DE2901092A1

DE2901092A1 - Optische wellenleiter

Info

Publication number: DE2901092A1
Application number: DE19792901092
Authority: DE
Inventors: Ivan Paul Kaminow; William Pleibel; Vellayan Ramaswamy; Rogers Hall Stolen
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1978-01-13
Filing date: 1979-01-12
Publication date: 1979-07-19
Also published as: JPS54130044A; FR2417120A1; NL193330B; NL193330C; JPH0343602B2; GB2012983B; GB2012983A; NL7900179A; FR2417120B1; DE2901092C2

Description

Beschreibung

Die Erfindiang befaßt sich mit optischen Wellenleitern für den Wellentransport mit lediglich einer Polarisationsrichtung. ——-

Optische Wellenleiter, die Energie mit lediglich einer Polarisationsrichtung zu übertragen vermögen, sind zur Verwendung mit integrierten optischen Vorrichtungen erwünscht. Es ist jedoch bekannt, daß geometrische oder dielektrische Unvollkommenheiten in herkömmlichen Gradientenfasern (Fasern mit einem Gradienten im Brechungsindex) Licht nach nur wenigen Zentimetern der Übertragung depolarisieren. Während eine geringe Verbesserung des Polarisationsverhaltens dieser Fasern dadurch erreicht worden ist, daß man die Faserkernsymmetrie stört, um die unterschiedlich polarisierten Wellen zu entkoppeln, zeigt eine Analyse, die auf einem Artikel von E. A. J. Marcatili mit dem Titel "Dielectric Rectangular Waveguide and Directional Coupler For Integrated Optics", September 1969, Bell System Technical Journal, Seiten 2071 bis 2102 basiert, daß eine einfache Änderung

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der Kerngeometrie keine spürbare Änderung der Differenz der Ausbreitungskonstanten der beiden orthogonal-polarisierten Grundmoden mit sich bringt.

Eine andere Lösung dieses Problems ist in der US-PS 3 659 916 offenbart, die einen Grundmoden-Streifenwellenleiter beschreibt, bei dem verlustbehaftetes Material längs einer Oberfläche des leitenden Streifens angeordnet ist, um eine der beiden rechtwinklig polarisierten Moden zu unterdrücken. Andererseits kann anstatt eines verlustbehafteten Materials ein Material mit höherem Brechungsindex dafür verwendet werden, die Neigung des Wellenleiters zum Leiten einer dieser Moden zu zerstören. Während diese Methoden dazu dienen, eine der beiden Moden durch Strahlungsabsorption zu unterdrücken, schließen sie eine Kopplung zwischen den Moden nicht aus. Folglich besteht ein konstanter Energieabfluß von der bevorzugten Polarisation zur ungewünschten Polarisation, was Verluste bedeutet. Somit neigen Einzelpolarisationswellenleiter der beschriebenen Art zu übermäßigen Verlusten.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Einzelpolarisationswellenleiter vorgesehen, der wenigstens teilweise von einer Außenhülle umgeben und dadurch

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gekennzeichnet ist, daß die Spannungsdoppelbrechung des Wellenleiters größer als 5 x 1O~⁵ ist und daß die Hülle eine ungleichmäßige Dicke aufweist.

Nach einem anderen Aspekt macht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines der Erzeugung einer optischen Faser dienenden Vorformlings verfügbar, der einen inneren Kernbereich aufweist, der von einer Ummantelung und einer die Ummantelung wenigstens teilweise umgebenden Hülle umgeben ist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die Hülle mit Teilen gebildet wird, die wesentlich dicker sind als zwischen diesen Teilen liegende andere Teile der Hülle.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß rechtwinklig oder orthogonal polarisierte Wellen wirksamer in einem Wellenleiter entkoppelt werden, der solchermaßen hergestellt ist, daß die spannungsinduzierte oder Spannungsdoppelbrechung absichtlich vergrößert ist. Dieses Verhalten wird erreicht, indem eine geometrische und materielle Asymmetrie in den Vorformling eingebracht wird, aus dem die optische Faser gezogen wird, so daß die resultierende spannungsinduzierte oder Dehnungsdoppelbrechung Δη vorteilhafterweise größer als 5 x 10"⁵ ist. Die resultierende "Schlag-

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periode" L für einen solchen Wellenleiter ist bei einer Wellenlänge von 1 Mikrometer kleiner als 20 mm und bei einer Wellenlänge von 0,5 Mikrometer kleiner als 10 mm, mit L = 2 it/Aß, wobei Δβ die Differenz der Ausbreitungskonstanten für die beiden rechtwinkligen Richtungen der interessierenden Wellenpolarisation ist.

