DE3880013T2 - Faseroptisches Dämpfungsglied. - Google Patents
Faseroptisches Dämpfungsglied.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft Abschwächer zum Einsatz init signaltragenden optischen Fasern.
- Bei der Herstellung von optischen Fasern zum Übertragen von optischen Signalen ist es allgemein bekannt, in den Siliciumkern (und für einige Zwecke in die Umhüllung) eines oder mehrere Dotierelemente einzubauen, wie beispielsweise Germanium und Phosphor. Selbstverständlich ist das Erreichen von höchstmöglicher optischer Durchlässigkeit im Faserkern in kritischer Weise wichtig, und während der Herstellung müssen strenge Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, um verunreinigende Stoffe auszuschalten, die eine Neigung zum Herabsetzen der Durchlässigkeit haben. Die Reinheit der Ausgangsmaterialien (z.B. Siliciumtetrachlorid und Germaniumtetrachlorid) muß deshalb sehr hoch sein, und der Herstellprozeß erfordert das Einhalten strenger Reinheitsbedingungen. Es sind hauptsächlich unter den Übergangseleinenten einige Dotierstoffe bekannt, die die Durchlässigkeit herabsetzen, wenn sie in einem bestimmten Valenzzustand vorhanden sind, jedoch nur eine geringe oder keine Auswirkung auf die Durchlässigkeit haben, wenn sie in einem anderen (üblicherweise höheren) Valenzzustand vorhanden sind. Wenn diese Elemente als Dotierstoffe eingesetzt werden, müssen vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, daß die Elemente im höheren Valenzzustand gehalten werden, um irgendwelche nachteilige Auswirkungen auf die Durchlässigkeit zu vermeiden.
- Bei der Übertragung optischer Signale durch optische Fasern werden Abschwächer eingesetzt, um beispielsweise aus unterschiedlichen Quellen stammende optische Signale aneinander anzugleichen oder für den Zweck, das Vorhandensein eines langen Leitungswegs zu simulieren, wenn eine optische Komponente oder ein Netzwerk geeicht bzw. kalibriert wird. Diese Abschwächer umfassen im allgemeinen einen Block aus Glas mit einer absorbierenden Beschichtung darauf. Obwohl sie in der Praxis sehr zufriedenstellend sein können, zeigen sie notwendigerweise beim Einsatz bis zu 4 % Rückreflexion aufgrund der Anwesenheit einer Glas/Luft-Grenzfläche, was aufgrund des in den Laser-Hohlraum zurückreflektierten Lichtes zu erhöhtem Signal/Rausch-Verhältnis des Systems führt. Es kann schwierig sein, einen solchen Abschwächer exakt mit einer gewünschten Abschwächung herzustellen.
- Es wurde nun erkannt, daß man Abschwächer für optische Fasern sehr leistungsfähig machen kann, indem man die bekannten Verfahren zur Faserherstellung modifiziert, um die Anwesenheit von Elementen sicherzustellen, die die Übertragung herabsetzen, wodurch in den so hergestellten Fasern, anstelle daß sie von solchen Elementen soweit wie möglich frei sind, solche Elemente nun absichtlich anwesend sind, um ausreichende und brauchbare Abschwächungseigenschaften zu erreichen.
- Die JP-A-52-67 710 offenbart eine Abschwächungseinrichtung zum Einsatz mit signaltragenden optischen Fasern, wobei die Einrichtung eine Länge aus einer optischen Faser aufweist, bei der ein Kern mit einem Dotierstoff versehen ist, der ein Element mit variabler Valenz aufweist, wodurch der Kern der optischen Faser der Einrichtung eine höhere Abschwächung pro Längeneinheit als die signaltragenden Fasern aufweist, mit denen die Einrichtung einzusetzen beabsichtigt ist, und eine Einrichtung zum optischen Verbinden der entgegengesetzten Enden der Länge der optischen Faser mit signaltragenden optischen Fasern.
