DE2930398A1

DE2930398A1 - Optische gradientenindex-faser grosser bandbreite und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2930398A1
Application number: DE19792930398
Authority: DE
Inventors: Tobert Olshansky; Arnab Sarkar
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1978-07-31
Filing date: 1979-07-26
Publication date: 1980-02-28
Also published as: GB2027224B; IT7924685A0; FR2432487B1; NL7905802A; IL57899A; YU184579A; FR2432487A1; US4229070A; NL191720B; GB2027224A; IT1122359B; NL191720C; AU4928479A; FI792352A; FI77945C; BE877900A; CH641280A5; DE2930398C2; AU512910B2; JPS6337045B2

Description

Optische Gradientenindex-Faser großer Bandbreite und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft optische Gradientenindex-Fasern großer Bandbreite, insbesondere optische Gradientenindex-Wellenleiter großer Bandbreite, aufgebaut aus einer äußeren Mantelschicht mit vorbestimmtem Brechungsindex, einer Sperrschicht (barrier layer) an der inneren Oberfläche der Mantelschicht, bestehend aus einem Grundglas und wenigstens einem Dotierungsmittel, wobei die Menge des Grundglases und des Dotierungsmittels durch die gesamte Dicke der Sperrschicht im wesentlichen gleichmäßig ist, und einem Kern aus Glas hoher Reinheit mit einem Gradienten-Brechungsindex, der an der Sperrschicht unter Bildung einer Berührungsfläche zwischen beiden, anhaftet, wobei dieser Kern im wesentlichen aus einem Grundglas und einem oder mehreren Dotierungsmitteln besteht sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

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ORIGINAL INSPECTED

Auf das gleiche Gebiet bezieht sich die gleichzeitig hinterlegte weitere Anmeldung (Ser.No. 929,416; OLP 2815 A) der Anmelderin. Beide Anmeldungen lösen die im wesentlichen gleiche Aufgabe, jedoch auf verschiedene Weise.

Optische Fasern, die in optischen Ubertragungssystemen verwendet werden, sind insbesondere optische Wellenleiter. Die Erfindung betrifft daher insbesondere optische Wellenleiter. Diese bestehen normalerweise aus einem transparenten dielektrischen Material, wie z.B. Glas oder Kunststoff.

Optische Gradientenindexfaser-Wellenleiter, im folgenden kurz Gradientenfasern genannt, weisen eine radial sich ändernde Zusammensetzung auf und haben deshalb einen radial sich ändernden Brechungsindex. Die US-Patente 3,823,995 und 3,711,262 beschreiben Gradientenfasern und Verfahren zu ihrer Herstellung durch Niederschlagsverfahren aus der¹ Dampfphase. Wenn im Rahmen der Erfindung von Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase die Rede ist, so schließen diese die chemische Niederschlagung aus der Dampfphase, die Flammhydrolyse und andere Verfahren ein, bei welchen dampfförmiges Material in ein erhitztes Rohr geleitet, dort mit Sauerstoff und Hitzezufuhr um-

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gesetzt und auf der inneren Oberfläche des Rohres niedergeschlagen wird. Das Material kann im Rohr in aufeinanderfolgenden Schichten niedergeschlagen werden, worauf das Rohr abgekühlt und ein geschmolzener (fused) Rohling erhalten wird. Nach Beendigung des Niederschlagsprozesses wird das Rohr kollabiert oder der Rohling wird nach Entfernen der Wärmequelle wieder erhitzt und anschließend kollabiert, wobei jedes Mal eine feste Vorform erhalten wird; das Kollabieren kann auch während des Ziehprozesses durchgeführt werden. Die feste Vorform wird anschließend erhitzt und zu einem langen, feinen Glasfaden ausgezogen. Da die Struktur des gezogenen Glasfadens bzw. Wellenleiters die Struktur der Vorform aufweist, ist es wichtig, daß die physikalisehen Eigenschaften der Vorform sorgfältig kontrolliert werden.

Bekanntlich besitzen Gradientenfasern einen höheren Brechungsindex im Zentrum des Kerns und niedrigere Brechungs indeces in radialer Richtung nach außen. Der Gradienten-Brechungsindex kann kontinuierlich oder diskontinuierlich variiert werden und kann lineare, parabolische oder andere gewünschte Charakteristika aufweisen. Hinsichtlich der Herstellung und der Verwendung von optischen Wellenleitern sei verwiesen auf "Fiber Optics Principles and

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Applications" by N.S. Kapany, Academic Press, 1967; "Geometrical Optics of Parabolic Index Gradient Cylindrical Lenses" by F. P. Kapron, Journal of the Optical Society of America, Vol. GO, No. 11, Seiten 1433-1436, November 1970; und "Cylindrical Dielectric Waveguide Mode" by E. Snitzer, Journal of the Optical Society of America, Vol. 51, No. 5, Seiten 491-498, Mai 1961.

Um die Änderung des Brechungsindex der Vorform oder des Rohlings, die durch Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase hergestellt werden, zu verändern, kann die chemische Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien, die durch Reaktion das auf der inneren Oberfläche des Rohres niedergeschlagene Material ergeben, variiert werden. Die Dampfmischung wird hydrolysiert oder oxidiert und auf der inneren Oberfläche des Rohres niedergeschlagen und anschließend zu einem Glas hoher Qualität und hoher Reinheit geschmolzen. Gleichzeitig können ein oder mehrere zusätzliche dampfförmige Bestandteile in das Rohr gebracht werden, welche als "Dotierungsmittel" wirken und deren Anwesenheit den Brechungsindex oder andere Charakteristika des Glases beeinflussen.

