DE3686891T2 - MANUFACTURE OF OPTICAL FIBERS. - Google Patents
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Description
Diese Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Fasern, die für die Übertragung von Strahlung im optischen Spektralbereich geeignet sind, das heißt für Strahlung der Wellenlängen im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Bereich.This invention relates to the production of fibers suitable for the transmission of radiation in the optical spectral range, that is to say radiation of wavelengths in the ultraviolet, visible and infrared ranges.
Die Fähigkeit, kleine Mengen an Störstellendotierstoffen, zum Beispiel Ionen seltener Erden oder von Übergangsmetallen in den Kern oder Mantel einer Lichtleitfaser einführen zu können, ist aus einer Reihe von Gründen nützlich.The ability to introduce small amounts of impurity dopants, such as rare earth or transition metal ions, into the core or cladding of an optical fiber is useful for a number of reasons.
Die Fertigung faseroptischer Verstärker oder Laser beispielsweise mit Neodym oder Erbium als Störstellendotierstoff ist möglich. Ein Beispiel für einen Neodymfaserlaser ist in unserer parallel laufenden internationalen Patentanmeldung Nr. WO 87/01246 beschrieben, die das Prioritätsdatum des 13. August 1985 hat.The manufacture of fiber optic amplifiers or lasers with, for example, neodymium or erbium as an impurity dopant is possible. An example of a neodymium fiber laser is described in our co-pending international patent application No. WO 87/01246, which has a priority date of August 13, 1985.
Es ist aus US-A-4 597 787 bekannt, Dotierstoff in einer Kammer niederzuschlagen und aus derselben in einen Gasstrom zu verdampfen, der Glaserzeugungsmaterial enthält, und anschließend das Glas niederzuschlagen, um eine Vorform für das Ziehen einer optischen Faser zu schaffen. Der Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus dieser Veröffentlichung bekannt.It is known from US-A-4 597 787 to deposit dopant in a chamber and evaporate it from there into a gas stream containing glass-forming material and then deposit the glass to create a preform for drawing an optical fiber. The preamble of claim 1 is known from this publication.
Vom Einfügen beispielsweise von Terbiumionen (Tb³&spplus;) in die Kieselglasmatrix ist allgemein bekannt, daß die Verdetsche Konstante des Glases erhöht wird, und das ist von Vorteil für Faservorrichtungen oder Sensoren, die mit Magnetfeldern in Wechselwirkung treten.It is well known that the introduction of, for example, terbium ions (Tb³⁺) into the silica matrix increases the Verdet constant of the glass, and this is beneficial for fiber devices or sensors that interact with magnetic fields.
Zum Anzeigen der Temperatur eines die Faser umgebenden Mediums kann ein verteilter Temperaturmeßfühler konstruiert werden, der die temperaturabhängigen Änderungen entweder im Absorptionsspektrum oder die Fluoreszenzabklingzeit eines Ions einer seltenen Erde oder eines Übergangsmetalls zum Beispiel Nd³&spplus; oder Cr³&spplus; nutzt. Siehe zum Beispiel Snitzer, Morley und Glenn "Fiber optic rare earth temperature sensors" Proc. Ist Int. Conf. on Optical Fibre Sensors, London 1983, SS. 79-92.To indicate the temperature of a medium surrounding the fiber, a distributed temperature sensor can be constructed which exploits the temperature dependent changes in either the absorption spectrum or the fluorescence decay time of a rare earth or transition metal ion, for example Nd³⁺ or Cr³⁺. See for example Snitzer, Morley and Glenn "Fiber optic rare earth temperature sensors" Proc. Ist Int. Conf. on Optical Fibre Sensors, London 1983, pp. 79-92.
Es ist bekannt, daß sowohl der Kerr-Effekt als auch die nichtlinearen optischen Beiwerte des Glases erhöht werden durch das Einfügen beispielsweise von Nb³&spplus;-Ionen in die Silikatglasmatrix.It is known that both the Kerr effect and the nonlinear optical coefficients of the glass are increased by the insertion of, for example, Nb³⁺ ions into the silicate glass matrix.
Das Einführen bestimmter Ionen, zum Beispiel von Cerium in das Glas erlaubt die Konstruktion von Szintillationszählern durch Umwandeln der Energie eines einfallenden hochenergetischen Partikels oder Strahls in ein optisches Signal, welches sich innerhalb der Faser ausbreitet. Das Dotieren von Lichtleitfasern mit Ceriumoxid ist in JP-A-56-155036 beschrieben.The introduction of certain ions, for example cerium, into the glass allows the construction of scintillation counters by converting the energy of an incident high-energy particle or beam into an optical signal that propagates within the fiber. Doping of optical fibers with cerium oxide is described in JP-A-56-155036.
Wir haben eine neue Herstellungstechnik entwickelt, die das Erzeugen von Lichtleitfasern erlaubt, welche steuerbare, niedrige (< 1 Gew.%) Mengen eines oder mehrerer Störstellendotierionen entweder im Kern- oder im Mantelglas einer optischen Faser oder in beidem enthalten. Das Verfahren erlaubt die Benutzung von Ausgangsstoffen, beispielsweise Halogeniden seltener Erden, die einen hohen Schmelzpunkt haben und deshalb bisher nicht brauchbar waren, da sie einen sehr niedrigen Dampfdruck bei den üblicherweise in Zufuhrsystemen für die Reaktionsteilnehmer zur Erzeugung von Lichtleitfasern vorherrschenden Temperaturen haben. Diese Temperatur ist gewöhnlich auf um 250ºC begrenzt, eine Temperatur, bei der die Polytetrafluoräthylenbestandteile sich zu verformen beginnen, die in der rotierenden Dichtung benutzt sind, welche das Niederschlagsrohr mit dem Zufuhrsystem für die Reaktionsteilnehmer verbindet. Unser Verfahren ist auch für Flüssigkeiten anwendbar, die einen niedrigen Dampfdruck bei niedrigen Temperaturen haben (< 250ºC).We have developed a new manufacturing technique that allows the production of optical fibers containing controllable, low (< 1 wt.%) amounts of one or more impurity dopant ions in either the core or cladding glass of an optical fiber, or both. The process allows the use of precursors, such as rare earth halides, that have a high melting point and have not been useful heretofore because they have a very low vapor pressure at the temperatures typically found in reactant delivery systems for producing optical fibers. This temperature is usually limited to around 250ºC, a temperature at which the polytetrafluoroethylene components used in the rotating seal connecting the precipitation tube to the reactant delivery system begin to deform. Our process is also applicable to liquids that have a low vapor pressure at low temperatures (< 250ºC).
Der bei Anwendung des Verfahrens in das Glas eingeführte Verunreinigungsdotierstoff oder die Dotierstoffe können selbst die Brechzahldifferenz oder Differenzen erzeugen, die erforderlich sind, damit die Faser als Lichtleiter wirken kann. Als Alternative kann der Unterschied in der Brechzahl in Kombination mit üblicherweise verwendeten Dotierstoffen für Lichtleitfasern, beispielsweise Bortrioxid, Fluor, Germaniumoxid, Phosphorpentoxid und Titanoxid erzielt werden. Die Technik ist insofern einmalig, als sie die Fertigung großer Faserlängen erlaubt, die beispielsweise Ionen seltener Erden enthalten, die eine verhältnismäßig hohe Absorption im sichtbaren/nahen Infrarotbereich haben, während die Eigenschaften des niedrigen Verlustes von Fasern in Nachrichtenqualität bei anderen Wellenlängen im wesentlichen beibehalten bleiben.The impurity dopant or dopants introduced into the glass using the process can themselves create the refractive index difference or differences required for the fiber to function as a light guide. Alternatively, the difference in refractive index can be achieved in combination with commonly used optical fiber dopants such as boron trioxide, fluorine, germanium oxide, phosphorus pentoxide and titanium oxide. The technique is unique in that it allows the manufacture of long lengths of fiber containing, for example, rare earth ions that have relatively high absorption in the visible/near infrared region, while essentially retaining the low loss properties of communications grade fiber at other wavelengths.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Vorform für die Herstellung optischer Fasern geschaffen, die dotiertes Glas enthalten, wobei ein Dotierungsmaterial in einer Dotierungskammer abgelegt und anschließend aus der Kammer verdampft und auf der inneren Oberfläche eines rohrförmigen Glasteils deponiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende aufeinanderfolgenden Schritte aufweist: Heizung der Dotierungskammer, um das Dotierungsmittel an die Kammerwand anzuschmelzen, nachfolgendes Aufheizen der genannten Kammer, um zu bewirken, daß das genannte Dotierungsmittel gemäß einer vorgegebenen Rate in Dampfform übergeht, Strömenlassen eines gasförmigen Quellmaterials durch die genannte Trägerkammer, um das genannte Dotierungsmittel mit dem Quellmaterial zu mischen, Niederschlagen einer Mischung aus Feststoffkomponenten aus der Mischung aus dem genannten Quellmaterial und dem genannten Dotierungsmittel, und Anschmelzen der genannten Feststoffkomponenten zur Formung eines dotierten Glases für die genannte Vorform.According to the present invention there is provided a method of producing a preform for the manufacture of optical fibers containing doped glass, wherein a dopant material is deposited in a doping chamber and subsequently evaporated from the chamber and deposited on the inner surface of a tubular glass member, characterized in that the method comprises the sequential steps of: heating the doping chamber to fuse the dopant to the chamber wall, subsequently heating said chamber to cause said dopant to vaporize at a predetermined rate, flowing a gaseous source material through said support chamber to mix said dopant with the source material, precipitating a mixture of solid components from the mixture of said source material and said dopant, and fusing said solid components for forming a doped glass for said preform.
Das Verfahren schließt vorzugsweise die aufeinanderfolgenden Schritte ein, daßThe method preferably includes the successive steps of
(i) ein oder mehrere Dotierstoffe in einer oder mehreren Dotierträgerkammern niedergeschlagen wird oder werden,(i) one or more dopants is or are deposited in one or more dopant carrier chambers,
(ii) die Kammer(n) in einer dehydratisierenden Atmosphäre erwärmt wird, um die Dotierstoffe zu reinigen und, für den Fall fester Dotierstoffe, um diese(n) an den Kammerwänden anzuschmelzen,(ii) the chamber(s) is heated in a dehydrating atmosphere to purify the dopants and, in the case of solid dopants, to melt them to the chamber walls,
(iii) der Dotierstoff oder die Dotierstoffe innerhalb der Kammer(n) erwärmt wird, um diese(n) zu veranlassen, mit vorherbestimmter Geschwindigkeit zu verdampfen, während gasförmige Quellensubstanzen durch die Trägerkammer(n) geleitet werden, um den Dotierstoff oder die Dotierstoffe mit den Quellensubstanzen zu mischen,(iii) the dopant or dopants are heated within the chamber(s) to cause them to vaporize at a predetermined rate, while gaseous source substances are passed through the carrier chamber(s) to mix the dopant or dopants with the source substances,
(iv) ein Gemisch aus festen Bestandteilen aus dem Gemisch der genannten Quellensubstanz(en) und dem genannten Dotierstoff oder der Dotierstoffe niedergeschlagen wird,(iv) a mixture of solid components is deposited from the mixture of said source substance(s) and said dopant(s),
(v) das niedergeschlagene Gemisch in dehydratisierender Atmosphäre erwärmt wird, um das niedergeschlagene Gemisch zu reinigen,(v) the precipitated mixture is heated in a dehydrating atmosphere to purify the precipitated mixture,
(vi) die festen Bestandteile geschmolzen werden, um ein niedergeschlagenes Glas zu bilden,(vi) the solid components are melted to form a precipitated glass,
(vii) das hohle Rohr veranlaßt wird, zu einem massiven Stab zusammenzubrechen,(vii) the hollow tube is caused to collapse into a solid rod,
(viii) der Stab gezogen wird, um eine Lichtleitfaser zu bilden.(viii) the rod is pulled to form an optical fibre.
Von den vorstehend genannten können die Schritte (i) und (ii) entweder vor dem Anbringen des Rohres in einer Drehbank für die Herstellung der Vorform oder an dem in der Drehbank angeordneten Rohr vorgenommen werden. Die Schritte (iii) und (iv) werden immer bei in der Fertigungsdrehbank angebrachtem Niederschlagsrohr durchgeführt. Die Schritte (v) bis (vii) können entweder am in der Fertigungsdrehbank angebrachten Rohr oder während des Faserziehverfahrens durchgeführt werden (Schritt (viii)).Of the above, steps (i) and (ii) may be carried out either before mounting the tube in a lathe for producing the preform or on the tube mounted in the lathe. The steps (iii) and (iv) are always carried out with the precipitation tube mounted in the production lathe. Steps (v) to (vii) may be carried out either with the tube mounted in the production lathe or during the fibre drawing process (step (viii)).
Die Erfindung wird nunmehr unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:The invention will now be described with reference to the attached drawings. It shows:
Fig. 1 die bei der Herstellung von Lichtleitfasern benutzte chemische Dampfniederschlagsvorrichtung;Fig. 1 shows the chemical vapor deposition device used in the manufacture of optical fibers;
Fig. 2 das Absorptionsspektrum einer Faser, die 30 ppm Nd³&spplus; enthält;Fig. 2 shows the absorption spectrum of a fiber containing 30 ppm Nd³⁺;
Fig. 3 das Fluoreszenzspektrum einer Faser, die 300 ppm Nd³&spplus; enthält;Fig. 3 the fluorescence spectrum of a fiber containing 300 ppm Nd³⁺;
Fig. 4(a) die örtliche Abschwächung einer Nd³&spplus;-dotierten Einmodenfaser;Fig. 4(a) the local attenuation of a Nd³⁺-doped single-mode fiber;
Fig. 4(b) die entsprechende Absorption einer Bezugsfaser;Fig. 4(b) the corresponding absorption of a reference fiber;
Fig. 5 ein Absorptionsspektrum, welches Verluste aufgrund von Hydroxylionenabsorption zeigt; undFig. 5 is an absorption spectrum showing losses due to hydroxyl ion absorption; and
Fig. 6 das Absorptionsspektrum einer Einmodenfaser, die im Kernbereich codotiert ist mit Tb³&spplus;- und Er³&spplus;- Ionen.Fig. 6 the absorption spectrum of a single-mode fiber that is codoped in the core region with Tb³⁺- and Er³⁺- ions.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nun unter Hinweis auf Fig. 1 beschrieben werden. Es erlaubt die Benutzung eines einzigen Ausgangsdotierstoffs, der einen Schmelzpunkt > 250ºC hat (daß heißt bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von Polytetrafluoräthylen ein Feststoff ist) und der in den Kern einer Monomodenfaser eingefügt werden soll.A specific embodiment of the invention will now be described with reference to Fig. 1. It allows the use of a single starting dopant which has a melting point > 250°C (i.e. is a solid at temperatures below the melting point of polytetrafluoroethylene) and which is to be inserted into the core of a single-mode fiber.
Vor dem Niederschlagen wird ein Niederschlagsrohr dadurch vorbereitet, daß das erforderliche Dotierungsmittel in eine Dotierträgerkammer 1 eingeführt wird, wo es durch Erwärmen in einer entwässernden Atmosphäre gereinigt wird, beispielsweise einer Atmosphäre, die entweder gasförmiges Chlor oder gasförmigen Fluor enthält, wobei eine ortsfeste Wärmequelle, zum Beispiel Brenner 2 benutzt wird. Bei diesem Schritt wird der Dotierstoff auch an der Kammerwand angeschmolzen, so daß verhindert wird, daß Teilchen des Dotierstoffs längs des Rohres wandern und in dem anschließend niedergeschlagenen Glas Bläschen bilden. Die Innenseite des Niederschlagsrohres 4 wird dann durch Ätzen in der Gasphase gesäubert, wozu Fluor benutzt wird, der durch thermische Zersetzung einer fluorhaltigen Verbindung, beispielsweise Schwefelhexafluorid (SF&sub6;) oder eines Halogencarbons, beispielsweise CCl&sub2;F&sub2; erzeugt wird, um jeglichen Dotierstoff zu entfernen, der sich während des Trocknungsprozesses abgesetzt hat. Im Anschluß daran wird das Mantelglas niedergeschlagen. Während des anschließenden Niederschlagens des Kerns wird die Dotierstoffträgerkammer auf eine Temperatur erwärmt, bei der das feste Störstellendotiermittel entweder sublimiert oder eine Flüssigkeit mit einem partiellen Dampfdruck in der Größenordnung von einigen hundert Pascal (einige Millimeter Quecksilber) wird, was typischerweise bei 900 bis 1200ºC geschieht. Dies erzeugt geringe Mengen eines Verunreinigungsdampfes, der vom Fluß der Reaktionsteilnehmer in Strömungsrichtung mitgenommen wird, wo er dann in dem vom Niederschlagsbrenner erzeugten Warmbereich 6 oxidiert und ungeschmolzen bei einer niedrigen Temperatur (typischerweise < 1600ºC) zusammen mit anderen den Kern bildenden Materialen, zum Beispiel SiO&sub2;, P&sub2;O&sub5;, GeO&sub2; niedergeschlagen wird. Die poröse Glasschicht wird dann durch Erwärmen in einer dehydratisierenden Atmosphäre weiter getrocknet und danach geschmolzen, um eine durchsichtige, nichtporöse Schicht 8 zu ergeben. Anschließend wird das Rohr zum Zusammenbrechen veranlaßt, um einen massiven Stab zu bilden, und wird dann zu einer Faser gezogen.Before deposition, a deposition tube is prepared by introducing the required dopant into a dopant carrier chamber 1, where it is purified by heating in a dehydrating atmosphere, for example an atmosphere containing either gaseous chlorine or gaseous fluorine, using a stationary heat source, for example burner 2. This step also fuses the dopant to the chamber wall so that particles of the dopant are prevented from migrating along the tube and forming bubbles in the subsequently deposited glass. The inside of the deposition tube 4 is then cleaned by gas phase etching using fluorine produced by thermal decomposition of a fluorine-containing compound, for example sulphur hexafluoride (SF₆) or a halocarbon, for example CCl₂F₆, to remove any dopant which has deposited during the drying process. The cladding glass is then deposited. During subsequent core deposition, the dopant support chamber is heated to a temperature at which the solid impurity dopant either sublimates or becomes a liquid with a partial vapor pressure on the order of a few hundred Pascals (a few millimeters of mercury), typically at 900 to 1200°C. This produces small amounts of an impurity vapor which is entrained downstream by the flow of reactants where it is then oxidized in the hot region 6 created by the deposition burner and deposited unmelted at a low temperature (typically < 1600°C) together with other core forming materials, e.g. SiO₂, P₂O₅, GeO₂. The porous glass layer is then further dried by heating in a dehydrating atmosphere and thereafter melted to give a transparent, non-porous layer 8. The tube is then caused to collapse to form a solid rod and is then drawn into a fiber.
Ein weiteres spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Herstellung von Mono- und Multimodenlichtleitfasern, die im Kernbereich beispielsweise mit Neodymionen, Nd³&spplus;, dotiert sind.Another specific embodiment of the invention is the production of mono- and multimode optical fibers that are doped in the core area, for example, with neodymium ions, Nd³⁺.
Unter Hinweis auf Fig. 2 bis 4 wurde das Niederschlagsverfahren auf ähnliche Weise durchgeführt wie zuvor allgemein beschrieben, wobei die Quelle des Dotiermitteldampfes hydratisiertes Neodymtrichlorid, NdCl&sub3;·6 H&sub2;O (99,9% rein, Schmelzpunkt = 758ºC) war. Durch Erwärmen innerhalb des Rohres in einer Chloratmosphäre wurde dies dann hydratisiert und gereinigt, woraufhin das Rohr durch Ätzen in der Gasphase unter Verwendung eines Fluor freisetzenden Dampfes, beispielsweise Schwefelhexafluorid (SF&sub6;) gesäubert wurde. Dann wurde eine Anzahl von Mantelschichten mit niedrigem Verlust so lange niedergeschlagen, bis sich ein Verhältnis von Manteldurchmesser zu Kerndurchmesser für die kollabierte Vorform von mehr als 7:1 einstellte. Das war nötig, um übermäßigen Verlust aufgrund des Eindringens von OH&supmin; und anderer Verunreinigungsionen aus dem Trägerrohr in die Bereiche der Faser zu vermeiden, in denen es