DE2349906A1

DE2349906A1 - Optische uebertragungsleitung

Info

Publication number: DE2349906A1
Application number: DE19732349906
Authority: DE
Inventors: Douglas Arthur Pinnow; Legrand Gerard Van Uitert; John Charles Williams
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-10-06
Filing date: 1973-10-04
Publication date: 1974-04-11
Also published as: JPS4974546A; JPS586921B2; GB1436605A; FR2202302A1; DE2349906B2; CA984192A; US3778132A; SE383422B; FR2202302B1

Description

V'.Vstcj.·!! Electric Company, I nc orpor a te-c Pinnow 13-70-4 K'οw York, M. Yo, V₀St.Λ,,

OptIsche Über tr agung s1eitung

Die Erfindung betrifft Glac-Übertragungsleitungen für die Anwendung innerhalb des sichtbaren und in der Nähe des sichtbaren Spektrums.

Die Anwendungomöglichkeiten von Kommunikationssystemen unter Verwendung kohärenter* oder inkohärenter Träger im sichtbaren und der Nähe des sichtbaren Spektrums sind weiterhin von großem Interesse. Wesentliche Erwägungen, betreffen, hierbei die 'erforderlichen v.ergrö-_ Berten Bandbreiten infolge der auftretenden höheren Frequenzen und die geringeren räumlichen Erfordernisse der Übertragungsleitungen, wenn sie angewandt werden* Der letztgenannte Gesichtspunkt ist ein extrem wichtiger Gesichtspunkt, insbesondere-:· in Stadtgebieten, wo der Leitungr.raum besonders knapp ist. Dieses Problem wird . durch die Einführung und wachsende Durchsetzung von Breitbandsystemen, beispielsweise zur Datenübertragung, für Faksimile-Schnellübertragungssysteme und Videoübertragung c sy sterne, wie sie beispielsweise unter dem Warenzeichen PICTUREPHONE entwickelt v/urden, noch er-

en schwortc Auch wann die Anforderung/derart gelagert sind, daß nicht die volle BanäbreJtenübertragungskapazitat der leichten Nachrichtonsysteme erforderlich ist, kann ein Vergleich, beispielsweise zwischen einer optischen

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BAD

Übertragungsleitung und einer bei gleicher Bandbreite arbeitenden Mikrowellen-Übertragungsleitung zu einer Bevorzugung des optischen Systems führen.. Für Licht— Übertragungssysteme wurden zwar viele Übertragungs— medien vorgeschlagen und untersucht, jedoch ist bis zum heutigen Zeitpunkt die Glas-Übertragungsleitung die der kommerziellen Auswertung noch am nahesten kommende. Es erscheint sehr wahrscheinlich, daß bereits in naher- Zukunft sehr dünne flexible Glasfasern mit für die Anwendung hinreichend niedriger Einfügungsdämpfung zur Verfügung stehen. .

Eine große Zahl verschiedener Glasmedien wurde untersucht, und es ist noch zu früh, um definit.iv festzustellen, wohin die bevorzugte Entwicklung in Zukunft gehen wird. Hinsichtlich einer Lösung in naher Zukunft ist es jedoch offensichtlich, daß erschmolzenes Siliciumoxid (SiO ) ein sehr vielversprechendes Medium für Übertreigungslei— tungen für die Anwendung im sichtbeiren und in der Nachbarschaft des sichtbaren Spektrums ist. Muster mit einem Einfügungsdämpfungsverlust von weniger als 2 dB/km bei einer Wellenlänge von 1,06 μια stehen jetzt zur Verfügung. Gegenwärtig entwickelte Faser-Ziehverfahren zeigen vielversprechende Ergebnisse, und es wird erwartet, daß Faserleitungen mit Einfügungsdampfungsverlusten im Bereich der Mustermaterialien in naher Zukunft hergestellt werden können.

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BAD ORfGINAt

Insoweit wurde das Medium betrachtet, durch welches die gesamte oder der größte Teil der Wellenenergie übertragen wird. Eine zweite Erwägung betrifft die Viellenlei tungsfunktion der Leitung. Die meisten in Betracht stehenden Übertragungsleitungsausgestaltungen arbeiten mit einem das Übertragungsmedium umhüllenden Bereich. Dieser Bereich, der einen"etwas niedrigeren Brechungsindex als das Übertragungsmedium selbst hat, kann die Form eines Überzuges mit einheitlichem Brechungsindex oder mit gestaffeltem Brechungsindex haben, der an einer vom-Kern entfernten Stelle ein Minimum erreicht.

