DE2733872B2 - Optische Gradienten-Faser - Google Patents

Description

35 Kernschichten das glatte, kontinuierliche Profil besser

angenähert und die Dispersion eines übertragenen Lichtimpulses entsprechend kleiner wird. Jedoch kann bei solchen Fasern die von einer kontinuierlichen ra-

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Gra- dialen Änderung erwartete theoretische Verbesse-

dientenfaser der im Oberbegriff des Anspruches 1 an- «> rung ebenfalls nur angenähert erreicht werden, so daß

gegebenen Art. eine immer noch unerwünscht erhöhte und überdies

Bei den optischen Fasern ist generell zwischen den zur Faserlänge proportionale Impulsverbreiterung

sogenannten Gradientenfasern und den sogenannten verbleibt.

Stufenfasern zu unterscheiden. Eine vielschichtige optische Faser mit einem Gra-

Erstere besitzen einen Gradienten im Brechungsin- 45 dienten im Brechungsindex der in Rede stehenden Art dex des Faserkernes, dergestalt, daß der Brechungsin- kann leicht in einem Dampfreaktionsniedcrschlagsdex von der Faserkernmitte aus radial nach außen hin verfahren hergestellt werden. Bei diesem Verfahren abnimmt, um dann in den Fasermantel überzugehen, wird ein Vorformling durch kontinuierliches Drehen während bei letzteren der Brechungsindex im gesam- eines Quarzrohres erzeugt, das von einer heißen Zone ten Faserkern konstant ist und dann über eine Stufe 50 durchlaufen wird. Ein Dampfreaktionsaiisgangsmatein den niedrigeren Brechungsindex des Fasermantels rial. ζ. B. die Chloride oder Hydride von Silicium zuübeigeht. In beiden Fällen handelt es sich derzeit zu- sammen mit Germanium, Aluminium, Bor, Phosphor meist um Fasern für einen Multimodenbetrieb. usw., sowie Sauerstjff strömen durch das Rohr und

Zur Informationsübertragung in Form von Licht- reagieren in der heißen Zone zum Erhalt eines glasiimpulsen längs einer optischen Faser müssen die über- 55 gen »Rußes« innerhalb des Dampfes unid von Glas tragenen Impulse am empfangsseitigen Ende der Fa- auf der Rohrinnenfläche. Auf diese Weiise wird bei ser einzeln auflösbar sein. Bei einer Multimoden-Fa- jedem Durchgang der heißen Zone eine zylindrische ser kann aber der Lichtstrahl bei seiner Durchquerung Glasschicht an die Rohrinnenwandung iimgeschmolder optischen Faser verschiedenen Wegen folgen. zen. Durch Ändern der Zusammensetzung der Beispielsweise sucht ein den Moden niedrigerer Ord- 60 Dampfquelle für jeden Heizzonendurchgang wird nung zugeordneter Lichtstrahl sich längs der Faser- eine Anordnung mit sich radial ändernder Strukturiemitte fortzupflanzen, während ein einem Mode höhe- rung erzeugt. Wird dann das Rohr kollabiert und zu rer Ordnung zugeordneter Lichtstrahl während seiner einer Faser ausgezogen, dann hat die resultierende Durchquerung der Faser viele Male an den Faserwän- Faser dieselbe radiale Brechungsindexverteilung wie den reflektiert wird. Da die von diesen verschiedenen 55 der Vorformling. Wie jedoch oben erwähnt, sind viele Lichtstrahlen durchlaufenen Weglängen deutlich ver- Schichten erforderlich, um den Impulsgang einer optischieden sind, ist jedem Übertragungsmode eine un- sehen Faser mit glatt verlaufendem Brechungsindexterschiedliche Übertragungs- oder Laufzeit zugeord- gradienten anzunähern. Da jede Schicht auf das Rohr

gesondert aufgeschmolzen wird, ist die Herstellungszeit eines Vorformlings, aus dem eine befriedigende optische Faser gezogen werden kann, recht lang und bedingt entsprechende Kosten.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Modendispersion in einer optischen Gradientenfaser mit nichtideal glattem Brechungsindexprofil zu verringern, so daß sogar die Anzahl Schichten unterschiedlichen Brechungsindexes im Kern reduziert und damit auch die Herstellung verbilligt werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben.

