DE3231832C2

DE3231832C2 - Optische Faser

Info

Publication number: DE3231832C2
Application number: DE3231832A
Authority: DE
Inventors: Takao Mito Ibaragi Edahiro; Toshihito Hosaka; Juichi Noda; Katsunari Okamoto; Yutaka Sasaki
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1981-08-27
Filing date: 1982-08-26
Publication date: 1987-01-08
Also published as: FR2512214B1; NL8203146A; NL187873C; GB2104680A; DE3231832A1; JPS5835503A; NL187873B; JPS6258481B2; FR2512214A1; GB2104680B; CA1181274A; US4480897A

Abstract

Fig. 2 zeigt eine optische Faser für eine Einmodenwelle mit einer einzigen Polarisation mit einem elliptischen Kern (20), einem Paar spannungsinduzierender Elemente (21) zu beiden Seiten der kleinen Halbachse (b) des elliptischen Kernes (20) und einen Mantel (23), in welchen der Kern (20) und die spannungsinduzierenden Elemente eingebettet sind. Die spannungsinduzierenden Elemente (21) sind unter Verwendung von B ↓2O ↓3 hergestellt und üben eine asymmetrische Spannung auf den Kern (20) aus. Die relative Brechzahldifferenz Δ zwischen dem Kern (20) und dem Mantel (23) genügt der Beziehung 0,004 Δ 0,05; die Exzentrizität &epsi; der Beziehung 0,01 &epsi; 0,9. Der Dotierungsstoff B ↓2O ↓3 hat eine molare Konzentration von 1 bis 25 mol%. Das Verhältnis der Dicken zwischen den spannungsinduzierenden Elementen (21) und dem Kern (20) ist 5 bis 15. Die modale Doppelbrechung B = ( β ↓x- β ↓y)/k genügt der Beziehung B 1 x 10 ↑- ↑6, mit ( β ↓x- β ↓y) gleich Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeitskonstanten zwischen den HE ↓1 ↓1 ↑x- und HE ↓1 ↓1 ↑y-Moden und k einer Wellenzahl im Vakuum. Die Polarisations-Moden-Dispersion (Verzögerungszeitdifferenz zwischen den zueinander orthogonalen HE ↓1 ↓1 ↑x- und HE ↓1 ↓1 ↑y-Moden) ist hierbei gleich Null.

Description

d) &sgr;_&khgr; — &sgr;> = -&rgr; (Tjfi— Ty), mit

&XJ = Hauptspannung im Kern in Richtung der Hauptachsen x,ybzv/. a&ldquor; b; C = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
P= fotoelastischer Koeffizient des Kernmaterials

T_x'- Xf = Laufzeitdifferenz der beiden orthogonal polarisierten Lichtwellen im spannungsfreien Zustand der optischen Faser

e) Bg: 1 xlO-⁶

B = modale Gesamtdoppelbrechung der Faser
&Lgr; 0,01 = &egr;= 0,9, mit

(&egr; = Exzentrizität des elliptischen Kerns,

&egr; = 1 — b/a, a und b große und kleine Hauptachse)

g) 0,004 < &Dgr; S 0,05,

&Dgr; = relative Brechzahldifferenz zwischen Kern und Mantel
h) das Dickenverhältnis zwischen den spannungsinduzierenden Elementen (21) und dem Kern liegt zwischen 5 und 10.

2. Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (23) im wesentlichen aus S1O2 besteht.

3. Optische Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsinduzierenden Elemente (21) einen Dotierungsstoff zur Verringerung ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten enthalten und Ji Richtung der großen Halbachse (a) des Kernes (20) angeordnet sind.

4. Optische Faser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungsstoff T1O2 ist.

5. Optische Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsinduzierenden Elemente (21) einen Dotie- iingsstoff zur Erhöhung ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten enthalten und in Richtung der kleinen Halbachse (b) des Kernes (20) angeordnet sind.

6. Optische Faser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungssioff BjOj ist und &egr;&iacgr;&pgr;&egr; molare Konzentration von 1 bis 25 Mol-°/o hat

7. Optische Faser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungsstoff GeO2. P2O5. PbO. F und/oder AI2O3 ist.

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Faser der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Eine optische Faser dieser Art ist aus der DE-OS 29 01 092 bekannt. Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optische Faser dieser Art so weiter zu bilden, daß bei ihrem Betrieb als Einmoden-Lichtwellenleiter die Laufzeitdifferenz zwischen zwei orthogonal zueinander polarisierten Lichtwellen verschwindet.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erwähnt.