- Die vorliegende Erfindung stellt eine Abschwächungseinrichtung gemäß der Definition im vorstehenden Absatz zur Verfügung, wobei die Einrichtung zum Einsatz mit signaltragenden optischen Monomode-Fasern bestimmt ist, die Länge der optischen Faser eine Monomode-Faser ist und das Element mit variabler Valenz aufgedampft und mindestens teilweise in einem niedrigen Valenzzustand vorhanden ist.
- Bevorzugt ist der Kern der Länge der optischen Fasern ein Siliciumkern, und der Dotierstoff enthält Titan, welches wenigstens teilweise in seinem trivalenten Zustand vorliegt. In diesem Fall wird der mit Titan dotierte Nonomode-Silicumdioxidkern mit einem Dampfbeschichtungsverfahren erzeugt, ausgewählt aus Verfahren der chemischen Dampfabscheidung, Außen-Dampfabscheidung und axialer Dampfabscheidung.
- Bevorzugt ist die Länge in einem Gehäuse unter im wesentlichen mechanisch spannungsfreien Bedingungen aufgewickelt.
- Die Abschwächung pro Längeneinheit der optischen Faser der Abschwächungseinrichtung ist bevorzugt mindestens drei und bevorzugter mindestens vier Größenordnungen größer als diejenige der signaltragenden optischen Faser, mit der sie einzusetzen beabsichtigt ist.
- Bevorzugt weist die optische Faser der Einrichtung über ihre Länge eine im wesentlichen einheitliche Abschwächung auf, weil - wenn diese bekannt ist - die optische Faser als vorbestimmte Länge abgeschnitten werden kann, um einen gewünschten Abschwächungswert zu erzeugen.
- Die Verbindungseinrichtung der Einrichtung kann jeweilige optischer Faserenden mit einer Abschwächung pro Längeneinheit der gleichen Größenordnung aufweisen wie die signaltragenden optischen Fasern, mit denen die Einrichtung einzusetzen beabsichtigt ist, wobei diese Enden mit den entgegengesetzten Enden schmelzverbunden sind.
- Als Alternative kann die Verbindungseinrichtung jeweilige optische Faserverbinder aufweisen, die mit den entgegengesetzten Enden der optischen Faser der Einrichtung verbunden sind, und die zur Verbindung mit jeweiligen signaltragenden optischen Fasern eingerichtet sind.
- Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zum Herstellen einer Abschwächungseinrichtung zum Einsatz mit signaltragenden optischen Monomode-Fasern, bei dem man eine optische Faser mit einem dampfbeschichteten Monomode-Siliciumdioxidkern bereitstellt, der mit einem Dotierstoff versehen ist, der ein Element mit variabler Valenz enthält, welches mindestens teilweise in einem niedrigen Valenzzustand vorliegt, wobei der Kern der optischen Faser von höherer Abschwächung pro Längeneinheit ist als die signaltragenden Fasern, mit der die Einrichtung einzusetzen beabsichtigt ist, eine Länge der optischen Faser entsprechend einem gewünschten Abschwächungswert abschneidet und die entgegengesetzten Enden der Länge der optischen Faser mit einer Einrichtung zum optischen Verbinden dieser optischen Faser mit signaltragenden optischen Fasern versieht.
- Die Erfindung umfaßt auch ein optisches Signalübertragungssystem mit einer Abschwächungseinrichtung, die eine Länge einer optischen Monomode-Faser einschließt, die an ihren jeweiligen Enden mit signaltragenden optischen Monomode-Fasern verbunden ist, wobei die Länge der optischen Monomode-Faser einen Kern aufweist, der mit einem Dotierstoff versehen ist, der ein aufgedampftes Element mit variabler Valenz enthält, welches mindestens teilweise in einem niedrigen Valenzzustand vorliegt, wobei bzw. wodurch der Kern der Länge der optischen Monomode-Faser der Einrichtung von höherer Abschwächung pro Längeneinheit ist als die signaltragenden optischen Fasern.
- Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nachfolgend zwei Ausführungen davon beschrieben, die lediglich als Beispiel gedacht sind, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, bei denen die Figuren 1 und 2 jeweils Abschwächungseinrichtungen schematisch darstellen.
- Jede der dargestellten Abschwächungseinrichtungen 10 und 12 in den Figuren 1 bzw. 2 ist so dargestellt, daß sie zwischen zwei signaltragenden optischen Monomode-Fasern 14 verbunden ist, deren Abschwächung in der Größenordnung von 1 dB/Kilometer beträgt, wie es für solche optische Fasern typisch ist. Im Gehäuse 16 einer jeden Einrichtung 10 und 12 ist eine Länge 18 einer optischen Monomode-Faser mit höherer Abschwächung pro Längeneinheit als die optischen Fasern 14 untergebracht. Beispielsweise ist die Abschwächung pro Längeneinheit der Länge 18 mindestens drei und bevorzugter mindestens vier Größenordnungen größer als diejenige der Fasern 14. Bei einem nachfolgend gegebenen speziellen Beispiel einer optischen Faser der Einrichtung beträgt deren Abschwächung 25 dB/Meter.
- Die optische Faser für die Länge 18 weist über ihre gesamte Länge eine im wesentlichen einheitliche Abschwächung auf und erleichtert so das Zerschneiden der Faser in Stücke zum Bereitstellen eines gewünschten Abschwächungswertes. Beispielsweise werden bei den Ausführungsformen die Längen 18 der optischen Faser der Einrichtung von Fasern, die eine bekannte Abschwächung pro Längeneinheit aufweisen (die über ihre gesamte Länge im wesentlichen einheitlich ist), in vorbestimmten Längen abgeschnitten, um gewünschte Werte der Abschwächung zu erzeugen.
- Die Länge 18 der optischen Faser jeder Einrichtung ist in ihrem Gehäuse unter im wesentlichen mechanisch spannungsfreien Bedingungen aufgewickelt, um sicherzustellen, daß ihre Abschwächung stabil ist und nicht aufgrund mechanischer Belastung der Faser altert, entweder beim Einbau der Faser in die Einrichtung oder bei der Wartung. Der Durchmesser der Windungen der aufgewickelten Länge 18 ist deshalb beispielsweise groß genug, daß sich keine wesentliche mechanische Belastung der Faser ergibt, und die Faser ist vom Gehäuse beabstandet. Weiter kann die aufgewickelte Länge der Faser im Gehäuse abgestützt sein, indem sie in ein Material eingebettet ist wie beispielsweise in ein Harz wie Epoxyharz, welches das Gehäuse ausfüllt.
- Jede Einrichtung 10 und 12 umfaßt eine Einrichtung zum optischen Verbinden der entgegengesetzten Enden der Länge 18 der optischen Faser mit den optischen Fasern l4.
- Bei der in Figur 1 gezeigten Einrichtung 10 sind die entgegengesetzten Enden 20, 22 der Länge 18 der optischen Faser mit jeweiligen optischen Faserenden 24, 26 schmelzverbunden, die aus optischen Standardfasern gebildet sind, d.h. aus optischen Fasern mit einer Abschwächung pro Längeneinheit in derselben Größenordnung wie die signaltragenden optischen Fasern 14. Diese Enden 24, 26 werden aus dem Gehäuse 16 durch entsprechende Buchsen 28, 30 darin herausgeführt, so daß ihre freien Enden 32, 34 zum Schmelzverbinden an die signaltragenden optischen Fasern 14 zur Verfügung stehen, wie es mit 36 und 38 angedeutet ist.
- Bei der in Figur 2 gezeigten Einrichtung 12 sind die entgegengesetzten Enden 40, 42 der Länge 18 der optischen Faser dauerhaft oder entfernbar an entsprechende Verbinder 44, 46 für optische Fasern gekoppelt, die mit dem Gehäuse 16 verbunden sind und sich durch dieses hindurch erstrecken. Diese Verbinder sind so eingerichtet, daß sie entweder dauerhaft oder entfernbar an die signaltragenden optischen Fasern angekoppelt werden können, und sind so dargestellt.