Verfahren zur Herstellung von Fasern mit einem Δη bis zu 40 χ 1O""³ werden beschrieben. In diesem Fall ist L bei einer Wellenlänge von 1 Mikrometer gleich 2,5 mm und bei einer Wellenlänge von 0,5 Mikrometer gleich 1,25 mm.

Wenn auch spannungsinduziertes Doppelbrechen mit einer Größe in der Größenordnung von 10 bei herkömmlich gezogenen optischen Fasern gemessen worden ist (siehe "Birefringence in Dielectric Optical Waveguides" von F. P. Kapron et al., veröffentlicht im IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-8, Nr. 2, Februar 1972, Seiten 222-225), ist das Ausmaß dieser Wirkung unzureichend, um eine Polarisationskopplung auf einen praktisch brauchbaren Wert zu verringern. Ferner wurde die spannungsinduzierte Doppelbrechung nicht als ein mögliches Mittel zur Verringerung einer solchen Kopplung erkannt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen

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näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 und 2 zwei planare optische Wellenleiter;

Fig. 3 einen kreisförmigen Vorformling für eine optische Faser, der einen von einer Ummantelung umgebenen inneren Kern aufweist;

Fig. 4 einen dreischichtigen"Vofförmling" für eineroptische Faser;

Fig. 5 den Vorformling nach Fig. 4, nachdem diametral gegenüberliegende Teile der Außenschicht entfernt worden sind;

Fig. 6 den Querschnitt einer Faser, die aus dem modifizierten Vorformling nach Fig. 5 gezogen worden ist;

Fig. 7 und 8 ein anderes Mittel der Modifizierung eines dreischichtigen Vorformlings zur Verbesserung der Spannungsdoppelbrechung bzw. den Querschnitt einer Faser, die von einem solchen Vorformling gezogen worden ist;

Fig. 9 ein Verfahren zum Modifizieren eines zweischichtigen

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Vorformlings zur Erzeugung von spannungsinduziertem Doppelbrechen in einer optischen Faser;

Fig. 10 eine Endansicht einer Substratröhre, die bei der Verwirklichung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform verwendet wird;

Fig. 11 eine Endansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Vorformlings (vor dem Kollabieren);

Fig. 12 eine Endansicht einer Faser, die nach einer weiteren Ausführungsform hergestellt worden ist; und

Fig. 13, 14 und 15 Endansichten anderer Formen von Ausführungsbeispielen der Substratröhre.

Bei den in den Fig. 1 bis 9 beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Hüllen auf die Ummantelung aufgebracht. Bei den in den Fig. 10 bis 15 beschriebenen Ausführungsformen sind die Hüllen als Röhren hergestellt, und Mantel und Kern werden in die Röhre gesetzt, bevor die Röhre zur Bildung des Vorformlings gezogen wird.

Fig. 1 zeigt einen ebenen Wellenleiter 10 mit einem inneren dielektrischen Teil 11 und zwei äußeren dielektrischen

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Schichten 12 und 13, die mit den Hauptoberflächen des Teils 11 in Berührung stehen. Um eine Wellenleitung primär innerhalb des inneren dielektrischen Teils 11 oder der Kernzone dieses Wellenleiters vorzusehen, ist der Brechungsindex der äußeren Schichten kleiner als derjenige des Teils 11.

Trotz der Tatsache, daß die Breite w des Kerns viel größer als dessen Dicke t ist, vermag ein solcher Wellenleiter optische Wellenenergie zu transportieren, die längs Richtungen polarisiert ist, die parallel zu beiden Querdimensionen der Kernzone verlaufen. Beim Nichtvorhandensein irgendeines Freinkopplungsmechanismus kann eine "Schlaglänge" (beat length) L definiert werden, innerhalb welcher die Energie vollständig zwischen zwei rechtwinklig polarisierten Wellen ausgetauscht wird, d. h., die Energie erscheint wieder in der gleichen Polarisation, nachdem sie vollständig in die andere Polarisation übertragen worden ist. Für eine Einzelmodenfaser ist diese Länge L gegeben als