Aus der DE-OS 29 30 704 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser bekannt, bei dem eine Vorform ,

unsymmetrisch kollabiert wird, um eine Verkopplung zwischen den beiden Wellen mit zueinander orthogonaler | Polarisation weitgehend zu unterbinden.

Zu dem gleichen Zweck wird bei dem aus der DE-OS 29 30 791 bekannten Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser ein Träger verwendet, der einen Querschnitt mit stark unterschiedlichen Abmessungen in zwei |

orthogonalen Richtungen aufweist. f

Aus der DE-OS 29 22 665 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Monomode-Lichtleitfaser mit einem ellipti- f sehen Querschnitt bekannt.

Gibt man die Ausbreitungskonstanten von Licht im HE*ii-Mode, das in zwei zueinander orthogonalen Hauptachsen einer optischen Faser polarisiert ist, mit den Symbolen der ß_x und ß_y an, dann läßt sieh die modale eo Doppelbrechung B wie folgt wiedergeben;

B = (ß_x-ß_y)/k (1)

Das Symbol k steht hierbei für die Wellenzahl von sich im Vakuum ausbreitendem Licht und wird durch folgende Gleichung wiedergegeben: k=2&tgr;&igr;/&lgr; (&lgr;=Vakuum wellenlänge).

Bekanntlich muß die modale Doppelbrechung B größer als etwa 10~⁶ sein, wenn der linear polarisierte Zustand von Licht nicht durch externe Kräfte, beispielsweise Biege- oder Druckkräfte gestört werden soll. Hierbei wird angenommen, daß linear polarisiertes Licht in Richtung der Hauptachse einer optischen Faser

einfällt (s. &zgr;. B. R. Ulrich et al., "Bending-induced birefringence in single-mode fibers", Optics Ltt, Vol. 5, Nr. 6, S. 273—275, 1981). In diesem Zusammenhang wurden zur Erhöhung der modalen Doppelbrechung folgende Vorschläge gemacht:

Vorsehen eines nicht kreisförmigen Kernes in der Mitte einer Ummantelung (s. z. B. C. Yah, "Elliptical dielectric waveguides", Journal of applied Physics., Vol. 33, Nr. 11, S. 3235—3243,1962) oder Anordnen eines Paares von zweiten Ummantelungen zu beiden Seiten eines zentrischen Kernes wobei die zweiten Ummantelungen aus einem Material aufgebaut sind, das einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als der zentrische Kern und eine Ummantelung. Hierdurch wird eine asymmetrische Spannung auf den zentrischen Kern ausgeübt (s. deutsche Pat-Anm. P 32 01 342.6-51, desselben Anmelders; Titel Optische Faser für Einmodenwelle mit einer einzigen Polarisation").

Die modale Doppelbrechung B einer optischen Faser mit nicht kreisförmigem Kern läßt sich durch folgende Gleichung wiedergeben:

B = (ß_x0-ß_yo)/k +P-(a_x- a_s) (2)

Die Symbole ß_{x 0} und ß_y0 stehen für die Ausbreitungskonstanten bei spannungsfreiem Zustand, die Symbole &sgr;_&khgr; und &sgr;, für die Hauptspannungen (kg/mm²) in den Hauptachsenrichtungen und das Symbol P für den fotoelastischen Koeffizienten von Quartzglas. Letzterer ergibt sich durch folgende Beziehung:

P = 336 &khgr; 10-5(mm²/kg) (3)

Der erste Term der Gleichung (2) wird geometrische Anisotropie B_g genannt, der zweite spannungsinduzierte Doppelbrechung B_s. Die Exzentrizität der elliptischen optischen Faser wird bekanntlich durch folgende Gleichung wiedergegeben:

Hierbei repräsentieren a die große Halbachse und h die kleine Halbachse der Ellipse.

Die geometrische Anisotropie 3_g und die spannungsinduzierte Doppelbrechung B_s einer optischen Faser mit einer Exzentrizität c=0,4 und einer relativen Brechzahldifferenz 4=0.6% ergeben sich zu B_s= 1,2 &khgr; 10~⁵ und S, = 3.1xlO-5.

