DE2728126A1

DE2728126A1 - Optische einzelmoden-uebertragungsleitung

Info

Publication number: DE2728126A1
Application number: DE19772728126
Authority: DE
Inventors: William George French; G William Tasker
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-06-23
Filing date: 1977-06-22
Publication date: 1978-01-05
Also published as: GB1570767A; NL7706838A; IT1083541B; FR2356164A1; US4089586A; BE855912A; FR2356164B1; JPS531035A

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN C. f C Ό

Patenlconsull Radeckestraße 43 8000 München 60 Telelon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsull Patentconsult Sonnenberger SlraOe 43 6200 Wiesbaden Telelon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Glasübertragungsleitungen für elektromagnetische Energie einer Wellenlänge von 0,5 bis 2,0 Mikrometer.

Die Möglichkeiten von Nachrichtenübertragungssystemen mit grosser Bandbreite, die in Bereichen hoher Verkehrsdichte, wo erhöhte Übertragungskapazität gewünscht ist, wichtig ist, und mit kleiner Größe, die dort wichtig ist, wo Platzmangel herrscht, haben zur Erforschung und Weiterentwicklung der optischen Nachrichtenübertragungssysteme stimuliert. Während viele Nachrichtenmedien vorgeschlagen worden sind, erscheinen jene am vielversprechendsten, bei denen Glasübertragungsleitungen für elektromagnetische Energie im sichtbaren oder nahezu sichtbaren Spektrum, d. h., im Wellenlängenbereich von 0,5 bis 2,0 Mikrometer, verwendet werden. Zusätzlich zu der ausgedehnten Entwicklungsarbeit für die Energieein- und -auskopplung in bzw. aus den Übertragungsleitungen ist viel Entwicklungsarbeit für die Zusammensetzung und Herstellung von als Übertragungsieitun-

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Olpl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. . H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

gen geeigneten Glasfasern aufgewandt worden. Die meisten Faser-Wellenleiter haben wünschenswerterweise niedrige Streu- und Absorptionsverluste und niedrige Dispersion. Solche Verluste sind unerwünscht, da sie die übertragene Energiemenge reduzieren und deshalb für eine gegebene Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit die maximal mögliche Faserlänge reduzieren oder bei vorgegebener Faserlänge entweder höhere sendeseitige Leistung oder empfindlichere Empfänger erfordern. Für lange Faserstrekken oder hohe Datenfolgefrequenzen ist eine Dispersion unerwünscht, da sie eine zeitliche Verbreiterung der Lichtimpulse während deren Fortpflanzung längs der Faser -verursachen, die bei hinreichender Größe zu einer Überlappung der Impulse führt und damit eine brauchbare Nachrichtenübertragung ausschließt. Eine Wellenleitung wird mit Hilfe einer übertragungsleitung erhalten, die ein von einem Mantel etwas höheren Brechungsindexes umgebenen Kern aufweist. Die vielversprechendsten Zusammensetzungen für Kern und Mantel sind derzeit Siliciumdioxid und modifizierte Siliciumdioxidzusammensetzungen. Kern und Mantel können radial gleichförmige oder sich radial ändernde Brechungsindices besitzen.

Die Hauptursache für Absorptionsverluste ist eine Absorption an Verunreinigungen, üblicherweise an Übergangsmetallionen oder OH-Radikalen, und läßt sich durch eine Verringerung der Verunreinigungskonzentrationen steuern. Die übergangsmetallionenkonzentration wird zweckmäßig kleiner als 10~⁵ Gew.-96 ge-