Hiernach werden mit anderen Worten longitudinale Fluktuationen im Brechungsindex einer jeden Schicht so eingeführt, daß sich der Brechungsindex einer jeden Schicht zwischen einem Maximalwert, der etwa gleich dem kleinsten Wert des Brechungsindexes der nächst inneren Schicht ist, und einem kleinsten Wert, der etwa gleich dem größten Wert des Brechungsindexes der nächst äußeren Schicht ist, mit einer räumlichen Wellenlänge von 0,1 bis 400 m ändert.

Mit einer solchen Ausbildung der optischen Faser erreicht man, daß die auftretende Impulsdispersion kleiner als bei einer bekannten Faser ist, die aus derselben Anzahl Kernschichten aufgebaut ist, und da3 die Impulsdispersion nur noch proportional zur Quadratwurzel aus der Faserlänge und nicht mehr wie bisher direkt proportional zur Faserlänge ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Verlauf des optimalen, ideal glatten Brechungsindexprofils einer Gradientenfaser und eine Stufenannäherung hieran,

Fig. 2 eine erfindungsgemäß ausgebildete optische Gradientenfaser und eine endliche Anzahl von Schichten, und

Fig. 3 die Beziehung zwischen dem Brechungsindex jeder radialen Schicht und dem Longitudinalabstand längs der Faserachse für die Faser in Fig. 2.

Wie erwähnt, ist das optimale Brechungsindexprofil eine glatte angenähert parabolische Funktion, die von einem Maximum an der Fasermitte auf ein Minimum an der Kern/Mante-Grenzfläche abnimmt. Dieses optimale Profil ist in Fig. 1 dargestellt. Das Profil kann durch die endliche Anzahl diskreter Schichten angenähert werden, die entsprechend dem optimalen Profil gewählte Brechungsindices haben. Die Annäherung des optimalen Profils durch diese diskreten Schichten ist in Fi g. 1 für fünf zylindrische Schichten als Beispiel gleichfalls gezeigt. Es sei bemerkt, daß jedoch viel mehr Schichten erforderlich wären, um eine dichte Annäherung an das optimale Profil zu erhalten.

Wenn die Anzahl der zur Annäherung an das glatte Profil benutzten Schichten zunimmt, nimmt die Dispersion eines längs der Faser übertragenen Lichtimpulses ab und nähert sich der Größe der Dispersion eines Lichtimpulses an, der über eine optische Faser mit optimalem, glattem Profil übertragen wird. Da es recht teuer ist, eine Faser mit den vielen Schichten herzustellen, die für eine befriedigende Annäherung an das glatte Profil erforderlich sind, würde es wünschenswert sein, wenn man in der Lage wäre, die Dispersion in einer optischen Faser mit sich änderndem Brechungsindex durch andere Mittel zu reduzieren, die die Verwendung weniger Schicht mit einer resultierenden Verringerung der Faserherstellungskosten erlauben. Dieses wird vorliegend durch Fluktuationen im Brechungsindex längs jeder der den Kern der Faser aufbauenden Schichten erreicht.

Fig. 2 zeigt eine solcherart ausgebildete optische Faser. Der Kern 201 dieser Faser enthält /zylindrische Schichten 202-1 bis 202-/. Die einzelnen Brechungsindices dieser Schichten nehmen von einem Maximalwert an der Mitte 202-1 ab. Der Kern 201 ist von einem Mantel 203 umgeben, dessen Brechungsindex gleich oder kleiner als der Brechungsindex der Schicht 202-/ist. Die Faserstruktur ist nun so modifiziert, daß

in eine longitudinal Änderung in den Brechungsindex einer jeden Schicht eingeführt ist. Fig. 3 zeigt den Verlauf des Brechungsindex für die einzelnen Schichten in der Längsrichtung ζ der Faser. Wie man sieht, ändert sich der Brechungsindex jeder Schicht längs

is der Faser sinusförmig zwischen einem Maximum und einem Minimum. Im einzelnen liegt die Periode L dieser Änderungen im Bereich von 0,1 bis 400 m, wobei der Bereich von 10 bis 100 m bevorzugt ist. Außerdem ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, der klein-