Die modale Doppelbrechung B ergibt sich demnach zu

B = Bg + B_s = 4,3 &khgr; 10⁵ (5)

Die Verzögerungszeiten pro Längeneinheit von orthogonal polarisierten Moden einer optischen Faser mit einer einzigen Polarisation ergeben sich zu

d/c"

Unter den vorgenannten Voraussetzungen ergibt sich die Verzögerungszeitdifferenz (Polarisations-Moden-Dispersion) pro Längeneinheit D der zwei Polarisationsmoden durch folgende Gleichung:

Hierbei wird die Vakuumlichtgeschwindigkeit durch das Symbol C ausgedrückt. Unter Berücksichtigung der Gleichungen (1) und (2) ergibt sich die Polarisations-Moden-Dispersion D durch die nachstehende Gleichung:

D = (Tv 0- U 0) + -|=r (&sgr;_&khgr;-&sgr;_&ggr;) (9)

Der erste Term der rechten Seite der Gleichung (9) gibt die Yerzögerungszeitdifferenz in Abwesenheit so asymmetrischer Spannung wieder — er wird mit D_g symbolisiert —, der zweite Term die Verzögerungs?eitdifferenz infolge induzierter Spannung — er wird mit dem Symbol D₅ belegt. Bei einer optischen Faser mit einem elliptischen Kern ergibt sich die spannungsinduzierte Verzögerungszeitdifferenz D_g wie folgt:

Df =-^-A²cF(v) (10)

Hierbei steht das Symbol n\ für die Brechzahl des Kernes. Die Größe F(v) ist eine Funktion, die von der

normierten Frequenz &ngr; und der Exzentrizität &egr; abhängt. Die bei Spannungseinwirkung auftretende Polarisations-Moden-Dispersion läßt sich experimentell ermitteln.

Sind beispielsweise /4 = 0,6%, &egr;=0,4 und v=0,9 = v_c (mit v_c: = Grenzfrequenz einer optischen Faser mit elliptischem Kern) dann ergibt sich — wegen F(v)=0,\6

D^= ll(ps/km) (H)

und wegen B._t==3,l &khgr; 10~⁵
D,-^ = 103 (ps/km). (12)

Für den vorgenannten Fall ergibt sich demgemäß die Polarisations-Moden-Dispersion zu
D = Dg + D&ldquor; ·= 114 (ps/km) (13)

Die Polarisations-Moden-Dispersion D einer optischen Faser mit einer einzigen Polarisation läßt sich für den Fall, daß eine asymmetrische Spannung in Richtung derX-Achse durch ein Paar fächerförmiger spannungsinduzierender Elemente induziert wird, ermitteln (5. Hösaka ei al., "Sirigle-püiarizaiiün öptic-a! fiber having asynüTictrical refractive index pits", OQE81-22, S. 43—48, 1981). Hierbei wird angenommen, daß der Kern aus GeO₂-SiO₂, die spannungsinduzierenden Elemente aus B₂O₃-SiO₂ und der Mantel aus SiO₂ besteht; ferner, daß der Kern eine relative Brechzahldifferenz &Dgr; = 0,61 °/o, eine Exzentrizität &egr;=0,07, die spannungsinduzierenden Elemente eine spezifische Brechzahldifferenz Zlj=—0,44% und der Mantel einen Außendurchmesser 2d—160 &mgr;&pgr;&igr; aufweisen.

Eine optische Faser mit einer einzigen Polarisation und einer großen modalen Doppelbrechung B —, die zum Zwecke der Stabilisierung der Polarisationseigenschaften gegen externe Kräfte verwendet wird, — hat eine große Polarisaitions-Moden-Dispersion D. Dies wird anhand der Zeichnungen noch erläutert werden.

Eine derartige optische Faser, in der eine (geringe) Modenkvpplung zwischen zwei Polarisationsmoden besteht, weist eine große Polarisations-Moden-Dispersion auf, mit der Folge, daß die Ausbreitungseigenschaften in kohärenten optischen Übertragungssystemen od. dgl. deutlich verschlechtert werden.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen noch näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Meßsystems zur Messung der Polarisations-Moden-Dispersion.

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Faser. Fig. 3 eine graphische Wiedergabe des Kontrastes der Interferenzstreifen bei einer optischen Faser mit einer Länge von 1 m und 400 m,

Fig= 4 eine graphische Darstellung der Funktion G(v), welche die geometrische Doppelbrechung einer optischen Faser mit elliptischem Kern festlegt,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Funktion H(v)= G(v)—F(v), in Abhängigkeit der normierten Frequenz v,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der normierten Grenzfrequenz v_c einer Faser mit elliptischem Kern von der Exzentrizität &egr;,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Funktion G(v), welche die geometrische Doppelbrechung einer optischen Faser mit elliptischem Kern bestimmt, von der Exzentrizität &egr;,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Exzentrizität &egr; und der Funktion F(v). welche die Polarisations-Moden-Dispersions-Kennlinie einer optischen Faser mit elliptischem Kern festlegt,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit zwischen der Exzentrizität &egr; und der in Fig. 5 gezeigten Funktion H(v),

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Exzentrizität &egr; und der Größe Qi = IO-VmA²S,

Fig. 11 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Exzentrizität &egr; und der Größe Q₂ = 5 XlO-Vn₁Zl²C.

