DE2651208A1

DE2651208A1 - Lichtleitfasern und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE2651208A1
Application number: DE19762651208
Authority: DE
Inventors: Charles Kuen Kao
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1975-11-14
Filing date: 1976-11-10
Publication date: 1977-05-18
Also published as: JPS5262034A; ES453275A1; CH607065A5; IT1064377B; ES464432A1; CA1087889A; FR2331799A1; GB1496324A; NL7612577A; AU504423B2; AU1939476A

Description

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Patentanwalt
Dipl.-Phys. Leo Thul
Postfach 300 929
7000 Stuttgart-Feuerbach

CK. Kao 13

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, New York

Lichtleitfasern und Verfahren zur Herstellung

Die Priorität der Anmeldung Nr. 632 046 vom 14. November 1975 in den Vereinigten Staaten von Amerika wird beansprucht.

Die Erfindung betrifft Lichtleitfasern, sie betrifft insbesondere Gradientenfasern und Verfahren zu deren Herstellung.

Die zunehmende Verwendung von Glasfasern als optische Wellenleiter auf dem Gebiet der Nachrichtenübertragung hat zu einem entsprechenden Ansteigen der Probleme geführt, die dem Glas als übertragungsmedium anhaften. Eines der Probleme bei derartigen Lichtleitfasern mit einem Kern

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5. November 1967 Dr.Rl/sp· - 2 -

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von höherem Brechungsindex und einer Hüllschicht von niederem Brechungsindex besteht in der Signalverzerrung, die durch die Zeitverzögerung bedingt ist, die bei der übertragung des Lichtes durch den Kern auftritt. Ein Versuch zur Lösung dieses Problems besteht in einer Lichtleitfaser mit einem Kern, der einen abgestuften Brechungsindex aufweist. Bei einer Faser mit abgestuftem Brechungsindex werden die Wellen, die in dem vom Kernzentrum am weitesten liegenden" Bereich sich fortpflanzen, in ein Material mit entsprechend niedrigerem Brechungsindex weitergeleitet und bewegen sich somit mit einer größeren Geschwindigkeit. Der Hauptzweck eines Kerns mit abgestuftem Brechungsindex ist deshalb darin zu suchen, daß die Impulsübertragung über die Gesamtlänge der Lichtleitfaser mit einer minimalen Signalverzerrung vonstatten geht.

Die derzeit gebräuchlichen Verfahren zur Herstellung eines Kernes einer Lichtleitfaser mit abgestuftem Brechurigsindex durch die Verwendung von entsprechenden Materialien sind im allgemeinen dazu geeignet, das Gradientenprofil des Brechungsindex mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu erzeugen. Das Absinken des Brechungsindex als Funktion des radialen Abstandes zum Kernzentrum muß für den Fall, daß die Gradientenfaser wirkungsvoll sein soll, einer bestimmten mathematischen Beziehung folgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtleitfaser zu schaffen, die einen Bereich mit einem abgestuften Brechungsindex aufweist und aus zwei unterschiedlichen Materialien herstellbar ist ohne der Notwendigkeit einer nachträglichen Behandlung des Materials zur Erzielung der gewünschten Eigenschaft des Brechungsindex. Die Aufgabe wird durch die im An-

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spruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Die Erfindung besteht demgemäß aus einer Lichtleitfaser mit einem leitenden Bereich, bei dem das Brechungsindexprofil aus einer Vielzahl von ersten und zweiten wechselweise konzentrisch angeordneten Ringen aus lichtübertragendem Material besteht. Jeder der wechselweise angeordneten Ringe besteht aus Material von höherem und niedrigerem Brechungsindex. Bei der einen Ausbildungsform bleibt die Stärke der ersten Ringe konstant und die der zweiten Ringe variiert im bestimmten Verhältnis zum Abstand vom Zentrum der Faser. In einer anderen möglichen Ausbildungsform ist der Brechungsindex der ersten Ringe größer als der der zweiten Ringe und die Stärke beider Ringe variiert.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Darin stellen dar:

Fig. 1 eine Graphik, die zeigt, wie bei einer Lichtleitfaser nach dem Stand der Technik sich der Brechungsindex entsprechend dem Querschnitt verändert,

Fig. 2 eine Frontansicht einer Lichtleitfaser nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Graphik, die die Veränderung des Brechungsindex mit dem Querschnitt der Lichtleitfaser nach Fig. 2 zeigt, und

^% Fig. 4 eine Graphik, die die Veränderung des Brechungsindex, einer anderen Ausbildungsform einer Lichtleitfaser mit einem wirkungsvollen Profil zeigt.

