DE3232194A1

DE3232194A1 - Optischer faserleiter mit doppelumhuellung

Info

Publication number: DE3232194A1
Application number: DE19823232194
Authority: DE
Inventors: Leonard George Cohen; Wanda Lee 07733 Holmdel N.J. Mammel
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-09-03
Filing date: 1982-08-30
Publication date: 1983-03-10
Also published as: NL192010C; JPS5852603A; JPH0727443Y2; CA1170090A; NL192010B; FR2512215A1; NL8203434A; GB2105488B; DE3232194C2; FR2512215B1; US4435040A; GB2105488A; JPH03100804U

Description

Optischer Faserleiter mit Doppelumhüllung

Die Erfindung betrifft optische Faserleiter mit einer Umhüllung und insbesondere Faserleiter, die wenigstens zwei konzentrische Hüllenbereiche besitzen, sowie Nachrichtenübertragungssysteme mit solchen Faserleitern.

Wegen ihrer niedrigen Dämpfung und Dispersion sind Einzelmoden-Faserleiter für optische Nachrichtensysteme vorteilhaft, die große Verstärkerabstände und große Bandbreite besitzen. In solchen Systemen ist die maximale Datenübertragungsrate durch die chromatische Dispersion aufgrund von Material- und Wellenleitereinflüssen begrenzt.

Es ist bekannt, daß in reinem Quarzglas sowie in dotiertem Quarzglas, das gegenwärtig bei der Herstellung von optischen Fasern benutzt wird, der Anstieg der Materialdispersion als Funktion der Wellenlänge für den Wellenlängenbereich, dir gegenwärtig für optische Nachrichtenübertragungssysteme von Interesse ist, d.h., von etwa 0,8 um bis etwa 1,6 pm, positiv ist. Weiterhin ist die Materialdispersion bei etwa 1,3 um Nu]I. Im Gegensatz dazu besitzt die Wellenleiterdispersion in typischer Weise eine kleine negative Steigung für den gleichen Wellenlängenbereich in Einzelmodenfasern. Demgemäß hat die gesamte chromatische Dispersion, die in erster Näherung die algebraische Summe der Materialdispersion und der Wellenleiterdispersion ist, ebenfalls eine Nullstelle, allerdings in typischer Weise bei einer Wellenlänge, die verschieden ist von derjenigen, bei der die Materialdispersion Null ist. Dazu wird beispielsweise hingewiesen auf W.A. Gambling et al, Elektronics Letters, Band 15, 1979, Seiten 474 bis 476. Es ist außerdem bekannt, daß das Dämpfungsspektruni von Faserleitern auf Quarzglasbasis in typischer Weise ein relatives Minimum bei etwa 1,3 jlimi und ein absolutes Minimum (für den hier interessierenden Wellenlängenbereich) bei etwa 1,55 um

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hat. Berechnungen haben gezeigt, daß es möglich ist, einen Einzelmoden-Faserleiter mit stufenförmiger Änderung des Brechungsindex herzustellen, der eine chromatische Dispersion von Null bei der Wellenlänge minimaler Dämpfung besitzt. Dazu wird hingewiesen auf CP. Chang, Elctronics Letters, Band 15 (23), 1979, Seiten 765 bis 767.

Obwohl ein Einzelmoden-Faserleiter, bei dem das Minimum der chromatischen Dispersion bei der Wellenlänge minimaler Dämpfung nahe 1,55 μΐη auftritt, hohe Bandbreite bei dieser Wellenlänge besitzt, muß ein solcher Faserleiter in typischer Weise einen sehr kleinen Kern haben, der in typischer Weise einen Durchmesser von weniger als etwa 5 pm besitzt, so daß sich schwierige Spleißprobleme ergeben. Außerdem führt bei einem Nachrichtensystem unter Verwendung eines solchen Faserleiters selbst eine sehr kleine Abweichung der Trägersignal-Wellenlänge von der Wellenlänge minimaler Dispersion zu einer beträchtlichen Verschlechterung der Systembandbreite. Beispielsweise führt eine Trägerabweic.'ung von + 0,05 pm von der Wellenlänge minimaler Dispersion zu einer Verringerung der maximalen Datenübertragungsrate um beinahe zwei Größenordnungen. Aus dieser Erläuterung ergibt sich, daß ein üblicher Einzelmoden-Faserleiter mit sich stufenförmig änderndem Brechungsindex, der für einen Betrieb bei 1,3 pm ausgelegt ist, nicht für einen Betrieb nahe 1,55 μΐη brauchbar ist, und umgekehrt und daß entsprechend ein solcher Faserleiter in typischer Weise keinen Wellenlängen-Multiplexbetrieb zuläßt.

