DE2745715A1

DE2745715A1 - Optische wellenleiterfaser

Info

Publication number: DE2745715A1
Application number: DE19772745715
Authority: DE
Inventors: Ivan Paul Kaminow; Hermann Malvin Presby
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-10-12
Filing date: 1977-10-11
Publication date: 1978-04-13
Also published as: NL186038C; US4111525A; CA1090637A; BE859578A; JPS5348756A; JPS613403B2; DE2745715C2; FR2368051A1; IT1087821B; NL186038B; NL7711148A; GB1587675A; FR2368051B1

Description

Western Electric A 35 875-ko

Company, Incorporated

195 Broadway

New York, N.Y. 10007

U.S.A.

Optische Wellenleiterfaser

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische 7/ellenleiterfaser der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art. Eine derartige optische Wellenleiterfaser ist aus der US-P3 4 025 bekannt und dient zur Verwendung als Wellenleitermedium in optischen Nachrichtensystemen.

Es ist bekannt (Aufsatz von S.E. Miller "Light Propagation in Generalized Lens-Like Media", Zeitschrift "Bell System Technical Journal", Band 44, Seite 2017, 1965), daß die Schwingungsartstreuung (nachstehend als"modale Dispersion"bezeichnet) in einer optischen Paser mit mehreren LichtSchwingungsarten (nachstehend als "optische MuItimode-Faser*bezeichnet) durch radiale Abstufung des Brechungsindex* im Faserkern auf ein Minimum verringert werden kann. Zur Erzielung einer solchen minimalen modalen Dispersion wurde festgestellt, daß der Brechungsindex vorzugsweise nach folgender Gleichung abgestuft werden muß:

n(r) = n_c(1 + f(r))

wobei n(r) der Brechungsindex des Kerns in Abhängigkeit des

_f _ 809815/0892

radialen Abstands r von der Faserachse und η der Brechungsindex an der Grenzfläche zwischen Kern und Überzug ist.

Die Funktion f(r) kann folgende Form besitzen:

- (r/a)*_7, r < a

^f<^r> ^β ι O , rjta

wobei A die relative Brechungsindexdifferenz darstellt, für welche gilt:

ⁿc

wobei n(0) der Brechungsindexwert bei r = O und « ein Exponent ist, der für eine minimale modale Dispersion auf einem Wert liegt, der sich von 2 um einen Ausdruck in der Größenordnung von Δ unterscheidet. Dieser Wert für den Exponenten « ist in der US-PS 3 823 997 beschrieben.

Es wurde später festgestellt, daß die Dispersion des Brechungsindex* ebenfalls in Betracht gezogen werden sollte, um eine minimale modale Dispersion zu erreichen. Und zwar wurde festgelegt, daß die Form des Brechungsindexprofils noch nahezu parabolisch sein sollte, jedoch der Exponent oC von 2 um einen Betrag 2P abweichen sollte, welcher wesentlich größer als die relative Brechungsindexdifferenz Δ sein kann. Diese Festlegung wird in der US-PS 3 904 268 fortgeführt, wo für einen optimalen Exponenten cc folgender präziser Ausdruck angegeben ist:

« = 2-2P-A 809815/0892

— 'S —

wobei der als Profildispersion bezeichnete Parameter P ein Maß für die Änderung des optimalen Profils in Abhängigkeit von der Wellenlänge darstellt. Solange in der vorstehenden Gleichung der mit dem Paktor A versehene Ausdruck betragsmäßig klein ist (in der Größenordnung von 0,01), kann dieser Ausdruck vernachlässigt werden, da er derzeit experimentell nur schwierig berücksichtigt werden kann. Der optimale Exponent et für eine minimale modale Dispersion besitzt daher einen Wert von etwa gleich (2-2P), wobei die Profildispersion P durch folgende Gleichung bestimmt wird:

wobei A · die Ableitung von Δ nach λ ist. Ferner weicht der Gruppenindex N vom Brechungsindex η um weniger als 1 > ab. Unter der Annahme, daß N gleich η ist, kann die Profildispersion P durch folgende Gleichung ausgedrückt v/erden:

P =

n_c

Ursprünglich wurde vorgeschlagen, zur Erzielung des gewünschten Brechungsindexprofils dem Paserkern einen,geeigneten, indexändernden Dotierstoff zuzufügen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch diese Maßnahme die modale Dispersion nur für eine einzige Frequenz auf ein Minimum verringert werden kann. In der US-PS 4 025 156 wird später die Lehre gegeben, daß die modale Dispersion durch Zusatz eines zweiten indexändernden Dotierstoffe über einen Frequenzbereich optimiert werden kann. Bei dem in der US-PS 4 025 156 beschriebenen Ausführung3bei-

