DE2647419C2

DE2647419C2 - Optische Faser

Info

Publication number: DE2647419C2
Application number: DE19762647419
Authority: DE
Inventors: Seiichi Tokorozawa Saitama Onoda; Masao Higashi Tokyo Sumi; Toshiki Tokyo Tanaka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-10-20
Filing date: 1976-10-20
Publication date: 1981-09-17
Also published as: FR2328975B1; DE2647419A1; FR2328975A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Faser der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aufgrund der Fortschritte auf dem Gebiet der Übertragungstheorie lassen sich mit Hilfe moderner Herstellverfahren optische Fasern erzeugen, deren Dämpfung be' der Übertragung von elektromagnetischen Wellen im sichtbaren und nahen Infrarot-Bereich nur einige dB/km beträgt Werden derartige optische Fasern als Übertragungsleiti.'ngep verwendet, so kann der Abstand zwischen den Verstärkern (»Repeatern«) wesentlich größer sein als bei den früher zur Übertragung verwendeten Koaxialkabeln. Eine Vergrößerung der Abstände zwischen den Repeatern führt jedoch zu Schwierigkeiten im Hinblick auf die Übertragungsbandbreite der optischen Fasern. Bei üblichen Mehrfach-Moden-Fasern mit einer großen Anzahl von Fortpflanzungsmoden ist die Übertragunpsbandbreite durch die Schwingungsverzerrung begrenzt, die auf den unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten der einzelnen Schwingungsmoden beruht, wobei die Übertragungsbandbreite mit zunehmendem Übertragungsweg schmäler wird. Zur Übertragung optischer Signale mit einer gegebenen Bandbreite muß daher die Übertragungsbandbreite der optischen Faser mit längerem Übertragungsweg vergrößert werden.

Bei den Gradientenfasern fällt der Brechungsindex von einem Maximalwert in der Mitte der optischen Faser (bzw. ihres Kerns) in radialer Richtung kontinuierlich ab. Bei einer derartigen optischen Faser sind theoretisch, d. h. bei unendlicher Faser- bzw. Kerndicke, die Gruppengeschwindigkeiten bzw. -laufzeiten aller Fortpflanzungsmoden gleich. Da jedoch in der Praxis der Radius der optischen Faser bzw. des Kerns endlich ist. ist der kontinuierliche Brechungsindex-Verlauf am Rand *der Faser bzw. des Faserkerns abgeschnitten, Daher wird die Gruppenlaufzeit für Fortpflan/.ungsmoclen höherer Ordnung, die sich nahe der Brechungsindex-Schnittstelle durch die laser ausbreiten, kleiner als die Griippenlauf/eiten der Fortpflanzungsmoden nie lirigerer Ordnung. Die daraus resultierende Bamlbreitenbegren/.ung läßt sich dadurch beheben, daß die genannten Fortpflanzungsmüden höherer Ordnung nahe der Hrechungsindex-Sehnittstelle unterdrückt

30

40

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mi

werden.

Eine optische Faser der eingangs bezeichneten Gattung, die diese Forderung erfüllt, ist aus F i g. 5 der USA-Patentschrift Nr. 37 85 718 bekannt Diese Faser besteht aus einem Kern mit parabolischem Brechungsindexverlauf, einer den Kern umgebenden Zwischenschicht, deren Brechungsindex gleich dem kleinsten Brechungsindex des Kerns ist, und einer die Zwischenschicht umgebenden verlustbehafteten ManU;lschicht. Bei dieser bekannten optischen Faser werden jedoch nicht nur die unerwünschten Fortpflanzungsmoden höherer Ordnung sondern auch erwünschte Fortpflanzungsmoden niedrigerer Ordnung gedämpft, was bedeutet daß die Ubertragungsverluste erheblich werden.

Aus Fig. 6 der gleichen USA-Patentschrift ist ferner eine optische Faser bekannt, bei der ein Kern mit parabolischem Brechungsindexverlauf von einer Zwischenschicht und einer verlustbehafteten Mantelschicht umgeben ist, wobei der Brechnungsindex der Zwischenschicht zwischen dem größten und dem kleinsten Brechnungsindex des Kerns liegt Diese bekannte Faser läßt sich jedoch in der Praxis kaum derart herstellen, daß die unerwünschten Fortpflanzungsmoden höherer Ordnung mit ausreichenden Verlusten behaftet werden, da die Umwandlung dieser unerwünschten Moden in Leck- oder Strahlu-igsmoden nur von den Brechungsindizes des Kerns und der Zwischenschicht bestimmt wird.