Es ist bei der Herstellung von Rohlingen oder Vorformen durch Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase weiterhin

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bekannt, eine Sperrschicht (barrier layer) auf der Innenseite des Trägers oder des Substratrohres aufzubringen, und zwar vor der Niederschlagung des Kernglases, wobei das Substratrohr den Mantel der Vorform bildet. Die hauptsächliche Funktion der Sperrschicht besteht darin, Streuungs- und Absorptions-Verluste an der Grenzschicht bzw. Berührungsflüche zu verhindern oder zu verringern, und zwar dadurch, daß die Kern-Mantel-Berührungsfläche bzw. Grenzschicht vermieden wird, die vorhanden wäre, wenn zwischen, den niedergeschlagenen, dämpfungsarmen Glasschichten hoher Reinheit und der inneren Oberfläche des Substratrohres die Sperrschicht, fehlen würde. Die Sperrschicht besteht herkömmlicherweise aus einem Bor-Silikat-Glas, da das Dotieren von Kieselsäure, welche im allgemeinen das Grundglas darstellt, mit Bor die Niederschlagstemperatur herabsetzt und dadurch die Schrumpfung des Substratrohres vermindert. Andere Vorteile beim Dotieren von Kieselsäure mit Bor bestehen darin, daß es den Brechungsindex des Glases reduziert und als Sperre gegen die Dif-

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fusion/IlydroxyLionen, bzw. Wasserstoff oder Wasser wirkt, die aus dem Substratrohr in das niedergeschlagene Kernglas bei höheren Verfahrens- oder Ziehtemperaturen eindiffundieren uiirden.

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Es ist weiterhin bekannt, daß die Informations-Bandbreite eines optischen Wellenleiters wesentlich durch ein Gradientenindex-Brechzahlprofil erhöht werden kann. Die Bandit breite einer Gradientenfaser kann ca. 10 bis 10 mal größer sein als die Bandbreite eines Wellenleiters ohne Gradientenindex-Brechzahlprofil. Die Erhöhung der Bandbreite hängt stark von der Gestalt des Brechzahlprofils ab.

Ein wesentliclier Nachteil bei der Herstellung von Vorfornien oder Rohlingen und damit von optischen Wellenleitern -durch Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase nach dem Stande der Technik bestellt darin, daß die Wellenleiter eine Korabination aus Stufeuindex und Gradientenindex-Brechzahlprofi len aufweisen, was zur Impulsverbreiterung der Moden höherer Ordnung und damit zu einer geringeren Bandbreite führt. Ein derartiges Profil ist in Figur 1 gezeigt, wo der Gradiententeil durch Kurve IO und der Stufenteil durch den im wesentlichen vertikal verlaufenden Teil 12 dargestellt ist.

Ein kombiniertes Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil, von welchem angenommen wird, daß es die Impulsverbreiterung von Moden höherer Ordnung verursacht, ist

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in Figur 2 dargestellt, wo der Gradiententeil durch die Kurve 14 und der Stufenteil durch die Stufe 16 dargestellt ist. Das unerwünschte kombinierte Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil der Figur 2 wird anscheinend nach dem Stande der Technik nicht verwendet, wird jedoch gleichwohl hier diskutiert, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen.

Es gibt wenigstens zwei Fälle der Kombination von Stufenindex- und Gradientenindex-Brechzahlprofilen, wie sie in Figuren 1 und 2 dargestellt sind. Ein hoher Borgehalt in der Sperrschicht ist aus den vorgenannten Gründen wünschenswert. Ein niedriger Borgehalt ist im Kern wünschenswert, um die numerische Apertur des resultierenden optischen Wellenleiters zu erhöhen, die Rayleigh-Streuung zu vermindern und die Infrarot-Absorption der B-O Schwingungs-Banden im Spektralbereich von 1,2 bis 1,5 Mikrometer (II. Osani et al., Electronic Letters 12, 549, 1976) zu eliminieren. Der zweite Grund für ein derartiges Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil besteht darin, daß an der Sperrschicht-Kern-Grenzflache ein Dotierungsmittel, wie GeO₉ und/oder P₂ ⁰S ^oder dergleichen in einer begrenzten Menge eingeführt werden muß, die durch die Kapazität des

die Ausgangsmaterialien liefernden Dampfsystems vorgegeben ist. Es sei an dieser Stelle betont, daß in beiden Figuren 1 und 2 der Brechungsindex des Kerns an der Sperrschicht-Kern-Grenzfläche um einen Betrag Δη höher ist als der Brechungsindex des Materials des Substratrohres bzw. des Mantels. Man geht davon aus, daß diese stufenförmige Erhöhung des Brechungsindex des Kerns an der Sperrschicht-Kern-Berührungsflüche bzw. Grenzschicht die Ursache ist für die Impulsverbreiterung der Moden höherer Ordnung und damit der geringeren Bandbreite. In jedem Beispiel ist Kieselsäure das Material des Substratrohres mit einem Brechungsindex von 1,4570 und einem Brechungsindex an der zentralen Achse 18 und 20 der Figuren 1 und 2 von 1,4766. Die Brechungsindeces beziehen sich auf eine Wellenlänge von ca. 630 nm für eine Faser mit einer numerischen Apertur von ca. 0,24.

Die Kurve 48 der Figur 13 zeigt die Impulsverbreiterung, die bei einem typischen kombinierten Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil nach dem Stande der Technik beobachtet wurde. Der obere, engere Teil des Impulses wird durch den Gradiententeil des Brechungsprofils erzeugt, während der untere breitere Teil, der sich nach i rechts fortsetzt, durch den Stufenteil des Profils erzeugt wird. Die Bandbreite der durch Kurve 48 der Figur ____^_____ . - 9 -

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dargestellten Faser wurde gemessen und ergab 260 mHz für einen Kilometer Länge.