Infolgedessen wurden erhebliche Anstrengungen zur Herstellung von Übersugsausgestaltungen unter Verwendung von SiO unternommen ο Da dieses Mateirial se3bst einen sehr niedrigen. Brechungsindex hat, wurde bisher so vorgegangen, daß die Herstellung eines Siliciumoxid-Übersug/Silisiumoxid-Kern-Äufbaues .angestrebt wurde, bei dem der Brechungsindex des Kerns durch geeignete Dotierung erhöht wurde. Titandioxid (TiO^) wurde beispielsweise in geringer Menge (etwa I₅O Gew.%) verwendet , was &Λ1 einer Erhöhung des Brechungsindex im "Kern in der erwünschten Größenordnung von etwa 0,3 % führte» Diesms Ergebnis kann nicht übersehen werden, jedoch weroiij die erzielten Ergebnisse ..In gewisser Weise

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BAD ORiGlNAL

enttäuschend. Der Einfügungsdämpfungsverlust für Musterausgestaltungen dieser Art lag bei erheblich höheren Niveaus, als dies für reines Siliciumoxid erwartet wurde. Im Vergleich zu undotierten Fasern ähnlicher Ausgangsmaterialien trat ein Anwachsen der Streuverluste und der Aosorbtionsverluste auf.

Bei der erfindungsgemäßen Übertragungsleitungs-Ausgestaltung wird ein dem Stand der Technik entsprechander Lösungsweg beschritten* Der Kernabschnitt, durch den die Wellenenergie hautpsächlich durchtritt, wird aus hochreinem, undotiertem Siliciumoxid hergestellt.' Die Anforderungen an den Überzugsabschnitt werden durch Verwendung von Siliziumoxid erfüllt, welches einen bei der in Betracht stehenden Wellenenergie erniedrigten Brechungsindex zeigt» Eine Absenkung des Brechungsindex auf die erforderliche Größe in der Größenordnung von wenigstens einem Zehntel Prozent weniger als dem Brechungsindex des Kerns, wird durch Zumischen von Boroxid (B«O~) zum Siliziumoxid erzielt. Obwohl dieses B_?°o im sichtbaren und in der Nähe des sichtbaren Spektrums etwa den gleichen Wert des Brechungsindex wie Silizium hat, xvurde gefunden, daß eine erhebliche Absenkung des Brechungsindex bei Verwendung von SiO /B_O_-Gemisch erzielt wird, bei dem das Molekülverhältnis zwischen 2 : 1 bis 30 ι 1 liegt= Der Hü 11-

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bestandteil kann als Einzelüberzugsschicht aufgebracht werden, oder, er kann derart ausgebildet werden, daß der Aufbau einen erforderlichen parabolischen Verlauf des Brechungsindex zeigt.

Die Erfindung liegt hauptsächlich in der beschriebenen Durchführung eines erforderlichen Zieles. Der undotierte Siliziurnoxidkern zeigt sehr niedrigen Einfügungsdämpfungsverlust, der diesem hervorragenden"Übertra— gungsmedium eigen ist. Obwohl der größte Teil der Wellenenergie durch diesen Kern übertragen wird, verläuft ein nicht unerheblicher Randteil durch das Leitungs- oder Führungsmedium, üblicherweise einen Überzug. Solch ein Überzug aus init B„O_* modifiziertem Siliziumoxid gemäß der Erfindung ist im wesentlichen wasser- und OH—frei, so daß der Absorbtionsverlust nicht zwangsweise über den des Kerns erhöht wird. Der Streuverlust ist zwar, wahrscheinlich infolge der zufälligen Verteilung der Borgruppen etwas erhöht, ist jedoch im Ü'ber-' zug von geringerer Bedeutung als eil in gleicher Weise erhöhter Verlust im Kern des entsprechenden Aufbaues gemäß dem Stande der Technik«.

Brechungsindex-Differentiale oder -Gradienten sowie andere Auslegungsparameter für bevorzugte Übertragungsleitungsausgestaltungen werden nachstehend beschrieben

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BAD

und sind von Bedeutung zur Bestimmung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht ches Abschnitts des Aufbaues einer erfindungs— gemäßen Übertragungsleitung; und

Fig. 2 ein experimetell ermitteltes Diagramm,

in dem auf dei? Ordinate der Brechungsindex V für eine gewählte Wellenlänge¹ und auf der Abszisse die Zusammensetzung von|~Si°~/ (SiO +3/2 B 0_) und SiO /B 0 ~J aufgetragen ist.

