen geringeren Brechwert als der Kern aufweist. Das Brechungsindexverhältnis der Mäntel untereinander kann wie erforderlich durch im Stand der Technik bekannte Methoden eingestellt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der Brechungsindex n_m2 des zweiten Mantels im wesentlichen gleich oder vorzugsweise höher als der Brechungsindex n_m1 des ersten Mantels. Gemäß anderer Ausführungsformen kann jedoch der Brechungsindex des zweiten Mantels auch kleiner sein als der des ersten Mantels und ein dritter Mantel ist angefügt, welcher einen höheren Brechungsindex als der zweite Mantel aufweist. Auf besonders bevorzugte Ausführungsformen wird nachstehend weiter eingegangen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform enthält das Glas der Mäntel ferner keine Seltene Erden-Dotierung, insbesondere keine Dotierung mit optisch aktiven Seltene Erden-Verbindungen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält jedoch das Glas des ersten Mantels geringe Mengen des/der im Kern als Dotierung verwendeten Seltene Erden-Verbindung(en). Bevorzugt ist eine Dotierung des ersten Mantels mit bis zum halben Anteil, besonders bevorzugt bis zu einem Drittel des Anteils, des im Kern verwendeten Anteils. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch diese Maßnahme das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert werden kann und dass so auch das Ankoppeln der Verstärkerfaser an SiO₂- Fasern verbessert wird. Es wird angenommen, dass bei großen Kernradien ein effektiveres Überlappen der Signalmode und der Pumpmode mit den Seltene Erden-Ionen auch im Mantel stattfindet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Glas des äußersten Mantels mindestens eine absorbierende Komponente bzw. ein absorbierendes Mittel. Als derartige absorbierende Komponenten können Übergangsmetallverbindungen, beispielsweise Verbindungen von Eisen (insbesondere Fe²⁺ und Fe³⁺), Nickel (insbesondere Ni²⁺), Cobalt (insbesondere Co²⁺), Mangan (insbesondere Mn²⁺), Kupfer (insbesondere Cu⁺ und Cu²⁺), Vanadium (insbesondere V³⁺ und V⁴⁺), Titan (insbesondere Ti³⁺) und/oder Chrom (insbesondere Cr³⁺), und/oder Seltene Erden-Verbindungen verwendet werden. Beispielsweise kann die Dotierung mit Fe²⁺ mehrere 100 ppm (bezogen auf das Gewichtsverhältnis) betragen. Die Zusammensetzung des zweiten Mantels kann ansonsten der des Kernglases entsprechen.
Der Anteil der zuzugebenden absorbierenden Mittel hängt von der Absorptionskraft des absorbierenden Mittels ab. Anteile von 5 ppm, vorzugsweise 10 ppm, können beispielsweise bei Co²⁺ schon ausreichen. Vorzugsweise beträgt der Anteil höchstens 5000 ppm, mehr bevorzugt 2000 ppm, am meisten bevorzugt höchstens 1000 ppm zugegeben. Werden höhere Anteile an absorbierenden Mittel zu der Glaszusammensetzung hinzugegeben, so können die Eigenschaften des Glases, wie beispielsweise die Kristallisationseigenschaften negativ beeinflusst werden.
Es wurde festgestellt, dass bei bestimmten Glaszusammensetzungen Eisenoxide nicht als absorbierendes Mittel geeignet sind. Es wurde gefunden, dass insbesondere Bismutoxid in geschmolzenem Zustand bis zum elementaren Bismut reduziert werden kann, was zum Ausfallen von schwarzen metallischem Bi und damit zu einer Verschlechterung der optischen Eigenschaften des Glases führt. Daher werden Gläser, welche polyvalente Schwermetalloxide wie Bismutoxid enthalten, vorzugsweise unter stark oxidierenden Bedingungen geschmolzen. Bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Glasfaser als optischer Verstärker für das 1,5 µm Band, das sogenannte C-Band, könnten aufgrund ihrer Absorptionsbande im nahen Infrarotbereich Fe²⁺-Ionen als geeigneter Absorber dienen. Jedoch stellte sich durch Experimente heraus, dass 99% der zugegebenen Fe²⁺-Ionen durch die oxidierenden Schmelzbedingungen zu Fe³⁺-Ionen oxidiert wurden. Da die Absorptionsbande von Fe³⁺ jedoch nicht im erforderlichen Bereich liegt, kann Eisenoxid die Aufgabe als absorbierendes Mittel in derartig hergestellten Gläsern nicht erfüllen.