eine wesentliche Felddurchdringung durch die Leitmoden gibt. Der Faserkern wurde dann in ungeschmolzenem Zustand niedergeschlagen, während die Dotierstoffträgerkammer wie zuvor erwärmt wurde, so daß der in der Dotierstoffträgerkammer erzeugte NdCl&sub3;-Dampf innerhalb des Warmbereichs zu Nd&sub2;O&sub3; oxidierte. Die Kernschicht wurde anschließend in einer Chloratmosphäre getrocknet und gesintert, ehe man das Rohr zu einem massiven Stab kollabieren ließ.Referring to Figures 2 to 4, the deposition process was carried out in a similar manner to that generally described above, with the source of dopant vapor being hydrated neodymium trichloride, NdCl3.6H2O (99.9% pure, melting point = 758°C). This was then hydrated and purified by heating within the tube in a chlorine atmosphere, after which the tube was cleaned by gas phase etching using a fluorine-releasing vapor, e.g. sulfur hexafluoride (SF6). A number of low loss cladding layers were then deposited until a cladding diameter to core diameter ratio for the collapsed preform of greater than 7:1 was achieved. This was necessary to avoid excessive loss due to OH- ingress. and other impurity ions from the support tube into the regions of the fiber where there is significant field penetration by the conducting modes. The fiber core was then deposited in an unmelted state while the dopant support chamber was heated as before so that the NdCl3 vapor generated in the dopant support chamber was oxidized to Nd2O3 within the warm region. The core layer was then dried in a chlorine atmosphere and sintered before the tube was allowed to collapse into a solid rod.
Absorptionsmessungen an Mono- und Multimodenfasern zeigen, daß Neodym in die Glasmatrix als das dreiwertige Nd³&spplus;-Ion einverleibt wird. Fasern mit Absorptionsspitzen (bei 590 nm) die von 30 dB/km bis 30000 dB/km reichten (entsprechend Dotierstoffspiegeln von 0,3 bis 300 ppm Nd³&spplus;) sind gefertigt worden. Das Absorptionsspektrum für eine Länge von 500 m einer mit Neodym dotierten Faser mit einem Dotierstoffspiegel von ungefähr 30 ppm ist in Fig. 2(a) gezeigt. Es sind deutlich die sehr hohen Absorptionsniveaus im sichtbaren und im nahen Infrarotbereich von bis zu 3000 dB/km zu sehen. Trotz dieses hohen Verlustes ist es bemerkenswert, das Vorhandensein eines Fensters mit niedrigem Verlust zwischen 950 und 1350 nm von < 2 dB/km zu erkennen, einer Zahl, die sich nicht sehr von der bei herkömmlichen Fasern beobachteten unterscheidet. Die niedrige OH&supmin;- Absorptionsspitze bei 1390 nm gibt einen Hinweis auf den Erfolg der zum Trocknen der Neodymverbindungen sowohl vor als auch während des Niederschlagens angewandten Verfahren.Absorption measurements on single- and multimode fibers show that neodymium is incorporated into the glass matrix as the trivalent Nd³⁺ ion. Fibers with absorption peaks (at 590 nm) ranging from 30 dB/km to 30000 dB/km (corresponding to dopant levels of 0.3 to 300 ppm Nd³⁺) have been fabricated. The absorption spectrum for a length of 500 m of neodymium-doped fiber with a dopant level of approximately 30 ppm is shown in Fig. 2(a). It clearly shows the very high absorption levels in the visible and near infrared range of up to 3000 dB/km. Despite this high loss, it is It is noteworthy to note the presence of a low loss window between 950 and 1350 nm of < 2 dB/km, a figure not very different from that observed in conventional fibers. The low OH- absorption peak at 1390 nm gives an indication of the success of the procedures used to dry the neodymium compounds both before and during deposition.
Das Fluoreszenzspektrum einer mit 300 ppm Nd³&spplus; dotierten Faser ist in Fig. 3 gezeigt, wo breite Fluoreszenzbänder mit Spitzenwellenlängen von 940, 1080 und 1370 nm deutlich zu sehen sind. Infolge des Wirtsglases mit hohem Siliziumdioxidgehalt sind die Bänder zu geringfügig niedrigeren Wellenlängen verlagert als die entsprechenden Bänder bei für herkömmliche Laser verwendeten Schichtgläsern. Messungen der 1/e-Fluoreszenzlebensdauer unter Verwendung einer Pumpwellenlänge von 590 nm erbrachten eine Zahl von 450 us für den Übergang von 940 nm ebenso wie von 1080 nm. Darüber hinaus ist die Beständigkeit der Einverleibung des Dotierstoffs längs der Faserlänge durch Messen der örtlichen Abschwächung längs der Faserlänge unter Anwendung eines OTDR- Verfahrens gelöst worden. Die Source-Wellenlänge von 620 nm wird so gewählt, daß sie am hinteren Ende des 590 nm-Absorptionsbandes liegt, damit eine handhabbare Abschwächung erreicht wird. Die Ergebnisse sind in Fig. 4(a) gezeigt und geben einen Hinweis auf gute Gleichförmigkeit der Dotierstoffinkorporation längs der Länge der Faser, was ein hohes Maß an Kontrolle beim Herstellungsverfahren wiedergibt.The fluorescence spectrum of a fiber doped with 300 ppm Nd3+ is shown in Fig. 3, where broad fluorescence bands with peak wavelengths of 940, 1080 and 1370 nm are clearly visible. Due to the high silica host glass, the bands are shifted to slightly lower wavelengths than the corresponding bands in layered glasses used for conventional lasers. Measurements of the 1/e fluorescence lifetime using a pump wavelength of 590 nm yielded a figure of 450 µs for the 940 nm as well as the 1080 nm transition. In addition, the persistence of the incorporation of the dopant along the fiber length has been solved by measuring the local attenuation along the fiber length using an OTDR technique. The source wavelength of 620 nm is chosen to be at the tail end of the 590 nm absorption band to achieve manageable attenuation. The results are shown in Fig. 4(a) and indicate good uniformity of dopant incorporation along the length of the fiber, reflecting a high degree of control in the fabrication process.
Gemäß einem weiteren speziellen Ausführungsbeispiel des Verfahrens haben wir stark doppelbrechende und einfach polarisierende Fasern, die im Kernbereich Nd³&spplus;-Ionen enthielten, geschaffen. Erhalten wurden diese durch Kombinieren des zuvor beschriebenen Verfahrens für das Einfügen von Störstellendotierstoffen in den Faserkern mit dem bekannten Gasphasenätzverfahren zum Herstellen asymmetrischer, hochverstreckter "Fliegen" (Bow-Tie)-Fasern, wie in der Patentanmeldung Nr. 8218470 beschrieben. Fasern mit einer nur 2 mm betragenden Überlagerungslänge in Kombination mit Dotierstoffspiegeln von > 200 ppm Nd³&spplus; sind mit diesem Verfahren erhalten worden.According to another specific embodiment of the method, we have created highly birefringent and singly polarizing fibers containing Nd³⁺ ions in the core region. These were obtained by combining the previously described method for introducing impurity dopants into the fiber core with the known gas phase etching method for producing asymmetric, highly stretched "bow-tie" fibers as described in the Patent application No. 8218470. Fibers with an overlay length of only 2 mm in combination with dopant levels of > 200 ppm Nd³⁺ have been obtained using this process.
Als weiteres spezielles Ausführungsbeispiel haben wir Mono- und Multimodenfasern erzeugt, die Er³&spplus;-Ionen in Konzentrationen von bis zu 0,25 Gew.% Er³&spplus; enthielten. Dies wird unter Hinweis auf Fig. 5 erläutert, in der das Absorptionsspektrum einer Monomodenfaser gezeigt ist, die im Kernbereich mit 2 ppm Er³&spplus; dotiert ist.As another specific embodiment, we have produced mono- and multimode fibers containing Er3+ ions in concentrations of up to 0.25 wt.% Er3+. This is explained with reference to Fig. 5, which shows the absorption spectrum of a monomode fiber doped with 2 ppm Er3+ in the core region.