Aus Fig.7 der genannten USA-Patentschrift ist ferner eine optische Faser mit Drei-Schichten-Aufbau bekannt, bei der der Kern einen gleichförmigen Brechungsindex hat, der Brechnungsindex der Zwischenschicht kleiner ist als der des Kerns und der Brechungsindex der Mantelschicht zwischen dem des Kerns und dem der Zwischenschicht liegt Hier handelt es sich also nicht mehr um eine Gradientenfaser, bei der — wie oben erläutert — die Gruppenlaufzeiten der verschiedenen Fortpflanzungsmoden gleich sind. Vielmehr bedingt der gleichmäßige Brechungsindex des Kerns unterschiedliche Gruppenlaufzeiten, die eine Begrenzung der Übertragungsbandbreite verursachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die optische Faser der eingangs bezeichneten Gattung derart weiterzubilden, daß sich die unerwünschten Fortpflanzungstnoden höherer Ordnung mit einstellbarer Dämpfung unterdrücken lassen, ohne gleichzeitig nennenswerte Verluste bei den erwünschten Fortpflanzungsmoden zu verursachen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Durch den Sprung des Index zwischen Kernrand und Zwischenschicht werden alle unnötigen oder unerwünschten Fortpflanzungsmoden in Leckmoden umgewandelt, jedoch im Gegensatz zu der bekannten Faser Verluste in den erwünschten Fortpflanzungsmoden vermieden. Infolge der Gleichheit des Brechungsindex der Mantelschicht mit dem des Kernrandes werden die unerwünschten Moden unterdrückt.

Da die Dämpfung der unerwünschten Leckmoden sich diirch Änderung der Dicke der Zwischenschicht steuern läßt, wie es aus der genannten USA-Patenischrift Nr. 37 85 718 für die dort in F i g. 5 gezeigte optische Faser beschrieben ist, ist in Weiterbildung der Erfindung nach Patentanspruch 2 die Dicke der Zwischenschicht derart gewählt, daß sie /wischen dem 0,1 fachen und l.Ofachen des Kernradius liegt. Dann betragen die Verluste für die l.eckmode niedrigster Ordnung mindestens 10dB/km.

In der nachstehenden Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich mit einer bekannten optischen Faser anhand der Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigen

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Faser sowie den Brechungsindex-Verlauf in radialer Richtung der Faser;

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine bekannte optische Faser mit stufenförmigem Brechnungsindex-Verlauf;

F i g. 3A, 3B und 3C Diagramme, die die Beziehungen zwischen dem Verhältnis δ der Zwischenschicht-Dicke und dem Kernradius einerseits und dem Übertragungsverlust <xL der Leckmodßn kleinster Ordnung darstellen,

Fig. 4A, 4B und 4C Diagramme, die die Beziehungen zwischen einem Brechurigsindexparameter ε² zur Ausübung eines bestimmten, festgelegten Übertragungsverlustes OiL einerseits und dem Verhältnis δ darstellen und

F i g. 5 die Ergebnisse von einer Messung der radialen Verteilung bzw. des radialen Verlaufes des Brechungsindex bei einem einem Beispiel der crfindungsgemäßen Lichtfaser.

Das erfindungsgemäße Prinzip wird nachfolgend anhand F i g. 1 erläutert werden. Bei dem in F i g. 1 dargestellten Aufbau einer Glasfaser sei n_a der Brechnungsindex des Mittelpunktes eines Kernes 1, Ποϊ/1—24 (Δ ist ein sehr kleiner positiver Wert) der Brechungsindex des Kernrandes,

(1 -2J(r/a)"\^U\; 0:

\r<a .

lir) = (1 -2MrZa)¹Y¹²H₁: OSKo.

(I)

y^k

(2)

io gleich dem Brechungsindex des Mantels wird. Mit Gleichung (1) wird die Größe V:

I' = .-rkaiini/Tä/A (~: Kreiskonslante). Ml

Es sei π der Brechungsindex und a der Radius des Kerns in der in F i g. 2 dargestellten Faser, b ■ n_v der Brechungsindex und da die Dicke der Zwischenschicht sowie πη]/\ —2Δ der Brechungsindex des Mantels. Dann wird die Größe V-.

2n

25

der Brechungsindex einer Zwischenschicht 3 unH no^l — 2Δ der Brechungsindex einer Mantelschicht 3. Der Radius des Kerns wird mit a und die Dicke der Zwischenschicht wird mit 6a bezeichnet.