Es wurde jedoch gefunden, dass Co²⁺-Ionen, welche ebenfalls eine geeignete Absorption im nahen Infrarotbereich aufweisen, auch durch stark oxidierdierende Bedingungen in der Schmelze überraschenderweise nicht in einen höheren Oxidationszustand überführt werden und daher als absorbierende Mittel besonders geeignet sind. Vorzugsweise enthält der äußerste Mantel daher mindestens eine vorzugsweise oxidische, zweiwertige Cobaltverbindung als absorbierendes Mittel.
In Fig. 6 ist das Transmissionsspektrum eines Eisenoxid-haltigen Bismuthoxid-haltigen Glases mit dem eines Co²⁺-haltigen Glases verglichen. Obwohl Eisen in Form von zweiwertigem Eisen (zugegeben in einer Menge von 1000 ppm) zum Ausgangsgemenge zugegeben wurde, ist die Transmission des Glases im Bereich von 1500 nm kaum verschlechtert. Die absorbierende Wirkung ist somit gering. Im Gegensatz dazu ist die Transmission eines nur 250 ppm Co²⁺ in oxidischer Form enthaltenden Glases insbesondere im Bereich von 1500 nm auf weniger als 50% abgesunken. Cobaltoxid zeigt somit im Vergleich zu Eisenoxid in diesen Gläsern eine ausgezeichnete absorbierende Wirkung.
In Fig. 3 und 4 sind zwei besonders bevorzugte Designs einer erfindungsgemäßen Glasfaser schematisch gezeigt. Dabei ist der Brechungsindex als Funktion des Radius der Glasfaser schematisch dargestellt
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Kern der erfindungsgemäßen Glasfaser von genau zwei Glasmänteln umgeben.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasfaser 1 im Schnitt gezeigt. Der Kern 2 ist von einem inneren Mantel 3 umgeben, welcher wiederum von einem äußeren Mantel 4 umgeben ist. Gemäß dieser Ausführungsform enthält der äußere Mantel ferner ein wie vorstehend beschriebenes absorbierendes Mittel.
Fig. 3 zeigt ein besonders bevorzugtes Design der Brechungsindizes einer Doppelmantelfaser. Der Bereich 11 ist der Kern der Faser, der mit mindestens einer Seltene Erden-Verbindung dotiert ist, der Bereich 12 ist der innere Mantel und weist einen geringem Brechwert als der Kernbereich 11 auf, wodurch eine Führung des im Bereich des Kerns propagierenden Lichts gewährleistet ist. Der Bereich 13 ist der zweite und hier äußere Mantel, der hauptsächlich Streulicht absorbieren soll.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Kern der erfindungsgemäßen Glasfaser von genau drei Glasmäntel umgeben.
Fig. 4 zeigt ein besonders bevorzugtes Design einer erfindungsgemäßen Glasfaser mit drei Glasmänteln. Der Bereich 21 ist der Kern der Faser, der mit beispielsweise Er³⁺ dotiert ist und die Signalmode führt. Der innere Mantel 22 kann eine Dotierung von Yb³⁺ enthalten. Eine solche Dotierung des ersten Mantels mit beispielsweise mit Yb³⁺ kann für ein sogenanntes Multimodenpumpen verwendet werden. Während beim Einfach- bzw. Singlemodenpumpen Licht ausschließlich in den Kernbereich der Verstärkerfaser eingestrahlt wird und dazu nur sehr teure Laser verwendet werden können, wird beim Multimodenpumpen in den breiteren Querschnittsbereich von Kern und zusätzlich dem ersten Mantel eingestrahlt. Durch dieses Einstrahlen wird Yb³⁺ bei ca. 975 nm angeregt (²F_7/2 → ²F_5/2). Da Yb³⁺ auf einer ähnlichen Wellenlänge eine Fluoreszenz zeigt, wird durch diese Fluoreszenz das Niveau ⁴I_11/2 des Er³⁺- Ions bei ca. 980 nm gepumpt. Die zum Multimodenpumpen verwendbaren Lichtquellen sind wesentlich kostengünstiger. Der sich an den ersten Mantel 22 anschließende Bereich des zweiten Mantels 23 mit einem geringeren Brechwert als der erste Mantel sorgt für eine Führung des im Bereich des ersten Mantels 22 propagierenden Lichtes und der Bereich des dritten Mantels 24 dient wiederum als äußerer absorbierender Mantel.