Hergestellt wurde die Faser wie zuvor für die mit Nd³&spplus; dotierten Fasern beschrieben, wobei aber das Vorläufermaterial wasserhaltiges Erbiumtrichlorid, ErCl&sub3;·6H&sub2;O (99,9% rein, Schmelzpunkt = 477ºC) war. Der restliche Herstellungsprozeß war so wie oben beschrieben, außer daß sehr wenige Mantelschichten mit niedrigem Verlust niedergeschlagen wurden, so daß bei der erhaltenen Faser, die aus der Vorform gezogen wurde, das Verhältnis von Manteldurchmesser zu Kerndurchmesser 2:1 war. Infolgedessen kam es zu einer Durchdringung des Trägerrohres durch das Feld, welches nominell auf den Faserkern begrenzt war, was einen höheren als den erwarteten Verlust wegen der OH&supmin;-Absorption bei 1390 nm ergibt, wie Fig. 5 zeigt. Mit diesem Verfahren wurden Fasern hergestellt, die bis zu 0,25 Gew.% Er³&spplus; enthielten, was Verluste von weniger als 40 dB/km im Bereich zwischen 1 um und 1,3 um bringt, obwohl es Spitzen im Absorptionsband von > 50 dB/m gibt.The fiber was prepared as described previously for the Nd3+ doped fibers, but the precursor material was hydrous erbium trichloride, ErCl3.6H2O (99.9% pure, melting point = 477°C). The rest of the fabrication process was as described above except that very few low loss cladding layers were deposited so that the resulting fiber drawn from the preform had a cladding diameter to core diameter ratio of 2:1. As a result, there was penetration of the support tube by the field which was nominally limited to the fiber core, giving a higher than expected loss due to OH- absorption at 1390 nm, as shown in Figure 5. Using this method, fibers containing up to 0.25 wt.% Er3+ were prepared. which results in losses of less than 40 dB/km in the range between 1 um and 1.3 um, although there are peaks in the absorption band of > 50 dB/m.
Ein weiteres spezielles Ausführungsbeispiel betrifft eine Faser, die im Kernbereich Terbiumionen, Tb³&spplus;, codotiert mit Erbiumionen, Er³&spplus;, enthält. Erzeugt wurde diese wie zuvor beschrieben, außer daß vor dem Beginn des Niederschlagens ein Gemisch aus Terbiumtrichlorid und Erbiumtrichlorid in die Dotierstoffträgerkammer gegeben wurde. Aus einer solchen Vorform gezogene Fasern haben ähnliche Absorptionseigenschaften gezeigt wie in Fig. 6 dargestellt, wo die große Absorptionsspitze bei 486 nm und die um 725 nm zentrierte breite Absorption auf das Vorhandensein des Tb³&spplus;-Ions zurückzuführen sind, während die Absorptionen bei 518 und 970 nm auf das Vorhandensein des Er³&spplus;-Ions zurückzuführen sind. Dies veranschaulicht die Möglichkeit, das niedergeschlagene Glas mit mehrfachen Störstellenionen gleichzeitig zu dotieren.Another specific embodiment relates to a fiber containing terbium ions, Tb³⁺, codoped with erbium ions, Er³⁺, in the core region. This was produced as described above, except that a mixture of terbium trichloride and erbium trichloride was added to the dopant carrier chamber before deposition began. Fibers drawn from such a preform have similar absorption properties shown as shown in Fig. 6, where the large absorption peak at 486 nm and the broad absorption centered at 725 nm are due to the presence of the Tb³⁺ ion, while the absorptions at 518 and 970 nm are due to the presence of the Er³⁺ ion. This illustrates the possibility of doping the deposited glass with multiple impurity ions simultaneously.
Das Verfahren kann auch angewandt werden, um Ionen anderer seltener Erden und Übergangsmetalle in Lichtleitfasern einzubauen.The process can also be used to incorporate ions of other rare earths and transition metals into optical fibers.
Es sei erwähnt, daß das vorstehend beschriebene Verfahren für alle Fasertypen anwendbar ist, die nach dem sogenannten modifizierten chemischen Dampfniederschlagsverfahren (MCVD) hergestellt werden können, nämlich:It should be noted that the process described above is applicable to all types of fibers that can be produced by the so-called modified chemical vapor deposition (MCVD) process, namely:
(i) Monomodenfasern(i) Single-mode fibers
(ii) Multimodenfasern(ii) Multimode fibers
(iii) stark doppelbrechende und einfach polarisierende Fasern(iii) highly birefringent and singly polarizing fibers
(iv) im Kreis doppelbrechende Fasern (mit schraubenlinienförmigem Kern)(iv) circular birefringent fibres (with helical core)
(v) Fasern mit Mehrfachkern(v) Multi-core fibres
(vi) Fasern mit "Ringkern".(vi) Fibres with ‘toroidal core’.
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