DE68912374T2

DE68912374T2 - Bewegungsunempfindliche Monomodenfaser zur Benutzung der Anwendung von faseroptischen Leitungen.

Info

Publication number: DE68912374T2
Application number: DE89104889T
Authority: DE
Inventors: James H Bowen; Roger Charlton; Leslie B Hodges
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel Lucent NV
Priority date: 1988-03-23
Filing date: 1989-03-18
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-03-19
Also published as: ES2049768T3; EP0334247A2; EP0334247B1; EP0334247A3; AU3104889A; US4838643A; DE68912374D1; AU613455B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Erfindungsgebiet

Diese Erfindung betrifft optische Monomode-Fasern und insbesondere solche optischen Fasern, die bei Biegungen um kleine Radien einen reduzierten Verlust aufweisen.

Stand der Technik

Optische Monomode-Fasern wurden seit 1980 für das Fernmeldewesen entwickelt und verwendet. Optische Monomode-Fasern bieten eine geringe Dämpfung und eine geringe Dispersion bei beiden typischen Betriebswellenlängen, nämlich 1,3 µm und 1,55 µm. Das durch die Biegung verursachte Dämpfungsverhalten der entwickelten Ausführungen wurde zugunsten einer optimalen Nutzung in einer Vielzahl von Kabelstrukturen, die in erster Linie für einen linearen Einsatz vorgesehen sind, nicht optimiert.
Es ist jedoch beobachtet worden, daß dramatische Dämpfungserhöhungen auftreten, sobald solche Fasern wenigen Biegungen mit kleinem Radius unterworfen werden. Wenn solche Fasern unter Zugspannung auf Zylinder oder Spulen aufgewickelt werden, weisen sie außerdem große Dämpfungsveränderungen auf, wobei sie während des Wickelns auf die Zylinder oder Spulen veränderten Temperaturen ausgesetzt werden. Das Biegungsverhalten dieser für Fernsprechzwecke entwickelten Fasern wurde optimiert, um die geringste Dämpfung bei den gewünschten Betriebswellenlängen und niedrige Spleißverluste bei einem linearen Einsatz zu erreichen. Daher ist auf eine Verbesserung des Biegungsverhaltens der optischen Monomode-Faser zugunsten einer Konstruktion verzichtet worden, die ohne einen bedeutsamen Anstieg der Spleißverluste gespleißt werden kann. Die Moden- Felddurchmesser der typischen optischen Monomode-Fasern im Fernmeldewesen reichen von 7,5 bis 11,0 µm.
Es ist bisher keine optische Monomode-Faser für Übertragungsanwendungen verfügbar, in denen eine optische Faser sich von einer Leitstation zu einem beweglichen Fahrzeug erstreckt und bei denen die optische Faser auf einem Zylinder oder einer Spule abgewickelt ist und dann abgespult wird, wenn das Fahrzeug von der Leitstation fortbewegt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Anmelder fanden heraus, daß durch die Anforderung an Leitvorrichtungen, nach denen die optische Faser auf dem Zylinder oder auf der Spule anzuordnen und dabei fest aufzuwickeln ist, die durch Biegung hervorgerufene Dämpfung erheblich erhöht wird. Als die Faser von der Spule bei hohen Geschwindigkeiten abgewickelt wurde, entstand ein ziemlich scharfer Knick an der Abziehstelle, wodurch eine beträchtliche Dämpfung verursacht wurde. Zusätzlich wies der noch auf die Spule aufgewickelte Teil der optischen Faser große Dämpfungsveränderungen bei Temperaturschwankungen auf, wodurch sich der Gebrauch solcher Fasern bei der Anwendung entsprechender Systeme in Umgebungen mit extrem unterschiedlichen Temperaturen als unzuverlässig erwies. Die Schwierigkeit mit Temperaturunterschieden ist offensichtlich das Ergebnis von Belastungen, die durch temperaturabhängige Veränderungen der Spulengröße in der Faser verursacht werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Monomode-Faser, deren Aufbau optimiert wurde, um die durch wenige Biegungen um kleine Radien hervorgerufenen Verluste auf ein zu vernachlässigendes Maß zu reduzieren und um die durch Temperaturveränderungen verursachten Dämpfungsunterschiede bei auf Spulen gewickelten Fasern drastisch zu reduzieren.
Fasern aus Silizium mit mit Germanium dotierten Kernen können die Anforderungen an geringe Verluste und niedrige Dispersion in Verbindung mit geringen Spleißverlusten in Kabeln für Fernsprechanwendungen erfüllen; eine solche Faser ist aber für Leitsysteme mit optischen Fasern nicht geeignet.