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halten. Die OH-Absorption ist bei einer Wellenlänge von etwa 0,95 Mikrometer zentriert und ist die Folge der dritten Harmonischen eines Absorptionsbandes bei etwa 0,273 Mikrometer. Für einen Betrieb bei etwa 1,0 Mikrometer ist die OH-Konzentration zweckmäßig kleiner als 0,2 Gew.-jS. Der Streuverlust - bei niedrigen Energieniveaus - rührt hauptsächlich von thermischen Fluktuationen der Bestandteilsatome des Glases her, die beim Abkühlen des Glases auf unterhalb der Glasübergangstemperatur eingefroren werden und Dichte-Änderungen und damit Brechungsindexschwankungen innerhalb des Glases verursacht. Diese Streuung, üblicherweise als Rayleigh'sche Streuung bezeichnet, ist eine materialbedingte Eigenschaft und kann nicht eliminiert werden. Die Rayleigh'sche Streuung ist jedoch zu 1/A proportional und nimmt demgemäß mit zunehmender Wellenlänge rasch ab. Ein zusätzlicher Streuungsverlust wird häufig von einem Oxidzusatz zum Glas her, der den Brechungsindex des Kerns erhöhen soll. Hierbei treten KonzentrationsSchwankungen des Oxides auf, die Brechungsindexänderungen und Streuverluste verursachen.

Impulsverbreiterung wird hauptsächlich durch materialbedingte und durch modenbedingte Dispersion verursacht. Erstere tritt auf, wenn sich der Brechungsindex des Glases mit der Wellenlänge des übertragenen Lichtes ändert; die unterschiedlichen Frequenzkomponenten des Lichtes haben dann unterschiedliche Ge-

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schwindigkeiten innerhalb der Faser und benötigen unterschiedliche Zeiten zur Durchquerung einer bestimmten Faserlänge. Letztere tritt auf, wenn verschiedene Moden verschiedene Zeiten zur Durchquerung einer bestimmten Faserlänge benötigen, weil sie unterschiedlichen Wegen längs des Kernes folgen und demgemäß im allgemeinen unterschiedliche Zeiten zur Durchquerung einer gegebenen Faserlänge benötigen. Versuche zur Reduzierung der Modendispersion haben sich darauf konzentriert, einen radial derart abnehmenden Brechungsindex zu erhalten, daß die durchschnittliche Modengeschwindigkeit mit zunehmender Modenweglänge zunimmt. Die erhöhte Geschwindigkeit kompensiert die erhöhte Weglänge, sämtliche Moden durchqueren daher eine gegebene Faserlänge in der gleichen Zeit. Obgleich diese Versuche die Modendispersion deutlich reduziert haben, waren sie wegen theoretischer und experimenteller Schwierigkeiten bei der Erzeugung der erforderlichen Brechungsindexänderung nicht vollständig erfolgreich.

Da selbst bei optimaler radialer Brechungsindexänderung die Modendispersion von Bedeutung ist und da selbst leichte Abweichungen vom Optimum eine äußerst starke Zunahme der Modendispersion verursachen, hat die Verwendung optischer Einzelmodenfasern erneutes Interesse erfahren, in denen per definitionem keine Modendispersion auftritt. Es kann gezeigt werden, siehe

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beispielsweise Proceedings of the IEEE, Dezember 1973, Seiten 1703 - 1751, daß eine Faser nur einen einzigen Mode übertragen wird, wenn die Bedüi&ung V=Ka/2nST Z. 2,405 erfüllt ist, worin K = 2ΊΓ/λ ist und a den Radius des Kernes, η dessen Brechungsindex und Δη die Brechungsindexdifferenz zwischen Kern und Mantel bedeuten. Sonach muß mit zunehmendem Kernradius An abnehmen und umgekehrt. Für praktikable Fasern muß der Kernradius innerhalb eines ziemlich gut definierten Bereiches liegen. Sehr reelle Schwierigkeiten, die beim Ansetzen von Fasern mit kleinen Kernen in Rechnung zu stellen sind, machen große Kerne wünschenswert. Große Kerne erfordern jedoch kleine Wert für Δη, was zu der Tendenz führt, die Fasern verlustbehafteter zu machen. Selbst für die kleinsten praktikablen Radien für Einzelmodenfasern ist der Brechungsindexunterschied von Kern und Mantel klein. Für beispielsweise X= 1 um, a = 5 ium und η = 1,5 ist Δη kleiner als 2 χ 10 . Für Multimodenfasern liegt Δ>η im Regelfall zwischen 8 χ 10""⁵ und 20 χ 10~³.

