DE602004013238T2

DE602004013238T2 - Multimode-Gradientenfaser und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE602004013238T2
Application number: DE602004013238T
Authority: DE
Inventors: Ning Guan; Katsuhiro Takenaga; Kuniharu Himeno
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2024-09-08
Also published as: EP1515169B1; US7406235B2; CN100552481C; US20050053351A1; EP1515169A1; CN1595213A; DE602004013238D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Es wird die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2003-316513 , eingereicht am 9. September 2003, und der japanischen Patentanmeldung Nr. 2003-342174 , eingereicht am 30. September 2003, beansprucht.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Multimode-Gradientenfasern und ein Herstellungsverfahren dafür. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung Multimode-Gradientenfasern, die eine breite Übertragungsbandbreite in einem Bereich um die Mittenwellenlänge haben, und ein Herstellungsverfahren dafür.
Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Multimode-Gradientenfasern (die hierin nachfolgend "GI-Multimodefasern" genannt werden), die ein Typ von Multimodefaser sind, haben eine große numerische Apertur und sind für Übertragungsleitungen optischer lokaler Netzwerke (LAN) verwendet worden. Angetrieben durch eine Notwendigkeit eines schnelleren optischen LAN, sind Techniken zum genauen Steuern von Brechungsindexprofilen von GI-Multimodefasern verbessert worden.
Jedoch scheint eine weitere Verbesserung bezüglich einer Leistungsfähigkeit von GI-Multimodefasern gegenwärtig nahezu unmöglich zu sein, und ein Wellenlängenmultiplex (WDM) ist erforderlich, um eine Übertragungsbandbreite von GI-Multimodefasern zu erhöhen.
Bei einer herkömmlichen GI-Multimodefaser, die einen Germanium enthaltenden Kern hat, variiert jedoch ein optimales Brechungsindexprofil in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtsignals stark, das sich durch die Faser ausbreitet (siehe z. B. Olshansky, "Propagation in glass optical waveguides", Review of Modern Physics, Vol. 51, No. 2, April 1979). Demgemäß kann deshalb, weil eine Faser mit einem Brechungsindexprofil, das bei einer bestimmten Wellenlänge optimiert ist, eine sehr kleine Übertragungsbandbreite bei anderen Wellenlängen zur Verfügung stellt, sie nicht für ein Wellenlängenmultiplexen (WDM) verwendet werden.
Um eine breite Übertragungsbandbreite zu erreichen und Differenzen bezüglich einer Ausbreitungsgeschwindigkeit zwischen unterschiedlichen Moden zu minimieren, werden GI-Fasern so hergestellt, dass Profile (Brechungsindexprofile) von diesen optischen Fasern ein Gradientenprofil bzw. Stufenprofil haben. Solche GI-Multimodefasern haben eine größere numerische Apertur und sind weit verbreitet bei verschiedenen Anwendungen verwendet worden, wie z. B. den Übertragungsleitungen von optischen LANs.
Im Allgemeinen kann das Brechungsindexprofil von GI-Fasern durch die folgende Formel I definiert werden:
wobei F eine Funktion ist, die die Form des Profils darstellt, "a" ein Kernradius ist, n₁ der Brechungsindex beim Zentrum des Kerns ist und "r" ein Abstand zwi schen irgendeiner gegebenen Position innerhalb des Kerns und dem Zentrum des Kerns ist.
Herkömmliche GI-Fasern sind im Wesentlichen aus Quarzglas hergestellt und sind mit einer Menge von einem oder mehreren Dotierungsmitteln, wie z. B. Germanium (Ge), dotiert. Die Konzentration von dem einen oder den mehreren Dotierungsmitteln, wie z. B. Germanium, wird in der Querschnittsrichtung Variiert.
Wenn ein einziges Dotierungsmittel verwendet wird, kann die Form des Profils F des Dotierungsmittels durch die folgende Formel II definiert werden:
hier ist Δ die relative Brechungsindexdifferenz beim Zentrum des Kerns in Bezug auf den Mantel und ist α ein Exponentialparameter des Brechungsindexprofils.
Da der optimale Wert α_opt, der eine hohe Übertragungsbandbreite liefert, wellenlängenabhängig ist, wird eine maximale Übertragungsbandbreite nur bei einer bestimmten Wellenlänge erhalten. Herkömmliche GI-Fasern, die mit einem einzigen Dotierungsmittel (z. B. Germanium) dotiert sind, sind für eine bestimmte Wellenlänge optimiert, da eine optimale Form des Profils von solchen Fasern in Abhängigkeit von der Wellenlänge variiert.
Profile von herkömmlichen GI-Multimodefasern, die mit einem einzigen Dotierungsmittel, wie z. B. Germanium (Ge), dotiert sind, werden sehr genau gesteuert, und eine weitere Verbesserung bezüglich einer Leistungsfähigkeit scheint gegenwärtig nahezu unmöglich zu sein. In letzter Zeit haben Forderungen nach schnelleren optischen LANs eine Notwendigkeit von Multimodefasern, wie z. B. GI-Fasern, mit einer breiteren Übertragungsbandbreite als bei denjenigen, die gegenwärtig erhältlich sind, erzeugt. Somit ist die Verwendung eines Wellenlängenmultiplexens (WDM) studiert worden.
Da jedoch GI-Multimodefasern, die mit einem einzigen Dotierungsmittel, wie z. B. Germanium (Ge), dotiert sind, für eine bestimmte Wellenlänge optimiert sind, wie es oben angegeben ist, wird die Übertragungsbandbreite von solchen Fasern bei Wellenlängen signifikant klein, die andere als die optimale Wellenlänge sind. Solche Fasern sind daher für ein Wellenlängenmultiplexen nicht geeignet.