L = 2TT/ AB (1)

dabei ist ΔΒ die Differenz zwischen den Ausbreitungskonstanten der beiden rechtwinklig polarisierten Wellen. Durch Vergrößern von Δ B kann die Schlaglänge offensichtlich ver-

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ringert werden. Da mechanische Störungen mit räumlichen Perioden, die der Schlaglänge vergleichbar sind, eine unerwünschte Kopplung von einer Polarisation zur anderen bewirken, wird die Schlagperiode vorteilhafterweise kleiner gemacht als die Störungsperioden, die typischerweise durch den Herstellungsvorgang eingeführt werden oder durch physikalische Biegungen und Verdrillungen, die bei der Verwendung des Wellenleiters auftreten. Beispielsweise besitzt bei einer Wellenlänge von 0,63 Mikrometer eine Bosilikat-Gradientenfaser mit nomineller kreisförmige Geometrie ein L von größer als 10 cm. Mechanische Störungen vergleichbarer Länge sind nicht ungewöhnlich. Demgemäß neigt Wellenenergie, die mit einer Polarisation injiziert worden ist und längs einer solchen Faser transportiert wird, dazu, kreuzpolarisiert zu werden. Bekannte Planarfasern neigen dazu, kreuzpolarisierte Wellenenergie zu ergeben, und zwar trotz der Tatsache, daß das Längenverhältnis der wellenleitenden Zone sehr stark von Eins verschieden sein kann. Die Polarisationskopplung wird jedoch erfindungsgemäß vermieden mit Hilfe einer spannungsinduzierten oder Dehnungsdoppelbrechung im Wellenleiter, die dermaßen ist, daß Δβ stark vergrößert wird. Der Ausdruck "spannungsinduzierte Doppelbrechung" oder "Dehnungsdoppelbrechung", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf den Unterschied der Hauptbrechungsindices, die durch Schaffung eines Unterschiedes in

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den mechanischen Spannungen längs wechselseitiger rechtwinkliger Querrichtungen innerhalb der Wellenleiterzone erzeugt werden. So kann beispielsweise eine Doppelbrechung in der dielektrischen Schicht 11 induziert werden, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient der Schicht 11 von dem der äußeren Schichten 12 und 15 verschieden ist. In diesem Fall besteht für die Breite des Teils 11 das Bestreben, sich von derjenigen der Schichten 12 und 13 zu unterscheiden, wenn die Faser abkühlt, während sie gezogen wird. Da die drei Schichten jedoch aneinander haften, nehmen sie alle die gleiche Breite ein, wodurch eine innere Spannung innerhalb des Teils 11 längs der w-RIchtung verursacht wird, wenn die äußeren Schichten ausreichend starr sind. Da eine solche Spannung jedoch nicht In der t-Richtung induziert wird, führt diese anisotrope Spannung zur Erzeugung eines relativ großen Unterschiedes in den Ausbreitungskonstanten für Wellenenergie, die längs dieser beiden Richtungen mittels des photoelektrisehen Effektes polarisiert ist.

Die Größe der Brechungsindexdifferenz Δη für die beiden Polarlsationsrichtungen Ist proportional zum Unterschied der Spannungen längs dieser zwei Richtungen und ist gegeben durch

Δη²* (οί₀ -ο/_£)ΔΤ C2)

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Dabei sind oC_Q und o^ die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der äußeren bzw. inneren Schicht; und ΔΤ ist die Differenz zwischen der Betriebstemperatur und der Temperatur, bei der die Glasschichten steif werden.

Zur Schaffung einer anderen Wellenleiterstruktur kann die Plattenstruktur nach Fig. 1 modifiziert werden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, um einen inneren Kernbereich 14 vorzusehen, der von einem Zwischenmantel 15 niedrigeren Brechungsindexes und einer Außenhülle 16 umgeben ist. Ein Vorformling mit solcher Struktur kann leicht durch Vereinen getrennter Glasscheiben oder durch bekannte Methoden aufeinanderfolgenden Niederschiagens hergestellt werden. Andere Methoden zur Annäherung eines solchen Vorformlings sind nachfolgend ausführlicher beschrieben.

