DE2733873A1

DE2733873A1 - Optische faser mit brechungsindexgradient

Info

Publication number: DE2733873A1
Application number: DE19772733873
Authority: DE
Inventors: Stewart Edward Miller
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-07-30
Filing date: 1977-07-27
Publication date: 1978-02-02
Also published as: DE2733873B2; DE2733873C3; GB1580661A; JPS5317349A; JPS5649328B2; US4053204A

Description

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

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2733873

Patentconsult Radedcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Palenlconsull Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telelon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Faser mit einem Gradienten im Brechungsindex, mit einem von einem äußeren Mantel umgebenen inneren Kernbereich, der aus einer Vielzahl Schichten aufgebaut ist, deren Brechungsindices in radialer Richtung abnehmen.

Zur Informationsübertragung in Form von Lichtimpulsen längs einer optischen Faser-Übertragungsleitung müssen die übertragenen Impulse am Empfangsende der übertragungsleitung einzeln auflösbar sein. Bei einer Multimodenfaser kann aber ein Lichtstrahl verschiedenen Wegen während seines Durchganges durch die optische Faser folgen. Beispielsweise wird ein den Moden niedrigerer Ordnung zugeordneter Lichtstrahl dazu neigen, sich längs der Fasermitte fortzupflanzen, während ein einem Mode höherer Ordnung zugeordneter Lichtstrahl während seines Durchganges durch die Faser viele Male an den Faserwänden reflektiert werden wird. Da die von diesen verschiedenen Lichtstrahlen

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

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durchlaufenen Wege recht unterschiedlich lang sind, hat jeder Übertragungsmode eine unterschiedliche Laufzeit zugeordnet. Im Ergebnis tritt in einer Multimodenfaser eine generelle Impulsverbreiterung mit einem begleitenden Impulsauflösungsverlust auf.

In der US-PS 3 909 110 (D. Marcuse) ist ein Verfahren zum Reduzieren der Dispersion in einem Multimoden-Faserwellenleiter mit abgestuftem Brechungsindex beschrieben. Hiernach wird die Dispersion durch Einführen schwacher Fluktuationen im Brechungsindex des Faserkerns reduziert, wobei diese Fluktuationen die Kopplung unter den verschiedenen Moden in der Faser gezielt verstärken sollen. Für die axiale, azimuthale und radiale Abhängigkeit der Kernfluktuationen gelten vorgeschriebene Bedingungen. Die axialen Fluktuationen haben die Form schwacher Störungen im Brechungsindex einer Periodizität von annähernd 1 mm. Eine Faser mit derartig kleinen Störungen ist sowohl schwierig als auch kostspielig herzustellen.

Hodendispersion kann auch durch in Radialrichtung erfolgendes Ändern des Brechungsindexes des Faserkernes von einem Maximum an der Fasermittel auf ein Minimum an der Kern/Mantel-Grenzfläche minimalisiert werden.

Es ist gefunden worden, daß ein optimales Brechungsindexprofil

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etwa parabolische Form besitzt. Ein derartiges Brechungsindexprofil kann durch eine Vielzahl verschiedener dünner zylindrischer Schichten je gleichförmigen Brechungsindexes angenähert werden. Die Brechungsindices dieser Kernschichten nehmen in Radialrichtung von einem Maximum an der Kernmitte so ab, daß das optimale glatte Profil angenähert wird. Es leuchtet ein, daß mit zunehmender Anzahl der Kernschichten das glatte, kontinuierliche Profil besser angenähert wird und die Dispersion eines übertragenen Lichtimpulses abnimmt. Bei solchen Fasern kann aber nur die von einer kontinuierlichen radialen Änderung erwartete theoretische Verbesserung erreicht werden und man erhält eine hiergegen erhöhte Impulsverbreiterung, die proportional zur Faserlänge ist.

Eine vielschichtige optische Faser mit einem Gradienten im Brechungsindex der in Rede stehenden Art kann im Dampfreaktionsniederschlagsverfahren leicht hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird ein Vorformling durch kontinuierliches Rotierenlassen eines Quarzglasrohres hergestellt, das von einer Heizzone überquert wird. Das Dampf-Ausgangsmaterial, z. B. die Chloride oder Hydride von Silicium zusammen mit denen von Germanium, Aluminium, Bor, Phosphor etc., sowie Sauerstoff, strömen durch das Rohr und reagieren in der heißen Zone zur Erzeugung eines glasigen "Rußes" innerhalb des Dampfes, der sich an der Rohrinnenwandung niederschlägt. Bei jedem Durch-

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gang der heißen Zone wird daher eine zylindrische Glasschicht auf die Rohrinnenwandung aufgeschmolzen. Durch Ändern der Zusammensetzung der Dampfquelle für jeden Durchgang der heissen Zone erhält man eine sich in radialer Richtung ändernde Struktur. Wenn das Rohr kollabiert und eine Faser hiervon gezogen wird, hat die resultierende Faser die selbe radiale Brechungsindexverteilung wie der Vorformling. Jedoch sind wie erwähnt, viele Schichten zur Annäherung an den Impulsgang einer optischen Faser mit sich stetig änderndem Brechungsindex notwendig. Da jede Schicht getrennt auf das Rohr aufgeschmolzen wird, ist die Zeit für die Herstellung eines Vorformlings, der zu einer befriedigenden optischen Faser gezogen werden kann, recht lang, die Herstellung wird daher entsprechend teuer.