809815/0892 ~⁶~

spiel ist ein indexsteigernder Dotierstoff, wie beispielsweise Germaniumdioxid, und ein indexsenkender Dotierstoff, wie beispielsweise Boroxid, vorgesehen. Die molare Konzentration des indexsteigernden Dotierstoffes besitzt ein Maximum in der Nähe der Kernachoe und sinkt auf ein Minimum an der Grenzfläche zwischen Kern und überzug. Dagegen ist die molare Konzentration des indexsenkenden Dotierstoffe3 an der Kernachse minimal und steigt auf einen maximalen Wert an der Grenzfläche zwischen Kern und überzug.

Bei richtiger Abstufung läßt sich mit Germaniumdioxid und Boroxid eine Paser herstellen, deren optimaler oc-Verlauf in Abhängigkeit von der Wellenlänge eine Steigung von praktisch Null über einen breiten Wellenlängenbereich aufweist. Hierdurch kann eine Paser dieses Typs installiert werden zur Verwendung auf einer Wellenlänge und zur späteren Verwendung auf einer völlig anderen Wellenlänge, ohne daß dadurch infolge modaler Dispersion irgendwelche Verluste verursacht werden. Die Schwierigkeit bei der letztgenannten Wellenleiterfaser besteht jedoch darin, daß Boroxid eine nicht voraussagbare Wirkung auf den Brechungsindex des aus Gla3 bestehenden Kern-Grundmaterials selbst dann besitzt, wenn es in geringen Konzentrationen verwendet wird. Dies führt dazu, daß das Brechungsindexprofil von bordotierten Pasern nicht voraussagbar ist und erhebliche Abweichungen in Abhängigkeit von der früheren thermischen Behandlung des Glaskerns aufweisen kann. Boroxid stellt daher für breitbandige optische Pasern keinen guten

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Dotierstoff dar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, eine optische Wellenleiterfaser der eingangs erwähnten Art zu schaffen, deren Brechungsindexprofil in einem breitbandigen Wellenlängenbereich zuverlässig voraussagbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der optischen Wellenleiterfaser nach Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.

Bei der erfindungsgemäßen Wellenleiterfaser werden zwei indexsteigernde Dotierstoffe verwendet. Einer dieser Dotierstoffe ist Germaniumdioxid. Nach der erfindungsgemäßen Lehre besitzt die molare Konzentration dieses Dotierstoffes im Bereich der Kernacb.se ein Minimum und steigt auf einen maximalen Wert an der Grenzfläche zwischen Kern und überzug an. Der zweite Dotierstoff iet Phosphorpentoxid (P₂Oc), welcher ebenfalls indexsteigernd ist und derart im Kern verteilt ist, daß seine molare Konzentration im Bereich der Kernachse ein Maximum besitzt und auf ein Minimum an der Grenzfläche zwischen Kern und Überzug absinkt.

Da der Brechungsindex eines mit Phosphorpentoxid dotierten Glaskerns praktisch unabhängig von der früheren thermischen Behandlung des Kernmaterials ist, sind die optischen Eigenschaften einer nach der erfindungsgemäßen Lehre hergestellten Faser sowohl voraussagbar als auch reproduzierbar.

-8-

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Bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Paser wird eine minimale modale Dispersion über einen um 0,8/um zentrierten Betriebsv/ellenlängenbereich erzielt, wenn da3 Verhältnis zwischen der maximalen PpOc-Konzentration und der maximalen GeC^-Konzentration etwa gleich 11,6 ist. Für Pasern mit unterschiedlichen Betriebsbereichen müssen die relativen Konzentrationen der beiden Dotierstoffe geändert werden.

Die Erfindung v/ird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Pig. 1 eine perspektivische Darstellung des Abschnitts einer erfindungsgemäß hergestellten, optischen Multimode-Faser;

Fig. 2 eine graphische Darstellung für den Verlauf der molaren Konzentration in Abhängigkeit vom Radius, und zwar für Siliciumdioxid als Kern-Grundmaterial und die beiden, aus Phosphorpentoxid und Germaniumdioxid bestehenden Dotierstoffe, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung für den Verlauf des Exponenten « in Abhängigkeit von der Wellenlänge für eine erfindungsgemäß hergestellte optische Faser sowie für Pasern mit nur einem einzigen Dotierstoff.