Ein allgemein verwendetes Verfahren zur Herstellung von z.B. GeO₀-SiO₀-B₀O- oder Si0_o-Ge0_o-B_o0_-P_o0_e.-Kern-Wellenleitern ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt, in welchen die gleichzeitige Verringerung der B_o0„-Menge und der Einführung von begrenzten Mengen von GeO₀ und/oder P₀Oj. eine stufenförmige Erhöhung des Brechungsindex an der Kante des Kerns erzeugt und zu dem Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil der Figur 1 führt, wie vorstehend beschrieben ist. Andererseits ergibt sich das in Figur dargestellte Verfahren, daß den zweiten Typ des unerwünschten Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofils gemäß Figur 2 darstellt, wenn begrenzte Mengen von GeO „ und/oder P_o0_ in der Sperrschicht zusammen mit B₀O- verwendet werden, und die Menge des B_o0_ in der Sperrschicht

ti, O

nicht hinreicht, um den Anstieg des Brechungsindex, verursacht durch den Gehalt an GeO₀ und/oder P₂^5' ^{zu korn}~ pensieren. In diesem Falle wird eine stufenförmige Erhöhung des Brechungsindex an der Mantel-Sperrschicht-Grenzschicht verursacht, was zu einem Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofi1 gemäß Figur 2 führt.

Obwohl die Figuren 3, 4 und 5 als Ausgangsmaterialien

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die Chloride bzw. Oxychloride von Bor, Silizium, Germanium und Phosphor angeben, sind die entsprechenden Oxide, wie vorstehend beschrieben, gemeint, da die Chloride bzw. Oxichloride unter dem Einfluß von Sauerstoff und Hitze zu den entsprechenden Oxiden reagieren. Die hier beschriebene Dampfphasen-Oxidation beinhaltet die "chemische Niederschlagung aus der Dampfphase" und andere Dampfphasen-Oxidations-Verfahren. Der Ausdruck "chemische Niederschlagung aus der Dampfphase" bedeutet die Bildung von Niederschlagen durch chemische Reaktionen, die auf, an oder in der Nähe der Niederschlags-Oberflache stattfinden. Diese Definition ist auf Seite 3 der Veröffentlichung "Vapor Deposition", herausgegeben von CF. Powell etjal., New York, John Wiley & Sons, Inc., 1966, enthalten. Es können jedoch bekannte verfahrensmäßige Variationen dieser Verfahren verwendet werden, um die Niederschlagung von geeigneten Glasüberzügen durch chemische Niederschlagung aus der Dampfphase zu bewirken, wie z.B. solche, die auf Seite 263 der vorgenannten Veröffentlichung von Powell et al. beschrieben sind, wo es heißt: "Eine andere Möglichkeit zur Bildung gleichmäßiger überzüge mit ebenfalls hohem Niederschlags-Wirkungsgrad und speziell anwendbar für die Herstellung von Überzügen auf der inneren Oberfläche von kleinen Rohrwandungen besteht darin, nur

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einen kleinen Teil des Rohres auf die Niederschlagstemperatur zu erhitzen... Der auf die Niederschlagstemperatur erhitzte TeJl wird langsam über die gesamte Länge des Rohres oder die gesamte zu beschichtende Fläche bewegt". In diesem Zusammenhang wird auch auf die US-PS 3,031,338 verwiesen.

Eine andere wirksame Möglichkeit zur Aufbringung von Schichten durch Dampfphasen-Oxidation besteht darin, eine Rußschicht des gewünschten Materials zu sintern, die durch Flammhydrolyse entsprechend den US-Patentschriften 2,272,342 oder 2,326,059 aufgebracht wurde.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorstehend geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere also einen optischen Gradientenindex-Wellenleiter großer Bandbreite und wesentlich geringerer Impulsverbreiterung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese genannten ein oder mehreren Dotierungsmittel andere Dotierungsmittel als Β,,Ο-, sind und in einer Menge enthalten sind, die über den Querschnitt des Kerns einen im wesentlichen kontinuierlich variierenden Brechungsindex ausgehend von der Berührungsfläche in Richtung auf die

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Achse des Kerns gewährleistet, wobei der Brechungsindex des Kerns an dieser Berührungsfläche im wesentlichen gleich oder kleiner ist als der Brechungsindex der Sperrschicht an der Berührungsfläche und umgekehrt der Brechungsindex der Sperrschicht höchstens gleich demjenigen der Mantelschicht ist.

Wie Kurve 52 der Figur 12 zeigt, hat der Lichtleiter gemäß der Erfindung eine wesentlich geringere Impulsverbreiterung und eine gemessene Bandbreite von 910 mllz für einen Kilometer Länge. Die reduzierte Impulserweiterung und die hohe Bandbreite werden erzielt durch die Vermeidung des Stufenteils des Brechzahlprofils. Außerdem wird die numerische Apertur erhöht, die Rayleigh-Streuung reduziert und die Infrarot-Absorption der B-O Schwingungsbanden im Spektralbereich zwischen 1,2 und 1,5 Mikrometer reduziert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Aufgabenstellungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen, wobei auch vorzugsweise Ausführungsformen beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung des Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofils eines optischen

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Wellenleiters nach dem Stande der Technik.

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung eines anderen Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofils eines optischen Wellenleiters mit geringer Bandbreite.

Fig. 3 und 4 zeigen graphische Darstellungen von Verfahren nach dem Stande der Technik betreffend die Verwendung von dampfförmigen Materialien bei der Herstellung von optischen Wellenleitern mit kombinierten Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofilen .

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung eines Verfahrens betreffend die Verwendung von dampfförmigen Materialien bei der Herstellung von optischen Wellenleitern mit einem kombinierten Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil gemäß Fig. 2.

Fig. 6 und 7 zeigen graphische Darstellungen der erfindungsgemäßen optischen Gradientenindex-Fasern großer Bandbreite.

Fig. 8 zeigt in schräger Ansicht einen optischen Wellenleiter gemäß der Erfindung.

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Fig. 9 und 10 zeigen graphische Darstellungen von Verfahren unter Verwendung von dampfförmigen Materialien zur Herstellung der erfxndungsgemaßen Lichtleiter hoher Bandbreite.

