DE2945804C2 - Monomode-Lichtleitfaser - Google Patents
Monomode-LichtleitfaserInfo
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Description
20
Gegenstand dieser Erfindung ist eine Einfachmodus-Optikfaser (Optikfaser für den Einrichtungsbetrieb), die
für die optische Nachrichtenübertragung im Wellenlängenbereich des 1,2-μπι- bis l,8^m-Bandes Verwendung
finden soll.
Optische Glasfasern dieser Art werden im allgemeinen aus einem unter Anwendung eines modifizierten
chemischen Aufdampfungsverfahrens hergestellten Stangenmaterials erhalten, das zu einer Faser ausgezogen wird, die bei geringem Obertragungsverlust eine
hohe Übertragungsleistung hat
Das Verfahren für die Herstellung von optischen
Lichtleitfasern umfaßt im wesentlichen nachstehende Einzelmaßnahmen:
35
die Zuführung eines gasförmigen Ausgangsmaterials, wie beispielsweise Siliciumtetraehlorid, die
Zuführung eines Metallchlorids als Dotierungsmittel zur Veränderung des Brechungsindexes und die
Zuführung von Sauerstoff in ein Quarzglasrohr, die sich um ihre Längsachse dreht,
die Erwärmung des Quarzglasrohres von außen mittels einer daran entlanggeführten Heizeinrichtung, wodurch eine Oxidation des gasförmigen
Ausgangsmaterials bewirkt wird und sich nach und nach ein Niederschlag des Glasmantels und des
Glaskerns an der Innenwandung des Quarzglasrohres ergibt,
eine verstärkte Erwärmung des Quarzglasrohres mittels der Heizeinrichtung, durch die das Quarzglasrohr derart erweicht wird, daß das Quarzglasrohr zu einem Glasstab zusammenfällt und
das langsame Ausziehen des Glasstabes von dessen Ende her zu einer optischen Lichtleitfaser.
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Die unter Anwendung des vorerwähnten Verfahrens hergestellte Lichtleitfaser für den Monomodbetrieb
wurde im Schwingungsbereich der Wellenlängen 0,8 μιτ»
bis 0,9 um einer Halbleiterlaser-Diode verwendet. Sie besitzt einen Kern aus reinem SiO2-GIaS und einen
Mantel aus B2O3-SiO2-GIaS.
Die Lichtleitfaser dieses Aufbaues kann die Rayleigh-Streuung — (diese kann einen Verlust verursachen, der
l/λ4 proportional ist, wobei λ die Wellenlänge des
verwendeten Lichtes ist) — verringern, welche durch die unregelmäßige Anordnung der Glasmoleküle im
S1O2 hoher Reinheit verursacht wird.
Übertragungsverlust für die längeren Wellenlängen des 1,2-μπι- bis l,8^m-Bandes hergestellt werden, dann
ergibt sich ein Anstieg des Übertragungsverlustes durch Schwingungsabsorption in der infraroten B—O-Bindung auf der Seite der kürzeren Wellenlängen im
Vergleich zur Si—O-P—O-Bindung, Demzufolge sollte
eine Lichtleitfaser, die in dem zuvor genannten Wellenlänger.bereich eingesetzt werden soll, kein B2Oj
enthalten. Aus diesem Grunde wird beim herkömmlichen Verfahren auch derart gearbeitet, daß im Verlaufe
des herkömmlichen chemischen Aufdampfungsverfahrens auf die Innenwandung eines Quarzglasrohres, das
zur Stützschicht wird, reines und B2O3-freies SiO2-GIaS
als Mantel und anschließend das Kernmaterial aufgedampft werden. Weiter wird nach dem konventionellen
Herstellungsverfahren eine dickere Mantelschicht aufgebracht um den Verlust an Lichtwellen von 138 μΐη zu
verhindern, der durch die Absorption der OH-lonen in dem Kern entsteht
Wenn nach diesen bekannten Verfahren die innere Oberfläche des Quarzglasrohres zur Ausbildung der
Mantelschicht aus reinem SiO2-GIaS besteht, so ist dafür
eine Aufdampfungstemperatur von 15000C bis 16000C
erforderlich. Zur Erzeugung einer Mantelschicht genügender Stärke muß hierbei wegen der langsamen
Aufdampfungs- bzw. Ablagerungsgeschwindigkeit ein erheblicher Zeitaufwand in Kauf genommen werden.