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer optischen Übertragungsleitung 1, die aus einem Kern-Abschnitt 2 aus unmcdifiziertem, hochreinem SiO„ und einem als Überzug 3 dargestellten Leitungsabschnitt aus m5.t B„O_ modifiziertem SiO_ aufgebaut ist. Der Leitungsabschnitt (Überzug 3) kann in der erörterten Weise als Einzelschicht mit irn wesentliehen gleichem Brechungsindex oder als zwei- oder mehrschichtige Lage ausgebildet sein, wobei jede folgende Lage niedrigeren Brechungsindex als die vorhergehende hat, so daß ein spezieller, für Multimoden-Ausgestaltungen geeigneter parabolischer Gradient angenähert wird. Der Überzug 3 selbst kann alternativ eine abgestufte Zusammensetzung haben. Vielter ist eine Einrichtung 4 zur Ein- und/oder Ausführung von Wellenenergie in die Leitung 1 gezeigt* Im vorliegenden Fall besteht die Einrichtung 4 aus einem Abschnitt von eng angepaßtem Brechungsindex» Die Ein-

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BAföiiGlkAL"'

richtung 4 kann eine Kopplung zwischen der Leitung und einer nicht gezeigten Übertragungs- oder Abtastvorrichtung sein. Eina in gestrichelten Linien gezeigte zusätzliche Schicht 5 dient als Schutzschicht zur Verhinderung von Kreuzkopplungen zwischen benachbarten Leitungen» Diese Schicht kann aus irgendeinem die zu übertragende Wellenenergie cibsorbierenden Material bestehen. Für den Betrieb im sichtbaren und in der Nähe des sichtbaren Spektrums kommen als Schutzschichtmaterdalien mit Kohle imprägniertes Polyäthylen, aus der Dampfphase niedergeschlagene Chrom-Metal!schichten und schwarz pigmentierte Polyesterharze oder Farben infrege. Die dem Diagramm von Fig. 2 entnehmbaren Werte sind weitgehend repräsentativ für das gesamte sichtbare Spektrum sowie die anschließenden Bereiche im infraroten und im nahen ultravioletten Bereich, für die SiO hinreichend transparent ist. Die tatsächlich angegebenen Vierte sind jedoch ermittelt für einen Brechungsindex ^j in der Nähe der Wellenlänge von 0,58 um. Die angegebenen Grenzwerte liegen etwa bei 1,4585 für SiO₂ und l_r4582 für B₂O₃. Mischung?der beiden Materialien führen zu einer Absenkung von '~\ über den gesamten Bereich und erreichen ein Minimum von etwa 1,4545 bei einem Wert von SiO /(SiO + 3/2 B₂O₃) von 0,8. Dies entspricht einem SiO :S-O^-Verhältnis ■von G : 1. Zusammensetzungen in einem Bereich um dieses ■ Kiriirram herum, die in der noch im einzelnen beschriebenen

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Weise hergestellt werden, sind im wesentlichen frei von auf KO odar OH-Gehalt zurückfuhrbare Absorbtion.

Zusammensetzung

Erf indungsgernäß verwendetes Überzugsmaterial ist mit B₀O- modifiziertes erschmolzenes Siliciumoxid* Der Gehalt an ungewollten Verunreinigungen vdxd beim Kernmaterial im allgemeinen auf eincra sehr niedrigen Niveau gehalten* Sowohl Siliziumoxid als auch Bortrioxid stehen in Reinheiten in der Größenordnung von 99,9999 Gew/i zur Verfügung, bzw» können derart rein dargestellt werden, und mit Ausnahmefällen, beispielsweise bei Li, Na und H, ist es im allgemeinen erforderlich, daß die Materialien diesen Reinheitsgrad erreichen«, Durch solche Reinheitsgrade wird erfindungsgemäß geeignetes Material sichergestellt, jedoch ist der Gehalt ah Verunreinigungen von primärer Auswirkung bei Materialien, die merklichen Einfluß auf Streuung oder Absorbtion haben» Bei der Streuung wächst der Verlust, wenn der Brechungsindex und die Konzentration des Einschlusses sich gegenüber¹ SiliziuTioxid ändert» Der Brechungsindex von SiO - wie-der bei der als Beispiel gewählten Wellenlänge von Oj58 pm gemessen - beträgt 1,4585 (im Vergleich

Vakuum j, für das der Wert to = I gesetzt ist). Aus der Figur geht hervor, daß der Viert für B_?0~ unter gleichen Umständen eng benachbart,· d.hO 1,4582 ist_o

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Dies stellt einen prozentualen Unterschied von etwa 0,0 2 % dar. Für optimale Leistungen müssen alle Verunreinigungen mit Brechungsindexv;erty( die mehr als 0,05 % abweichen, auf einem Wert unterhalb von 0,2 Gew..% gehalten werden.

