DE3221836C2 - Einzelmodenfaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verlustarme (von weniger als 1 dB/km bei 1,30 µm) Einzelmodenfaser mit niedriger Dispersion (von weniger als 5 ps/(nm · km)) innerhalb eines Wellenlängenbereiches von 1,25 bis 1,385 µm und mit einem geringen Zusatzverlust (von weniger als 0,25 dB/km) aufgrund der Verkabelung.

Zum vollständigen Verständnis der durch die erfindungsgemäße Faser gebotenen Vorteile ist zumindest eine oberflächliche Rückschau auf bestimmte Aspekte der Glasfasertechnologie erforderlich.

Bei der Verwirklichung verlustarmer Glasfasern wurde in den frühen 70-Jahren die Forschung auf die Erzielung einer höheren Bandbreite konzentriert, um eine höhere Informationsübertragungskapazität zu erhalten. Zunächst wurden u.a. Gradienten-Multimodenfasern verfolgt, da derartige Fasern leichter als Einzelmodenfasern herstellbar waren. Der Fachwelt war jedoch stets bewußt, daß Einzelmodenfasern bessere Möglichkeiten zur Erzielung einer großen Bandbreite besitzen, so daß sich nach Jahren die auf Fasern mit noch höherer Bandbreite gerichtete Forschung wiederum auf Einzelmodenfasern konzentrierte.

Es war bekannt, daß Einzelmodenfasern trotz des Fehlens der den Multimodenfasern anhaftenden Intermodendispersion u.a. aufgrund der Materialdispersion (d.h., der Abhängigkeit des Brechungsindex und damit der Laufzeit von der Wellenlänge) eine endliche Impulsverbreiterung und damit eine Bandbreitenbegrenzung haben müssen. Jeder Impuls, der gemäß der Fourier-Zerlegung aus einer Kombination vieler unterschiedlicher Wellenlängen besteht, erfährt daher beim Durchlaufen der Faser eine Verbreiterung. Die Materialdispersionserscheinung verschwindet jedoch bei bestimmten Wellenlängen, beispielsweise etwa 1,27 µm bei Quarzglas (erschmolzenem Siliziumoxid), etwa 1,35 µm bei stark dotiertem Germaniumoxid-Siliziumoxid und 1,25 µm bei fluordotiertem Siliziumoxid, so daß diese Wellenlängen beim ersten Zusehen ungeachtet aller übriger Erwägungen als wünschenswerte Betriebswellenlängen erscheinen könnten. Dennoch hat sich gezeigt, daß selbst bei einer Materialdispersion von Null eine relativ bedeutende Impulsverbreiterung auftritt, und zwar u.a. aufgrund der Wellenleitungsdispersion, d. h., der laufzeitabhängigen Wellenlänge in Verbindung mit reinen Wellenleitungsparametern.

Erste Grundsatzerkenntnisse zeigen, daß in bestimmten Spektralbereichen die mit der Wellenleitungsdispersion einhergehenden Dispersionseffekte gegenüber den der Materialdispersion zugeordneten Dispersionseffekte von umgekehrtem Vorzeichen sind. Hieraus erwächst die Möglichkeit, Fasern so zu konstruieren, daß sich die Materialdispersion gegen die Wellenleitungsdispersion aufhebt und sich bei einer bestimmten Wellenlänge eine Dispersion von im wesentlichen gleich Null ergibt (vgl. "Electronics Letters", Bd. 15, 1979, Seite 476). Die im Hinblick auf eine festgelegte Null-Dispersion erwünschten Wellenlängen umfassen eine Wellenlänge von 1,55 µm, wo die Dämpfung einer auf Siliziumoxid basierenden Glasfaser am geringsten ist. Bei Glasfasern des sog. "W-Typs" hat sich gezeigt, daß sich eine geringe Dispersion über einen relativ breiten Wellenlängenbereich erreichen läßt (vgl. "Electronics Letters", Bd. 15, 1979, Seite 729).

