DE3312698A1

DE3312698A1 - Monomode-faser

Info

Publication number: DE3312698A1
Application number: DE3312698A
Authority: DE
Inventors: Leonard George Cohen; Wanda Lee Mammel; Dietrich Marcuse
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-04-09
Filing date: 1983-04-08
Publication date: 1983-10-13
Anticipated expiration: 2003-04-09
Also published as: FR2526173A1; IT1168909B; CA1202506A; GB2118321A; US4447127A; JPS58186702A; GB2118321B; IT8320492A0; NL8301246A; FR2526173B1; BE896413A; AU550788B2; DE3312698C2; AU1264683A

Description

Beschreibung

Monomode-Faser

Die Erfindung bezieht sich auf optische Monomode-Fasern.

Lichtleiterfasern (optische Fasern) lassen sich für den Monomode-Betrieb bei speziellen Wellenlängen von beispielsweise 1 ,3 μπι oder 1,55 um auslegen. Um jedoch in einem Langstrecken-Nachrichtenübertragungssystem mit hoher Bitrate eingesetzt werden zu können, darf die Monomode-Faser auch nur geringe Rayleigh-Streuverluste, geringe biegungsbedingte Verluste und eine niedrige chromatische Dispersion aufweisen. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß eine Faser mit Stufen-Brechungsindexprofil, mit einem einen Durchmesser von 7,5 um aufweisenden, cjermaniumdotierten Kern, einem einen Durchmesser von 110 um aufweisenden Quarzglasmantel und einer Brechungsindexdifferenz von Δ= 0,5 Prozenz durch sehr niedrige Dämpfung und sehr hohen Widerstand gegenüber durch Biegung verursachte (d. h. durch die Kabelverlegung verursachte) Dämpfung gekennzeichnet ist. Allerdings liegt die geringste Dispersion in der Nähe von 1,35 um, was zu weit von der bevorzugten Betriebswellenlänge von 1,3 \im entfernt ist. Im Hinblick hierauf stellen Germanium-Fluoro-Phosphorsilicat-Lichtleiterfasern mit im Brechungsindex herabgesetztem Mantel eine attraktive

■β Λ * «μ *

Alternative dar, da der zum Erhöhen des Brechungsindex des Kerns verwendete Dotierstoff Germanium dazu beiträgt, die Wellenlänge, bei der keine Materialdispersion auftritt, anzuheben, während das zum Verringern des Brechungsindex des Mantels verwendete Fluor bewirkt, daß die Materialdispersion bei größeren Wellenlängen von beispielsweise 1,55 μπι verringert wird. Im Ergebnis können die Beiträge der beiden Dotierstoffe zu der chromatischen Dispersion ins Gleichgewicht gebracht werden, und die gesamte chromatische Dispersion läßt sich bei jeder Wellenlänge innerhalb des gewünschten Bereichs zwischen 1,28 und 1,38 μπι bei Kerndurchmessern zwischen 6 und 10 um minimieren. Demnach lassen sich die Wellenleiterparameter der Faser, beispielsweise der Kerndurchmesser und die Brechungsindexdifferenz, derart wählen, daß die Verluste minimiert werden, während die Dispersionseffekte durch Auswahl geeigneter Dotierstoff konzentrationen minimiert werden können.

Allerdings wurde beobachtet, daß die Lichtleiter, bei denen der Brechungsindex des Mantels herabgesetzt ist, bei größeren Wellenlängen durch stärkere Verluste gekennzeichnet sind. Daher ist eine für den Betrieb bei 1,3 μΐη ausgelegter Lichtleiter bei 1 ,55 μΐη nicht brauchbar. Dies bedeutet, daß die Verwendung einer für 1,3 μπι geeigneten Faser in irgendeinem System es nicht zulassen würde, daß das System für den gleichzeitigen Betrieb bei 1,3 μΐη und einer größeren Wellenlänge von beispielsweise 1,55 μπι ausgebaut würde.

