DE69009902T2

DE69009902T2 - Monomodefaser für eine Polarisationsrichtung.

Info

Publication number: DE69009902T2
Application number: DE69009902T
Authority: DE
Inventors: Michael J Messerly; Raymond C Mikkelson; James R Onstott
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1989-07-17
Filing date: 1990-07-13
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2010-07-14
Also published as: EP0414369A2; DK0414369T3; US5056888A; AU621000B2; JPH0375607A; CA2020531C; DE69009902D1; EP0414369A3; MY105732A; AU5864890A; CA2020531A1; KR910003411A; KR0172600B1; EP0414369B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine optische Faser, die nur einen Polarisationszustand des Grundtyps ausbreitet und somit zur Polarisation von Licht oder zur Ausbreitung von polarisiertem Licht über lange Strecken verwendet werden kann.

Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt erfolgt die Polarisation von Licht zwecks Übertragung durch optische Monomode-Fasern normalerweise mit einem massiven Polarisator oder mit einem integrierten Polarisator, die beide recht teuer und für viele Einsatzbereiche optischer Fasern unerwünscht groß sind.
Mitte der 80er Jahre wurde von York Technologies ein Polarisator auf der Basis einer einfachpolarisierenden optischen Monomode-Faser eingeführt, die eng gewickelt ist und in einem versiegelten Gehäuse geliefert wird. Das Aufwikkeln führt jedoch zu einem Biegeverlust, der in Kombination mit einer spannungsbedingten Doppelbrechung bewirkt, daß eine Polarisation gedämpft wird, während sich der orthogonale Zustand am Faserkern entlang ausbreitet. Weil die Vorrichtung von York eine recht schmale Bandbreite besitzt, muß sie an jede optische Monomode-Faser angepaßt werden, mit der sie verwendet wird. Eine mit der Markierung 6/87 (offensichtlich Juni 1987) versehene Broschüre von York nennt eine Bandbreite von mindestens 20 nm. In einer Veröffentlichung der Entwickler der Vorrichtung von York heißt es, daß die optische Faser des York-Polarisators einen asymmetrischen, eine Spannung aufbringenden Bereich mit einer einer Fliege ähnelnden Querschnittsgeometrie besitzt und "einen verminderten Index, der in einer Richtung ein W- Indexprofil ergibt", d.h. ein Brechungsindexprofil in Form eines W. Siehe Varnham et al.: "Single Polarization Operation of Highly Birefringent Bow-Tie Optical Fibers," Elec. Lett., Bd. 19, S. 679-680 (1983).
Fig. 1, 3 und 5 des US-Patents Nr. 4,515,436 (Howard et al.) zeigen drei einfachpolarisierende optische Monomode- Fasern, die ebenfalls einen verminderten Index bzw. ein W- Indexprofil besitzen, und insbesondere "ist der Brechungsindex eines äußeren Mantelbereichs größer als der Brechungsindex eines inneren Mantelbereichs, aber kleiner als der des Kernbereichs" (siehe Zusammenfassung). Bei Betrieb mit einer mittleren Wellenlänge kann die Faser als Polarisator wirken. In Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 erläutert Howard:
"Die Doppelbrechung nimmt mit zunehmender Entfernung vom Kern 10 ab, so daß eine maximale Bandbreite einen großen inneren Mantel 12 erfordert. Dieser innere Mantelbereich 12 sollte jedoch schmal sein, um einen raschen Tunnelverlust der unerwünschten Polarisation zu erreichen. Daher besteht ein Kompromiß zwischen dem Herbeiführen eines raschen Tunnelverlustes und der Erzielung einer großen Bandbreite" (Spalte 4, Zeilen 18-25).
Obwohl die optische Faser von Howard als Polarisator wirken kann, ohne aufgewickelt oder sonstwie gebogen zu sein, wurde die Ausführungsform von Fig. 5 zu vier Wicklungen mit einem Biegeradius von 1,5 cm gebogen, um die Durchlässigkeitsdaten von Fig. 6 zu erhalten, die eine Bandbreite von etwa 25 nm bei 570 nm angibt.
