DE69021709T2

DE69021709T2 - Herstellung von dotierten optischen Fasern.

Info

Publication number: DE69021709T2
Application number: DE69021709T
Authority: DE
Inventors: Linn F Mollenauer; Jay Richard Simpson; Kenneth Lee Walker
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1990-01-22
Filing date: 1990-12-05
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2010-12-06
Also published as: JP2527849B2; EP0438876B1; JPH04317431A; EP0438876A1; US5059230A; DE69021709D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft die Herstellung von optischen Faservorformen und die sich ergebenden optischen Fasern und im speziellen Herstellungsverfahren, bei welchen die Vorformen und die sich ergebenden Fasern optisches Dotiermaterial, wie beispielsweise Selteneerden-Dotierstoffe enthalten.

Hintergrund der Erfindung

Optische Verstärker in zwischengeschalteten optischen Repeatern, Vorverstärker mit niedrigem Rauschen in Empfängern und Nachverstärker mit hoher Leistung in Transmittern sind wichtige Elemente in den meisten Lichtwellen-Kommunikations- und Transmissions-Systemen von Interesse. Eine potentiell wertvolle Ausführungsform eines derartigen Verstärkers ist der Faserverstärker, der die Verstärkung durch Inkorporierung von Dotiermaterial, wie beispielsweise Seltenenerden-Ionen in einer Wirtsfaser gestattet.
Derzeit ist Erbium das Dotiermaterial der Wahl für auf Silika- bzw. Quarzglas basierende Fasern, da sowohl die Pump- als auch die Signal-Wellenlänge in der Wirtsfaser mit relativ niedrigem intrinsischen Verlust geführt werden. Die Zuführung von Seltenenerden-Spezies zur Reaktions- und Abscheidungszone während der Faser-Vorformherstellung wurden für Standardtechniken, wie beispielsweise die modifizierte chemische Gasphasenabscheidung (Modified Chemical Vapor Deposition, MCVD), die axiale Gasphasenabscheidung (Vapor Axial Deposition, VAD) und die außenseitige Gasphasenabscheidung (Outside Vapor Deposition, OVD) angegeben. Diese Zuführverfahren erfordern einen hohen Genauigkeitsgrad und Temperatursteuerung der Gase, um den Beginn der nötigen chemischen Reaktionen zum Inkorporieren der Seltenenerden-Ionen sicherzustellen. Lösungsdotierungstechniken wurden ebenfalls vorgeschlagen, um Seltenerden-Ionen mit niedriger Flüchtigkeit, die als Halogenede in die hochreine Faservorformen zugeführt werden, welche durch die vorstehende angegebenen Techniken ausgebildet wurden, zu Inkorporieren. Dieses Dotierungsverfahren erfordert aufgrund des niedrigen Gasdrucks der Seltenenerden-Dotierstoffe ebenfalls eine bestimmte Steuerung.
Bei den meisten optischen Anwendungen werden hohe Dotierstoffpegel in der Größenordnung von einigen ppm bis einigen hundert oder tausend ppm benötigt. Für Anwendungen mit verteilter Verstärkung sind Pegel gelöster Dotierstoffe in der Größenordnung von einigen ppb (Teile pro Milliarde) erwünscht. Obwohl die vorstehend beschriebenen Dotierverfahren ebenfalls in der Lage sind, relativ gleichförmig hohe Dotierstoffpegelkonzentrationen in der Vorform zu erzeugen, gibt es keine Anhaltspunkte, daß diese Techniken den gleichen Grad an Gleichförmigkeit für die gelösten Konzentrationen bereitstellen, welche bei Fasern mit verteilter Verstärkung benötigt werden. Für Fasern mit verteilter Verstärkung ist es wichtig, eine relativ gleichförmige Verstärkung entlang der Faserlänge von einem zum anderen Ende bereitzustellen.
Zusätzlich zu dem Konzentrationspegel und seiner gleichförmigen Verteilung in der Vorform ist es gleich wichtig, die Dotierstoffe in dem Kernbereich in der Vorform und der Faser zentrieren zu können, um die Ausdiffusion von Dotierstoffen vom Kernbereich der Vorform und der Faser zu steuern, um einen erwünschten Konzentrationspegel unabhängig von der Höhe zu erreichen, und um die erwünschten Konzentrationspegel reproduzierbar von einer Vorform zur nächsten zu erhalten. Viele Dotierverfahren behalten die Steuerung über die Dotierstoffe, um Ausdiffusion aus dem Kernbereich zu vermeiden. Jedoch stellen die meisten Techniken keine genügende Exaktheit zur Verfügung, um die Dotiermaterialien im Kernbereich zu zentrieren. Diese Dotierverfahren sind ebenfalls nicht ausreichend gesteuert oder steuerbar, um einen a priori erwünschten Konzentrationspegel zu erreichen. Als Folge sind diese Techniken schlecht geeignet für eine Herstellungsumgebung, welche die Reproduzierbarkeit von Vorform zu Vorform und von Faser zu Faser benötigt.
Die US-A-4737179, eine Veröffentlichung des Standes der Technik, beschreibt ein Verfahren mit den Eigenschaften des Oberbegriffs des Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung und umfaßt ferner das Einfügen eines gezogenen Stabs von ungefähr 6 mm Durchmesser in die ausgebildete Öffnung, wobei der Stab Kern- und erstes Ummantelung bildendes Material enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren wie in Anspruch 1 definiert bereitgestellt.
Reproduzierbar dotierte optische Faservorformen mit einem vorbestimmten Dotierstoffkonzentrationspegel werden hergestellt durch Einfügen eines dotierten Fadens in eine im wesentlichen vervollständigte Vorform, so daß der Faden beim Kollabieren oder Konsolidieren der Vorform mittig im Kernbereich angeordnet ist. Da der Dotierstoffkonzentrationspegel des dotierten Fadens vor seinem Einfügen in die Vorform bekannt ist, ist der Dotierstoffkonzentrationspegel steuerbar und kalibrierbar, um die erwünschte Konzentration in der sich ergebenden Faser zu erhalten. Dotierstoffmaterialien, wie beispielsweise Seltenenerden-Elemente und andere Elemente sind zur Verwendung bei diesem Verfahren geeignet.
I der bevorzugten Ausführungsform wird der Kern während des Heizens axial gedreht.

