DE2907402A1

DE2907402A1 - Lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE2907402A1
Application number: DE19792907402
Authority: DE
Inventors: Robert Dr Olshansky
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1978-03-03
Filing date: 1979-02-26
Publication date: 1979-09-13
Also published as: AT387096B; FR2418939B1; ES481539A1; ATA157579A; US4222631A; BR7901287A; NO790719L; CA1124118A; ES478250A1; ES481541A1; DK147896B; YU51879A; DK72379A; JPS54125045A; IL56692A0; IN154809B; CA1126549A; NL7901679A; SE7901822L; FI76890B

Description

Anmelderin: Corning Glass Works

Corning, N.Y. 14830 USA

PATENTANWÄLTE

DR. ERNST STURM

DR. HORST REINHARD

DIPL.-ING. KARL-JÜRGEN KREUTZ

8000 München 40, Lcopoldstraße 20/IV Telefon: (089)3964 51

Telegramm: Isafpatent Bank: Deutsche Bank AG München Konto-Nr. 21/14171 (BLZ 70070010) Postscheck: München 97 56-809

Datum

20. Februar 1979 Kr/h

Lichtwellenleiter

Die Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Verfahren zu seiner Herstellung.

Technischer Hintergrund der Erfindung

Die Übertragung von Lichtwellen in optischen Wellenleitern folgt ähnlichen physikalischen Gesetzen wie die der übertragung bzw· Portpflanzung von Mikrowellen und kann betrachtet werden in Begriffen von Moden, wobei jeder Modus eigene Größen für seine übertragung (Fortpflanzung) und sein elektrisches Feld aufweist. Es gibt Wellenleiter für Licht- bzw.

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Lichtpuls© sait vtup einen Modus (l-Modus-Wellenleiter) und Wellenleiter füc³ Liefet bsa₆ Lichtpwise mit mehreren oder vielen Models CMii

i-£@j? Iiatoea dem. Vorteil sehr geringer Dispersion. wegen der gei-iragen auaeriscliea öffnumg und/oder des geringen Kerndurc!iin©sseF§ ist Jedoch das Eingeben optischer Signale in l-KeSas-¥eII®mleiter schwierig. Multimoden-Wellenleiter haben größere Eerraderclifflesser bzw. größere numerische Apperturei&₉ si© siael daher oft «las öevoraugte Medium zur übertragang ©ptis-sfear Signal®, da im sie relativ leicht Licht von Injek&ioßslaseiT-üc, aber auch inkohärentes Licht mit breitem Spektrura, imslsesoEiidsre ψ&η lichtemittierenden Dioden (LED's) eingegeben werden kami. Jedoch pflanzen sich dann in einem Mulifiaedea-Wallenleiter tausende von Moden fort, jeder Modus (oder Jsie Grappe von Moden) mit einer etwas verschiedenen Gruippengesete-jiffidigkeit. Ein kurzer Impuls am Eingang, der ais vielen geführten Mode» besteht, wird während der übertragung längs des Leiters aufgespalten in eine Folge von Pulsen, die zn inatersehiedlichen Zeiten am AuslaÖende des Wellenleiters ankommen. Diese Pulsdispersion ist die Hauptursache der gesamt sei Dispersion in diesen Wellenleitern.

Ursprünglich bestanden die Wellenleiter aus einem Kern mit über seinen Querschnitt unveränderlichem Brechungsindex, der von einem Mantel mit geringerem Brechungsindex als dem des Kerns eigeben ist. Bei diesen ursprünglichen Wellenleitern nimmt öie zum Zurücklegen einer bestimmten Distanz erforder-

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liehe Zeit mit der Modenzahl zu (die Geschwindigkeit nimmt ab). Diese Verzögerungs-Verzerrung, also die Zeitdifferenz zwischen dem am Ausgang eintreffenden schnellsten Modus und dem langsamsten Modus ist sehr groß.

Es sind bereits Wellenleiter bekannt, bei denen der Brechungsindex des Kerns in Abhängigkeit vom Mittelpunktsabstand variiert (Gradienten-Wellenleiter). Diese Wellenleiter weisen bedeutend geringere Pulsdispersion auf. Dieser Effekt ist beschrieben von D. Gloge et al in "Multimode Theory of Graded-Core Fibers", erschienen im November 1973 im "Dell System Technical Journal", Seiten 1563 bis 1578; dabei nimmt der Brechungsindex des Kerns kontinuierlich ab von einem Maximum im Mittelpunkt zu einem geringeren Wert an der Außenfläche des Kernes (an der Kern-Mantelfläche). Die Indexverteilung ("Index" steht nachfolgend für "Brechungsausdex") ist dabei gegeben durch die Gleichung

n(r) - n„[l - 2A(r/a)^a] ^1/2 for r < a wobei η der Index im Mittelpunkt,

η der Index bei r » a (am Außenmantel) und ο

Δ - (nc * ⁿo^2)/2nc ^und

a der Kerndurchmesser ist.

mit Man nahm an, daß das parabolische Indexprofil/oC» 2 die auf

Unterschieden der Gruppengeschwindigkeiten der Moden beruhen-

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de Dispersion minimieren würde.

In der genannten Veröffentlichung von D. Gloge et al ist eine weitere Entwicklung beschrieben, wonach eine Verminderung der Pulsdispersion erreicht werden soll, wenn oC = 2 - 2 Δ- ist, statt CXl= 2.

Diese Theorien, wonach CX. = 2 oder OC = 2 - 2 /\ sein soll, vernachlässigen jedoch Einflüsse aufgrund von Dispersionsunterschiedon zwischen Kern und Mantel.