Simpson et al.: "A Single-Polarization Fiber, J. of Lightwave Tech, Bd. LT-1, Nr. 2 (1983)" beschreibt "eine einfachpolarisierende Faser, bei der eine Kombination aus Spannungsdoppelbrechung in Verbindung mit einer eingedrückten oder W-förmigen Mantelstruktur verwendet wird .... Der eingedrückte Mantel bewirkt einen Tunnelverlust, der mit der Wellenlänge rasch zunimmt. Die durch einen stark dotierten elliptischen Mantel erzeugte anisotrope Spannung teilt die für den Modus wirksamen Indices so auf, daß die Grenzwellenlänge für die beiden Polarisationen verschieden ist. Bandbreiten von 8 Prozent werden für Fasern erreicht, wo Kerngröße und Brechungsindex typisch sind für Monomode-Fasern. Extinktionsverhältnisse von mehr als 30 dB bei einem Einfügungsverlust von weniger als 1 dB wurden mit Faserlängen in der Größenordnung von 1 m erreicht. Die für den Betrieb geeignete Wellenlänge läßt sich durch Biegen der Faser abstimmen" (Seite 370).
Siehe auch Simpson et al.: "Properties of Rectangular Polarizing and Polarization Maintaining Fiber", Proc. SPIE, Bd. 719, S. 220-225 (1986), wo erläutert wird, daß eine polarisierende Faser von im wesentlichen rechteckiger Form mit einem W-förmigen Indexprofil ein Extinktionsverhältnis von mehr als 30 dB bei einer Länge von 5 cm erbrachte, wobei eine modusbedingte Doppelbrechung die Grenzwellenlängen des orthogonalen Polarisationsmodus um 0,1 um voneinander trennt.
Ein "W-Tunnel-Faserpolarisator" wird zu Testzwecken gerade gehalten bei Stolen et al.: "Short W-Tunneling Fibre Polarizers," Elec. Lett., Bd. 24, S. 524-525 (1988), wo eine Bandbreite von etwa 25 nm bei 633 nm zur Erzielung einer Polarisation von 39 dB angegeben wird. Leider läßt die Bandbreite von etwa 25 nm bei Stolen und einigen der anderen oben erwähnten Veröffentlichungen wenig Spielraum für Herstellungsfehler. So ist es beispielsweise schwierig, eine Halbleiterlichtquelle (z.B. einen Laser) mit schmaler Bandbreite so zu bauen, daß sich eine genaue Betriebswellenlänge ergibt. Außerdem wären bei einer Reihe von optischen Fasern, mit denen die optischen Faserpolarisatoren von Stolen oder andere bekannte optische Faserpolarisatoren reproduziert werden sollen, Verschiebungen in der Bandbreite zu erwarten. Des weiteren könnten Veränderungen in den Benutzungsbedingungen zu einer gelegentlichen Fehlanpassung der Wellenlängen führen, selbst wenn ein Laser und ein Polarisator zu Beginn aufeinander abgestimmt wurden.
Okamoto et al.: "High-Birefringence Polarizing Fiber with Flat Cladding"," J. of Lightwave Tech., Bd. LT-3, Nr. 4, S. 758-762 (1985), bemerkt, daß die Veröffentlichung von Varnham zeigt, "daß der Polarisationseffekt verstärkt werden kann, wenn die doppelbrechende Faser so gebogen ist, daß die optisch negative Achse parallel zur Ebene der Faserwicklung ausgerichtet ist." Die Faser von Okamoto, die ein eingedrücktes oder W-förmiges Indexprofil entlang der x- Achse (optisch positive Achse) besitzt, hat flache Stellen, die zu der optisch positiven Achse parallel sind. Wenn die Faser gewickelt ist, halten die flachen Stellen die optisch positive Achse parallel, und dies ergibt im wesentlichen größere Bandbreiten. Fig. 9 von Okamoto zeigt, daß eine Bandbreite von 390 nm bei einem Biegedurchmesser von 4,5 cm erreicht werden kann. Siehe auch Okamoto et al.: "Single- Polarization Operation of Highly Birefringent Optical Fibres," "Applied Optics, Bd. 23, Nr. 15, S. 2638-2641 (1984) und US-Patent Nr. 4,480,897 (Okamoto et al.).