Es wurde kürzlich festgestellt, daß ein Einzelmoden-Faserleiter mit Doppelumhüllung, der auch als W-Profil-Faserleiter bezeichnet wird, potentiell wesentliche Vorteile gegenüber üblichen Fasern mit Einzelumhüllung besitzt. Beispielsweise wurde gezeigt, daß ein W-Profil-Faserleiter einen Hinzelmoden-Cetrieb mit einem größeren Kern ermöglicht, als er bei konventionellen Einzelnoden-Faserleitern mit sich stufenförmig änderndem Brechungsindex möglich

ist. Dazu wird verwiesen auf S. Kawakami und S. Nishida, IEEE Journal of Quantum Electronics, Qe-1O(12), 1974, Seiten 879 bis 887. Vor kurzem wurde außerdem erkannt, daß ein Einzelmoden-Faserleiter mit W-Profil so erzeugt werden kann, daß er zwei Nullstellen für die gesamte chromatische

Dispersion im relevanten Wellenlängenbereich mit endlicher, aber kleiner Dispersion für den Wellenlängenbereich zwischen den beiden Nullstellen besitzt. Dazu wird hingewiesen auf K. Okamoto et al., Electronics Letters, Band 15(22), 1979, Seiten 729 bis 731.

Diese Ergebnisse wurden jedoch für Faserleiter mit verhältnismäßig unerwünschten Parameterwerten erzielt. Insbesondere sind die Brechungsindex-Differenzen zwischen den relevanten Faserbereichen ziemlich groß, nämlich in der Größenordnung von 1 %, und der Kerndurchmesser ist sehr klein, und zwar etwa 7 pm. Große Brechungsindex-Differenzen bedeuten eine starke Dotierung, die in typischer Weise zu beträchtlichen Rayleigh-Streuverlusten führt, und kleine Kerndurchmesser führen zu beträchtlichen Spleißdämpfungen. Beide Dämpfungsmechanismen verringern dann natürlich die möglichen Verstärkerabstände.

Vor ganz kurzer Zeit haben T. Miya et al. in IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-17(6), 1981, Seiten 858 bis 861 über einen W-Profil-Faserleiter mit Doppelumhüllung berichtet, der größere Brechungsindex-Differenzen und größere Kerndurchmesser besitzt, als der von Okamoto et al (siehe oben) besprochene Faserleiter besitzt. Im einzelnen berichten Miya et al. über Einzelmoden-Faserleiter mit W-Profil, die eine Brechungsindex-Differenz zwischen dem Kern und der äußeren Umhüllung von beispielsweise 0,52 ^o und eine ßrechungsindex-Differenz zwischen der äußeren und der inneren Umhüllung von - 0,31 %, einen Kermhirchmosser von otv:a 7-8 μηι und eine Dicke der inneren Umhüllung etwa gleich dem Kernradius besitzen, flci diesen Fasern war dtr Kerr, mit Germanium aufwärts-dotiert und

die innere Umhüllung war mit Fluor abwärts-dotiert. Wegen der Vielzahl der Verwendeten Dotierstoffe ist die Herstellung solcher Fasern verhältnismäßig kompliziert. Darüber hinaus führt der verhältnismäßig stark dotierte Kernbereich zu einer verhältnismäßig hohen Rayleigh-Streuung, und die Dotierung verschiebt die Wellenlänge der Nullstelle für die Materialdispersion des Kerns zu einem Wert oberhalb von 1,3 μπι, wodurch in typischer Weise bewirkt wird, daß das bei kurzer Wellenlänge auftretende Minimum der chromatischen Dispersion ebenfalls bei einer Wellenlänge von oberhalb 1,3 pm auftritt. Aus diesen und anderen Gründen erscheint es wünschenswert, Parameterbereiche zu finden, die zu Faserleitern mit größeren Kernen und verringerter Rayleigh-Streuung führen und eine größere Freiheit bei der Bemessung des chromatischen Dispersionsspektrums geben.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf optische Einzelmoden-Faserleiter auf Quarzglasbasis mit wenigstens zwei Hüllschichten, und zwar in typischer Weise Faserleiter mit Doppelumhüllung, sowie auf Nachrichtensysteme mit solchen Faserleitern. Der Faserleiter umfaßt drei konzentrische Bereiche. Diese Bereiche sind der Kernbereich, der einen ersten Brechungsindex η (1+ Λ) und einen Radius aR.| hat, der erste oder innere Hüllenbereich, der einen zweiten Brechungsindex η (1-H Δ) und einen Außenradius a besitzt, und der zweite oder äußere Hüllenbereich, der einen dritten Brechungsindes η und eine Dicke t hat. (R stellt das \£rhältnis des Kernradius zu a da, Δ einen Wert, um den der erste Brechungsindex den dritten Brechungsindex übersteigt, und H einen Wert, um den der Dritte Brechungsindex den zweiten Brechungsindex übersteigt). Dieser Faseraufbau kann durch einen dritten Hüllenbereich umgeben sein, der in typischer Weise aus reinem geschmolzenen SiOo besteht,

das beispielsweise aus dem Vorform-Rohr, von dem ausgegangen wird, gewonnen wird. Diese weitere Umhüllung kann jedoch für die Zwecke der vorliegenden Erfindung üblicherweise unbeachtet bleiben. Zusätzlich zu den oben angegebenen Bereichen können solche Faserleiter weitere Bereiche umfassen, beispielsweise eine Sperrschicht, die so ausgebildet ist, daß sie eine Wanderung von OH-Radikalen in den Kernbereich verhindert. Bei W-Profil-Faserleitern müssen die Brechungsindizes der Bedingung genügen, daß der erste Brechungsindex größer als der dritte und der dritte Brechungsindex größer als der zweite ist.