Die US-PS 3 904 268 der Anmelderin beschreibt eine Gradientenfaser, bei welcher die vorgenannte Dispersion reduziert ist. Und zwar wird danach eine minimale Verzögerungsdifferenz zwischen den Moden erreicht, wenn das Indexprofil bestimmt ist durch die Gleichung

n²(r) « n* tl-2A(r/a)°] r < a

wobei _u _2n<2

e — 2

"c ⁴
wobei η = Index am Mittelpunkt,

η = Index bei r = a,

Δ - {τξ'τξ^ηνξ and N_c -

Die Lehre dieser US-PS 3 904 268 gilt unabhängig von der GlasssHsanmemsetzung, sofern nur der Index des Kernes innerhalb der Bandbreite der Lichtquelle obiger Gleichung genügt Die Lehre gilt für alle Zwei- oder Mehrkomponentenglasern.

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In dem Aufsatz "Profile Synthesis in Multicomponent Glass Optical Fibers" von Kaminow und Presby, in der Zeitschrift "Applied Optics" vom 16. Januar 1977, und in der US-PS 4 025 156 von Gloge und Presby ist gezeigt, daß durch richtige Auswahl der Glaszusammensetzung die Dispersion eines Wellenleiters minimiert werden kam - über einen Wellenlängenbereich oder bei zwei oder mehr bestimmten Wellenlängen.

In der US-PS 4 033 667 von Fleming, welche der Lehre von Kaminow, Presby und Gloge verwandt ist, ist gezeigt, wie bzw. daß eine bestimmte Glas-Komposition einer Faser über einen ganzen Wellenlängenbereich ein gleichbleibendes Indexprofil haben kann. Die zitierten Literaturstellen, nämlich der Artikel von Kaminow-Presby, das Patent von Gloge und Presby und das Fleming-Patent beziehen sich immer nur auf eine bestimmte Glaskomposition· Nach Fig. 1 in dem Aufsatz von Kaminow-Presby muß die Konzentration von P₂^g bei r = ο 11,5 mal größer sein als die GeO^-Konzentration bei r » a, um eine verminderte Pulsdispersion über einen größeren Wellenlängenbereich zu erhalten. Diese Glaskomposition ist zwar günstig bezüglich der Dispersion, jedoch ungünstig bezüglich der Viskosität, der thermischen Expansion, der chemischen Beständigkeit und der numerischen Appertur.

Die gleichen Beschränkungen gelten für die Glaskompositionen nach Gloge und Presby· Danach soll die GeO„-Konzentration bei r = ο 8 mal kleiner als die B.O.-Konzentration bei r * a se n. Diese Beschränkung schließt eine Glaskomposition mit anderen

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wichtigen EigenseSiaftea wie hoher mtnaerischer Appertur, guter thermischer Ssjpaasiosi «umd Viskosität über den Querschnitt der Faser ausο

Die WeIIeraIäffig®ra-Ais8&äBsgig&eit der Ptilsiisperison optischer Fasern Ist zieralisli lieieut^am_e Ein Wellenleiter mit geringer Piilsiisperiesß bei eiraer Reife© verschiedener Weilenlängen oder über einen gasse-a lieiienläagesabereicli ist einem Wellenleiter überlegen^ äar ner bei eiaer einzigen Wellenlänge geringere Dispersion ergibt«. Die Faser gemäß US-PS 3 904 268 zeigt ein Minimum der Dispersion bei nur einer einzigen Wellenlänge. AlierÜBgs !samen man durch entsprechende Auswahl des Kompositionsprefils iemäß der US-PS 3 904 268 für jede beliebige Wellenlänge eine Faser erhalten,, die bei dieser Wellenlänge minimale Dispersion zeigt«. Bei anderen Wellenlängen ist die Dispersion Jedoch bedeutend größer (vgl. Fig„ 4).

Demgegeiffiiiber liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese schwerwiegenden Beschränkungen in der Glaskomposition (gemäS US.Patent 4 025 156, Gloge und Presby) zu vermeiden und auch über die Lehre gemäß US-PS 3 904 268 hinauszugehen; es soll also eine Gradientenindexfaser angegeben werden, die über einen ganzen Wellenlängenbereich oder wenigstens bei zwei eier mehr bestimmten Wellenlängen geringe Dispersion aufweist «mi die keinen bzw. praktisch keinen Beschränkungen in ihrer Giasiceitposition unterliegt, sondern aus einem großen Bereich raSgiicliep Glaskomposit ionen herstellbar ist.

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Die Lösung dieser Aufgabe ist in dem Kennzeichnungsteil des Hauptanspruchs angegeben. Vorteilhaft entspricht dabei der Wert von οέ dem Anspruch 2.

Die Nützlichkeit der Erfindung wird besonders sinnfällig in Anbetracht der großen Kosten der Installation von Lichtleiterkabeln; die Kosten der optischen Fasern selbst sind dagegen relativ gering. Die gegenwärtig benutzten Quellen oder Geber von Lichtpulsen arbeiten bei Wellenlängen von ungefähr o,85 Mikron. Die installierten Kabel sollen also bei dieser Wellenlänge minimale Pulsdispersion haben. In Zukunft könnten aber Pulsgeber entwickelt werden, die auf anderen Wellenlängen arbeiten. Es wäre also sehr vorteilhaft, wenn dio installierten Kabel auch bei diesen anderen Wellenlängen minimale PuIsdispersion aufweisen würden - also über einen großen Wellenlängenbereich oder jedenfalls bei vielen bestimmten Wellenlängen minimale Pulsdispersion haben; die installierten Kabel könnten dann mit den besseren Pulsgebern anderer Wellenlänge als der ursprünglich vorgesehenen betrieben werden. Die Kosten für die Installation entsprechender neuer Kabel könnten dann eingespart werden.

Im einzelnen wird die Erfindung nachstehend anhand der Zeichnun beschrieben, wobei weitere wichtige Aspekte und Vorteile erläutert werden.

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Fig. 1 zeigt eine Schrägansicht auf das Ende einer optischen Faser - stark vergrößert.