US-A-4 664 474 betrifft eine Abbildungsfaser, d. h. eine optische Faser, die zum Transportieren von Bildern entwickelt ist.
Das Dokument mit dem Titel "Dispersion compensating fibre with a high figure an merit of 250ps/nm/dB" ONISHI M et al. (ELECTRONICS LETTERS, IEE STEVENAGE, GB, vol. 30, no. 2, 20. Januar 1994), betrifft eine Dispersionskompensationsfaser, die zum Kompensieren relativer Übertragungsverzögerungen verwendet wird.
Das Dokument mit dem Titel "Comprehensive theory of dispersion in gradedindex optical fibres", YABRE G. (JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, IEEE New York, US, vol. 18, no. 2, 1. Februar 2000), offenbart, dass Fluorin ein alternatives Dotierungsmittel für Bor in optischen Fasern ist, um den Brechungsindex von Quarz zu erniedrigen. Es betrifft insbesondere Multimodefasern mit großen Kernbereichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein beispielhafter Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde angesichts des Obigen gemacht, und ihre Aufgabe besteht im Bereitstellen einer Multimode-Gradientenfaser, die eine maximale Übertragungsbandbreite bei verschiedenen Wellenlängen zur Verfügung stellt und frei von irgendeiner Abhängigkeit von der Wellenlänge des Signallichts ist.
Um die oben angegebenen Probleme zu lösen, stellt der beispielhafte Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Multimode-Gradientenfaser zur Verfügung, die einen Kern, der aus Quarzglas hergestellt ist und einen zentralen Bereich und einen äußeren peripheren Bereich enthält, und einen Mantel, der an einer äußeren Peripherie des Kerns vorgesehen ist, enthält. Der zentrale Bereich des Kerns enthält eines von Germanium und Phosphor und der äußere periphere Bereich des Kerns enthält Fluor.
Die Multimode-Gradientenfaser gemäß dem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber einem Verfahren, das in E. A. J. Marcatili, "Modal dispersion in optical fibers with arbitrary numerical aperture and profile dispersion", The Bell System Technical Journal, Vol. 65, No. 1, S. 44–63, 1977 beschrieben ist, und hat vorzugsweise ein Brechungsindexprofil, das die folgenden Formeln (1)–(4) erfüllt:
wobei n(r) ein Brechungsindex der optischen Faser bei einem Abstand "r" von dem Zentrum des Kerns ist, n₁ ein Brechungsindex bei dem Zentrum des Kerns ist, Δ₁ eine maximale relative Brechungsindexdifferenz von einem von Germanium und Phosphor, das im zentralen Bereich des Kerns enthalten ist, in Bezug auf das reine Quarz ist, Δ₂ eine maximale relative Brechungsindexdifferenz des zentralen Bereichs des Kerns in Bezug auf den Mantel ist, "a" ein Kernradius ist, α₁ ein Brechungsindexprofil-Exponentialparameter von dem einen von Germanium und Phosphor ist, das im zentralen Bereich des Kerns enthalten ist, α₂ ein Brechungsindexprofil-Exponentialparameter von Fluor ist, das im äußeren peripheren Bereich des Kerns enthalten ist, a₀ ein Abstand zwischen dem zentralen und dem äußeren peripheren Bereich des Kerns ist und n₀ ein Brechungsindex von reinem Quarz ist.
In der Multimode-Gradientenfaser gemäß dem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann jeder der Brechungsindexprofil-Exponentialparameter α₁ und α₂ in den Formeln (2) und (3) einen optimalen Wert haben, der die Übertragungsbandbreite bei einem Betriebs-Wellenlängenbereich maximiert.
In der Multimode-Gradientenfaser gemäß dem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann Germanium im zentralen Bereich des Kerns enthalten sein, kann Fluor im äußeren peripheren Bereich des Kerns enthalten sein, kann der Durchmesser des Kerns 50 μm sein, kann der Durchmesser des Mantels 125 μm sein und kann die Übertragungsbandbreite bei Betriebswellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,1 μm größer als 3 GHz·km sein.
In der Multimode-Gradientenfaser gemäß dem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann Germanium im zentralen Bereich des Kerns enthalten sein, kann Fluor im äußeren peripheren Bereich des Kerns enthalten sein, kann der Durchmesser des Kerns 62,5 μm sein, kann der Durchmesser des Mantels 125 μm sein und kann die Übertragungsbandbreite bei Wellenlängen zwischen 0,85 μm und 1,1 μm größer als 2 GHz·km sein.
In der Multimode-Gradientenfaser gemäß dem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann Phosphor im zentralen Bereich des Kerns enthalten sein, kann Fluor im äußeren peripheren Bereich des Kerns enthalten sein, kann der Durchmesser des Kerns 50 μm sein, kann der Durchmesser des Mantels 125 μm sein und kann die Übertragungsbandbreite bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,3 μm größer als 3 GHz·km sein.
In der Multimode-Gradientenfaser gemäß dem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann Phosphor im zentralen Bereich des Kerns enthalten sein, kann Fluor im äußeren peripheren Bereich des Kerns enthalten sein, kann der Durchmesser des Kerns 62,5 μm sein, kann der Durchmesser des Mantels 125 μm sein und kann die Übertragungsbandbreite bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,2 μm größer als 2 GHz·km sein.