1/2 ' COPY '

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Erkennen der für Monomode-Betrieb typischen Dämpfungsmechanismen bei Fasern mit im Brechungsindex verringertem Mantel. Fasern dieser Art besitzen eine Kernzone mit dem Brechungsindex η , die von einem ersten, inneren Mantel mit dem Brechungs· index n^und von einem zweiten, äußeren Mantel mit dem Brechungsindex n^ umgeben ist, wobei η ^n^n. gilt. Erfindungsgemäß wird der Bereich starker Dämpfung bei größeren Wellenlängen dadurch aus dem Nutzbereich entfernt, daß das Verhältnis der Radien des ersten Mantels und des Kerns gleich oder größer 6,5 : 1 gemacht wird.

Aus Kieselerde bestehende Fasern, die im Kern mit Germaniumoxid und im Mantel mit Fluor dotiert sind, sind insofern von besonderen Interesse, als sie dem Erfordernis geringer Dispersion bei jeder Wellenlänge im Bereich zwischen 1,28 und 1,38 \xm entsprechen können. Stellt man erfindungsgemäß das Mantel/Kern-Verhältnis auf 8 : 1 ein, so lassen sich Dämpfungen von weniger als 0,1 dB/km bei Wellenlängen von weniger als 1,6 μΐη erreichen.

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

Fig. 1 einen Querschnitt einer Doppelmantel-Lichtleiterfaser,

Fig. 2 das Brechungsindexprofil der in Fig. i gezeigten Faser,

Fig. 3 zwei Scharen von Dämpfungskurven von
Strahlungsstreuverlusten,

Fig. 4 an Hand einer graphischen Darstellung die

Auswirkung von Biegungen im Brechungsindexprofil, und

Fig. 5 bis 8 Kurvenscharen, die die Auswirkung von Biegungen auf die Faserdämpfung veranschaulichen.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer Doppelmantel-Monomode-Lichtleiterfaser 10 mit einer einen Radius r und einen

Brechungsindex η aufweisenden Kernzone 11, die umgeben ist von einem ersten, inneren Mantel 12 mit Radius r. und Brechungsindex η., sowie einem zweiten, äußeren Mantel
13 mit Radius r₂ und Brechungsindex n₀. Fig. 1 zeigt
darüberhinaus, wie die Brechungsindizes als Funktion der Entfernung von der Faserachse variieren können. Von besonderem

COPY

Interesse sind die sog. Fasern mit "im Brechungsindex herabgesetztem Mantel", was bedeuten soll, daß der Brechungsindex des inneren .Mantels kleiner ist als der Brechungsindex sowohl des Kerns als auch des äußeren Mantels, d. h. es gilt die Beziehung:

(1)

Die Bruchteilsdifferenzen Aund /\' zwischen dem Kern und dem zweiten Mantel bzw. zwischen dem ersten und dem zweiten Man tel betragen:

ⁿc - ⁿ2

c 2
Δ ⁼ : ny~ (2)

Δ'=^-¹ <³>

Dieser spezielle Brechungsindexverlauf ist einem einfachen Einzelmantel-Stufen-Brechungsindexprofil aus einer Reihe von Gründen vorzuziehen. Wie oben erwähnt wurde, läßt sich durch die Kombination von Germanium als brechungsindexerhöhendem Dotierstoff im Kern und von Fluor als brechungsindexverringerndem Dotierstoff im inneren Mantel die gesamte chromatische Dispersion bei jeder Wellenlänge innerhalb des gewünschten Bereiches zwischen 1,28 μΐη und 1,38 μΐη bei Fasern mit Kerndurchmessern zwischen 6 und 10 μΐη minimieren. Darüberhinaus läßt sich durch geringere Dotierstoffkonzen-

tration im Kern die gleiche gesamte Kern-Mantel-Brechungsindexdifferenz ( /\ + /\') erhalten, und dadurch die auf Rayleigh-Streuung zurückzuführende Dämpfung verringern.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei größeren Wellenlängen die Lichtleiter mit im Brechungsindex herabgesetztem Mantel durch große Verluste gekennzeichnet sind. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis der für diese Dämpfung ursächlichen Vorgänge.