Die Anmelder haben herausgefunden, daß Verluste unter 0,5 dB in einer Faser mit einem Biegeradius kleiner als 3 mm bei einer Wellenlänge von 1550 nm dadurch erzielt werden können, daß der Moden-Felddurchmesser auf kleiner als 7 µm reduziert und das Verhältnis vom Mantel- zum Kernradius auf größer als 6,5:1 erhöht wird. Die daraus resultierende Dämpfung einer solchen Faser beim Gebrauch in einer linear verlaufenden Vorrichtung, wie in der Fernmeldetechnik, wird nicht mit der Standard-Faser für Fernmeldezwecke vergleichbar sein, sondern vielmehr eine deutlich höhere Leistung über einen großen Temperaturbereich haben, wenn diese in Fässer eingebracht, auf Spulen aufgewickelt oder zu Wickelkörpern gewickelt und von dort aus eingesetzt wird.
Eine Faser, die in Uebereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, wäre unbefriedigend für den normalen linearen Einsatz in Fernmeldeanwendungen, da sie eine höhere Dämpfung und höhere Spleißverluste hätte, die durch die Schwierigkeiten beim Spleißen von Fasern mit einem kleinen Moden-Felddurchmesser entstehen. Das Spleißen solcher Fasern auf der Strecke ist sehr schwierig und führt unweigerlich zu hohen Verlusten. Bei Leitvorrichtungen mit optischen Fasern hingegen, bei denen die Faser in einem Faß, auf einer Trommel oder in einem Wickel angebracht ist, können die Spleiße in der Fabrik unter Laborbedingungen hergestellt werden, so daß ein geringerer Spleißverlust ensteht, als wenn die Spleiße auf der Strecke, wie bei der Fernmeldetechnik, hergestellt werden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Monomode-Faser mit einer reduzierten Empfindlichkeit gegen Biegungen anzugeben.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Monomode-Faser anzugeben, die kleine, durch Temperaturveränderungen verursachte Dämpfungsschwankungen aufweist, während die Faser in ein Faß, auf eine Spule oder zu einem Wickel gewickelt wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Monomode-Faser anzugeben, die eindeutig für den Gebrauch in Leitvorrichtungen mit optischen Fasern angepaßt ist.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine optische Faser, die auf eine für schnelles Abspulen vorgesehene Spule aufgewickelt ist.
Fig. 2 zeigt den Querschnitt einer optischen Monomode- Faser.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Fig. 1 zeigt eine Anordnung 10 mit einer optischen Faser, die eine Spule 12 mit einem zylindrischen Abschnitt 14 sowie einem an dessen einem Ende angeordneten Flansch 16 umfaßt. Eine optische Faser 18 ist als Vorrat eng um den zylindrischen Abschnitt 14 gewickelt. Üblicherweise ist die Faser auf die Spule mit Präzision gewickelt, wobei beim Wickeln ein Kleber auf jede Schicht gesprüht wird, so daß die Faser ihren richtigen Platz auf der Spule beibehält. Die Spule hat ein konisch zulaufendes Ende 20.
Die Faser wird von der Spule in axialer Richtung abgespult, wie dies durch einen Pfeil 22 angedeutet ist.
Die abgespulte Faser nimmt zunächst einen wendelförmigen Verlauf, der jedoch mit zunehmenden Abstand von der Spule allmählich linear wird.
Die Anmelder haben herausgefunden, daß beim Abspulen der Faser von der Spule eine Biegung mit kleinem Radius entsteht, wie bei 24 dargestellt. Diese Biegung trug wesentlich zu der erhöhten Dämpfung bei, die festgestellt wurde, als eine Faser in einer solchen Anwendung eingesetzt wurde. Das Wickeln der Faser auf die Spule trug ebenfalls zu der erhöhten Dämpfung bei.
Eine weitere Erkenntnis der Anmelder bestand darin, daß die gewickelte Faser große Dämpfungsveränderungen zu verzeichnen hatte, wenn sich die Umgebungstemperatur erheblich veränderte. Folglich war die Dämpfung in der Kälte deutlich anders als in einer warmen Umgebung. Diese Änderung ist den Belastungen zugeschrieben worden, die in der Faser durch Veränderungen des Spulendurchmessers bei Temperaturänderungen verursacht wurden.
Die Anmelder haben sich somit als Ziel gesetzt, die durch Biegung sowie durch Belastung verursachte Dämpfung zu reduzieren.
Aus der Literatur ist es bekannt, daß der Moden- Felddurchmesser die dominante Eigenschaft zur Kontrolle sowohl des Micro- als auch des Macro-Biegungsverhaltens ist (Dixon et al, Proc OFC 1987). Es ist ebenfalls bekannt, daß Fasern mit einem depressed cladding dadurch einen zusätzlichen Biegungsverlust erleiden, daß sich Mantelmoden ausbreiten, wenn das Licht einmal durch die Grenzschicht zwischen innerem und äußerem Mantel hindurch tritt (W. A. Reed OFC Conference 88).