In der Multimode-Gradientenfaser gemäß dem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann Phosphor im zentralen Bereich des Kerns enthalten sein, kann Fluor im äußeren peripheren Bereich des Kerns enthalten sein und kann ein Übertragungsverlust bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,3 μm 2 dB/km oder darunter sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Ansprüche und die begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden, welche nicht gelesen werden sollten, um die Erfindung auf irgendeine Weise zu beschränken, wobei:
1 eine Kurve ist, die ein Brechungsindexprofil einer Faser darstellt, die mit unterschiedlichen Dotierungsmitteln in zwei unterschiedlichen Bereichen dotiert ist;
2 eine Kurve ist, die die Wellenlängenabhängigkeit der optimalen Werte α_opt der Brechungsindexprofil-Exponentialparameter α in den Formeln (1)–(4) darstellt, die Brechungsindexprofile von drei GI-Multimodefasern definieren, die jeweils einen Kern haben, der jeweils mit Germanium oder Phosphor oder Fluor dotiert ist.
3 eine Kurve ist, die die Wellenlängenabhängigkeit einer Übertragungsbandbreite von GI-Multimodefasern darstellt;
4 eine Kurve ist, die Profile einer relativen Brechungsindexdifferenz Δ bei dem Kern darstellt, wenn das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out verändert wird;
5 eine Kurve ist, die Profile einer relativen Brechungsindexdifferenz Δ bei dem Kern darstellt, wenn das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out verändert wird;
6 eine Kurve ist, die Profile einer relativen Brechungsindexdifferenz Δ beim Kern darstellt, wenn das Verhältnis Von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out verändert wird;
7 eine Kurve ist, die Profile einer relativen Brechungsindexdifferenz Δ beim Kern darstellt, wenn das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out verändert wird;
8 eine Kurve ist, die Profile einer relativen Brechungsindexdifferenz Δ beim Kern darstellt, wenn das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out verändert wird;
9 eine Kurve ist, die die Wellenlängenabhängigkeit einer Übertragungsbandbreite von GI-Multimodefasern darstellt;
10 eine Kurve ist, die Profile einer relativen Brechungsindexdifferenz Δ beim Kern darstellt, wenn sich das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out ändert;
11 eine Kurve ist, die Profile einer relativen Brechungsindexdifferenz Δ beim Kern darstellt, wenn sich das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out ändert;
12 eine Kurve ist, die Profile einer relativen Brechungsindexdifferenz Δ beim Kern darstellt, wenn sich das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out ändert;
13 eine Kurve ist, die Profile einer relativen Brechungsindexdifferenz Δ beim Kern darstellt, wenn sich das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out ändert;
14 eine Kurve ist, die Profile einer relativen Brechungsindexdifferenz Δ beim Kern darstellt, wenn sich das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out ändert;
15 eine Kurve ist, die die Wellenlängenabhängigkeit einer Übertragungsbandbreite von GI-Multimodefasern darstellt;
16 eine Kurve ist, die die Wellenlängenabhängigkeit einer Übertragungsbandbreite von GI-Multimodefasern darstellt; und
17 eine schematische Querschnittsansicht ist, die ein Beispiel der GI-Multimodefaser gemäß einem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Beispielhaftes Ausführungsbeispiel
Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun detailliert beschrieben werden.
17 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer GI-Multimodefaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass diese Figur die tatsächliche Dimension der GI-Multimodefasern des ersten beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. Die GI-Multimodefaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine optische Faser mit einem Kern 12, der aus Quarzglas hergestellt ist, das entweder Germanium (Ge) oder Phosphor (P) in einem zentralen Bereich 16 enthält und das Fluor (F) in einem äußeren peripheren Bereich 18 enthält, und einem Mantel 20, der den Kern 12 konzentrisch umgebend vorgesehen ist.
Der zentrale Bereich 16 des Kerns 12 ist ein innerer Bereich des Kerns 12, der das Zentrum des Kerns 14 konzentrisch umgibt. Der zentrale Bereich 16 enthält entweder Germanium oder Phosphor und erstreckt sich radial von dem Zentrum des Kerns bis zu etwa 70% des Kernradius. Der äußere periphere Bereich 18 des Kerns 12 ist das übrige des Kerns 12, das den zentralen Bereich 16 konzentrisch umgibt.
Zusätzlich ist die GI-Multimodefaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine optische Faser, die ein Brechungsindexprofil hat, das die folgenden Formeln (1)–(4) erfüllt:
wobei n(r) ein Brechungsindex der optischen Faser 10 bei einem Abstand "r" vom Zentrum des Kerns 14 ist, n₁ ein Brechungsindex beim Zentrum des Kerns 14 ist, Δ eine maximale relative Brechungsindexdifferenz des Kerns 12 in Bezug auf den Mantel 20 ist, "a" ein Kernradius ist, α₁ ein Brechungsindexprofil-Exponentialparameter von dem einen von Germanium und Phosphor ist, das in dem zentralen Bereich des Kerns enthalten ist, α₂ ein Brechungsindexprofil-Exponentialparameter von Fluor ist, das in dem äußeren peripheren Bereich des Kerns enthalten ist, a₀ ein Abstand zwischen dem zentralen und dem äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 ist und n₀ ein Brechungsindex von reinem Quarz ist.
Während die Brechungsindexprofil-Exponentialparameter α (d. h. α₁ und α₂) auf Werte eingestellt werden, die eine maximale Übertragungsbandbreite bei einer erwünschten Wellenlänge zur Verfügung stellen, variieren die optimalen Werte α_opt von α₁ und α₂ in Abhängigkeit von dem Dotierungsmittel (z. B. Germanium, Phosphor, Fluor), das Quarzglas dotiert ist.
