DE3307874A1

DE3307874A1 - Lichtleiterfaser mit vierfachmantel

Info

Publication number: DE3307874A1
Application number: DE19833307874
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: 1982-03-11
Filing date: 1983-03-05
Publication date: 1983-09-22
Also published as: GB2116744B; CA1248386A; FR2523316B1; GB8306443D0; FR2523316A1; NL8300880A; JPS6237361B2; JPS58168004A; GB2116744A; DE3307874C2

Description

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Beschreibung Lichtleiterfaser mit Vie^fachmantel

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Faser mit einer einen Brechungsindex n_ und einen Radius FL aufweisenden Kernzone.

Durch die Erfindung soll speziell eine sich durch geringe Verluste und geringe Dispersion auszeichnende optische Faser geschaffen werden. Bei Einzelmoden-Lichtleiterfasern, die eine von einem dünnen inneren Mantel und einem dickeren äußeren Mantel umgebene Kernzone aufweisen, läßt sich durch geeignete Auswahl der Radien und Brechungsindizes des Doppelmantels eine niedrige chromatische Dispersion in einem Wellenlängenbereich zwischen 1,3 und 1,55 jum realisieren. Bei ansteigender Wellenlänge jedoch erhalten Verluste aufgrund von Strahlung durch die MaHtelschichten Bedeutung. Speziell in der Nähe der Grenzwellenlänge des Hauptmoden verursacht eine geringfügige Änderung der Signalwellenlänge, daß sich der Hauptmode von einer geleiteten Welle in eine Leckwelle ändert, die durch die Mantelschichten hindurchstrahlt. Starke Verluste am oberen Ende des Bereichs geringer Dispersion sind die Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen, für Verluste verantwortlichen Mechanismen aus dem gewünschten Wellenlängenbereich niedriger chromatischer Dispersion zu entfernen, wobei zusätzlich das Band niedriger Dispersion verbreitert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kern von vier Mantelschichten umgeben ist, deren Brechungsindizes bzw. Radien (n-,, Rn), (^» R2)» (n₃, R₃) bzw. (n^, R^) sind.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Brechungsindizes der Bedingung n_c>n₂>n^>n,>n₁ genügen.

Durch geeignete Auswahl der Brechungsindizes und Radien kann der Verlauf der chromatischen Dispersion so gestaltet werden, daß er drei Nulldurchgänge aufweist, gegenüber den zwei möglichen Nulldurchgängen bei der bekannten Doppelmantelfaser, und den gewünschten Wellenlängenbereich abdeckt, der den Bereich zwischen 1,3 und 1,55 >im enthält.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

> β σ * θ ^α

3 ρ © e β β

η β * β ο β

ηοββ ·ο*ο

^<ν β© ββ »0

Figur 1 eine bekannte optisch© Faser mit Doppelmantel,

Figur 2 eine Kurve, die den typischen Verlauf der chromatischen Dispersion bei einer Doppelmantelfaser veranschaulicht,

Figur 3 eine erfindungsgemäße Faser mit Vierfachmantel,

Figur 4 eine graphische Darstellung, die die Änderungen des Gruppenihdex bei Doppelmantel- und bei Vierfachmantelfasern veranschaulicht,

Figur 5 eine Kurvenschar, die den Verlauf der chromatischen Dispersion bei Vierfachmantelfasern unterschiedlicher Größe veranschaulicht, und

Figur 6 Dispersionskurven für ©ine Einzelmantel-, eine Doppelaantel- und eine Vierfachmantelfaser♦

Figur 1 zeigt einen Querschnitt ei&er herkömmlichen optischen Doppelmantelfaser (Doppelmantel-Lichtleiterfaser) 10, die eine Kernzone 11 aufweist ₉ welche

von einem realtiv dünnen, ersten Innenmantel 12 und einem dickeren, zweiten Außenmantel 13 umgeben ist. Bezeichnet man den Brechungsindex des Außenmantels

mit n_n, so beträgt der Brechungsindex n. des Kerns ο c

η (1+Δ ), und der Brechungsindex n-^ des Innenmantels beträgt η_Λ(1+Δ_Ί), wobei 4„ und Δ-, die Bruchteil-