Die US-Zeitung "OFC/IOOC '87, paper TuA5, W. A. Reed et al, Tailoring optical characteristics of dispersionshifted lightguides for system applications near 1,55 µm wavelength" beschreibt eine optische Monomode-Faser, die einen Kernbereich mit einem Brechungsindex nc und einem maximalen Radius rc, einen ersten inneren Mantel, der den Kernbereich umgibt und einen Brechungsindex n&sub1; und einen maximalen Radius r&sub1; hat, und einen zweiten äußeren Mantel mit einem Brechungsindex n&sub2;, der den ersten inneren Mantel umgibt, wobei die Brechungsindizes die Beziehung n&sub1; < n&sub2; < nc erfüllen und das Verhältnis r&sub1;:rc nicht kleiner als 6,5:1,0 ist.
Die Lösung des Problems besteht dann darin, den Moden- Felddurchmesser zu reduzieren und den Radius des inneren Mantels im Verhältnis zum Radius des Kerns zu vergrößern. Gemäß Marcuse (Bell System Tech. Journal 1977) ist der Moden-Felddurchmesser abhängig von dem Produkt des Kernradius und dem reziproken Wert der Quadratwurzel aus dem Brechungsindex-Unterschied zwischen dem Kern und dem inneren Mantel. Daher könnte eine Reduzierung des Moden- Felddurchmessers einer Standardfaser für Fernmeldezwecke durch eine Reduzierung der Kerngröße oder noch schneller durch eine Vergrößerung des Indexunterschiedes erreicht werden.
Eine Vergrößerung des Indexunterschiedes kann durch eine Erhöhung der Dotierung von Germanium im Kern erreicht werden, wodurch wiederum der Verlust durch Rayleigh- Streuung erhöht und das Dispersionsminimum zu höheren Wellenlängen verschoben werden. Dies sind unattraktive Möglichkeiten für Fasern für Fernmeldezwecke (Lazay, et al, U.S. Patent 4,447,125), jedoch akzeptable Alternativen in dieser spezifischen Anwendung. Dieser Streuungsanstieg kann durch eine Reduzierung des Brechungsindexes des inneren Mantels erreicht werden, z. B. durch zusätzliche Dotierung von Fluor. Allerdings, je niedriger dieser Mantelindex abgesenkt wird, desto höher muß das Verhältnis seines Radius zu dem des Kerns sein, damit der oben beschriebene Mechanismus der Verluste durch Biegung verhindert wird.
Diese Erfindung besteht daher in der Wahl einer neuen Zusammenstellung der bekannten Parameter, welche die Eigenschaft einer optischen Monomode-Faser beeinflussen, damit in erster Linie eine niedrigere Empfindlichkeit gegen Biegungen erhalten wird.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer mit zwei Mänteln versehenen optischen Nonomode-Faser 30 mit einem Kern 32, einem inneren depressed cladding-Mantel 34 und einem äußeren Mantel 36. Die Faser basiert auf Silizium mit einem Kern, der mit Germanium dotiert ist. Der innere Mantel ist mit Fluor dotiert, um einen kleineren depressed Brechungsindex als den des Kerns zu erhalten. Der äußere Mantel ist so dotiert, daß sein Brechungsindex zwischen den Brechungsindizes des Kerns und des inneren Mantels liegt.
Ein wichtiger Faktor zur Reduzierung der Empfindlichkeit der Faser gegen Biegungen besteht in der Reduzierung des Moden-Felddurchmessers auf weniger als 7 µm. Dies wird durch eine Reduzierung des physikalischen Durchmessers des Kerns 32 und durch Kontrolle des Brechungsindexes erreicht. Der Moden-Felddurchmesser wird mit einer Standardmethode der Industrie EIA RS455-174 gemessen. Es ist wünschenswert, daß der Moden-Felddurchmesser des Kerns in dem Bereich von 5,0 µm bis 7,0 µm mit einer Grenzwellenlänge von 1130 nm bis 1330 nm liegt, nach Messungen mit der EIA-Methode RS455-80. Ein zweites wichtiges Merkmal besteht darin, daß der Radius des inneren Mantels 34 maximiert wird, damit die Grenzfläche zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel so weit wie möglich vom Kern entfernt ist. Es ist wünschenswert, daß das Verhältnis des maximalen Radius des inneren Mantels zum maximalen Radius des Kerns nicht kleiner als 6,5:1 ist und vorzugsweise mindestens 8:1 beträgt.
Die Auswahl der Brechungsindizes für den Kern und für beide Mantelschichten sollte so sein, daß der Brechungsindex des inneren Mantels kleiner als der Brechungsindex des äußeren Mantels ist, der kleiner als der Brechungsindex des Kerns sein sollte. Die Differenz, Δ+, zwischen dem Brechungsindex des Kerns und dem des äußeren Mantels, die durch die Gleichung