Das Brechungsindexprofil einer GI-Multimodefaser 10 der vorliegenden Erfindung, das durch die Formeln (1)–(4) dargestellt ist, ist so geformt, dass dann, wenn das Brechungsindexprofil beim Zentrum des Kerns 14 am höchsten ist, es mit größer werdendem Abstand vom Zentrum nach und nach kleiner wird. Daher läuft Signallicht, das sich durch die GI-Multimodefaser 10 in einem Mode niedriger Ordnung ausbreitet, über eine kürzere Entfernung, aber mit einer niedrigeren Rate bzw. Geschwindigkeit. Gegensätzlich dazu läuft Signallicht, das sich in einem Mode höherer Ordnung ausbreitet, über eine längere Entfernung, aber mit einer höheren Rate nahe der Grenze zwischen dem Kern 12 und dem Mantel 20, wo der Brechungsindex kleiner ist.
Demgemäß kann durch Ändern des Werts von α, der die Form des Profils bestimmt, die Differenz bezüglich einer Ankunftszeit, bis Lichtsignale bei verschiedenen Moden, die sich durch die GI-Multimodefaser 10 ausbreiten, den Ausgangsanschluss erreichen, minimiert werden. Unter dem geeignet ausgewählten α wird die Modendispersion das theoretische Minimum, was die maximale Übertragungsbandbreite bei der Wellenlänge von Signallicht zur Verfügung stellt. Andererseits ändert sich der optimale Wert α_opt von α in Abhängigkeit von der verwendeten Wellenlänge. Weiterhin wird diese Änderung durch das eine oder die mehreren Dotierungsmittel beeinflusst, die in den Kern 12 dotiert sind, und die Konzentration von dem einen oder den mehreren Dotierungsmitteln.
Gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die optimalen Werte des Brechungsindexprofil-Exponentialparameters α₁ von Germanium oder Phosphor, das im zentralen Bereich 16 des Kerns 12 enthalten ist, und des Brechungsindexprofil-Exponentialparameters α₂ von Fluor, das in dem äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 enthalten ist, jeweils so gesteuert werden, dass eine Übertragungsbandbreite bei einem Betriebswellenlängenbereich maximiert wird, und zwar ungeachtet von tatsächlichen Werten davon. Somit bestimmen die Brechungsindexprofil-Exponentialparameter α₁ und α₂ jeweils Brechungsindexprofile von dem zentralen und dem äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 jeweils so, wie es in 1 gezeigt ist, und zwar ungeachtet von tatsächlichen Werten davon.
Die maximale relative Brechungsindexdifferenz Δ_in des zentralen Bereichs 16 (r < a₀) des Kerns 12 in Bezug auf den Mantel 20 aufgrund des Dotierungsmittels, das im zentralen Bereich 16 des Kerns 12 enthalten ist (Germanium oder Phosphor), wird durch die folgende Formel (6) ausgedrückt, und die maximale relative Brechungsindexdifferenz Δ_out des äußeren peripheren Bereichs 18 des Kerns 12 (r > a₀) in Bezug auf den Mantel 20 aufgrund des Dotierungsmittels, das im äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 enthalten ist (z. B. Fluor), wird durch die folgende Formel (7) ausgedrückt:
wobei n₁ und n₂ eine Beziehung haben, die durch die folgende Formel (8) definiert ist: n22 = n21 [1 – 2Δ2] (8)
Demgemäß kann die maximale relative Brechungsindexdifferenz Δ₂ des gesamten Kerns 12 in Bezug auf den Mantel 20 durch die folgende Formel (9) definiert werden: Δ2 = Δm + Δout – 2ΔinΔout (9)
Unter einem Brechungsindexprofil, das alle der Formeln (1)–(4) und (6)–(9) erfüllt, wird eine maximale Übertragungsbandbreite erhalten, wenn beide der Brechungsindexprofil-Exponentialparameter α₁ und α₂ jeweils optimiert sind. Der optimale Wert von α₁ ist ein Wert von α, der eine maximale Übertragungsbandbreite zur Verfügung stellt, wenn angenommen wird, dass nur das im zentralen Bereich des Kerns enthaltene Dotierungsmittel zu dem Indexprofil der Ordnung α beiträgt, d. h. dem durch die Formeln (1)–(4) definierten Brechungsindexprofil. Der optimale Wert von α₂ ist ein Wert von α, der eine maximale Übertragungsbandbreite zur Verfügung stellt, wenn angenommen wird, dass nur das in dem äußeren peripheren Bereich des Kerns enthaltene Dotierungsmittel zu dem Indexprofil der Ordnung α beiträgt.
2 ist eine Kurve, die die Wellenlängenabhängigkeit der optimalen Werte α_opt der Brechungsindexprofil-Exponentialparameter α von GI-Multimodefasern mit einer maximalen relativen Brechungsindexdifferenz des Kerns in Bezug auf den Mantel Δ₂ von 0,01 in den Formeln (1)–(4) darstellt, die Brechungsindexprofile von drei GI-Multimodefasern definieren, die jeweils einen Kern 12 haben, der jeweils mit Germanium, Phosphor oder Fluor dotiert ist.
Während Germanium und Phosphor den Brechungsindex erhöhen, reduziert Fluor denselben. Weiterhin zeigt 2 an, dass der optimale Wert α_opt am meisten bei einer Änderung bezüglich einer Wellenlänge in der GI-Multimodefaser 10 abweicht, die einen Kern 12 enthält, der Germanium enthält, was die größte Wellenlängenabhängigkeit einer Übertragungsbandbreite zeigt.