Frühere Einzelmodenfasern haben die erforderliche Brechungsindexdifferenz zwischen Kern und Mantel mit Hilfe entweder eines Siliciumdioxidkeras und eines Borsilikatmantels oder mit Hilfe eines dotierten Siliciumdioxid- oder dotierten Borsilikatkerns und eines Siliciumdioxid- oder Borsilikatmantels erzeugt. Diese Zusammensetzungen haben vom HerstellungsStandpunkt aus gesehen Nachteile. Die erste Zusammensetzung erfordert wegen

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der Notwendigkeit einer sehr kleinen Brechungsindexänderung zwischen dem reinen Siliciumdioxidkern und dem Borsilikatmantel eine sehr niedrige B₂0^-Konzentration im Hantel. Die niedrige B^OyKonzentration ist schwierig zu erreichen, und zwar wegen Schwierigkeiten bei der genauen Aufrechterhaltung des Strömungsdurchsatzes der borhaltigen Bestandteile, wenn im Pampfreaktionsniederschlagsverfahren (DRII-Verfahren) oder im Modifizierten Dampfreaktionsniederschlagsverfahren (MDRN-Verfahren) gearbeitet wird. Der Zusatz eines brechungsindexerhohenden Dotierstoffes zu einem Siliciumdioxid- oder Borsilikatkern, wie dieses für die zweiten Zusammensetzungen erfolgt, ist nicht vollständig befriedigend, weil die genaue Steuerung der kleinen Dotierstoffmenge schwierig ist, die für den Brechungsindexunterschied benötigt wird. Außerdem wird der Dotierstoff zu Konzentrationsschwankungen führen, die Streuver— luste erzeugen können. Bei einigen Dotierstoffen bildet der Dotierstoffverlust aus dem Kern wegen der vergleichsweise größeren FUchtigkeit des Dotierstoffes ein weiteres Problem. Bei Einzelmodenfasern wandert ein großer Teil der elektromagnetischen Energie im Mantel und nicht im Kern, und zwar wegen der kleinen Brechungsindexänderung und weil der Hantel erstens ausreichend dick sein muß, damit das elektromagnetische Feld as Mantelaußenradius im wesentlichen die Größe KuIl besitzt, üb Strahlungs- oder Absorptionsverluste durch ein IAahüllungsmaterial zu vermeiden, und zweitens sehr niedrige

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Dämpfung besitzen muß. Mit den bekannten Zusammensetzungen war es schwierig, ausreichend Siliciumdioxid für eine adäquate Hanteldicke niedrzuschlagen, weil das Substratrohr, in welchem der Niederschlag stattfand, bei den erforderlichen hohen Hiederschlagsteinperaturen kollabierte. Die mit Siliciumdioxidnänteln verknüpften Proübme können derzeit nicht durch Verwendung handelsüblich erhältlicher Siliciumdioxidrohre beseitigt werden, da die Verunreinigungen in solchen Rohren zu prohibit! ν verlustreichen Mänteln führen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den obigen Problemkreis zu lösen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen angegeben.

Hiernach weist mit anderen Worten eine Einzelmoden-Glasübertragungsleitung für elektromagnetische Energie einer Wellenlange von 0,5 bis 2,0 Mikrometer einen Kern auf, der von einem Hantel eines kleineren Brechungsindexes als der Kern umgeben ist, wobei Kern und Hantel im wesentlichen aus dem selben Typus einer mehrkoniponenti gen Gl as zusammensetzung bestehen und die relaiven Konzentrationen der Komponenten im Kern und Hantel nur eine Einzelmodenübertragung gestatten. Die Komponenten sind aus einer Gruppe ausgewählt, die die Oxide 1*2^5» Al₂O^, GeO₂ und SiO₂ umfaßt. Beispielsweise bestehen Kern