Wie vorstehend bereits erläutert wurde, ist der optimale Exponent ec für eine minimale modale Dispersion in erster Näherung lediglich eine Punktion der Profildispersion P. Wie vorstehend weiter dargelegt ist, stellt die Profildispersion P eine Funk-

809815/0892 ' -9-

tion (a) der Wellenlänge, (b) der Differenz zwischen dem Brechungsindex des Kernmaterials im Bereich der Paserachse und dem Brechungsindex des Uberzugniaterials, (c) der Ableitung dieser Brechungsindexdifferenz nach der Wellenlänge, und (d) des Brechungsindex* (nj des Überzugs und seiner Ableitung nach der Wellenlänge dar. Eine minimale modale Dispersion über einen breiten Wellenbereich wird durch Optimierung des Exponenten oc auf der mittleren Betriebswellenlänge und durch Justierung der Änderungsgeschwindigkeit von <x bezüglich der Wellenlänge X (doc/dX) bis auf Null im Bereich dieser mittleren Betriebswellenlänge erzielt. Pur eine Näherung in erster Ordnung kann die Ableitung dλ/dλ dadurch zu 0 gemacht werden, daß die Bedingungen geschaffen werden, aufgrund welcher die Änderungsgeschwindigkeit der Profildispersion P bezüglich der Wellen länge gleich Null ist. Kurz gesagt wird eine minimale modale Dispersion über einen breiten Wellenlängenbereich dadurch er zielt , daß die folgenden Gleichungen erfüllt werden:

U₁) = -2P· (X₁)

Ρ·(λ.) = (An)' + \i Δη

D(X) _β »c ₊ η

ti	C	r Λ	2
*% -*
η

(O

j Un)" - [(An)¹I !-»(λ) (2) L Δη |_ _Δ η J J

(3)

wobei in den vorstehenden Gleichungen (i)bis (3) jedes Strichsymbol eine Ableitung des mit dem Strichsymbol versehenen

-10-

809815/0892

Parameters nach der 7/ellenlänge bezeichnet.

Wenn die der optischen Paser hinzuzufügenden Dotierstoffe dahingehend linear sind, daß die von ihnen ausgelöste Brechungsindexänderung proportional der Konzentrationsänderung ist und wenn ferner die von den nicht-linearen Ausdrücken aufgrund der Wechselwirkung der beiden Dotierstoffe hervorgerufene Wirkung gering ist, kann die Änderung Δη zwischen dem Brechungsindex im Bereich der Faserkernachse und dem Brechungsindex an der Grenzfläche zwischen Kern und Überzug durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

An(X₁) = U₀AU₁) = Sg₂ P 21^) ⁺ ^^g3 Γ·₅₁ (X₁), (4)

wobei ig« und Sg, die in Molprozent ausgedrückten Konzentrationsänderungen zwischen der Kernachse und der Kern-Uberzug -Grenzschicht für die beiden Dotierstoffe sind und Tp₁ sowie T^₁ gemessene Parameter für die Dotierstoffe bezüglich des Kern-Grundmaterials sind. Die beiden Parameter Γ und Γ,, erhält man durch Messung der Brechungsindexänderung bezüglich der Konzentration und der Wellenlänge für jeden der beiden Dotierstoffe, welche getrennt einer auf Siliciumdioxid basierenden Faser hinzugefügt werden (vgl. Aufsatz von H.M. Presby und I.P. Kaminow "Refractive Index and Profile Dispersion Measurements in Binary Silica Optical Fibers", Zeitschrift "Applied Optics", Februar, 1977). In den nachstehenden Tabellen sind typische Meßwerte für diese Parameter bei einer Wellenlänge von 0,8/um und für ihre ersten und zweiten Ableitungen bezüglich der Wellenlänge getrennt für Germaniumdioxid und Phosphorpentoxid in

809815/0892 "¹¹~

Siliciumdioxid aufgeführt:

OeO	₂/sio₂	P	₂O₅/SiO	2
r₂₁	= 0,124	Γ	31 ⁼ °»	097
P · ^Γ21	= -0,0069/um"	r	31 ⁼ °»	0029/um
P " ¹ 21	*= 0,056/um""**	Γ	31 ⁼ °»	0032/um

-1

-2

Wenn die Faser als Wellenleiterfaser verwendet v/erden soll, muß Δ η größer als Null sein. Die Forderung, daß die Ableitung von * bezüglich der Wellenlänge gleich Null sein soll, führt zu folgender Gleichung:

( Δη)

(Δη)

- (An^D=O (5)

Wenn T das Verhältnis zwischen den Konzentrationsänderungen der Dotierstoffe darstellt, d.h., )* = «fg^/Zg^ kann die Gleichung (5) zur Erzielung des gewünschten breitbandigen Zu- standes in Form der folgenden quadratischen Gleichung für ^* ausgedrückt werden:

= ο

(6)

wobei die Koeffizienten durch folgende Gleichungen ausgedrückt werden können:

^Γ21 -

(γ₅₁γ

₅₁γ_{21 +}

(8) -12-

21 31

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C₂ =

wobei die Werte sämtlicher Parameter bei der mittleren Betriebswellenlänge A- s X₁ gemessen werden.