Der Einfügungsdärapfungsverlust einer Übertragungsleitung der hier in Frage stehenden Art liegt innerhalb asiner Grenzen infolge von Absorbtions- und Streu-'komponenten in derselben Größenordnung. Bei 1,06 tun kann die Absorbtionskomponente des. Einfügungsdämpfungs-

verlusts für SiO^ unter 1 dB/km liegen. Verunreinigung mit Absorbtionsniveaus bei einer in Frage stehenden Wellenlänge sollten auf oder unterhalb eines Anteils gehalten werden, der ausreicht, um ein€?n etvs'a gleichgroßen Verlust beizutragen. Für diesen Zweck reicht es im allgemeinen aus, die angegebene Größe von 10~ Gew.% Gesarntverunreinigung an Übergangs—Metallionen einzuhalten.

Frühere Versuche mit dem B^O_-System waren nicht erfolgreich. Von GoVJ. Morey in Properties of Glass, 2. Ausgabe, Reinhold Publishing Company, New York, 1954, Seiten 370-372, angegebene Werte zeigen Brechungsindexwerte niedriger als die von Siliziumoxid im Bereich hohen B-0„ Antei.Ts, wobei die niedrigen Werte dein Vor-

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: . * BAD CH^GfNAL „

handensein erhob lic he· r Mengen von Wasser zugeschrieben werden können. Wasser— oder genauer OH —Gehalt Int bei einer optischen Übertragungsleitung unerwünscht; und tatsächlich liegt der zur Erzielung einer Absenkung des Brechungsindexwerts in der von Morey beobachteten Größenordnung erforderliche Wassergehalt oberhalb des oben für den Anteil an Verunreinigungen angegebenen Wertes von 0,2 Gew.%. OH~-Absorbtion ist bei niedrigem SiO -Anteil, d.h. bei Gemischen, bei denen das Verhältnis' von SiO- zu "B_0_ kleiner als ? : 1 auf Molekular— basis ist, nicht leicht verringerbar= Ein niedriger Siliziurooxidgehalt führt zu Zusarnrneni/etsungeri die gegen den"Angriff von Wasser empfindlich sind, und dies ist ein zweiter, obgleich verwandter Grund für das angegebene Minimum des Verhältnisses von Siliziußov.id zu Bortrioxid.

Die obere Grenze des SiO :B_O„-Verhältnisses liegt bei 30 : 1 oder, vorzugsweise, 20 : 1. Die obere Grenze ergibt sich aus der Vorschrift über den erforderlichen Unterschied der Brechungsindices. Für die meisten Anwendungsfälle sollte dieser Unterschied wenigstens 0,1 % betragen (die prozentualen Änderungen der Brechungsindices sind etwa 0,15,* 0,22; 0,15; 0,1 für SiOp/B O₃-Verhältnisse von 2 : 1; 4 ; 1; 20 : 1 und 30 : 1.

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BACf ÖRiGiNAL

Aus Fag. 2 geht h'Tvor, daß ein maximaler Unterschied des Brechu;igr-index bei einem Wert erhalten wird, der etwa de-r; Uert 0,8 für den Bruch SiO₂/(SiO 3/2 B₃O₃) entspricht, vitz etwa einem Verhältnis von SiO„/B^.O_ von 6:1 ergibt, Der unterschiedliche ϊ-λ —VJert bei diesem Minimum liegt im allgemeinen zvil sehen O₅ 2 bis 0,3 % abhängig vom Grad der Mischung der Ausgangsraaterialien und ihrem Verunreinigiingsgehalto Im allgemeinen zeigen die svTi besten gemischten Materialien mit höchster Reinheit den höchsten Unterschied iia «γ—Vierte Über tragung s a n-Ordnungen' sollen vorzugsweise innerhalb dieses maximalen Unterrchi.edes verwendet werden, so daß - ausgedrückt als Verheil tnis der Kolekularbestandteile - der- bevorzugte ZusaKimensetsungsbereich bei etwa 6:1 bis 20:1 liegt (was Vierten von 0,8 bis etwa 0_Γ95 auf der Abszisse in Fig» entspricht). Chemische Beständigkeit (Bestündi.ckeit gegen Via r-sc-r angriff) sind für die Vor sehr 5. ft dieses. Bereiches maßgebend.