Zur Erzielung einer ausreichenden Wellenleitungsdispersion, um die Materialdispersion bei 1,55 µm bei üblichen, germaniumoxiddotierten Einzelmodenfasern aufzuheben, müssen relativ geringe Kerndurchmesser verwendet werden, da sich mit abnehmendem Kerndurchmesser der Betrag der Wellenleitungsdispersion vergrößert. Die Verwendung eines Kerns mit einem gradientenprofilierten Brechungsindex gestattet zwar einen etwas größeren Kerndurchmesser, doch bleibt der Einfluß des Kerndurchmessers auf die Faserverspleißung stets Gegenstand ernsthafter Überlegungen, was bei der Konstruktion von Einzelmodenfasern hoher Bandbreite sorgfältig gegeneinander abgewogen werden muß. Selbst wenn kleinkernige Einzelmodenfasern für einen Betrieb bei 1,55 µm machbar wären, würden sie derzeit verhältnismäßig nutzlos sein, da es an hochqualitativen, kommerziell verfügbaren, spektral schmaler Lichtquellen mit einem Arbeitsbereich bei 1,55 µm mangelt. Dieser Umstand hat die Fachwelt gezwungen, sich auf andere Spektralbereiche zu konzentrieren, wo Lichtquellen verfügbar sind und wo lokale Minima der Übertragungsverluste vorhanden sind. Ein derartiger Spektralbereich, wo kommerzielle Lichtquellen verfügbar sind und wo ein lokales Verlustminimum vorhanden ist, existiert in der Umgebung von 1,3 µm (1,25 bis 1,385 µm), was das Interesse an Einzelmodenfasern für einen Betrieb in diesem Spektralgebiet stimuliert hat.

Beim Betrieb bei kürzeren Wellenlängen, beispielsweise 1,3 µm muß aus Schwellwertgründen die Grenzwellenlänge λ_c auf Werte in der Nähe, jedoch unterhalb der Betriebswellenlänge verringert werden. Die Grenzwellenlänge ist diejenige Wellenlänge, unterhalb welcher sich Moden höherer Ordnung ausbreiten können. Besonders günstige Übertragungseigenschaften ergeben sich, wenn die Übertragungswellenlänge etwas oberhalb, jedoch in der Nähe der Grenzwellenlänge ist. Ein Betrieb bei 1,5 µm erlaubt eine relativ hohe Grenzwellenlänge, d. h., von etwa 1,45 µm. Ein Einzelmodenbetrieb bei 1,3 µm erfordert dagegen viel geringere Grenzwellenlängen.

Die Grenzwellenlänge ist proportional dem Produkt aus dem Kerndurchmesser und der Quadratwurzel von Δ, wobei Δ der relative Brechungsindexunterschied zwischen dem Kern und der Ummantelung ist. Für geringe Grenzwellenlängen muß daher dieses Produkt klein sein. Indessen muß bei üblichen Einzelmodenfasern die relative Brechungsindexdifferenz Δ selbst relativ klein sein, da bei Fasern mit hohem Δ die Materialdispersion (eine Größe, welche sich generell mit steigenden Δ's erhöht) zu groß wäre, um noch eine Aufhebung durch die Wellenleitungsdispersion bei 1,3 µm zu ermöglichen. Der Grund hierfür besteht darin, daß nur bei einem extrem kleinen Kerndurchmesser die Wellenleitungsdispersion bei 1,3 µm ausreichend groß ist, um die Materialdispersion in Fasern mit hohem Δ aufzuheben. Hieraus könnte man folgern, daß Einzelmodenfasern mit geringer Dispersion bzw. hoher Bandbreite für einen Betrieb bei 1,3 µm relativ kleine Werte von Δ erfordern. Wenn jedoch Δ zu gering ist, werden jedoch die Dämpfungen beim Zusammenbau der Fasern zu hoch. Der Fachwelt ist es daher nicht gelungen, eine befriedigende Konstruktion von Einzelmodenfasern mit hoher Bandbreite und geringen Zusammenbauverlusten bei einem Betrieb in der Nähe von 1,3 µm zu finden.

Aus der GB 20 46 239 A ist eine Einzelmodenfaser bekannt, bei der das Problem der hohen Schmelztemperatur von Silizium dadurch gelöst werden soll, daß die Ummantelung mit einer die Schmelztemperatur senkenden Dotierung versetzen wird. Es werden zwei Dotierstoffe verwendet, von denen der eine die Brechzahl erhöht, der andere die Brechzahl - kompensierend - herabsetzt.