Fig. 11 zeigt eine graphische Darstellung der Verzögerungszeit einer Hauptmodennummer vs eines optischen Wellenleiters gemäß der Erfindung im Vergleich zu einem Wellenleiter nach dem Stande der Technik.

Fig. 12 zeigt eine graphische Darstellung der Bandbreite (wobei die Zeit vs gegen die Kraft aufgetragen ist) eines erfindungsgemäßen Wellenleiters im Vergleich zu einem Wellenleiter nach dem Stande der Technik.

Es sei betont, daß die Zeichnungen die Erfindung lediglich verdeutlichen sollen und daß keine Absicht bestand, Maßstäbe oder relative Mengenangaben der verwendeten Substanzen anzugeben. Aus Vereinfachungsgründen wird die Erfindung anhand der Herstellung von Vorformen für optische Wellenleiter mit Gradientenindex und großer Bandbreite sowie anhand der Herstellung von optischen Wellenleitern selbst beschrieben, wobei das Grundglas Kieselsäure ist, obwohl die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.

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Zwei Beispiele von Gradientenindex-Wellenleitern, hergestellt aus Vorformen oder Rohlingen gemäß der Erfindung sind durch die Figuren 6 und 7 dargestellt. Die Figur 8 zeigt einen typischen optischen Wellenleiter 22, hergestellt gemäß der Erfindung. Der Gradientenindex des B_o0„-freien Kerns 24 ist in Figur 6 durch Kurve 26 dargestellt, während die Sperrschicht 28 durch den geraden Teil 30 angegeben ist. Das Ausgangsteil oder Substratrohr 32, welches schließlich den Mantel des Wellenleiters formt, ist durch den flachen bzw. geraden Teil 34 in Figur 6 gezeigt. Die Sperrschicht stellt das erste niedergeschlagene Material auf der inneren Oberfläche des Substratrohres dar und wird deshalb manchmal als niedergeschlagener Mantel bezeichnet. Das Substratrohrmaterial, das zur Beschreibung der Erfindung verwendet wird, ist ein Kieselsäure-Grundglas, enthaltend 2 Mo 156 GeO₀ als Do-

tierungsmittel, dessen Brechungsindex in dem in Figur 6 dargestellten Mantelteil 1,4595 ist, d.h., dieser Wert liegt um 0.0025 über dem Wert des Brechungsindex des Kieselsäure-Grundglases. Dies trifft ebenfalls zu auf die Darstellungen der Figuren 6 und 7, um die Beschreibung der Erfindung zu erleichtern und insbesondere um einen leichteren Vergleich zwischen den einzelnen Ausführungsformen bzw. Darstellungen zu erlauben. Aus diesem Grunde

ist auch der Brechungsindex bei jedem Beispiel an der zentralen Achse 36 und 38 der optischen Wellenleiter der Figuren 6 und 7 jeweils annähernd 1,4787, während die Schichtdicke "b" der Sperrschicht jeweils annähernd 1 Mikrometer und der Kernradius "a" jeweils annähernd 31,25 Mikrometer ist.

Die Vorformen oder Rohlinge gemäß der Erfindung sowie die Lichtleiter selbst können durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, z.B. gemäß den Verfahren in den US-Patentschriften Nr. 3,823,995 und Nr. 3,711,262. Es sind aber auch andere Verfahren zur Herstellung von optischen Gradientenindex-Wellenleitern im Rahmen der Erfindung geeignet. Obwohl beliebige bekannte Verfahren zur Herstellung der Ausgangsteile oder Substratrohre verwendet werden können, sind die Verfahren gemäß den US-Patentschriften Nr. 3,823,995 und 3,711,262 zur Herstellung von Rohren für den erfindungsgemäßen Zweck geeignet.

In den Figuren 9 und 10 sind zwei Verfahren zur Herstellung von optischen Gradientenindex-Wellenleitern großer Bandbreite mit B_o0_-freiem Kern der Figuren 6 und 7 gezeigt. Es sei nochmals betont, daß die Figuren 9 und die Ausgangsmaterialien beinhalten, also Chloride oder

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ähnliche Verbindungen von Bor, Silizium, Phosphor und Germanium, die unter dem Einfluß von Sauerstoff und Hitze zu den entsprechenden Oxiden reagieren. Das Grundglas, das in den Figuren 9 und 10 gezeigt ist, ist Kieselsäure, zu welcher B₀O-, GeO_n und P₀O₁. selektiv zugegeben werden. Das Ausgangsteil oder Substratrohr ist in jedem Falle mit GeO₀ dotierte Kieselsäure.

Die Sperrschicht wird gebildet durch Aufbringen einer Vielzahl von Materialschichten auf die innere Oberfläche des Substratrohres, wobei die Zusammensetzung der Sperrschicht im wesentlichen überall gleichmäßig ist, und zwar mit im wesentlichen konstanten Proportionen von Kieselsäure, P₂^' ^^e^2 ^un(* ^wanl^weise BqO-*· Wie in Figur 9 gezeigt, werden die Mengen (Levels) von P₀O₁- und GeO₀ in der Sperrschicht auf einem Nieau gehalten, wobei der Brechungsindex der Sperrschicht geringer ist als derjenige der mit GeO₀ dotierten Grundglas-Kieselsäure, wie durch den geraden Teil 30 in Figur 6 verdeutlicht wird. Im einzelnen liegt der Brechungsindex der Sperrschicht gemäß Figur 6 annähernd um 0,0004 niedriger als der Brechungsindex der dotierten Kieselsäure-Mantelschicht. Um den Gradientenindex im Kern gemäß Kurve 26 der Figur zu erhalten, werden die Mengen an GeO₀ und P₂O₅ *^η der Kernmaterialzusammensetzung, die auf der Sperrschicht

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niedergeschlagen wird, allmählich während des sukzessiven Niederschiagens von Schichten aus Kernmaterial erhöht. Der Kernteil kann durch Aufbringung einer Vielzahl von Schichten des Kernmaterials gebildet werden, bis die gewünschte Dicke der Kernschicht erreicht ist.