Faserleiter nach der Erfindung haben einen verhältnismäßig starken Kern, eine erste Umhüllung, deren Dicke in typischer Weise kleiner als der Kernradius ist, eine verhältnismäßig kleine Brechungsindex-Differenz zwischen dem Kern und der äußeren Umhüllung sowie einen verhältnismäßig tiefen und schmalen Brechungsindex-Einbruch, d.h., Brechungsindex innerhalb der Umhüllung. Im einzelnen hat ein solcher Fasenleiter einen Radius a vorzugsweise größer als 5 pm, R^ liegt zwischen etwa 0,5 und 0,8 mit einem Kernradius

aR, vorzugsweise bei wenigstens etv/a 4 um,Δ liegt zwischen etwa 0,001 und etwa 0,004 und H liegt zwischen etwa 1 und etwa 3, wobei die bevorzugten Werte zwischen etwa 0,0015 und etwa 0,003 sowie zwischen etwa 1,5 und etwa 2,5 für Δ bzw. H betragen. Der Kernradius übersteigt etwa 10 μΐη nicht und beträgt vorzugsweise weniger als etwa 8μΐη. Der bevorzugte Faserleiter nach der Erfindung hat demgemäß einen starken Kern (größer als 4 μιη im Vergleich zu 3,5 bis 4 um), eine kleinere Brechungsindex-Differenz zwischen dem Kern und der äußeren Umhüllung (0,1 ⁰D - 0,4 % im Vergleich zu beispielsweise 0,52 %), in typischer Weise eine größere Brechungsindex-Differenz zwischen der inneren und der äußeren Umhüllung (0,1 % - 0,6 % gegenüber beispielsweise 0,31 \) sowie eine dünnere innere Umhüllung (1/4-1-χ dem Kernradius gegenüber etv/a Ix dem Kernradius) als der von Miya et al (siehe oben) beschriebene Faserleiter). Parameter innerhalb der erfindungsgemäßen Bereiche ermögLieben

Faserleiter mit vorteilhaften Eigenschaften, beispielsweise niedriger Rayleigh-Streuung und niedriger Spleißdämpfung. Darüber hinaus kann der Faserleiter nach der Erfindung leicht so zugeschnitten werden, daß er niedrige Dispersion über einen großen Wellenlängenbereich besitzt, beispielsweise zwischen dicht unterhalb 1,3 μπι bis etwa 1,55 pm, wobei die beiden Wellenlängen der Nullstellen für die chromatische Dispersion in einem gewissen Grad unabhängig voneinander einstellbar sind. Dies führt dann zu Nachrichtensystem mit verbesserten Eigenschaften, beispielsweise höherer Bandbreite bei beiden Wellenlängen mit niedriger Dämpfung. Zusätzliche Vorteile von Faserleitern nach der Erfindung sind in typischer Weise eine verhältnismäßig einfache Herstellung sowie verhältnismäßig große, zulässige Parametertoleranzen.

Fasern nach der Erfindung lassen sich aus SiO^-reichen Vorformen in der üblichen Weise herstellen. Die Vorformen können mittels eines geeigneten Verfahrens erzeugt werden, beispielsweise des MCVD-Verfahrens (modifizierte chemische Abscheidung aus dem Dampfzustand = modified chemical vapor deposition) oder mittels des VAD-Verfahrens (axiale Abscheidung aus dem Dampfzustand = vapor a_xial deposition). Es kann jeder geeignete Dotierstoff, der den Brechungsindex erniedrigt oder erhöht, oder auch eine Kombination von Dotierstoffen verwendet werden. Beispiele für Dotierstoffe sind F (Fluor), Ge (Germanium) und P (Phosphor). Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen besteht der Kern im wesentlichen aus Quarzglas (SiO-) oder aus schwach mit Germanium dotiertem Quarzglas, wobei sowohl der innere als auch der äußere Umhüllungsbereich mit Fluor dotiert sind, um deren Brechungsindex zu erniedrigen, wodurch sich Faserleiter erzeugen lassen, bei denen der ausnutzbare Bereich niedriger Dispersion -zu kürzeren Wellenlängen ausgedehnt ist, beispielsweise unterhalb 1,3 μ:ϊι.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Brechungsindexprofil für einen typischen "aufwärtsdotierten" Faserleiter mit W-Profil, den man durch eine Germanium-Dotierung ^ von Quarzglas erzeugen kann;

Fig. 2 auf entsprechende Weise ein typisches "abwärtsdotiertes" Profil, das man durch eine Fluor-Dotierung von Quarzglas erzeugen kann; Fig. 3 ein schematisches Diagramm der chromatischen Dispersion abhängig von der Wellenlänge, und zwar im einzelnen die Materialdispersion eines typischen Faserleitermaterials, die Wellenleiterdispersion eines typischen Faserleiters mit einer einzelnen Umhüllung sowie mit einer doppelten Umhüllung und deren gesamte chromatische

Dispersion;