O JL. C JL

differenzen zwischen den Brechungsindizes des Kerns und des Außenmantels bzw. zwischen den Brechungsindizes des Innenmantels und des Außenmantels sind. Das Indexprofil einer solchen Faser ist das sogenannte "W-Profil", das ebenfalls in Pig. I dargestellt ist. In der Zeichnung sind die verschiedenen Indizes als Funktion des auf den Radius a des Innenmantels normierten Faserradius aufgezeichnet.

Bei einer Faser, deren Kern aus mit Germanium dotierter Kieselerde besteht, die einen mit Fluor dotierten Innenmantel und einen aus reiner Kieselerde bestehenden Außenmantel aufweist, beträgt R. vorzugsweise etwa 0,7, und das Verhältnis fU/4_c beträgt vorzugsweise 2. Bei einer solchen Faser ist die gesamte chromatische Dispersion über dem gewünschten Wellenlängenbereich zwischen 1,3 und 1,55 ,um niedrig.

Figur 2, die der Veranschaulichung dienen soll, zeigt eine Schar typischer Dispersionskurven für

ft OO

S ΟΙ)

O β <? β

eine Doppelmantelfaser. Die Darstellung enthält eine Materialdispersionskurve 15^ eine Wellenlängendispersionskurve 16 und die resultierende Kurve für die gesamte chromatische Dispersion, 17, wobei letztere Kurve durch Addieren der Werte der Kurven 15 und 16 erhalten wird. Allgemein kann die Kurve für die Gesamtdispersion einer Dopjpelmantelfaser bei Wellenlängen X^ ^υΧί>ί ^2 ^z¥ei Niilldurchgänge aufweisen. Bei der hier betrachteten speziellen Faser sind A₁ = 1,35 >im und λ, 2 ^s ^-»^3 ;sm» Aufgrund der bei größeren Wellenlängen auftretenden starken Materialdispersion entspricht deia Nulldurchgang bei Λρ ^ei^ne entsprechend starke Wellenleiterdispersion, die in der Nähe der Hauptmoden-Grenzwellenlänge 1 _ auftritt, welch© etwa bei 1,7 ,mn liegt. Bei dieser Wellenlänge WiM der effektive Brechungsindex kleiner als n_0< B©i einer solchen Wellenlänge wird die Signalwelle nicht mehr in der Faser geleitet, sondern läuft stattdessen durch die Mantelschichten und geht verloren_ö

co

Um niedrige Verluste zu gewährleisten_p sollte A₍ um mehr als 0,1 ;um größer sein als die größte interessierende Wellenlänge. Berücksichtigt man dieses Kriterium, so ist der Verlauf der gesamten chro-

matischen Dispersion, der mit den derzeit verfügbaren, für geringe Dispersion im Bereich zwischen 1,3 und 1,55 jum ausgelegten Doppelmantelfasern erreichbar ist, für einen Betrieb in der Nähe von 1,55 /im kaum akzeptierbar.

Um die oben beschriebenen Beschränkungen und Nachteile der bekannten Doppelmantelfaser zu vermeiden, werden gemäß der Erfindung zwei zusätzliche Mäntel hinzugefügt, um eine Vierfachmantelfaser 20 zu erhalten, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Faser enthält eine Kernzone 21, die von vier Mantelschichten 22, 23, 24 und 25 umgeben ist. Hierbei bildet die Schicht 22 den ersten, am weitesten innen liegenden Mantel, und die Schicht 25 bildet den vierten, am weitesten außen liegenden Mantel. Bezeichnet man den Brechungsindex Πλ des am weitesten außen liegenden Mantel 25 mit η , so betragen die Brechungsindizes des Kerns n„ sowie

die Indizes n^, n₂ und n, der Mantel 22, 23 bzw. 24:

η = η (1+Δ )

C OC

ⁿ1 ^{= n}o ⁽¹"V

ⁿ3 = ⁿp ⁽¹~V' wobei δ δ. Δ_ο nd 4,

C f I r Z J

die Bruchteildifferenzen zwischen den Indizes der jeweiligen Abschnitte der Faser und des am weitesten außen liegenden Mantels sind.