Aus "Zero total Dispersion in Step-Index Monomode Fibres at 1,30 and 1,55 µm", Electronics Letters, Vol 15, No 13, 1979, S. 396, ist es bekannt, durch geeignete Kombination von Material- und Wellenleiterdispersion eine Gesamtdispersion von etwa Null zu erreichen bei Wellenlängen von 1,55 und 1,3 µm. Hier wird der Brechzahlunterschied Δ Kern/Mantel ausschließlich durch die Dotierung des Kerns erreicht. Der Wert Δ ist relativ niedrig (0,14% bei einer Wellenlänge von 1,3 µm), was hohe Verluste beim Zusammenfügen der Fasern bedingt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einzelmodenfaser anzugeben, die bei geringer Dispersion Δ-Werte aufweist, die eine Grenzwellenlänge für einen Betrieb bei dem in der Umgebung von 1,3 µm auftretenden lokalen Verlustminimum ermöglichen, wobei die durch Faserverbindungen erzeugten Verluste niedrig gehalten werden. Gelöst wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung.

Die erfindungsgemäße Glasfaser ist eine dämpfungsarme (weniger als 1 dB/km) Einzelmodenfaser mit geringer Dispersion (von weniger als 5 ps/(nm · km)) innerhalb des Wellenlängenbereiches von 1,25 bis 1,385 µm, welche einen geringen Zusatzverlust von weniger als 0,25 dB/km aufgrund der Verkabelung aufweist. Die erfindungsgemäße Faser hat ein relativ hohes Δ (größer als 0,3%), um einen geringen Verkabelungsverlust zu gewährleisten. Der hohe Δ-Wert wird ohne Inkaufnahme einer hohen Materialdispersion dadurch erzielt, daß mittels einer brechungsindexerniedrigenden Dotierung der Faserummantelung wenigstens 20% des Brechungs- Indexunterschiedes Δ zwischen Kern und Ummantelung erzielt werden. Der resultierende, relativ kleine Materialdispersionsbetrag wird durch einen geeigneten Wellenleitungsdispersionsbetrag aufgehoben, so daß man geringe Dispersionswerte in der Umgebung von 1,3 µm (1,25 bis 1,385 µm) erhält. Obwohl für geeignete Wellenleitungsdispersionswerte relativ geringe Kerndurchmesser von weniger als 9 µm erforderlich sind, sind die Verluste an den Verspleißungsstellen wegen der geringen Beiträge seitens eines Winkelversatzes an der Verspleißungsstelle tolerierbar, falls der Versatz quer zur Verspleißungsstelle bedeutend ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht der vorliegend betrachteten Faser, und

Fig. 2 den Verlauf des Brechungsindexprofils bei einer Ausführungsform der vorliegend betrachteten Faser.

Das durch die vorliegende Erfindung angesprochene Problem besteht darin, wie man bei einer verlustarmen Einzelmodenfaser mit geringer Dispersion Δ-Werte und Kerndurchmesser erhält, welche eine Grenzwellenlänge gestatten, die für einen Betrieb bei dem in der Umgebung von 1,3 µm auftretenden lokalen Verlustminimum ausreichend gering sind.