Figurenbeschreibung

Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung kann durch Lektüre der nachfolgenden Beschreibung einer speziellen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen erhalten werden, in welchen:
Fig. 1 eine Frontansicht einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der modifizierten chemischen Gasphasenabscheidung zur Vorformherstellung zeigt,
Fig. 2 eine Frontansicht eines Abschnitts röhrenförmigen Materials, welches die während der Verarbeitung unter Verwendung der modifizierten chemischen Gasphasenabscheidung zur Vorformherstellung erhaltenen Bedingung darstellt,
Fig. 3 eine vereinfachte Querschnittsansicht des rohrförmigen Materials nach der modifizierten chemischen Gasphasenabscheidung und einer teilweisen Kollabierung zur Vorformherstellung zeigt,
Fig. 4 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung des in Fig. 3 dargestellten röhrenförmigen Materials nach dem Einbringen des dotierten Fadens gemäß den Prinzipen der Erfindung zeigt,
Fig. 5 eine vereinfachte Querschnittsansicht des in Fig. 4 dargestellten röhrenförmigen Materials während des Schrittes des Kollabierens während der Vorformherstellung,
Fig. 6 eine Brechungsindexprofil bei einem beispielhaften Erbium-dotierten Faden zeigt,
Fig. 7 das Absorptionsspektrum für einen beispielhaften Erbium-dotierten Faden zeigt,
Fig. 8 ein Brechungsindexprofil bei einer beispielhaften Erbium-dotierten Faser zeigt, welche aus einer erfindungsgemäß hergestellten Vorform gezogen wurde, und
Fig. 9 das Absorptionsspektrum für eine beispielhafte Erbium-dotierte Faser zeigt, welche aus einer erfindungsgemäß hergestellten Vorform gezogen wurde.

Detaillierte Beschreibung

Optische Faserverstärker werden im allgemeinen als optische Standardfasern mit Kern und Ummantelungsbereich ausgebildet, wobei Dotierstoffmaterial im wesentlichen im Kernbereich enthalten ist, um Verstärkung mittels stimulierter Emission bereitzustellen. Populäre Dotierstoffmaterialien zum Erhalten stimulierter Emission in Faserverstärkern sind bei den Seltenenerden- oder Lantaniden-Ionen, wie beispielsweise Nd³&spplus;, Ho³&spplus;, Eu³&spplus;, Er³&spplus;, Yb³&spplus;, Tb³&spplus; und Dy³&spplus;. Bei den meisten Kommunikations- Standardanwendungen werden üblicherweise die Elemente wie Nd³&spplus; und Er³&spplus; aufgrund der Kompatibilität der Pumpwellenlänge bei diesen Materialien mit den Verlustminima in den auf Quarzglas basierenden Fasern ausgesucht. Bei der nachfolgenden Beschreibung verwenden die Ausführungsformen Er³&spplus;-Ionen zum Erhalten von Signalverstärkung in auf Quarzglas basierenden Fasern ein. Die Beschreibung der speziellen Faser und des speziellen Dotierstoffmaterials soll jedoch lediglich beispielhaft sein und nicht der Beschränkung dienen.
Verschiedene Faseranordnungen können für optische Faserverstärker eingesetzt werden. Dies bedeutet, es können Anordnungen verwendet werden, die den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, wie beispielsweise die als depressed cladding Fasern bezeichnete Fasern mit bestimmter Ummantelung, dispersionsverschobene Fasern, Vierfachmantelfasern, die auch als quadruple clad Fasern bezeichnet werden, polarisationserhaltende Fasern, Fasern mit Stufen-Brechungsindexkern und ähnliche. Alle diese Faseranordnungen können durch Standardtechniken hergestellt werden, wie beispielsweise durch die axiale Gasphasenabscheidung (Vapor Axial Deposition, VAD), außenseitige Gasphasenabscheidung (Outside Vapor Deposition, OVD) und die modifizierte chemische Gasphasenabscheidung (Modified Chemical Vapor Deposition, MCVD). Es wird bedacht, daß beliebige bzw. alle Faseranordnungen gemäß den Prinzipien der Erfindung zur Vorform- und Faserherstellung verwendbar sind.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren der Herstellung einer dotierten optischen Faservorform und, letztlich, einer dotierten optischen Faser das Abscheiden der Ummantelungs- und Kernbereiche bei der Vorform gemäß Standardabscheidungstechniken, wie beispielsweise MCVD, VAD, OVD oder ähnlichen, das Einfügen eines Filamentes bzw. Fadens mit einer kalibrierten Menge von Dotierstoff-Ionen, wie beispielsweise Er³&spplus; oder ähnlichen in einen Bereich, so daß diese durch den Kern umgeben wird, das Konsolidieren oder Kollabieren der Ummantelung und des Kerns um das dotierte Filament bzw. um den dotierten Faden, um die dotierte Vorformanordnung auszubilden, wobei der Kernbereich den Faden umgibt, und das Ziehen der dotierten optischen Faser von der dotierten Vorform unter Verwendung von Standardfaserziehtechniken. Der Faden bzw. das Filament wird durch standardfaserherstellungs- und Dotierungsverfahren ausgebildet. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird die MCVD-Herstellung einer auf Quarzglas basierenden Standardvorform, umfassend das Lösungs-Dotieren mit Seltenenerden-Ionen und nachfolgendes Trocknen und Kollabieren, gefolgt von einem Faserziehschritt, um einen dotierten Faden mit einer vor-kalibrierten Dotierstoffkonzentration zu verwirklichen. Es ist für Fachleute mit üblichen Fähigkeiten klar, daß der Faden einer "Zuchtfaser oder Seed-Faser" darstellt. Diese Bezeichnung wird verwendet, um den Vorgang des Ziehens der Vorformanordnung mit dem Faden mit Dotierstoffmaterial zu bezeichnen. Um jedoch Konfusionen zu vermeiden, wird der Ausdruck "Faden" oder "Filament" verwendet, um diesen von der dotierten optischen Faser, welche aus der dotierten optischen Faservorform gezogen wird, welche den "Faden" inkorporiert, zu unterscheiden.
Die nachfolgende Beschreibung umfaßt die modifizierte chemische Gasphasenabscheidung als beispielhaftes Standardabscheidungsverfahren und das als Solution Doping bezeichnete Lösungsdotieren als beispielhaftes Verfahren zum Einbringen von Dotierstoffmaterialien in eine Vorform. Beide Techniken werden verwendet, um einen beispielhaften Faden auszubilden. Dies bedeutet, die beispielhaft dotierte Vorform wird unter Verwendung eines MCVD-Verfahrens zusammen mit Gasphasendotierung, gefolgt von Standardfaser-Ziehverfahren zum Ausbilden des dotierten Fadens verwendet. Nachdem der dotierte Faden gezogen wurde, wird dessen Dotierstoffkonzentration gemessen und der Faden bzw. das Filament präpariert für das Einfügen in die zylindrische Öffnung, die im Kernbereich der abgeschiedenen Materialien, welche die Vorform umfaßt, ausgebildet ist.