Aufgrund der über diesen langen Zeitraum aufrechtzuerhaltenden hohen Temperaturen diffundiert während
dieser das in dem Quarzglasrohr enthaltene OH-Ion in die Mantelschidn und von da gegebenenfalls in den
Kern. Diese Diffusion hat zur Folge, daß nach dem bekannten Verfahren eine Lichtleitfaser mit einem
niedrigen oder geringen Übertragungsverlust nicht hergestellt werden kann. Die zur Anwendung kommenden hohen Temperaturen bewirken weiterhin auch noch
eine Beschleunigung des Zusammenfallen des Quarzglasrohres. Aus diesem Grund ist es notwendig, das
Innere des Rohres auch dann unter einem entsprechenden Druck zu halten, wem« der Xuöendurchmesser des
Rohres während des Zusammenfallen kleiner wird.
Aus der US-PS 41 14 980 ist eine Lichtleitfaser bekannt, die zwischen der Mantelschicht und der
Stützungsschicht eine Sperrschicht aus SiO2-GIaS
enthält, dessen OH-Ionenkonzentration niedriger ist als die der Stützungsschicht. Durch diese Sperrschicht,
deren Erzeugung einen zusätzlichen technischen Aufwand bedingt, soll die Migration der OH-Ionen und von
Metallionen aus der aus SiO2-GIaS bestehenden
Stützungsschicht in die Mantelschicht verhindert werden. Jedoch müssen zum Aufdampfen der Sperrschicht
besondere Bedingungen eingehalten werden, um die OH-Ionenkonzentration darin auf dem angestrebt
niedrigen Wert zu halten. Außerdem ist ein erheblicher Zeitaufwand zur Erzeugung dieser Sperrschicht erforderlich. Der Mantel dieser Lichtleitfaser enthält B2O3 als
Dotierungsmittel. Bereits aus diesem Grund ist diese Lichtleitfaser für die Übertragung von Lichtsignalen mit
den Wellenlängen des 1,2- bis 1,8-μπι-Bandes nicht
geeignet, da mit erhöhten Übertragungsverlusten im Bereich der kürzeren Wellenlängen zu rechnen ist.
Sinngemäß das gleiche gilt für die aus der DE-OS 25 24 335 bekannte Lichtleitfaser, die um einen Kern aus
Phosphorsilikatglas eine Mantelschicht aus Borsilikatglas aufweist, die ihrerseits von einer Stützungsschicht
aus Quarzglas eingeschlossen ist.
Die DE-OS 24 19 786 beschreibt eine Lichtleitfaser
aus einem hochbrechenden Kern und einem niedrigbre-
chenden Mantel, der van mindestens einem weiteren Mantel umgeben ist, dcsswr. Wärmeausdehnungskoeffizient
niedriger ist als der des ertten Mantels oder als der
der Kombination Kern und erster Mantel. Die Brechzahl des zweiten Mantels kann hierbei niedriger >
sein als die des ersten Mantels.
Aus diesem Stand der Technik konnten keine Anregungen *ur Lösung des Problems entnommen:
we/Jcu, die Aufdampfungstemperaturen und -zeilen bei
der Erzeugung von Lichtleitfasern nach dem Aufdamp- ι ο
fungsverfahren zu vermindern,
Auch die aus der DE-OS 28 23 989 bekannte Lichtlei· ?«ssr :«vl: einem Kern aus P2O5—SiO2-Glas,
einem Mantel aus B2O3-P2O5-SiO2-GIaS in einer
Stützungsschicht aus Quarzglas konnte hierzu keinen Hinweis geben. Da die Mantelschicht dieser Lichtleitfaser
außerdem B2O3 als Dotierung enthält, ist bei dieser
Lichtleitfaser ein Anstieg des Übertragungsverlustes bei den kürzeren Wellenlängen zu erwarten, wenn diese
Lichtleitfaser für die Übertragung von optischen Signalen im Bereich des 1,2- bis l,8^m-Bandes
eingesetzt wird.