Die gefundene Lösung für dieses Problem besteht darin, daß ein mit einer brechungsindexerhöhenden Dotierung versehener Kern zusammen mit einer eine brechungsindexerniedrigende Dotierung aufweisenden Ummantelung gleichzeitig ein hohes Δ und eine geringe Materialdispersion in der Umgebung von 1,3 µm aufweisen kann. Brechungsindexerniedrigende Dotierstoffe, wie beispielsweise Fluor, in der Ummantelung ergeben zusammen mit dem eine brechungsindexerhöhende Dotierung aufweisenden Kern eine geringe Materialdispersion. Die Wirkung der Ummantelung bei der Erzielung geringer Materialdispersionswerte ist deshalb beachtlich, da sich bei Einzelmodenfasern große Energiemengen innerhalb der Ummantelung ausbreiten. Der Erfindungsgedanke ist daher mit der Erkenntnis verknüpft, daß ein hohes Δ nicht notwendigerweise zu einer hohen Materialdispersion in der Umgebung von 1,3 µm führt, falls man auf eine Ummantelung mit brechungsindexerniedrigender Dotierung vertraut. Ausreichend geringe Grenzwellenlängen lassen sich durch Verwendung relativ kleiner Kerndurchmesser mit relativ hohen Δ- Werten erzielen, was einen geringen Zusammenfügungsverlust gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Faser erfordert notwendigerweise relativ kleine Kerndurchmesser (von weniger als 9 µm). Fachleute verwenden Einzelmodenfasern mit derartigen kleinen Kernen aus Furcht vor prohibitiven Dämpfungen an Faserverspleißstellen nur zögernd. Theoretische Studien (vgl. "Bell System Technical Journal", Bd. 56, 1977, Seite 703) zeigen jedoch, daß das Produkt der durch Querversatz und Winkelversatz hervorgerufenen Verspleißungsdämpfungen annähernd konstant ist, so daß man durchaus Glasfasern mit kleinem Kerndurchmesser in Betracht ziehen darf. Obwohl eine derartige Glasfaser durch einen Querversatz der Verspleißungsstelle einem beträchtlichen Verspleißungsverlust unterliegen kann, besitzt die Faser einen geringen, durch Winkelversatz hervorgerufenen Verspleißverlust und umgekehrt, wodurch das Verspleißungsverlustproblem etwas weniger ernst ist, als man bisher in weiten Kreisen angenommen hat.

Der gravierende Unterschied der vorliegenden Faser zum Stand der Technik beruht nicht nur auf den konstruktiven Merkmalen, sondern auch auf den Überlegungen, welche für diese konstruktiven Merkmale ausschlaggebend waren.

Während bisher die Fachwelt bei der Suche nach eine Gesamtdispersion von Null die Wellenleitungsdispersion zur Aufhebung der Materialdispersion einsetzte, geht die vorliegende Faser diesen Problemkreis von einem total unterschiedlichen Ausgangspunkt an. Bei der Konstruktion der vorliegenden Faser ist gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ein solcher Wert von Δ festgelegt, der ausreichend groß ist, um eine erwünschtermaßen kleine Punktgröße zu erzielen. Die Punktgröße ist umgekehrt proportional der Quadratwurzel aus Δ, so daß dann, wenn Δ ausreichend groß ist, die Punktgröße ausreichend klein ist, um eine erwünschtermaßen geringe Verkabelungsdämpfung zu erzielen. Bei derartigen Fasern sind die Werte von Δ generell größer als 0,3%, was zu Punktgrößen von generell weniger als 4 µm führt. (Die Punktgröße ist vorliegend definiert als Faserradius an der Stelle der 1/e-fachen Leistung).

Der nächste Konstruktionsschritt besteht darin, in Abhängigkeit von gewünschten Betriebsparametern eine geeignete Grenzwellenlänge zu bestimmen und den Kerndurchmesser der Faser entsprechend festzulegen. Bei den betrachteten Fasern wird die Grenzwellenlänge auf etwa 1,25 µm im Hinblick darauf festgelegt, daß die Betriebswellenlänge bei 1,31 µm liegen soll. Die erforderlichen Kerndurchmesser sind dann kleiner als 9 µm.

Nach Festlegung des Δ-Wertes und des Kerndurchmessers der Faser ist die Wellenleitungsdispersion der Faser im wesentlichen festgelegt, und kann zur Bestimmung einer "Null"-Dispersionswellenlänge entsprechend dem Stand der Technik nicht wirksam verwendet werden. In Abweichung vom Stand der Technik wird jedoch das zur Herstellung der Faser verwendete Materialsystem derart geändert, daß man einen Materialdispersionswert erhält, welcher die Wellenleitungsdispersion in der Umgebung von 1,31 µm aufhebt. Die Forderungen an das Materialsystem gehen sowohl auf die bereits vorstehend erläuterte Bereitstellung eines relativ hohen Wertes von Δ als auch auf eine relativ geringe Materialdispersion, um die (vorgegebene) Wellenleitungsdispersion aufzuheben. Bei typischen germaniumoxiddotierten Einzelmodenfasern führen hohe Werte von Δ zu einer relativ hohen Materialdispersion. Wie vorstehend bereits erläutert wurde, wird bei der vorliegenden Faser der hohe Wert von Δ u.a. durch eine brechungsindexerniedrigende Dotierung der Ummantelung erzielt, um ein hohes Δ gleichzeitig mit einer relativ geringen Materialdispersion zu erreichen. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der betrachteten Faser 11, welche einen Kern 13 mit brechungsindexerhöhender Dotierung und eine Ummantelung 12 mit brechungsindexerniedrigender Dotierung aufweist. Ein Teil der Faser, welcher den bei dem modifizierten chemischen Dampfniederschlag verwendeten Substratrohren zugeordnet ist, ist in Fig. 1 nicht dargestellt.

