DE2733873B2

DE2733873B2 - Optische Gradienten-Faser

Info

Publication number: DE2733873B2
Application number: DE2733873A
Authority: DE
Inventors: Stewart Edward Locust N.J. Miller (V.St.A.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-07-30
Filing date: 1977-07-27
Publication date: 1980-11-13
Also published as: US4053204A; DE2733873A1; DE2733873C3; JPS5317349A; JPS5649328B2; GB1580661A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Gradientenfaser der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Bei den optischen Fasern ist generell zwischen den sogenannten Gradientenfasern und den sogenannten Stufenfasern zu unterscheiden.

Erstere besitzen einen Gradienten im Brechungsindex des Faserkernes dergestalt, daß der Brechungsindex von der Faserkernmitte aus radial nach außen hin abnimmt, um dann in den Fasermantel überzugehen, während bei letzteren der Brechungsindex im gesamten Faserkern konstant ist und dann über eine Stufe in den niedrigeren Brechungsindex des Fasermantels übergeht. In beiden Fällen handelt es sich derzeit zumeist um Fasern für einen Multimodenbetrieb.

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

In der US-PS 39 09 110 (Marcuse) ist es für eine Multimoden-Stufenfaser bekannt, die Dispersion durch Einführen schwacher Fluktuationen im Brechungsindex des Faserkerns zu reduzieren, um mit diesen Fluktuationen die Kopplung unter den verschiedenen Moden in der Faser gezielt zu verstärken. Es handelt sich dabei um longitudionale, azimuthale und radiale Brechungsindexfluktuationen im Faserkern. Die longitudinalen Fluktuationen haben die Form schwacher Störungen des Brechungsindex einer Periodizität von etwa 1 mm bis maximal etwa 1 cm. Die Fluktuationen bleiben dabei auf einen inneren Kernbereich begrenzt, erfassen also nicht auch den Rand des Kerns, da sonst an den Stellen der Brechungsindexminima die Faser aus dem Kern in den Mantel abstrahlen und damit unerwünscht verlustbehaftet würde. Eine Faser mit derartig »hochfrequenten« Störungen ist jedoch sowohl schwierig als auch kostspielig herzustellen.
Bei Gradientenfasern wird die Modendispersion

durch die in Radialrichtung verlaufende Änderung des Brechungsindex des Faserkerns von einem Maximum an der Fasermitte auf ein Minimum an der Kern/Mantel-Grenzflächc minimalisiert.

Es ist gefunden worden, daß das optimale Brechungsindexprofil etwa parabolische Form besitzt In der Praxis realisiert rnan ein derartiges Brechungsindexprofil durch eine Vielzahl verschiedener dünner zylindrischer Schichten, deren Brechungsindices von innen nach außen so abnehmen, daß das glatte Idealprofil durch eine Treppenkurve angenähert wird. Es leuchtet ein, daß mit zunehmender Anzahl der Kernschichten das glatte, kontinuierliche Profil besser angenähert und die Dispersion eines übertragenen Lichtimpuises entsprechend kleiner wird. Bei solchen Fasern kann aber die von einer kontinuierlichen radialen Änderung erwartete theoretische Verbesserung ebenfalls nur näherungsweise erreicht werden, so daß eine immer noch unerwünscht erhöhte und überdies zur Faserlänge proportionale Impulsverbreiterung verbleibt.

Eine vielschichtige optische Gradientenfaser kann im Dampfreaktionsniederschlagsverfahren leicht hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird ein Vorformling mit Hilfe eines sich drehenden Quarzglasrohres hergestellt, das von einer Heizzone in Längsrichtung überstrichen wird. Das Reaktionsgasgemisch, 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 jeweils in der erhitzten Zone unter Bildung einer Glaspartikel-Suspension im Reaktionsgasgemisch, die sich stromabwärts der erhitzten Zone an der Rohrinnenwandung niederschlägt. Bei jedem Durchgang der Heizzone wird daher eine zylindrische Glasschicht auf die Rohrinnenwandung aufgeschmolzen. Durch Ändern der Zusammensetzung des Reaktionsgasgemisches für jeden Durchgang der Heizzone erhält man eine sich in radialer Richtung ändernde Struktur. Wenn schließend 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.