MCVD-Bearbeitung

MCVD ist das einfachste und vielleicht flexibelste der Lichtleiterverfahren. Es beginnt mit einem Rohr, typischerweise kommerzielles Silika oder Quarzglas, welches einen Teil der Ummantelung in der lichtführenden Struktur zur Verfügung stellt und ebenfalls als Einschlußgefäß für das Abscheidungsverfahren wirkt. Das Rohr wird charakterisiert und ausgewählt nach Abmessungen, Äußerem bzw. Siding, Querschnittsfläche und Gleichförmigkeit und vor der Verwendung gereinigt. Die Abscheidungsstation umfaßt eine Glasbearbeitungsdrehbank, ein chemisches Zuführsystem und eine zugeordnete Computersteuerungskonsole. Das Eintrittsende des Rohrs wird in einem von zwei synchron rotierenden Spannfutter der Drehbank befestigt und mittels eines drehbaren Gelenks an das chemische Zuführsystem gekoppelt. Das andere Ende des Rohrs wird an ein größeres Rohr geschmolzen und in dem zweiten Spannfutter montiert; dieses größere Rohr dient dazu, nicht inkorporiertes Material, das vom Abscheidungsprozeß herrührt, zu sammeln und ist an ein chemisches Waschsystem angeschlossen. Nach dem Aufbau des Rohrs wird dieses gedreht und mittels einer hin- und hergehenden Hitzequelle feuerpoliert. Als nächstes beginnt die Abscheidungsphase des Verfahrens.
Der grundlegende Abscheidungsprozeß umfaßt vorherrschend die homogene Temperatur-Gasphasenoxidation von flüchtigen, von Dampf zugeführten Zusammensetzungen, die als Submicrometerpartikel mittels Thermophorese abgeschieden und zu einem klaren Glasfilm geschmolzen werden. Das Abscheidungsverfahren verwendet gesteuerte Mengen von chemischen Reagenzien, die in einem Gasstrom eingeführt werden durch Führen von Trägergasen, wie beispielsweise O&sub2; oder He durch flüssige Dotierstoffquellen wie beispielsweise SiCl&sub4;, GeCl&sub4; oder POCl&sub3; oder direkte Proportionierung von gasförmigen Dotierstoffen, wie beispielsweise SiF&sub4;, BCl&sub3; und CCl&sub2;. Wie bei allen Formen der Gasphasenverarbeitung wirkt dieses Verfahren der Zuführung als Reinigungsschritt relativ zu Übergangsmetallverunreinigungen, welche in Rohmaterialien enthalten sein können und durch viel niedrigere Dampfdrücke gekennzeichnet sind. Chemische Gasmischung wird in das rotierende Rohr injiziert, in welchem eine heiße Zone entlang der Länge des Rohrs durch eine externe sich bewegende Hitzequelle, typischerweise ein Sauerstoff- Wasserstoff-Brenner, hin- und hergeführt wird.
Die Temperatur der heißen Zone wird durch optische pyrometrische Überwachung und Rückkopplung zu einer Flammentemperatursteuereinrichtung gesteuert. Schicht für Schicht von Material wird abgeschieden und ausreichend Hitze von der sich bewegenden Hitzequelle führt zum Sintern der Abscheidungen, wenn sich die heiße Zone über diese bewegt.
Bei der MCVD wird zuerst hochreine Ummantelung abgeschieden, dann der Kern. Diese Ummantelung dient einer Anzahl von Funktionen: Sie wirkt als Barriere gegenüber Einfusion von Verunreinigungen, insbesondere OH, in den aktiven Bereich des Lichtleiters, sie stellt niedrige Ummantelungsverluste für eine beliebige Leistung, die sich im Mantel ausbreitet, sicher, letztlich minimiert diese beliebige Streuverluste, die aufgrund von Tubing- bwz. Rohrstrang-Defekten oder Zwischenschichten-Irregularitäten an der inneren Rohroberfläche auftreten können. Bei Einzelmodenfasern kann die abgeschiedene Ummantelung ebenfalls der zusätzlichen Funktion dienen, kompliziertere, dispersionsoptimierte Konstruktionen durch Anpassung des Ummantelungs-Brechungsindexprofils herzustellen. Die Kernabscheidung erfolgt als nächstes, 30-70 Schichten für Mehrmodenanordnungen umfassend gegenüber einer bis einigen Schichten für Einzelmodenanordnungen. Die abgeschiedene Ummantelung kann eine Vielzahl von Brechungsindex-angepaßten oder gesenkten bzw. depressden Zusammensetzungen in dem F- SiO&sub2;-GeQ-P&sub2;O&sub5;-System sein, wobei geringe Mengen von P&sub2;O&sub5; manchmal vorherrschend zum Senken der Abscheidungstemperatur verwendet werden. Kernzusammensetzungen sind typischerweise GeO&sub2;-SiO&sub2;, wobei geringe Mengen von P&sub2;O&sub5; für Gradientenindex- Mehrmoden-Fasern verwendet werden. Die Abmessungen und Brechungsindexprofile der eventuellen Faseranordnung wird aufgebaut durch das Abscheiden aufeinanderfolgender Schichten von gesteuerter Zusammensetzung bis zur erwünschten Dicke, dann des Kollabierens des zusammengesetzten Rohrs plus der Abscheidung zu einem festen Vorformstab. Die gesamte Anzahl von abgeschiedenen Schichten wird ausgewählt auf der Basis der Anfangsröhrenabmessungen, der Abscheidungsgeschwindigkeit, der Profilkomplexität und der Faserkonstruktion.