Fig. 4 drei idealisierte Brechungsindexprofile, die zur Erzielung der Ergebnisse gemäß Fig. 5 benutzt worden sind;

ZQ Fig. 5 ein Diagramm der chromatischen Dispersion abhängig von der Wellenlänge, das den Einfluß einer Veränderung der Parameter H und Δ auf die Faserleiter-Dispersion zeigt;

Fig. 6 ein Diagramm der chromatischen Dispersion abhängig von der Wellenlänge, das den Einfluß

einer Veränderung des Parameters H weiter erläutert ;

Fig. 7 und 8 Diagramme der chromatischen Dispersion abhängig von der Wellenlänge für Faserleiter mit drei unterschiedlichen Werten des Dotierparameters Δ für Fluor-dotierte bzw. Germaniumdotierte Faserleiter;
Fig. 9 und 10 Diagramme der Bandbreite abhängig von

der We.l]enJänge für Fascrleiter mit unter-

■^ schiedJichen Werten von DeJ La für Fluor-dotierte

bzw. Germanium-dotierte Faserleiter;

Fig. 11 und 12 typische Toleranzen des Dotierparameters A und des Radius a für Fluor-dotierte bzw. Germanium-dotierte Faserleiter.

Figur 1 zeigt schematisch den Brechungsindex als Funktion des radialen Abstandes für einen typischen "aufwärts-dotierten" W-Profil-Faserleiter mit stufenförmig sich änderndem Brechungsindex, der beispielsweise durch eine Germanium-Dotierung von Quarzglas erzeugt werden kann. Zur Erleichterung der Beschreibung werden der erste und zweite Brechungsindex anhand des dritten Brechungsindex η für die äußere Umhüllung ausgedrückt. Dies geschieht mit Hilfe des Parameters Δ, der den Wert angibt, um den der erste Brechungsindex den dritten Brechungsindex übersteigt, und des Parameters H, der die "Tiefe" der Brechungsindex-Ein-Senkung angibt, d.h., den Wert, um den der dritte Brechungsindex den zweiten Brechungsindex übersteigt. Außerdem wird zur Erleichterung der Beschreibung der Kernradius aR, an-· hand von r, dem äußeren Radius der inneren Umhüllung mit Hilfe des Parameters R, ausgedrückt, der das Verhältnis des Kernradius zu a angibt. Die Ungleichung 0,5 <R₁ <1 bedingt demgemäß einen Fasenleiter, bei dem die Dicke der inneren Umhüllung kleiner als der Kernradius ist.

Der Kernbereich 10 hat den höchsten Brechungsindex der drei Bereiche, die für diese Erläuterung relevant sind, nämlich den Kern 10, die innere Umhüllung 11 und die äußere Umhüllung 12. Der Kern mit dem Radius aR., besitzt den Brechungsindex η (1 +Δ). Der Brechungsindex des Kerns besitzt eine axiale Einsenkung, die in typischer Weise bei Germanium-dotierten Fasern aufgrund des Dotierstoff-Abbrennens beim Zusammenfall der Vorform beobachtet wird. Faserleiter mit einer solchen Einsenkung haben jedoch in typischer Weise das beabsichtigte Profil über wenigstens etwa 90 % des Faserquerschnitts. Beispielsweise ist bei einer Faser mit sich stufenförmig ändernden! Brechungsir;-dex der Brechungsindex des Kerns in typischer Weise über

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wenigstens 90 % des Querschnitts im wesentlichen konstant. Die innere Umhüllung 11 besitzt den niedrigsten Brechungsindex η (1-ΗΔ ) der drei Bereiche. Die Dicke der inneren Umhüllung beträgt 3(1-R₁). Die äußere Umhüllung 12 besitzt einen Brechungsindex η , dessen Wert zwischen dem Brechungs· index für den Kern und die innere Umhüllung liegt. Die Dicke der äußeren Umhüllung ist nicht kritisch. In typischer Weise soll sie jedoch verhältnismäßig groß sein, so daß die äußere Umhüllung im wesentlichen so behandelt werden kann, als ob sie unendliche Dicke besitzt, d.h., es ist nur ein vernachlässigbarer Bruchteil der über die Faser übertragenen Energie nicht in den Bereichen 10, 11 und 12 enthalten. Diese Bedingung ist in typischer Weise dann erfüllt, wenn die Dicke der äußeren Umhüllung wenigstens mehrere Mal größer als der Kernradius ist und vorzugsweise wenigstens etwa dem 6-fachen Wert des Kernradius entspricht. Der Bereich 13 entspricht einer möglichen weiteren Umhüllung, die beispielsweise aus dem Anfangsrohr einer Vorform aus Quarzglas abgeleitet ist. In diesem Fall ist der Brechungsindex des Bereichs 13 der Brechungsindex für undotiertes Quarzglas. Da angenommen worden ist, daß der Bereich 13 einen nur vernachlässigbaren Einfluß auf die Signalausbreitung im Faserleiter besitzt, kann der Brechungsindex der Umhüllung 13 im Prinzip größer als, gleich oder kleiner als der der benachbarten Umhüllung 12 sein.