Kernpunkt des Verständnisses dieser Vorgänge ist der Begriff des "Abschneidens" (cut-off) des Grund-HE^₁-Wellentyps. Man sagt, daß ein Mode (Wellentyp) geleitet wird, wenn sein Feld außerhalb des Faserkerns als Funktion des radialen Abstands exponentiell abklingt. Andererseits kann das modale Feld nach einem anfänglichen exponentiellen Abklingen in der Nähe des Kerns eine in dem Außenmantel . radial verlaufende Welle bilden. Wenn dies geschieht, so spricht man davon, daß der Mode "Abgeschnitten" ist. Somit bedeutet der Begriff "Abschneiden" im vorliegenden Zusammenhang nicht, daß keine Leistung durch die Faser übertragen werden könnte, sondern der Begriff bedeutet lediglich, daß, weil die Leistung nicht vollständig in dem Lichtleiter gefangen bleibt, etwas von der Leistung ausstreuen kann und durch das Abstrahlen verloren geht.

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In einer einfachen Stufenprofilfaser ( /^¹ =0) wird die Wellenenergie auch bei beliebig großen Wellenlängen nicht abgeschnitten. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß der Brechungsindex des Kerns für Signale sämtlicher interessierender Wellenlängen größer ist als der Brechungsindex der den Kern umgebenden Mäntel. In einer Faser mit im Brechungsindex herabgesetztem Mantel jedoch, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht ist, tendiert der effektive Brechungsindex der Faser zum Verkleinern, wenn die Signalwellenlänge so weit ansteigt, daß ein Wert des effektiven Brechungsindex erreicht ist, der kleiner ist als der Brechungsindex des Außenmantels. Wenn diese Situation eintritt, so wird die Faser bezüglich Signalen dieser und größerer Wellenlängen abgeschnitten. Der Grund dafür ist an Hand von Fig. 2 veranschaulicht. Fig. 2 zeigt das Brechungsindexprofil einer Faser mit im Brechungsindex herabgesetztem Mantel sowie die Signalfeldverteilung für zwei Wellenlängen λ. und λ , wobei λ_? >Λ*·

Bei der kürzeren Wellenlänge λ. konzentriert sich das Feld in der Kernzone 11, was durch die gestrichelte Kurve 20 angedeutet ist. Bei dieser Feldverteilung liegt der effektive Brechungsindex in der Nähe des Brechungsindex der Kernzone, und er ist größer als der Brechungsindex n„ des Außenmantels,

Für die größere Wellenlänge λ ist das Feld nicht eng an die Kernzone gebunden, sondern es streut in die Zone des inneren Mantels 12 hinein, wie durch die Kurve 21 veranschaulicht ist. Da der Brechungsindex des inneren Mantels kleiner ist als der Brechungsindex -sowohl des Kerns als auch des äußeren Mantels 13, tendiert dar effektive Brechungsindex bei größeren Wellenlängen dazu, kleiner zu werden, und er erreicht schließlich einen Wert, der kleiner ist als n~. Der effektive Brechungsindex η beträgt

C* \-i

wobei λ die Ebenenwellenlänge des Signals im freien Raum und \j die modale Wellenlänge des Singals in der Faser ist.

Wenn η größer ist als n_o, so treten keine Strahlungsverluste auf. Wird jedoch η kleiner als n₉, so strahlt das Signal durch den Mantel, und man sagt, daß es abgeschnitten wird.

Eine Annäherungsformel für Abstrahlungsenergiedämpfung 2a in einer Doppelmantelfaser mit im ßrechungsindexprofil stark herabgesetztem Mantel sieht folgendermaßen aus:

copy

2α = 2TTk_

mit k = [η²(1+Δ)²}ς²-/3²] ^1/2

* " ²A ¹³ * ²λ

y = ί/Τ-η'Π-Δ·)^

α = (n²k²-^)^1/2

V = kr η. Γ2ΓΔ+Λ · η^1/2

kr_cn₂[2(A+A')]

Die Gleichung (5) gilt für Dämpfungswerte, die von praktischem Interesse sind. Die Gleichung gilt nicht, wenn die Äbstrahlungsverluste bereits ein tolerierbares Maß überschreiten.