Fig. 12 eine graphische Darstellung der Wellenleiterparameter, die der Gleichung H(v)= 1 &khgr; \0~⁵/&eegr;&igr;&Dgr;²&egr; genügen,

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Wellenleiterparameter, die der Gleichung H(v)=5 &khgr; 10-³/&pgr;&idiagr;4²&egr; genügen,

Fig. 14 eine graphische Darstellung der Wellenleiterparameter, die ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Faser für eine Einmodenwelle mit einer einzigen Polarisation und einer modalen Doppelbrechung B= 1 &khgr; &Igr;&Ogr;-⁵ aufweist,

Fig. 15 eine graphische Darstellung der Wellenleiterparameter, die ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Faser für eine Einmodenwelle mit einer einzigen Polarisation und einer modalen Doppelbrechung/?^ &khgr; 10-⁵aufweist,

Fig. 16 einen Teil-Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Faser,

Fig. 17 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Spannungsdifferenz &sgr;_&khgr; —a_y des Kernes und der spezifischen Brechzahldifferenz /i_s(molarer Prozentsatz) der spannungsinduzierenden Elemente,

Fig. 18 eine graphische Darstellung einer weiteren Beziehung zwischen der Spannungsdifferenz &sgr;_&khgr;—&sgr;_} des Kernes und der spezifischen Brechzahldifferenz A_s (molarer Prozentsatz) der spannungsinduzierenden Elemente, und

Fig. 19 und 20 graphische Darstellungen der Beziehungen zwischen der spezifischen Brechzahldifferenz &Dgr;, der spannungsinduzierenclen Elemente und der relativen Brechzahldifferenz &Dgr; unter der Randbedingung, daß gilt: i

U=IxIO ** Li nd *JQ ^=s 5 &khgr; 10 * $

Vor einer Beschreibung der Erfindung werden die Gründe für die Verwendung der eine asymmetrische Spannung induzierenden Elemente bei der zum Stande der Technik gehörenden optischen Faser mit einer einzigen Polarisation erläutert. Die Polarisations-Moden-Dispersion, d. h. die Verzögerungszeit-Differenz zwischen ilen zueinander orthogonal stehenden HE^vii- und H&Egr;&eegr; 1-Moden, einer derartigen optischen Faser wird mit der in Fig. 1 schematisch dargestellten Meßanordnung gemessen. Die dargestellte Meßanordnung ist aufgebaut aus einem Halbleiter-Laser 4 (&Aacgr; = 1,29 &mgr;&eegr;&igr;), einem Linsensystem 5, A/2 Plättchen 6, einer optischen Fase? 7 mit einer einzigen Polarisation, einem Wollaston-Prisma 8, einem Filter 9, einem halbdurchlässigen Spiegel 10, einem PbS-Detektor 11, einem Monitor 12, einem stationären Spiegel (Mi) 13 und einem beweglichen Spiegel (M2) 14. Obengenannter Meßanordnung liegt folgendes Meßprinzip zugrunde: Im folgenden werden die Lichtintensitäten des HE¹Ii- und des HE^i-Mode auf der Oberfläche des Detektors 11 mit dem Symbol I\ bzw. /2 wiedergegeben: die Differenz D zwischen den Verzögerungszeiten dieser beiden Moden durch das Symbol At, wobei gilt At= DL (mit L = Länge der optischen Faser 7). Die resultierende Intensität /wird dann durch die nachstehende Gleichung wiedergegeben:

/= &Lgr; + /2 + Iy[TJ₁ 1 &ggr;(&Dgr;&tgr;) I cos Φ(&Dgr;&tgr;) ■ cos &OHgr; (14)

Hierbei bedeuten die Symbole

y: komplexer Kohärenzgrad,

Φ: Phasenwinkel des Kohärenzgrades und

&OHgr;: einen Winkel zwischen den beiden polarisierten Lichtstrahlen auf der Oberfläche des Detektors 11.