Die vorstehend angegebenen Bereiche wurden auf der Grundlage der Materialien und der Minimalisierung der Differenz der linearen Ausbreitungskoeffizienteri zwischen Kern und Überpu-g bestimmt. Hierbei müssen annehmbar niedrige Anteile von H₂O oder OH- vorliegen^ wie sie auf dor Basis von Ifi-frnrot-Absorptionsrnessungen innerhalb eines Frequenz- ' bereich^ von 0_?6 bis 3,0 um ermittelt werden. Eine Größe

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de;? Extinktionskoeffi ^lenten von 20 cm""'¹ bei 2,8 y>m_r was als einem OH-Anteil von unterhalb 0,2 Gew% entsprechend angeschen wird, wird als Anzeige des Fehlens dieser Verunreinigung betrachtet. Wärmeausdehnungswerte von B„O~- modifiziertem Siliziumoxidglas liegen innerhalb des Bereich*^;-.s von 0,5 χ 10 bis 2 χ 10~ , was de^m entsprechenden Wert des-Kerns aus reinem geschmolzenen Siliziurooxid hinreichend angepaßt ist um Beschädigung in Έ ölge sich ändernder Tcnpcraturen im Überzugsaufbau zu verhindern.

Materialaufbereitung

Mit B_o0^~modifziertes Siliziumoxid kann mit jedem für die Herstellung von Siliziumglas gute optische Qualität geeigneten Verfahrens erzeugt werden. -Siehe beispielsweise "Properties and Structures of Vitreous Silical" von R. Bruckner, Journal of Non-Chrystalline Solids Band 5, Seiten 123 bis (North-Holland Publishing Co.).

Muster, die zu einem Teil der in der vorliegenden Beschreibung angegebenen Daten führten, wurden in der folgenden Weise hergestellt. SiO „ und B„0_ wurden über Nacht in einem Plastiktrog unter Verwendung kunststoffbeschichteter Mischarme miteinander vermählen. Das vermischte Material wurde dann in Platintiegel mit 100 ml eingefüllt und wenigstens teilweise in einem elektrischen Ofen mehrere Stunden lang

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BAD ORIGiNAU

bei einer Temperatur von etwa 1350° C erschmolzen. Die geschmolzenen Materialien wurden dann - abhängig vom SiO₂ -Gehalt - auf 1500 bis 2000° C in einem Iridiumtiegel erhitzt, um klare Gläser zu erhalten. Aus der erschmolzenen Masse wurden Musterstücke in für · die Messung geeigneten Größen ausgeschnitten und polierb.

Der Brechungsindex der Musterstücke wurde unter Verwendung eines Abbe-Refraktometers bestimmt.

Herstellung der Übertragungsleitung

Die Prinzipien der Herstellung optischer Glasfasern haben sich gut eingeführt. Sie sind in der technischen Literatur beschrieben und den Fachleuten bekannt. Zur Erörterung dieser Prinzipien und für die vorstehende Erläuterung werden die beiden meist angewandten Verfahren zur Herstellung von Glasfasern für q>tische Wellenleiter beschrieben, nämlich das Vorformverfahren und das Doppel— tiegelverfahren,

Beim Vorformverfahren wird ein Stab des Kernglases in der Mittelachse eines Rohrs aus Übeiaigsglas ähnlicher Länge angeordnet. Die Vorformanordnung ist in einer an einen Vorshubmechanismus angeschlossenen Befestigungsvorrichtung

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BAD ORtGiMAL

so gehaltert, daß eine zur Erwärmung des Glases hinreichende Wärmequelle entsprechend angeordnet ^ ist. Beispiele solcher Wärmequellen umfassen Widerstandsöfen, Gasbrenner, Edelgasplasmas und Bild-Fokussiervorrichtungen.

Zur Verringerung der Viskosität so weitgehend, daß das Ziehen der offenbarten Gläser möglich ist, sind Temperaturen von etwa 1900° C erforderlich. Mach der Erwärmung erweichen die Vorderenden der Stange und des Rohrs zu einer konischen Form, aus welcher eine Faser gezogen und auf einer Aufwickeltrommel angebracht wird, die schnell gedreht und verschoben werden kann. Im allgemeinen wird nur eine einzige Faserschicht auf der Trommel aufgewickelt, um zu verhindern, daß aus der Berührung zwischen benachbarten Schichten mechanische Beschädigungen auftreten.

Das Verhältnis von Stab- und Rohrdurchmesser bleibt beim Faserkern und Überzug im allgemeinen erhalten. Der Durchmesser der Faser wird durch die Abmessung des Stabs und des Rohrs und die Geschwindigkeit des Vorfcrmvorschubs, • sowie die die Temperatur der Wärmequelle und die Umfangsgeschwindigkeit der Wickeltrommel gesteuert. Um die Qualität der Faser zu optimieren, müssen die Hauptflächen

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BAD ORJGINAL

des Stabs und des Rohrs glatt sein, wobei sie, wie die Erfahrung gelehrt hat, vorzugsweise eine polierte Oberfläche haben sollten. Zusätzlich hat die Evakuierung des den Stab und. da.s Rohr trennenden Zwischenraums den Vorteil, daß Blasenbildung an der Kerri-überzugs-Zwischenschicht verringert wird.