Fig. 3 zeigt zwei Scharen von Dämpfungskurven für auf Abstrahlungsstreuung zurückzuführende Dämpfung. Die Kurven wurden als Funktion der Wellenlänge für eine Familie von Kieselerdefasern mit germaniumdotiertem Kern mit Radius 3,75 μπι und fluordotiertem ersten Mantel berechnet. Die Gesamt-Brechungsindexdifferenz zwischen Kern und Mantel für ein solches System beträgt

typischerweise 0,5% (d. h.

Die Schar mit den ausgezogenen Kurven zeigt die Dämpfungen, wenn das Mantel/Kern-Verhältnis r₁/r für unterschiedliche Werte von /\ 6 ist. Wenn beispielsweise /\ = 0%, so

sind die Brechungsindizes des Kerns und des äußeren Mantels gleich, und der effektive Brechungsindex η ist bei sämtlichen niedrigen Wellenlängen kleiner als n„. Die Dämpfung steigt also mit der Wellenlänge rasch an. Wenn ^ ansteigt, d. h. wenn der Brechungsindex des zweiten Mantels im Vergleich zu dem des Kerns abnimmt, sind die Verluste als Funktion der Wellenlänge gering.

Die Schar der gestrichelten Kurven zeigt eine ähnliche Variation als Funktion von /^. Auf Grund des größeren Verhältnisses von r. : r sind die Verluste jedoch überall geringer.

Betrachtet man eine Dämpfung von 0,1 dB/km als die höchste zulässige Dämpfung, so ergibt sich daraus eine Wellenlänge von 1,55 μΐη, wenn ^ etwa 0,26% bei einem Verhältnis r₁ : r von entweder 6 oder 7 beträgt. Jedoch sind diese Kurven insoweit etwas irreführend, als sie sich auf gerade Fasern beziehen. Wenn man die Auswirkungen von Faserbiegungen in Betracht zieht, so ändert sich das Dämpfungsbild auf Grund der Störung des effektiven Faserprofils dramatisch. Wenn eine Faser mit dem in Fig. 4 durch die Kurve 40 dargestellten Brechungsindexprofil gebogen wird, so verformt sich das effektive Brechungsindexprofil in der Weise, wie es durch die gestrichelte Linie 41 angedeutet ist. Im Ergebnis verringert sich der effektive Wert von j\ von dem für die gerade Faser maßgeblichen Wert /^₁ auf den für die

IQPY

gebogene Faser maßgeblichen Wert von ^. Wenn beispielsweise der effektive Wert von /\ von 0,26 auf 0,25 verringert wird, erhöht sich die Dämpfung bei einer Wellenlänge von 1,55 pm von 0,1 dB auf etwa 8 dB bei einer Faser, deren Verhältnis r₁ : r 6 beträgt, wohingegen bei einer Faser, deren Verhältnis r₁ : r 7 beträgt, nur eine Erhöhung auf etwa 0,4 dB erfolgt. Dies veranschaulicht ziemlich klar die Bedeutung des Mantel/Kern-Verhältnisses. Der bevorzugte Wert dieses Verhältnisses hängt von einer Reihe praktischer Erwägungen ab. Um das Verspleißen zu vereinfachen, ist es wünschenswert, daß der Kerndurchmesser nicht kleiner als 7,5 bis 8 um ist. Damit sich die Faser als Monomode-Faser bei 1,3 um eignet, sollte /\ nicht größer als 0,5% sein. Um schließlich sicherzustellen, daß die auf Rayleigh-Streuung zurückzuführende Dämpfung nicht zu groß wird, beträgt ^. ' vorteilhafterweise weniger als 0,4%. Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen erhält man eine Schar von Kurven, wie sie in den Fig. 5 bis 8 gezeigt sind. Diese Kurven zeigen die Dämpfung als Funktion der Wellenlänge für verschiedene Krümmungsradien. Die in Fig. 5 gezeigte Kurvenschar beispielsweise gilt für r =3,75 um; ^r1 ^{: r}c ⁼

= 0,5%; ^ = 0,3%. Bei Λ = 1,55 um erreicht die Dämpfung einen Wert von 0,1 dB/km für einen . Krümmungsradius von etwa 9 cm. Wenn für die gegebenen Werte von Λ, /\' und r das Verhältnis r₁ : r auf 7 erhöht wird," kann man den Krümmungsradius für die gleiche Dämpfung bei

einer Wellenlänge von 1,55 μΐη auf etwa 6 cm verringern.