In Figur 3 ist das Indexprofil der Vierfachmantelfaser als Funktion des auf den Radius R~ des am weitesten innen befindlichen Mantels 22 normierten Faserradius dargestellt. Man sieht, daß die relativen Beträge der Indizes folgender Bedingung genügens

Wie oben erläutert wurde, verursacht in der Nähe der Hauptmoden-Grenzwellenlänge eine kleine Änderung der Wellenlänge, daß sich das Signal von dem geleiteten Moden in einen Leckmoden ändert, der in den zweiten Mantel strahlt. Der Grund hierfür latin anhand von Fig. 4 erläutert werden, die den effektiven Gruppenindex η als Funktion der Wellenlänge λ sowohl für

Doppelmantel- als auch für Vierfachmantelfasern zeigt. Bei kürzeren Wellenlängen wird das Signal vornehmlich durch den inneren Lichtleiter geleitet, der durch den Kern 21 und den ersten Mantel 22 gebildet wird. Folglich ist der durch die Kurve 43 dargestellte effektive Gruppenindex bei kürzeren Wellenlängen größer als der durch die Kurve 40 dargestellte Kes*nindex. Bei größeren Wellenlängen erstreckt sich ein größerer Anteil des Signalfeldes in den ersten Mantel Md darüber hinaus. Dies bewirkt eine Verkleinerung des effektiven Gruppenindex. In der Doppelmantelfaser wird schließlich der

-Io - : :·-.. \j.J' :.. 3307374

Gruppenindex kleiner als der Index des am weitesten außen liegenden Mantels (des zweiten Mantels), und es ist schließlich die Grenzwellenlänge erreicht, d. h., es findet keine Lichtleitung mehr statt. Dies ist in der Zeichnung durch den Kurvenabschnitt 44 angedeutet, der sich bei X__n der Grenzwellenlänge

co

(cut-off) nähert.

Im Gegensatz dazu wird in der Vierfachmantelfaser die aus dem Faserkern herausstrahlende ¥ellenenergie in einem äußeren Lichtleiter gefangen, der gebildet wird durch den zweiten Mantel 23 sowie durch den ersten und den dritten Mantel 22 bzw. 24, die den zweiten Mantel umgeben. Das auf diese Weise eingefangene Licht geht nicht durch Abstrahlung verloren, sondern wird weitergeleitet, wenn auch in einem anderen Teil der Faser. Der durch den Kurvenabschnitt 45 veranschaulichte effektive Gruppenindex ändert sich von einem Wert, der größer ist als n_, auf Werte, die sich den durch die Kurve 41 wiedergegebenen Werten für den zweiten Mantel annähern. Wie man sieht, besitzt die sich ergebende Indexkurve für die Vierfachmantelfaser drei Umkehrpunkte bei Wellenlängen X₁, X₂ und λ*. Insoweit der Verlauf der gesamten chromatischen Dispersion proportional zur Steigung der Gruppenindexkurve ist, kann die Kurve der chromatischen Dispersion drei Nullpunkte bei den Wellenlängen ^₁, A₂ u*¹*¹ λ·* aufweisen, wie in Fig. 5 dargestellt ist. .