Um die gewünschte große Doppelbrechung im Wellenleiterteil mit dem Kern 14 und der Ummantelung 15 zu erreichen, wird der Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Hüllenmaterials und des Wellenleitermaterials groß gemacht. Zudem erfüllen die Scheibenabmessungen vorteilhafterweise die folgenden Ungleichungen:

Ct₁ + t₃) C₁ » t₂ C₂ (3)

₃) C₁ » t₂

und

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Cw₁ + W₃) C₁ «. W₂ C₂ (4)

Dabei sind C₁ und C₂ die Elastizitätsmodule des Hüllenmaterials bzw. des Wellenleitermaterials. Typischerweise sind C₁ und C₂ näherungsweise gleich, so daß die obigen Ungleichungen primär geometrisch sind. Wie nachfolgend ge zeigt ist, sind W₁ und w* in einigen Fällen Null.

Die Spannungsdoppelbrechung für die Ausführungsform nach Fig. 2 ist

(S_y - S_x) = (CX₁ -Ot₂)AT (5)

Dabei sind S„ und S„ die längs der y- bzw. x-Richtungen y ^χ

induzierten Spannungen; und ΔΤ = T_a - T^, wobei T_& die Betriebsumgebungstemperatur und T^ ungefähr gleich der "Erweichungstemperatur" des Materials ist, und C^₁ und o\₂ sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Hüllen- bzw. Wellenleiterbereichs. Wenn Schätzungen vorgenommen werden, wird zur Vereinfachung angenommen, daß ot ₁ und & ₂ temperaturunabhängig sind.

Die Spannungsdoppelbrechnung Δ η ist gegeben durch

Δη = §- (P₁₁ - P₁₂) ( Oi₁ - Of₂) Δτ (6) Dabei ist η der Brechungsindex, und P₁₁ und P₁₂ sind die

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photoelastischen Konstanten des Wellenleitermaterials.

Typischerweise weist ein Vorformling eine Hülle aus reinem Siliciumoxid auf, und Mantel und Kern sind aus Borsilikat-, Germaniumsilikat- oder Phosphorsilikatglas hergestellt, wobei der Kern und der Mantel unterschiedlich dotiert sind, um die gewünschte Indexdifferenz zu erhalten. Für Beispielszwecke werden die Siliciumoxidwerte für P₁₁ und ~ρ_ΛΟ in den folgenden Beispielen verwendet.

Beispiel 1

Für eine 5 Mol-% ^fl-z aufweisende SiOp-Ummantelung ergibt sich ein berechnetes Δη von 1 χ 10 , mit η ^ 1,5, (P₁₁ - P₁₂) ν 0,15, ((X₁ -Oi₂) *£ -5 x 10"^{7 0}C"¹ und

-850 ⁰C.

Beispiel 2

Für eine 25 ΙΊοΙ-% GgO₂ aufweisende SiO₂-Ummantelung ergibt

—4 sich ein berechnetes Δη von 4 χ 10 , mit η ^ 1,5,

(P₁₁ - P₁₂)^ 0,15, («j - <*₂) = -1,6 χ 10~^{6 0}C und

ΔΤ « -1000 ⁰C.

Beispiel 3

Für eine 12 Mol-% P₃O₅ aufweisende SiO₂-Ummantelung ergibt

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sich ein berechnetes Δη von 4 χ 10 , mit η a& 1,5, (P₁₁ - P₁₂) * 0,15, (Oi₁ -Of₂) = 1,4 χ 1O"^{6 0}C"¹ und ΔΤ te -1200 ⁰C.

Bei jedem der vorausgehenden Beispiele ist angenommen, daß Kern und Ummantelung näherungsweise die gleichen thermi-■ sehen Eigenschaften aufweisen.

Nachdem der Arbeitsmechanismus erkannt ist, können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch dazu angewendet werden, herkömmliche optische Fasern anzupassen. Typischerweise wird eine optische Faser aus einem Vorformling 20 der in Fig. 3 gezeigten Art gezogen, der eine innere Kernzone 21 aufweist, die von einer äußeren Ummantelung 22 umgeben ist. Aufgrund von deren kreisförmiger Symmetrie besteht lediglich zu einer Neigung einer sehr geringen spannungsinduzierten Doppelbrechung in einer Faser, die von einem solchen Vorformling gezogen worden ist. Daher muß eine Asymmetrie absichtlich eingebracht werden, um die Spannungsdoppelbrechung zu verbessern. Spezieller sei als Ausgangsvorformling eine Dreischichtstruktur 30 der in Fig. 4 gezeigten Art betrachtet, die eine innere Kernzone 31 aufweist, die von einer Zwischenmantelschicht 32 und einer Außenhüllenschicht 33 umgeben ist. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden diametral gegenüberliegende Teile der Außen-