Beim Doppeltiegel-Verfahren ist kein Vorschubmechanismus erforder?Lich. Anstatt dessen fließen die ^ern- und Überzugs-Glasströme gleichzeitig aus konzentrischen Öffnungen aus, wobei sie verschmelzen und im wesentlichen in der gleichen Welse wie beim Vorformverfahren zu einer Faser gezogen werden- Der innere Tiegel enthält die Glaszusammensetzung für den Kern und der äußere Tiegel die Glaszusarnmensetzung für den Überzug der Faser. Das Strömen der Gläser durch Schwerkraft oder Druckeinwirkung wird durch ihr Viskositäts-Temperatur -Verhältnis gesteue±. .

Jede der beiden Methoden ist für die Herstellung optischer Wellenleiter unter Verwendung der hier beschriebenen Gläser anwendbar, ■

Auslequnqsbetrachtunqen

Die nachfolgenden Erörterungen sind auf die Auslegung jeder mit Überzug versehenen optischen Übertragungs—

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BADORiQfNAt

leitung übertragbar. Ein Großteil der Information ist zwar in der Literatur zu finden, jedoch nicht-l-eicht aus einer Quelle entnehmbar.

Von der Vielzahl der möglichen, in Betracht gezogenen Faserausgestaltungen ragt eine als besonders einfach und als gute Lichtleitungseigenschaften aufweisend heraus«, Es ist dies die in Fig. 1 gezeigte Korn-Überzugo-Faser, bei welcher der Brechungsindex des Kerns um ^Π größer als der Brechungsindex *~) des Überzugs ist. Durch geeignete Wahl des Kernradius a und A "h kann diese Faser entweder für Einzel- oder Multimodenbetrieb ausgelegt werden. In jedem Fall wird der größte Teil der optischen Energie der übertragenen Moden im Kernbereich übertragen, obwohl ein Bruchteil der Leistung (ungefähr 20 % für Einzelmoden und 1 bis 2 % für hochgradigen Multirnodenaufbau) auch im Überzug übertragen wird. Die optische Gesamtdämpfung ^ci ,solch einer Faser ist eine Superposition des Anteils der Dämpfungen im Kern und im Überzugsmaterial:

= (% der optischen Energie im Kern) ^ _v

Kern ι α \

+ (% der optischen Energie im Überzug)öl ··,

Für Kern-über&ig-Fasern für hohe Multimoden hat jede der Vielzahl von übertragenen Moden eine definierte Ausbreitungsgeschwindigkeit. Die Energierichtung der schnellsten

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Mode verläuft entlang der Achse der Paser. Die weiter außerhalb der Achse verlaufenden Moden sind langsamer, weil ihre Energie an der Kern-Überzugs-Zwischenfläche mehrfach gebrochen wird, wenn sie ihre Bahn in einer langgestreckten Faser zurücklegen. Dieser Unterschied der Modengeschwindigkeiten begrenzt die Informationsbandbreite (oder Bit-Rate) der Faser-optischen Wellenleiter, da Energie, die in extrem engen Lichtircpulsen in die verschiedenen übertragenen Moden einer Faser gerichtet ist, sich während der seitlichen Fortpflanzung über dd.e Länge der Faser ausbreitet. Wenn diese Ausbreitung einen Punkt erreicht, an dem ein benachbarter Impuls eines Bit-Stroms hinreichend überdeckt wird, ist die zu übertragende Information verloren .

Auf der Basis bekannter Prinzipien kann gezeigt wetden, daß die Informationsbandbreite einer hoch gleichmäßigen und hoch-Multimoden-Faser mit der Differenz der Brechungsindices zwischen Kern und Überzug verknüpft ist.

Insbesondere ist

<2)

worin c die Lichtgeschwindigkeit (3 χ 10 km/sec), L die Faserlänge und B die maximale Informationsbandbre.i te ist,

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Zur Übertragung einer Bandbreite von 30 MI I ζ über eine relativ kurze Entfenunq von 1 km muß der Wert von -Ά ν-> beispielsweise G₅O'.! oder !deiner sein. Aus der oben angegebenen Gleichung ist ersichtlich, dnß große Entfernungen und breitbandige Übertragungen geringe Werte von A ^v-] erfordern. Je kleiner diese Vierte sind, um so besser. VJenn üv, jedoch zu gering wird, hat das geführte Licht unglücklicherweise die Tendenz in wesentlichem Umfang aus der Faser "auszutreten", wenn es geringfügige Fabrikationsfehler durchläuft, die während der Herstellung unvermeidlich auftreten. Je kleiner Δ>ι ist, um so größer wird die Auswirkung dieses Verlustes. Um diesen optischen Verlust auf einem vernünftigen Wert zu halten, muß daher Δ^ einen gewissen unteren Grenzwart haben.