ο β

Bei der Auslegung der Vierfachmants'lfaser gibt es neun unabhängige Parameter & , Iu, ä_ot A_%1 R , R₁, R₂, R-z und a. Der Radius des am weitesten außen liegenden Mantels ist nicht kritisch und ist typischerweise aus Gründen, die unten noch dargelegt werden, relativ groß. Ein allgemeines Verfahren zum Berechnen des Verlaufs der chromatischen Gesamtdispersion für ein beliebiges Indexprofil ist in einem Artikel von L. G. Cohen mit dom !Titel "Correlation Between Numerical Predictions and Measurements of Single-Mode Fiber Dispersion Characteristics", veröffentlicht am 15. Juni 1980 in Applied Optics, Vol. 19, Seiten £007-2010 beschrieben. Wendet man dieses Verfahren auf die Vierfachmantelfaser an, so erhält man die in Pig. dargestellte Kurvenschar. Diese speziellen Kurven werden für vier unterschiedliche Werte voa 2a unter Zugrundelegung folgender Werte berechnet:

	= 0,3 %	R₀ *	0,7
A₁"	= 0,6 %	R₁ ..	1,0
^Δ2	= 0,06 %	R₂ -	1,7
h	= 0,12 %	R₃ .	2,0.

Ein Vergleich mit der in Fig. 2 dargestellten Dispersionskurve der Doppelmantelfaser zeigt, daß bei der Vierfachmantelfaser über einem wesentlich breiteren Band von Wellenlängen geringe Dispersion auftritt. Insbesondere hat die Maßnahme, zwei zusätzliche Mantel vorzusehen, den Effekt, daß eine zusätzliche Nullstelle im Bereich großer Wellenlängen der Kurven liegt, wodurch das Intervall geringer Dispersion beträchtlich vergrößert wird. Außerdem ist die Verbesserung der Verlustkennlinie offensichtlich. Bei der Doppelmantelfaser liegt die Grenzwellenlänge bei etwa 1,7 ;om, wohingegen sie bei der Vierfachmantelfaser oberhalb von 1,9 ;tim liegt, was durch die Enden der Dispersionskurven dargestellt ist. Schließlich zeigen die Kurvenverläufe, daß die Dispersionskennlinien relativ stabil im Hinblick auf Änderungen der Faserparameter sind. Man vergleiche z. B. die Kurven für 2a = 13,1 und 2a = 13,9.

Von besonderem Interesse ist die Erfindung im Zusammenhang mit Einzelmodenfasern und Doppelmodenfasern. (Vergl. Kap. 3 in Optical Fiber Telecommunications, herausgegeben von S. E. Miller und A. G. Chynoweth, Academic Press, 1979 und den Artikel von L. G. Cohen, "Propagation Characteristics of

Double-Mode Fibers," veröffentlicht iti der Juli/August-Ausgabe des Bell System Technical Journal, Vol. 59, No. 6, Seiten 1061 - 1072). Daher müssen die Erfordernisse derartiger Fasern auch bei dem Entwurf einer Vierfachmantelfaser berücksichtigt werden. Weisn z. B₉ entweder Δ % oder ί^2~^Κ1 ^2U S^r°ß gewählt wird, bleibt die Faser keine Einzelmodenfaser. Ist Δ, oder R_x-R₀

ρ ο 2

zu klein, macht die Dispersionkurve bei größeren Wellenlängen keine Wendung, die stark genug ist, um am oberen Ende des Bandes den gewünschten Nulldurchgang zu erhalten. In diesem Zusammenhang kann man eine Funktion

(Rf - 4)%

^Ro ^Δο

definieren, deren Wert größer als eins sein muß, wenn bei größeren Wellenlängen eine Nullstelle erhalten werden soll.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Biegeverluste in einer Vierfachmantelfaser kleiner als in einer Doppelmantelfaser sind. Erfindungsgemäße Fasern lassen sich von nach bekannten Methoden, z. B. nach dem modifizierten chemischen Dampfniederschlagungsverfahren (MCVD-Verfahren) hergestellten Rohlingen ziehen.

Es können irgendwelche geeigneten indexmodifizierenden Dotierstoffe oder Kombinationen solcher Dotierstoffe verwendet werden. Beispiele für Dotierstoffe sind F (Fluor), Ge (Germanium) und P (Phosphor). Bei Ausführungsformen, mit denen gute Leistungen erzielt wurden, besteht der am weitesten außen liegende Mantel aus Kieselerde (SiOg). Der Kern und der zweite Mantel bestehen aus Kieselerde, die mit einem indexerhöhenden Dotierstoff (z. B. Germanium und/oder Phosphor, wenn die erste Nullstelle bei kürzeren Wellenlängen dienen soll) schwach dotiert ist, und der erste und der dritte Mantel bestehen aus Kieselerde, die mit einem indexverringernden Dotierstoff (z. B. Fluor) schwach dotiert ist.