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schicht 33 weggeschliffen oder auf andere Weise entfernt, so daß der in Fig. 5 gezeigte Vorformling zurückbleibt, der den Kern 31> die Ummantelung 32 und eine modifizierte Außenschicht 33 aufweist, von der Teile 33' und 33" entfernt worden sind. Wenn ein solcher modifizierter Vorformling gezogen wird, ändert die Oberflächenspannung dessen Querschnitt zu dem in Fig. 6 gezeigten, der wie man sehen kann, der Scheibenkonfiguration gemäß Fig. 2 nahekommt. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 erzeugt die Außenhüllenschicht 33 eine Spannung innerhalb der Faser längs der y-Richtung, die viel größer als die längs der x-Richtung erzeugte Spannung ist. Das Verhältnis der beiden Spannungen steht im Verhältnis zu den Dicken a, b und c des Vorformlings und zu entsprechenden Abmessungen a¹, b¹ und c¹ in der resultierenden Faser.

Während jegliche Asymmetrie eine Spannungsdoppelbrechung erzeugt, fand man heraus, daß Schlagperioden von weniger als 5 mm erreicht werden, wenn das Verhältnis von Mantelradius c zu ursprünglicher Dicke a kleiner als ein halb ist, das heißt

§ < 0,5 (7)

und wenn das Verhältnis der verringerten Dicke b der Außen-

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schicht zur ursprünglichen Dicke a gleich oder weniger als ein Zehntel ist, d. h.,

§ < 0,1 (8)

Fig. 7 zeigt eine andere Maßnahme zum Einbringen einer Asymmetrie in die Außenschicht eines Vorformlings. Entsprechend dieser Methode werden diametral gegenüberliegende Kerben 40· und 40" in die den Mantel 41 umgebende Außenschicht 40 geschnitten. Eine von einem solchen Vorformling gezogene Faser nahm die in Fig. 8 gezeigte Form an.

Nach einer dritten Herstellungsmethode, die in Fig. 9 gezeigt ist, werden diametral gegenüberliegend Ringsegmente 51 und 52 zur Mantelschicht 50 hinzugefügt.

Welche dieser Methoden verwendet wird, hängt von der Art des Ausgangsvorformlings ab. Einige, wie mit Borsilikat dotierte Vorformlinge, werden typischerweise mit drei Schichten hergestellt. Folglich würden die in den Fig. 5 und 7 gezeigten Methoden angewendet. Wenn man andererseits mit einem Zweischicht-Vorformling beginnt _r kann die Methode nach Fig. 9 verwendet werden.

Fig. 10 zeigt eine Endansicht eines Quarzsubstratrohres

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Der Außendurchmesser beträgt 0,276 inch bis 0,279 inch (7,01 mm bis 7,087 mm). Der Innendurchmesser beträgt 0,099 inch (2,515 mm). An den Röhrenseiten wurden flache Oberflächen geschliffen, wie in Fig. 10 angedeutet ist, wobei der Abstand zwischen den flachen Oberflächen 0,255 inch (6,477 mm) beträgt. Die Substratröhre wurde dann in einer Vorrichtung herkömmlicher Art für das Niederschlagen von Schichten aus Chemikalien auf der Innenseite der Substratröhre montiert. (Die Vorrichtung ist grundsätzlich eine umgewandelte Drehbank, bei der die Substratröhre in der Position montiert ist, in der sich herkömmlicherweise das Stangenmaterial befindet, und bei der ein Gasheizer am Werkzeugantrieb montiert ist.) Das Innere dieses Substrates wurde mit herkömmlichem Glasreiniger und destilliertem Wasser gereinigt und mit einem Stickstoffgasstrom getrocknet. Nachdem die Röhre in die Vorrichtung gesetzt worden war, wurde sie auf 1025 ⁰C erwärmt, während durch sie eine Mischung aus 250 cnr/min Sauerstoff und 750 cnr/min Argon floß.