Im Hinblick auf das MCVD-Verfahren stellt Fig. 1 eine Drehbank 1 dar, die ein Substratrohr 2 hält, innerhalb welchem durch eine Erhitzungseinrichtung 4 eine heiße Zone 3 erzeugt wird. Das Rohr 3 kann beispielsweise in der durch einen Pfeil 5a dargestellten Richtung gedreht werden und die heiße Zone 3 kann entlang des Rohrs 2 durch Bewegung der Erhitzungseinrichtung 4, wie es schematisch durch den doppelköpf igen Pfeil 5b dargestellt ist, beispielsweise durch ein mit Gewinde versehenes Führungselement 6, bewegt werden. Gasförmiges Material wird in das Rohr 2 mittels des Einlaßrohrs 7 eingeführt, welches wiederum an Quellmaterialreservoirs 8 angeschlossen ist. Derartige Reservoire können einen Sauerstoffeinlaß 9 umfassen, der an eine nicht dargestellte Einrichtung angeschlossen ist: Wie dargestellt kann gasförmiges Material ebenfalls durch Einlässe 10 und 11 durch eine nicht dargestellte Einrichtung und durch einen Einlaß 12 vom Reservoir 13 zugeführt werden. Die Reservoire 14 und 15 umfassen normalerweise flüssiges Reaktionsmaterial, welches in das Rohr 2 mittels eines Trägergases, das durch Einlässe 10 und 11 eingeführt wird, wobei die Anordnung so ist, daß das Trägergas durch die Flüssigkeiten 16 und 17 blasenförmig hindurchtritt. Austretendes Material wird durch den Auslaß 18 ausgegeben. Die Anordnung der Mischventile und Absperrventile, welche zum Messen von Strömungen und zur Herstellung nötiger Einstellung der Zusammensetzung verwendet werden können, sind nicht dargestellt. Die Vorrichtung von Fig. 1 ist generell horizontal angeordnet.
Die Vorrichtung von Fig. 1 kann mit lediglich geringfügigen Abwandlungen vertikal angeordnet werden, wobei deren Betriebseigenschaften denjenigen der Vorrichtung aus Fig., 1 sehr ähnlich bleiben. Die vertikale Abscheidung des Substratrohrs verleiht jedoch dem Abschnitt des Rohrs innerhalb der heißen Zone Stabilität und kann die Verwendung von höherer Temperatur oder von längeren heißen Zonen in transversaler Richtung ohne widersprechende Störungen gestatten.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts eines Substratrohrs 30, wie es während der Abscheidung beobachtbar ist. Dargestellt ist eine Heizeinrichtung 31, die eine heiße Zone 32 erzeugt, welche entlang des Rohres 30 in der durch den Pfeil 33 dargestellten Richtung durch nicht dargestellte Einrichtungen bewegt wird. Gasförmiges Material wird an der linken Seite des Rohres 30 eingeführt und strömt in den aufgebrochenen Abschnitt der Figur in der durch den Pfeil 34 dargestellten Richtung. Bei den Bearbeitungsbedingungen sind zwei Bereiche klar zu erkennen. Die stromabwärts der heißen Zone 32 gelegene Zone 35 wird mit einer sich bewegenden pulvrigen Suspension von speziellem oxidischen Material gefüllt, während der von derartigem partikelförmigen Material freie Bereich 36 den Bereich definiert, innerhalb welchem das Schmelzen von abgeschiedenem Material auftritt.
Die Konsolidierung bzw. Verfestigung des abgeschiedenen Materials wird benötigt, um die Vorformanordnung herzustellen. Das Rohr 30 wird auf eine hohe Temperatur erhitzt durch Bewegen des Sauerstoff- Wasserstoff-Brenners 31 auflangsame Weise entlang der Länge des Rohrs. Wenn der Brenner sich entlang dem Rohr bewegt, erreicht die Temperatur des Glases dessen Erweichungspunkt. Wenn der Erweichungspunkt erreicht wird, veranlaßt die Oberflächenspannung das gleichförmige Kollabieren des Rohrs mit dessen abgeschiedenen Glasschichten in einem festen Stab, welcher Vorform genannt wird.
Der letztliche Schritt beim optischen Faserherstellungsverfahren ist das Ziehen der Faser aus der Vorform. Das Faserziehen wird erreicht durch Einbringen der Vorformanordnung in einen Hochtemperaturofen mittels eines Vorformzuführungsmechanismus. Das Ausrichten und Zentrieren der Vorform relativ zum Ofen ist kritisch. Dies kann durch manuelle oder automatisierte Justierungstechniken erreicht werden, welche für Fachleute auf dem Gebiet gut bekannt sind. Für das Quarzglasfaserziehen erfordern Betrachtungen im Hinblick auf die Glasviskosität Ziehtemperaturen im Bereich von 1.900 bis 2.300ºC. Die Spitze der Vorform erweicht, wenn diese in den Hochtemperaturofen eingebracht wird. Sowohl Gravitation als auch eine angelegte Zugkraft veranlaßt das Glas, sich "einzuschnüren", bis zu einer Faser mit geringem Durchmesser. Die Form des Einschnürungsbereichs wird durch eine Vielzahl von Faktoren bestimmt, umfassend den thermischen Gradienten im Ofen und angelegte Zugkräfte. Eine Steuer-Zugkraft wird unter Verwendung einer Faser-Zug-Antriebsrolle oder einer ähnlichen Quelle von Zugkraft aufrecht erhalten. Die Vorformzuführgeschwindigkeit und Antriebswellendrehgeschwindigkeit legen das Verhältnis des Herunterziehens von der Vorform zur Faser fest. Typischerweise werden Vorformen im Bereich von 10 bis 70 mm zu Fasern im 100 bis 225 um-Bereich heruntergezogen. Die Faserdurchmessersteuerung wird in üblichster Weise durch Ändern der Zuggeschwindigkeit erreicht, während das Zuführen der Vorformen bei einer festen Geschwindigkeit durch eine Wärmequelle mit konstanter Temperatur stattfindet. In-Line- Verfahren zum Aufbringen von Schutzbeschichtungen auf die Glasfaser wenn diese gezogen wird, sind für Fachleute auf dem Gebiet bekannt.
Eine detailliertere Erklärung der modifizierten chemischen Gasphasenabscheidung wird in dem US-Patent 4,217,027 und dessen zugehörigem Reexamination Certificate BI 4,217,027 gegeben, die beide durch Zitierung ausdrücklich mit einbezogen werden. Im Hinblick auf andere Standardabscheidungstechniken werden ebenfalls detaillierte Erläuterungen der axialen Gasphasenabscheidung und Außenseiten-Gasphasenabscheidung in den US-Patenten 4,966,466 (VAD), 3,737,292 (OVD) und 3,737,293 (OVD) gegeben, die alle durch Zitierung hier ausdrücklich mit einbezogen werden.