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 Brechungsindex im Kern reduziert und damit auch die Herstellung verbilligt werden kann.

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

Mit einer solcherart ausgebildeten optischen Faser ist die Impuls verbreiterung durch Modendispersion kleiner ι ο als die bei einer bekannten Faser mit der selben Anzahl Kernschichten und ist darflberhinaus proportional nur zur Quadratwurzel aus der Faserlängs und nicht mehr wie bisher proportional zur Faserlänge selber.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung is im einzelnen erläutert; es zeigt

F i g. 1 das optimale, ideal glatte Brechungsindexprofil einer Gradientenfaser und eine Stufenannäherung hieran,

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

F i g. 3 eine Schnittansicht der Faser nach F i g. 2 längs den Pfeilen 3-3 zur Darstellung des Dicken-Verlaufes einer jeden Schicht längs der Faserachse.

Wie erwähnt, gehorcht das optimale Brechungsi ndexprofil einer stetigen, angenähert parabolischen Funktion, die von einem Maximum an der Fasermitte radial nach außen auf ein Minimum an der Kern/Mante'· Grenzfläche abnimmt Das optimale Profil ist in F i g. 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 optimale Profil durch solche diskreten Schichten ist in F i g. 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 benutzen Schichten nimmt die Größe der hautpsächlich durch Modendispersion verursachten Verbreiterung eines längs der Faser übertragenen Lichtimpulses ab und nähert sich der Größe der Impulsverbreiterung stärker, wie diese in einer optischen Faser des optimalen, glatten Brechungsirdexprofils auftritt. Da es teuer ist, eine Faser mit so vielen Schichten herzustellen, wie diese für eine befriedigende Annäherung an das glatte Brechungsindexprofil erfor- so derlich sind, ist es wünschenswert, wenn man die Dispersion in einer optischen Gradientenfaser durch andere Mittel reduzieren könnte, so daß weniger Schichten und eine Verringerung der Faserherstellungskosten ermöglicht wird. Dieses wird vorliegend durch eine räumliche Modulation der Dicken der einzelnen Schichten erreicht.

F i g. 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 / zylindrische Schichten 202-1 bis 202-/auf, deren einzelne Brechungsindires m bis n, von einem Maximalwert /Ji auf einen Minimalwert rt, abnehmen. Wie erwähnt, fluktuiert und die Dicke jeder zylindrischen Schicht längs der Faser. F i g. 3 zeigt die Längsschnittansicht der Faser nach F i g. 2. Wie dargestellt, hai die Dicke jeder Schicht eine räumliche Periodizität die durch Blatte Änderungen zwischen einer größten und einer kleinsten Dicke von etwa gleich Null erzeugt wird. Bei der dargestellten Ausführungsfonn hat jede Schicht dieselbe räumliche Periodizität und die Schichten sind so zueinander angeordnet, daß die Dickenminima jeder Schicht längs der Faser je auf die Schichtdickenmaxima in den hierzu unmittelbar benachbarten Schiebten ausgerichtet sind. Die Periode L der Schichtdickenänderungen liegen im Bereich von 0,1 bis 400 m, bevorzugt 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 nichtperiodisch verlaufen und die Schitfudickenminima nicht auf die Schichtdickenmaxima der je benachbarten Schichten ausgerichtet sind. Eine Dispersionsverringerung wird solange erreicht, wie die Dicke jeder Schicht längs der Faser hin und wieder den Wert Null annäherungsweise erreicht