Für nachrichtentechnische Anwendungsfalle liegt der brauchbare Bereich von /\ri zwischen 0,0001 und 0,10, wobei ein Bereich von 0,001 und 0,02 bevorzugt ist. Es ist festauhalten, daß das d"n des SiO_?-Kerns und die bevorzugte Zusammensetzung des Überzugs erfindungsgemäß in diesem bevorzugten Bereich liegen.

Obwohl die vorstehende Biskussion sich nur auf Multimoden-Fasern bezieht, sind die anwendbaren und bevorzugten Bereiche für4h auch auf Einzelmoden-Kern/Überzugs-Fasern anwendbar. Für Einzelmoden-Fasern gelten die oben i^ür die

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untere Gren-e von Aw gegebenen Werte ebenfalls. Jedoch ist offensichtlich kein Impulr.aiasbrcitungr.effekt infolge von Unterschieden der Modengeschuindigkoiten gegeben, so daß Gleichung (2) nicht zur Feststellung einer oberen Grenze von Δ^ verwendet werden kann. Bei einem solchen Einzelmodenfall ist die obere Grenze einfach durch die Tatsache gegeben, daß der Faserkernradius a den folgenden Grenzwert hat,

worin > die Wellenlänge des optischen Signals im leeren Raum und rs der Brechungsindex des Überzuges ist. Aus ■ dieser bekannten Gleichung ist entnehmbar, daß bei einem Wachsen von 4 ^v a kleiner werden muß. Tatsächlich wird a ungefähr gleich % wenn Ah gleich 0,02 ist. Mlit solchen geringen Kerndurchmessern sind zwei Schwierigkeiten verbunden. Die erste liegt in der praktischen Schwierigkeit der mechanischen Genauigkeit, die erforderlich ist, um solche dünne Kerne zum Anschließen auszurichten. Das zweite ist ein grundlegendes Problem und hängt mit nichtlinearen optischen Effekten, wie der stimulierten Brillouinünd Raman—Streuung zusammen', die auftritt, .wenn mäßige optische Leistung (d.h. 10 mW) in einem sehr dünnen Querschnitt (d.h.. '3 μπι") eingeschlossen ist. Wenn diese nicht. linearen Effekte auftreten, ist eine brauchbare Übertragung

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«fV ,

ausgeschlossen . Ein minimaler Korndurchmesser in der Größenordnung von etwa 3 pm ist deiner unter Berücksichtigung dieser und anderer praktischer Erwägungen vorgeschrieben. Ein maxijnaler Kerndurchmesser von. weniger als 200 um ist zur Sicherstellung der mechanischen · Biegsamkeit der Übertragungsleitung erforderlich. Der bevorzugte Kerndurchmesser liegt also im Größenbereich von 30 bis 100 pm.

Die Überzugsdicke eines optischen Wellenleiters mit Kern-Überzug--Fasern muß hinreichend groß sein, damit nur sehr geringe Mengen optischer Energie der übertragenen Moden auf dem gesamten Weg durch den Überzug zu dessen Außenseite austreten. Es kann angenommen werden, daß ein wesentlicher Teil der diese Außenfläche erreichenden Energie infolge von Absorption verloren geht, die auf Wechselwirkung mit Oberflächenverunreinigung zurückzuführen ist oder auf eine absorbierende Beschichtung, die zum Zweck der Vermeidung von Austritt von optischer Energie aus einer pas^ in die benachbarte Faser eines Bündels aufgebracht ist. Ohne eine solche Beschichtung könnte in erheblichem Ausmaße Kreuzkopplung zwischen den Fasern auftreten. Zur Verhinderung übermäßiger optischer Verluste und/oder Kreuzkopplung muß die Überzugsdicke großer als ein gewisser minimaler Grenzwert sein. Andererseits darf der Gesamtdurchmesser der Faser nicht zu groß sein, da

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andernfalls die mechanische Biegbarkeit der Paser verloren geht. Für Anwendungsfälle im Bereich der Nachrichtentechnik liegen die anwendbaren Bereiche der Überzugsdicke t bei

10 um \ t ν 250 um
/ — ■ r

während der bevorzugte Bereich bei
25 um ■ £ t .< 100 um
liegt.

Eine für eine Vielzahl von Anwendungsfällen optimale, a3s GRIN (graded refractive index = abgestufter Brechungsindex) bekannte Übertragungsleitung ist in Applied Optics, Band 9, Seiten 753 bis 759, März 1970, beschrieben.