Erfindungsgemäß wird die erwähnte Schwierigkeit bei der Herstellung vielschichtiger optischer Fasern im Prinzip vermieden durch Reduzieren der Anzahl der Kernschichten und durch Einführen räumlicher Änderungen in der Dicke der einzelnen Schichten in der zur Faserachse parallelen Richtung. Die Dikkenänderungen der Schichten treten mit einer räumlichen Wellenlänge von 0,1 bis 400 m auf.

Mit einer solcherart ausgebildeten optischen Faser ist die Impulsdispersion kleiner als die bei einer bekannten Faser mit

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der selben Anzahl Kernschichten und ist darüberhinaus proportional nur zur Quadratwurzel aus der Faserlänge und nicht mehr wie bisher proportional zur Faserlänge selber.

Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeichnet und nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 das optimale glatte Brechungsindexprofil und eine Stufenannäherung hieran,

Fig. 2 eine Schrägansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Faser, deren gleichfalls dargestellter Querschnitt an eine Stelle der Faser gelegt ist, an der alle Schichten gleich dick sind, und

Fig. 3 eine Schnittansicht der Faser nach Fig. 2 längs den Pfeilen 3-3 zur Darstellung des Dicken-Verlaufes einer jeden radialen Schicht in longitudinaler Richtung längs der Faserachse.

Wie erwähnt gehorcht das optimale Brechungsindexprofil einer stetigen, angenähert parabolischen Funktion, die von einem Maximum an der Fasermitte auf ein Minimum an der Kern/Mantel-Grenzfläche abnimmt. Das optimale Profil ist in Fig. 1 dargestellt. Das Profil kann durch eine endliche Anzahl diskreter Schichten angenähert werden, deren Brechungsindices den Werten des optimalen Profils entsprechen. Die Annäherung an das opti-

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male Profil durch solche diskreten Schichten ist gleichfalls in Fig. 1 für den beispielhaften Fall von fünf zylindrischen Schichten dargestellt. Es sei jedoch bemerkt, daß für eine dichte Annäherung an das optimale Profil viel mehr Schichten erforderlich sein würden.

Mit zunehmender Anzahl der bei der Annäherung an das glatte Profil benutzten Schichten nimmt die Größe der Dispersion eines längs der Faser.übertragenen Lichtimpulses ab und nähert sich der Größe der Dispersion eines Lichtimpulses dichter, der auf einer optischen Faser des optimalen glatten Brechungsindexprofils übertragen wird. Da es teuer ist, eine Faser mit den vielen Schichten herzustellen, die für eine befriedigende Annäherung an das glatte Brechungsindexprofil erforderlich sind, würde es wünschenswert sein, wenn man die Dispersion in einer optischen Faser mit einem Gradienten im Brechungsindex durch andere Mittel reduzieren könnte, die die Verwendung von weniger Schichten und so eine Verringerung der Faserherstellungskosten gestatten. Dieses wird entsprechend der vorliegenden Erfindung durch eine räumliche Modulation der Schichtdicken erreicht .

Fig. 2 zeigt eine solcherart ausgebildete optische Faser. Die dort dargestellte Stirnansicht ist dabei an eine Stelle der Faser in Längsrichtung gelegt, an der alle Schichten gleich dick sind. Der Kernbereich 201 weist i zylindrische Schich-

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ten 202-1 bis 202-i auf, deren einzelne Brechungsindices n^ bis n^ von einem Maximalwert n^ auf einen Minimalwert n^ abnehmen. Erfindungsgemäß flutuiert die Dicke jeder zylindrischen Schicht in der zur Faserlängsachse parallelen Richtung. Fig. 3 zeigt die Längsschnittansicht der Faser nach Fig. 2. Wie dargestellt, hat die Dicke jeder Schicht eine räumliche Periodizität, die durch glatte Änderungen zwischen einer größten und einer kleinsten Dicke erzeugt wird. Die kleinste Dicke ist etwa gleich Null. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform hat jede Schicht die selbe räumliche Periodizität und die Schichten sind räumlich so angeordnet, daß die Stellen der Dickenminima alternierender Schichten in longitudinaler Richtung mit den Stellen der Schichtdickenmaxima in den unmittelbar benachbarten Schichten räumlich ausgerichtet sind. Die Periode L der Schichtdickenänderungen liegen im Bereich von 0,1 bis 400 m, bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 100 m.