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Fig. 1 zeigt eine Gradientenfaser 4 mit dem Kernbereich 6 und der Hüllschicht 8. Der Brechungsindex des Kerns 6 ist verhältnismäßig hoch gegenüber dem Brechungsindex der Hüllschicht 8 und variiert von einem hohen Wert im Zentrum zu einem relativ niedrigen Wert in unmittelbarer Nähe der Hüllschicht 8. Das Brechungsindexprofil 10 variiert gleichsam parabolisch nach außen hin vom Zentrum des Kernmaterials. Da die Lichtgeschwindigkeit in einem aus Glas bestehenden Übertragungsmedxum umgekehrt proportional dem Brechungsindex des Mediums ist, so wandert das Licht in den Randbereichen des Kerns mit einer größeren Geschwindigkeit als im Zentrum. Ein abgestufter Brechungsindex v/ird z. B. dann verwendet, wenn schnelle sich wiederholende Impulsraten in einem Übertragungssystem weitergeleitet werden, um die durch die Zeitverzögerung auftretende Impulsverzerrung zu verringern.

Fig. 2 zeigt die Lichtleitfaser nach der vorliegenden Erfindung, die einen Querschnitt aus einer Vielzahl von konzentrischen Ringen besitzt- Bei der einen Ausbildungsform besitzt der innerste Ring den Brechungsindex η und einen festgelegten Durchmesser oder Dicke. Jeder der wechselweise folgenden Ringe besitzt die gleiche Dicke und den gleichen Brechungsindex n-. Die zweite Reihe von alternierenden konzentrischen Ringen ist aus Material mit dem Brechungsindex n„. Bei dieser zweiten Ringserie ist die Stärke des innersten Ringes gering, sie nimmt bei den nachfolgenden Ringen destomehr zu, je weiter der Ring vom Zentrum des Faserquerschnitts entfernt liegt.

Eine Vielzahl von Verfahren wurde zur Erzielung des Brechungsindexprofiles nach der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein Verfahren, durch das sich wechselweise Schichten aus einem

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Material mit einem ersten und zweiten Brechungsindex herstellen lassen, ist die chemische Abscheidung aus der Dampfphase. Dabei werden z. B. wechselweise Schichten aus Germaniumsilikat und Quarz auf der Innenfläche einer Quarzröhre niedergeschlagen .

Ein anderes Verfahren zur schnellen Herstellung von aufeinanderfolgenden Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex kann darin bestehen, wechselweise Röhren aus einem Material mit hohem Brechungsindex, auf die innen oder außen Material mit einem niedrigeren Brechungsindex aufgebracht ist, ineinanderzuschieben und durch Erhitzen und Ausziehen eine zusammengesetzte Faser herzustellen.

Ist n₁ das Material mit dem hohen Brechungsindex und n„ das Material mit einem relativ niedrigen Brechungsindex, so wandert das auf dem Faserquersc-hnitt einfallende Licht durch die Faser derart, daß die Wellen in dem Bereich mit dem niedrigen Brechungsindex verschwinden. Werden Lichtimpulse durch die Faser nach Fig. 2 übertragen, bei der das genannte Verhältnis vorliegt, bei dem der Brechungsindex der ersten Serie von konzentrischen Ringen n.. und der Brechungsindex der zweiten Serie von konzentrischen Ringen n„ ist, und n.. größer als n₂, so tritt das Licht am entgegengesetzten Faserende mit einer sehr geringen Verzerrung aus. Das im Zentrum der Faser austretende Licht besitzt die höchste Helligkeit und diese fällt darm radial nach außen ab.

Die Erklärung für dieses wirkungsvolle Brechungsindexprofil der Faser nach der Erfindung ist der Fig. 3 zu entnehmen.

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Diese Figur zeigt den wesentlich vergrößerten Querschnitt einer typischen Lichtleitfaser 2 der Erfindung. Der Brechungsindex ist so gewählt, daß der innerste Ring aus Material mit dem Brechungsindex n. und jeder weitere Ring aus dem gleichen Material und der gleichen Stärke wie der innerste Ring besteht. Entsprechend der Beschreibung werden die Ringe, die aus dem Material mit dem Brechungsindex n.. hergestellt sind, aus dem auch der innerste Ring besteht, als die erste Serie von Ringen bezeichnet, und die andere Gruppe von Ringen aus dem Material mit dem Brechungsindex n„ wird die zweite Serie von Ringen genannt. Die Stärke der Ringe aus dem Material mit dem Brechungsindex n. bleibt verhältnismäßig konstant, wenn die Ringe von dem innersten Bereich des Querschnittes der Faser 2 radial nach außen wandern. Das Verhältnis zwischen dem Brechungsindexprofil 12 und dem Abstand zum Zentrum des Faserquerschnittes wird in Fig. 3 gezeigt für die Bedingung, daß der Brechungsindex n₁ der ersten Serie von Ringen größer ist als der Brechungsindex n„ der zweiten Serie von Ringen. Das Verhältnis zwischen dem Profil und dem radialen Abstand vom Faserzentrum gilt für die Bedingung, daß ein schmaler Bereich aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex im Zentrum des ersten Ringes sitzt.