2 zeigt auch, dass die Änderung bezüglich des optimalen Werts α_opt bei einer Wellenlänge in den GI-Multimodefasern kleiner ist, die einen Kern 12 haben, der Phosphor oder Fluor enthält, als bei denjenigen, die einen Kern 12 haben, der Germanium enthält. Daher ist die Wellenlängenabhängigkeit einer Übertragungsbandbreite in diesen GI-Multimodefasern kleiner.
Weiterhin kann ein Wellenlängenbereich, der eine große Übertragungsbandbreite zeigt, durch Dotieren von Germanium und Fluor oder Phosphor und Fluor in die GI-Multimodefaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weiter erweitert werden.
Eine Herstellung von Fasern durch gleichzeitiges Dotieren von mehreren Dotierungsmitteln in den Kern 12 bei einer Herstellung ist jedoch schwierig. Zusätzlich kann beim Herstellen von GI-Multimodefasern mit dem MCVD-(modifizierte chemische Plasma-Dampfablagerung)-Verfahren eine große maximale relative Brechungsindexdifferenz Δ durch Dotieren von nur Fluor nicht erhalten werden.
Demgemäß kann durch Dotieren von entweder Germanium oder Phosphor in einen zentralen Bereich 16 eines Kerns 12 einer Multimode-Gradientenfaser 10 und Fluor in einen äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 eine größere maximale relative Brechungsindexdifferenz Δ₂ bei dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegen Erfindung erhalten werden, als bei GI-Multimodefasern, die durch Dotieren von nur einem einzigen Dotierungsmittel erhalten sind.
Wie es in 2 gezeigt ist, wird ein optimaler Wert α_opt von Germanium oder Phosphor allgemein monoton kleiner mit einer Erhöhung bezüglich einer Wel lenlänge, während ein optimaler Wert α_opt von Fluor mit einer Erhöhung bezüglich einer Wellenlänge allgemein monoton ansteigt. Daher kann eine GI-Multimodefaser, die eine breite Übertragungsbandbreite in einem breiten Wellenlängenbereich zeigt, durch Dotieren von diesen Dotierungsmitteln in einem geeigneten Verhältnis erhalten werden.
Eine GI-Multimodefaser 10, die mit Germanium in einen zentralen Bereich 16 des Kerns 12 dotiert ist und mit Fluor in einen äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 dotiert ist, wird als Beispiel beschrieben werden.
Es wird angenommen, dass sowohl ein Brechungsindexprofil-Exponentialparameter α₁ von Germanium, das im zentralen Bereich 16 des Kerns 12 enthalten ist, als auch ein Brechungsindexprofil-Exponentialparameter α₂ von Fluor, das in einem äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 enthalten ist, für eine Wellenlänge von 0,85 μm in dieser GI-Multimodefaser 10 optimiert sind. Die GI-Multimodefaser 10 hat eine maximale Übertragungsbandbreite bei einer Wellenlänge von 0,85 μm, da die Faser 10 für diese Wellenlänge optimiert ist.
Bei Wellenlängen, die länger als 0,85 μm sind, neigen Moden höherer Ordnung dazu, sich langsamer auszubreiten, als Moden niedrigerer Ordnung, da der Brechungsindexprofil-Exponentialparameter α₁ größer als sein optimaler Wert wird. Gegensätzlich dazu würden Moden höherer Ordnung auch dazu neigen, sich schneller als Moden niedrigerer Ordnung auszubreiten, da der Brechungsindexprofil-Exponentialparameter α₁ größer als sein optimaler Wert wird. Somit wird die breite Übertragungsbandbreite bei Wellenlängen beibehalten, die länger als 0,85 μm sind, da die zwei Effekte sich einander aufheben.
In der Multimode-Gradientenfaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird dann, wenn Germanium im zentralen Bereich 16 eines Kerns 12 enthalten ist, Fluor im äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 enthalten ist, der Durchmesser des Kerns 12 50 μm ist und der Durchmesser des Mantels 20 125 μm ist, die Übertragungsbandbreite bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,1 μm größer als 3 GHz·km. Eine Übertragungsbandbreite ist als Produkt einer möglichen Übertragungsrate und einer Länge einer optischen Faser definiert, was die Übertragungskapazität der optischen Faser darstellt.
Daher hat die GI-Multimodefaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine hohe Übertragungsrate bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,1 μm. Somit ist die Faser 10 für eine Wellenlängenmultiplexübertragung geeignet.
Wenn Germanium im zentralen Bereich 16 eines Kerns 12 enthalten ist, Fluor im äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 enthalten ist, der Durchmesser des Kerns 12 62,5 μm ist und der Durchmesser des Mantels 20 125 μm ist, und zwar in der Multimode-Gradientenfaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wird die Übertragungsbandbreite bei Wellenlängen zwischen 0,85 μm und 1,1 μm größer als 2 GHz·km.
Daher hat die GI-Multimodefaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine hohe Übertragungsrate bei Wellenlängen zwischen 0,85 μm und 1,1 μm. Somit ist die Faser 10 für eine Wellenlängenmultiplexübertragung geeignet.
Wenn in der Multimode-Gradientenfaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Phosphor im zentralen Bereich 16 eines Kerns 12 enthalten ist, Fluor im äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 enthalten ist, der Durchmesser des Kerns 12 50 μm ist und der Durchmesser des Mantels 20 125 μm ist, wird die Übertragungsbandbreite bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,3 μm größer als 3 GHz·km.