Hieraus ergab sich die Aufgabe, eine Lichtleitfaser zu finden, zu deren Herstellung die Aufdampfungsrempe raturen
und -zeiten niedriger gehalten werden können und die im Bereich des 1,2- bis Ι,β-μΐη-Bandes geringste
Übertragungsverluste aufweist.
Es wurde eine Monomode-Lichtleitfaser mit einem Kern, einem Mantel und einer Stützungsschicht aus
Quarzglas, deren Kern und Mantel Dotierungsmittel zur jo Brechungsindexerhöhung und deren Stützungsschicht
aus reinem Quarzglas besteht, mit einem Brechungsindexprofil /Ji>/32 und (πο—Π\)>(η\ — Π2), worin /Jo =
Brechungsindex des Kerns und n\ = Brechungsindex des
Mantels sind, zur Übermittlung von optischen Signalen im Wellenlängenbereich des 1,2- bis 1,8-μίη-Bandes,
gefunden. Danach besteht der Mantel aus sehr reinem P2O5-SiO2-GIaS.
Das P205-Dotierungsmittel wird vorteilhaft aus einer
Reihe von Dotierungsstoffen derart ausgewählt, daß für das Aufbringen der Mantelschicht die Aufdampfungstemperatur
und -geschwindigkeit so weit verringert werden, daß das Diffundieren des OH-lons aus dem
Quarzglasrohr in die Mantelschicht und der dadurch bewirkte Übertragungsverlust der erzeugten Lichtleitfaser
weitestgehend vermindert werden.
Darüber hinaus ermöglicht ein SiO2-GIaS, das P2O5
enthält, kleinere Änderungen des Brechungsindexes je Einheit an zugegebenem Dotierungsmittel im Vergleich
zu SiO2-GIaS, das andere Zuschlagstoffe enthält, wie ;o
dies mit F i g. 1 dargestellt ist. Weiterhin kann auch gegenüber reinem SiO2-G'-?s mit nur einem geringen
Anteil an P2O5 die Aufdampf-Temperatur für die
Mantelschich* um mehr als 1.00°C verringert werden,
wobei die Aufdampfungs- bzw. Niederschlagsgeschwindigkeit, verglichen mit reinem SiO2-GIaS, 8mal bis lOmal
größer ist.
Es war bisher nicht bekannt, eine Lichtleitfaser mit hoher Übertragungsleistung, deren Mantel einen
gegenüber der Stützungsschicht höheren Brechungsindex hat, dadurch zu erzeugen, daß die Mantelschicht
eine Dotierung zur Erhöhung des Brechungsindexes enthielt, um Licht sines bestimmten Sehwingungstyps in
der Mantelschicht zu übertragen und weiterzuleiten.
Die Erfindung bietet nunmehr die Möglichkeit, den b5
Schwingungstyp des Lichtes, das durch die Mantelschicht übertragen wird, zu ignorieren, und zwar
dadurch, daß der Brechungsindex der Mantelschicht im Vergleich zur Stützschicht erhötti <**·
Die bisher bekannt Lichtleitfaser, deren Mantelschicht
gegenüber der Stütrung-sschicht einen höheren
Brechungsindex hat, ist i;s d?r *v.\ ? ·νρπ! :^?Ά
ι.·!öffentlichen JP-OS 9 740 beschrieben. Die jyia»uel·
ser'.Uu dieser Lichtleitfaser besteht aus mit TiO2
dotiertem SiO2-GIaS. Das TiO2 vermag jedoch die
Aüidsnipfungsteiriperatur des SiOrGlases nichi zn
senken, so daß auch bei dieser bekannten Lichtleitfaser eine Verminderung der Übertragungsverluste im
Bereich der längeren Wellenlängen nicht zu erwarten ist.