Angenommen, daß der Brechungsindex n(r) bei einem Radius rinnerhalb des Kernes stetig und monoton mit r abnimmt. Als Beispiel wird folgende Gleichung betrachtet:

40

In diesem Falle wird die Übertragungsbandbreite am größten, wenn der Exponent ν den Wert 2 — 24 aufweist. Da Δ ein sehr kleiner Wert — kleiner als etwa 10~² — ist, kann nachfolgend ν = 2 gesetzt werden. Daher gilt für n(r):

Man erhält nun eine Glasfaser, bei der der Mode-Index ein Mittelwert zwischen den Brechungsindizes der Zwischenschicht und der Mantelschicht bei der in F i g. 1 dargestellten Glasfaser wird, d. h. die Glasfaser hat einen stufenförmigen Brechungsindex-Verlauf, wie in Fig. 2, der dem Leckmodeaufbau entspricht. Die normalisierte bzw. relative Frequenz oder Geschwindigkeit Kdes Kerns ist folgendermaßen gegeben:

hierbei ist k clic optische Welien/ahl im Vakuum und /X °o) der Brechungsindex im Mantel.

Physikalisch bedeutet die sogenannte normalisierte Frequenz Vdie Zahlder Moden der allgemeinen Fasern, in denen der Brechungsindex in der Zwischenschicht I = Au //r -(I ¹

Durch Substitution von V ergibt sich aus den Gleichungen (3) und (4) für n:

so

Da der brechungsindex der ZwiscrK nschicht gleichförmig ist, kann die durch die Gleichung (5) festgelegte Faser von F i g. 2 und die Faser von F i g. 1 bezüglich der Leckmoden als einander entsprechend betrachtet werden, ν obei die Modeindizes der Leckmoden in einem Bereich von

b ■ no - nq/\ — 2Δ

liegen.

Anhand der in Fig. 2 dargestellten Faser sollen die Verlusteigenschaften bzw. die Verlustkennlinien der Leckmoden erläutert werden.

Allgemein sind die Verluste der Leckmoden umso höher, je höher die Ordnung der Moden ist. Und die Verluste der Leckmoden sind umso kleiner, je kleiner die Ordnung der Leckmoden ist. Dies entspricht der Größe der Dämpfungsfelder der Moden. Um Einflüsse nicht erforderlicher Leckmoden auf die Bandbreite zu vermeiden, sollte der Verlustwert der Leckmoden kleinster Ordnung über einem vorgegebenen Wert liegen. Angenommen, die Zahl der Leckmoden ist groß, dann soll der mittlere Verlust der Leckmode kleinster Ordnung berechnet oder abgeschätzt werden. Im vorliegenden Falle wird der Einfachheit halber der Brechungsindex des Kerns mit n. der Zwischenschicht mit q ■ η und des Mantels mit ρ ■ π bezeichnet bzw. angegeben, wobei:

P =

I -2 J

-2 M--

1 -IA

I -2 M--

(7)

norniiilisicrtc J-rcqucnz ί· ist ycuebcn durch;

ι: ν 1I

Wenn y ■ u (Jim die imaginiire Einheit) die normalisierte b?w relative Fortpfian/iingskonslanie in radialer Richtung des Kerns und //einen asymptotischen Wert

bezeichnet, dann gilt näherungsweise folgende Gleichung:

ι/ Γ exp ( - l/r)

Im vorliegenden Falle ist U eine Konstante, die vom Schwingungszustand bzw. von der Mode abhängt. Im Falle der W£„_m-Mode ist U durch den m-th Nullpunkt der Besselfunktion /„ _ / ^gegeben.

Es sei tv die normalisierte bzw. relative Fortpflanzungskonstante der Zwischenschicht und wdie normalisierte Fortpflanzungskonstante der Mantelschicht. Dann gelten fürdie Werte «und Pfolgede Beziehungen

I/ ⁴Il' V"

ir *■»··' t ' {·■'

(II)

Da die Abschneid-Bedingung der Faser durch w = 0 gegeben ist, ist der t/Wert der Mode, die gerade abgeschnitten wird, aus den Gleichungen (9) und (10a folgendermaßen gegeben:

, - ι ν exp (1/vi

(12)

Die Leckmode kleinster Ordnung ist eine Mode, deren Ordnung gerade um 1 höher als die abgeschnittene Mode ist. Daher wird der fJ-Wert Ui. der Leckmode kleinster Ordnung dadurch berechnet, daß ein Modenabstand zlt/in CoderGleichung(12)zuaddiert wird.