Faserdotierung

Wie vorstehend beschrieben wird der dotierte Faden durch ein optisches Standardherstellungsverfahren hergestellt, welches ein Standardverfahren für das Einbringen von Dotierstoffmaterial für seine Inkorporierung in der Vorform, welche letztlich zum Ausbilden des Fadens gezogen wird, umfaßt. Es wurden Verfahren angegeben für die Dotierstoffzuführung zu den Reaktions- und Abscheidungszonen während der Vorformherstellung unter Verwendung von MCVD- und VAD- oder OVD-Techniken. Diese Verfahren umfassen sowohl Gasphasenzuführung als auch Flüssigphasenzuführungsverfahren.
Zur Gasphasenzuführung von Dotierstoffmaterial beim MCVD-Verfahren liefern Heißschwamminjektor und Injektor mit erhitzter Quelle Dotierstoffmaterialien, wie beispielsweise Seltenenerden-Chloriddämpfe zur Reaktion durch Oxidation stromabwärts zusammen mit anderen Standardreaktoren. Bei all diesen Verfahren werden Reaktionsmittel mit niedrigem Druck dadurch aufgenommen, daß die Gasquelle nahe zur Reaktionszone gebracht wird und die Quelle unmittelbar durch Mischen mit anderen Reaktionsmitteln verdünnt wird. Die Quelle mit erhitztem Schwamm bzw. die Heißschwammquelle wird hergestellt durch Aufsaugen eines porösen versotteten Bereichs, der an der stromaufwärts gelegenen Innenwand eines MCVD-Rohres abgeschieden ist, unter Verwendung einer Seltenenerden-Chloridlösung. Beim Erhitzen und nach dem Dehydrieren wird der Schwamm zu einer Quelle für Seltenenerden-Dotierstoffe. Beide andere Verfahren verwenden das erhitzte Chlorid direkt als Quelle nach der Dehydrierung.
Ein zusätzliches Gasphasen-Dotierstoff- Zuführverfahren beim MCVD-Verfahren ist das Aerosol- Zuführverfahren. Dieses Verfahren überwindet die Notwendigkeit von Verbindungen einer erhitzten Quelle dadurch, daß der Dampf am Reaktionsort erzeugt wird. Während die Aerosol-Zuführung eine Einrichtung für das Inkorporieren einer Vielzahl von Dotierstoffen bereitstellt, erfordert dieses Beachtung der Reaktion oder Eliminierung von Trägerflüssigkeitsprodukten, wie beispielsweise OH.
Ähnliche Techniken für die Gasphasen- Dotierstofflieferung wurden für OVD und VAD angegeben. Eine detailliertere Beschreibung der Gasphasenlieferung von Dotiermaterialien in einem MCVD-Verfahren wird in den US- Patenten 4,616,901 und 4,787,927 zur Verfügung gestellt, welche beide durch Zitierung ausdrücklich hier mit einbezogen werden.
Flüssigphasenverfahren wurden ebenfalls zur Verwendung beim MCVD-Verfahren angegeben. Diese Verfahren umfassen die im amerikanischen Sprachgebrauch als Soot- Impregnation bezeichnete Rußimprägnierung, das molekulare Stuffing und das Lösungsdotieren. Beim letztgenannten Verfahren wird eine ungesinterte oder poröse Schicht von Quarzglas zuerst in dem Rohr durch das MCVD-Verfahren abgeschieden. Das Dotieren tritt durch Füllen des Rohrs mit einer wässrigen Lösung eines Seltenenerden-Chlorids auf. Es wird der Lösung gestattet, von der ungesinterten Schicht während ungefähr einer Stunde vor deren Abführen einzudringen. Die imprägnierte Schicht wird dann bei hohen Temperaturen in Anwesenheit einer strömenden Mischung von Cl&sub2; und O&sub2; getrocknet. Das Lösungsdotierverfahren wird detaillierter in Electronics Letters, Band 23, Nr. 7, Seiten 329-331 (1987) beschrieben. Dieser Artikel wird durch Zitierung ausdrücklich hier mit einbezogen.
Herstellung der dotierten Vorform Die Herstellung der dotierten optischen Faservorform wird in der Folge der Figuren beginnend bei Fig. 3 und fortlaufend bis Fig. 5 erläutert.
In Fig. 3 wird das Substratrohr 40 im Querschnitt wahrend eines MCVD-Verfahrens ähnlich zu dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten gezeigt. Der als Bereich 41 dargestellte Bereich umfaßt Ummantelungs- und Kernabschnitte in Folge von außen nach innen. Die Kombination, Zusammensetzung und das Brechungsindexprofil der Ummantelungs- und Kernabschnitte liegen dem herzustellenden Typ von dotierter Faser fest. Ein Sauerstoff-Wasserstoff- Brenner 31 erhitzt das Substrat 2 durch Führen des Rohrs entlang der Richtung, die als Pfeil 44 dargestellt ist. Sich sammelnde Niederschläge 42, die bildlich auch als Sotte oder Ruß bezeichnet wurden und ein Bereich 43 ohne Abscheidung sind zur Vervollständigung des Verständnisses dargestellt.