2» ste Brechungsindex einer jeden Schicht angenähert gleich dem größten Brechungsindex der nächst äußeren Schicht. Umgekehrt ist der größte Brechungsindex jeder Schicht angenähert gleich dem kleinsten Brechungsindex der nächst inneren Schicht.

Wie aus Fig. 3 weiter ersichtlich ist, sind die bevorzugten Brechungsindex-Änderungen periodisch und in der Periode in allen Schichten gleich und sind weiterhin die Brechungsindexmaxima der nächst äußeren Schicht ausgerichtet. In ähnlicher Weise sind die Ma-

M) xima mit den Minima der nächst inneren Schicht ausgerichtet. Eine Dispersionsverringerung kann aber auch erreicht werden, wenn die Brechungsindexänderungen aperiodisch verlaufen oder wenn die Änderungsperioden der einzelnen Schichten ungleich sind und die Maxima und Minima räumlich längs der Faserachse zueinander ausgerichtet sind.

Die Struktur der vorliegenden Faser resultiert in einer Grobverzerrung des Feldverlaufes innerhalb der Faser, die von jenen bekannten Strukturen verschieden ist, welche nur zu minimalen Störungen der Feldkonfiguration führen. Die bekannten Stufenfasern nach Marcusc a. a. O. mit »hochfrequenten« Longitudinaländerungen (in der Größenordnung 1 bis

10 mm) führen zu einer adiabatischen Modenumsetzung und erfordern kein gleichförmiges Brechungsindexprofil um die erforderliche Modenumetzung zu bewirken. Der Ausdruck »adiabatisch« ist hier im thermodynamischen Sinne benutzt und bezieht sich

so also auf ein System ohne Energieaustausch mit der Umgebung, d. h. ohne irreversible Energieabgabe (Strahlungsverlust!) aus dem Kern in den Mantel, was nach Marcuse a. a. O. für eine Stufenfaser minimale Feldverzerrungen in der Faser erfordert. Vorliegend liefern jedoch die niederfrequenten Longitudinaländerungen im Brechungsindex, gekoppelt mit einem ungleichförmigen Brechungsindexprofil eine wirksame nichtadiabatische Modenumsetzung, die dazu führt, daß die Breite eines übertragenen Impulses mit der Quadratwurzel aus der Faserlänge zunimmt und sich nicht direkt proportional zur Faserlänge vergrößert, wie dieses ohne wirksame Modenumsetzung der Fa!'. wäre. Es wird also vorliegend, um beim thermodynamischen Bild zu bleiben, bei einer Gradientenfa-

fts ser isotherm gearbeitet, was grobe Verzerrungen der Feldkonfiguration erfordert, wie diese aus den hier vorgesehenen niederfrequenten Brechungsindexfluktuationen einer Gradientenfaser resultieren, dabei ist

es das eigentlich Überraschende, daß trotz des an sich nichtadiabatischcn Charakters der Modenumsetzung bei der solcherart modifizierten Gradientenfaser keine Energie nach außen abgestrahlt wird, also die Kopplung auf sogenannte strahlende Moden weitgehend unterbleibt.

Obgleich jede Ungleichförmigkeit im Brechungsindexprofil, gekoppelt mit einer niederfrequenten Longitudinaländerung, für den Erhalt dieser nichtadiabatischen Modenumsetzung ausreichend ist, erhält man besondere Vorteile, wenn der Brechungsindex-Querschnitt von einem Maximum in der Fasermitte auf ein Minimum am Faserumfang geändert wird. Unter diesen Bedingungen erhält man den Vorteil, sowohl eine Faser mit sich radial änderndem Brechungsindex als auch eine Modcnmischfaser in einer einzigen Konfiguration vereinigt zu haben.