Bei der in F i g. 2 dargestellter Faser können EH- TE- und TM-Moden zusätzlich zur W£-Mode vorliegen. Da jedoch alle vorausgegangenen Moden zur Hf-Mode degenerieren, braucht nur die f/£-Mode betrachtet zu werden. Die Zahl N der HE-Moden einschließlich der Leckmoden ist gegeben durch

N v^:/X . (13)

Daher wird der Modenabstand AU in der gerade noch abgeschnittenen Mode

.1 L -

(14)

hierbei ist Uw ein t/-Wert entsprechend der HEn-Mode und es ist Uu gleich 2.405.

Aus den Gleichungen (12) und (14) ergibt sich nun der t/-Wert Ul der Leckmoden gleichster Ordnung folgendermaßen:

L, = L_n + Λ U

= ε ν exp (l/v)

ε ί" U exp (I/ν)

(15)

nen Fortpflanzungskonstantcn mit den Gleichungen (9). (10) und (11) berechnet werden.

Bekanntermaßen ist der Verlust tx der l.eckmodc gegeben durch:

3.47 ■ K)"'

ti .

Ihr

■ — Vcxp< 2f)H·) (dB/km) (ld)

(1 ί~) ν

Hierbei wird β mil der (ileichiint;

Ii^: k ■ 11' :/■' Vi' ( |7|

berechnet und α wird in ;im gemessen.

Daher wird das Zwischenschicht-Dickenverhältnis Λ bei dem der Verlust der Leckmode kleinster Ordnung <n/ (dB/km) dann durch folgende Gleichungen ausgedrückt:

«1 f ·

ti -- In

C - In

5,05

(18)

Wenn der tZ-Wert bekannt ist können die verschiede'/ = —r ^CXP I - —

In den F i g. 3A, 3B und 3C sind die Beziehungen von /χι und dem Zwischenschicht-Dickenverhältnis δ dargestellt. Aus diesen Diagrammen wird d für einen bestimmten Wert von an. abgelesen bzw. berechnet, wenn die normalisierte Frequenz 9 und der Indexparameter ε² gegeben sind.

Üblicherweise wird gewünscht, daß die Leckmoden :".viichen d?r! Verttärln>rn h7w Renentem 10 dB und mehr sind, damit der Einfluß der Leckmoden auf die Bandbreite vernachlässigt werden kann.

In den F i g. 4A, 4B und 4C sind die Beziehungen von e² und ö für &_L = 10 dB/km dargestellt, wobei der Parameter f ist Wie aus diesen Diagrammen zu ersehen ist muß das Zwischenschicht-Dickenverhältnis δ in einem ir. der Praxis vorliegenden Bereich, bei dem ν zwischen 20 und 40 liegt und bei dem der Brechungsindexparameter e² unter etwa 0,7 liegt, in einem Be.vich von 0,1 bis 1 liegen.

Nachfolgend sollen Beispiele von Verfahren zur Herstellung einer erfmdungsgemlBen optischen Faser im einzelnen beschrieben werden.

Beispiel 1

Man IaBt ein Gemisch, das aus SUkäumtetrachlorid SiCk Sauerstoff Ot und Borbromid BBri besteht durch ein Naturquarzrohr strömen, dessen Innendurchmesser 12 mm und dessen AuBendurcfamc m r 14 mm ist, und das mit 50 Umdrehungen pro MimUc fadrekt wird. Eine lokale Heizvorrichtung wird mit einer Geschwindigkeit von 2^mm/sec bezuglich des Quie hin- und herbewegt Auf diese Weise wird eine gleichförmige Siliciumdioxid (SQ^-Schicht «dt £§rüi enthaltenen Bortrioxid B₂O₃ auf die Rohrwand aufgebracht Danach

wird das Borbromidgas in I'hosphoroxichlorid !ihcr^iTcf'ihrt. dessen Konzentration im \Ko proportional zur Quadratwurzel der Reaktionszeit zunimmt. Auf diese Weise wird eine Siliciumdioxid (SiO.-)-.Schieht aufgebracht, ti ie einen Gradienten für die Konzentration für das Phosphorpcntoxid I'.>O-, in Richtung der Schichtdickte aufweist. Danach wurde das sich erpebende Rohr an der Achse dicht verschmolzen, erhitzu- und zu einer Lichtfaser gezogen. Die brc chungsindex-Verteilung bzw. der Brechungsindcxverlauf in einem Faserabschnitt wurde gemessen. In F i g. 5 ist das Meßergebnis dargestellt. Der Brechungsindex \ erlauf im Kern sei:

n(r) = n„(l -

I lud es ist \ = 2.1 und, Λ = 3.5 χ IO "sowie/ι = 1.46./-ist der Abstand (in (im) vom I nscrmittelpiinkt aus gemessen. Der Durchmesser eic Faserkerns betrug 50 lim. die Dicke der Zwischenschicht 3 um und der Durchmesser der gesamten Faser isOjini. Hie Zw > selenschicht wurde deshalb 3 um dick gemacht, weil sich dadurch eine ausreichende Dämpfung der I eckmo den ergab.

Die Wbertragungsbandbreitc dei /\i\or beschriebe neu l-'aser für einen (ialliiimarvcnid llalbleiicrlaser mit einer Wellenlänge von 0,835 μπι wurde an 8 MnMcrn derselben Ausführung gemessen. Die (Jbertragungsbandbreite betrug 290 bis 720 MIIz ■ km und im Mittel 470 MIIz km. Die (ibertragungslängc betrug 0.3 3 bis 1.22 km und im Mittel 0.71 km.

Beispiel 2

Mit dem selben Vcrfalncn wie in Beispiel I wurde eine SiO; Schicht mit etwa 2.25 MoI-⁰Zn H-O₁ .nif die Innenwand des Ouarzrohres aufgebracht und danach wurde eine SiO-Schicht mit darin enthaltenen IM), aufgebracht. Die Molarität des PjO^ wurde zum Mittelpunkt hin von 0% auf etwa 15% kontinuierlich verändert. Das auf diese Weise erhaltene Rohr wurde erhitzt und an der Achse dicht verschmolzen. Das auf diese Weise hergestellte Rohr wurde erhitzt und gezogen. Auf diese Weise wurde eine Faser mit dem in I i g. I dargestellten Brechungsindexverlauf erzeugt.

F i g. 5 zeigt einen Brechniingsindexverlauf in einem Abschnitt einer Faser gemäß einem weiteren Beispiel, wobei der Verlauf mit dem Reflektionsverfahren gemessen wurde. In diesem Falle betrug der Kerndurchmesser 50 μπι und die Dicke der Zwischenschicht 5 μηι. Fs war

1 = 3x10 'und I - h = 6 χ IO '

fiii cine Wellenlänge von 0.63 (im. Der l'xponeiit ν des Brcclumgsindesverlaiifcs im Kern betrug 1.8 bis 2.4. Bei einer Faserlänge von i.i2üm wurde die iJuciitagungN-bandbrcite mit einem Galliumarscnid-Ilalblcitcrlaser gemessen Die Ubcrtragungsbandbrcitc betrug 700 MII/. Bei Messung der Abstandscigenschafi bzw. der Abstandskcnnlinie der gestreuten Lichtintensität der Faser mittels dem Verfahren, bei dem über den Kreis oder die Kugel integriert wird, wurden eine im wesentlichen perfekte exponentiell Dämpfungskennlinicn bzw. praktisch perfekte exponentiell Dämpfungs eigenschaften festgestellt. Die beschriebenen Messungen zeigen, dall die Leckmoden ausreichend stark gedämpft werden Wie zuvor erläutert wurde, werden die nicht benötigten Moden oder Schwingungszuständc höherer Ordnung crfindungsgemäB ausreichend stark gedämpft, die sonst zu Störungen der Gruppenvcrzöge rung bzw. der Gruppenlaufzeit führen würden.

ici/υ ^ς Hl;ill /eic

ÜL'll

Claims

Patentansprüche:

1. Optische Faser mit einem Kern (!), dessen Brechungsindex von einem Maximalwert in der Mitte des Kerns in radialer Richtung kontinuierlich abfällt, einer den Kern umgebenden Zwischenschicht (3) mit gleichförmigem Brechungsindex, deren Dicke die Größe der Dämpfung bestimmt, und einer die Zwischenschicht umgebenden Mantelschicht (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der Zwischenschicht (3) kleiner als der des Kernrandes und der Brechungsindex der Mantelschicht (2) gleich dem des Kernrandes ist

2. Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zwischenschicht (3) in einem Bereich zwischen 0,1 fachen und dem l.Ofachen des Kernradius liegt