Fig. 2 zeigt - stark vereinfacht - ein Blockschaltbild eines Kommunikationssystems, in welchem zur Signalübertragung die Faser nach Fig«, I vorgesehen ist«

Fig. 3 veransch-aulicht ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Glasfaser.

Fig. 4 bis 7 zeigen verschiedene Diagramme: In Fig» 4 ist die Puls-Dispersion über der Weilenlänge

aufgetragen, wobei die Kurve Cl für eine hergilt
kömmliche Glasfaser/und die Kurve C 2 die

bedeutend verminderte Pul©dispersion einer erfindungsgentäßen Faser sseigt«, In

Fig,» 5 zeigt Kurve AO die Abhängigkeit, des optimalen oc -Wertes von der Wellenlänge, für ein einfaches

die Kurven Al und A2 zeigen

OC₁C λ) und oC₂ ( Λ)

für eine bevorzugte Ausführung der Erfindung,, wobei jeweils bei der Wellenlänge 0,85 jum ein Extremwert vorliegt» In

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Fig. 6 zei;;;endie Kurven Bl und Gl,die B₂0„~bzw. GeO--KonzentrationsprofiJe (in Abhängigkeit vom Mittelpunktsabstand) für ein einfaches oC -Profil für minimale Dispersion bei Λ =0,85 /am.

Die Kurven B2 und G2 zeigen das B₀O--bzw. GeO₀-

Profil - bevorzugtes Ausführungsbeispiel - für

ein Doppel-c-6-Profil für άοί_±/ά_± = 0 bei λ = 0,85 μπι.

Fig. 7 zeigt die Pulsdispersion über der Wellenlänge für ein bevorzugtes /uiiführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Pulsdispersion bei zwei bestimmten Wellenlängen ein Minimum annimmt.

Bevorzugtes Aurführungsbeispiel

Der optische Wellenleiter 11 (nachfolgend weiterhin "Faser" oder "Glasfaser" genannt) hat einen Kern 12 und einen Mantel 13. Der Index des Mantels 13 ist kleiner als der des Kerns 12. Der Kern 12 hat ein Gradienten-Indexprofil, der Index variiert gesetzmäßig von n_c im Mittelpunkt zu n_Q beim Radius a, also am Umfang des Kerns. Gemäß der Erfindung ist der Indexgradient bestimmt durch wenigstens zwei das Indexprofil bestimmende Begriffe oder Großen, wodurch die Pulsdispersion über einen Wellenlängenbereich oder bei bestimmten Wellenlängen minimiert

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23074Ü2

Dieser Wellenleiter ist eingefügt in ein optisches KommunikatioEigsygteB Kit einesi Sender 15 für eine mittlere Wellenlänge λ öhcI! einen Empfänger 14 (Fig. 2). Die Pulsdispersion zwischen Senü&r- mid Empfänger soll minimiert werden, und zwar Eiöglicfest über eiasra gaozee Wellenlängenbereich oder bei .mehreren! bestimmten Wellenlängen»

Entsprechend der Erfindung weist der Kern 11 mehrere Glnskompomeiaien aal"₅ wie Germaniuniiii likat und Borsilikat. Die Konzentration «dieser binären Komponenten variiert über den Radius ει ach einem bestirntsten Konsentrat ionsprofil. Bei Benutzung dieser Komponenten bedeutet η den Brechungsindex (des GeriEEBi?JEsilikatg1.ases)bei r = 0 und n₀ den Brechungsindex (des Borsilikatgiases) bei r = a.

Gemäl der Erfindung ist die Puisdispersion eines aus solchem Multi-Kotaponenten-Glas fabrizierten Wellenleiters minimiert, wenn der Index des Kern in Abhängigkeit vom Mittelpunktsabstaad bestimmt ist durch:

I₁I «²ίι-> β η ri-Σ Ih_x (r/a)

wobei £?C · definiert ist durch:
χ

2m » άΔ. _Ί -j

^ ir air -Ψ*

C 1

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wobei N ^ 2

und N = η - Xdn /dX

und A - (n_c ² - n_o ²) /2n_c ²

λ ^N
und O= Σ Δ.,

Die Werte von n_c, dn_c/dÄ , n_Q, Δ_± und dAj/dA , welche zur Herstellung einer Faser mit dem gewünschten Profil benötigt werden, können durch Ausführung einer Sellmeier-Anpassung (Sellmeier-Fit) bezüglich der Indexmessungen gewonnen werden, die bei verschiedenen Wellenlängen für die Glaskompositionen von Kern und Mantel erhalten wurden.

Einige Techniken für diese Indexmessungen sind beschrieben in: "Viewing Refractive-Index Profiles and Small-Scale Inhomogeneities in Glass Optical Fibers: Some Techniques" bei C. A. Burrus et al, in der Zeitschrift "Applied Optics¹,¹ Oktober 1974, Vol. 13, No. IO pp.2365-2369 und "Refractive Index Profile Measurements of Diffused Optical Waveguides" von W.E. Martin, in der Zeitschrift "Applied Optics", September 1974, Vol. 13, No. 9, pp. 2112-2116 und in dem Dokument No. 3.5 "Interferometrie Measurement of SELFOC Dielektric Constant Coefficients to Sixth Order" von E.G. Rawson et al, 1973 IEEE/OSA Conference on Laser

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Engineering and Applications, vom 30. Mai bis 1. Juni 1973; eine Kurzbeschreibung hiervon findet sich auf Seiten 22 bis 23 des "Digest of Technical Papers",der bei der Konferenz präsentiert wurde.