Gegenstand dieser Erfindung ist somit eine Mone mode-Lichtleitfaser,
welche für das Band der längeren Wellenlängen zur Übertragung optischer Signale bestimmt ist Kern und Mantelschicht enthalten P2O5 als
Dotierungsstoff, wobei dieser Dotierungsstoff derart ausgewählt worden ist, daß dadurch die Aufdampfungstemperatur
verringert und die Aufdampfungs- bzw. Niederschlagsgeschwindigkeit erhöht werden und in
der Lichtleitfaser der Erfindung auch noch ein geringerer Absorptionsverlust erzielt wird.
Diese Erfindung wird nachstehend anhand des in F i g. 1 bis 3 schematisch dargestellten Beispiels näher
erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Kennliniendiagramm mit Darstellung des Brechungsindexes von SiOrGlases, dem die verschiedensten
Dütierungsstoffe zugegeben sind,
F i g. 2 einen Schnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Lichtleitfaser der Erfindung,
F i g. 3 die Brechungsindexverteilung für die in F i g. 2 dargestellte Lichtleitfaser der Erfindung.
Nach F i g. 2 besteht die Lichtleitfaser der Erfindung aus dem Kern 1, aus der Mantelschicht 2 und aus der
Stützungsschicht 3. Der Kern besteht aus P2O5-SiO2-,
GeO2-SiO2- oder P2O5-GeO2-SiO2-GIaS und die
Mantelschicht aus P2O5-SiOrGIaS.
Die Herstellung einer Lichtleitfaser, die die vorerwähnte Zusammensetzung aufweist, kann nach folgendem
Verfahren erfolgen:
Zuführen des Ausgangsgases oder des Rohstoffgases, welches SiCI4, PCI3 sowie Sauerstoff usw. enthält in ein
Quarzglasrohr zur Erzeugung der Stützungsschicht 3 unter Wärmezuführung von einer außerhalb der
Quarzglasröhre angeordneten Heizvorrichtung zur Oxidation des Rohgases oder Rohstoffgases und zur
Ablagerung von P2O3-SiO2-GIaS an der Innenwandung
des Quarzglasrohres zwecks Ausbildung der Überzugsschicht oder der Verkleidungsschicht.
Danach Zuführen des Ausgangsgases oder Rohstoffgases in das Quarzglasrohr zur Erzeugung des Kernes 1,
der in der vorstehend angegebenen Weise entsteht, und zwar durch Oxidation des Rohstoffgases und Ausbildung
einer Schicht auf der Innenseite der Mantelschicht.
Anschließend eine von der Heizvorrichtung ausgehende fc/hohte Wärmezufuhr, so daß das Quarzglasrohr
erweicht und in seinen Innenraum zusammenfällt.
Letztlich das Ausziehen des zusammengefallenen Quarzglasrohres in der Hitze zu einer Lichtleitfaser in
an sich bekannter Weise in allmählich kleiner werdenden Abstufungen.
Der Brechungsindex der derart hergestellten Lichtleitfaser
der Erfindung entspricht der nachstehend angeführten Gleichung:
/7o tl\ > /??
und di?j ist >r. Fig. 3 umgestellt.
no sieht für uon maximalen Brechungsindex de»
Kernes 1. Das Formelzeichen ri\ entspricht dem
Brechungsindex der Mantelschicht, und /J2 steht schließlich
für den Brechungsindex der Stützungsschicht 3.