- Die optische Faser für die Länge 18 der Einrichtungen 10 und 12 sind so hergestellt, daß als Dotierstoff oder als einer der Dotierstoffe ein Element mit variabler Valenz wie beispielsweise Ti, V, Cr oder Fe verwendet wird, welches aufgedampft ist, wobei die Bedingungen so gewählt werden, daß sichergestellt ist, daß das Element mindestens teilweise in seinem niedrigen, lichtabsorbierenden Valenzzustand vorliegt. Beispielsweise kann der Herstellungsprozeß in herkömmlicher Weise durchgeführt werden, ohne daß eine der üblichen Vorsichtsmaßnahmen zum Verhindern der Anwesenheit des niedrigen Valenzzustandes ergriffen werden, so daß mindestens ein Teil des Dotierstoffs in diesem Zustand vorliegt.
- Zum Herstellen des Dotierstoffs kann das MCVD-Verfahren verwendet werden (d.h. das modifizierte Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung; modified chemical vapour deposition process). Bei diesem Verfahren werden gasförmiges Siliciumtetrachlorid, Sauerstoff und der Dampf einer oder mehrerer Dotierstoff-Verbindungen in ein erhitztes Glasrohr geleitet, wo Pyrolyse stattfindet, und die Elemente (in Oxidform) werden an der Innenwand des Rohrs abgeschieden. Das Rohr wird nachfolgend geschrumpft, um eine Vorform zu erzeugen, die dann zu einer Faser ausgezogen wird. Das abgeschiedene Material bildet den Kern der so erzeugten Faser. Das MCVD-Verfahren kann beispielsweise unter Einsatz von Titantetrachlorid als Dotierstoffdampf durchgeführt werden, und es kann sichergestellt werden, daß im abgeschiedenen Kernmaterial etwas TiIII vorliegt. Dies kann man dadurch erreichen, daß man die Menge des anwesenden Sauerstoffs begrenzt, um sicherzustellen, daß das Titan nicht vollständig oxidiert wird (bei herkömmlichen Verfahren wird die umgekehrte Technik verwendet, d.h. es ist ausreichend Sauerstoff vorhanden um sicherzustellen, daß kein TiIII abgeschieden wird).
- Es können auch andere Verfahren eingesetzt werden. Beispielsweise können die Dotierstoffelemente in die porösen Rußkügelchen eingebracht werden, die mit dem OVD-Verfahren (Außen-Dampfabscheidung; outside vapour deposition) oder mit dem VAD-Verfahren (axiale Dampfabscheidung; vapour axial deposition) erhalten werden. Die Kügelchen können dann in einer geeigneten reduzierenden Atmosphäre verfestigt werden, um sicherzustellen, daß der Dotierstoff in seinem niedrigen Valenzzustand anwesend ist.
- Andere einsetzbare Dotierstoff-Elemente zum Erzeugen von Abschwächung sind beispielsweise TiIII, VIII, CrIII und FeII. Allgemein gilt, daß man den Dotierstoff im Einzelfall so wählt, daß sich bei der abzuschwächenden Wellenlänge, beispielsweise typischerweise 1300 nm und/oder 1550 nm, optimale Lichtschluckung ergibt.
- Das spezielle Beispiel einer optischen Faser zur Verwendung in den Einrichtungen 10 und 12, auf die vorstehend Bezug genommen wurde, wurde wie folgt hergestellt:
- Der Kern einer optischen Monomode-Kern-Mantel-Faser mit einer undotierten Umhüllung wurde mit MCVD hergestellt, wobei Stickstoff durch Titantetrachlorid und Sauerstoff durch Siliciumtetrachlorid geblasen wurde, um die Vorform der Faser herzustellen. Die Sauerstoffzufuhr wurde begrenzt, um im fertigen Faserkern die Anwesenheit signifikanter Mengen an trivalentem Titan sicherzustellen.