Andere Erwägungen verlangen ferner, daß sowohl die Zusammensetzung der Ummantelung als auch die des Kerns in dieser Konstruktionsstufe als variable Parameter verfügbar sind. Falls die Ummantelung der Faser in irgend einer Weise festgelegt ist, bleibt als einziger Parameter zur Beeinflussung der Materialdispersion nur noch die Zusammensetzung des Kerns übrig. Falls man jedoch die Ummantelung der Faser festlegen würde, würde die vorangegangene Festlegung des Δ-Wertes auch den Brechungsindex des Kerns bestimmen. Bei den betrachteten Fasern werden daher sowohl die Zusammensetzung der Ummantelung als auch die des Kerns in dieser Konstruktionsstufe als variable Parameter belassen.

Sowohl die Forderung nach Erzielung einer Dispersion von Null in der Umgebung von 1,31 µm als auch die Forderung nach Erzielung einer relativ verlustarmen Faser führen zur Selektion eines leicht brechungsindexerhöhend dotierten Kerns der vorliegenden Faser. Bei der Faser ist daher der Kern mit beispielsweise Germanium bis zu einem Niveau von weniger als 5 Mol-% dotiert. Um jedoch das notwendigerweise festgelegt Δ und gleichzeitig eine relativ geringe Materialdispersion zu erzielen, muß die Ummantelung in starkem Maße brechungsindexerniedrigend mit einem Material dotiert werden, welches den Brechungsindex der Ummantelung weit unter den Brechungsindex des Kerns absenkt. Das für diese Fähigkeit bekannte Bor hat jedoch ein starkes Absorptionsband bei 1,3 µm und ist daher ungeeignet. Demgegenüber besitzt Fluor, das ebenfalls die Tendenz zur Verringerung des Brechungsindex hat, ein Absorptionsband bei höheren Wellenlängen und kann daher bei der vorliegenden Faser zu brechungsindexerniedrigenden Dotierung der Ummantelung benutzt werden.

Das Brechungsindexprofil bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Faser ist in Fig. 2 veranschaulicht. In dieser Figur ist mit 25 der mit einer brechungsindexerhöhenden Dotierung versehene Kernbereich der Faser und mit 26 der eine brechungsindexerniedrigende Dotierung aufweisende Ummantelungsbereich bezeichnet. Derjenige Teil des Brechungsindexunterschiedes Δ der Faser, welcher der mit der brechungsindexerniedrigenden Dotierung versehenen Ummantelung zuzuordnen ist, ist in Fig. 2 schematisch mit 22 bezeichnet und trägt zumindest 20% des mit 23 bezeichneten Brechungsindexunterschiedes Δ der Faser bei. Der restliche Teil 24 des Brechungsunterschiedes Δ der Faser beruht eindeutig auf dem mit der brechungsindexerhöhenden Dotierung versehenen Kern. Mit 21 ist der Wert des Brechungsindex des Substratrohrs bezeichnet, das bei vielen Ausführungsbeispielen im wesentlichen reines Siliziumoxid ist. Andere Ausführungsbeispiele der betrachteten Faser können jedoch dotierte Substratrohre umfassen, wobei in diesem Falle der mit 21 bezeichnete Brechungsindex des Substratrohrs gleich dem Brechungsindex der Ummantelung 26 sein kann.

