DE3312698C2

DE3312698C2 - Monomode-Faser

Info

Publication number: DE3312698C2
Application number: DE3312698A
Authority: DE
Inventors: Leonard George Cohen; Wanda Lee Mammel; Dietrich Marcuse
Original assignee: AT&T Technologies Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-04-09
Filing date: 1983-04-08
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2003-04-09
Also published as: GB2118321B; IT8320492A0; JPS58186702A; GB2118321A; US4447127A; FR2526173A1; CA1202506A; AU550788B2; BE896413A; DE3312698A1; IT1168909B; AU1264683A; FR2526173B1; NL8301246A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Monomode-Fasern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Lichtleiterfasern (optische Fasern) lassen sich für den Monomode-Betrieb bei speziellen Wellenlängen von beispiels weise 1,3 µm oder 1,55 µm auslegen. Um jedoch in einem Langstrecken-Nachrichtenübertragungssystem mit hoher Bit rate eingesetzt werden zu können, darf die Monomode-Faser auch nur geringe Rayleigh-Streuverluste, geringe biegungs bedingte Verluste und eine niedrige chromatische Dispersion aufweisen. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß eine Faser mit Stufen-Brechungsindexprofil, mit einem einen Durchmesser von 7,5 µm aufweisenden, germaniumdotierten Kern, einem einen Durchmesser von 110 µm aufweisenden Quarzglasmantel und einer Brechungsindexdifferenz von Δ = 0,5 Prozent durch sehr niedrige Dämpfung und sehr hohen Wider stand gegenüber durch Biegung verursachte (d. h. durch die Kabelverlegung verursachte) Dämpfung gekennzeichnet ist. Allerdings liegt die geringste Dispersion in der Nähe von 1,55 µm, was zu weit von der bevorzugten Betriebswellen länge von 1,3 µm entfernt ist. Im Hinblick hierauf stellen Germanium-Fluoro-Phosphorsilicat-Lichtleiterfasern mit im Brechungsindex herabgesetztem Mantel eine attraktive Alternative dar, da der zum Erhöhen des Brechungsindex des Kerns verwendete Dotierstoff Germanium dazu beiträgt, die Wellenlänge, bei der keine Materialdispersion auf tritt, anzuheben, während das zum Verringern des Brechungs index des Mantels verwendete Fluor bewirkt, daß die Material dispersion bei größeren Wellenlängen von beispielsweise 1,55 µm verringert wird. Im Ergebnis können die Beiträge der beiden Dotierstoffe zu der chromatischen Dispersion ins Gleichgewicht gebracht werden, und die gesamte chromati sche Dispersion läßt sich bei jeder Wellenlänge innerhalb des gewünschten Bereichs zwischen 1,28 und 1,38 µm bei Kerndurchmessern zwischen 6 und 10 µm minimieren. Demnach lassen sich die Wellenleiterparameter der Faser, beispiels weise der Kerndurchmesser und die Brechungsindexdifferenz, derart wählen, daß die Verluste minimiert werden, während die Dispersionseffekte durch Auswahl geeigneter Dotier stoffkonzentrationen 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 µm ausgelegter Licht leiter bei 1,55 µm nicht brauchbar. Dies bedeutet, daß die Verwendung einer für 1,3 µm geeigneten Faser in irgendeinem System es nicht zulassen würde, daß das System für den gleichzeitigen Betrieb bei 1,3 µm und einer größeren Wellen länge von beispielsweise 1,55 µm ausgebaut würde.

Aus der Veröffentlichung "Planar optical Waveguides and Fibres, Oxford 1977, S. 419-425" von Unger ist eine Monomodefaser bekannt, die aus einem Kern sowie- einem inneren und einem äußeren Mantel besteht. Der Brechungsindexverlauf zwischen Kern und äußerem Mantel entspricht einem W-Profil. Die Veröffentlichung offenbart Maßnahmen zur Bildung eines bestimmten Brechungsindexverlaufs, um u. a. Material- und Modendispersionen in einer optischen Faser zu verringern. Die bekannte Monomodefaser ist jedoch nicht in der Lage, Verluste infolge von Rayleigh-Streuung und biegungsbedingte Verluste zu mindern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Monomodefaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart zu verbessern, daß sämtliche Verluste in der Faser verringert werden.