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine einfachpolarisierende optische Monomode-Faser angegeben, umfassend einen Kern und einen Mantel mit einem asymmetrischen, eine Spannung aufbringenden Bereich, wobei die Faser einen mittleren Bereich mit einem verminderten Brechungsindex entlang mindestens einer Symmetrieachse des Faserquerschnitts aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Faser ein Paar Brechungsindexprofile einer Symmetrieachse aufweist, die jeweils der Ausbreitung von linear polarisiertem Licht entsprechen, das entweder parallel oder senkrecht zu der einen Symmetrieachse ausgerichtet ist; und daß
der Wert n, bei dem
η = [n(r) - nc1] rα dr
für die eine Symmetrieachse positiv ist, wenn er anhand des mit einer der beiden Ausrichtungen von polarisiertem Licht ermittelten Brechungsindexprofils errechnet wurde, und negativ ist, wenn er anhand des mit der anderen orthogonalen Ausrichtung von polarisiertem Licht ermittelten Brechungsindexprofils errechnet wurde, und für jede andere Symmetrieachse der optischen Faser ist n positiv für beide Ausrichtungen von linear polarisiertem Licht, wobei n(r) den Brechungsindex an der radialen Position r darstellt, gemessen entlang der Symmetrieachse; nc1 der durchschnittliche Brechungsindex des Mantels über eine Strecke von 4 bis 7 Kernradien vom Kernmittelpunkt ist; und ∞ einen Wert von 1, wo sowohl der Kern als auch der Mantel kreisförmig sind, bis nahezu 0 hat, wo Kern und Mantel so langgestreckt sind, daß die Faser sich im wesentlichen wie ein ebener Wellenleiter verhält.
Die Erfindung stellt die vermutlich erste einfachpolarisierende optische Monomode-Faser bereit, die (ohne gebogen zu sein) eine ausreichend große Bandbreite einer einfachpolarisierenden Wellenlänge besitzt, um ohne die sonst erforderliche sorgfältige Anpassung an spezielle Lichtquellen mit schmaler Bandbreite hergestellt werden zu können. In anderen wichtigen Punkten ist die einfachpolarisierende optische Monomode-Faser der Erfindung den bekannten einfachpolarisierenden optischen Fasern mindestens gleichwertig, und zwar im Hinblick auf einen ausreichend hohen Extinktionskoeffizienten des Tunnelpolarisationszustandes und eine minimale Dämpfung des Ausbreitungspolarisationszustandes.
Kurz gesagt, die einfachpolarisierende optische Monomode- Faser der Erfindung umfaßt wie diejenigen von mehreren der obengenannten Veröffentlichungen einen asymmetrischen, eine Spannung aufbringenden Bereich, der die Faser doppelbrechend macht. Und wie diese bekannten Fasern besitzt auch die erfindungsgemäße Faser ein Profil mit einem verminderten Brechungsindex entlang mindestens einer ihrer Symmetrieachsen, das heißt der Kern ist von dem Mantel durch einen mittleren Bereich getrennt, dessen Brechungsindex kleiner ist als der des Kerns oder des Mantels.
Um zu sehen, inwiefern sich die neue einfachpolarisierende optische Faser (hier manchmal als "PZ-Faser" bezeichnet) der Erfindung von bekannten einfachpolarisierenden Fasern unterscheidet, wird ein Paar Brechungsindexprofile von einer einzigen Symmetrieachse der optischen Faser betrachtet, gemessen mit linear polarisiertem Licht, das entweder parallel oder senkrecht zu der gewählten Symmetrieachse ausgerichtet ist. Der Parameter η wird aus jedem solchen Profil durch folgenden Ausdruck errechnet:
η = [n(r) - nc1] rα dr
wobei n(r) den Brechungsindex an der radialen Position r darstellt, gemessen entlang der Symmetrieachse und mit einer der beiden Ausrichtungen des polarisierten Lichts; nc1 ist der durchschnittliche Brechungsindex des Mantels über eine Strecke von 4 bis 7 Kernradien vom Kernmittelpunkt, und ist bis ins Unendliche reichend gedacht; und α hat einen Wert zwischen 0 und 1, wobei sein genauer Wert durch die Form von Kern und Mantel bestimmt wird. Wenn sowohl Kern als auch Mantel kreisförmig sind, ist α 1; wenn Kern und Mantel so langgestreckt sind, daß die Faser sich im wesentlichen wie ein ebener Wellenleiter verhält, nähert sich α gegen 0; und bei dazwischenliegenden Formen liegt α zwischen 0 und 1.
Die neue einfachpolarisierende optische Faser der Erfindung unterscheidet sich von bekannten einfachpolarisierenden Fasern dahingehend, daß η für eine Symmetrieachse positiv ist (größer als 0), wenn es aus dem mit einer der beiden Ausrichtungen des polarisierten Lichts ermittelten Brechungsindexprofil errechnet wurde, und negativ ist (kleiner als 0), wenn es aus dem mit der orthogonalen Ausrichtung des polarisierten Lichts ermittelten Brechungsindexprofil errechnet wurde. Der Parameter η für jede andere Symmetrieachse der neuen optischen Faser ist für beide Ausrichtungen von linear polarisiertem Licht positiv.
Der Polarisationszustand, der einen positiven Wert von ergibt, wobei dieser Wert anschließend als ng bezeichnet wird, ist ein geleiteter Zustand für alle finiten Wellenlängen von Licht, bei denen durch Krümmung und Absorption bedingte Verluste vernachlässigt werden. Der Polarisationszustand, der einen negativen Wert von η ergibt, wobei dieser Wert anschließend als nt bezeichnet wird, tunnelt aus der wellenleitenden Faser aus bei allen Wellenlängen von Licht, die länger sind als eine finite Wellenlänge. Bei den erfindungsgemäßen Fasern ist dann die Wellenlängenbandbreite, über die sich ein und nur ein Polarisationszustand des Lichts ausbreitet, groß, wobei durch Krümmung und Absorption bedingte Verluste des geleiteten Zustandes vernachlässigt werden. Das Kriterium des Tunneleffektes wird für ein analoges Problem herangezogen in der Veröffentlichung von Simon, "The Bound State of Weakly Coupled Schroedinger Operators in One and Two Dimensions," Annals of Physics, 97, S. 279-288 (1976).
Vorzugsweise haben die positiven und negativen Werte von η für die eine Symmetrieachse etwa die gleichen Absolutwerte, weil dies die Fertigungstoleranz der neuen einfachpolarisierenden Faser maximieren dürfte.
Ein weiterer Test zur Ermittlung, ob sich eine optische Monomode-Faser für die vorliegende Erfindung eignet, verwendet den Parameter X, wie er durch folgenden Ausdruck definiert ist:
X = ηg + ηt/ηg - ηt
Fur eine optische Faser der Erfindung liegt X zwischen -1 und +1 für eine Symmetrieachse, wobei der bevorzugte Wert X=0 ist. Für jede andere Symmetrieachse liegt X außerhalb dieses Bereichs. Der Wert von X nimmt mit zunehmender Doppelbrechung ab. Eine große Doppelbrechung erhöht also die Fertigungstoleranzen. Die Doppelbrechung sollte auch groß sein, um die Auswirkungen der umgebungsbedingten Doppelbrechung auf die Leistungsfähigkeit der Faser zu vermindern.