- Die entstehende Faser hatte einen mit 2 Gew.-% Titan (ausgedrückt als Dioxid) dotierten Siliciumdioxidkern und eine undotierte Umhüllung aus Siliciumdioxid. Sie wies die folgenden Kenndaten auf:
- Numerische Apertur 0,11
- Kerngröße 8 Micron
- Gesamtdurchmesser 125 Micron
- Wellenlängenkante 1200 nm
- Punktgröße 9,6 Micron
- Abschwächung bei 1300 nm 25 dB/Meter
- Abschwächung bei 1550 nm 20 dB/Meter
- Die Abschwächung pro Längeneinheit war im wesentlichen über die Gesamtlänge der Faser einheitlich und wurde an verschiedenen Punkten entlang der Länge der Faser mit 25,2 ± 0,2 dB/Meter bei 1300 nm gemessen.
- Eine Länge von 0,5 Metern der Faser wurde eine Woche lang in Zyklen auf - 30 ºC abgekühlt und auf + 60 ºC erwärmt, wobei ihre Abschwächung bei 1300 nm nur mit 0,24 % variierte. Eine ähnliche Länge wurde einen Monat lang auf + 70 ºC erwärmt, währenddessen ihre Abschwächung bei 1300 nm nur um 0,4 % variierte. Es ist deshalb anzunehmen, daß die Einrichtungen 10 und 12, die beispielsgemäß hergestellte Längen optischer Fasern aufweisen, bei jäh wechselnden Temperaturbedingungen im wesentlichen stabile Abschwächungseigenschaften haben werden.
- Die optische Faser für die Einrichtungen 10 und 12 kann innerhalb eines weiten Bereichs optischer Eigenschaften hergestellt werden. So ist es möglich, für die Einrichtung eine optische Faser auszuwählen, die in optischer Hinsicht sehr stark an die signaltragenden Fasern angepaßt ist, mit der sie eingesetzt werden soll, und damit kompatibel ist. Die Möglichkeit einer engen Anpassung ist ein sehr wichtiger Vorteil in der Praxis.
- Es ist möglich, die optische Faser für die Einrichtungen 10 und 12 innerhalb eines großen Bereiches der Abschwächung pro Längeneinheit herzustellen. Dies bedeutet, man kann je nach Wunsch Fasern herstellen, die eine sehr große Abschwächung pro Längeneinheit aufweisen, und auch Fasern, die eine mittlere oder kleine Abschwächung aufweisen. In diesem Zusammenhang bedeutet eine niedrige Abschwächung pro Längeneinheit mindestens 1 dB/Meter pro Längeneinheit. Aus dieser Flexibilität entstehen verschiedene Vorteile. Erstens erlaubt es eine hohe Abschwächung pro Längeneinheit, Abschwächungseinrichtungen mit hohem Abschwächungswert aus kurzen Längen der Faser herzustellen, womit Kosten gespart werden. Wo niedrige Abschwächungen benötigt werden, wird normalerweise eine Faser mit kleiner Abschwächung pro Längeneinheit bevorzugt. Wenn sehr genaue Abschwächungswerte notwendig sind, können diese dadurch erreicht werden, daß man eine Faser mit relativ niedriger Abschwächung pro Längeneinheit verwendet und sie sehr genau auf die erforderliche Länge zuschneidet.