Daher hat die GI-Multimodefaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine hohe Übertragungsrate bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,3 μm. Somit ist die Faser 10 für eine Wellenlängenmultiplexübertragung geeignet.
Wenn in der Multimode-Gradientenfaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Phosphor im zentralen Bereich 16 eines Kerns 12 enthalten ist, Fluor im äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 enthalten ist, der Durchmesser des Kerns 12 62,5 μm ist und der Durchmesser des Mantels 20 125 μm ist, wird die Übertragungsbandbreite bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,2 μm größer als 2 GHz·km.
Daher hat die GI-Multimodefaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine hohe Übertragungsrate bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,2 μm. Somit ist die Faser 10 für eine Wellenlängenmultiplexübertragung geeignet.
Wenn in der GI-Multimodefaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Phosphor im zentralen Bereich 16 des Kerns 12 enthalten ist und Fluor im äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 enthalten ist, wird ein Übertragungsverlust bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,3 μm 2 dB/km oder weniger.
Daher hat die GI-Multimodefaser 10 gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine hohe Übertragungsrate bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,3 μm. Somit ist die Faser 10 für eine Wellenlängenmultiplexübertragung geeignet.
Eine Herstellung einer GI-Multimodefaser 10 des beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben werden.
Eine Vorform der GI-Multimodefaser 10 des beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung eines PCVD-(chemische Dampfabscheidung im Plasma)- oder MCVD-(modifizierte Dampfabscheidung im Plasma)-Verfahrens durch Dotieren der zwei Dotierungsmittel in den äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 und dann in den zentralen Bereich 16 des Kerns 12 und durch genaues Steuern der Menge der Dotierungsmittel, so dass ein erwünschtes Brechungsindexprofil erhalten wird, hergestellt. Eine GI-Multimodefaser 10 wird durch Ziehen der erhaltenen Vorform unter Bedingungen hoher Temperatur ausgebildet.
Das beispielhafte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Verwendung von Beispielen detaillierter beschrieben werden. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung auf die beschriebenen Beispiele beschränkt wird.
Beispiel 1
Es sind GI-Multimodefasern 10 hergestellt, die einen aus Quarzglas hergestellten Kern 12, der Germanium in einem zentralen Bereich 16 enthält und der Fluor in einem äußeren peripheren Bereich 18 enthält, und einen aus Quarzglas hergestellten Mantel 20, der den Kern 12 konzentrisch umgibt, enthalten.
Die GI-Multimodefasern 10 sind bei einer Wellenlänge von 0,85 μm optimiert, und die relative Brechungsindexdifferenz Δ der Faser in Bezug auf den Mantel 20 bei dem Zentrum des Kerns 14 ist auf 0,01 eingestellt. Weiterhin ist der Durchmesser des Kerns 12 auf 50 μm eingestellt (Kernradius "a" von 25 μm), und ist der Durchmesser des Mantels 20 auf 125 μm eingestellt.
Δ ist eingestellt, um Δ_Ge + Δ_F zu sein, während sich das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out ändert.
Die Wellenlängenabhängigkeit einer Übertragungsbandbreite der resultierenden GI-Multimodefasern 10 wird untersucht, und die Ergebnisse sind in 3 gezeigt.
Die in 3 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass die GI-Multimodefasern 10 mit einem Kern 12, der Germanium im zentralen Bereich 16 enthält und der Fluor im äußeren peripheren Bereich 18 enthält, eine große Übertragungsbandbreite in einem breiteren Wellenlängenbereich als die GI-Multimodefasern haben, die einen Kern 12 enthalten, der nur Germanium enthält. Weiterhin kann eine optische Faser mit einer breiten Übertragungsbandbreite durch Erhöhen der Menge von Fluor erhalten werden, da der optimale Wert α_opt des Brechungsindexprofil-Exponentialparameters α von Fluor eine geringere Abhängigkeit von einer Wellenlänge zeigt.
Die 4–8 zeigen relative Brechungsindexdifferenzprofile der Kerne 12, wenn das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out variiert wird. Die 4–8 zeigen relative Brechungsindexdifferenzprofile mit jeweils Δ_Ge/Δ_F von 0,001/0,009, 0,002/0,008, 0,003/0,007, 0,004/0,006 und 0,005/0,005.
Beispiel 2
Es sind GI-Multimodefasern 10 hergestellt, die einen aus Quarzglas hergestellten Kern 12, der Germanium in einem zentralen Bereich 16 enthält und der Fluor in einem äußeren peripheren Bereich 18 enthält, und einen aus Quarzglas hergestellten Mantel 20, der den Kern 12 konzentrisch umgibt, enthalten.
Die GI-Multimodefasern 10 sind bei einer Wellenlänge von 0,85 μm optimiert und die relative Brechungsindexdifferenz Δ der Faser 10 in Bezug auf den Mantel 20 bei dem Zentrum des Kerns 14 ist auf 0,02 eingestellt. Der Kerndurchmesser ist auf 62,5 μm eingestellt (ein Kernradius "a" von 31,25 μm), und der Durchmesser des Mantels 20 wurde auf 125 μm eingestellt.
Δ ist eingestellt, um Δ_Ge + Δ_F zu sein, während sich das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out ändert.
Die Wellenlängenabhängigkeit einer Übertragungsbandbreite der resultierenden GI-Multimodefasern 10 wird untersucht, und die Ergebnisse sind in 9 gezeigt.