Bei der GRIN-Faserausgestaltung ändert sich der Brechungsindex parabolisch mit dem Abstand von der Kernmittelachse. Das angestrebte und bekannte Merkmal der GRIN—Ausgestaltung, liegt darin, daß alle übertragenen Moden sich mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten, auch bei Multirnodenaufbau. Die Begrenzung gemäß Gleichung (2) ist daher nicht langer anwendbar und die GRIN—Faser hat daher die Eigenschaft eine sehr breitbandige Übertragung (wie bei der Einzelmodenfaser)

zu ermöglichen.

Die Kcrn-Überzug-Faserausgestaltung kann als erste Annäherung der GRIN-Auscjestaltung eingesehen werden. Eine bessere Annäherung der GRIN-Ausgestalbung ergibt sich bei Verwendung von zwei oder mehr tibe-raigs— schichten mit Brechungsindices, die mit wachsendem radialen Abstand von der Faserhauptachse abfallen.

—en
Zusammensetzung für diese Mehrfachschichten können aus dem SiOp-B„O„-System gemäß Fig. 2 ausgewählt werden. Während des Ziehens der Faser ist das Auftreten einer gewissen Vermischung an der Kern-Überzugs- und Übersug-Überzugs-Zwischenflache zu erwarten, was zu einem Ausgleich der jähen Unterschiede des Brechungsindex führt. Dieser Effekt unterstützt die Verbesserung der Annäherung an eine parabolische Verteilung. Eine weitere Verbesserung kann durch eine Hochtemperaturbehandlung der Faser erzielt werden.·

Eine Faser vom GRIN-Typ kann auch durch Veränderung der Steuerparameter während des chemischen Niederschlags von B₂O^-modifiziertem SiO₂ aus der Dampfphase auf einem sehr dünnem Siliziumoxidkern hergestellt werden.

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Claims

An.sprüche -

λ
1. felas—Übertragungsleitung, für die Übertragung elektromagnetischer Strahlung innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 0,5 bis 2,0 pm mit einem Kern eines bezogen auf die Wellenenergie ersten Brechungsindex und einem Überzug,der wenigstens eine Schicht aufweist, deren Brechungsindex für die vorgesehene Wellenenergie kleiner als der Brechungsindex des Kerns ist, wobei die Brechxmgsindexverringerung wenigstens im Bereich der an den Kern anschließenden Umfangsflache des Überzugs einen Wert Λ^Γοη mindestens 0,1 % hat und sowohl der Kern wie auch der Überzug hauptsächlich amorphes SiO₀ enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) aus im wesentlichen reinem SiO₀ und der Überzug (3) aus einem Geraisch von B₀O₃ und SiOp besteht, wobei das Si0_o/B_?0.,-Verhältnis im besagten Bereich zwischen 30:1 bis 2:1 liegt.
2. Übertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j daß das Verhältnis zwischen 20:1 bis 4;1 liegt.
3. Übertragungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen 20:1 bis 6:1 liegt.

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4. Übex-tragungslinie nach einem dor Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ae.r Kerndurchmesser (a) im Bereich zwischen 3 bis ?00 um liegt und von einer Fläche begrenzt wird, die im wesentlichen aus 99,8 Gv\>i% SiG „ besteht, wobei Verunreinigungen an Übergangsmetall-

—4
ionen mit nicht mehr als Ί χ 10 % gegeben sind land d:i e maximale Änderung des Brechungsindex 0,01 % beträgt.
5. Übertragungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekenn.-' zeichnet, daß der Kerndurchmesser (a) im Bereich von 30 bis 100 pm liegt.
6. Übertragungsleitung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzugsdicke im.Bereich zwischen 10 bis 250 um liegt und als Dicke von amorphem Material definiert ist, welches hauptsächlich aus SiO " besteht und dessen Brechungsindex relativ zum Brechungsindex des Kerns einoti abweichenden Wort hat, der größer als die Änderung des Brechungsindex ist.
7. Übertragungsleitung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickenänderung des Überzugs im Bereich zwischen 25 bis 100 um liegt.
8. Übertragungsleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindex-

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Änderung zwischen der Zone des Überzugs und des Kerns im Bereich zwischen 0,0001 bis 0,10 liegt.
9. Übertragungsleitung nach Anspruch_9, dadurch gekennzeicli.net, daß die Brechungandex-Anderung zwischen der . Zone des Überzugs und dem Kern im Bereich zwischen 0,001 bis 0,02 liegt.
10. Übertragungsleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Überzugs (3) in Radialrichtung im wesentlichen gleichförmig ißt.
11. Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Brechungsindex

des Überzugs mit zunehmender radialer Entfernung vom Kern stufenweise abnimmt.

U0 9 8 15/0909

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