DE3232194C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft optische Einzelmoden-
Faserleiter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche
Faserleiter sind aus der US-PS 39 97 214 bekannt.
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,
der gegenwärtig für optische Nachrichtenübertragungssysteme
von Interesse ist, d. h., von etwa 0,8 µm bis etwa 1,6 µm,
positiv ist. Weiterhin ist die Materialdispersion bei etwa
1,3 µm Null. 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 Dämpfungsspektrum von Faserleitern
auf Quarzglasbasis in typischer Weise ein relatives Minimum
bei etwa 1,3 µm und ein absolutes Minimum (für den
hier interessierenden Wellenlängenbereich) bei etwa 1,55 µm
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 C. P. Chang, Electronics
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 µm 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 µm 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 Trägerabweichung
von ±0,05 µm 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 µm ausgelegt ist, nicht für einen
Betrieb nahe 1,55 µm 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 Einzelmoden-Betrieb mit einem größeren Kern ermöglicht,
als er bei konventionellen Einzelmoden-Faserleitern
mit sich stufenförmig änderndem Brechungsindex möglich
ist. Dazu wird verwiesen auf S. Kawakami und S. Nishida,
IEEE Journal of Quantum Electronics, Qe-10(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 Paramterwerten 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 µm. 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% und eine Brechungsindex-Differenz zwischen
der äußeren und der inneren Umhüllung von -0,31%, einen
Kerndurchmesser von etwa 7-8 µm und eine Dicke der inneren
Umhüllung etwa gleich dem Kernradius besitzen. Bei diesen
Fasern war der Kern 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 µm, wodurch in typischer Weise bewirkt wird, daß
das bei kurzer Wellenlänge auftretende Minimum der chromatischen
Dispersion ebenfalls bei einer Wellenlänge von oberhalb
1,3 µm auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, optische
Einzelmoden-Faserleiter auf Quarzglasbasis anzugeben, die
einen Kernbereich mit verhältnismäßig großem Radius und
verringerter Rayleigh-Streuung besitzen sowie eine größere
Freiheit bei der Bemessung des chromatischen
Dispersionspektrums geben.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1
gekennzeichnet. 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 zwei konzentrische Bereiche.
Diese Bereiche sind der Kernbereich, der einen ersten
Brechungsindex nc (1+Δ) und einen Radius aR₁ hat, der
erste oder innere Hüllenbereich, der einen zweiten Brechungsindex
nc (1-HΔ) und einen Außenradius a besitzt, und der
zweite oder äußere Hüllenbereich, der einen dritten Brechungsindex
nc und eine Dicke t hat. (R stellt das Verhältnis
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 geschmolzenem SiO₂ 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
Faserleiter einen Radius a vorzugsweise größer als 5 µm,
R₁ liegt zwischen etwa 0,5 und 0,8 mit einem Kernradius
aR₁ vorzugsweise bei wenigstens etwa 4 µm, 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 µm
nicht und beträgt vorzugsweise weniger als etwa 8 µm. Der
bevorzugte Faserleiter nach der Erfindung hat demgemäß
einen starken Kern (größer als 4 µm im Vergleich zu 3,5
bis 4 µm), eine kleinere Brechungsindex-Differenz zwischen
dem Kern und der äußeren Umhüllung (0,1%-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-
x dem Kernradius gegenüber etwa 1x dem Kernradius) als der
von Miya et al (siehe oben) beschriebene Faserleiter). Parameter
innerhalb der erfindungsgemäßen Bereiche ermöglichen
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 µm bis etwa
1,55 µm, 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 SiO₂-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 axial 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 (SiO₂) 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 µm.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 schematisch ein Brechungsindexprofil für einen
typischen "aufwärts-dotierten" Faserleiter mit
W-Profil, den man durch eine Germanium-Dotierung
von Quarzglas erzeugen kann;
Fig. 2 auf entsprechende Weise ein typisches "abwärts-
dotiertes" 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;
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 Wellenlänge für Faserleiter mit unterschiedlichen
Werten von Delta für Fluor-dotierte
bzw. Germanium-dotierte Faserleiter;
Fig. 11 und 12 typische Toleranzen des Dotierparameters
Δ und des Radius a für Fluor-dotierte bzw.