Eine äußere Ummantelungsschicht wurde niedergeschlagen, indem man 250 cnr/min Sauerstoff, 50 cnrVmin einer Mischung aus Argon mit 3 % Silan, 16 cm^/min Argon mit 1 % Diboran und 750 cnr/min 4- Stunden und 12 Minuten lang bei einer Temperatur von 985 ⁰C fließen ließ. Eine innere Ummantelungs-

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schicht wurde niedergeschlagen, indem man den Durchsatz von Diboran in Argon 48 Minuten lang auf 26 cnr/min erhöhte, während die anderen Parameter wie zuvor blieben.

Eine Kernschicht wurde niedergeschlagen, indem man 250 cnr/ min Sauerstoff, 25 cnr/min von Argon mit 3 % Silan und 750 cnrVmin Argon 27 Minuten lang bei 1060 ⁰C fließen ließ.

Der solchermaßen aufgebaute Vorformling ist in Fig. 11 gezeigt. Das Substrat 60 weist auf seiner Innenseite eine äußere Mantelschicht 63, eine innere Mantelschicht 64 und eine Kernschicht 65 auf. Es wurde dann zum Kollabieren in einem Schritt bis zu einem Außendurchmesser von 0,0186 inch (0,472 mm) gebracht und dann durch herkömmliche Mittel in eine Faser gezogen. Die Faser wies einen Außendurchmesser von 0,0046 inch (0,117 mm) auf.

Einzelheiten des zur Bildung der Ummantelungs- und Kernschichten verwendeten Verfahrens kann man finden in "A New Technique for the Preparation of Low-Loss and Graded-Index Optical Fibers", J. B. MacChesney, P. B. O¹Conner und H. M. Presby, Proceedings of the I.E.E.E., 62, 1280 (1974) und "Low-Loss Optical Waveguides with Pure Fused SiOp Cores, G. W. Tasker und ¥„ G. French, Proceedings of the I.E.E.E., 62, 1281 (1974).

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Während des Kollabierens dieses Vorformlings zieht die Oberflächenspannung auf der Außenoberfläche die äußerste Oberfläche in einen Kreisquerschnitt (Fig. 12), wobei das Substrat 60' eine kreisförmige Außenoberfläche und eine nichtkreisförmige Innenoberfläche aufweist, was von einer Deformierung des Inneren infolge der Außenoberflächenspannungskräfte' herrührt. Die Ummantelung 66 umfaßt das Material von beiden Mantelschichten 63 und 64. Ihre exakte Form ändert sich natürlich mit den einzelnen Parametern des Vorformlings. Die Elliptizität der Ummantelung 66 ist in Fig. 12 zum Zweck der Verdeutlichung übertrieben. Im allgemeinen ist die Mantel-Substrat-Oberfläche in ihrem Querschnitt entschieden elliptisch, und die Oberfläche zwischen dem Kern 65' und der Ummantelung 66 ist im Querschnitt kreisförmig oder weist einen sehr geringen Grad an Elliptizität auf. In einigen Fällen kann sich die Elliptizität des Kerns stark von derjenigen der Ummantelung unterscheiden. Dies scheint von den relativen Schmelzpunkten von Kern- und Ummantelungsglas abzuhängen. Beispielsweise wird ein reiner Silica-(Siliciumoxid~)Kern in einer Borsilikatummantelung fest werden, während die Ummantelung noch flüssig ist und als nahezu rund erscheint. Eine ähnliche Faser mit einem reinen Germaniumoxidkern, einer Borsilikatummantelung und einer Pyrex-Substratröhre besitzt einen flachen, bandartigen Kern. Wahrscheinlich könnte die Kernelliptizität

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durch Dotieren, mit dem der Schmelzpunkt verändert wird, gesteuert werden.

Eine nach der beschriebenen Methode hergestellte Faser hielt eine Polarisation über eine Länge von 100 m aufrecht, und zwar mit besser als 100 : 1 (d. h., wenn ein Strahlenbündel polarisierter Strahlung in die Faser gekoppelt wurde und das Eingangsende der Faser so orientiert war, daß die minimale Energiemenge vom Ausgangsende in einer Ebene ausgesendet wurde, die in einem rechten Winkel zum Hauptstrahlenbündel stand, war dieser minimale Betrag kleiner als 1 % der Energie des Hauptstrahlenbündels).