Ausführliche Beschreibung

Für eine gegebene Symmetrieachse zeigt sich, daß die Doppelbrechung in den Bereichen innerhalb des eine Spannung aufbringenden Bereichs im wesentlichen konstant ist. Die Tatsache, daß die Doppelbrechung nicht auf den Faserkern beschränkt ist, hat anscheinend keine nachteilige Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit der Faser; die in der Zusammenfassung der Erfindung aufgeführten Kriterien können immer noch erfüllt werden, und es zeigt sich, daß die Wellenlängenbandbreite, auf der die Fasern polarisieren, groß ist.
Um die Dämpfungsgeschwindigkeit des Tunnelzustandes bei einer Faser mit Stufenindex des W-Typs zu erhöhen, sollte das Verhältnis des Durchmessers des mittleren Bereichs zum Durchmesser des Kerns so klein wie möglich gemacht werden. Wenn dieses Verhältnis klein ist, sollte entweder der Indexunterschied zwischen dem mittleren Bereich und dem Mantel vergrößert werden, oder der Indexunterschied zwischen dem Kern und dem Mantel muß verkleinert werden, um das gewünschte Gleichgewicht zwischen ηg und ηt aufrechtzuerhalten. Der Indexunterschied zwischen dem Kern und dem Mantel muß auch so gewählt werden, daß die gewünschte Grenzwellenlänge des Tunnelzustandes erreicht wird, und diese Grenzwellenlänge kann für eine kreisförmig symmetrische Faser mit Hilfe der wohlbekannten Beziehungen errechnet werden (siehe beispielsweise M. Monerie, "Propagation in Doubly Clad Single-Mode Fibers," IEEE J. Quantum Electron., Bd. QE-18, Nr. 4, S. 535 (1982)).
Es kann möglich sein, die Streuung oder die Biegetoleranz der neuen optischen Faser durch Verwendung von zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex im mittleren Bereich zu optimieren, und der Brechungsindex von einem oder mehreren dieser Materialien kann größer sein als nc1.
Eine bevorzugte PZ-Faser der Erfindung kann hergestellt werden durch Abscheiden von siliciumdioxidhaltigen Schichten auf der Innenfläche eines hohlen Substratröhrchens aus Quarz. Obwohl Quarz Siliciumdioxid ist, enthalten handelsübliche hohle Substratröhrchen Verunreinigungen, die das Abscheiden von stark dotiertem Siliciumdioxid erschweren würden. Daher sollte die ersten siliciumdioxidhaltige Schicht wünschenswerterweise reines Siliciumdioxid oder schwach dotiertes Siliciumdioxid sein, um eine manchmal als "äußere Sperrschicht" bezeichnete Schicht herzustellen, deren Brechungsindex nc1 ist.
Wenn es sich bei der ersten Schicht um reines oder schwach dotiertes Siliciumdioxid handelt, kann die als nächstes aufzubringende Schicht einen eine Spannung aufbringenden Bereich bilden und ist vorzugsweise so dotiert, daß sie einen Brechungsindex kleiner nc1 besitzt. Darüber wird eine Schicht aufgebracht, die einen sogenannten "mittleren Bereich" bilden kann, und die vorzugsweise so dotiert ist, daß ihr Brechungsindex etwa gleich dem Brechungsindex des eine Spannung aufbringenden Bereichs ist, so daß sichergestellt ist, daß der Zustand der Wellenleitung nicht bei einer zu kurzen Wellenlänge unterbrochen wird. Die letzte Schicht kann den Kern der PZ-Faser bilden.
Nachdem das beschichtete Substratröhrchen zu einem Vorformling zusammengelegt wurde, werden zwei einander diametral gegenüberliegende parallele ebene Flächen in die Außenfläche des Vorformlings geschliffen. Wenn der geschliffene Vorformling zu der PZ-Faser gezogen wird, wird die Außenfläche der PZ-Faser zylindrisch, und der eine Spannung aufbringende Bereich wird elliptisch.
Anstatt ebene Flächen in den Vorformling zu schleifen, kann der Vorformling abgeflacht und gezogen werden, während dabei die Temperatur zur Herstellung einer erfindungsgemäßen PZ-Faser gesteuert wird, deren Außenfläche im wesentlichen elliptisch ist, wie die in Fig. 5 von Howard. Die erfindungsgemäße PZ-Faser kann andere Formen besitzen, z.B. eine PANDA-Konfiguration, wie sie in der obengenannten Veröffentlichung von Okamoto dargestellt ist, oder die Konfiguration einer Fliege.
Der eine Spannung aufbringende Bereich der neuen PZ-Faser ist vorzugsweise so dotiert, daß er den gleichen Brechungsindex besitzt wie der mittlere Bereich, so daß jegliche Tunnelwirkung des Zustandes der Wellenleitung minimiert ist. Der Brechungsindex des eine Spannung aufbringenden Bereichs kann dem Brechungsindex des mittleren Bereichs angeglichen werden, indem mit B&sub2;O&sub3; dotiertes Siliciumdioxid gleichzeitig mit GeO&sub2; dotiert wird. Wenn es auch noch mit P&sub2;O&sub5; dotiert wird, kann die Temperatur, bei der der eine Spannung aufbringende Bereich aufgebracht wird, abgesenkt werden, aber das Vorhandensein von Phosphor führt manchmal dazu, daß die Faser unter der Einwirkung ionisierender Strahlung zerfallen.
Vorzugsweise ist der Kern der neuen PZ-Faser mit Germaniumoxid dotiertes Siliciumdioxid, und der mittlere Bereich ist mit Fluor dotiertes Siliciumdioxid. Wenn der mittlere Bereich auch P&sub2;O&sub5; enthält, kann die Temperatur, bei der er aufgebracht wird, abgesenkt werden, wobei es auch hier wieder unter der Einwirkung von ionisierender Strahlung zu einem Zerfall der Fasern kommen kann.
Wenn die neue PZ-Faser Phosphor enthält, kann es wünschenswert sein, daß die äußere Sperrschicht mit P&sub2;O&sub5; und F dotiertes Siliciumdioxid ist, wobei das zuerst genannte Dotierungsmittel die Abscheidetemperatur senkt, und das zuletzt genannte Dotierungsmittel die Änderung des Brechungsindex ausgleicht, die andernfalls auf das Vorhandensein von Phosphor zurückzuführen wäre.
Wenn die neue PZ-Faser einen elliptischen eine Spannung aufbringenden Bereich besitzt, beträgt der kleine Durchmesser vorzugsweise 20% bis 40% des großen Durchmessers. Bei mehr als 40% kann es sein, daß der eine Spannung aufbringende Bereich nicht die gewünschte Spannung auf den Kern ausübt, während bei weniger als 20% der große Durchmesser des eine Spannung aufbringenden Bereichs zwangsläufig recht groß sein müßte, damit der innere Mantel die entsprechende Dicke bekommt.
Um mit den nun auf dem Markt befindlichen Sensorfasern kompatibel zu sein, kann die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte neue PZ-Faser zu jedem Durchmesser gezogen werden, z.B. 80 um zum Einsatz bei 850 m und 125 um zum Einsatz bei 1300 nm.