Figur 2 zeigt scheniatisch das Brechungsindexprofil als Funktion der radialen Koordinate eines "abwärts-dotierten" W-Profil-Faserleiters mit sich stufenförmig änderndem Brechungsindex, das beispielsweise durch Fluor-Dotierung von Quarzglas erreichbar ist. Der Kernbereich 20, die innere Umhüllung 21, die äußere Umhüllung 22 und die weitere UmhüLlung 23 sind den entsprechenden Bereichen 10, 11, 1? und 13 in Fig. 1 direkt analog, wobei identisehe Beziehungen zwischen den verschiedenen Brechungsindizes und identische Bezeichnungen für die radialen Ab-

messungen und Brechungsindizes benutzt werden. Das Profil gemäß Fig. 2 ist auf Fluor-dotierte Fasern anwendbar, deren Kern im wesentlichen aus reinem Quarzglas besteht. Da in diesem Fall kein Abbrennen von Dotierstoff beim Zusammenfallen der Vorform auftreten kann, entsteht in typischer Weise keine Brechungsindex-Einsenkung. Bei einem Faserleiter mit verhältnismäßig stark Fluor-dotierter innerer und äußerer Umhüllung soll die Dicke der äußeren Umhüllung vorzugsweise wenigstens gleich dem 8-fachen Wert des. Kernradius entsprechen, um Verluste der sich ausbreitenden Signalschwingungsform zu vermeiden.

Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, die Erfindung bei mehrfach dotierten Faserleitern anzuwenden. Beispielsweise ist bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Kern schwach aufwärts-dotiert (beispielsweise Germanium-dotiert) und die Umhüllungen sind abwärts-dotiert (beispielsweise Fluor-dotiert).Beispielhafte Parameterwerte sind Δ = 0,2 % (wobei in typischer Weise nur ein Teil hiervon auf der Aufwärtsdotierung beruht), H = 2, a = 7 pm und R, = 0,7. Dies führt zu einer Faser mit niedriger Rayleigh-Streuung aufgrund der schwachen Dotierung des Kerns und einer Wellenlänge für die Nullstelle der Materialdispersion dicht bei der von reinem SiO₇.

In den Figuren 1 und 2 sind im wesentlichen stufenförmige Brechungsindexprofile gezeigt, aber Fasern nach der vorliegenden Erfindung besitzen in typischer Weise keine solchen Profile. Wenn ein Profil absichtlich oder unabsichtlich von einem stufenförmigen Profil abweicht, beispielsweise bei einem Faserleiter mit graduell sich änderndem Brechungsindex, dann lassen sich "effektive" Brechungsindizes und Radien definieren. Dazu wird beispielsweise hingewiesen auf A.W. Snyder, Proceedings of the IEEE, Band 69 (1), 1981,Seiten 6 bis 13. Zur Vereinfachung der Darstellung sollen die Ausdrücke "Brechungsindex", "Kadius" und "Dicke", wenn sie für Bereiche der hier erläuterten

Faserleiter benutzt werden, sich generell auf "effektive" Werte beziehen. In Bereichen mit im wesentlichen konstanten Brechungsindexwerten und stufenförmigen Änderungen des Brechungsindex zwischen den Bereichen sind die "effektiven" Werte identisch mit den "nominellen" Werten dieser Beträge, die beispielsweise in den Figuren 1 und 2 gezeigt sind. Die letztgenannten "nominellen" Werte lassen sich daher als Sonderfälle dieser allgemeineren "effektiven" Werte ansehen.

Figur 1 und 2 zeigen nicht weiterhin mögliche Faserleiterbereiche, beispielsweise Sperrschichten, obwohl solche Bereiche im Rahmen der Erfindung verwirklicht sein können.

Figur 3 zeigt schematisch die Materialdispersion (30) sowie die Wellenleiterdispersion für einen typischen Faserleiter mit Einzelumhüllung (31) und einen typischen Faserleiter mit Doppelumhüllung (32) als Funktion der Wellenlänge. Zusätzlich zeigt Fig. 3 die Summe der Materialdispersion und der Wellenleiterdispersion, d.h., die gesamte chromatische Dispersion als Funktion der Wellenlänge, wobei die Kurve 33 die chromatische Dispersion für einen typischen Faserleiter mit Einzelumhüllung und die Kurve 34 die chromatische Dispersion für einen Faserleiter mit Doppelumhüllung darstellen. Wie sich aus Fig. 3 erkennen läßt, besitzt ein Faserleiter mit Einzelumhüllung nur eine Wellenlänge für eins chromatische Dispersion von Null, während ein Faserleiter mit Doppelumhüllung zwei solche Wellenlängen haben kann.

Als nächstes werden die Einflüsse von Änderungen der Parameter H und R. auf die Form des Wellenleiter-Dispersionsspektrums betrachtet. Wenn H bei konstantem Δ ansteigt, dann wird die gesamte Brechungsindexänderung zwischen dem Kern und der inneren Umhüllung größer, wodurch sich in typischer Weise eine erhöhte Wellenleiterdispersion ergibt. Dies läßt sich als eine "im Urzeigersinn erfolgende Drehung" des Wellenleiter-Dispersionsspektrums bei anstei-

gendcin H ansehen und führt, in typischer Weise zu einer Vergrößerung der Wellenlänge für die Wellenleiterdispersion Null. Der Umstand, daß der Parameter H in erster Linie denjenigen Teil der Wellenleiter-Dispersionskurve beein-5" flußt, die positive Werte der Dispersion hat, läßt sich ausnutzen, um die Lage der Nullstelle für die gesamte chromatische Dispersion bei der kürzeren Wellenlänge der beiden Wellenlängen zu steuern.