Unter Verwendung der Parameter für Γ Γ und ihrer in der vorstehenden Tabelle angegebenen Ableitungen erhält man als computer-gerechnete Lösung der quadratischen Gleichungen zwei Werte für T, nämlich -1,24 und -11,6. Nach Gleichung (4) erhält man aus diesen Werten folgende Werte für die Brechungs~⁵

indexdifferenz: Δ n(0,8) = (2,74x1O~⁵)<fg₂ und -(1,00Ug₂ mit Werten für «von 8,07 bzw. 1,92, wobei «ig₂ die maximale Konzentration in Molprozent von Germaniumdioxid in der erfindungsgemäß aus drei Verbindungen bestehenden optischen Faser darstellt. Die erste Lösung der quadratischen Gleichung, nämlichJ*'= -1,24» führt zu einem viel kleinerem ^n, als für eine numerische Apertur geeignet ist. Diese erste Lösung der quadratischen Gleichung führt ferner zu einem sehr großen Exponenten ec. Die zweite Lösung der quadratischen Gleichung, nämlich 7"= -11,6, stellt ein physikalisch wesentlich besseres Ergebnis im Sinne eines vernünftigen Δη und eines Exponenten oc von annähernd gleich dar. Zieht man den Umstand in Erwägung, daß Germaniumdioxid einen geeigneten linearen Brechungsindexanstieg für Konzentrationen bis zu etwa 20 Molprozent erzeugt und daß Phosphorpentoxid einen linearen Brechungsindexanstieg bis zu etwa 15 Molprozent erzeugt, können physikalisch zufriedenstellende Ergebnisse dadurch erzielt werden, daß i g₂ = -0,010 gesetzt

809815/0892 . ~¹3-

wird. Dies entspricht natürlich einer negativen Konzentrationsabstufung dahingehend, daß die maximale Gerra.iniumdioxid-Konzentration an der Grenzfläche zwischen Kern und Überzug auftritt. Mit/= -11,6 und Sg₂ = -0,01 besitzt die Änderung der Phosphorpent oxid-Konzent rat ion ig, einen Wert von etwa +0,12. Dieser Wert von 12 Prozent Phosphorpentoxid bei einer maximalen Konzentration an der Achse des Faserkerns liegt ausgezeichnet innerhalb des Linearitätsbereich3 für diesen speziellen Dotiereine Faser stoff. Des weiteren läßt sich/mit einer PpOc-Xonzentration von 12 i» in der Praxis ohne weiteres realisieren.

Die vorstehend erwähnten, für die verschiedenen differenziellen Dotierstoffkonzentrationen erhaltenen Werte können bei einer optischen Paser 9 angewandt werden, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist ein Kern 10 von einem Überzug 11 umgeben, welcher einen geringeren Brechungsindex besitzt als das Material des Kerns 10. Die dem Kern 10 der optischen Faser 9 zugefügten Dotierstoffe sind entsprechend der in Fig. 2 dargestellten Kurven abgestuft. Ein Radius £ gleich Null entspricht der geometrischen Mitte 12 des optischen Faserkerns. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, besteht eine geeignete Zusammenstellung von Konzentrationswerten an der Faserachse aus 88 Molprozent, 0 Molprozent und 12 Molprozent für Siliciumdioxid, Germaniumdioxid bzw. Phosphorpentoxid. An der Grenzfläche 13 zwischen Kern 10 und Überzug 11, d.h., bei r = a, liegen die molaren Konzentrationen für Siliciumdioxid, Germanium· dioxid und Phosphorpentoxid bei 99 Molprozent, 1 Molprozent bzw.

809815/0892 "^U"

-H-

O Molprozent. Alle drei Konzentrationsprofile ändern sich ent sprechend der Profilfunktion

Wie au3 Pig. 2 hervorgeht, besitzt der molare Konzentration3-wert für Ge(^ an der Grenzfläche 13 zwischen Kern 10 und Überzug 11 ein Maximum, wobei sich dieser Wert über eine bestimmte Strecke in dem Überzugmaterial fortsetzen sollte.