Eigenschaften der vorliegenden Faser 1. Modeneigenschaften

Die vorliegende Faser ist eine Einzelmoden-Glasfaser. Eine derartige Definition hat natürlich nur in Verbindung mit einer speziellen Übertragungswellenlänge einen Sinn. Jede Faser überträgt mehr als einen Mode bei ausreichend tiefen Wellenlängen. Damit sie eine Einzelmodenfaser wird, muß die Faser in einem Bereich oberhalb der Grenzwellenlänge betrieben werden. Die vorliegende Faser besitzt eine Grenzwellenlänge von weniger als 1,31 µm und wird zu einer Einzelmodenfaser für Übertragungswellenlängen oberhalb des Wertes der Grenzwellenlänge. Der Ausdruck "Einzelmodenfaser" wird zur Andeutung eines Betriebes in einem derartigen Bereich verwendet. In jedem Falle unterscheidet sich die vorliegende Faser eindeutig von Multimodenfasern, welche viele hunderte von Moden im Gegensatz zu einer Einzelmodenfaser übertragen, welche auch unterhalb ihrer Grenzwellenlänge nur eine begrenzte Anzahl von Moden im Spektralbereich von 0,4 bis 2 µm überträgt.

2. Wert des Brechungsindexunterschiedes Δ zwischen Kern und Ummantelung der Faser

Die vorliegende Faser kennzeichnet sich u.a. durch relativ hohe Werte von Δ, beispielsweise größer als 0,3% und kleiner als 0,75%. Die Definitionen für Δ sind von Fachmann zu Fachmann unterschiedlich. Im vorliegenden Zusammenhang ist Δ definiert als Differenz zwischen dem Brechungsindex des Kerns und dem Brechungsindex der Ummantelung dividiert durch den Brechungsindex der Ummantelung. Bei der vorliegenden Faser werden hohe Δ-Werte erzielt, ohne daß dies zu Lasten der Materialdispersion geht, und zwar dadurch, daß bei einer auf Siliziumoxid basierenden Faser eine brechungsindexerniedrigende Dotierung der Ummantelung mit einem Material wie beispielsweise Fluor erfolgt, wobei die resultierende Faser einen geringeren Punkt für eine Materialdispersion von Null als Fasern aufweist, welche ausschließlich eine brechungsindexerhöhende Dotierung besitzen. Bei der vorliegenden Faser sind wenigstens 20% des Wertes des Brechungsindexunterschiedes Δ der brechungsindexerniedrigenden Dotierung der Ummantelung zuzurechnen. Kürzlich angestellte Untersuchungen zeigen, daß Einzelmodenfasern mit gradientenförmig verlaufendem Brechungsindex erwünschte Eigenschaften zumindest insofern besitzen können, als sie größere Kerndurchmesser ermöglichen. Die vorliegende Faser zieht die mögliche Verwendung eines derartigen Gradientenprofils des Brechungsindex in Betracht. Unter diesen Umständen wird der Brechungsindexunterschied Δ durch den zugeordneten maximalen Brechungsindex des Kerns und den zugeordneten minimalen Brechungsindex der Ummantelung definiert.

3. Kerndurchmesser

Die Kerndurchmesser der vorliegenden Fasern sind konstruktiv im Hinblick darauf festgelegt, daß die Grenzwellenlänge unterhalb der Betriebswellenlänge von annähernd 1,30 µm sein soll. Die Wellenleitungsdispersion wird dann erstmalig definiert und muß durch geeignete Werte für die Materialdispersion aufgehoben werden. Eine derartige Kompensation führt innerhalb des interessierenden Betriebswellenlängenbereiches von 1,25 bis 1,385 µm zu einer Gesamtdispersion von im wesentlichen gleich Null. Die für eine derartige geringe Gesamtdispersion erforderlichen Kerndurchmesser liegen bei dieser Faserauslegung unter 9 µm, was zumindest gegenüber der derzeit bevorzugten Praxis eine Abweichung darstellt. Diese Abweichung läßt sich auch unter Berücksichtigung der bei der Faserverspleißung auftretenden Verhältnisse tolerieren, und zwar wegen des vorstehend bereits erläuterten umgekehrten Verhaltens zwischen dem durch einen Winkelversatz hervorgerufenen Verspleißungsverlust und dem von einem Querversatz hervorgerufenen Verspleißungsverlust.