Obgleich die Dickenänderungen jeder Schicht bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3 als gleichförmig periodisch dargestellt sind, kann eine Dispersionsverringerung auch dann erreicht werden, wenn die Dickenänderungen aperiodisch verlaufen und die Schichtdickenminima mit den Schichtdickenmaxima benachbarter Schichten nicht räumlich ausgerichtet sind. Eine Dispersionsverringerung wird solange erreicht, wie die Dicke jeder Schicht längs der Faser hin und wieder den Wert Null näherungsweise erreicht.

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Die erfindungsgemäße optische Faserstruktur führt zu einer Gesamtverzerrung der Feldkonfiguration innerhalb der Faser, die sich von bekannten Faserstrukturen, die nur zu minimalen Störungen der Feldkonfiguration führen, deutlich unterscheidet. Die bekannten Faser mit "höherfrequenten" Longitudinaländerungen (in der Größenordnung von 1 bis 10 mm) besitzen, führen zu einer adiabatischen Modenumsetzung und erfordern keine Querschnittsungleichförmigkeit im Brechungsindex, um die erforderliche Modenumsetzung zu bewirken. Bei der vorliegenden Erfindung führen jedoch die niedriger frequenten Longitudinaländerungen in der Schichtdicke, gekoppelt mit einem ungleichförmigen Querschnittsbrechungsindex, zu einer wirksamen nichtadiabatischen Hodenumsetzung. Die resultierende Modenumsetzung führt zu einer übertragenen Impulsbreite, die mit der Quadrat-wurzel aus der Faserlänge und nicht mehr wie bisher mit der Faserlänge selber zunimmt, wie dieses der Fall ohne wirksame Modenumsetzung sein würde.

Obgleich jede üngleichförmigkeit im Querschnittsbrechungsindex, gekoppelt mit niederfrequenten Longitudinaländerungen in der Schichtdicke, zum Erhalt dieser nichtadiabatischen Modenumsetzung ausreichend ist, ergeben sich besondere Vorteile, wenn der Querschnittsbrechungsindex von einem Maximum an der Fasermitte auf ein Minimum am Faserumfang abnimmt. Unter diesen Umständen erhält man den Vorteil eine Faser mit einem radialen Gradienten

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im Brechungsindex und eine Modenmischfaser in einer einzigen Faserkonfiguration vereinigt zu haben.

Die erfindungsgemäße Faser kann nach einem modifizierten Dampfreaktionsniederschlagsverfahren hergestellt werden. Durch Ändern des gesamten Silüumgasvolumens, während die heiße Zone längs des Rohres bei der Vorformling-Herstellung geführt wird, wird die Dicke Jeder Schicht zwischen vorbestimmten Maximal- und Minimalwerten moduliert. Die Ausrichtung der Schichtdickenminima mit den -maxima in den benachbarten Schichten wird durch räumliches Ausrichten des Beginnes eines jeden Heizzonendurchgangs in Abstimmung mit dem GasStrömungsdurchsatz erreicht.

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Claims

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

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 27338 73

Patentconsult RadeckestraBe 43 8000 München 60 Telefon (089) 88 36 03/88 36 04 Telex 05-212 S13 Telegramme Paienlconsuli fratentconsutt Sonnenberger StraBe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562945/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patenlconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA Miller 72

Optische Faser mit Brechungsindexgradient

Patentansprüche

1./Optische Paser mit Brechungsindexgradient, mit einem von einem Mantel (203) umgebenen Kern (201), der aus einer Vielzahl Schichten aufgebaut ist, deren Brechungsindices, von einem Maximalwert bei der Fasermitte ausgehend, radial nach außen auf ein Minimum an der Kern/Mantel-Grenzfläche abnehmen, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke jeder der Schichten (202-1, 202-2, ... 202-i) in zur Faserlängsachse paralleler Richtung fluktuiert und in Intervallen einen Mindestwert annimmt, der annähernd bei Null gelegen ist.

2. Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H.P. Brehm Dipl.-Chem. Or. ph,I. nat. Wiesbeden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W-Ing.

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zeichnet, daß die räumliche Wellenlänge der Fluktuationen im Bereich von 0,1 m bis 400 m gelegen ist.

3· Optische Faser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Wellenlänge der Fluktuationen im Bereich von 10 η bis 10Om gelegen ist.

A. Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _f daß die Fluktuationen längs der Faserachse periodisch sind.

5. Optische Faser nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluktuationsperioden für sämtliche Schichten die selben sind.

6. Optische Faser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die räumlichen Longitudinalpositionen der Schichtdickenminima alternierender Schichten mit den Dickenmaxima benachbarter Schichten longitudinal ausgerichtet sind.

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