Theorie

Die folgende theoretische Analyse über die Minimierung der Pulsdispersion beruht auf der Arbeit von Marcatili in "Bell Systems Technical Journal"56, 49 (1977). In der folgenden Analyse werden folgende Klassen von Indexprofilen betrachtet:

(3) n²(r) - H* ll-F(r)] r<a

^N ei *

(4) F(r) - Z 2A.(r/a)^u r<a

i-1 *

wobei N eine positive, ganze Zahl ist. Gemäß US-PS 3 904 268 ist N gleich 1, während in vorliegender Anmeldung N gleich oder größer als 2 ist. Mercatili zeigt, daß die Verzögerungszeit der Moden μ und V gegeben ist durch

1/2

• wobei
•(6) T-L

O) H- n_c-Xdn_c/ax

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*-MT-*	2907402	*	O.
(β) D - (l + \|ρ ff) / (1 - \		N = Σ Δ_± ,
*<⁹> ^Βμν ^{a (k n}c " ^βμν ' ^^{k n}<P**
wobei Ic= 2If/ \ ,
L die Faserlänge und		Mittelwert der
C die Lichtgeschwindigkeit ist	N=I minimiert, reduziert für
Da B klein ist in der Größenordnung von Δ
bis zur Größe des Δ ♦ so gilt	Die Gleichung (8) kann als partielle Differentialgleichung
(10) τ -T[I-B₁ 7D4-B, 72 + (3/8 - IiV IiV UV	geschrieben werden wie folgt:
Wenn D = 2 - 6/5 Δ » so ist der quadratische	*dl) ap ₊ ^mc* jgF _{+ 2(1}._{D)P β}**
zeitlichen Differenzen zwischen den Moden für und entsprechend der US-PS 3 904 268,/ist ebenso	C · ·
N > 2 entsprechend vorliegender Erfindung.

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Fir die ie US-PS 3 904 268 (N = l) beschriebene Klasse von Profile-Η feat ils Gleichung (ti) die Lösung;

β - 2 » g^ |- aj- - S* Δ.

Fir die Profil© ssaefo flen allgemeineren Gleichungen (3) .und (4) sind! rnoue Lösungen fir «lie Gleichung (ti) gefunden worden,

Die Pulsdispersion von Multikomponentenfaser ist also ebenfalls minimiert bei einem lodexprofil gemäß Gleichungen (l) und (2).

In vorstehender Analyse ist der in dem US-Patent von Keck und Olshansfey gegebene Ausdruck 4,(⁴^ Υ) * (3+y) vereinfacht

15+2y>

worden za 12 Δ . Es ist also angenommen worden, daß

Ijl < 1; iiese Annahme ist zumindest für die meisten Fälle

gültig,

Gemäß verfliegender Erfindung kann man eine minimale Dispersion

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über einen großen Wellonlangenbereich erhalten - und zwar für ein optimales Indexprofil, wenn:

(14)

dT

0 für i ^s 1·

Wenn die Werte von °C . Ableitungen bei Null haben (zero derivative), so erhält man minimale Pulsdispersion über ein breiteres Dand von Wellenlängen.

Eine Alternative Bedingung, die für bestimmte Anwendungsfälle erwünscht ist, besteht darin, daß man minimale Dispersion bei zwei (oder mehr) verschiedenen Wellenlängen erhält, wenn

(15) a. (X₁) - O₁ (X₂) i

Beispiel 1

Eine Multimodenfaser sei im Zentrum mit 7, 9 mole % GeO_n und am Außenumfang (r = a) mit 13,5 mole % B₃O₃ gedopt bzw. dotiert.

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Germaniumsilikat-Messungen des Brechungsindexes des/glases sind zu finden in dem Werk von S. Kobayashi, S. Shibata und N. Shibata, T. Izawa, erschienen im Digest 1977 über die "International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication

-silikatin Tokyo, Japan. Die Indizes des Bor/glases sind angegeben worden von J. W. Fleming in dem "Journal of the American Ceramic Society" 59, 503-507 (1976).

Die obenerwähnten Brechungsindizes \^urden an der rohen Glasmasse gemessen« Die Indizes einer optischen Faser können aber davon wesentlich ablaichen wegen des bekannten Abschreckungseffekts (quenching effects) beim Ziehen. In vorliegender Anmeldung sind aber stets die Indizes der wirtlichen Faser gemeint. Nur zur Illustration der Erfindung wird auf Messungen von Indizes der rohen Glasmasse verwiese». Bei Anwendung von Sellmeier-Fits findet man für eine Weilenlänge λ = 0,85 Mykron, η = 1,46493, n_n = 1,45071 und Δ= 0,00966«,

Bei Anwendung des Einfachprofils nach US-PS 3.904 268 zum Minimieren der Pulsdispersion bei λ =0,85 Mykron, findet man den oC -Wert gleich 1,957. Der quadratische Mittelwert der Pulsverbreiterung in Nanosekunden/Kilometer (ns/km) für diesen Wellenleiter ist als Kurve Cl in Abhängigkeit von

λ in Fig. 4 gezeigt. Es zeigt sich ein Minimum von 0,013 ns/kia bei λ =0,85

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-■gfr-

Gemäß einer möglichen Ausführung der Erfindung werden Δ ^ und Δ ₂ wie folgt gewählt:

wobei n_ der Brechungsindex von Quarzschmelze (fused silica)

ist. η kann errechnet werden aus dem Sellmeier-Fit nach dem

Werk von I.II. Malitson in "Journal of the Optical Society of America", 55, 1205 (1965). Bei 0,85 μια ist n_g gleich 1,45250. Für dieses Beispiel ist Δ gleich 0,00845 und /\ ρ gleich 0,00121. Wieder gemäß Seilmeier erhält man die Werte:

i^c „ ..01397; λ—i- - -.423 x 10~³, und dX d\

λ ?- - + .522 χ 10 ^J

dX

eingesetzt in die Gleichung (2) erhält man die Werte

oCa = 2,076 und OC_n = 1,121, wobei die Pulsdispersion bei 1 tL

etwa 0,85 (Um minimiert ist.