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und Mantel im wesentlichen aus einer Borsilikatzusammensetzung, wobei das Verhältnis der Si0₂/B₂0,-Konzentrationen sowohl im Kern als auch im Mantel im Bereich von 3:1 bis 30:1 gelegen ist. Das im Kern herrschende Verhältnis übersteigt das im Mantel herrschende Verhältnis um einen Betrag derart, daß der Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel kleiner ist als angenähert 3 λ/(41T an), worin λ die Wellenlänge, a den Kernradius und η den Brechungsindex des Kerns bedeuten.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Schrägansicht eines Glasübertragungsleitungsabschnittes,

Fig. 2 ein Diagramm der Einzelmodenbedingung für λ = 0,9 Mikrometer und V = 2,40 anhand der Δη/n-Abhängigkeit (Ordinate) vom Kernradius (Abszisse),

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Abnahme des Brechungsindexes (Ordinate) bei zunehmendem B₂0,-Gehalt in Mol-96 (Abszisse) der Faser und

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Energiedämpfung in db/km (Ordinate) von der Wellenlänge (Abszisse) für eine erfindungsgemäß ausgebildete Faser.

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Bisher ist nicht erkannt worden, daß Einzelmodenfasern hergestellt werden können, bei denen sowohl Kern als auch Mantel im wesentlichen aus dem selben mehrkomponentigen Glaszusammensetzungstyp bestehen und der Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Hantel durch Ändern der realtiven Konzentrationen der Glaszusammensetzungskomponenten, die aus der aus ^P2°5» ^Ge02» ^A12°3' ^B2°3 ¹^¹¹* ^Si02 bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Beispielsweise wird eine Einzelmodenfaser hergestellt, bei der sowohl Kern als auch Mantel aus einem Borsilikatglas bestehen und der erforderliche Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel durch Ändern der Verhältnisse der / ΒρΟ,-Konzentrationen im Kern und Mantel erhalten wird. Diese Zusammensetzungen erlauben eine genaue Steuerung der Zusammensetzung von Kern und Mantel, und, weil der Borgehalt im Mantel relativ hoch ist, ist eine hinreichende Manteldicke wegen der niedrigen Niederschlagstemperatur leicht niederzuschlagen. Vorformlinge, aus denen die Fasern gezogen werden, sind mit diesen Zusammensetzungen leichter zum Kollabieren zu bringen, und die gezogenen Fasern haben keine durch den Ziehvorgang induzierte Absorption bei etwa 630 Nanometer, vergleiche Journal of the Optical Society of America 64, Seiten 475 - 481, April 1974.

Fig. 1 zeigt eine Schrägansicht einer optischen übertragungsleitung 1 in Form einer erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Faser mit einem Kern 2 und einem Mantel 3. Sowohl Kern 2

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als auch Mantel 3 bestehen im v/esentlichen aus dem gleichen Glaszusammensetzungstyp, z. B. aus mit B₂O, modifiziertem SiOp, d. h., einem Borsilikatglas. Nicht dargestellt sind die Einrichtungen zum Einführen von Licht in die Faser und zum Auskoppeln und Nachweisen von Licht aus der Faser. Da üblicherweise mehrere Fasern benutzt werden, kann die Faser von zusätzlichen Schichten (nicht dargestellt) beispielsv/eise aus hochabsorbierendem Material zur Vermeidung von übersprechen zwischen benachbarten Fasern, oder von einer weiteren, herstellunßsbedingten Glasschicht umhüllt sein.