Ein weiterer verfügbarer Beeinflussungsparaiiieter ist R,, der in typischer Weise in erster Linie die Krümmung der Wellenleiter-Dispersionskurve bei größeren Wellenlängen beeinflußt. Wenn R., klein ist, dann hat in typischer Weise die innere Umhüllung einen betonten Einfluß auf die Unterdrückung der niedrigsten Ausbreitungs-Schwingungsform (Mode). Wenn R. ansteigt, wird die Moden-Unterdrückung mehr graduell, und die Krümmung der Wellenleiter-Dispersionskurve nimmt ab. Beispielsweise kann die Wahl von H = 2 und R = 0,1 zu Nullstellen der gesamten chromatischen Dispersion bei etwa 1,3 um und etwa 1,55 um führen, also bei Wellenlängen, bei denen in typischer Weise Dämpfungsminima für Faserleiter auf Quarzglasbasis auftreten.

Diese Einflüsse von H und IL auf die Dispersion sind in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Figur 4 zeigt als Beispiel drei, idealisierte Brechungsi.ndcxprofilc und Fig. 5 die Wellenleiter-Dispersionskurven für diese drei Profile zusammen mit einer typischen Kurve für die Materialdispersion (53). Alle drei Profile haben den gleichen Wert für a und A · Die Brechungsindexprofile 40 und 4 1 in Fig. 4 haben den gleichen Wert für R,, unterscheiden sich aber im Wert ihres Parameters H, wobei für das Profil 41 H größer als für das Profil 40 ist. Das Profil 42 besitzt den gleichen Wert von H wie das Profil 40, hat aber einen größeren Wert von R, als die Profile Ί0 und Ii.

Figur 5 zeigt,' daß die Kurve 51, die das Brechungsindexprofil 41 in Fig. 4 verwendet, eine positive Wellenleiterdispersion besitzt, die größer ist als die der Kurve 50, die das Brechungsindexprofil 40 in Fig. 4 verwendet, 5· und eine negative Wellenleiterdispersion, die negativer ist als die der Kurve 50. Eine solche Beziehung ist oben als "Drehung im Urzeigersinn" bezeichnet worden. Fig. 5 zeigt außerdem, daß die Kurve 51 eine etwas größere Wellenlänge für die Nullstelle der Wellenleiterdispersion hat als die Kurve 50. Andererseits ist die Kurve 52, die das Brechungsindexprofil 42 in Fig. 4 benutzt, für kurze Wellenlängen im wesentlichen identisch mit der Kurve 50 und weicht von dieser für größere Wellenlängen ab, d.h., im negativen Teil des Spektrums für die Wellenleiterdispersion.

Figur 6 zeigt weiterhin die Abhängigkeit des Wellenleiter-Dispersionsspektrums und folglich des Spektrums der chromatischen Dispersion vom Wert des Parameters H. Die Kurve 60 ist die Materialdispersion, die Kurven 63, 62 und 61 sind die Wellenleiterdispersion für H = 1, 2 bzw. H?2 und die Kurven 66, 65, und 64 sind die chromatische Dispersion für H = 1, 2 bzw. H>2 für einen Faserleiter mitAi-0,2 % und R₁ '«-0,7. Die Kurven lassen die Brauchbarkeit des Parameters H zur Beeinflussung der Wellenlängen für die Dispersion Null erkennen.

Figur 7 zeigt Dispersionsspektren für beispielhafte, doppelt umhüllte Faserleiter mit reinem Quarzglaskern und Fluor-dotierter Umhüllung. Solche Fasern haben vorteilhafte Eigenschaften und stellen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar. Insbesondere ist, da der größte Teil der optischen Energie auf den Kern begrenzt und wieder undotiert ist, die Rayleigh-Streuung in typischer Weise klein, Außerdem v:ird durch das Nichtvorhandensein von Germanium im Kern die Nulüstellc der Materialdispersion auf eine Wellenlänge kurzer als 1,3 μηι verschoben, wodurch der Auf-