Da erfindungsgemäß sowohl die Sperrschicht als auch der Kern gemäß Figur 9 P₃O₅ und GeO₂ enthalten und keine abrupte Änderung in den Mengen dieser Dotierungsmittel noch eine abrupte Einführung eines neuen Dotierungsmittels, wenn der Kern über der Sperrschicht gebildet wird, vorhanden ist, hat das resultierende Wellenleiterprofil, wie es in Figur 6 dargestellt ist, kein kombiniertes Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil, wie es Wellenleiter nach dem Stande der Technik aufweisen. Die Änderung der Menge an P_o0_ und GeO₀ innerhalb der Kerndicke ist in einer vorbestimmten Weise programmiert, so daß ein gewünschtes, vorherbestimmtes Brechzahlprofil über den Querschnitt des optischen Wellenleiters erhalten wird.

In Figur 10 ist ein Verfahren zur Herstellung des in Figur 7 gezeigten optischen Wellenleiters hoher Bandbreite dargestellt. Der B„0,-freie Kern 24 mit Gradientenindex gemäß Figur8 ist in Figur 7 durch die Kurve 40 dargestellt, während die Sperrschicht 28 durch den flachen bzw. ge-

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raden Teil 42 dargestellt ist. Das Ausgangsteil oder Substratrohr 32, welches letztlich den Mantel des Wellenleiters bildet, ist durch den flachen Teil 44 in Figur dargestellt. Wie in Figur 10 gezeigt, werden die Mengen (Levels) von B₃O-, P₃O₅ ^und GeO₂ in der Sperrschicht auf gleichen Levels gehalten, wobei der Brechungsindex der Sperrschicht im wesentlichen gleich demjenigen des mit GeO dotierten Kieselsäure-Ausgangsteils ist, wie durch den flachen Teil 42 der Figur 7 verdeutlicht wird. Um den Gradientenindex im Kern gemäß Kurve 40 in Figur 7 zu erhalten, wird, wie aus Figur 10 ersichtlich ist, B_o0_ völlig aus der Kernmaterialzusammensetzung, die auf der Sperrschicht niedergeschlagen wird, eliminiert, während die Menge an GeO₀ und P_o0rr zunächst in der Kernzusammensetzung abrupt erniedrigt und dann allmählich in jeder nachfolgenden Schicht erhöht wird. Der Kern kann durch Aufbringung einer Vielzahl von Schichten aus Kernmaterial gebildet werden, bis die gewünschte Dicke der Kernschicht erreicht ist. Da B₂O₃ völlig aus dem Kernmaterial eliminiert ist und sowohl GeO₂ als auch P₀O₅ abrupt erniedrigt werden, wenn die erste Schicht aus Kernmaterial auf der Sperrschicht niedergeschlagen wird, gibt es eine abrupte Erniedrigung des Brechungsindex an der Sperrschicht-Kern-Berührungsfläche, wie das in Figur 7 dargestellte Brechzahlprofil zeigt. Das re-

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sultierende Wellenleiterprofil gemäß Figur 7 hat daher auch nicht das Stufenindex-Gradientenindex-Brechzahlprofil mit einem stufenförmigen Anstieg des Brechungsindex des Kerns gemäß dem Stande der Technik. Die Änderung der Mengen von PpOe ^und GeO₂ innerhalb des Kerns wird in einer vorbestimmten Weise programmiert, so daß ein gewünschtes, vorbestimmtes Brechzahlprofil über den Querschnitt des schließlich hergestellten optischen Wellenleiters erhalten wird. Obwohl das in den Figuren 9 und 10 dargestellte Verfahren zur Herstellung von optischen Wellenleitern der Figuren 6 und 7 in Verbindung mit B₃O₃, P0O5 ^und ^eO₂ als Dotierungsmittel beschrieben wurde, können im Rahmen der Erfindung auch andere Dotierungsmittel oder deren Kombinationen verwendet werden, mit der Ausnahme, daß der Kern frei von B_nO- ist. Wenn andere Dotierungsmittel oder deren Kombinationen verwendet werden, müssen auch deren Mengen in geeigneter Weise programmiert werden, um eben ein gewünschtes, vorgegebenes Brechzahlprofil über den Querschnitt des Wellenleiters zu erhalten.

Um ein besseres Verständnis der Vorteile der Erfindung zu ermöglichen, sei nunmehr näher auf die Figuren 11 und 12 eingegangen. Die Kurve 46 in Figur 11 und die Kurve 48 in Figur 12 wurden erhalten bei Verwendung eines optischen Wellenleiters nach dem Stande der Technik, und zwar des

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in Figur 1 gezeigten Typs, während die Kurve 50 der Figur 11 und die Kurve 52 der Figur 12 erhalten wurden mit einem erfindungsgemäßen Wellenleiter, wie er in Figur 6 dargestellt ist. Die Kurven 50, der Figur 11 und 52 der Figur 12 stellen unter Verwendung von optischen Wellenleitern erhaltene Meßdaten-Trends dar und die aufgezeichneten Kurven 46 und 50 der Figur 11 zeigen die Verzögerungszeit in Nanosekunden/km als eine Funktion der
Hauptmodennummer (m). Im Zusammenhang mit Figur 11 sei
auch auf einen Aufsatz mit dem Titel "Differential Mode Attenuation in Graded-Index Optical Waveguides" von
Robert Olshansky, veröffentlicht auf Seite 423 des
Technical Digest of the 1977 International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communications, Tokyo, Japan, verwiesen. Die Hauptmodennummer "m" steht in Beziehung zur Eindringposition "r" des Laserpunkts (laser spot) an der Eingangsseite einer Faser durch die Gleichung

m = M(r/a)²,

in welcher "a" den Kernradius und "M" den maximalen Wert der Hauptmodennummer bedeutet, welche gegeben ist durch die Gleichung

M = 1/2 n^

in welcher "η." der Brechungsindex an der Achse (on-axis) bedeutet, "k" gleich 2ir/X ist, λ die freie Raumlängenwelle (799 nra für die in Figur 11 gezeigten Daten) bedeutet, ^ gleich Cn₁ - n^/Cn^ ist und "n₂" der Brechungsindex des Mantels ist.