Durch Justierung des &Lgr;/2-Plättchens 6 ist es möglich, den Winkel jQ=0 zu machen, mit der Folge, daß cos &OHgr;= 1 gilt. Der Kontrast Vder Interferenzstreifen ist wie folgt definiert:

^lmax⁺'mm

Durch Justierung des Filters 9 können die beiden Lichtintensitäten I\ und /2 einander gleichgemacht werden, mit der Folge, daß gilt

V= I &ggr;(&Dgr;&tgr;)&Igr; (16)

Es ist bekannt, daß der komplexe Kohärenzgrad / gleich 1 wird, wenn für die Verzögerungszeitdifferenz &Dgr;&tgr;=0 gut, aiso \&ggr;{0)\ = 1. Demnach -wird der Kontrast der Interferenzstreifen ein Maximum, wenn gilt: 4r=0 und V= 1. In Fig. 1 ist der bewegliche Spiegel M2 bzw. 14 so positioniert, daß der Kontrast Vbei einer Länge L der optischen Faser 7 ein Maximum wird. In Fig. 1 wird durch das Symbol M 2' bzw. 14' diejenige Position wiedergegeben, bei welcher der Kontrast Vmaximal bei einer optischen Faser 7 mit einer Länge von 1 m wird. i_h M2' gibt hierbei die Position des beweglichen Spiegels wieder, in welcher beide Arme des in Fig. 1 gezeigten Interferometers eine gleiche optische Länge haben, bei einer optischen Faser 7 von 1 m Länge die Polarisations-Moden-Dispersion also mit Null angegeben werden kann. Hat die optische Faser 7 die Länge L, dann erreicht die HE¹H -Mode-Welle die Endfläche der Faser eher als die HE*u-Mode-Welle. Die Zeitdifferenz ist hierbei wiedergegeben durch die Beziehung At= (&tgr;_&khgr;— T_x)L Wird nun die optische Weglänge des Lichtstrahls längs des vorderen Interferometerarms um CAt verkürzt, dann wird der Kontrast V wieder ein Maximum. Bezeichnet man die Verschiebung des beweglichen Spiegels 14 mit dem Symbol £, dann gilt folgende Relation: CAt=2£.
Demgemäß ergibt sich die Polarisations-Moden-Dispersion D wie folgt:

Die entsprechenden Meßergebnisse für eine optische Faser mit einer einzigen Polarisation und einem Paar spannungsinduzierender Elemente zu beiden Seiten eines zentrisch angeordneten Kernes sind in Fig. 3 dargestellt. Hieraus ergibt sich der Betrag der Verschiebung des beweglichen Spiegels 14 zu

f= 16.47 mm (L = 400 m) (18)

Setzt man den oben gefundenen Wert von £ in Gleichung 17 ein, ergibt sich folgende Polarisations-Moden-Dispersion:

D = 275(ps/km) (19)

Die erfindungsgemäße optische Faser mit einer einzigen Polarisation hat eine Polarisations-Moden-Dispersion, die gleich Null ist Die optische Faser ist eine Faser für eine Einmodenv/elle und weist einen elliptischen Kern 20, ein Paar segmentförmiger spannungsinduzierender Elemente 21 und einen Mantel 23 auf. Die erfindungsgemäße optische Faser ist in Fig. 2 dargestellt Die Polarisations-Moden-Dispersion D einer derartigen optischen Faser ergibt sich — ausgehend von den Gleichungen (9) und (10) — wie folgt:

(20)

Oben wiedergegebene Polarisations-Moden-Dispersion D ist dann gleich Null, wenn folgende Gleichung erfüllt ist:

n_xA²sF(v) + P ■ (&sgr;_&khgr; - &sgr;_&ggr;) = 0 (21)

Ausgehend von den Gleichungen (2) und (21) ergibt sich die modale Doppelbrechung B unier den vorstehend genannten Bedingungen wie folgt:

B = H₁A²BC(V) + P ■ (&sgr;_&khgr; - Gy) = niA²s[G(v) - F(vJ\ = &Pgr;&igr;&Agr;²&egr;&EEgr;(&ngr;) (22)

Im Falle eines elliptischen Kernes 20 gilt:

B₃ = (ß_xo - ßyo)/k = n_KA²sG(v) (23)

Die Werte von G(v) für unterschiedliche Werte von &egr; sind in Fig. 4, die Abhängigkeit von H(v) von der normalisierten Frequenz &ngr; ist in Fig. 5 dargestellt

Um die Polarisationseigenschaften einer optischen Faser mit einer einzigen Polarisation gegen externe Kräfte zu stabilisieren, sollte die modale Doppelbrechung S größer als 1 &khgr; 10~⁶ sein.