bau eines Wellenleiters möglich wird, der eine Nullstelle der chromatischen Dispersion bei 1,3 um oder sogar etwas unterhalb von 1,3 um besitzt. Außerdem führt das Nichtvorhandensein eines Dotierstoffs im Kern in typischer Weise zu einem glatteren Brechungsindexprofi] ohne zentrale Einsenkung und mit größerer axialer Gleichförmigkeit. In Fig. 7 werden Fasern mit a = 7 um, R., = 0,7, H = 2 und Δ = 0,19, 0,20 und 0,21 % vorausgesetzt. Die Kurve 70 ist die Materialdispersion und die Kurvenfamilie 71 die WeI-lenleiterdispersion von Fasern mit den angegebenen Werten für Δ . Die sich ergebende gesamte chromatische Dispersion dieser Fasern ist als Kurvenfamilie 72 dargestellt. Jede Kurve für die chromatische Dispersion besitzt eine Null-Kreuzung im Bereich von 1,3 um und eine weitere NuIl-Kreuzung im Bereich von 1,5 um. Da die Wellenleiterdispersion für abnehmendes ^ kleiner wird, sind für abnehmende Werte von Δ die Kurven für die chromatische Dispersion nach unten verschoben und die beiden Wellenlängen für minimale Dispersion liegen dichter beieinander. Diebeiden Pindbreiten-Spitzenwerte, die bei den Wellenlängen minimaler Dispersion auftreten, fallen zu einem einzigen breiten Spitzenwert zusammen, wenn die Kurve für die chromatische Dispersion zur Tangente an die Achse für die Dispersion Null wird· Das geschieht bei Δ ^ 0,185 % für Fasern der hier besprochenen Art. Noch kleinere Werte für Delta verschieben die Kurve für die chromatische Dispersion vollständig unterhalb der Achse für die Dispersion Null.

Figur 8 zeigt Dispersionskurven ähnlich denen in Fig. 7 für Germanium-dotierte Faserleitcr mit a = 6,5 um, R₁ = 0,7, H = 2 und Δ =0,21, 0,22 und 0,23 %. Die Kurve 80 stellt die Materialdispersion dar, die Kurvenfamilie 81 die Wellenleiterdispersion und die Kurvenfamilie 82 die gesamte chromatische Dispersion. Ein Wert & = 0,21 % führt zu einer Dispersionskurve, die die Achse für die Dispersion Null berührt. Ähnliche Dispersionskurven erhält man für

Faserleiter mit schwach aufwärts-dotiertem (beispielsweise Germanium-dotiertem) Kern und aufwärts-dotierten (beispielsweise Fluor-dotierten) Umhüllungen, mit der Ausnahme, daß die Null-Werte der chromatischen Dispersion bei etwas kürzeren Wellenlängen auftreten. Für die oben als Beispiel beschriebenen Fasern betreibt diese Verschiebung etwa 3 %.

Figur 9 zeigt Bandbreiten-Spektralkurven, die den Dispersionsspektren in Fig. 7 entsprechen. Die Bandbreite in GHz " km gilt für Laserquellen mit einer Linienbreite von etwa 4nm. Die Linie 90 gibt den Bandbreitenwert 25 GHz ' km an. Die als Beispiel dargestellten Kurven zeigen, daß Fasern mit den hier betrachteten Parametern für A zwischen 0,18 und 0,20 % Bandbreiten besitzen, die größer als etwa 25 GHz " km bei allen Wellenlängen zwischen etwa 1,3 pm und etwa 1,52 jam sind.

Figur 10 zeigt als Beispiel Bandbreitenspektren, die den Dispersionsspektren in Fig. 8 entsprechen. Die Linie 100 gibt den Bandbreitenwert 25 GHz ' km an. Wiederum erhält man ähnliche Spektren für die oben besprochenen Faserleiter mit schwach aufwärts-dotiertem Kern und abwärtsdotierten Umhüllungen, wobei die Kurven wiederum zu etwas niedrigeren Wellenlängen verschoben sind. Beispielsweise beträgt die Verschiebung für oben besprochene Faser etwa 3 %.

Faserleiter nach der Erfindung lassen sich mit jedem geeigneten Verfahren herstellen, beispielsweise dem MCVD- oder VAD-Verfahren. Diese Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Dazu sei beispielsweise hingewiesen auf die US-PS'en 3 956 446, 4 135 901 und 4 217 027. Dotierstoffe. die zur Änderung des Brechungsindex von Quarzglas bei der Herstellung optischer Faserloiter brauchbar sind, sind beispielsweise Fluor, Germanium, Boi und Phosphor. Sie können einzeln oder in Kombination bei Faserleitern nach der Erfindung

verwendet werden. Die Wahl des geeigneten Dotierstoffs kann vom Fachmann getroffen werden.

Ein wichtiger Konstruktionsfaktor ist der Empfindlichkeitsgrad der Fasereigenschaften, beispielsweise der Bandbreite, gegen Änderungen der Faserparameter. Da die Fasern nur mit endlichen Toleranzen herstellbar sind, ist es natürlich erwünscht, daß die Grenzen der Parameterwerte für brauchbare Fasern verhältnismäßig weit sind.

Fasern nach der vorliegenden Erfindung sind in typischer Weise relativ unempfindlich gegen kleine Parameteränderungen. Dies ist in Fig. 11 und 12 für Fluor-dotierte bzw. Germaniumdotierte Fasern dargestellt. Die Figuren zeigen die Brechungsindex-Differenz Δ als Funktion des Außenradius a der ersten Umhüllung für Fasern mit H = 2 und R. =0,7.