Aufgrund der Stufe im Brechzahlprofil an der Kern—Sperrschicht-Grenzfläche des in Figur 1 dargestellten Wellenleiters resultiert eine große Verschiebung der Verzögerungszeit für Moden höherer Ordnung, die durch einen derartigen Wellenleiter übertragen werden; als eine Folge davon wird eine große rms-Impulsbreite von 0,69 ns erzeugt, wie durch Kurve 46 der Figur 11 verdeutlicht wird. Wenn aber das Brechzahlprofil gemäß der Erfindung, wie in Figur 6 dargestellt, aufgebaut wird, wird die Verschiebung der Verzögerungszeit gemäß Kurve 46 in Figur 11 eliminiert, was durch Kurve 50 bewiesen wird. Man sieht, daß die rms-Impulsverbreiterung gemäß Kurve 50 in Figur um 0,21 ns reduziert ist.

In Figur 12, wo Kurve 48 die Meßwerte für einen optischen Wellenleiter nach dem Stande der Technik gemäß Figur 1 wiedergibt, ist die Impulsbreite "<*" von 0,69 ns mathematisch umgerechnet in eine Bandbreite von 0,28 GHz. Die gemessene Bandbreite war 260 mHz. Andererseits ist der

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optische Wellenleiter gemäß der Erfindung nach Figur 6, wiedergegeben durch Kurve 50 der Figur 11 und Kurve 52 der Figur 12 mit einer rms-Impulsbreite "^σ" von ca. 0,21ns mathematisch umgerechnet zu einer Bandbreite von 0,95 GHz.

Um einen Vergleich zu ermöglichen, sind die Verfahrensdaten für die chemische Niederschlagung aus der Dampfphase, dargestellt durch die Figuren 3 und 4, entsprechend optischen Wellenleitern nach dem Stande der Technik gemäß Figur 1 und die berechneten Verfahrensdaten gemäß Figur 5, entsprechend einem optischen Wellenleiter gemäß Figur 2 in der folgenden Tabelle I gegenübergestellt. Die Daten des Beispiels der Figuren 1 und 4 sind dargestellt durch die Kurven 46 in Figur 11 und 48 in Figur 12.

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	Reaktions mittel	3β	2930398
	SiCl₄	Tabelle I
Beisp.	GeCl₄ BCl- ό		Kern Reaktionsmittel-Fluß
to	* O l *^ Ja, Λ Λ GeCl₄	Sperrschicht Reaktionsmittel fluß	0.6 gms/min
FIGUREN l ui	POCl₃	0.6 gms/min	0.05 - 0.465 gms/min 5 scc/min
und 4	BCl₃	20 scc/min	0.6 gms/min 0.05 - 0.465 gms/min
T-I	SiCl₄ GeCl₄	0.6 gms/min	0.049 gms/min
FIGUREf*	BCl₃	-	5 scc/min
2 und 5		20 scc/min	0.6 gms/min 0.2 - 0.465 gms/min
FIGUREN	0.6 gms/min 0.2 gms/min	20-5 scc/min
	20 scc/min	- 25 -

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Für jedes der Beispiele der Tabelle I beträgt der überschüssige Sauerstoff 1000 scc/min, ist die Temperatur 1750°C und die transversale Geschwindigkeit für die Aufbringung der Schichten 15 cm/min sowohl für die Sperrschicht als auch für den Kern; die Sperrschicht wird durch drei Abscheidezyklen oder Schichten gebildet, während der Kern durch 60 Abscheidezyklen oder Schichten gebildet wird. Der erhaltene optische Wellenleiter hat einen äußeren Durchmesser von ca. 125 Mikrometer, einen Kerndurchmesser von ca. 62,5 Mikrometer und eine Sperrschichtdicke von ca. 1 Mikrometer, obwohl die Sperrschicht im Rahmen der Erfindung auch eine Dicke von ca. 1 bis 10 Mikrometer haben kann, falls im Einzelfall erwünscht.

Im folgenden wird ein typisches Beispiel für die Herstellung eines optischen Wellenleiters beschrieben, der ein Brechzahlprofil wie in Figur 6 aufweist und durch das in Figur 9 dargestellte Verfahren hergestellt wird. Ein Substratrohr aus Kieselsäure, dotiert mit 2 Mol% GeO₀, mit einem äußeren Durchmesser von 25 mm und einer Wandstärke von 1,275 mm wird in einer Drehbank montiert. Die Reaktionsmittel SiCl₄, GeCl₄ und POCL_ werden mittels bekannter Verfahren der chemischen Niederschlagung aus der Dampfphase in das Substratrohr eingeführt. Die Verfahrensparameter dieses Beispiels sind in der folgenden

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Tabelle II zusammengestellt:

Tabelle II

Reaktionsmittel

Sperrschicht Reaktionsmittel-Fluß

Kern
Reaktionsmittel-Fluß

SiCl, GeCl,

POCl.

0.6 gms/min 0.04 gms/min

0.0059 gms/min

0.6 gms/min.

0.04 - 0.46 gms/min

0.0059 - 0.20 gms/min.

Für das Beispiel der Tabelle II wurde überschüssiger Sauerstoff mit ca. 1000 scc/min verwendet, die Bildungstemperatur war ca. 1750⁰C und die transversale Geschwindigkeit für die Aufbringung der Schichten betrug ca. 15 cm/min sowohl für die Sperrschicht als auch den Kern; die Sperrschicht wurde durch drei Abscheidezyklen bzw. Schichten hergestellt, während der Kern durch 60 Abscheidezyklen bzw. Schichten hergestellt wurde.