4. Durchmesserverhältnis zwischen Ummantelung und Kern

Die derzeit verfügbaren Beschreibungen erläutern Fasern vom sog. "W-Typ", bei denen die Ummantelung mit einer brechungsindexerniedrigenden Dotierung versehen ist. Derartige Fasern haben generell Ummantelungen, welche zwei spezifische Bereiche aufweisen, die durch eine abrupte Brechungsindexänderung (von generell mehr als 0,0038) voneinander getrennt sind. Die vorliegende Faser hat generell keine derartige abrupte Änderung der Brechungsindexverteilung der Ummantelung und weist generell ein Durchmesserverhältnis zwischen der mit der brechungsindexerniedrigenden Dotierung versehenen Ummantelung und dem Kern von mehr als 2 auf, wodurch sie sich eindeutig von den derzeit in der Literatur beschriebenen, mit brechungsindexerniedrigender Dotierung versehenen Fasern einschließlich Fasern des "W- Typs" unterscheidet. Das Substratrohr, welches bei der Herstellung der vorliegenden Fasern verwendet werden kann, kann natürlich einen Brechungsindex aufweisen, der höher als der der Ummantelung ist, wodurch der Anschein eines Aufbaus gemäß dem "W-Typ" erweckt wird, nämlich ein mit brechungsindexerhöhender Dotierung versehener Kern, ein mit brechungsindexerniedrigender Dotierung versehener Ummantelungsbereich und ein zweiter, äußerer Ummantelungsbereich mit höherem Brechungsindex. Indessen stellen das Merkmal, daß die vorliegenden Fasern keine abrupte Änderung des Brechungsindex der Ummantelung aufweisen und das Merkmal, daß das Durchmesserverhältnis zwischen der mit brechungsindexerniedrigender Dotierung versehenen Ummantelung und dem Kern größer als 2 ist, einen wesentlichen Unterschied gegenüber allen bekannten Fasern des W-Typs dar.

Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Faser umfassen die Verwendung eines dotierten Substratrohrs. In diesen Fällen kann der Brechungsindex des Substratrohrs gleich dem Brechungsindex der Ummantelung gewählt werden, wodurch man nur eine einzige Brechungsindexzone von der Ummantelung zu dem Substratrohrbereich ohne abrupte Änderung des Brechungsindex erreicht.

5. Dotierstoffe

Die z. Zt. bevorzugten Dotierstoffe umfassen Germaniumoxid für den Kern und Fluor für die Ummantelung. Die vorliegende Faser ist natürlich nicht auf diese speziellen Dotierstoffe beschränkt. Bei deren Verwendung zeigt sich, daß der Kern mit generell weniger als 5 Mol-% Germaniumoxid und die Ummantelung mit generell mehr als 0,5 Mol-% Fluor für eine Brechungsindexerhöhung bzw. Brechungsindexerniedrigung zu dotieren sind. Der Zusatz anderer Dotierstoffe wie Phosphor, beispielsweise in der Ummantelung, u.a. zur Verbesserung der Herstellungseigenschaften, kann für die vorliegende Faser in Betracht gezogen werden.

Beispiel 1. Faserherstellung

Die Vorform wurde mit Hilfe eines modifizierten chemischen Dampfniederschlags (MCVD) (US-PS 4 217 027) unter Verwendung eines 19×25 T08-WG Siliziumoxidrohrs hergestellt. Die Reaktionsmitteldurchsätze für den Niederschlag der Ummantelung betrugen für SiCl₄ 3,0 g/min; für POCl₃ 0,052 g/min, für CF₂Cl₂ 105 cm³/min und für den überschüssigen Sauerstoff 4300 cm³/min. Die Ummantelung wurde in 16 Schritten niedergeschlagen. Es wurde keine Druckvorrichtung verwendet, da die Rohrschrumpfung nur etwa 1 mm im Außendurchmesser im Verlaufe des Dampfniederschlages betrug. Der Kern wurde in zwei Schritten unter Verwendung eines Durchsatzes von 0,54 g/min SiO₂, von 0,077 g/min GeCl₄ und von 1300 cm³/min überschüssigem Sauerstoff niedergeschlagen. Eine kompensierte Kollabierung erfolgte in sechs Schrumpungsschritten, während dener eine Spur von auf Sauerstoff geträgertem GeCl₄-Dampf durch das Rohr hindurchgeleitet wurde. Das Rohr wurde dann am stromabwärts liegenden Ende abgedichtet, worauf die Kollabierung in zwei weiteren Schrumpfungsschritten vervollständigt wurde.