Obgleich im allgemeinen exakte Lösungen für das elektromagnetische Feld innerhalb einer optischen Faser nicht erhalten werden können, können für den praktisch am häufigsten Fall einer Faser mit kreisförmigem Querschnitt und einem Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel, der viel kleiner als Eins ist, Näherungslösungen erhalten werden. Aus diesen Lösungen ergibt sich, daß die Einzelmodenbedingung V = Kaf2n£rT< 2,405 mit K = 2TT/X , a = Kernradius, η = Brechungsindex des Kernes und Δη = Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel, erfüllt sein muß, wenn innerhalb einer Faser eine Einzelmodenfortpflanzung stattfinden soll. Theoretisch gibt es keinen Mindeswert für V, und eine Einzelmodenfortpflanzung ist selbst bei niedrigsten Frequenzen und größten Kernradien gegeben, sofern die Wellenlänge den Kernradius nicht

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überschreitet. Es existieren zwei Gründe, Fasern mit so dicht wie möglich bei 2,405 liegenden Werten für V herzustellen. Erstens befindet sich bei abnehmendem V mehr und mehr elektromagnetische Feldenergie innerhalb des Mantels, und die wirksame Führung wird schwieriger, wenn die Energie innerhalb des Mantels aus der Faser herauszutreten sucht. Zweitens ist es wünschenswert, weil mit abnehmendem Kernradius das Ansetzen von Fasern schwieriger wird, den Kern so groß v/ie praktikabel zu machen, d. h., den Wert von V so dicht wie möglich bei 2,405 liegen zu haben. Fig. 2 zeigt für V = 2,4 und λ= 0,9 Um die Einzelmodenbedingung für die Parameter Δη/η und den Kernradius a in Mikrometer. Sämtliche Fasern, deren Werte für An/n und a unterhalb der Kurve gelegen sind, sind Einzelmodenfasern für X= 0,9 Jim. Die Kurve schiebt sich in leicht bestimmbarer V/eise nach oben oder unten, wenn die Wellenlänge λ langer bzv/. kürzer wird.

Aus Fig. 2 sind verschiedene wichtige Entwurfserwägungen für optische Fasern ersichtlich. Große Kernradien, die zur Vermeidung von Faseransetzproblemen wünschenswert sind, erfordern Fasern mit kleineren Werten für Δη/η, die für Radien, welche mit denen typischer Multimoden-Fasern vergleichbar sind, hohe Dämpfungswerte aufweisen, weil jede tatsächliche Faser kleine Abweichungen von der Linearität (Mikroverbiegungen) besitzt, in die elektromagnetische Energie weiter in den Mantel ein-

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dringt als bei Fehlen solcher Nichtlinearitäten und aus der Faser verloren geht. Dieses setzt eine untere Grenze für Δη von etwa 10 . Weiterhin haben tatsächliche Fasern kleine und periodische Störungen, die verursachen, daß die geführte Energie sich vom einen Mode in einen anderen Mode umsetzt. Bei einer Einzelmodenfaser überträgt eine derartige Modenumsetzung Energie auf einen nicht geführten Mode und geht verloren. Wenn der Kernradius zunimmt, nimmt auch die Periode der der Modenurasetzung bewirkenden Störungen zu und wird wahrscheinlicher. Die resultierende Modenumsetzung erhöht die Dämpfung und setzt eine praktische obere Grenze für den Kernradius auf etwa 12 Mikrometer. Der Mindestkernradius ist durch zwei Erwägungen diktiert. Die erste ist das bereits oben erwähnte und in der Praxis ernste Problem der Notwendigkeit einer genauen Ausrichtung von Fasern mit kleinen Kernen zum Ansetzen an andere Fasern oder Verbinden mit Lichtquellen oder Detektoren, um übermäßig hohe Energieverluste zu vermeiden. Die zweite Erwägung ist das grundsätzliche Problem hoher Streuverluste, die von stimulierter Brillouin- oder Raman-Streuung herrühren, wenn die geführte elektromagnetische Energie einen Eneriiedichteschwellenwert überschreitet, der für Raman-Streuung etwa zwei Größenordnungen höher liegt als für Brillouin-Streuung. Unterhalb des Schwellenwertes tritt kein Streuungsverlust auf, aber oberhalb des Schwellenwertes wird die elektromagnetische Energie in der Frequenz verschoben und geht ver-

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loren. Aus diesen Erwägungen ergibt sich als praktische untere Grenze für den Kernradius ein Wert von etwa 3 Mikrometer.