Der Rohling bzw. die Vorform, die auf diese Weise erhalten wurde, wurde dann auf eine Temperatur von ca. 22OO°C erhitzt, mit einer Geschwindigkeit von 60 bis 90 Upm ro-

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tiert und die zentrale öffnung wurde zu einer festen Vorform kollabiert. Die feste Vorform wurde dann in an sich bekannter Weise in einer Ziehvorrichtung montiert, ihr Ende auf eine Temperatur von ca. 2000⁰C erhitzt und zu einem optischen Wellenleiter gezogen, der das in Figur dargestellte Brechzahlprofil und die durch Kurve 50 der Figur 11 und Kurve 52 der Figur 12 dargestellten Eigenschaften aufwies. Der erhaltene optische Wellenleiter hatte einen äußeren Durchmesser von ca. 125 Mikrometer, einen Kerndurchmesser von ca. 62,5 Mikrometer und eine Sperrschichtdicke von ca. 1 Mikrometer.

. Der

Kieselsäuremantel, enthaltend 2 Mol% GeO₂ hatte einen Brechungsindex von ca. 1,4595, die Sperrschicht, enthaltend 1 Mol?6 sowohl von GeO₂ als auch von P9O5 und dem Rest Kieselsäure hatte einen Brechungsindex von ca. 1,4591 und der Kern an der zentralen Achse 36, enthaltend ca. 15 Mol% GeO₀ und ca. 4 Mo 1# P₀O₆. mit dem Rest Kieselsäure hatte einen Brechungsindex von ca. 1,4787.

In dem folgenden weiteren Beispiel der Erfindung wird das gleiche Zuführungssystem und die gleiche für die chemische Niederschlagung aus der Dampfphase eingerichtete Drehbank, wie vorstehend beschrieben, verwendet.

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3H

Ein Kieselsäurerohr, enthaltend 2 M0I96 GeO₀, mit einem äußeren Durchmesser von 25 mm und einer Wandstärke von 1,275 mm wird in der Drehbank montiert. Die Verfahrensparameter gemäß dem in Figur 10 dargestellten Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters mit einem Brechzahlprofil gemäß Figur 7 wurden mathematisch berechnet und geschätzt und sind in der folgenden Tabelle II] zusammengestellt:

Tabelle III

Reaktionsmittel

Sperrschicht Reaktionsmittel-Fluß

Kern
Reaktionsmittel-Fluß

SiCl^ GeCl, POCl. BC1„

0.6 gms/rain 0.23 gms/min 0.05 gms/min 30 scc/min

0.6 gms/min

0.02 - 0.46 gms/min 0.044 - 0.20 gms/min

Für das Beispiel der Tabelle III betrug der überschüssige Sauerstoff ca. 1000 scc/min, die Bildungstemperatur war ca. 1750⁰C und die transversale Geschwindigkeit für die Aufbringung der Schichten betrug ca. 15 cm/min, sowohl

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für die Sperrschicht als auch für den Kern; die Sperrschicht wurde durch drei Abscheidezyklen bzw. Schichten und der Kern durch 60 Abscheidezyklen bzw. Schichten gebildet.

Der Rohling oder die Vorform, die auf diese Weise hergestellt wurde, wurde dann auf eine Temperatur von ca. 2200⁰C erhitzt, mit einer Geschwindigkeit von 60 bis 90 Upm rotiert und die zentrale Öffnung zu einer festen Vorform kollabiert. Die feste Vorform wurde dann in einer an sich bekannten Ziehvorrichtung montiert, ihr Ende erhitzt und zu einem optischen Wellenleiter mit einem äußeren Durchmesser von ca. 125 Mikrometer, einem Kerndurchmesser von ca. 62,5 Mikrometer und einer Sperrschichtdicke von ca. 1 Mikrometer in an sich bekannter Weise gezogen. Der so erhaltene Wellenleiter hatte ein Brechzahlprofil, wie es in Figur 7 dargestellt ist. Der Kieselsäuremantel, enthaltend 2 Mol?o GeO₀ hatte einet» Brechungsindex von ca. 1,4595, die Sperrschicht, enthaltend 5,7 Mol?b GeO₀, 1 Mol% P₀O₁. und 10 Mol% B_o0„ mit dem Rest Kieselsäure hatte einen Brechungsindex von nicht höher als ca. 1,4595, die erste Kernschicht, enthaltend 1 Mol?o sowohl von GeO₀ als auch von P_o0_ mit dem Rest Kieselsäure hatte einen Brechungsindex von 1,4591 und der Kern an der zentralen Achse 38, enthaltend

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^3ir

ca. 15 Μο1?ό GeO₀ und ca. 4 Mol% P₀O mit dem Rest Kieselsäure hatte einen Brechungsindex von ca. 1,4787.

Die zentrale öffnung der Vorformen der vorstehenden Beispiele kann entweder, wie beschrieben, nach Beendigung des Niederschlagsprozesses kollabiert werden oder die Vorform kann anschließend erneut erhitzt und die öffnung kollabiert werden; auch kann die öffnung während des Ziehprozesses kollabiert werden, falls dies im Einzelfall wünschenswert ist.