Die Zeichnung

Die Erfindung ist besser zu verstehen mit Bezug auf die Zeichnung.
Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch eine bevorzugte einfachpolarisierende optische Monomode-Faser der Erfindung;
Fig. 2a und 2b sind graphische Darstellungen, gemessen mit linear polarisiertem Licht, einer Gegenüberstellung von Brechungsindex und radialer Position für die optische Faser von Beispiel 1.
Fig. 3a und 3b sind graphische Darstellungen einer Gegenüberstellung von Brechungsindex und radialer Position, gemessen wie in Fig. 2a und 2b, mit der Ausnahme, daß hier das linear polarisierte Licht orthogonal zur Ausrichtung von Fig. 2 verläuft.
Fig. 4 zeigte die Betriebsbandbreite der PZ-Faser von Beispiel 1.
Die optische Faser 10 von Fig. 1 wurde unter Verwendung eines hohlen Substratröhrchens nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Die aufgebrachten Schichten haben einen Kern 12 mit kreisförmigem Querschnitt, einen mittleren Bereich 14 und einen äußeren Mantelbereich erzeugt, der einen elliptischen, eine Spannung aufbringenden Bereich 15 und eine elliptische äußere Sperrschicht 16 umfaßt. Der äußere Mantelbereich umfaßt auch eine Umhüllung 18, die durch das hohle Substratröhrchen gebildet wird.
Die Kurven 20 und 21 von Fig. 2a und 2b sind graphische Darstellungen des Brechungsindex im Vergleich zur radialen Position für die beispielhafte Faser, gemessen mit linear polarisiertem Licht, das entlang der Hauptsymmetrieachse der optischen Faser ausgerichtet ist. Die Kurven werden aus der kleinen bzw. aus der großen Symmetrieachse ermittelt. Die gestrichelten Linien 22 und 23 stellen den Brechungsindex des Mantels dar.
Die Kurven 30 und 31 von Fig. 3a bzw. 3b sind graphische Darstellungen des Brechungsindex wie in Fig. 2, nur daß hier mit linear polarisiertem Licht gemessen wurde, das entlang der kleinen Symmetrieachse der optischen Faser ausgerichtet ist. Die gestrichelten Linien 32 und 33 stellen den Brechungsindex des Mantels dar.
Die Kurven 40 und 41 von Fig. 4 sind graphische Darstellungen der Dämpfung im Vergleich zur Wellenlänge, jeweils gemessen im Tunnelpolarisationszustand und im geleiteten Polarisationszustand auf einer 42 m langen Faser. Die Betriebsbandbreite 42 ist das Wellenlängenband, über das der Tunnelzustand um mindestens 30 dB gedämpft ist, und in dem geleiteten Zustand kommt es zu weniger als 1 dB/km zusätzlicher Dämpfung.

Beispiel 1

(Herstellen einer die Polarisation beibehaltenden optischen Faser gemäß der Erfindung)

A. Herstellen des Vorformlings:

Bei diesem Beispiel wurde der Vorformling nach dem modifizierten chemischen Aufdampfverfahren (MCVD) hergestellt. Bei diesem Verfahren wird Glas einer kontrollierten Zusammensetzung und Dicke auf die Innenseite eines Quarzglasröhrchens durch die chemische Umsetzung von Sauerstoff mit Metallchloriden oder -bromiden aufgebracht. Eine ausführlichere Beschreibung des Verfahrens findet sich im US-Patent Nr. 4,217,027 (MacChesney et al.)
Ein Quarzglasröhrchen (General Electric Nr. 982) mit einem Innendurchmesser von nominell 17,0 mm und einem Außendurchmesser von nominell 20,0 mm wurde in eine Abscheidevorrichtung (Drehbank für Vorformling, Gasströmungssystem, Wasserstoffdüse) eingesetzt. Die Innenwand des Röhrchens wurde zunächst mit Fluor geätzt, um zu Abscheidungszwecken eine unkontaminierte Oberfläche zu erhalten. Dann wurden vier Glasschichten auf die Innenwand des Röhrchens aufgebracht. Die Funktionen und Zusammensetzungen der vier Schichten sind nachfolgend beschrieben. Funktion Zusammensetzung Schicht 1 - Äußere Sperrschicht Schicht 2 - Spannung aufbringender Bereich Schicht 3 - Mittlerer Bereich Schicht 4 - Kern
Die Bedingungen der einzelnen Schritte sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die in Tabelle 1 angegebenen Temperaturen sind Pyrometer-Werte der Außenfläche des Quarzglasröhrchens. TABELLE I Dampfstrom* (cm³/min) Schritt Freon Anzahl Läufe Temp. (ºC) Geschwindigkeit (mm/min) Ätzen Klären Schicht * Dampfstrom bedeutet Strom von Trägergas (O&sub2; für SiCl&sub4;, GeCl&sub4;, POCl&sub3;; Ar für BBr&sub3;) oder direkten Strom vom Freon und O&sub2;. Die Spindledrehzahl beträgt generell 50 UpM.
Nach Abschluß des Abscheidungsverfahrens wurde das ringförmige Röhrchen mit den innen aufgebrachten Schicht nach herkömmlichen Verfahren zu einem nichthohlen Vorformling zusammengelegt.