Die in 9 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass die GI-Multimodefasern 10 mit einem Kern 12, der Germanium im zentralen Bereich 16 enthält und der Fluor im äußeren peripheren Bereich 18 enthält, eine große Übertragungsbandbreite in einem breiteren Wellenlängenbereich als die GI-Multimodefasern haben, die einen Kern 12 enthalten, der nur Germanium enthält. Weiterhin zeigt die Faser mit Δ_Ge von 0,004 und Δ_F von 0,016 die beste Leistungsfähigkeit.
Die 10–14 zeigen relative Brechungsindexdifferenzprofile der Kerne 12, wenn das Verhältnis von Δ_Ge = Δ_in zu Δ_F = Δ_out variiert wird. Die 10–14 zeigen relative Brechungsindexdifferenzprofile mit jeweils Δ_Ge/Δ_F von 0,002/0,018, 0,004/0,016, 0,006/0,014, 0,008/0,012 bzw. 0,010/0,010.
Beispiel 3
Es sind GI-Multimodefasern 10 hergestellt, die einen aus Quarzglas hergestellten Kern 12, der Phosphor in einem zentralen Bereich 16 enthält und der Fluor in einem äußeren peripheren Bereich 18 enthält, und einen aus Quarzglas hergestellten Mantel 20, der den Kern 12 konzentrisch umgibt, enthalten.
Die GI-Multimodefasern 10 sind bei einer Wellenlängen von 0,85 μm optimiert und die relative Brechungsindexdifferenz Δ der Faser in Bezug auf den Mantel 20 bei dem Zentrum des Kerns 14 ist auf 0,01 eingestellt. Weiterhin ist der Durchmesser des Kerns 12 auf 50 μm eingestellt (Kernradius "a" von 25 μm), und ist der Durchmesser des Mantels 20 auf 125 μm.
Δ ist eingestellt, um Δ_P + Δ_F zu sein, während sich das Verhältnis von Δ_P = Δ_in zu Δ_F = Δ_out ändert.
Die Wellenlängenabhängigkeit einer Übertragungsbandbreite der resultierenden GI-Multimodefasern 10 wird untersucht, und die Ergebnisse sind in 15 gezeigt.
Die in 15 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass die GI-Multimodefasern mit einem Kern 12, der mit Phosphor und Fluor dotiert ist, eine große Übertragungsbandbreite in einem breiteren Wellenlängenbereich als die GI-Multimodefasern haben, die einen Kern 12 enthalten, der in jedem Fall mit Phosphor dotiert ist. Weiterhin zeigt die Faser mit Δ_P von 0,002 und Δ_F von 0,008 die beste Leistungsfähigkeit.
Weiterhin reduziert ein Dotieren von geringen Mengen von Phosphor in einem Kern 12 den Rayleigh-Streuindex, was insbesondere bei kurzen Wellenlängen effektiv ist. Zusätzlich hat der zentrale Bereich 16 des Kerns 12 eine niedrige Schmelzviskosität, da er aus Quarzglas hergestellt ist, das Phosphor enthält. Daher können Faser-Vorformen schnell durch die PCVD- oder MCVD-Verfahren hergestellt werden, da poröse Vorformen einfach zerbrechen können.
Beispiel 4
Es sind GI-Multimodefasern 10 hergestellt, die einen aus Quarzglas hergestellten Kern 12, der Phosphor in einem zentralen Bereich 16 enthält und der Fluor in einem äußeren peripheren Bereich 18 enthält, und einen aus Quarzglas hergestellten Mantel 20, der den Kern 12 konzentrisch umgibt, enthalten.
Die GI-Multimodefasern 10 sind bei einer Wellenlänge von 0,85 μm optimiert und die relative Brechungsindexdifferenz Δ der Faser 10 in Bezug auf den Mantel 20 bei dem Zentrum des Kerns 14 ist auf 0,02 eingestellt. Der Kerndurchmesser ist auf 62,5 μm eingestellt (ein Kernradius "a" von 31,25 μm), und der Durchmesser des Mantels 20 ist auf 125 μm eingestellt.
Δ ist eingestellt, um Δ_P + Δ_F zu sein, während sich das Verhältnis von Δ_P = Δ_in zu Δ_F = Δ_out ändert.
Die Wellenlängenabhängigkeit einer Übertragungsbandbreite der resultierenden GI-Multimodefasern 10 wird untersucht, und die Ergebnisse sind in 16 gezeigt.
Die in 16 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass die GI-Multimodefasern mit einem Kern 12, der Phosphor im zentralen Bereich 16 enthält und der Fluor im äußeren peripheren Bereich 18 enthält, eine große Übertragungsbandbreite in einem breiteren Wellenlängenbereich als bei die GI-Multimodefasern mit einem Kern 12, der nur Phosphor enthält, haben.
Da die Multimode-Gradientenfaser gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung entweder Germanium oder Phosphor im zentralen Bereich 16 des Kerns 12 enthält und Fluor im äußeren peripheren Bereich 18 des Kerns 12 enthält, ist die GI-Multimodefaser eine optische Faser, die eine große Übertragungsbandbreite in einem breiten Wellenlängenbereich hat. Somit ist die Faser 10 für eine Wellenlängenmultiplexübertragung geeignet.
Weiterhin kann deshalb, weil die Multimode-Gradientenfaser gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Dotierungsmittel in zwei unterschiedlichen Bereichen des Kerns 12 enthält, ein Konzentrationsprofil der Dotierungsmittel und ein Brechungsindexprofil des Kerns 12 auf einfache Weise gesteuert werden. Ein Herstellen von solchen Fa sern ist daher einfacher als dasjenige von Fasern, die zwei Arten von Dotierungsmitteln in demselben Bereich eines Kerns 12 enthalten.
GI-Multimodefasern gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können bei Wellenlängen von 0,85 μm oder darunter verwendet werden.