Nach Bestimmung der oC .-Werte wird das Indexprofil des Kerns bestimmt gemäß Gleichung (l). Eine Faser entsprechend Gleichung (1) kann dann hergestellt werden nach dem Verfahren beispielsweise gemäß US-PSen 3 823 995 und 3 826 560.

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Im allgemeinen, wenn der Brechungsindex sich linear mit der Konzentration des Dopungsmittels ändert, entsprechen die Konzentrationsprofilo C.(r) eines Glases mit P Bestandteilen im wesentlichen folgender Gesetzmäßigkeit:

(r/a)⁰¹	1..	...p
j -	■i,.	...N
i -		N>2
p>3

wobei die Koeffizienten C..und die oC* -Werte so gewählt werden, daß sich eine verminderte Pulsdispersion gemäß den hier diskutierten Betrachtungen ergibt, und wobei die Konzentrationen ausgedrückt sind entweder als Mol-Anteile, Gewichtsanteile, Atomgewichtsanteile oder in irgendeinem anderen Maß für die Konzentration.

Unabhängig vom Herstellungsverfahren ist es unwahrscheinlich, daß eine Ware mit gestuftem Indexprofil erhalten wird, wobei

o£ genau dem vorbestimmten Wert entspricht. Man kann jedoch Fasern machen, deren Indexprofil angenähert dem optimalen Profil nacfe Gleichungen (l) und (2) entspricht, und dabei eine wesentliche Verminderung der Pulsdispersion erreichen. Diese Techniken entsprechen der Fabrikation von Multikomponent-Wellenleitern gemäß Fig. 3, was weiter unten beschrieben wird.

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In den folgenden (Unter-)Beispielen 2 und 3 ist gezeigt, wie bevorzugte Ausführungen der Erfindung gemäß Gleichung (14) oder (15) herstellbar sind. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß die Zahl des <^ -Indexprofils nach Gleichung (l) gleich 2 ist, d. h. N = 2.

In diesen Beispielen bestimmen wie zwei Größen, welche die Änderung des Brechungsindex von Quarzglas durch Germanium und die Änderung durch Boroxid angeben. Diese Größen sind:

(16a) *_G =■ _n2 - _n2 (16b) 6_B - χξ - η*

wobei η der Brechungsindex von synthetischem Kieselsäureglas

(fused silica) ist. Die beiden Größen ^ _G und ß _ß entsprechen den Größen Λ ^ und Δ ₂ im vorhergehenden Beispiel. Es werden noch folgende Begriffe definiert:

άδ.
(17a) δ, - λ — i = G, B

(17b) δ,,

dX

i - G. B.

Der Brechungsindex η von synthetischem Kieselsäureglas (fused silica) kann nach Seilmeier bestimmt werden gemäß I.H. Malitson, J. Opt. Soc. Amer. 55, 1205 (1965). In diesem Beispiel ist η wieder der Brechungsindex von "fused silica" dotiert (gedopt) mit 7,9 mole % GeO₀, und η der

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Index von "fused silica" dotiert (gedopt) mit 13,5 mole % B₀O-. Drei weitere Größen werden definiert:

(18) Z - *—*■

(20) V - (Z² - W) / (2 - Z)

Um die Wirkung der beiden Dopungsmittel auf Δ ^ und aufzuteilen, wird definiert:

(21a) A₁ - U_G(1-X_G> + 6_BX_B] / (2n_c ²)

(21b) A₂ - [i_GX₀ + (1-Χ_Β)δ_Β1 / (2n_c ²)

X_r ist ein Maß für den Betrag von Germanium, der Δ,, zugeordnet ist. Wenn X_Q gleich 1 ist, so ist das gesamte Germanium

Λ ₂ zugeordnet. X_ß ist ein Maß für den Betrag an Boroxid, der /S,* zugeordnet ist.

Gleichungen (21a-b) entsprechend der geforderten Bedingung nach

(22) Δ - (Δ, + A₂).

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In Gleichungen (21a-b) i^erden die Beträge X~ und X„ eingeführt, um /\ . und Z\ « zu bestimmen. In vielen Glassystemen ist das Quadrat des Brechungsindex proportional dem Quadrat der Dotierungsmittelkonzentration. In diesem Fall sind also X_G und X„ proportional der Konzentration von GeO₀ und B₂^3* Diese Proportionalität ist jedoch nicht notwendig für die Praxis der Erfindung.

Es wird nun gezeigt„ daß aufgrund der Gleichungen (16) bis (21) Xq und Χ« so bestimmt werden können, daß beide bevorzugte Ausführungen gemäß Gleichungen (14) oder (15) gegeben sind.

Beispiel 2

Die Indexprofile seien gegeben durch Gleichungen (l) und (2). Die /S . sind gegeben durch Gleichungen (16) und (21), und die Gleichung (14) ist erfüllt, welche die Bediisgangen für minimale Dispersion über einen Welienlängenbereicfe ergibt. Dies ist äquivalent alt folgenden Bedingungen %

(23a) C1-X_G)\_G + Cl-X₆)S₈ A₁₆ + %" %_a „ q

(23b) (1-X_B)²A_BB + OX ²

Hierbei sißi'¹ uk-q A-MeTi-B iiu.r-&h äie

Glases bestimmt. Gleichungen (23a) und (23b) können in allgemeinerer Form ausgedrückt werden wie folgt:

(24) (1-X₁)²A₁₁ + (1-X₁)Xj Ay + X.² A,, *=

i « G , j » B or i = B, j» G

wobei

(25) Ay ^s ^₁ Sj - (S₁Sj + 5,0₁ )

/2

In Gleichung (24) sind kleine Korrekturausdrücke der Ordnung X vernachlässigt worden.

Die Größen A_GG„ Α_Ββ, Α_ββ der Gleichung (25) können bestimmt werden durch die erwähnten Sei line ier-Anpassungen der Brechungsindizes.