gegeben ist, wobei nc der Brechungsindex des Kerns und n&sub2; der Brechungsindex des äußeren Mantels sind, sollte innerhalb eines Bereiches von 0,75 % bis 0,95 % liegen. Die Differenz, Δ-, zwischen den Brechungsindizes des inneren Mantels und des äußeren Mantels, die durch die Gleichung
gegeben ist, wobei n&sub1; der Brechungsindex des inneren Mantels und n&sub2; der Brechungsindex des äußeren Mantels ist, sollte innerhalb des Bereiches von 0,04 % bis 0,06 % liegen.
Mit der Herstellung einer Faser mit einem Moden- Felddurchmesser kleiner als 7 µm, mit einem Verhältnis des inneren Mantelradius zum Radius des Kerns von größer als 6,5:1, können Verluste von weniger als 0,5 dB in einer Faser mit einem Krümmungsradius unter 3 mm bei einer Wellenlänge von 1550 nm erreicht werden. Es ist festgestellt worden, daß eine Faser mit den obigen Merkmalen eine Grenzwellenlänge nach der EIA Methode RS455-80 hat, die im Bereich von 1130 nm bis 1330 nm liegt. Wenn der Moden-Felddurchmesser in dem bevorzugten Bereich von 6,0 µm bis 6,5 µm liegt, dann liegt die Grenzwellenlänge, wie im EIA-Standard bestimmt, im Bereich von 1200 nm bis 1280 nm.
Eine Faser, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wird und einen Moden- Felddurchmesser von 6,0 ± 1,0 µm, eine Grenzwellenlänge von 1200 ± 70 nm und ein Verhältnis des maximalen Radius des inneren Mantels zum maximalen Radius des Kerns von 6,0:1 hat, wurde mit einer für Fernsprechzwecke verwendeten Standardfaser mit einem depressed cladding verglichen, die einen Moden-Felddurchmesser von 9,5 ± 1,0 µm, eine Grenzwellenlänge von 1200 ± 70 nm und ein Verhältnis des inneren Mantelradius zum Kernradius von 6,0:1 hat, indem die Dämpfung der Fasern bei verschiedenen Betriebswellenlängen gemessen wurde und anschließend die Fasern über ein Viertel des Umfangs von Dornen verschiedener Größe herumgebogen wurden, wonach die durch das Biegen entstandene erhöhte Dämpfung gemessen wurde. Die Ergebnisse dieser Vergleiche gehen aus Tabelle I hervor. Tabelle I Biegungsverluste einer Monomode-Faser (dB) Dorndurchmesser (Inches) TYP Dämpfung (dB/km) Dämpfungsanstieg (dB) Standard Depressed-Clad Faser Prototyp Depressed-Clad Faser
Aus Tabelle I ist zu entnehmen, daß die Gesamtdämpfung der Prototypfaser in dB/km erhöht ist; allerdings wurde bei Verwendung von Dornen von 0,05 bis 1 Zoll (0,127 bis 2,54 cm) der durch Biegen erzeugte Verlust tatsächlich bis zu einem Punkt verringert, bei dem kein Verlust mehr gemessen werden konnte. Der Verlust für die Standardfaser mit depressed cladding bei Verwendung eines Dorns mit einem Durchmesser von 0,125 Zoll (0,318 cm) war übermäßig hoch und wurde daher nicht aufgezeichnet. Daher ist es anhand der Ergebnisse der Tabelle 1 offensichtlich, daß der optische Monomode-Faser der vorliegenden Erfindung einzig und allein passend für die Verwendung in Leitvorrichtungen mit optischen Fasern ist.
Die beiden Fasern, die in Tabelle 1 auf Biegungsverluste verglichen wurden, wurden auch auf Dämpfungsverluste bei verschiedenen Temperaturen verglichen. Zunächst wurde die Dämpfung der Fasern vor dem Wickeln auf eine Spule gemessen. Dämpfungsmessungen wurden für Wellenlängen von 1300 nm und 1550 nm aufgezeichnet. Wie bereits beschrieben, wurden die Fasern dann auf eine Spule aufgewickelt. Die aufgewickelte Faser und die Spule wurden dann bei Temperaturen von 23ºC und -50ºC vorbehandelt. Dann wurden die Fasern bei 23ºC, -32ºC und 60ºC getestet. Die Ergebnisse gehen aus Tabelle II hervor. Tabelle II Dämpfung einer gegobenen Monomode-Faser (dB/km) bei unterschiedlichen Temperaturen TYP Dämpfung vor dem Biegen bei 23ºC (dB/km) Dämpfung in dB/km Standard Depressed-Clad Faser Prototyp Depressed-Clad Faser
Wie aus der Tabelle II ersichtlich, zeigte die Prototypfaser im wesentlichen ein konstantes Dämpfungsniveau auf, während die Standardfaser große Dämpfungsschwankungen aufzeigte, insbesondere bei niedrigeren Temperaturen.
Somit sieht die vorliegende Erfindung eine Faser vor, die eine durch Temperaturunterschiede hervorgerufene geringere Biegungsdämpfung und reduzierte Dämpfungsveränderungen aufzeigt. Die Faser kann einzig und allein für Leitvorrichtungen mit optischen Fasern verwendet werden, bei denen eine geringe, durch Biegungen erzeugte Dämpfung gefragt ist.