Nach der Abscheidung der Abscheidung der verschiedenen Ummantelungsschichten und des Kernabschnitts wird die Ausbildung einer zylindrischen Öffnung 47, im wesentlichen in der Mitte und entlang der Längsachse des Kernabschnitts bewegt. Es kann an diesem Punkt erwünscht sein, das Konsolidieren und Kollabieren der abgeschiedenen Materialien im Rohr 40 zu beginnen durch Aufbringen von Wärme von Brenner 31 entlang der Länge des Rohrs, wobei die Glasmaterialien erweichen und kollabieren. Das Kollabieren sollte bis zu einem Punkt fortschreiten, bei welchem ausreichender Freiraum für das Einfügen des dotierten Fadens 45 besteht. Während die zylindrische Öffnung im allgemeinen nach anfänglichem Kollabieren eine im wesentlichen zylindrische Form behält, wird bedacht, daß bekannte Vakuumtechniken verwendet werden können, um zu bewirken, daß die Öffnung sich zu einer im wesentlichen elliptischen Form verändert.
In einem Beispiel aus der experimentellen Praxis wird der dotierte Faden generell so hergestellt, daß dieser einen außenseitigen Durchmesser von ungefähr einigen hundert Micrometern hat, jedoch in jedem Fall weniger als oder gleich 500 um hat. Der dotierte Faden 45 wird entweder vor oder nach dem anfänglichen Kollabieren in die in dem Kernabschnitt ausgebildete Öffnung eingefügt. Das Einfügen beginnt durch Schieben des Fadens in die Kernöffnung vom Staub-Sammler-Ende des MCVD-Reaktors. Es wird erwartet, daß die Öffnung einen geeigneten Durchmesser von der Größenordnung von 1 mm hat. Um das Einfügen des dotierten Fadens zu unterstützen, wird Wärme generell durch den Sauerstoff-Wasserstoff-Brenner 31 vor dem Einfügen und/oder während des Einfügens dem gesamten Substratrohr zugeführt. Ferner sollte der Eliminierung von Kontaminierungen, wie beispielsweise OH Beachtung geschenkt werden. Im Hinblick auf die Eliminierung von Kontaminationsstoffen wird ein sich bewegender Strom einer Gasmischung, die wenigstens eines aus der O&sub2; und Cl&sub2; umfassenden Gruppe enthält, der zylindrischen Öffnung zugeführt und dem Ende, das demjenigen gegenüberliegt, von welchem das Einfügen beginnt, dies bedeutet dem Staub-Sammler-Ende gegenüberliegt. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, tritt das Einfügen von rechts nach links auf. Somit würde der sich bewegende Strom von Gasen in entgegengesetzter Richtung eingeführt, dies bedeutet von links nach rechts.
Nachdem der Faden in der Öffnung des Kernabschnitts angeordnet wurde, wird Wärme vom Brenner 31 dem Rohr, welches den Ummantelungs-, Kernabschnitt und Faden umfaßt, zum Konsolidieren und Kollabieren dieser Elemente, so zugeführt, daß der Kernbereich am dotierten Faden anliegt. Allgemein bewegt sich der Brenner in Richtung 46 entlang des Rohres. Als Ergebnis dieses Verfahrens wird eine dotierte optische Faservorform hergestellt. Diese Vorform kann unter Verwendung von Standardtechniken gezogen werden, um die dotierte optische Faser zu erhalten.
Dotierte optische Fasern, die von dotierten Vorformen gezogen wurden, welche gemäß den Prinzipien der Erfindung hergestellt wurden, haben die einzigartigen Eigenschaften, daß hochflüchtige Dotierstoffmaterialien im wesentlichen entlang der Mittenachse des Kernabschnitts der Faser konzentriert sind und die Dotierstoffmaterialien sind in einer Menge eingebracht, welche kalibriert ist, um eine erwünschte Konzentration in der Faser bereitzustellen, ohne chemische Reaktion zwischen den Dotierstoffmaterialien und den abgeschiedenen Kernmaterialien zu erfordern. Das Zentrieren der Dotierstoffmaterialien im Kern wird bevorzugt, da ein solcher Dotierstoffort die Pumpeffizienz optimiert. Die Kalibrierung der Dotierstoffkonzentration im Faden und letztlich, durch Skalierung, in der dotierten Faser wird durch Messen der Verluste im Faden vor dem Einfügen erreicht, um vorhersehbare und gleichförmige Dotierstoffkonzentration in der Faser von Ende zu Ende sicherzustellen. Da die Verluste in einer Strecke des Fadens bekannt sind, kann Längen oder weiteres Ziehen von diesem Faden durchgeführt werden, um die Verluste zu steuern und dabei die Dotierstoffkonzentration mit einem höheren Grad an Genauigkeit zu einem erwünschteren Pegel zu justieren. Das Skalieren wird verstanden als bezogen auf die Tatsache, daß sich die Konzentration in der Vorform (der Faden) zu der Konzentration in der dotierten Faser wie die Länge der Vorform zur Länge der dotierten aus dieser gezogenen Faser verhält. Als Folge ist das Dotieren von Fasern gemäß den Prinzipien des erfindungsgemäßen Verfahrens bis zu einem viel höheren Grade als herkömmliche Techniken exakt und steuerbar.