Fig. 7 und 9 zeigen ähnliche Kurvenscharen für eine Faser mit einem geringfügig größeren Kernradius von 4 um und einem Wert [\ von 0,4%. Dies entspricht einer Erhöhung der Differenz zwischen den 3rechungsindizes von Kern und zweitem Mantel. Diese beiden Änderungen verringern die auf Biegung zurückzuführende Dämpfung oder gestatten andererseits bei gleicher Dämpfung einen kleineren Krümmungsradius .

Es lassen sich viele solcher Kurven ermitteln. Hierbei wird offenbar, daß eine Monomode-Faser für einen Betriebsbereich zwischen λ= 1,3 und 1,55 um das Verhältnis der Radien des ersten Mantels und des Faserkerns von Bedeutung ist, und daß insbesondere dieses Verhältnis wenigstens den Wert 6,5 übersteigen sollte, um die durch Biegung verursachte Dämpfung niedrig zu halten.

Zusätzlich zu den zwei aktiven Wellenleiter-Mantelschichten können weitere Materialschichten vorgesehen sein, bei denen es sich um Nebenprodukte beim Herstellungsvorgang handelt, oder die aus Gründen hinzugefügt wurden, die nicht im Zusammenhang mit der Wellenleiterfunktion der Faser stehen. Im Gegensatz zu den zwei optisch aktiven Mänteln, die derart ausgelegt sind, daß sie bei den interessierenden

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Wellenlängen geringe Dämpfung aufweisen, können derartige zusätzliche Schichten bei den genannten Wellenlängen verlustbehaftet se'in. Wird beispielsweise von dem MCVD-Verfahren (modifiziertes Dampfniederschlagungsverfahren) Gebrauch gemacht, so ist der am weitesten außen liegende Mantel von dem Rohling-Ausgangsrohr umgeben, das, da es aus Kieselerde besteht, typischerweise durch große Verluste gekennzeichnet ist. Außerdem können die weiteren Schichten eine Barrierenschicht enthalten, die das Wandern von OH-Radikalen in die Kernzone verhindern soll. Macht man jedoch die zweite Mantelschicht dick genug, so beeinflussen derartige zusätzliche Mäntel nicht die Wellenleitereigenschaften der Faser und können in bezug auf die Erfindung ignoriert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Monomode-Faser, mit einem einen Brechungsindex η und einen Radius r aufweisenden inneren Kern, der umgeben. ist von einem ersten, inneren Mantel, der einen Brechungsindex n* und einen Außenradius r. aufweist, und von einem zweiten, äußeren Mantel, der einen Brechungsindex n_o aufweist, wobei die Beziehung n_n<n₀<n dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis r.. : r wenigstens- β .,5 : 1 beträgt.

2. Faser nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die durch

Δ =

ⁿc - ⁿ2

gegebene Bruchteilsdifferenz Δ zwischen dem Brechungsindex des Kerns und dem des ersten Mantels und die durch

Δ¹ =

ⁿ2 - ⁿ i

Radedcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883*04 Telex 5212313 Telegramme Patentconsult

Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561?9S Telex 4186237 Telegramme Patentconsult

Telefax CCCITT 2) Wiesbaden und München (039) S34-S618 Attention Patentconsult

gegebene teilsdifferenz /y zwischen den Brechungsindizes des ersten und des zweiten Mantels der Beziehung

Δ¹

= 0,5 Prozent

genügt

3. Faser nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß Δ ■< 0,4 Prozent ist.

4. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Faser eine Monomode-Faser für Wellenlängen von über 1,3 μΐη ist.

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