B. Formen des Vorformlings:

Zwei einander diametral gegenüberliegende ebene Flächen wurden auf den zu Beginn zylindrischen Vorformling mit einer herkömmlichen Oberflächenschleifmaschine und einer Diamantschleifscheibe geschliffen, wobei jede ebene Fläche 2,54 mm radial abgetragen wurde. Dann wurde der Vorformling sorgfältig gereinigt, um disperse Verunreinigungen zu entfernen, die vielleicht beim Schleifen entstanden sind.

C. Faserziehen:

Unter Verwendung eines Zirkoniumdioxid-Induktionsofens wurde der Vorformling zu einer Faser mit einem Durchmesser von 75 um gezogen, wobei die Temperatur so hoch gehalten wurde, daß die Faser einen kreisförmigen Querschnitt bekommt. Das Pyrometer, mit dem der Ofen überwacht wurde, zeigte eine Temperatur von 2125ºC an. Während die Faser gezogen wurde, wurde sie mit zwei getrennten Acrylatschichten überzogen, die jeweils einzeln mit ultraviolettem Licht gehärtet wurden. Als erster Acrylatüberzug wurde D1-11 von DeSoto Co. aufgetragen, der zweite Überzug war D-100, ebenfalls von DeSoto Co. Die beschichtete Faser wurde auf eine Rolle aufgewickelt.

D. Fasereigenschaften:

Die aus Schritt A bis C gewonnene optische PZ-Faser hat die folgenden mechanischen und optischen Eigenschaften:

Mechanische Eigenschaften:

Kerndurchmesser 4,9 um
Durchmesser des mittleren Bereichs 12 um
Spannung aufbringender, elliptischer Bereich
großer Durchmesser 59 um
kleiner Durchmesser 17 um
Äußere Sperrschicht
großer Durchmesser 65 um
kleiner Durchmesser 17 um
Manteldurchmesser 76 um
Durchmesser des Acrylatüberzugs 216 um

Optische Eigenschaften:

Brechungsindex, gemessen mit kreisförmig polarisiertem Licht, von
Kern 1,462
innere Sperrschicht 1,457
Spannung aufbringender Bereich entlang Hauptachse 1,457
entlang Nebenachse 1,4595
äußere Sperrschicht 1,459
Substratröhrchen 1,459
Verlust bei 850 nm, geleiteter Zustand 4,7 dB/km
Modus Sehfelddurchmesser bei 850 nm 5,8 um
LP-11 Grenzwellenlänge < 550 nm
LP-01 Grenzwellenlänge, Tunnelzustand 780 nm
Wellenlänge bei Dämpfungszunahme von 1 dB/km, geleiteter Zustand 890 nm
Polarisationsbandbreite 110 nm
Doppelbrechung bei 633 nm 5 x 10&supmin;&sup4;
Weil der eine Spannung aufbringende Bereich asymmetrisch ist, ist der Mantel der PZ-Faser nicht kreisförmig, selbst wenn der Kern kreisförmig ist. Somit liegt α zwischen 0 und 1. Wenn jedoch α 0 oder 1 ist, ergibt sich für die Nebenachse
und für die Hauptachse
Obwohl die neue einfachpolarisierende optische Faser eine ausgezeichnete Bandbreite besitzt, wenn sie gerade ist, kann durch Biegen oder Aufwickeln erreicht werden, daß auch eine kürzere Faser Licht polarisiert.
Bei jedem Sensor, der einen Polarisator mit einer die Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser enthält, sollten jene Elemente durch die neue einfachpolarisierende optische Faser ersetzt werden können, z.B. in Fasergyroskopen, Magnetometern und Stromfühlern.