Beispiel

Bei einem Beispiel der experimentellen Praxis wurde der Faden durch MCVD hergestellt unter Verwendung eines F300 Amersil-Tragrohrs mit niedrigem OH-Gehalt (5 ppm OH bezogen auf das Gewicht) mit den Abmessungen 19 mm x 25 mm, jeweils Innendurchmesser und Außendurchmesser. Ein Erbium-dotierter Alumino-Silikat-Kern wurde in dem Tragrohr abgeschieden unter Verwendung von Gasphasendotierstoffzuführung, um eine numerische Apertur von 0,15 mit einer Molprozent Aluminium- Zusammensetzung von ungefähr 3,3 zu erhalten. Ein Brechungsindexprofil des Kernabschnitts relativ zum Tragrohr (Null-Basislinie) ist in Fig. 6 dargestellt. Nach dem Konsolidieren und Kollabieren dieser dotierten Anordnung zum Ausbilden einer Vorform wurde der dotierte Faden unter Verwendung für Fachleute auf dem Gebiet bekannten Standardtechniken gezogen. Es wurden Fäden mit zwei verschiedenen Abmessungen gezogen, nämlich ein Faden mit einem 32 um Kerndurchmesser und einem äußeren Durchmesser von 150 um und ein Faden mit einem 7,2 um Kerndurchmesser und einem äußeren Durchmesser von 100 um. Die spektralen Verluste eines derartigen Fadens sind in Fig. 7 dargestellt, bei welcher eine Spitzenabsorption von 38 dB/m bei 1,53 um auftritt, welche eine Erbiumoxid-Konzentration von ungefähr 1.400 ppm anzeigt.
In dem Beispiel aus der experimentellen Praxis wurde die dotierte optische Faservorform und die sich ergebende dotierte optische Faser durch ein MCVD-Verfahren hergestellt. Eine Fluorphosphor-dotierte Ummantelungsschicht wurde zuerst in einem TO8 Amersil 19x25 Standardtragrohr abgeschieden. Der Abscheidung der Ummantelung folgend wurde ein Germanium-Silikatkern abgeschieden. Das Tragrohr wurde so kollabiert, daß nach dem Einfügen des Fadens lediglich eine zusätzliche Bewegung des Brenners nötig war, um die Herstellung der Vorformanordnung zu vervollständigen. Ein Brechungsindexprofil der zweiten beispielhaften Vorform ist in Fig. 8 dargestellt. Ein entsprechendes Verlust- oder Absorptionsspektrum der auf dieser Vorform gezogenen Faser ist in Fig. 9 dargestellt. Die zwei in Fig. 9 dargestellten Spitzen mit hohen Verlusten beziehen sich auf OH- und Er³&spplus;- Absorption.
Die dotierte Faser, die durch die Figuren 8 und 9 charakterisiert ist, wurde zu einer Länge von 9,5 km gezogen. Beim bidirektionalen Pumpen unter Verwendung breitbandiger Laser bei 1,47 um wies die dotierte Faser ausreichende Verlustkompensation auf, um Transparenz zu erreichen. Bei der vorstehenden Beschreibung wurden vereinfachte Kern-Ummantelungsanordnungen mit dem Faden weiterentwickelt. Es wird bedacht, daß komplexere Strukturen verwendet werden können, ohne die fundamentalen lichtführenden Eigenschaften der dotierten Faser zu beeinflussen. Beispielsweise kann der Faden eine dotierte dispersionsverschobene Faseranordnung, eine dotierte polarisationserhaltende Faseranordnung oder ähnliches sein. Zusätzlich wird bedacht, daß Fäden mit Schutzmänteln ebenfalls verwendbar sind. Es wird erwartet, daß das Einbringen derartiger Fäden in eine O&sub2;-Atmosphäre die Pyrolyse der Ummantelung bewirkt, wobei keine unerwünschten Rückstände zurückgelassen werden.
Aufgrund der Abmessungen und der Festigkeit des Fadens kann das Einfügen des Fadens durch die Öffnung in den Kern schwierig werden. Es wird bedacht, daß ein festes Element an einem Ende des Fadens so befestigt oder so an diesem angebracht werden kann, daß dieses in die Öffnung eingeführt und zum Ziehen des Fadens durch den Kern verwendet werden kann.
Wie vorstehend beschrieben erfordert das vorliegende Verfahren zum Ausbilden einer dotierten Vorform keine chemische Reaktion des Dotierstoffmaterials mit dem abgeschiedenen Kernmaterial. Von der Wirkung her werden die Dotierstoffmaterialien in dem Faden eingeschlossen und hierbei stabilisiert. Gegenüber Standard-Stab- und -Rohrverfahren erfordert das vorliegende Verfahren nicht die Verflüchtigung der Dotierstoffmaterialien. Das vorliegende Verfahren gestattet die Inkorporierung von üblichen Dotierstoffmaterialien sowie von Dotiermaterial, welches andernfalls durch Standard-Gasphasenzuführungs- oder Flüssigphasenzuführungsverfahren nicht abgeschieden werden könnte.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer optischen Glasfaserübertragungsleitung mit einem Kernabschnitt und einer Ummantelung, bei welcher die Ummantelung einen Brechungsindex hat, der niedriger ist als ein Maximumbrechungsindex des Kernbereichs bei der Energie der zu übertragenden Wellenlänge, wobei das Verfahren das Abscheiden des Kernabschnitts und Ummantelung umfaßt, wobei wenigstens der Kernabschnitt bearbeitet wird, um eine sich von einem ersten Ende des Kernabschnitts zu einem zweiten Ende des Kernabschnitts entlang einer Längsachse des Kernabschnitts erstreckende zylindrische Öffnung hat, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faden mit einem Durchmesser von weniger oder gleich 500um in die zylindrische Öffnung am ersten Ende eingefügt wird, bis der Faden aus dem zweiten Ende austritt, wobei der Faden eine vorbestimmte Konzentration eines Dotiermaterials umfaßt und Erhitzen des Kernabschnitts und der Ummantelung, um um den Faden herum zu kollabieren und mit diesem in Kontakt zu treten, wobei eine feste Vorf orm-Anordnung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Abscheidungsverfahren modifizierte chemische Gasphasenabscheidung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Kern und die Ummantelung und der Faden Glasmaterialien enthalten, die aus der Gruppe der Silizium enthaltenden Zusammensetzungen ausgewählt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Dotiermaterialien aus der aus seltenen Erdenionen, wie beispielsweise Nd³&spplus;, Ho³&spplus;, Eu³&spplus;, Er³&spplus;, Yb³&spplus;, Tb³&spplus; und Dy³&spplus; bestehen.