Gleichung (24) repräsentiert also ein Paar simultaner quadratischer Gleichungen, welche die Parameter Xq urid X_ß bestimmen. Die Lösungen der Gleichung (24) sind

(26a) X_G - * [2A_BB + A_ßG + D] /(2D) (26b) X_B - + t2A_GG + A_BG * DJ /C2D)

(27) D - (A² _BG - 4

9098 Γ//0 605

Gemäß der Sellmeier-Anpassung und bei Wahl von λ = 0,85 Mikron findet man nach diesen Gleichungen die Lösungen:

(28) X_G - 0.772 and X_ß - 1.082,

Nach Gleichungen (21) und (22) findet man dann

(29a) Δ_χ - 9.04 χ 10"³ and Δ₂ - .62 χ ΙΟ"³ (29b) AdAl - 7.60 χ ΙΟ"⁴ and λάά2 - -6.61 χ ΙΟ"⁴

Gleichung (2) gibt dann das gewünschte Resultat: (30) Ct₁ - 1.810 and ot₂ = 4.088.

Das Indexprofil nach Gleichungen (29) und (30) wird erhalten, wenn die Dotierungskonzentration von Germaniumoxid und Boroxid wie folgt sind:

(31a) C_G(r) - .079 [1. - 0.772 (r/a)¹-⁸¹⁰-0.228(r/a)⁴·⁰⁸⁸]

and
(31b) C_B(r) - .135 [2.082 (r/a)¹'⁸¹⁰-1.082 (r/a)⁴'⁰⁸⁸].

9 0 9 8 ■? 7 / 0 6 0 5

Diese Ergebnisse basieren auf der Annahme, daß der Brechungsindex linear nit der Dotierungskonzentration variiert«, Für hiervon abweichende Glassysteme ist die Erfindrang dennoch anwendbar, indem die nichtlinearen Bedingungen angewendet werden.

Fig» 3 zeigt eine forrichtung zwr Bildung eines Wellenleiters mit einem Profil nach Gleichungen (30) und (31)« Die Vorrichtung wird nun so beschrieben, daß die Art und Weise der Anwendung dieser Erfindung besser verständlich ist. Auf einen sich drehenden Dorn 17 wird eine Lage Glaspartikel 16 durch Flenaaenhydrolyse mittels Brenner 18 aufgebracht. Brenngas und Sauerstoff oder Luft werden deia Brenner 18 wie ■ üblich zögefSbrt (Leitung 19), an die Hydroiyseflamme 20 zn eriialfen.

Behälter 21, 22, 23 enthalten flüssige Bestandteile 24„ 25,

26, welche letsflich den Niederschlag 16 bilden. Ein passendes gasförmiges Medium wie Sauerstoff od. dgl· wird in die Behälter eingeführt und in Gasform ssittels Tauchle-itningeini

27, 28« 2S durch die Flüssigkeit durchgeführt«, Das Trägergas

nicht kommt voB einer passenden Quelle (fcezeigt) in vorbestimmten Mengen mit sorgestimmtem Druck« Der Gasfiuß durch Flüssigkeit 24 in Behälter 21 wird reguliert mittels Yemtii 3© üher Manometer 31. In Ihiicher Weis© werden die Leitaogen 28, 29 cterch Maracaeter 34 bzw. 35 und Fcmtil© 32, 33 eingestellt«,-

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Die flüssigen Bestandteile in den Behältern werden durch Heizmittel auf der erforderlichen Temperatur gehalten. Beim Durchperlen des Trägergases wird Flüssigkeit mitgerissen und gelangt in Sammelleitung 36, die an den Brenner angeschlossen ist, die Mischung wird also in die Flamme 20 eingeführt, so daß die Bestandteile zu den Glaspartikeln oxydiert werden. Die Oxide verlassen die Flamme 20 in Richtung auf den Dorn 17. Der Dorn oder das Stabglied 17 wird rotiert und gleichzeitig hin- und zurück quer zur Flamme 20 bewegt. (Siehe Pfeil) Man erhält somit einen gleichmäßigen Niederschlag auf der Flamme. Die Behälter 21 bis 23 enthalten eine glasbildende Reagenz und wenigstens zwei Dotierungsmittel· Behälter 21 enthält SiCl₄, Behälter 25 GeCl₄ und Behälter BCl₃.

Die Ventile 30, 32, 33 werden gemäß US-Patent 3 826 560 geregelt, um das Brechungsindexprofil zu erhalten. Ventile 32 und 33 regeln das Dotierungsmittel.

Gemäß vorliegender Erfindung regeln Regelkreise 37, 38 die Konzentration der zwei Dotierungsmittel während der Bildung des Niederschlags 16 bzw. der Vorform. Ein Fühler 39 liefert ein Signal entsprechend dem jeweiligen Radius der Vorform Dieses Signal wird beiden Regelkreisen 37, 38 zugeführt. Das Ausgangssignal des Regelkreises 37 variiert entsprechend den Gleichungen(3la) und (31b). Im Beispielsfall beträgt der GeOg-Gehalt im Zentrum 7,9 mole % und die B^-Konzentration

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am Mantel ist 13,5 mole ?£. Die Regelkreise oder -gerate 37, sind so programmiert, daß die Gehalte an Dotierungsmitteln in der Vorform 16 so sind, daß in derFaser schließlich die Gleichung (31) erfüllt ist.

Analoge Regelkreise hierfür sind bekannt. In dem Werk "ANALOG COMPUTATION IN ENGINEERING DESIGN" von Rogers and Connolly, McGraw-Hill Book Company, Inc. i960, sind solche Regelungen beschrieben. Vorzugsweise wird der Prozeß jedoch durch Mikroprocessor gesteuert. Ein geeigneter Mikroprocessor ist der "Program Logic Controller" der Allen-Bradley Company.

Für den so hergestellten Wellenleiter wurde die Pulsdispersion über der Wellenlänge errechnet und ist in Kurve C2 in Fig. gezeigt. Der Vergleich mit Kurve Cl für ein Einfach- cL -Profil zeigt, daß die Pulsdispersion über einen großen Frequenzbereich minimiert ist.

In Fig. 5 sind die Funktionen oC^( \) und et ^ M gemäß Gleichung (2) aufgezeichnet, die nach Beispiel 2 bestimmt wurden« Sowohl OC₁(Al in Fig. 5) wie auch oC ^ (A2 in Fig. 5) zeigen einen Extremwert bei 0,85 Mikron - gemäß Gleichung (14). Jedoch zeigt sich in diesem Wellenlängenbereich ein recht großer Bereich minimaler Pulsdispersion, wie in Fig. 4 gezeigt,

In Fig. 6 sind das GeO₂ und B^-Dotierungs-Profil dieses Beispiels gezeigt durch die Kurven G2 und B2. Vergleichs-

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weise sind in Kurven G und B₂ die GeO₂ bzw. B₂0_-Dotierungs-Profile gezeigt, die ein optimales Einfach- ⁰^-Profil ergeben. Diese früheren Konzentrationsprofile nach den Kurven Gl und B2 sind gegeben durch:

1 Q*57 (32) C_G(r) = .079 [1 - (r/a)¹""']

(33) C_R(r) = .135

Es ist klar, daß Dotierungsprofile des optimalen Einzel-C>C-Profils und des Doppel-cyL-Profils dieser Erfindung verschieden sind. Diese Unterschiede können beobachtet werden mittels Röntgenstrahl-Mikroprobentechnik zur Messung des Dotierungsprofils optischer Fasern oder von deren Vorformen. Eine solche Technik ist beschrieben durch W.T. Kane in dem Aufsatz "APPLICATIONS OF TUE ELEKTRON MICROPROBE IN CERAMICS AND GLASS TECHNOLOGY", erschienen in "Microprobe Analysis", herausgegeben durch CA. Andersen, John Wiley & Sohn, Inc. 1973.

Beispiel 3

Als weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird ein Indexprofil bestimmt gemäß Gleichung (15) welches minimale Pulsdispersion bei zwei Wellenlängen, X₁ = 0,80 Mikron und } P = 1,20 Mikron aufweist.

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-IS-

- 29074Q2

Die Gleichungen (16) bis (22) sollen die Werte angeben für 0,80 Mikron. Ein analoger Satz von Größen für 1,2 Mikron wird bestimmt und von ersteren unterschieden durch einen Querstrich über der jeweiligen Große, z. B.

(34) Z_G - n* - n_s

wobei nL und n_g bestimmt sind für 1,2 Mikron. Die zu erfüllende Bedingung ist:

(35) a^ « 5-,

a₂.

Aufgrund Gleichung (4) und der Definitionen der Gleichungen (16) bis (22) folgt, daß Gleichung (35) dem folgenden Ausdruck äquivalent ist:

,2 t, . fi.y\ Y.R.. + X. B₁. » 0

(36) (1-X₁) ^L B₁₁ + (1-X₁) XjB₁J +

wobei i = G und j = B oder j = G und i = B ist.

In Gleichung(36) wurde der kleine Korrekturausdruck von X vernachlässigt.

Die Größen B. . sind definiert als

9 0 9 8 3 7/0605

(37) B.,=2(Z-Z) (δ.δ. +6.5.) + (2

Die Koeffizienten B~~, B_nn, B~_n können bestimmt werden durch

Uu iil3 Uli

die erwähnten Sellmeier-Fits.

Durch Lösung von Gleichung (36) findet man

(38) X_G = .398
X_B = -2.021

(39) α_χ - 3.028
α₂ - 1.581.

In Fig. 7 ist die so erhaltene Pulsdispersion über der Wellenlänge aufgetragen. Die Pulsdispersion zeigt ein Minimun bei jum

0,80/und 1,20 pn an.

Die Dotierungsprofile dieses Wellenleiters sind gegeben durch:

(40)

C_G(R)-.O79 [l-.398(r/a)³-^O28-.6O2(r/a)¹·⁵⁸¹!

C_B(R)-.135 13.021(Wa)¹-⁵⁸¹ -2.021(r/a)³·⁰²⁸].

Wenn die lineare Annäherung gemäß Gleichung (21) nicht gilt, so wird die Analyse schwieriger. Die Prinzipien der Bestimmung des Wellenleiters bleiben aber die gleichen.

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Weitere Verbesserungen bei der Reduzierung der Pulsdispersion können erreicht werden durch Einfügung zusätzlicher Parameter £ . in Gleichung (13), so daß

η
(41) O₁ - 2 - 2{ς

Die Größen £ . können als kleine Parameter betrachtet werden, derart, daß

(43)

< 2. 1 - 1...N.

Durch Standardanalysemethoden können f. .-Werte gewählt werden, welche die Dispersion weiter verkleinern. Die exakten 6 .-Werte hängen ab von . j , _M

¹ j' -ar ^c' ^c

sowie der Aufteilung der optischen Energie oder Intensität über die Moden des Wellenleiters. Jede Auswahl von € . nach Gleichung (42) liegt innerhalb vorliegender Erfindung.

Es sind zwar nur besondere Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden, innerhalb des wahren Erfindungsgedankens liegen jedoch vielfältige Modifikationen, welche alle von den Patentansprüchen umfaßt sein sollen.