Nachfolgend werden Berechnungen des strukturellen Aufbaus der optischen Faser für zwei Fälle wiedergegeben, nämlich für

I) B=Ix &Igr;&Ogr;-= und

II) B= 5 &khgr; 10-5.

Eine kurze Zusammenfassung der Herstellung einer optischen Faser, deren Polarisations-Divergenz bzw. -Dispersion gleich Null ist, wird nachstehend wiedergegeben:

1. Man bestimme eine Kombination von relativer Brechzahldifferenz &Dgr;, Exzentrizität &egr; und normalisierter Frequenz vderart, daß folgende Beziehungen gelten:

' 1 35 B= n\A²sH(v) = 1 &khgr; 10-⁵oder
^; I = 5 &khgr; 10-5.

Gleichzeitig wird der Wert von rt\A²sF(v) bestimmt.

2. Man bestimme die Spannungsinduzierenden Elemente derart, daß folgende Beziehung gilt:

(&sgr;_&khgr; - Gy) = -

Vor der endgültigen Festlegung der optischen Faser mit einem elliptischen Kern ist es erforderlich, deren Grenzfrequenz v_c zu kennen. Fig. 6 gibt die Beziehung zwischen der Exzentrizität &egr; und der Grenzfrequenz v_c wieder. Die Grenzwellenlänge A₀ ergibt sich wie folgt:

X_c = — n_xai/TÄ (24)

Unter Berücksichtigung der Gleichung (21) und der nachstehenden Gleichung &ngr;=(2&pgr;/&lgr;)&eegr;\3)12&Dgr; ergibt sich:

4 _ &ngr;

"V (25)

Aus vorstehendem ergibt sich, daß bei der Behandlung von optischen Fasern für Einmodenwellen die Verwendung des Verhältnisses v/v_c als Parameter von Vorteil ist I

Die Fig. 7,8 und 9 geben die Abhängigkeit der Funktionen G(v), F(v) und H(v) von der Exzentrizität &egr; wieder, ]

wobei als Parameter das Verhältnis v/v_c gewählt wurde.
Im folgenden werden bezeichnet:

Fall I: der Fall, in welchem gilt:

B = niA²sH(v) = 1 &khgr; 10-⁵.
Fall II: der Fall, in welchem gilt:
B = mA²sH(v) = 5 &khgr; &Igr;&Ogr;-⁵.

Demgemäß ist es erforderlich, die Größen A, £und ^derart zu bestimmen, daß gilt:
im Fall I:

- Q, (26)

und im Fall II:

Die Größen Qi und Qi sind hierbei Funktionen lediglich der relativen Brechzahldifferenz &Dgr; und der Exzentrizität &egr;. Die funktionell Abhängigkeit der Größen Qi und Q2 von der Exzentrizität &egr; ist in Fsg. 10 bzw. 11 wiedergegeben. Hierbei ist die Größe &Dgr; als Parameter gewählt worden. Diejenigen Wertekombinationen der Größen &Dgr;, &egr; und v, die den Gleichungen (26) bzw. (27) genügen, können wie folgt ermittelt werden:

Fall 1: durch Übereinanderlegen der Fig. 9 und 10 und Ermittlung der Schnittpunkte der Kurven H(v) und Qi;

Fall 11: durch Übereinanderlegen der Fig. 9 und 11 und Ermittlung der Schnittpunkte der Kurven H(v) und Qj.

Die auf diese Weise erhaltenen Beziehungen zwischen den Größen &Dgr;, &egr; und &ngr; sind für den Fall I in Fig. 12 und J für den Fall 11 in Fig. 13 dargestellt, wobei jeweils das Verhältnis v/v_c als Parameter gewählt worden ist.

Aus den genannten Figuren ergibt sich, daß für B=I xlO-⁵ (Fall I) &Dgr; größer als 0,3% und für den Fall ß=5x 10-⁵(FallIl)z\größeralsl%seinsollte.

Gleichzeitig ergibt sich aus den beiden genannten Figuren, daß die Exzentrizität &egr; mit steigender relativer Brechzahldifferenz abfällt.