Dieses Problem löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

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

Fig. 1 einen Querschnitt einer Doppelmantel-Licht leiterfaser,

Fig. 2 das Brechungsindexprofil der in Fig. 1 ge zeigten Faser,

Fig. 3 zwei Scharen von Dämpfungskurven von Strahlungsstreuverlusten,

Fig. 4 an Hand einer graphischen Darstellung die Auswirkung von Biegungen im Brechungsindex profil, und

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

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer Doppelmantel-Monomode- Lichtleiterfaser 10 mit einer einen Radius r_c und einen Brechungsindex n_c aufweisenden Kernzone 11, die umgeben ist von einem ersten, inneren Mantel 12 mit Radius r₁ und Brechungsindex n₁, sowie einem zweiten, äußeren Mantel 13 mit Radius r₂ und Brechungsindex n₂. Fig. 1 zeigt darüber hinaus, wie die Brechungsindizes als Funktion der Entfernung von der Faserachse variieren können. Von besonderem Interesse sind die sog. Fasern mit "im Brechungsindex herabgesetztem Mantel", was bedeuten soll, daß der Brechungs index des inneren Mantels kleiner ist als der Brechungsindex sowohl des Kerns als auch des äußeren Mantels, d. h. es gilt die Beziehung:

n_c<n₂<n₁. (1)

Die relativen Brechungsindexdifferenzen Δ und Δ′ zwischen dem Kern und dem zweiten Mantel bzw. zwischen dem ersten und dem zweiten Man tel betragen:

und

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 brechungsindexer höhendem Dotierstoff im Kern und von Fluor als brechungs indexverringerndem Dotierstoff im inneren Mantel die gesamte chromatische Dispersion bei jeder Wellenlänge innerhalb des gewünschten Bereiches zwischen 1,28 µm und 1,38 µm bei Fasern mit Kerndurchmessern zwischen 6 und 10 µm minimieren. Darüber hinaus läßt sich durch geringere Dotierstoffkonzen tration im Kern die gleiche gesamte Kern-Mantel-Brechungs indexdifferenz (Δ + Δ′) 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-HE₁₁-Wellen typs. 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 Zusammen hang nicht, daß keine Leistung durch die Faser übertragen werden könnte, sondern der Begriff bedeutet lediglich, daß, weil die Leistung nicht vollständig in dem Kern ge fangen bleibt, etwas von der Leistung in den inneren Mantel hineinstreuen kann und durch Abstrahlen verloren geht.

In einer einfachen Stufenprofilfaser (Δ′ = 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 Brechungs index 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, d. h. der Brechungsindex, der sich aus der Kombination der beiden Brechungsindizes n_c und n₁ bei einer bestimmten Wellenlänge ergibt, zum Verkleinern, wenn die Signal wellenlänge so weit ansteigt, daß ein Wert des effektiven Brechungsindex erreicht ist, der kleiner ist als der Brechungsindex des Außenmantels. Wenn diese Situation ein tritt, werden Signale dieser und größerer Wellenlängen in der Faser 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 λ₁ und λ₂, wobei λ₂<λ₁.

Bei der kürzeren Wellenlänge λ₁ konzentriert sich das Feld in der Kernzone 11, was durch die gestrichelte Kurve 20 an gedeutet ist. Bei dieser Feldverteilung liegt der effektive Brechungsindex in der Nähe des Brechungsindex der Kernzone, und er ist größer als der Brechungsindex n₂ des Außenmantels.

Für die größere Wellenlänge λ₂ 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 veran schaulicht ist. Da der Brechungsindex des inneren Mantels kleiner ist als der Brechungsindex sowohl des Kerns als auch des äußeren Mantels 13, tendiert der effektive Brechungsindex bei größeren Wellenlängen dazu, kleiner zu werden, und er erreicht schließlich einen Wert, der kleiner ist als n₂. Der effektive Brechungsindex n_e beträgt

wobei λ die Wellenlänge des Signals im freien Raum und λ_g die modale Wellenlänge des Signals in der Faser ist.

Wenn n_e größer ist als n₂, so treten keine Strahlungsverluste auf. Wird jedoch n_e kleiner als n₂, so strahlt das Signal durch den Mantel, und man sagt, daß es abgeschnitten wird.

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

Die Gleichung (5) gilt für Dämpfungswerte, die von praktischem Interesse sind. Die Gleichung gilt nicht, wenn die Abstrahlungsverluste 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 µm und fluordotiertem ersten Mantel berechnet. Die Gesamt-Brechungsindexdifferenz zwischen Kern und Mantel für ein solches System beträgt typischerweise 0,5% (d. h. |Δ| + |Δ′| = 0,5%).

Die Schar mit den ausgezogenen Kurven zeigt die Dämpfungen, wenn das Mantel/Kern-Verhältnis r₁/r_c für unterschiedliche Werte von Δ 6 ist. Wenn beispielsweise Δ = 0%, so sind die Brechungsindizes des Kerns und des äußeren Mantels gleich, und der effektive Brechungsindex n_e ist bei sämtlichen niedrigen Wellenlängen kleiner als n₂. Die Dämpfung steigt also mit der Wellenlänge rasch an. Wenn Δ 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 Δ. Auf Grund des größeren Ver hältnisses von r₁ : r_c 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 µm, wenn Δ etwa 0,26% bei einem Verhältnis r₁ : r_c 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 darge stellten 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 Wert von Δ von dem für die gerade Faser maßgeblichen Wert Δ₁ auf den für die gebogene Faser maßgeblichen Wert von Δ₂. Wenn beispielsweise der effektive Wert von Δ von 0,26 auf 0,25 verringert wird, erhöht sich die Dämpfung bei einer Wellenlänge von 1,55 µm von 0,1 dB auf etwa 8 dB bei einer Faser, deren Verhältnis r₁ : r_c 6 beträgt, wohingegen bei einer Faser, deren Verhältnis r₁ : r_c 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 Erwä gungen ab. Um das Verspleißen zu vereinfachen, ist es wünschenswert, daß der Kerndurchmesser nicht kleiner als 7,5 bis 8 µm ist. Damit sich die Faser als Monomode-Faser bei 1,3 µm eignet, sollte Δ nicht größer als 0,5% sein. Um schließlich sicherzustellen, daß die auf Rayleigh- Streuung zurückzuführende Dämpfung nicht zu groß wird, beträgt Δ 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 Wellen länge für verschiedene Krümmungsradien. Die in Fig. 5 gezeigte Kurvenschar beispielsweise gilt für r_c =3,75 µm; r₁ : r_c = 6; |Δ| + |Δ′| = 0,5%; Δ = 0,3%. Bei λ = 1,55 µm erreicht die Dämpfung einen Wert von 0,1 dB/km für einen Krümmungsradius von etwa 9 cm. Wenn für die gegebenen Werte von Δ, Δ′ und r_c das Verhältnis r₁ : r_c auf 7 erhöht wird, kann man den Krümmungsradius für die gleiche Dämpfung bei einer Wellenlänge von 1,55 µm auf etwa 6 cm verringern.

Fig. 7 und 8 zeigen ähnliche Kurvenscharen für eine Faser mit einem geringfügig größeren Kernradius von 4 µm und einem Wert Δ von 0,4%. Dies entspricht einer Erhöhung der Differenz zwischen den Brechungsindizes von Kern und zweitem Mantel. Diese beiden Änderungen verringern die auf Biegung zurückzuführende Dämpfung oder gestatten anderer seits bei gleicher Dämpfung einen kleineren Krümmungs radius.

Es lassen sich viele solcher Kurven ermitteln. Hierbei wird offenbar, daß eine Monomode-Faser für einen Betriebs bereich zwischen λ = 1,3 und 1,55 µm 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 Wellenlängen geringe Dämpfung aufweisen, können derartige zusätzliche Schichten bei den genannten Wellenlängen verlustbehaftet sein. 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 Wellenleitereigen schaften der Faser und können in bezug auf die Erfindung ignoriert werden.

Claims

1. Monomodefaser mit einem einen Brechungsindex n_c und einen Radius r_c aufweisenden inneren Kern, der umgeben ist von einem ersten, inneren Mantel, der einen Brechungsindex n₁ und einen Außenradius r₁ aufweist, und von einem zweiten, äußeren Mantel, der einen Brechungsindex n₂ aufweist, wobei die Beziehung n₁ < n₂ < n_c gilt und das Verhältnis r₁ : r_c wenigstens 6,5 : 1 beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die durch gegebene relative Indexdifferenz Δ zwischen dem Brechungsindex des Kerns und dem des zweiten Mantels und die durch gegebene relative Indexdifferenz Δ′ zwischen den Brechungsindizes des ersten und des zweiten Mantels der BeziehungΔ + Δ′ = 0,5%genügt, um Dämpfungsverluste und die chromatische Dispersion zu verringern.

2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Δ 0,4% ist.

3. Faser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser eine Monomodefaser für Wellenlängen von über 1,3 µm ist.