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Leer seife

Claims

Anmelderin: Corning Glass Works

Corning, N.Y. 14830 USA

PATENTANWÄLTE

DR. ERNST STÜRM

DR. HORST REINHARD

DIPL.-ING. KARL-JÜRGEN KREUTZ

8000 München 40, Leopoldstraßc 20/IV Telefon: (089) 396451

Telegramm: Isarpatcnt Bank: Deutsche Bank AG München Konto-Nr. 21/14171 (BLZ 70070010) Postscheck: München 97 56-809

Datum 20. Februar 1979 Kr/h

Patentansprüche

1.) Optischer Wellenleiter, bestehend aus einem Kern und einem Mantel, wobei der Brechungsindex des Kernes von einer Funktion in Abhängigkeit vom Mittelpunktsabstand r bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet,

daß der Wellenleiter wenigstens drei glasbildende Bestandteile aufweist und daß das Profil des Brechungsindex bestimmt ist durch die Funktion:

n²(r) - n²,

wobei

N>2 die Nummer des Indexprofiles vom oC-Typ ist η = Brechungsindex beim Radius r = ο η " Brechungsindex beim Radius r => a

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• ;^c ° . 29074Q2

Δ. - Z Δ.,

wobei Δ . und cxl . Größen darstellen, welche die Dispersion der Pulse reduzieren.

2· Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Größe von oC . gegeben ist durch:

wobei A die Betriebswellenlänge ist und

3. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Größe von oC^ gegeben ist durch:

wobei ^ die Betriebswellenlänge ist und

■9 09837/06 0 5

₁J £ 2 · i ■ .1 ····*

und wobei £ ^ eine Größe ist, welche vergrößerte PuIsdispersion ergibt.

4. Wellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß S _± - 1 für i « 1 ....N.

5. Wellenleiter nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß"Ä /'Werte sind, welche über einen Wellenlängenbereich eine Pulsdispersion bewirken.

6. Wellenleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Δ .-Werte bestimmt sind durch!

¹ dojl «=0, i β 1....Μ

wobei λ die Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs ist, bei der der Wellenleiter benutzt wird.

7. Wellenleiter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Δ _± Werte sind, welche eine Pulsdisperiosn bei zwei oder mehr Wellenlängen ergeben.

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8. Wellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Δ .-Werte bestimmt sind durch:

O₁(X₁) - O₁(X₂) .... - O₁(Xg), i - 1 .---N

wobei 2<q<N, und wobei der Wellenleiter bei wenigstens einer der Wellenlängen λ _t% λ ₂ ^q ^{vervrendet wird}·

9. Wellenleiter nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Konzentrationsprofile der Komponenten der Glaskomposition durch folgende Funktion bestimmt ist:

N α.

C₄(r) - C.(o) + E C.,(r/a) ^{3 3} i=l -¹ j β 1....Ρ

i β Ι,.,.Ν

N>2,

wobei sich für die Werte C ._± und <*L _± verminderte Pulsdispersion ergibt und C.(o) die Konzentrationen jeweils beim Radius

J r = .o, also im Mittelpunkt, angibt.

10. Wellenleiter nach wenigstens einem der vorhergehenden Patentansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Wellenleiter ein Multiraoden-Wellenleiter ist, dessen Einlaß (Einlaßende) lichtleitend verbunden ist mit einer Quelle für Lichtpulse einer mittleren Wellenlänge A , daß Lichtpulse vom Einlaß zum Auslaß übertragen werden, und

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zwar mit einer verminderten Pulsdispersion bei zwei oder mehr Wellenlängen oder bei einem Wellenlängenbereich mit der mittleren Wellenlänge A .

11. Verfahren zur Herstellung eines optischen Gradienten-Wellenleiters, bestehend aus Kern und Mantel, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Kern (mit dem Radius a) aus einer Vielzahl glasbildender Bestandteile gebildet wird, wobei die Konzentrationen dieser Bestandteile, also ihr gegenseitiges Mengenverhältnis, während der Herstellung derart geändert wird, daß der Brechungsindex des Kernes als Funktion des Mittelpunktabstandes r von folgender Gleichung bestimmt ist:

·» 9 ^{N a}i xTlx) - iCU-Σ 2Δ. (r/a) ^x]

^c i-1 ^x

wobei η der Brechungsindex im Mittelpunkt ist und

OC₁ Werte sind, welche minimale Pulsdispersion ergeben und abhängig sind von den glasbildenden Bestandteilen, derart, daß

- l....Hwhere M>

H β η - Xdn_c/d λ

und
U₁-In₀ ²- n_o ²)/2n_c ².

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η der Brechungsindex bei r = a ist,

daß sodann um den Kern herum ein Mantel mit geringerem Brechungsindex als dem des Kerns gebildet wird, worauf Kern und Mantel auf die Ziehtemperatur erhitzt werden und schließlich zu dem optischen Wellenleiter ausgezogen werden.

12. Optischer Wellenleiter mit Mantel und Kern, bestehend aus ρ >, 3 glasbildenden Komponenten, deren Zusammensetzungsprofil, d. h. deren Mengenanteile in Abhängigkeit vom Mittelpunktsabstand bestimmt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zusammensetzungsprofil C.(r) bestimmt ist durch die

Gleichung: _{N α}

(r) - C. (o) + Σ C.,(r/a)

3 i«l 3*

1....P

M>2,

wobei die Koeffizienten

C. und oC. verminderte Pulsdispersionen ergeben und C.(o) die Konzentration bzw. Zusammensetzung bei a = ο angibt.

13. Verfahren zur Herstellung eines optischen Gradienten-Index-Wellenleiters,
dadurch gekennzeichnet,

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daß aus einer Vielzahl (p) glasbildender Bestandteile ein Kern gebildet wird, wobei die Mengenanteile der Komponenten (das Zusammensetzungsprofil) in Abhängigkeit vom Mittelpunkts abstand bestimmt wird nach der Gleichung:

C.(r) - C₃(O) ♦ I C_Jt

(r/a) *· 1.. -.p# 3 - 1». ..Mr i «

P>3

wobei die Koeffizienten C.. und oC. verminderte

Pulsdispersionen ergeben,

worauf auf den Kern ein Mantel mit geringerem Brechungsindex aufgebracht wird.

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