Germanium-dotierte Faserleiter.
Fig. 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 nc 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-Einsenkung
angibt, d. h., den Wert, um den der dritte Brechungsindex
den zweiten Brechungsindex übersteigt. Außerdem wird
zur Erleichterung der Beschreibung der Kernradius aR₁ anhand
von r, dem äußeren Radius der inneren Umhüllung mit
Hilfe des Parameters R₁ ausgedrückt, der das Verhältnis
des Kernradius zu a angibt. Die Ungleichung 0,5 <R₁<1
bedingt demgemäß einen Faserleiter, 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 aR₁ besitzt den
Brechungsindex nc (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 änderndem Brechungsindex
der Brechungsindex des Kerns in typischer Weise über
wenigstens 90% des Querschnitts im wesentlichen konstant.
Die innere Umhüllung 11 besitzt den niedrigsten Brechungsindex
nc (1-HΔ) der drei Bereiche. Die Dicke der inneren
Umhüllung beträgt a (1-R₁). Die äußere Umhüllung 12 besitzt
einen Brechungsindex nc, dessen Wert zwischen dem Brechungsindex
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 6fachen 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.
Fig. 2 zeigt schematisch 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, 12 und 13 in Fig. 1 direkt analog, wobei identische
Beziehungen zwischen den verschiedenen Brechungsindizes
und identische Bezeichnungen für die radialen Abmessungen
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 8fachen
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 Paramterwerte
sind Δ=0,2% (wobei in typischer Weise nur ein Teil
hiervon auf der Aufwärtsdotierung beruht), H=2, a=7 µm
und R₁=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 SiO₂.
In den Fig. 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", "Radius"
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 Fig. 1 und 2 gezeigt sind. Die
letztgenannten "nominellen" Werte lassen sich daher als
Sonderfälle dieser allgemeineren "effektiven" Werte ansehen.
Fig. 1 und 2 zeigen nicht weiterhin mögliche Faserleiterbereiche,
beispielsweise Sperrschichten, obwohl solche Bereiche
im Rahmen der Erfindung verwirklicht sein können.
Fig. 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 eine 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 R₁ 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 Uhrzeigersinn erfolgende
Drehung" des Wellenleiter-Dispersionsspektrums bei ansteigendem
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 beeinflußt,
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 Beeinflussungsparameter ist R₁,
der in typischer Weise in erster Linie die Krümmung der
Wellenleiter-Dispersionskurve bei größeren Wellenlängen
beeinflußt. Wenn R₁ klein ist, dann hat in typischer Weise
die innere Umhüllung einen betonten Einfluß auf die Unterdrückung
der niedrigsten Ausbreitungs-Schwingungsform
(Mode). Wenn R₁ 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 µm und etwa 1,55 µm führen,
also bei Wellenlängen, bei denen in typischer Weise
Dämpfungsminima für Faserleiter auf Quarzglasbasis auftreten.
Diese Einflüsse von H und R₁ auf die Dispersion sind in
den Fig. 4 und 5 dargestellt. Fig. 4 zeigt als Beispiel
drei idealisierte Brechungsindexprofile 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 Δ. Die Brechungsindexprofile 40 und 41 in Fig. 4
haben den gleichen Wert für R₁, 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 R1 als die Profile 40 und 41.
Fig. 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,
und eine negative Wellenleiterdispersion, die negativer
ist als die der Kurve 50. Eine solche Beziehung ist oben
als "Drehung im Uhrzeigersinn" 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.
Fig. 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
mit Δ∼0,2% und R₁∼0,7. Die Kurven lassen die Brauchbarkeit
des Parameters H zur Beeinflussung der Wellenlängen
für die Dispersion Null erkennen.