Die erfindungsgemäße Glasfaser weist vorzugsweise einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Es werden aber auch Glasfasern von der vorliegenden Erfindung umfasst, welche einen von einem kreisförmigen Querschnitt abweichenden Querschnitt aufweisen.
Die erfindungsgemäße Glasfaser weist vorzugsweise eine Gesamtdicke von 100 bis 400 µm, mehr bevorzugt 100 bis 200 µm auf. Besonders bevorzugt ist eine Gesamtdicke von etwa 125 µm.
Der Kern der erfindungsgemäßen Glasfaser weist vorzugsweise einen Durchmesser von 1-15 µm auf. Der erste Mantel weist vorzugsweise eine Dicke d_m1 im Bereich von 5-100 µm auf. Der zweite und weitere Mäntel weisen vorzugsweise eine Dicke d_m2 im Bereich von 10-150 µm auf.
Gemäß der Erfindung ist unter dem Begriff "Kern einer Glasfaser" der Bereich zu verstehen, welcher durch das glastechnologische Herstellungsverfahren erzeugt wurde und welcher sich dadurch vom Mantel unterscheidet. Eine "Kernregion" bzw. "Kernbereich" umfasst hingegen den Bereich, in welchem die Intensität des optischen Signals bis auf den e-ten Teil der Eingangsintensität abgefallen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Glasfaser auf dem äußersten Glasmantel mindestens eine Beschichtung, welche mindestens einen Kunststoff bzw. ein Polymer umfasst. Diese äußere Kunststoffbeschichtung dient insbesondere zum mechanischen Schutz der Glasfaser. Die Dicke dieser Kunststoffbeschichtung beträgt vorzugsweise von 2-400 µm. Ein Wert unter 2 µm kann keinen ausreichenden Schutz der Glasfaser garantieren, und besonders bevorzugt ist die Dicke mindestens 3 µm, mehr bevorzugt mindestens 8 µm. Bei Dicken oberhalb 400 µm wird es schwierig, eine einheitliche Beschichtung bereitzustellen.
Besonders bevorzugt beträgt die Dicke höchstens 70 µm. Für eine derartige Kunststoffbeschichtung kann jede Art Polymer verwendet werden, solange dieses gut auf dem Mantelglas haftet. Beispiele solcher Kunststoffe sind wärmehärtbare Silikonharze, UV-härtbare Silikonharze, acrylische Harze, Epoxid- Harze, Polyurethan-Harze und Polyimid-Harze.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Glasfaser. Diese ist durch konventionelle Herstellungsverfahren wie beispielsweise ein "Rod-in-Tube"-Verfahren, Mehrfachtiegelverfahren und Extrusionsverfahren, sowie Kombinationen dieser Verfahren herstellbar.
Gemäß einer Ausführungsform wird zunächst eine "Vorform" bzw. "Preform" bestehend aus Kern und einem oder mehreren Mänteln hergestellt, welche schon den Schichtaufbau der späteren Glasfaser aufweist und zu einer Glasfaser ausgezogen werden kann. Eine derartige Vorform weist beispielsweise eine Dicke von 4 bis 30 mm und eine Länge von 5 bis 40 cm auf. Diese Vorform wird bei einer geeigneten Temperatur zu einer Faser ausgezogen.
Bei einem "Rod-in-Tube"-Verfahren wird in ein strang- bzw. stangenförmiges Mantelglas ein Loch gebohrt, so dass ein röhrenförmiges Mantelglas erhalten wird, in welches ein passender Stab des Kernglases eingeführt wird. Ferner kann das Mantelglas durch geeignete Formgebungsprozesse als Rohr ausgezogen werden. Beispielsweise wird ein Stab eines Kernglases mit einem Durchmesser von 1,0 bis 1,4 mm in einen röhrenförmigen ersten Mantel mit einem Durchmesser des Innenlochs von 1,5 mm und einem Außendurchmesser von 7 mm eingeführt. Um einen mit mehr als einem Mantel umgebenen Kern zu erhalten, kann diese