Die vorliegende 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 Stufen-Fasern •nit »höherfrequenten«, in der Größenordnung von 1 bis 10 mm liegenden Longitudinaländerungen — allerdings im Brechungsindex (s. Marcuse a. a. O) — führen zu einer adiabatischen Modenumsetzung und erfordern kein ungleichförmiges Brechungsindexprofil, um die erforderliche Modenumsetzung zu bewirken. Der Ausdruck »adiabatisch« ist hier in seiner thermodynamischen Bedeutung benutzt und bezieht sich also auf ein System ohne Energieaustausch mit der Umgebung, d. h. ohne irreversible Energieabgabe (Strahlungsverlust!) aus dem Kern in den Mantel, was die erwähnten minimalen Feldverzerrungen nach Marcuse a. a. O. in einer Stufenfaser erfordert Vorliegend führen jedoch die niedriger frequenten Longitudinaländerungen in der Schichtdicke, gekoppelt speziell mit dem ungleichförmigen Brechungsindexprofil einer Gradientenfaser zu einer wirksamen nichtadiabatischen Modenumsetzung. Die resultierende Modenumsetzung führt dazu, daß die Breite des übertragenen Impulses mit der Quadratwurzel aus der Faserlänge zunimmt und nicht mehr wie bisher, mit der Faserlänge selber, wie dieses ohne wirksame Modenumsetzung der Fall sein würde. Es wird also vorliegend, um beim thermodynamischen Bild zu bleiben, bei einer Gradientenfaser isotherm gearbeitet was niederfrequente, grobe Verzerrungen der Feldkonfiguration erfordert, wie diese aus den hier vorgesehenen niederfrequenten Dickenfluktuationen mit einer Gradientenfaser resultieren. Dabei ist es das eigentlich Überraschende, daß trotz des an sich nichtadiabatischen Charakters der Modenumsetzung bei der solcherart modifierten Gradientenfaser keine Energie nach außen abgestrahlt wird, also die Kopplung auf sogenannte strahlende Moden weitgehend unterbleibt

Obgleich jede Ungleichförmigkeit im Brechungsindexprofil, gekoppelt mit niederfrequenten longitudinalen Änderungen 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. Denn dann hat man die Vorteile der sogenannten Gradientenfaser mit denen einer lediglich die Moden mischenden Faser in einer einzigen Faser vereinigt.

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Dampfreaktionsniederschlagsverfahren hergestellt werden. Durch Ändern des Reaktionsgasdurchsatzes, während die Heizzone längs des Rohres bei der Vorformiing-Herstellung geführt wird, wird die Dicke jeder Schicht zwischen vorbestimmten Maximal- und Minimalwerten moduliert Die Ausrichtung der Schicht dickenminima auf die -maxima in den benachbarten Schichten wird durch räumliches Ausrichten des Beginnes eines jeden Heizzonendurchgangs in Abstimmung mit der Reaktionsgasdurchsatz-Änderung erreicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optische Gradienten-Faser mit einem von einem Mantel umgebenen Kern, der aus einer Vielzahl Schichten aufgebaut ist, deren Brechungsindices, von einem Maximalwert bei der Fasermitte ausgehend, radial nach außen abnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jeder der Schichten (201-1,202-2,... 202-i) in Faserlängsrichtung räumliche Fluktuationen mit langsamem Verlauf aufweist, wobei die Dicke jeder Schicht je zwischen einem Maximalwert und einem annähernd bei Null gelegenen Mindestwert schwankt und die Wellenlänge der Fluktuationen im Bereich von 0,1 bis 400 Meter gelegen ist

2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Fluktuationen im Bereich von 10 bis 100 Meter gelegen ist.

3. Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluktuationen längs der Faserachse periodisch sind.

4. Faser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluktuationsperioden für sämtliche Schichten dieselben sind.

5. Faser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen der Schichtdickenminima alternierender Schichten längs der Faser mit den Dickenmaxima benachbarter Schichten ausgerichtet sind.