Für Fasern mit kleinen Werten von &n ist eine zusätzliche Entwurfserwägung vorhanden. Bei diesen schwachführenden Fasern, erstreckt sich das elektromagnetische Feld über eine bedeutsame Entfernung in den Mantel. Wenn also der Mantel nicht hinreichend dick ist derart, daß die Größe des radial abnehmenden elektromagnetischen Feldes am Außenradius des Mantels im wesentlichen Null ist, dann werden hier beträchtli che Verluste auftreten. Ist die Größe des elektromagnetischen Feldes am Außenradius nicht Null, dann geht Energie entweder durch Strahlung oder durch Wechselwirkung mit einer die Faser umhüllenden absorbierenden Schicht verloren. Dieser Verlust-Typus ist auch für Mikroverbiegungsverluste verantwortlich. Ein brauchbarer Mindestradius für den Mantel liegt etwa bei dem Sechsfachen des Kernradius.

Die Brechungsindices von Kern und Mantel sind durch das Verhältnis der Si0₂/B₂0^-Konzentrationen in Kern und Mantel bestimmt. Wenn die ΒρΟ,-Konzentration zunimmt, d. h., wenn das Verhältnis der Si0₂/B₂0,-Konzentration abnimmt, nimmt der Brechungsindex zu. Dieses ist in Fig. 3 dargestellt, die die Abnahme des Brechungsindexes, ausgehend vom Wert für reines Siliciumdioxid und gemessen nach dem Ziehen der Faser, für zu-

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nehmenden B₂0-,-Gehalt (in Mol-?O zeigt. Diese Messungen wurden angenähert bei einer Wellenlänge von 540 Nanometer durchgeführt und sind für die Brechungsindices im sichtbaren und infraroten Bereich recht repräsentativ. Die extrem brechende Natur von Zusammensetzungen mit hohem Siliciumdioxidgehalt ergibt einen Wert von 30:1 für das höchste praktische SiO₂/ BpO,-Verhältnis. Die Empfindlichkeit gegenüber einem Wasserangriff von Zusammensetzungen mit hohen B₂0-,-Konzentrationen bedingt als unterstes praktisches Verhältnis etwa den Wert von 3:1. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 4:1 und 20:1. Die erforderliche Änderung in der Zusammensetzung zwischen Kern und Mantel bestimmt sich unter Berücksichtigung des gewünschten Kernradius, der Wellenlänge des in der Faser übertragenen Lichtes und des Wunsches, den Wert von V dicht bei 2,405 liegen zu haben. Diese Erwägungen bestimmen An, wenn der Brechungsindex von Kern oder Mantel bekannt ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, die die Abnahme des Brechungsindexes, ausgehend vom Wert für reines Siliciumdioxid und gemessen bei gezogenen Fasern, für zunehmende B₂0,-Konzentration (in Mol-?0 zeigt, führt eine beträchtliche Anzahl kleiner Zusammensetzungsänderungen zwischen Kern und Mantel zu Werten von Δη, die die Einzelmodenbedingung erfüllen. Der kleine Zusammensetzungsunterschied zwischen Kern und Mantel, der aus dem kleinen Wert für Δ. η resultiert, stellt sicher, daß Kern und Mantel ähnliche thermische Expansionseigenschaften haben, und vermeidet die häufig bei der Faserherstellung auftretenden Schwierigkeiten,

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wenn die Faser einer raschen und großen Temperaturänderung unterliegt, wie diese beim Faserziehprozeß auftritt.