Methode mehrmals wiederholt werden, d. h. für einen zweiten Mantel wird in ein zweites stangenförmiges Mantelglas ein Loch gebohrt und die Vorform aus Kern und erstem Mantel in den röhrenförmigen zweiten Mantel eingeführt. Diese Anordnung aus Kern und Mänteln wird zum Verbinden der Grenzflächen bis auf vorzugsweise oberhalb der Transformationstemperatur erwärmt, um eine "Vorform" zu erhalten. Gegebenenfalls kann eine Vorform aus Kern und mindestens einem ersten Mantel nach einem derartigen Erwärmen zu einem gewissen Ausmaß ausgezogen werden und in dieser ausgezogenen Form als Stab in einen zweiten oder weiteren Mantel eingeführt werden. Beim Rod-in-Tube-Verfahren kann ebenso ein heißgeformter, ausgezogener Stab in ein heißgeformtes, gezogenes Rohr gesteckt werden.
Ferner kann eine solche Vorform auch durch ein sogenanntes Extrusionsverfahren hergestellt werden. Hierbei wird ein Block des Kernglases auf einen Block eines Mantelglases gelegt und anschließend von der Unterseite her linienförmig erwärmt. Entlang der erwärmten Linie sackt das Kernglas langsam in das Mantelglas ein, bis es völlig von diesem umschlossen ist.
Bei einem Mehrfachtiegelverfahren, wie einem Doppel- oder Dreifachtiegelverfahren wird eine "Vorform" aus Kern oder einem oder mehreren Mänteln direkt durch ineinanderliegende Tiegel aus der Schmelze heraus generiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch direkt, d. h. ohne vorherige Herstellung einer Preform, eine Glasfaser mit einem Durchmesser von beispielsweise 125 µm hergestellt werden. Insbesondere werden zur direkten Faserherstellung Dreifach- oder Mehrfachtiegelverfahren verwendet.
Diese Verfahren zur Herstellung einer Vorform körnen miteinander kombiniert werden um die erfindungsgemäßen Glasfasern mit mindestens zwei Mänteln zu erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es besonders bevorzugt, ein Doppeltiegelverfahren zum Herstellen einer "Vorform" aus dem Kern und dem ersten Mantel herzustellen und die so erhaltene Vorform, bestehend aus Kern und einem Mantel durch ein "Rod-in-Tube"-Verfahren als Stab in einen röhrenförmigen zweiten Mantel einzuführen. Es hat sich herausgestellt, dass durch diese Kombination einerseits eine gute Grenzfläche zwischen Kern und ersten Mantel erhältlich ist, andererseits ein zweiter und/oder weitere Mantel in ökonomischer Weise hinzugefügt werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen optischen Verstärker, welcher mindestens eine erfindungsgemäße Glasfaser umfasst. Beispielsweise weist der optische Verstärker die folgende Struktur auf. Über einen optischen Isolator zur Unterdrückung von Lichtreflexionen wird das eingehende Lichtsignal an einen Koppler angeschlossen. Im Koppler werden Signal und Pumplicht zusammengeführt und gemeinsam in die optisch aktive Faser eingekoppelt. Das andere Ende der Verstärkerfaser wird mit der ausgehenden Faser verbunden. Hier kann auch noch ein Filter gegebenenfalls mit einem weiteren optischen Isolator angeordnet sein. Es ist ferner möglich, die Verstärkerfaser in beide Richtungen zu pumpen, wobei dann ein zweiter Koppler erforderlich ist.
Die Signallichtquelle wird an den Wellen-mischenden optischen Koppler durch den optischen Isolator verbunden. Der optische Koppler wird ferner mit der Anregungslichtquelle verbunden. Dann wird der optische Koppler mit einem Ende der Glasfaser verbunden. Das andere Ende der optischen Glasfaser wird mit dem optischen Isolator durch den optischen Koppler zum Wellensplitting verbunden. Jeder Teil wird mit der optischen Faser verbunden.
Ferner umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Glasfaser als optisch aktives Glas in einer Laseranordnung.