Alle Punkte, die zwischen den Kurven liegen, führen zu Fasern mit einer Bandbreite von wenigstens 25 GHz * km im■ Wellenbereich von 1,3 pm bis 1,55 μηι. Die unteren Kurven rtellen diejenigen Werte von Δ und a dar, die zu einem einzelnen breiten Bandbreiten-Spitzenwert nahe X = 1,4 μπι führen, und die oberen Kurven stellen diejenigen Werte dar, die zu einem Bandbreitenspektrum mit zwei Spitzenwerten führen, wobei ein Spitzenwert nahe 1,3 um und der andere Spitzenwert nahe 1,6 pm liegt. Die kreuzförmigen Markierungen geben Toleranzen von + 0,2 pm für 2a und +0,1 % für Δ an. Es wurde gefunden, daß der Bereich zwischen den beiden Grenzkurven entsprechend der obigen Definition mit zunehmendem a breiter wird, so daß die Toleranzanforderungen in typischer Weise weniger streng für Fasern mit verhältnismäßig großem Durchmesser sind.

Bei Einsatz in einem optischen Nachrichtensystem können Fasern nach der Erfindung zusammen mit geeigneten Lichtquellen und Detektoren in einer für den Fachmann bekannten Art betrieben werden.

Claims

BLUMBACM · VVFSFP · OEP3EN · KRAi^f *?oo 1 Q / PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsult Radedcesira2e 43 8000 München 60 Telefon i389)83J6C3/383604 Telex 05-212313 Telogiarrme Patentconsuli Palentconsult Sonnenberger Straße 43 o200 Wiesbader Telefon (06121) 562943/561998 Telex 01-186237 Telegramm«= Palentconsult Western Electric Company Incorporated Cohen - 6-1 Broadway. New York 10038. USA Patentansprüche :

1. Optischer Einzelmoden-Faserleiter auf Quarzglasbasis mit

a) einem Kernbereich, der einen effektiven Radius und einen ersten effektiven Brechungsindex besitzt,

b) einem inneren, den Kern konzentrisch umgebenden Hüllenbereich, der einen effektiven Außenradius und einen zweiten effektiven Brechungsindex besitzt, und

c) einem äußeren, die innere Hülle konzentrisch umgebenden Hüllenbereich, der eine effektive Dicke und einen dritten effektiven Brechungsindex besitzt, dadurch gekennzeichnet,
daß

d) die Differenz zwischen dem ersten und dem dritten Brechungsindex zwischen 0,1 % und 0,4 % vom Wert des dritten Brechungsindex beträgt, wobei der erste Brechungsindex größer als der dritte Brechungsindex ist,

e) daß die Differenz zwischen dem dritten und dem zweiten Brechungsindex zwischen den einfachen und dem dreifachen Wert der Differenz zwischen dem ersten und dem dritten Brechungsindex betiagt, wobei der dritte Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex ist,

f) daß der effektive Kernradius zwischen dem 0,5-fachen und 0,8-fachen Wert des effektiven Außenradius dec inneren Hüllenbereichs beträgt, und

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g) daß der effektive Außenradius des inneren Hüllenbereichs wenigstens 5 um beträgt.

2. Faserleiter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Kernbereichs über mehr als 90 % des Kernquerschnitts im wesentlichen konstant ist.

3. Faserleiter nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem ersten und dem dritten effektiven Brechungsindex zwischen 0,15 % und 0,3 % des Wertes für den dritten effektiven Brechungsindex beträgt.

4. Faserleiter nach Anspruch 1oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem dritten und dem zweiten effektiven Brechungsindex zwischen dem 1,5-fachen und 2,5-fachen Wert der Differenz zwischen dem ersten und dem dritten effektiven Brechungsindex betlägt.

5. Faserleiter nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der innere Umhüllungsbereich des Faserleiters Fluor enthält.

6. Faserleiter nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Hüllenbereich des Faserleiters ebenfalls Fluor enthält.

7. Faserleiter nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kern im wesentlichen aus SiO₂ besteht.

8. Faserleiter nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Kernbereich des Fasei lei. Lers Germanium enthält.

9. Faserleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Hüllenbereiche des Faserleiters Phosphor enthält.

10. Faserleiter nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Dicke des äußeren Hüllenbereichs wenigstens gleich dem 6-fachen Wert des Kernradius ist.

11. Faserleiter nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Kernradius wenigstens 4 um beträgt.

12. Faserleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Kernbereich einen Radius von wenigstens 4 pm hat,

b) daß der innere Hüllenbereich einen Außenradius größer als 5 pm hat,

c) daß der äußere Hüllenbereich eine Dicke von wenigstens dem achtfachen Wert des Kernradius besitzt,

d) daß die Differenz zwischen dem ersten und dem dritten effektiven Brechungsindex zwischen 0,15 % und 0,3 % des Wertes für den dritten effektiven Brechungsindex beträgt,

e) daß die Differenz zwischen dem dritten und dem zweiten effektiven Brechungsindex zwischon dem 1,5-fachen und 2,5-fachen Wert der Differenz zwischen dem ersten und dem dritten effektiven Brechungsindex beträgt, und

f) daß der Kern im wesentlichen aus SiO- besteht.

13. Faserleiter nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß der innere und der äußere Hüllenbereich Fluor enthalten.