Die vorliegenden Fasern können zweckmäßig im modifizierten Dampfreaktionsniederschlagsverfahren (MDRN-Verfahren) hergestellt werden. Ein dünnwandiges Quarzglasrohr wird beiden Endes in einer Glasdrehbank eingespannt und in Drehung versetzt, Eine Heizquelle, z. B. ein Sauerstoff-Wasserstoff-Brenner überquert periodisch die Länge des Rohrs. Das Rohr wird von einer Gasströmung durchflossen, die gesteuerte Mengen von Siliciumtetrachlorid (SiCl^), Bortrichlorid (BCl,) und Sauerstoff enthält. Die Reaktion tritt sowohl an der Innenfläche des Rohrs als auch in der homogenen Gasströmung auf. Ersteres führt zu einem glasigen Niederschlag an der durch die Heizquelle erzeugten erhitzten Zone des Glasrohrs und letzteres erzeugt Partikel, die sich an der Innenfläche des Rohrs strömungsabwärts von der erhitzten Zone absetzen und in eine klare Schicht erschmolzen werden, wenn die Heizquelle das Rohr überquert. Auf diese Weise werden längs des Rohres gleichförmige Niederschläge erzeugt, die schließlich den Kern und Mantel der Faser bilden. Üblicherweise läßt man die Heizquelle das Rohr 75 mal überqueren, wobei die relativen Konzentrationen und Durchsätze von Silxciumtetrachlorid, Bortrichlorid und Sauerstoff falls erforderlich nach Jeder Überquerung so eingestellt werden, daß die gewünschte Brechungs-

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indexänderung zwischen Kern und Mantel oder innerhalb des Kernes und Mantels erhalten werden. Im Unterschied zu optimalen Multimodenfasern benötigen Einzelmodenfasern keine radiale Änderung des Brechungsindexes im Kern oder Mantel, d. h. sie können Fasern mit abgestuftem oder nahezu abgestuftem Brechungsindex sein. Typische NJederschlagstemperaturen liegen zwischen 1450 und 1500 ⁰C für den Mantel und zwischen 1550 und 1650 ⁰C für den Kern, wobei die im Einzelfall tatsächlich gewählte genaue Temperatur von der Zusammensetzung von Kern und Mantel abhängt.

Nach vervollständigtem Niederschlag wird das Quarzglasrohr mit seinen Glasniederschlagen, üblicherweise als Vorformling bezeichnet, zu einem Vollstab kollabiert. Die Kollabierung erfolgt unter leichtem überdruck im Rohrinneren, um einen kreisförmigen Querschnitt von Rohr und Niederschlägen aufrecht zu erhalten. Der Vorformling wird dann in einen Zuführmechanismus eingesetzt, der das Ende des Vorformlings genau gegenüber einer Heizquelle ausrichtet, die es erweicht. Nach Erweichung des Vorformling-Endes und Ausbildung einer Spitze, wird eine Faser von der Spitze gezogen und an einer Trommel befestigt, die sich sowohl rotatorisch als auch translatorisch bewegt und auf diese Weise eine Faser-Lage auf der Trommel aufwickelt. Der Faserdurchmesser wird durch Größe des Vorformlings, Vorschub des Vorformlings, Ziehtemperatur und Um-

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fangsgeschwindigkeit der Trommel in allgemein bekannter Weise gesteuert. Im allgemeinen entspricht bei dem Ziehprozeß das für die Faser erhaltene Radiusverhältnis von Kern und Mantel dem ursprünglichen Radiusverhältnis von Kern- und Mantelniederschlag im Vorformling.

Beispiel

Die B₂0,-Konzentrationen im Kern und Mantel waren 9,1 bzw. 4,2 Mol-%, Rest SiO₂. Δη betrug 0,0017. Der Kernradius war 4,5 Mikrometer und der Mantelradius war 8 mal größer. Der Wert V war kleiner als 2,4 für Wellenlängen größer als 850 Nanometer. Die Dämpfung der elektromagnetischen Energie in db/km als Funktion der Wellenlänge ist in Fig. 4 dargestellt. Die Dämpfungsabnahme folgt im allgemeinen der X" -Abhängigkeit der Rayleigh'schen-Streuung. Die Zunahme der Dämpfung zwischen 0,9 Mikrometer und 1,0 Mikrometer ist die Folge einer Gegenwart von OH-Radikalen.