Bei der in Fi g. 2 dargestellten Lichtleitfaser — diese
als das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Erfindungs- > gegenstandes — handelt es sich um eine Lichtleitfaser in
Monomode-Ausführung mit einer Übertragungswellenlänge von 1,3 μπι, mit 1.458 von n2, mit 1.0001 χ n2 von r>\,
mit 1.003 χ /7i von /J0, mit einem Durchmesser Dt des
Kernes 1 von 8 μπι, mit einem Durchmesser Di der in
Mantelschicht 2 von 40 μπι sowie mit einem Durchmesser
Dj der Stützungsschicht 3 von 125 μπι, wobei /ίο, «ι.
n2, D. und Di so ausgelegt und definiert sind, daß die
Mantelschicht 2 sowie der Kern 1 eine Monomode-Ausführung sind. ι j
Wie bereits erwähnt, kann bei der Herstellung der Lichtleitfaser des angegebenen Beispieles, die aus
SiO2-GIaS besteht, welches in der Mantelschicht P2O5 als
Dotierungsmittel enthält, diese Mantelschicht bei einer bis auf 1400°C abgesenkten Aufdampfungstemperatur
aufgebracht werden.
Mit der Erfindung kann auch die Geschwindigkeit gesteigert werden, mit der sowohl die Mantelschicht als
auch der Kern aufgedampft werden, und zwar im Vergleich mit der konventionellen Optikfaser bis zur 2>
4fachen bis 5fachen Aufdampfungsgeschwindigkeit. Das wiederum bewirkt, daß das im Quarz enthaltene OH-Ion
in der Aufdampfungszeit kaum in die Mantelschicht eindiffundieren kann, die auf der Innenwandung der
Quarzglasröhre erzeugt wird. JO
Je mehr Dotierungsstoff P2Oi in dem SiO2-GIaS
enthalten ist, das die Mantelschicht 2 bildet, desto geringer kann die Temperatur sein, bei der das
Aufdampfen der Mantelschicht erfolgt, oesto schneller kann diese Schicht 2 aufgedampft werden, wobei das im
Quarzglas der Röhre enthaltene OH-IOn diese Vorgänge kaum beeinflußt. Wird jedoch zuviel Dotierungsstoff
zugegeben, dann bewirkt dies eine übermäßig große Steigerung des Brechungsindexes in der Mantelschicht
2, im Vergleich zur Stützungsschicht. Hierbei ist es schwierig, den Schwingungstyp des übertragenen
Lichtes in der Mantelschicht 2 zu ignorieren. Vorzugsweise sollte der Wert für N1 gleich 1/5 (nn-n2) =
(ni — ni) sein, und zwar im Hinblick auf die Menge des
Dotierungsmittels.
Die bisher gegebene Beschreibung zeigt, daß die Lichtleitfaser der Erfindung sich aus einem Kern im
Zentrum, aus einer um den Kern herum angeordneten Mantelschicht sowie aus einer ringsum die Mantelschicht
angeordneten Stutzungsschicht zusammensetzt, wobei der Kern aus GeO2-SiO2- oder aus
P2O5-GeO2-SiO2-GIaS besteht und die Mantelschicht
aus P2O5-SiO2-GIaS. Diese Lichtleitfaser kann im
chemischen Aufdampfungsverfahren in kurzer Zeit erzeugt werden, und zwar mit einer niedrigen
Aufdampfungstemperatur und hoher Aufdampfungsgeschwindigkeit für die Mantelschicht, so daß eine
Lichtleitfaser für den Monomode-Betrieb erzeugt werden kann, und zwar ohne OH-Ion in der
Mantelschicht und im Kern.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Monomode-Lichtleitfaser mit einem Kern, einem Mantel und einer Stützungsschicht aus Quarzglas, ä deren Kern und Mantel Dotierungsmittel zur Brechungsindexerhöhung enthalten und deren Stützungsschicht aus reinem Quarzglas besteht, mit einem Brechungsindexprofil m>ij2 und (λο—Π\)>(π\ — m), worin /*>=Brechungsindex des Kerns, n\ = Brechungsindex des Mantels und Ih=Brechungsindex der Stützungsschicht sind, zur Übermittlung von optischen Signalen im Wellenlängenbereich des 1,2- bis l^-ujn-Bandes, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus sehr :5 reinem P2O5-SiO2-GIaS besteht
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