Die Faser kann unter Verwendung eines modifizierten Dampfrcaktionsniederschlagsprozesses hergestellt werden. Durch Änderndes Dotierstoffes,z. B. Germanium oder Bor, während des Flammendurchganges längs des Rohres bei der Vorformling-Herstcllung wird der Brechungsindex jeder Schicht zwischen

in vorbestimmten Maximal- und Minimalwerten moduliert. Eine Ausrichtung der Maxima und Minima erreicht man durch räumliches Ausrichten des Anfanges jedes Flammendurchgangs zusammen mit der Dotierstoffkonzentration.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 net. Im Ergebnis tritt in einer Multimodenfaser eine Patentansprüche: allgemeine Impulsverbreiterung mit der Folge eines begleitenden Verlustes bei der Impulsauflösung auf.

1. Optische Gradienten-Faser mit verringerter Aus der US-PS 3909110 (Marcuse) ist es für eine optischer Dispersion, mit einem von einem Mantel 5 Multimoden-Stufenfaser bekannt, die Dispersion umgebenen Kern, der aus einer Vielzahl Schichten durch die Einführung schwacher Fluktuationen im aufgebaut ist, deren mittlere Brechungsindices, Brechungsindex des Faserkerns zu reduzieren, um mit von einem Maximalwert bei der Fasermitte ausge- diesen Fluktuationen die Kupplung zwischen den verhend, radial nach außen abnehmen, dadurch ge- schiedenen Moden in der Faser bewußt zu verstärken, kennzeichnet, daß in Es handelt sich dabei um longitudinal, azimuthale

- der Brechungsindex jeder der Schichten und radiale Brechungsindexfluktuationen im Faser-(202-1 bis 202-i) längs der Faserachse räum- kern. Die longitudinalen Fluktuationen haben die liehe Fluktuationen aufweist, Form schwacher Störungen des Brechungsindex mit

- die Amplitude der Fluktuationen jeder einer Periodizität von etwa 1 mm bis höchstens 1 cm. Schicht gleich der halben Differenz der mitt- is Die Fluktuationen bleiben dabei auf einen inneren leren Brechungsindices zweier aufeinander- Kernbereich begrenzt, erfassen also nicht auch den folgender Schichten ist, und Rand des Kernes, da sonst an den Stellen der Bre-

- die Wellenlänge der Fluktuationen im Be- chungsindexminima die Fasern aus dem Kern in den reich von 0,1 bis 400 Meter liegt. Mantel abstrahlen und damit unerwünscht verlustbe-

2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 20 haftet würde. Eine Faser mit derartig »hochfrequenzeichnet, daß die Wellenlänge der Fluktuationen ten« Störungen ist jedoch sowohl schwierig als auch zwischen 10 und 100 Metern gelegen ist. teuer herzustellen.

3. Faser nach Anspruch 1 oder 2, ddurch ge- Bei Gradientenfasern wird die Modendispersion kennzeichnet, daß die räumlichen Fluktuationen durch die in radialer Richtung verlaufende Änderung längs der Faserachse periodisch sind. 25 des Faserkern-Brechungsindex von einem Maximum

4. Faser nach Anspruch 3, dadurch gekenn- an der Fasermitte auf ein Minimum an der Kern/Manzeichnet, daß die Perioden der räumlichen Fluk- tel-Grenzfläche minimalisiert. Es wurde gefunden, tuationen für alle Schichten dieselben sind. daß das optimale Brechungsindexprofil etwa parabo-

5. Faser nach Anspruch 5, dadurch gekenn- tische Form besitzt. In der Praxis realisiert man ein zeichnet, daß die Brechungsindexminima jeder 30 derartiges Brechungsindexprofil durch eine Vielzahl Schicht etwa bei den Brechungsindexmaxima der dünner zylindrischer Schichten, deren Brechungsindihierzu benachbarten Schichten liegen. ces von innen nach außen so abnehmen, daß das glatte

Idealprofil durch eine Treppenkurve angenähert ist. Es leuchtet ein, daß mit zunehmender Anzahl solcher