In den oben gezeigten zwei Ausbildungsformen sind die Ringe der ersten Serie konstant, während die Stärke der Ringe der anderen Serie ansteigt. Weitere Ausbildungsformen, die innerhalb des Umfanges der Erfindung liegen, schließen den Fall ein, daß sowohl die erste wie zweite Serie von Ringen so ausgebildet ist, daß die Stärken entweder ansteigen oder abfallen. Zufriedenstellende Ergebnisse wurden auch dann erzielt, wenn die Stärke der ersten Ringserie von einem relativ dicken Bereich im Kern zu einem verhältnismäßig dünnen Bereich nahe

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des Randes des Lichtleiters abfällt. Die zweite Ringserie wurde entsprechend so gewählt, daß die Stärke von einem verhältnismäßig geringen Wert im Kern zu einem verhältnismäßig hohen Wert nahe dem Rand des Lichtleiters ansteigt. Ganz allgemein kann gesagt werden, daß die besten Ergebnisse dann erzielt wurden, wenn die erste Ringserie aus einem Material mit dem Brechungsindex η., hergestellt wurde, der größer war als der Brechungsindex n„ der zweiten Ringserie, und die Stärke der ersten Ringserie vom Zentrum nach außen zurückging, während die Stärke der zweiten Ringserie vom Zentrum nach außen anstieg.

Wo genau geregelte abgestufte Brechungsindizes erforderlich sind, ist die Verwendung einer größeren Zahl von konzentrischen Ringen und die Veränderung der Stärke der einzelnen Ringe über einen weiteren Bereich von Vorteil. Fig. 4 ist ein Beispiel einer Gradientenfaser mit genau geregeltem Brechungsindex, wobei Material mit hohem Brechungsindex n_ bei der ersten Serie von Ringen und ein Material mit dem Brechungsindex n„ bei der zweiten Serie von Ringen Anwendung fin det. Im Zusammenhang mit dieser Ausbildungsform ist zu bemerken, daß die Stärke der ersten Ringserie nach außen abnimmt, wohingegen die Stärke der zweiten Ringserie nach außen hin zunimmt. In Abhängigkeit von dem geforderten genau abgestuften Grad des Brechungsindex kann die Zahl der Ringe und deren Stärke entsprechend gewählt werden. Dies läßt sich aus Fig. 4 erkennen, in der die Faser 3 eine Reihe von ersten aufeinanderfolgenden Ringen des Brechungsindex n₁ und eine zweite Reihe von aufeinanderfolgenden Ringen des Brechungsindex n_? besitzt. Das erste Brechungsindexprofil 5, bei dem der Brechungsindex der ersten Serie n₁ größer ist als der Brechungsindex n~ der zweiten Serie, zeigt einen abgestuften Brechungs index 9, der durch die konkave Kurve verkörpert wird.

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Die Lichtleitfasemmit dem Brechungsxndexprofil nach der vorliegenden Erfindung finden unmittelbare Anwendung in dem Bereich der Nachrichtenübertragung, sie können aber auch überall dort eingesetzt v/erden, wo Fasern mit einem derartigen Brechungsindexprofil erforderlich sind.

14 Patentansprüche
2 Blatt Zeichnung mit
4 Figuren

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Leerseite

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1/. Lichtleitfaser mit abgestuftem Brechungsindexprofil, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von ersten und zweiten wechselweise aufeinanderfolgenden Ringen aus lichtleitendem Material, wobei die ersten Ringe einen Brechungsindex η., und die zweiten Ringe einen Brechungsindex n„ aufweisen.
2. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Stärke der Ringe der ersten Serie konstant ist

der
und die Ringe der zweiten Serie vom Zentrum der Faser nach außen hin zunimmt.
3. Lichtleitfaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Ringe der ersten Serie nach außen hin abnimmt.
4. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß d
index

daß der Brechungsindex n₁ größer ist als der Brechungs-
5. Lichtleitfaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex vom Zentrum der Lichtleitfaser nach außen hin abnimmt.
6. Lichtleitfaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ringserie aus Germaniumsilikatglas besteht.
7. Lichtleitfaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ringserie aus Quarzglas besteht.

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8. Lichtleitfaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die* erste Ringserie aus Quarz und wenigstens einer Komponente von höherem Brechungsindex als Quarz besteht.
9. Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Röhre aus zusammenfallendem Material hergestellt wird, daß die Innenfläche dieser Röhre wechselweise mit Schichten unterschiedlicher Stärke und Material mit einem ersten und zweiten Brechungsindex beschichtet wird, und daß die Röhre zu einer Faser ausgezogen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Brechungsindex größer ist als der zweite Brechungsindex.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit dem ersten Brechungsindex aus einer Kombination von Quarz und einer Verbindung mit gegenüber Quarz höherem Brechungsindex besteht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung Germaniumoxid oder Phosphospxid ist.
13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wechselweisen Schichten durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase hergestellt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung in Abwesenheit von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigen Verbindungen erfolgt.

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