Claims

1. Optische Monomode-Faser bestehend aus einem Kernbereich (32) mit einem Brechungsindex nc und einem maximalen Radius rc, einem den Kernbereich (32) umgebenden ersten inneren Mantel (34) mit einem Brechungsindex n&sub1; und einem maximalen Radius r&sub1; und einem den ersten inneren Mantel (34) umgebenden zweiten äußeren Mantel (36) mit einem Brechungsindex n&sub2;, bei welcher das Verhältnis der Brechungsindizes n&sub1; < n&sub2; < nc und das Verhältnis r&sub1;:rc nicht kleiner als 6,5:1,0 ist und bei welcher der Unterschied Δ+ zwischen den Brechungsindizes des Kernbereichs (32) nc und dem des zweiten äußeren Mantels (36) n&sub2; vorgegeben ist durch

und innerhalb des Bereichs von 0,75 % bis 0,95 % liegt, dadurch gekennzeichnet daß der Unterschied Δ- zwischen den Brechungsindizes des ersten inneren Mantels (34) n&sub1; und des zweiten äußeren Mantels (36) n&sub2; vorgegeben ist durch

und innerhalb des Bereichs von 0,04 % bis 0,06 % liegt.

2. Optische Monomode-Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser einen Moden- Felddurchmesser nach der EIA-Methode RS455-174 aufweist, der innerhalb des Bereichs von 5,0 µm bis 7,0 µm liegt und eine Grenzwellenlänge nach der EIA- Methode RS455-80 aufweist, die innerhalb des Bereichs von 1130 nm bis 1330 nm liegt und daß das Verhältnis r&sub1;:rc nicht kleiner als 8:1 ist.

3. Optische Monomode-Faser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Moden-Felddurchmesser innerhalb des Bereichs von 6,0 µm bis 6,5 um liegt und daß die Grenzwellenlänge innerhalb des Bereichs von 1200 nm bis 1280 nm liegt.

4. Optische Monomode-Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Moden-Felddurchmesser der Faser nach der EIA-Methode RS455-174 innerhalb des Bereichs von 5,0 µm bis 7,0 µm liegt.

5. Optische Monomode-Faser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Moden-Felddurchmesser innerhalb des Bereichs von 6,0 µm bis 6,5 µm liegt.