Zusätzlich zu den vier aktiven, wellenleitenden .Mantelschichten können zusätzliche Schichten aus beim Herstellungsverfahren als Nebenprodukte anfallendem Material vorgesehen sein, oder Schichten, deren Zweck mit der Wellenleiterfunktion der Faser in keinem Zusammenhang steht. Im Gegensatz zu den vier optischen aktiven Mänteln, die derart beschaffen sind, daß sie bei den interessierenden Wellenlängen sehr geringe Verluste aufweisen, können solche zusätzlichen Schich-

ten bei diesen Wellenlängen verlustbehaftet sein. Wird. z. B. von dem MCVD-Verfahren Gebrauch gemacht, so ist der am weitesten außen liegende Mantel von einem Rohling-Ausgangsrohr umgeben, das aus Kieselerde besteht, die typischerweise durch son© Verluste gekennzeichnet ist. Es kann eine Barrierenschicht zum Verhindern der Wanderung Von OH-»Radikalen in den Kernbereich vorgesehen sein. Wird die vierte Mantelschicht jedoch dick genug gemacht₅ so haben diese zusätzlichen Mantel keinen Einfluß auf das Lichtleiterverhalten der Faser und brauchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht beachtet zu werden.

Zusammengefaßt: Um denjenigen Bereich von Wellenlängen zu verbreitern, in dem eine optische Faser eine niedrige chromatische Dispersion (niedriger als 5 ps/km-nm) und geringe Verluste (kleiner als 1 dB/km) besitzt, werden vier optisch aktive Mantelschichten verwendet. Ein grundsätzlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß in einem Bereich, der die Wellenlängen zwischen 1,3 und 1,55 ,um umfaßt, geringe Dispersion und niedrige Verluste erzielt werden. Figur 6_S die zu Vergleichszwecken dienen soll, zeigt die Dispersionskurven 60, 61 und 62 für eine typische Stufenindex-Einzelmodenfaser, eine typische Doppelmantelfaser und eine Vierfachmantelfaser* Man sieht, daß das Band

geringer Dispersion bei der Vierfachmantelfaser beträchtlich breiter ist als bei den anderen Fasern.

Claims

BLUMBACH · WESER .:BERei|/4..e'RR^!^.lSR 3307874 ZWIRNER - HOFFMANN PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult Western Electric Company COHEN Incorporated New York N. Y. 10038 USA Patentansprüche

1. Optische Faser mit einer einen Brechungsindex η und einen Radius R aufweisenden Kernzone, dadurch gekennzeichnet,

daß der Kern (21) von vier Mantelschichten (22, 23, 24, 25) umgeben ist, deren Brechungsindizes bzw. Radien (η_χ, R₁), (n₂, R₂), (n,, R*) bzw. (n^, R₁^) sind.

2. Faser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Radien der Schichten untereinander die Beziehung R_Zf>R^>R₂>R₁ aufweisen, und daß die Brechungsindizes die Beziehung η_ο>η₂>η^>ηγη₁ aufweisen.

München: R. Kramer Dlpl.-Ing. · W. Weser Dlpl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. . P. Bergen Prof.Df.jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bl3 1979 . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dlpl.-W.-Ing.

3. Faser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung

1 " ^Rc^)AT ^{+ (R}3 " ^R2^)A3 ^Rc*c ^{+ (R}2 - ^κί^)Δ2

größer als eins ist, wobei

Δ 1 ^η4 - ^ηι Δ 2 ~ ^η4 ^η4 - ^η2 3 ^η4 _Δ C ^η4 - ^η3 ^η4 und ^η4 - ⁿc η.