5. Verfahren nach Anspruch 2, umfassend das Erhitzen des Kernabschnitts auf eine vorbestimmte Temperatur unter dessen Erweichungspunkt vor dem Einfügen des Fadens, um das Einfügen zu erleichtern.

6. Verfahren nach Anspruch 2, umfassend das Erhitzen des Kernabschnitts auf eine vorbestimmte Temperatur unter dessen Erweichungspunkt während des Einfügens des Fades, das Einfügen zu erleichtern.

7. Verfahren nach Anspruch 2, umfassend das axiale Drehen des Kern während des Abscheidens und Erhitzens.

8. Verfahren nach Anspruch 2, umfassend das Bereitstellen eines sich bewegenden Stroms einer Gasmischung, die wenigstens eines aus der Gruppe umfaßt, die besteht aus O&sub2; und Cl&sub2;, in der zylindrischen Öffnung vom zweiten Ende zum ersten Ende während des Einfügens des Fadens.

9. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Erhitzen sich durch eine bewegende Wärmequelle außerhalb der Ummantelung und des Kernabschnitts erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Ziehen der festen Vorformanordnung zur Erzeugung einer dotierten Faser, wobei das Dotiermaterial im wesentlichen entlang einer Mittenachse des Kerns konzentriert ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Standardabscheidungsverfahren aus der Gruppe gewählt wird, welche eine axiale Gasphasenabscheidung und eine äußere Gasphasenabscheidung umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Kern und die Ummantelung und der Faden Glasmaterialien umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die aus Silizium umfassenden Zusammensetzungen besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die Dotiermaterialien ausgewählt sind aus der Gruppe, die aus seltenen Erdenionen besteht, wie Nd³&spplus;, Ho³&spplus;, Eu³&spplus;, Er³&spplus;, Yb³&spplus;, Tb³&spplus; und Dy³&spplus;.

14. Verfahren nach Anspruch 11, erfassend das Erhitzen des Kernabschnitts auf eine vorbestimmte Temperatur unter dessen Erweichungspunkt vor dem Einfügen des Fadens, um das Einfügen zu erleichtern.

15. Verfahren nach Anspruch 11, umfassend das Erhitzen des Kernabschnitts auf eine vorbestimmte Temperatur unter dessen Erweichungspunkt während des Einfügens des Fadens, um das Einfügen zu erleichtern.

16. Verfahren nach Anspruch 11, umfassend das Bereitstellen eines sich bewegenden Stroms einer Gasmischung, die wenigstens eines aus der Gruppe enthält, die besteht aus O&sub2; und Cl&sub2;, in der zylindrischen Öffnung vom zweiten Ende zum ersten Ende während des Einfügens des Fadens.

17. Verfahren nach Anspruch 11, umfassend das Bohren des Kernabschnitts, um eine zylindrische Öffnung in diesem zu erzeugen.