Fig. 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 wird durch das Nichtvorhandensein von Germanium
im Kern die Nullstelle der Materialdispersion auf eine
Wellenlänge kürzer als 1,3 µm verschoben, wodurch der Aufbau
eines Wellenleiters möglich wird, der eine Nullstelle
der chromatischen Dispersion bei 1,3 µm oder sogar etwas
unterhalb von 1,3 µm besitzt. Außerdem führt das Nichtvorhandensein
eines Dotierstoffs im Kern in typischer Weise
zu einem glatteren Brechungsindexprofil ohne zentrale
Einsenkung und mit größerer axialer Gleichförmigkeit. In
Fig. 7 werden Fasern mit a=7 µm, R₁=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 Wellenleiterdispersion
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 µm und eine weitere Null-
Kreuzung im Bereich von 1,5 µm. Da die Wellenleiterdispersion
für abnehmendes Δ 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. Die beiden
Bandbreiten-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.
Fig. 8 zeigt Dispersionskurven ähnlich denen in Fig. 7
für Germanium-dotierte Faserleiter mit a=6,5 µm, 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 Δ=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%.
Fig. 9 zeigt Bandbreiten-Spektralkurven, die den Dispersionsspektren
in Fig. 7 entsprechen. Die Bandbreite in
GHz · km gilt für Laserquellen mit einer Linienbreite
von etwa 4 nm. Die Linie 90 gibt dem Bandbreitenwert 25
GHz · km an. Die als Beispiel dargestellten Kurven zeigen,
daß Fasern mit den hier betrachteten Parametern für Δ
zwischen 0,18 und 0,20% Bandbreiten besitzen, die größer
als etwa 25 GHz · km bei allen Wellenlängen zwischen etwa
1,3 µm und etwa 1,52 µm sind.
Fig. 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 abwärts-
dotierten 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
39 66 446, 41 35 901 und 42 17 027. Dotierstoffe, die zur
Änderung des Brechungsindex von Quarzglas bei der Herstellung
optischer Faserleiter brauchbar sind, sind beispielsweise
Fluor, Germanium, Bor 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-Diffrenz Δ als Funktion des Außenradius
a der ersten Umhüllung für Fasern mit H=2 und R₁=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 µm bis 1,55 µm. Die unteren Kurven
stellen diejenigen Werte von Δ und a dar, die zu einem
einzelnen breiten Bandbreiten-Spitzenwert nahe λ=1,4 µm
führen, und die oberen Kurven stellen diejenigen Werte
dar, die zu einem Bandbreitenspektrum mit zwei Spitzenwerten
führen, wobei ein Spitzenwert nahe 1,3 µm und
der andere Spitzenwert nahe 1,6 µm liegt. Die kreuzförmigen
Markierungen geben Toleranzen von ±0,2 µm 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 (13)
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 effektiven Brechungsindex zwischen 0,1% und 0,4% vom Wert des dritten effektiven Brechungsindex beträgt, wobei der erste effektive Brechungsindex größer als der dritte effektive Brechungsindex ist,
- e) daß die Differenz zwischen dem dritten und dem zweiten effektiven Brechungsindex zwischen dem einfachen und dem dreifachen Wert der Differenz zwischen dem ersten und dem dritten effektiven Brechungsindex beträgt, wobei der dritte effektive Brechungsindex größer als der zweite effektive Brechungsindex ist,
- f) daß der effektive Kernradius zwischen dem 0,5fachen und 0,8fachen Wert des effektiven Außenradius des inneren Hüllenbereichs beträgt, und
- g) daß der effektive Außenradius des inneren Hüllenbereichs wenigstens 5 µm beträgt.
2. Faserleiter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Brechungsindex des
Kernbereichs über mehr als 90% des Kernquerschnitts 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 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem
dritten und dem zweiten effektiven Brechungsindex zwischen
dem 1,5fachen und 2,5fachen Wert der Differenz zwischen
dem ersten und dem dritten effektiven Brechungsindex beträgt.
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 Hüllunenbereich 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
Faserleiters 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 6fachen Wert des Kernradius
ist.
11. Faserleiter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Kernradius wenigstens
4 µm beträgt.
12. Faserleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Hüllenbereich eine
Dicke von wenigstens dem achtfachen Wert des Kernradius
besitzt.
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