Man glaubt, daß die Polarisation der übertragenen Strahlung durch eine Kombination aus asymmetrischer Geometrie und Spannungsdoppelbrechung erhalten wird. Theoretisch neigen beide diese Bedingungen zu einer Erhaltung der Polarisation, und welche in irgendeinem Fall vorherrschend ist, hängt von den Parametern der in Frage stehenden speziellen Faser ab.

Im Fall der zuvor beschriebenen Faser ist der Kern kreisförmig oder lediglich leicht elliptisch, und die Zone größter geometrischer Asymmetrie ist die Mantel-Substrat-Grenzfläche, in welcher das elektromagnetische Feld schwach

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ist. Geometrische Faktoren sind weniger wichtig als spannungsinduzierte Doppelbrechung. Die Spannungsdoppelbrechung ist bei den in den Fig. 11 bis 15 beschriebenen Aus-

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führungsformen größer als 5 x 10 .

Die Faser steht unter (mechanischer) Spannung, da das Substratmaterial und das Kernmaterial (im wesentlichen reines SiOp) einen Schmelzpunkt aufweisen, der von demjenigen der Ummantelung verschieden ist, da die Ummantelung dotiert ist, um ihren Brechungsindex zu ändern. Wenn der Vorformling abkühlt, nachdem er zum Kollabieren gebracht worden ist, kühlt das Substrat zuerst ab, wobei der elliptische Querschnitt für die noch flüssige (oder weiche) Ummantelung erzeugt wird. Wenn die Ummantelung abkühlt und hart wird, wird sie vom Substrat an einer Schrumpfung gehindert und wird daher dazu gebracht, ein größeres Volumen einzunehmen, als es der Fall wäre, wenn das Substrat nicht vorhanden wäre, mit dem Ergebnis, daß die Faser gespannt ist. Da das Substrat asymmetrisch ist, ist auch die Spannung asymmetrisch, was zu Doppelbrechung führt.

Die relativen Größen von geometrischem Effekt und Spannungseffekt hängen von der Faserform ab, von den relativen Schmelzpunkten und Dicken der verschiedenen Schichten und auch von der Methode, mit welcher der Vorformling in eine Faser gezogen wird. Der Grad, in welchem eine gegebene

Faser eine Polarisation erhält, hängt auch von Polarisationsbeeinträchtigungsgesichtspunkten von Faserverunreinigungen, -blasen und Unregelmäßigkeiten der Faserabmessungen, unter anderem, ab, und das resultierende Ergebnis dieser konkurrierenden Effekte muß in jedem speziellen Fall empirisch bestimmt werden.

Bei der zuvor beschriebenen Methode wird ein Schleifvorgang angewendet, um ein asymmetrisches Substrat zu erzeugen. Diese Methode besitzt den Vorteil, daß sie leicht zu variieren ist. Die Herstellung einer Fasermenge würde jedoch dadurch erleichtert, daß man die Substratröhren von anfang an mit einem nichtkreisförmigen Querschnittsaufbau herstellt. Die Nichtkreisförmxgkeit braucht natürlich nicht in Form flacher Oberflächen auf der Außenseite dieses Substrates vorzuliegen, und dem Fachmann werden viele andere geeignete Formen einfallen. Beispielsweise kann die äußere Oberfläche 71 des Substrates einen elliptischen Querschnitt und das Innere 72 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen (Fig. 13). Die äußere Oberfläche 91 kann sogar dreieckig sein, wie es Fig. 15 zeigt (mit einem kreisförmigen Inneren 92). Andererseits kann die äußere Oberfläche 81 kreisförmig und die innere Oberfläche 82 elliptisch sein (Fig. 14). In diesem letzten Fall geht die durch Oberflächenspannung auf der äußeren Oberfläche erzeugte mechani-

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sehe Deformierung des Inneren verloren, die durch unterschiedliche Wärmezusammenziehung erzeugten Spannungen bleiben jedoch.

Allen diesen verschiedenen Konfigurationen ist eine Substratröhre gemeinsam, deren Dicke im wesentlichen ungleichmäßig ist, was die allgemeinste Beschreibung einer Substratröhre darstellt, die bei den in den Fig. 11 bis 15 gezeigten Ausführungsformen verwendet werden kann.