Nach Messung der Querschnittsabmessungen der Vorform in einer Tauchzelle wurde die Faser gezogen und zugleich mit einem UV-strahlungsgehärteten Epoxy-Acrylat- Harz ummantelt. Die Faser hatte einen Außendurchmesser von 114 µm, einen Kerndurchmesser von 7,5 µm, ein Durchmesserverhältnis D/d zwischen Ummantelung und Kern von 5,9 und eine Länge von 1 km.

2. Fasereigenschaften

Die Eigenschaften der Fasern wurden durch Messung der Grenzwellenlänge, des spektralen Verlustes und der Gesamtdispersion erfaßt.

Als Grenzwellenlänge wurde diejenige Stelle gemessen, wo bei einer Erhöhung der Wellenlänge des einfallenden Lichtes die über eine Länge von 3 m übertragene Leistung einen raschen Abfall zeigte. Die so definierte Grenzwellenlänge wurde bei λ_c von 1,192 ± 0,005 µm ermittelt.

Der spektrale Verlust wurde von 1,0 bis 1,7 µm unter Verwendung eines fernes/nahes Ende-Technik mit einer Länge des nahen Endes von 3 m gemessen. Der Verlust wurde mit und ohne einer einzigen Schleife von 40 mm Radius am nahen Ende gemessen. Die Verlustkurve ohne die Schleife war überraschenderweise im wesentlichen identisch mit der mit der Schleife aufgenommenen Verlustkurve und zwar selbst in der Umgebung der Grenzwellenlänge von 1,19 µm. Erfahrungsgemäß ist dies ein Zeichen für eine sehr gute Modeneingrenzung. Der Verlust hatte ein lokales Minimum bei 1,30 µm von 0,57 ± 0,03 dB/km, ein lokales Maximum bei 1,39 µm (OH-Spitze) von 7,7 dB/km sowie ein Minimum von 0,40 dB/km bei 1,50 µm. Jenseits 1,50 µm stieg der Verlust schnell an, wobei alle Anzeigen darauf hindeuteten, daß der Verlust ungebunden ist. Der Verlust bei 1,30 µm wird nicht nachteilig beeinflußt.

Die gesamte Farbdispersion im Einzelmodengebiet wurde aus der Ableitung der Gruppenlaufzeit nach den Wellenlängendaten errechnet. Diese Daten erhielt man unter Verwendung schmaler Pulse aus einem Raman-Faserlaser, der mit modenstarr gekoppelten, gütegesteuerten Pulsen bei 1,05 µm eines Neodymdotierten Yttriumaluminiumgranat-Lasers gepumpt wurde. Die Wellenlänge der aus der Raman-Faser austretenden Pulse wurde mit einem Gittermonochromator selektiert. Die Wellenlänge λ₀, bei der eine Dispersion von Null auftritt, betrug 1,314 µm.

Claims (6)

1. Einzelmodenfaser, mit einem Kern geringen Durchmessers und einem Mantel, dessen Brechzahl kleiner als die des Kerns ist, umfassend folgende Merkmale:

• a) der Brechzahl-Unterschied Δ der Faser beträgt mehr als 0,3% und weniger als 0,75% (Δ ist die Differenz der Brechzahlen von Kern und Mantel, dividiert durch die Brechzahl des Mantels),
• b) der Kern besitzt eine brechzahlerhöhende Dotierung und einen Durchmesser von weniger als 9 µm,
• c) der Mantel weist eine brechzahlerniedrigende Dotierung auf,
• d) der Mantel weist keine abrupte Änderung der Brechzahl auf,
• e) die Grenzwellenlänge der Faser beträgt weniger als 1,31 µm,
• f) die Dispersion der Faser im Wellenlängenbereich von 1,25 bis 1,385 µm beträgt weniger als 5 ps/nm · km,
• g) die brechzahlerniedrigende Dotierung des Mantels trägt mehr als 20% zum Brechzahl-Unterschied Δ der Faser bei, und
• h) das Durchmesserverhältnis von Mantel und Kern ist größer als 2.

2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial aus mindestens 90% Siliziumoxid besteht.

3. Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Faser weniger als 5 Mol-% Germaniumoxid aufweist.

4. Faser nach einem der Anprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung der Faser mehr als 0,3 Mol-% Fluor aufweist.

5. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser Phosphor enthält.

6. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahl des Kerns einen Gradienten aufweist.