Es ist günstig, die Brechungsindexdifferenz Δη noch weiter zu erhöhen und damit die numerische Apertur zu vergrößern. Durch Erhöhung von ά g₂ und 6 g, wird noch eine minimale modale Dispersion über einen breiten Wellenlängenbereich erzielt, sofern das vorstehend mit T bezeichnete Verhältnis dieser Konzentrationen auf einem Wert von etwa -11,6 gehalten wird.

Der durch die vorliegende Erfindung erzielte technische Portschritt ist anhand der gerechneten Kurven gemäß Fig. 3 veranschaulicht, wobei der durch die Dotierstoffe für verschiedene Wellenlängen erzielte Exponent « sowohl für eine erfindungsgemäße Paser als auch für Pasern nach dem Stand der Technik mit nur einem einzigen Dotierstoff dargestellt ist. In Pig. 3 zeigt die Kurve 30 den Verlauf des Exponenten <x , wie er durch Verwendung der in Pig. 2 dargestellten Dotierstoffkonzentrationen für beide, gemeinsam angewandtenDotierstoffe Pp^s und GeOp erzielt wird. Wie aus dem Verlauf der Kurve 30 hervorgeht, ist der Exponent oCüber einen breiten Wellenlängenbereich von 0,5

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bis 1,1 /um verhältnismäßig konstant. Die Flachheit dieser Kurve ist der Flachheit der Kurvei31 und 32 gemäß Fig. 3 weit überlegen, welche die cc-Werte von Fasern zeigen, bei welchen nur Po^S ^0<ier GeC^ als einziger Dotierstoff vorgesehen iat. Trotz der Tatsa'che, daß beide Dotierstoffe bei alleiniger Anwendung für eine Faser eine gegen die Wellenlänge aufgetragene «<-Kurve mit negativer Steigung hervorrufen, führen diese Dotierstoffe bei gemeinsamer Anwendung nach der Lehre der Erfindung zu einer gegen die Wellenlänge aufgetragenen «-Kurve, die über einen breiten V/ellenlängenbereich verhältnismäßig konstant ist. Diese vorteilhafte Wirkung wird erzielt durch die gegenläufige Abstufung des Grermaniumdioxids mit einer maximalen Konzentration des indexsteigernden Dotierstoffs an der Grenzfläche 13 zwischen Kern 70 und Überzug 11. In vorteilhafter Weise beträgt die zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses erforderliche Menge dieses Dotierstoffes nur etwa 1/12 der PpO,--Konzentration an der Faserachse 12, so daß zur Erzielung einer minimalen modalen Dispersion über einen oreiteren Wellenlängenbereich die numerische Apertur praktisch kaum abgestuft wird.

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Leerseite

Claims

Western Electric A 35 87^r>-ko

Company, Incorporated

Broadway

New York, N.Y. 10C07

U.S.A.

Patentansprüche

\1/ Optische Wellenleiterfaser, welche einen von einem Überzur umgebenen Kern aus Siliciumdioxid rait radial abgestuftem Brechungsindex aufweist, wobei zur Erzeugung des radial abgestuften Brechungsindex* innerhalb des Kerns (a) ein erster, indexsteigernder Dotierstoff vorgesehen ist, dessen Konzentration von einem Maximum im Bereich der Kernmitte auf ein Minimum an der Grenzfläche zwischen Kern und Überzug abnimmt, und (b) ein zweiter, indexändernder Dotierstoff vorgesehen ist, dessen Konzentration von einem Miniraum in der Kernmitte auf ein Maximum an der Grenzfläche zwischen Kern und Überzug ansteigt, dadurch gekennzeichnet , daß als erster Dotierstoff Phosphorpentoxid (PpOc) und als zweiter Dotierstoff ein indexsteigernder Dotierstoff vorgesehen ist.

2. Optische Wellenleiterfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als zweiter Dotierstoff Germaniumdioxid (GeO₂) vorgesehen ist.

3. Optische Wellenleiterfaser nach Anspruch 2, dadurch

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ORIGINAL INSPECTED

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gekennzeichnet , daß das Verhältnis zwischen der molaren Konzentrationsänderung von Phosphorpentoxid und der molaren Konzentrationsänderung von Germaniumdioxid ungefähr gleich 12 ist.

4. Optische Wellenleiterfaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Konzentrationsprofile de3 ersten und des zweiten Dotierstoffes im wesentlichen nach der Gleichung

1 - (r/a)¹'9²
bemessen sind.

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