Die zuvor beschriebene beispielsweise Faser umfaßte Ummantelungsschichten mit einem Schmelzpunkt, der niedriger war als der Schmelzpunkt des Substrats, so daß die Ummantelungsschicht unter einer Dehnungsspannung stand. Es ist natürlich auch möglich, solche Kombinationen von Ummantelung und Substrat zu verwenden, daß das Substrat zuletzt hart wird und sowohl die Ummantelung als auch den Kern zusammenpreßt.

Die beispielsweise Faser war eine "W"-Faser mit zwei Ummantelungszonen. Die Erfindung ist auch bei einer Faser anwendbar, die eine einzige Ummantelungsschicht aufweist, die entweder gleichförmig dotiert ist oder einen radialen Brechungsindexgradienten aufweist. Eine solche Faser mit einer einzigen Ummantelungsschicht ist mittels einer Methode hergestellt worden, die sich von der oben beschriebenen nur

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darin unterscheidet, daß die Mischung aus Argon und 1 % Diboran mit einem Durchsatz von 20 cnr/min floß.

Der Ort der Spannung kann durch Ändern der Zusammensetzung der Ummantelungsschichten gesteuert werden* Die Schicht mit dem niedrigsten Schmelzpunkt wird zuletzt fest, und bei der erläuterten Faser erscheint die Spannung als hier konzentriert. Die Spannung kann deshalb auf eine Stelle in der Nähe des Kerns oder in der Nähe des Substrates konzentriert werden, was von den Schmelzpunkten der einzelnen Schichten und von deren Wärmeausdehnungskoeffizienten abhängt. Die resultierende Wirkung der Spannung hängt natürlich auch von den relativen Dicken von Kern, Ummantelung und Substrat ab.

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Claims

BLUMBACH · WESER - BERGET4 . KRAMER ZWIRNER - HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2901092

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

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA Kaminow 29-1-5-6

Optische Wellenleiter

Patentansprüche

Optischer Wellenleiter für eine einzige Polarisation, der wenigstens teilweise von einer äußeren Hülle umgeben ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungs-

—5 doppelbrechung des Welle nleiters größer als 5x10 ist und daß die Hülle (40) eine ungleichmäßige Dicke aufweist.
2. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Dicke der Hülle (40) längs einer Richtung (y) zur Dicke der Hülle längs einer anderen, zu dieser Richtung senkrechten Richtung (x) gleich oder kleiner als 0,1 ist.

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

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3. Verfahren zur Herstellung eines der Erzeugung einer optischen Faser dienenden Vorformlings mit einer inneren Kernzone (31)i die von einer Ummantelung (32) und einer die Ummantelung wenigstens teilweise umgebenden Außenhülle (33) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle mit Teilen (a¹) gebildet wird, die wesentlich dicker sind als zwischen diesen Teilen befindliche andere Teile (b^f) der Hülle.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Hüllendicke zwischen den anderen Teilen und den ersten Teilen kleiner als 0,1 gemacht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (40) auf der Ummantelung (41) mit einer gleichförmigen Dicke hergestellt wird und daß zwei diametral gegenüberliegende, längsverlaufende Schlitze (40¹, 40¹¹) entlang der Hülle vorgesehen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllfi anfangs mit einer gleichmäßigen Dicke hergestellt wird und die Schlitze dann aus dieser Hülle entfernt werden.

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7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Hülle hergestellt wird, indem zur Ummantelung zwei ringförmige, diametral gegenüberliegende Abschnitte (51, 52) hinzugefügt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle als eine Röhre (60) vorbestimmter Form hergestellt wird, daß Ummantelungsmaterial (63, 64) auf dem Inneren der Röhre durch Dampf niederschlag abgeschieden wird, daß auf dem Inneren der Ummantelung mittels Dampfniederschlag eine Kernschicht (65) niedergeschlagen wird und daß die Röhre zur Bildung des Vorformlings durch einen Erwärmungsprozeß zum Kollabieren gebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß von der äußeren und der inneren Oberfläche der Hülle eine nicht kreisförmig ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hichtkreisförmigkeit der äußeren Oberfläche der Röhre durch Formgebung erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch

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ORIGINAL INSPECTED

gekennzeichnet , daß der Schmelzpunkt der Ummantelung niedriger ist als derjenige der Hülle, so daß beim Abkühlen des Vorformlings mechanische Spannungen induziert werden.
12. Optische Faser, hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11.

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