Unter Verwendung der Fig. 12 und 13 werden die Parameter einer in der Praxis einsetzbaren Wellenleiter strukturbestimmt. Für die nachfolgend wiedergegebene Struktur der optischen Faser wird angenommen, daß das Verhältnis v/v_c=0,95 und die Wellenlänge A= 1,3 &mgr;&idiagr;&eegr; ist. Unter diesen Voraussetzungen liefert Gleichung (25) als Grenzwellenlänge X_c—1,235 &mgr;&iacgr;&tgr;&igr;. Werden aus den Kurven v/v_e=0,95 in den Fig. 12 und 13 die Beziehungen zwischen der relativen Brechzahldifferenz &Dgr;, der großen Halbachse a des Kernes und de Exzentrizität &egr; ermittelt, dann ergeben sich für den Fall I die in Fig. 14 und für den Fall II die in Fig. 15 dargestellten Kurven.

Vorstehend wurde die Bestimmung von Wellenleiterparametern, nämlich der Wellenleiterparameter relative Brechzahldifferenz &Dgr;, Kerndurchmesser bzw. große Halbachse a und Exzentrizität &egr; beschrieben, die notwendig sind, um eine Polarisations-Divergenz bzw. -Dispersion herbeizuführen, die gleich Null ist. Aus Fig. 8 ergibt sich dann der bzw. die entsprechende(n) Wert(e) für die Kurve F(v).

Danach müssen die spannungsinduzierenden Elemente so bestimmt werden, daß folgende Gleichung erfüllt ist:

&sgr;,-rr, =&psgr;&eegr;,&Dgr;²&egr;&Pgr;&ngr;) (28)

Fig. 8 zeigt, daß F(v) positiv ist, ausgenommen der Fall, indem v/v_c—1,0 gilt.

Aus Gleichung (28) ergibt sich, daß die Spannungsdifferenz im Kern folgender Beziehung genügen sollte:

&sgr;_&ngr; - &sgr;, < 0 (29)

Ohne die spannungsinduzierenden Elemente sollte Differenz im elliptischen Kern einer optischen Faser der Beziehung (&sgr;,—a_y)>Q genügen. Demgemäß sollten die spannungsinduzierenden Elemente in Richtung der K-Achse angeordnet sein, wie in Fig. 16 gezeigt. In Fig. 16 bedeuten die Symbole n_s die Brechzahl des spannungsinduzierenden Elementes, &eegr; und &eegr; dessen Innen- bzw. Außenradien und &THgr;_$ den in Fig. 16 gezeigten, von der K-Achse aus gemessenen Winkel. In diesem Fall beträgt der Außendurchmesser der optischen Faser 2c/= 125 &mgr;&iacgr;&tgr;&igr;. Vor einem Festlegen des strukturellen Aufbaues des spannungsinduzierenden Elementes ist es notwendig, die Abhängigkeit der Spannungsdifferenz im Kern von der Brechzahl (molarer Prozentsatz des als Dotierungsstoff für die spannungsinduzierenden Elemente verwendeten B2O3) der spannungsinduzierenden Elemente zu untersuchen, wobei der Durchmesser a des elliptischen Kernes, die relative Brechzahldifferenz &Dgr; und die Exzentrizitüt &egr; als konstante Parameter gewählt werden.

I &eegr; den Fig. 17und 18 ist die Beziehung zwischen der spezifischen Brechzahldifferenz —&Dgr;_$ und der Spannungsdifferenz (&sgr;_&khgr;—&sgr;_&ngr;) der spannungsinduzierenden Elemente wiedergegeben, wobei die obengenannten Parameter folgende Werte hatten:

Im ersten Fall: 4 = 0,5%; &egr;=0,52; a=5,2 &mgr;&pgr;&igr; und
im anderen Fall:4=l%;e=0,18;a = 2^m.

eo &Dgr;, ist hierbei durch folgende Gleichung definiert:

Die erforderlichen Untersuchungen wurden unter Verwendung der Methode der finiten Elemente durchgeführt und hierbei für r_t =56, r₂=\0b gewählt, wobei das Symbol b die kleine Halbachse des Kernes repräsentiert Aus den Fig. 17 und 18 ergibt sich, daß bei Abwesenheit der spannungsinduzierenden Elemente gilt: &sgr;_&khgr;—&sgr;_&ggr;>0;

ferner, daß mit ansteigender spezifischer Brechzahldifferenz (molarer Prozentsatz) — A_s der spannungsinduzierenden Elemente für die Spannungsdifferenz im Kern gilt: &sgr;_&khgr;—a_y<0. Ferner ergibt sich aus den genannten Figuren, daß die Größe &sgr;_&khgr;— a_y linear abhängig von der Größe A_s ist
Die spezifische Brechzahldifferenz (molarer Prozentsatz) der spannungsinduzierenden Elemente, welche zur Erfüllung der Glexhung (28) führt, wurde aufgrund der oben angegebenen Ergebnisse berechnet. Die Recheiiergebnisse sind für den Fall I in Rg. 19 und für den Fall II in Rg. 20 wiedergegeben.