Für einige Fasern kann V den Wert 2,405 um einen kleinen Betrag übersteigen und Werte bis zu etwa 4,0 annehmen. Obgleich diese höheren V-Werte theoretisch eine Energiefortpflanzung In Moden höherer Ordnung als im Mode erster Ordnung erlauben, sind für praktische Zwecke diese Fasern gleichfalls Einzelmodenfasern; denn Energie in allen Moden außer im Mode niedrigster Ordnung geht aus dem Mantel durch Strahlung oder Absorption im Faserumhüllungsmaterial, z. B. einer anderen Glasschicht , rasch verloren«09881/0909

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER - HIRSCH · BREHM PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patenlconsult RadedcestraBe 43 8000 München 60 Telefon (089) 883605/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Pate-itconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telelon (06121) 562943/561998 Telex 01-186 237 Telegramme Palenlconsult Western Electric Company, Incorporated New York, N.Y., USA French 6-2 Optische Einzelmoden-Ubertragungsleitung Patentansprüche

1. Einzelmoden-Glasübertragungsleitung für elektromagnetische Energie einer Wellenlänge von 0,5 bis 2,0 Mikrometer, die im wesentlichen aus einem Kern eines ersten Brechungsindexes und eines Radius von 12 Mikrometer oder weniger und aus einem den Kern umgebenden Mantel eines zweiten Brechungsindexes besteht, wobei der erste Brechungsindex größer als der zweite ist,

dadurch gekennzeichnet, daß Kern und Mantel je im wesentlichen aus einer mehrkomponentigen Glaszusammensetzung bestehen, die dieselben Komponenten einschließlich SiO₂ und wenigstens eine andere, aus ^P2°5' ^B2°3* ^A12°3

München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Or. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. . H.P. Brehm Dipl.-Chem. Or. phil. nat. Wiesbaden: P.6. Blumbach Dipl.-Ing. · P.Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

ORIGINAL INSPECTED

und GeO₂ ausgewählte Komponente haben, sich jedoch im Verhältnis von SiO₂ zu jener anderen Komponente unterscheiden, und daß die jeweiligen Verhältnisse der Si0₂-Konzentration gegenüber jener anderen Komponente im Kern bzw. Mantel so gewählt sind, daß der Unterschied zwischen erstem und zweitem Brechungsindex kleiner als etwa (2,4λ) /(81T a n) ist, wobei λ die Wellenlänge, a den Kernradius und η den ersten Brechungsindex bedeuten.

2. Übertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Kern und Mantel je im wesentlichen aus SiOp und BpO, bestehen, die im Kern und Mantel je in Si0₂/B₂0,-Konzentrationsverhältnissen von 3:1 bis 30:1 mit der Maßgabe vorhanden sind, daß das im Kern herrschende SiO₂/B₂O,-Verhältnis das im Mantel herrschende um einen Betrag übersteigt derart, daß der Unterschied zwischen erstem und zweitem Brechungsindex kleiner als etwa (2,4,0 /(8"TT a n) ist, wobei λ die Wellenlänge, a den Kernradius und η den ersten Brechungsindex bedeuten.

3. Übertragungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die SiO₂/B₂O,-Verhältnisse im Bereich von 4:1 bis 20:1 gelegen sind.

4. übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Kernradius

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zwischen 3,0 und 12,0 Mikrometer gelegen ist.

5. übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelradius wenigstens sechs mal größer als der Kernradius ist.

6. übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Verlauf wenigstens eines der beiden Brechungsindices in radialer Richtung vom Kernmittelpunkt aus über die je betroffene Dicke im wesentlichen gleichförmig ist.

7. übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden Brechungsindices einen sich im wesentlichen kontinuierlich in radialer Richtung vom Kernmittelpunkt aus über die je betroffene Dicke ändernden Verlauf aufweist.

8. übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der eine der beiden Brechungsindices in radialer Richtung vom Kernmittelpunkt aus im wesentlichen gleichförmig verläuft und der andere sich in derselben Richtung im wesentlichen kontinuierlich ändert.

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