Claims (11)
1. Abschwächungseinrichtung (10, 12) zum Einsatz mit
signaltragenden optischen Fasern (14), wobei die Einrichtung eine
Länge (18) aus einer optischen Faser aufweist, bei der ein
Kern mit einem Dotierstoff versehen ist, der ein Element
mit variabler Valenz aufweist, wobei der Kern der optischen
Faser der Einrichtung eine höhere Abschwächung pro
Längeneinheit als die signaltragenden Fasern aufweist, mit denen
die Einrichtung einzusetzen beabsichtigt ist, und eine
Einrichtung (24, 26; 44, 46) zum optischen Verbinden der
entgegengesetzten Enden der Länge aus der optischen Faser
mit signaltragenden optischen Fasern,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung zum Einsatz mit signaltragenden optischen
Monomode-Fasern (14) bestimmt ist, die Länge (18) der
optischen Faser eine Monomode-Faser ist und das Element mit
variabler Valenz aufgedampft und mindestens teilweise in
einem niedrigen Valenzzustand vorhanden ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 zum Einsatz mit signaltragenden
optischen Monomode-Fasern (14), die Siliciumdioxidkerne
aufweisen, wobei der Kern jeder Länge (18) aus der
optischen Faser ein Siliciumdioxidkern ist und der Dotierstoff
Titan enthält, welches mindestens teilweise in seinem
trivalenten Zustand vorliegt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei der mit Titan dotierte
Monomode-Siliciumdioxidkern mit einem
Dampfabscheidungsverfahren hergestellt ist, ausgewählt aus Verfahren der
chemischen Dampfabscheidung, Außen-Dampfabscheidung und
axialer Abscheidung.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Länge (18)
in einem Gehäuse (16) unter im wesentlichen mechanisch
spannungsfreien Bedingungen aufgewickelt ist.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Abschwächung pro Längeneinheit deren optischer Faser
mindestens drei und bevorzugt mindestens vier
Größenordnungen größer ist als diejenige der signaltragenden optischen
Faser, mit der sie einzusetzen beabsichtigt ist.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
deren optische Faser über ihre Länge eine im wesentlichen
einheitliche Abschwächung aufweist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei deren optische Faser
eine bekannte Abschwächung pro Längeneinheit aufweist und
von vorbestimmter Länge ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die
Verbindungseinrichtung jeweilige optische Faserenden (24,
26) mit einer Abschwächung pro Längeneinheit der gleichen
Größenordnung aufweist wie die signaltragenden optischen
Fasern, mit denen die Einrichtung einzusetzen beabsichtigt
ist, wobei diese Enden mit den entgegengesetzten Enden
schmelzverbunden sind.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die
Verbindungseinrichtung jeweilige optische Faserverbinder
(44, 46) aufweist, die mit den entgegengesetzten Enden
verbunden sind und die zur Verbindung mit jeweiligen
signaltragenden optischen Fasern eingerichtet sind.
10. Verfahren zur Herstellung einer Abschwächungseinrichtung
zum Einsatz mit signaltragenden optischen Monomode-Fasern,
bei dem man eine optische Faser mit einem
dampfbeschichteten Monomode-Siliciumdioxidkern bereitstellt, der mit einem
Dotierstoff versehen ist, der ein Element mit variabler
Valenz enthält, welches mindestens teilweise in einem
niedrigen Valenzzustand vorliegt, wobei der Kern der optischen
Faser von höherer Abschwächung pro Längeneinheit ist als
die signaltragenden Fasern, mit der die Einrichtung
einzusetzen beabsichtigt ist, eine Länge der optischen Faser
entsprechend einem gewünschten Abschwächungswert
abschneidet und die entgegengesetzten Enden der Länge der optischen
Faser mit einer Einrichtung zum optischen Verbinden dieser
optischen Faser mit signaltragenden optischen Fasern
versieht.
11. Optisches Signalübertragungssystem mit einer
Abschwächungseinrichtung, die eine Länge einer optischen Monomode-Faser
einschließt, die an ihren jeweiligen Enden mit
signaltragenden optischen Monomode-Fasern verbunden ist, wobei die
Länge der optischen Monomode-Faser einen Kern aufweist, der
mit einem Dotierstoff versehen ist, der ein aufgedampftes
Element mit variabler Valenz enthält, welches mindestens
teilweise in einem niedrigen Valenzzustand vorliegt, wobei
der Kern der Länge der optischen Monomode-Faser der
Einrichtung von höherer Abschwächung pro Längeneinheit ist als
die signaltragenden optischen Fasern.
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