Vorstehende Ergebnisse zusammenfassend kann gesagt werden, daß eine erfindungsgemäße optische Faser für eine Einmodenwelle mit einer einzigen Polarisation dadurch herstellbar ist, daß die in den F;g. 14 und 15 wiedergegebenen Wellenleiterparameter sowie ein elliptischer Kern und spannungsinduzierende Elemente verwendet werden, die den Daten gemäß Rg. 19 und 20 entsprechen.

Vorstehende Ausführungen haben gezeigt, daß die Polarisations-Moden-Dispersion der erfindungsgemäßen optischen Faser für eine Einmodenwelle mit einer einzigen Polarisation gleich Null ist, ohne daß hierdurch die polarisationserhaltenden Eigenschaften der optischen Faser für eine Einmodenwelle nachteilig beeinflußt würden. Die erfindungsgemäße optische Faser eignet sich daher bestens zur Anwendung als kohärentes optisches

Übertragungssystem, als optische Faser in einem Meßsystem sowie als Koppelglied an einen integrierten optischen Kreis.

In den vorangehenden Ausführungsbeispielen war die relative Brechzahldifferenz &Dgr; < 3% — bezogen auf den Kern. Die genannte Beziehung wurde wegen der Rayleigh-Streuverluste gewählt, da mit steigender Konzentration der Dotierungsstoffe im Kern auch die Rayleigh-Streuung ansteigt Wird jedoch die erfindungsgemäße optische Faser dort verwendet, wo derartige Streuungsverluste hingenommen werden können, beispielsweise bei einem Faserfühler od. dgl., dann kann die relative Brechzahldifferenz sogar bis zu 5% betragen. Auch in einem solchen Fall kann eine optische Faser fü/ eine Einmodenwelle mit einer einzigen Polarisation entsprechend den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen hergestellt werden.
Zur Frage der Absorptionsverluste infolge des Dotierungsstoffs in den spannungsinduzierenden Elementen wird noch folgendes ausgeführt: Zur Vermeidung von Infrarotlicht-Absorptionsverlusten in den B2O3-SiC>2-spannungsinduzierenden Elementen haben letztere in diesem Ausführungsbeispiel einen Abstand vom Kern 20, der größer als das Fünffache der kleinen Halbachse b ist. Geht man dagegen von dem Fall aus, bei welchem Lichtverluste hingenommen werden können, dann können die spannungsinduzierenden Elemente auch näher am Kern angeordnet werden. Selbst wenn die spannungsinduzierenden Elemente einen Abstand vom Kern haben, der größer als das 15fache von dessen kleiner Halbachse ist, kann die Polarisations-Divergenz dadurch zu Null gemacht werden, daß die Konzentration des Dotierungsstoffes in den spannungsinduzierenden Elementen erhöht wird.

Wird als Dotierungsstoff für die spannungsinduzierenden Elemente ein den thermischen Ausdehnungskoeffizienten reduzierendes Material, beispielsweise T1O2 verwendet, dann werden die spannungsinduzierenden EIemente in Richtung der X-Achse angeordnet — nicht also in Richtung der V-Achse wie im vorangehenden Ausführungsbeispiel.

Im vorangehenden Ausführungsbeispiel wurde die Exzentrizität des Kernes 20 so gewählt, daß folgende Beziehung erfüllt ist: 0,1 <&egr;<0,6. Können jedoch Kopplungsverluste hingenommen werden, dann kann &egr; auch bis auf etwa 0,9 erhöht werden.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche

1. Optische Faser für eine Einmodenwelle mit einer einzigen Polarisation mit

a) einem elliptischen Kern (20),

b) einem Paar spannungsinduzierender Elemente (21), die zur Induzierung einer asymmetrischen

Spannung im Kern (20) zu dessen beiden Seiten angeordnet sind und einen Dotierungsstoff zur Änderung (Erhöhung oder Verringerung) ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten enthalten, und

c) einem Mantel (23), in welchem der Kern (20) und die spannungsinduzierenden Elemente (21) eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer Laufzeitdifferenz zwischen zwei

&iacgr;&ogr; orthogonal polarisierten Lichtwellen folgende Beziehungen erfüllt sind: