DE3842805A1 - Lichtwellenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter mit einem Kern und einem Mantel, bei dem der innere Bereich des Mantels mit P₂O₅ dotiert ist.

Im Hinblick auf die Herstellung verlustarmer Glasfasern (Lichtwellenleiter) wurden in den letzten Jahren verschiedene Materialien untersucht. Im Vor­ dergrund stand dabei jeweils Quarz, das zur Erzielung einer bestimmten Brechzahl dotiert wurde, sowie eine Reihe verschiedener Glassysteme. Die erwähnte Dotierung beim Quarz zum Zwecke der Einstellung einer gewünsch­ ten Brechzahl kann beispielsweise mit den Oxiden des Bors, des Fluors, des Germaniums und des Phosphors erfolgen. Während GeO₂ und P₂O₅ eine Erhöhung der Brechzahl des Quarzmaterials bewirken, erzielt man durch Do­ tierung mit Fluor und B₂O₃ eine Erniedrigung der Brechzahl.

Am häufigsten wird der Kern mit GeO₂ dotiert und dadurch seine Brechzahl erhöht. Der Mantel besteht aus reinem Quarzglas. Für die Herstellung von Quarzfasern wird üblicherweise das CVD-Verfahren angewandt. Beim CVD- Verfahren beschichtet man ein Substratrohr aus gewöhnlichem und darum verlustreichem Quarzglas innen zuerst mit reinem Quarzglas für den Mantel, dann folgen einige Schichten germaniumdotiertes Quarzglas für den Kern. Die Schichten aus reinem Quarzglas erfordern eine hohe Herstellungstem­ peratur für eine einwandfreie Sinterung. Bei hohen Temperaturen besteht jedoch die Gefahr, daß das Substratrohr deformiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtwellenleiter anzugeben, der so ausgebildet ist, daß bei der Herstellung seiner Vorform durch Be­ schichtung eines Substratrohres eine Deformation des Substratrohres, die in­ folge der bei der Beschichtung erforderlichen hohen Temperaturen auftreten kann, möglichst verhindert wird. Diese Aufgabe wird bei einem Lichtwellen­ leiter der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der Herstellung einer Vorform für Lichtwellenleiter durch Innenbeschich­ tung eines Substratrohres geht man bekanntlich von einem Substratrohr aus, welches zunächst mit Mantelschichten und danach mit Kernschichten innen­ beschichtet wird. Der erwähnte innere Bereich des Mantels, der auch als optisch aktiver Bereich des Mantels bezeichnet wird, ist im vorliegenden Fall derjenige Bereich des Mantels, der durch die Innenbeschichtung des Substratrohres (Mantelrohres) mit Mantelschichten gebildet wird.

Gemäß der Erfindung wird der innere Bereich des Mantels zur Vermeidung einer Deformation des Substratrohres infolge der bei der Innenbeschichtung zur Anwendung kommenden hohen Temperaturen unterschiedlich mit P₂O₅ dotiert. Die P₂O₅-Dotierung wird deshalb unterschiedlich gewählt, weil einerseits die Temperatur bei der Innenbeschichtung um so niedriger gehalten werden kann, je stärker mit P₂O₅ dotiert wird, andererseits aber die Infra­ rotabsorption mit stärkerer Phosphordotierung auch ansteigt. Da nun die Felder der Grundwelle im Mantel radial von innen nach außen abklingen, wird die unterschiedliche P₂O₅-Dotierung vorzugsweise so gewählt, daß die P₂O₅-Dotierung im inneren Bereich des Mantels von innen nach außen zunimmt. Der innere Bereich des Mantels weist vorzugsweise zwei Gebiete mit unterschiedlicher P₂O₅-Dotierung auf. Das an den Kern grenzende Gebiet des inneren Bereichs des Mantels ist vorzugsweise schwächer dotiert als das andere Gebiet des inneren Bereichs.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen Lichtwellenleiter 1 mit einem Kern 2 und einem Mantel 3. Wird der Lichtwellenleiter durch Innenbeschichtung eines Substrat­ rohres hergestellt, so müssen gemäß der Fig. 2 beim Mantel 3 die beiden Bereiche 3′ und 3′′ unterschieden werden. Der Bereich 3′ des Mantels 3 entspricht beim fertigen Lichtwellenleiter (gezogene Faser) dem Substrat­ rohr, während der Bereich 3′′ dem auf die Innenwand des Substratrohres aufgebrachten Mantelschichten (cladding layer) entspricht. Der Bereich 3′′ wird beim Lichtwellenleiter der Erfindung als innerer Bereich des Mantels bezeichnet, der nach der Erfindung unterschiedlich mit P₂O₅ dotiert ist.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der innere Bereich 3′′ in zwei Gebiete 3′′ _a und 3′′ _b unterteilt ist. Das an den Kern 2 grenzende Gebiet 3′′ _b des inneren Bereichs 3′′ des Mantels ist dabei schwä­ cher mit P₂O₅-dotiert als das andere Gebiet 3′′ _a des inneren Bereichs 3′′.

Die Fig. 4 zeigt die Bruchteile der Grundwellenleistung, die in den ver­ schiedenen Mehrfachen des Kernradius a geführt werden, als Funktion des Faserparameters V.

Die Fig. 5 zeigt die Dämpfungserhöhung Δ α _p durch Phosphor-Dotierung im Mantel als Funktion des Faserparameters V.

Die Fig. 6 zeigt eine Faser mit abgesenkter Brechzahl im inneren Mantel und die zugehörige Dämpfungserhöhung Δ α _p durch Phosphor-Dotierung im Mantel als Funktion des Faserparameters V · b/a=2 und P₂O₅ (b-c) : 1 mol-%.

Die Fig. 7 zeigt eine Faser mit Doppelstufenkern und abgesenkter Brech­ zahl im inneren Mantel und die zugehörige Dämpfungserhöhung Δ α _p bei λ=1,55 µm durch Phosphor-Dotierung als Funktion von b/a.a=4,0 µm, c-b= 22,0 µm, Δ₁=0,255%, Δ₂=0,0645%, Δ₃=0,10% und P₂O₅(b-c) : 1 mol-%.

Die Fig. 8 zeigt eine Faser mit Doppelstufenkern und abgesenkter Brech­ zahl im inneren Mantel und die zugehörige Dämpfungserhöhung Δ α _p bei λ=1,55 µm durch Phosphor-Dotierung als Funktion von b/a.a=3,5 µm, c-b=19,25 µm, Δ₁=0,255%, Δ₂=0, Δ₃=0,10% und P₂O₅ (b-c) : 1 mol-%.

Im folgenden werden einfache Stufenfasern und Fasern mit abgesenkter Brechzahl im inneren Mantel behandelt. P₂O₅ erhöht die Brechzahl. Die Erhöhung der Brechzahl wird gemäß

Δ n=6,10^-4 (mol-%)^-1 (1)

berechnet. Dabei ist Δ n die Brechzahlerhöhung durch P₂O₅. Der Mantel wird deshalb auch mit Fluor dotiert und dadurch seine Brechzahl gesenkt.

Weiterhin ist eine zu starke Dotierung mit P₂O₅ auch wegen der zu starken Dämpfung bei höheren Wellenlängen nicht wünschenswert, denn die Absorp­ tionsschwänze der molekularen Infrarotabsorption reichen bei P₂O₅-Dotierung bis in den interessierenden Wellenlängenbereich hinein. Bei λ=1,55 µm z. B. läßt sich die Dämpfungserhöhung durch Infrarotabsorption für eine Mono­ modenfaser mit P₂O₅-Dotierung nach folgender Beziehung berechnen.

Bei λ=1,30 µm ist die Dämpfungserhöhung sehr klein und kann deshalb vernachlässigt werden. Wegen der höheren Dämpfung durch P₂O₅ bei länge­ ren Wellen wird P₂O₅ nur im Mantel eingesetzt. Der Kern wird immer noch mit GeO₂ dotiert. Wegen der Konzentration der Leistung im Kern wird der Einfluß des P₂O₅ auf die Dämpfung vermindert. Die Fig. 4 zeigt den Bruchteil der Grundwellenleistung in den verschiedenen Mehrfachen des Kernradius als Funktion des Faserparameters V. Bei λ=1,55 µm liegt V im Bereich 1,99-1,71 für eine einfache Stufenfaser und 2,14-1,86 für die Faser mit abgesenkter Brechzahl im inneren Mantel. Die Dämpfungserhö­ hung Δ α _p durch P₂O₅-Dotierung im Mantel läßt sich folgendermaßen berech­ nen

Dabei ist k der P₂O₅-Anteil (mol-%) im Mantel. P _K und P _M sind die im Kern bzw. im Mantel transportierten Leistungen.

Die Grundwelle hat eine Feldverteilung γ (r), die einer Gaußkurve sehr ähn­ lich ist, d. h.

wobei W die 1/e-Breite der Gaußkurve ist und als Fleckradius bezeichnet wird. Der Fleckradius W ergibt sich aus der Näherungsformel

wobei a der Kernradius und V der Faserparameter ist.

Aus der Feldverteilung Gl. (3) erhält man P _K und P _M durch Integration von |γ|² über den Querschnitt von Kern und Mantel

und

Setzt man Gln. (5) und (6) in Gl. (2), erhält man

Die Dämpfungserhöhung Δ α _p durch P₂O₅-Dotierung im Mantel nach den Gln. (7) und (4) als Funktion des Faserparameters V mit dem P₂O₅-Anteil in mol-% als Parameter ist in der Fig. 5 gezeigt. Aus der Fig. 5 erkennt man, daß die Dämpfungserhöhung bei 1,55 µm ca. 0,1 dB/km für 1 mol-% P₂O₅ beträgt. Die kleinere P₂O₅-Konzentration im Mantel kann die Däm­ pfungserhöhung reduzieren, aber gleichzeitig die Beschichtungstemperatur erhöhen. Aus der Fig. 4 erkennt man auch, daß der Bruchteil der Grund­ wellenleistung bei λ=1,55 µm im Bereich r<2a nur ca. 0,02 beträgt. Um die Dämpfungserhöhung durch P₂O₅-Dotierung zu reduzieren, kann der Be­ reich a<r<2a mit Fluor und wenig P₂O₅ oder nur mit Fluor ohne P₂O₅ und der Bereich r<2a mit P₂O₅ von 1 mol-% dotiert werden. Die Däm­ pfungserhöhung wird gemäß

berechnet. Dabei sind k₁ und P _{M 1} der P₂O₅-Anteil (mol-%) bzw. die trans­ portierten Leistungen im Bereich (a<r<b) · k₂ und P _{M 2} sind der P₂O₅-An­ teil bzw. die transportierten Leistungen im Bereich (r<b). Aus der Feld­ verteilung (Gl. (3)) erhält man P _{M 1} und P _{M 2}

und

Die Fig. 6 zeigt diese Dämpfungserhöhung nach der skalaren Wellenglei­ chung als Funktion des Faserparameters V für die Faser mit abgesenkter Brechzahl im inneren Mantel. Für 0,1 mol-% P₂O₅ im Bereich (a<r<2a) und 1 mol-% im Bereich (2a<r<c) beträgt die Dämpfungserhöhung bei 1,55 µm nur ca. 0,02 dB/km. Die Dämpfungserhöhung kann auch nach Gln. (5), (8), (9) und (10) berechnet werden. Für die Fasern mit P₂O₅-Dotierung im Bereich (a<r<2a) stimmen die Näherungswerte mit den Ergebnissen aus der Wellengleichung überein. Damit die Brechzahlen beider Bereiche gleich sind, muß die Menge P₂O₅ in beiden Bereichen genau kontrolliert werden.

Im folgenden wird die Einmodenfaser mit Doppelstufenkern und abgesenkter Mantelbrechzahl behandelt. Die P₂O₅-Dotierung kann auch für die Einmoden­ faser mit Doppelstufenkern und abgesenkter Mantelbrechzahl verwandt wer­ den. Die Vorteile der P₂O₅-Dotierung und des Doppelstufenkerns können kombiniert werden. Hier werden jetzt die Fasern nach Fig. 7 ins Auge ge­ faßt, bei denen der erste Bereich des Kerns (0<r<a) ausschließlich mit GeO₂, der zweite Bereich des Kerns (a<r<b) mit Fluor und wenig P₂O₅ (0,1-0,5 mol-%) oder nur mit Fluor ohne P₂O₅ und der Mantel mit 1 mol-% P₂O₅ und Fluor dotiert werden. Die Fig. 7 zeigt die Dämpfungser­ höhung bei g=1,55 µm durch P₂O₅-Dotierung als Funktion des Radienver­ hältnisses b/a mit dem P₂O₅-Anteil im zweiten Bereich des Kerns (a-b) als Parameter für die Faser mit Doppelstufenkern und abgesenkter Mantel­ brechzahl. Aus der Fig. 7 erkennt man, daß Δ α _p ca. 0,02 dB/km für b/a =2 und 0,1 mol-% P₂O₅ im Bereich (a-b) beträgt. Die Fig. 8 zeigt die Dämpfungserhöhung bei 1,55 µm als Funktion von b/a für Fasern mit Δ₂= 0. Dieser Fasertyp läßt sich einfach herstellen und wegen größerem Fleck­ radius auch einfach verbinden, obwohl seine Dämpfungserhöhung etwas höher als die Dämpfung von Fig. 7 ist.

Claims (13)

1. Lichtwellenleiter mit einem Kern und einem Mantel, bei dem der innere Bereich des Mantels mit P₂O₅ dotiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Bereich des Mantels unterschiedlich mit P₂O₅ dotiert ist.

2. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die P₂O₅-Dotierung im inneren Bereich des Mantels von innen nach außen zu­ nimmt.

3. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Bereich des Mantels zwei Gebiete mit unterschiedlicher P₂O₅- Dotierung aufweist.

4. Lichtwellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das an den Kern angrenzende Gebiet des inneren Bereichs des Mantels schwächer mit P₂O₅ dotiert ist als das andere Gebiet des inneren Bereichs.

5. Lichtwellenleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das an den Kern angrenzende Gebiet des inneren Bereichs des Mantels eine P₂O₅- Konzentration von 0,1 bis 0,5 mol-% aufweist.

6. Lichtwellenleiter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht an den Kern angrenzende Gebiet des inneren Bereichs des Mantels eine P₂O₅-Konzentration von 0,2 bis 2 mol-% aufweist.

7. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der innere Bereich des Mantels mit Fluor dotiert ist.

8. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kern Bereiche unterschiedlicher Brechzahl aufweist.

9. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Brechzahlprofil des Kerns eine Doppelstufe aufweist.

10. Lichtwellenleiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahl im äußeren Bereich des Kerns kleiner als in seinem inneren Bereich ist.

11. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kern mit GeO₂ dotiert ist.

12. Lichtwellenleiter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern in seinem inneren Bereich stärker mit GeO₂ dotiert ist als in seinem äußeren Bereich.

13. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der äußere Bereich des Kerns mit Fluor dotiert ist.