Claims

1. Einfachpolarisierende optische Monomode-Faser (10) umfassend einen Kern (12) und einen Mantel mit einem asymmetrischen, eine Spannung aufbringenden Bereich (15), wobei die Faser einen mittleren Bereich (14) mit einem verminderten Brechungsindex entlang mindestens einer Symmetrieachse des Faserquerschnitts aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Faser ein Paar Brechungsindexprofile einer Symmetrieachse aufweist, die jeweils der Ausbreitung von linear polarisiertem Licht entsprechen, das entweder parallel oder senkrecht zu der einen Symmetrieachse ausgerichtet ist; und daß der Wert n, bei dem

η = [n(r) - nc1) rα dr

für die eine Symmetrieachse positiv ist, wenn er anhand des mit einer der beiden Ausrichtungen von polarisiertem Licht ermittelten Brechungsindexprofils errechnet wurde, und negativ ist, wenn er anhand des mit der anderen orthogonalen Ausrichtung von polarisiertem Licht ermittelten Brechungsindexprofils errechnet wurde, und für jede andere Symmetrieachse der optischen Faser ist n positiv für beide Ausrichtungen von linear polarisiertem Licht, wobei n(r) den Brechungsindex an der radialen Position r darstellt, gemessen entlang der Symmetrieachse, nc1 der durchschnittliche Brechungsindex des Mantels über eine Strecke von 4 bis 7 Kernradien vom Kernmittelpunkt ist; und ∞ einen Wert von 1, wo sowohl der Kern als auch der Mantel kreisförmig sind, bis nahezu 0 hat, wo Kern und Mantel so langgestreckt sind, daß die Faser sich im wesentlichen wie ein ebener Wellenleiter verhält.

2. Einfachpolarisierende optische Monomode-Faser nach Anspruch 1, bei der die Absolutwerte für n, wenn n positiv ist, und für n, wenn n negativ ist, für die eine Symmetrieachse im wesentlichen gleich sind.

3. Einfachpolarisierende optische Monomode-Faser nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der eine Spannung aufbringende Bereich (15) mit GeO&sub2; und B&sub2;O&sub3; dotiertes Siliciumdioxid ist.

4. Einfachpolarisierende optische Monomode-Faser nach Anspruch 3, bei der der eine Spannung aufbringende Bereich (15) außerdem mit P&sub2;O&sub5; dotiert ist.

5. Einfachpolarisierende optische Monomode-Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der mittlere Bereich (14) mit Fluor dotiertes Siliciumdioxid ist.

6. Einfachpolarisierende optische Monomode-Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Mantel eine äußere Sperre aus reinem Siliciumdioxid besitzt.

7. Einfachpolarisierende optische Monomode-Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Mantel eine äußere Sperre aus mit P&sub2;O&sub5; und F dotiertem Siliciumdioxid besitzt.

8. Einfachpolarisierende optische Monomode-Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der asymmetrische, eine Spannung aufbringende Bereich (15) im wesentlichen elliptisch ist.

9. Einfachpolarisierende optische Monomode-Faser nach Anspruch 8, bei der die Größe des kleineren Durchmessers des eine Spannung aufbringenden Bereichs 20% bis 40% der Größe des größeren Durchmessers beträgt.

10. Verfahren zur Herstellung einer einfachpolarisierenden optischen Monomode-Faser nach Anspruch 1, wobei das Verfahren nacheinander folgende Schritte umfaßt:

1) Auftragen von mindestens einer ersten, einer zweiten und einer dritten Schicht siliciumdioxidhaltigen Materials auf die Innenseite eines hohlen Trägerrohres aus Siliciumdioxid mit einem Brechungsindex nc1,

2) Zusammenlegen des Schlauches zu einem Vorformling,

3) Ausbilden von zwei einander diametral gegenüberliegenden parallelen ebenen Flächen in der Außenfläche des Vorformlings, und

4) Ziehen des Vorformlings zu der optischen Faser, wobei die erste Schicht einen asymmetrischen, eine Spannung aufbringenden Bereich mit einem Brechungsindex kleiner als nc1 bildet, die zweite Schicht einen mittleren Bereich bildet mit einem Brechungsindex, der in etwa gleich dem Brechungsindex des eine Spannung aufbringenden Bereichs ist, und die dritte Schicht einen Kern mit einem Brechungsindex größer als nc1 bildet, wobei die Schritte so gewählt sind, daß die entstehende Faser Brechungsindexprofile besitzt, deren Parameter n die in Anspruch 1 angegebenen Werte besitzt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem vor dem Aufbringen der ersten Schicht eine Schicht aufgebracht wird, die eine äußere Sperre mit einem Brechungsindex nc1 bildet.