Beispiele

Beispiel 1

Es wurden Glaszusammensetzungen für den Kern, den ersten und zweiten Mantel hergestellt. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen der Gläser in Mol-%.
Das zu einem Strang ausgezogene Kernglas (Länge 10 cm, Durchmesser 1 mm) wurde mittels des Rod-in-Tube-Verfahrens mit dem ersten Mantel (Außendurchmesser 7 mm; Durchmesser Innenloch: 1,5 mm) ummantelt. Die Preform aus Kern und erstem Mantel wurde anschließend bis zu einem Durchmesser von 1 mm ausgezogen und mittels eines weiteren Rod-in-Tube- Schritts mit dem äußeren Mantel (Außendurchmesser 7 mm; Durchmesser Innenloch 1,5 mm) ummantelt. Tabelle 1
Die erhaltene Preform wurde zu einer Glasfaser einer Dicke von 125 µm ausgezogen.
Fig. 2 zeigt eine fotographische Abbildung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Glasfaser. Kern 2 ist vom ersten Mantel 3 umgeben, dieser wiederum vom äußeren Mantel 4.

Beispiel 2

Unter Verwendung der gleichen Zusammensetzungen wie in Beispiel 1 wurde eine Doppelmantelfaser hergestellt, wobei in diesem Fall der Kern mittels eines Doppeltiegelverfahrens mit dem ersten Mantel ummantelt wurde. Der Kerndurchmesser sowie die Abmessungen des ersten Mantels entsprachen dabei denen des Beispiels 1. Anschließend wurde die so erhaltene Preform aus Kern und ersten Mantel zu einer Dicke von 1,5 mm ausgezogen. Anschließend wurde der zweite Mantel durch das Rod-in-Tube-Verfahren um die ausgezogene Preform aus Kern und erstem Mantel gebildet.
Die erhaltene Preform wurde zu einer Glasfaser einer Dicke von 125 µm ausgezogen.
Durch optische Betrachtung zeigte sich, dass in Beispiel 2 eine bessere Grenzfläche zwischen Kern und ersten Mantel erhalten wurde.

Beispiel 3

Es wurde durch das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren eine Doppelmantelfaser mit auf Telluroxid-basierenden Kern- und Mantelgläsern hergestellt.
Die erhaltene Preform wurde zu einer Glasfaser einer Dicke 4 von 325 µm und einem Kerndurchmesser von 4,5 µm ausgezogen.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch die hergestellte Te-Doppelmantelfaser. In diesem Fall wurde der Querschnitt geätzt, so dass die Übergänge von Kern auf ersten Mantel bzw. zweiten Mantel stärker hervortreten.

Beispiel 4

Unter Verwendung der in Tabelle 2 gezeigten Glaszusammensetzungen wurde eine Doppelmantelfaser hergestellt. Dabei wurde zunächst unter Verwendung eines Doppeltiegels eine Vorform aus Kern und ersten Mantel hergestellt. Anschließend wurde diese Vorform mittels des Rod-in-Tube-Verfahrens mit dem zweiten Mantel versehen. Anschließend wurde die erhaltene Vorform zu einer Glasfaser mit einem Durchmesser von 125 µm ausgezogen. Tabelle 2

Claims

1. Glasfaser umfassend einen Kern, dessen Matrixglas mindestens ein Schwermetalloxid und mindestens eine Seltene Erden-Verbindung enthält, wobei der Kern von mindestens zwei Glasmänteln umgeben ist, wobei der Brechungsindexsprung Δn vom Kern auf den ersten Mantel im Bereich von 0,001 bis 0,08 liegt und der Brechungsindex des ersten Mantels kleiner als der des Kerns ist.

2. Glasfaser nach Anspruch 1, wobei das Schwermetalloxid aus Oxiden von Bi, Te, Se, Sb, Pb, Cd, Ga, As und Gemischen davon ausgewählt ist.

3. Glasfaser nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kern mindestens Bi₂O₃ und/oder TeO₂ und/oder Sb₂O₃ umfasst.

4. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kern wenigstens eine Seltene Erden-Verbindung enthält.

5. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Mantel wenigstens eine Seltene Erden-Verbindung enthält.

6. Glasfaser nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Seltene Erden-Verbindung aus Verbindungen von Ce, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und/oder Lu, sowie Gemischen davon ausgewählt ist.

7. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Brechungsindex n_m2 des zweiten Mantels höher als der Brechungsindex n_m1 des ersten Mantels ist.

8. Glasfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Brechungsindex n_m2 des zweiten Mantels niedriger als der Brechungsindex n_m1 des ersten Mantels ist.

9. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kern von zwei oder drei Glasmänteln umgeben ist.

10. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kern einen Durchmesser von 1 bis 15 µm aufweist.

11. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Mantel eine Dicke d_m1 im Bereich von 5 bis 100 µm aufweist.

12. Glasfaser nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der zweite und/oder weitere Mantel eine Dicke d_m2 im Bereich von 10 bis 300 µm aufweist.

13. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Faser eine Gesamtdicke von 125 µm aufweist.

14. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Glas des äußersten Mantels mindestens eine absorbierende Komponente umfasst.

15. Glasfaser nach Anspruch 14, wobei die absorbierende Komponente aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Übergangsmetall- bzw. Seltene Erden-Oxid-Verbindungen und/oder Gemischen davon besteht.