Claims

Multimode-Gradientenfaser (10), die folgendes aufweist: einen Kern (12), der aus Quarzglas hergestellt ist, wobei der Kern (12) einen zentralen Bereich (16) und einen äußeren peripheren Bereich (18) aufweist; und einen Mantel (20), der an einer äußeren Peripherie des Kerns (12) vorgesehen ist, wobei entweder Germanium oder Phosphor im zentralen Bereich (16) des Kerns enthalten ist und Fluor im äußeren peripheren Bereich (18) des Kerns enthalten ist, und wobei die Multimode-Gradientenfaser (10) ein Brechungsindexprofil hat, das die folgenden Formeln (1) bis (4) erfüllt:
wobei n(r) ein Brechungsindex der optischen Faser bei einem Abstand "r" vom Zentrum des Kerns (14) ist, n₁ ein Brechungsindex beim Zentrum des Kerns (14) ist, Δ₁ eine maximale relative Brechungsindexdifferenz von Germanium oder Phosphor, das im zentralen Bereich des Kerns enthalten ist, in Bezug auf das reine Quarz ist, Δ₂ eine maximale relative Brechungsindexdifferenz des zentralen Kerns in Bezug auf den Mantel ist, "a" ein Kernradius ist und α₁ ein Brechungsindexprofil-Exponentialparameter von Germanium oder Phosphor ist, das im zentralen Bereich (16) des Kerns enthalten ist, α₂ ein Brechungsindexprofil-Exponentialparameter von Fluor ist, das im äußeren peripheren Bereich (18) des Kerns enthalten ist, a₀ ein Abstand zwischen dem zentralen und dem äußeren peripheren Bereich (16, 18) des Kerns ist und n₀ ein Brechungsindex von reinem Quarz ist, und wobei n(a₀) = n₀, wobei die Multimode-Gradientenfaser (10) dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Wert von α₁ derart bestimmt wird, dass eine maximale Übertragungsbandbreite für die Wellenlänge 0,85 μm zur Verfügung gestellt wird, wenn nur das im zentralen Bereich des Kerns enthaltene Dotierungsmittel zum Brechungsindexprofil beiträgt, und zwar für einen gegebenen Wert von dem Δ₂, und ein Wert von α₂ derart bestimmt wird, dass eine maximale Übertragungsbandbreite für die Wellenlänge 0,85 μm zur Verfügung gestellt wird, wenn nur das im äußeren peripheren Bereich des Kerns enthaltene Dotierungsmittel zum Brechungsindexprofil beiträgt, und zwar für den gegebenen Wert von dem Δ₂, und dass ein Verhältnis der Dotierungsmittel jeweils im zentralen Bereich des Kerns und im äußeren peripheren Bereich des Kerns derart gewählt wird, dass die Übertragungsbandbreite der Multimode-Gradientenfaser innerhalb eines Betriebswellenlängenbereichs maximiert ist.
Multimode-Gradientenfaser nach Anspruch 1, wobei das Dotierungsmittel des zentralen Bereichs des Kerns Germanium ist.
Multimode-Gradientenfaser nach Anspruch 2, wobei der Durchmesser des Kerns (12) 50 μm ist und der Durchmesser des Mantels (20) 125 μm ist.
Multimode-Gradientenfaser nach Anspruch 2 oder 3, wobei Δ₁ im Wesentlichen 0,001 oder 0,002 ist und Δ₂ im Wesentlichen 0,01 ist.
Multimode-Gradientenfaser nach Anspruch 3 und 4, wobei die Übertragungsbandbreite bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,1 μm größer als 3 GHz·km ist.
Multimode-Gradientenfaser nach Anspruch 2, wobei der Durchmesser des Kerns (12) 62,5 μm ist und der Durchmesser des Mantels (20) 125 μm ist.
Multimode-Gradientenfaser nach Anspruch 2 oder 6, wobei Δ₁ im Wesentlichen 0,002 oder 0,004 ist und Δ₂ im Wesentlichen 0,02 ist.
Multimode-Gradientenfaser nach den Ansprüchen 6 und 7, wobei die Übertragungsbandbreite bei Wellenlängen zwischen 0,85 μm und 1,1 μm größer als 2 GHz·km ist.
Multimode-Gradientenfaser nach Anspruch 1, wobei das Dotierungsmittel des zentralen Bereichs des Kerns Phosphor ist.
Multimode-Gradientenfaser nach Anspruch 9, wobei der Durchmesser des Kerns (12) 50 μm ist und der Durchmesser des Mantels (20) 125 μm ist.
Multimode-Gradientenfaser nach Anspruch 9 oder 10, wobei Δ₁ im Wesentlichen 0,002 oder 0,004 ist und Δ₂ im Wesentlichen 0,01 ist.
Multimode-Gradientenfaser nach den Ansprüchen 10 und 11, wobei die Übertragungsbandbreite bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,3 μm größer als 3 GHz·km ist.
Multimode-Gradientenfaser nach Anspruch 9, wobei der Durchmesser des Kerns (12) 62,5 μm ist und der Durchmesser des Mantels (20) 125 μm ist.
Multimode-Gradientenfaser nach Anspruch 9 oder 13, wobei Δ₁ im Wesentlichen 0,004 oder 0,008 ist und Δ₂ im Wesentlichen 0,02 ist.
Multimode-Gradientenfaser nach den Ansprüchen 13 und 14, wobei die Übertragungsbandbreite bei Wellenlängen zwischen 0,8 μm und 1,2 μm größer als 2 GHz·km ist.