ABSTRACT :

Eine Vorform wird offenbart, die schließlich einen optischen Lichtleiter, insbesondere einen optischen Wellenleiter bildet und aus einer Sperrschicht zwischen einem rohrförmigen Ausgangsteil, das den Mantel bildet, und dem Kern besteht. Der Brechungsindex der Sperrschicht ist gleich oder kleiner als der IJrechungsindex des rohrförmigen Ausgangsteils und es existiert weder eine stufenförmige Erhöhung des Brechungsindex der Sperrschicht an der Sperrschicht-Mantel-Grenzfläche noch eine derartige stufenförmige Erhöhung des Brechungsindex des Kerns an der Kern-Sperrschicht-Grenzfläche der optischen Faser. Das rohrförmige Ausgangsteil wird aus einem Grundglas

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und wenigstens einem Dotierungsmittel gebildet, wobei der Brechungsindex des rohrförmigen Ausgangsteils höher ist als derjenige des Grundglases. Die Sperrschicht wird aus einem Grundglas und wenigstens einem Dotierungstnittel hergestellt, das im wesentlichen konstant in der Sperrschicht gehalten wird. Der Kern wird aus einem Grundglas und wenigstens einem Dotierungsmittel, wobei jedoch nicht Β«Ο_ verwendet wird und welches allmählich während der Bildung des Kerns variiert wird, hergestellt.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE

DR. HORST RELN[HARD

DIPL.-ING. KARL-JÜRGEN KREUTZ

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

Telegramm: Isarpatent Bank: Deutsche Bank AG München Konto-Nr. 21/14171 (B L Z 70070010) Postscheck: München 97 56-809

Datum 9. Juli 1979 Dr.R./k.

Pat entansprüche

/ 1. ^Optische Gradientenindex-Faser großer Bandbreite, insbesondere optischer Gradientenindex-Wellenleiter großer Bandbreite, aufgebaut aus einer äußeren Mantelschicht mit vorbestimmtem Brechungsindex, einer Sperrschicht (barrier layer) an der inneren Oberfläche der Mantelschicht, bestehend aus einem Grundglas und wenigstens einem Dotierungsmittel, wobei die Menge des Grundglases und des Dotierungsmittels durch die gesamte Dicke der Sperrschicht im wesentlichen gleichmäßig ist, und einem Kern aus Glas hoher Reinheit mit einem Gradienten-Brechungsindex, der an der Sperrschicht unter Bildung einer Berührungsfläche zwischen beiden, anhaftet, wobei

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29303^8

dieser Kern im wesentlichen aus einem Grundglas und einem oder mehreren Dotierungsmitteln besteht, dadurch gekennzeichnet,

daß diese ein oder mehreren Dotierungsmittel andere Dotierungsmittel als B₂^3 ^s*^n<* ^un^ i-ⁿ einer Menge enthalten sind, die über den Querschnitt des Kerns einen im wesentlichen kontinuierlich variierenden Brechungsindex ausgehend von der Berührungsfläche in Richtung auf die Achse des Kerns gewährleistet, wobei der Brechungsindex des Kerns an dieser Berührungsfläche im wesentlichen gleich oder kleiner ist als der Brechungsindex der Sperrschicht an der Berührungsfläche und umgekehrt der Brechungsindex der Sperrschicht höchstens gleich demjenigen der Mantelschicht ist.
2. Optische Faser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Mantelschicht aus Kieselsäure (silica) enthaltend GeOp besteht.
3. Optische Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Dotierungsmittel in der Sperrschicht und im Kern GeO₂ und/oder P₂°5 sind.

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4. Optische Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eines der Dotierungsmittel, lediglich in der Sperrschicht, B₀O., ist.
5. Verfahren zur Herstellung einer Vorform für eine optische Faser großer Bandbreite, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durch Aufbringen einer Sperrschicht aus einem Grundglas und wenigstens einem zusätzlichen Dotierungsmittel auf der inneren Oberfläche eines zylindrischen, rohrförmigen Ausgangsteils, das aus einem Grundglas und wenigstens einem Dotierungsmittel zur Erhöhung des Brechungsindex des rohrförmigen Ausgangsteils über denjenigen des Grundglases besteht, wobei die Menge des Grundglases und des Dotierungsmittels im wesentlichen gleichmäßig durch die Dicke der Sperrschicht gehalten wird, und durch Bildung einer Kernschicht durch Aufbringung einer Vielzahl von Schichten des Kernmaterials, das im wesentlichen aus einem Grundglas hoher Reinheit und einem oder mehreren Dotierungsmittel besteht, auf die Sperrschicht, wobei eine Berührungsfläche zwischen der Sperrschicht und der Kernschicht gebildet wird und der Kern einen steigenden Brechungsindex (Gradienten-Brechungsindex) von der Berührungsfläche

-A-

zur zentralen Achse der Vorform aufweist, dadurch gekennzeichnet,

daß als das eine oder die mehreren Dotierungsmittel im Kernmaterial nicht B₂O₃ verwendet wird, daß die Menge des Dotierungsmittels im Kernmaterial in der ersten Schicht von der Mehrzahl der auf die Sperrschicht aufgebrachten Schichten derart zusammengesetzt ist, daß an der Berührungsfläche ein Brechungsindex geschaffen wird, der gleich oder kleiner ist als derjenige der Sperrschicht, daß die Menge des Dotierungsmittels in den folgenden Schichten des Kernmaterials, das auf der Sperrschicht aufgebracht wird, allmählich von der Berührungsfläche in Richtung auf die zentrale Achse der Vorform in einer vorherbestimmten Weise variiert wird, so daß über den Querschnitt der Kernschicht ein gewünschter Gradienten-Brechungsindex erzeugt wird, und daß eine derartige Menge des genannten wenigstens einen zusätzlichen Dotierungsmittels in der Sperrschicht verwendet wird, daß die Sperrschicht einen Brechungsindex aufweist, der höchstens gleich dem Brechungsindex des rohrförmigen Ausgangsteils ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

030009/OSSfl

daß das zylindrische, rohrförmige Ausgangsteil aus enthaltender Kieselsäure besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungsmittel in den Sperr- und Kern-Schichten GeO₀ und/oder P_o°5 sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Dotierungsmittel, lediglich in der Sperrschicht, B₂O-, ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Öffnung in der Vorform zu einem festen Gegenstand kollabiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform durch Erhitzen zu einem festen Gegenstand kollabiert wird, daß der so erhaltene Gegenstand auf die Ziehtemperatur des Materials erhitzt wird und daß der erhitzte Gegenstand unter Verringerung seiner Querschnittsfläche zu einer optischen Faser mit den vorbestimmten gewünschten

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Eigenschaften gezogen wird.

030009/06Sf)