DE69214252T2 - Mit Alkalimetall dotierte, auf SiO2 basierende optische Faser - Google Patents

Mit Alkalimetall dotierte, auf SiO2 basierende optische Faser

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine auf SiO&sub2; basierende optische Kommunikationsfaser.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Die letzten paar Jahre sorgten für einen erstaunlichen Fortschritt auf dem Gebiet der optischen Faserkommunikation. Eine auf Silika- oder Quarzglas basierende optische Faser mit geringem Verlust (beispielsweise um 0,3 dB/km), das Übertragungsmedium der vorliegenden Wahl, wird heute zum Beispiel routiniert hergestellt. In der Tat wurde eine auf Silika- oder Quarzglas basierende Einzelmodenfaser erzielt, deren Verlust nur ein paar Hundertstel dB/km oberhalb des theoretischen Minimums liegt.
  • Der Faserverlust ist ein Kennwert von großer wirtschaftlicher Bedeutung, weil er z.B. die maximale Distanz zwischen Verstärkern oder Überträgern eines vorgegebenen Übertragungswegs bestimmt. Somit ist es höchst wünschenswert eine Faser mit dem geringstmöglichen Verlust zur Verfügung zu haben. Es ist bekannt, daß eine optische Faser einen Kern von relativ hohem Brechungsindex umfaßt, der von einer Ummantelung mit einem relativ niedrigen Brechungsindex berührend umgeben wird.
  • Bekannt ist, daß einige nicht auf SiO&sub2; basierende Gläser (beispielsweise Fluorid und hochalkalische Aluminium- Silikatgläser) einen geringeren Verlust als SiO&sub2; besitzen würden, wenn sie ausreichend rein hergestellt werden könnten. Bis heute jedoch wurde dieses nicht ermöglicht. Darüberhinaus würden solche Fasern wahrscheinlich eine Behandlung und Verfahren verlangen, die sich von den heute in der Industrie etablierten grundlegend unterscheiden.
  • Auf dem Gebiet ist allgemein anerkannt, daß das Zufügen einer kleinen Menge alkalischen Metalloxids zu gläsernem SiO&sub2; die intrinsische Gesamtdämpfung des sich ergebenden Glases über die von reinem SiO&sub2; erhöht (welche heute bekanntermaßen bei ungefähr 0,15 dB/km bei λ=1,55 µm liegt). Einzusehen beispielsweise bei Y. Schroeder et al., Journal of the American Ceramic Society, Band 56 (10) Seiten 510 bis 514, speziell Fig. 2, die für niedrige Konzentrationen von K&sub2;O in SiO&sub2; ein großes Peak beim Landau- Placzek-Verhältnis zeigt. Ebenso nachzulesen in Treatise on Materials Science and Technology, Band 12, von M. Tomozawa et al., Academic Press 1977, speziell die Seiten 183 und 184, die ähnliche Werte für K-dotiertes (Fig. 5) und Na- dotiertes (Fig. 6) SiO&sub2; aufzeigen.
  • Die Patentschrift US 4,666,247 offenbart eine SiO&sub2;- basierende optische Faser mit einem "Modifizierer", der aus Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba und den seltenen Erden ausgewählt ist und die ferner einen aus B, Al, Ga, In, P, As und Sb ausgewählten "Homogenisierer" umfaßt. Die Patentschrift lehrt, daß die Gegenwart des Homogenisierers relativ hohe Modifiziererkonzentrationen zu erzielen ermöglicht, die bei Fasern des Standes der Technik zu einer Phasentrennung oder Kristallisation führen. S.R. Nagel et al. (Journal of the American Ceramic Society, Band 59 (1-2) Seite 47, 1976) beschreiben eine Technik zum Herstellen einer Faser, die einen Kahumwasserglaskern und eine Silikat-Ummantelung besitzt, wobei K als Brechungsindexerhöhender Dotierstoff dient. Die Fasern besaßen einen Minimalverlust (10 dB pro km) bei ungefähr 0,65 µm und eine relativ große Kernausdehnung (bis zu einem Durchmesser von 40 µm). Folglich waren die Fasern bei jeder in dem Dokument offenbarten wellenlänge keine Einzelmodenfasern.
  • Aus den eingangs diskutierten und aus weiteren Gründen ist es höchst wünschenswert, eine optische Faser zur verfügung zu haben, die bei den wichtigen Kommunikationswellenlängen von ungefähr 1,31 und 1,55 µm einen geringeren intrinsischen Verlust als eine frühere SiO&sub2;- basierende Faser besitzt, die aber sonst in jeder Hinsicht im wesentlichen genauso arbeitet, wie die frühere Faser.
  • Diese Anmeldung offenbart eine Faser, die diese Anforderungen erfüllt. Bezeichnender Weise ist die Faser bei der gewünschten Betriebswellenlänge eine Einzelmodenfaser.
    • Figurenbeschreibung
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 Dämpfungswerte bei 1,55 µm als Funktion des Molanteils von Alkalimetall bei Alkali-dotiertem gläsernen Silika oder Quarzglas;
  • Fig. 2 Brechungsindexwerte als Funktion des Molanteils von Alkalimetall bei F-freiem K-dotiertem gläsernen Silika oder Quarzglas und exemplarisch bei F- und K-dotiertem gläsernen Silika oder Quarzglas; und
  • Fig. 3 schematisch die Abhängigkeit des intrinsischen Verlustes von der K- und F-Konzentration
    • Die Erfindung
  • Ich habe die überraschende Entdeckung gemacht, daß im Gegensatz zu den Erwartungen der Fachleute einige gläserne SiO&sub2; mit niedriger Alkalikonzentration über einen relativ schmalen Bereich des Alkaligehalts einen niedrigeren intrinsischen Verlust als reine gläserne SiO&sub2; bei den für die optische Kommunikation interessierenden Wellenlängen, beispielsweise bei 1,31 und/oder 1,55 µm besitzen können. Mit "intrinsischer Verlust" wird hier der selbst im Prinzip irreduzible optische Verlust in einem ideal reinen Material bezeichnet. Die Alkalien, die eine solche Verlustreduktion herbeiführen können, sind K und Rb. Ich habe auch entdeckt, daß ein Ko-Dotieren mit F den Konzentrationsbereich, in welchem ein Dotieren mit K und Rb eine Verlustreduktion ergibt, bedeutend ausweiten kann. Glas der entsprechenden Zusammensetzung kann beispielsweise durch MCVD hergestellt werden (vgl. beispielsweise die eingangs erwähnte Patentschrift '247) und wird vorteilhafterweise in optischen Fasern typischerweise im Faserkern verwendet.
  • Die unerwartete Verringerung der minimalen intrinsischen Dämpfung durch "Dotieren" von SiO&sub2; mit einer geringeren Menge eines geeigneten Alkalis (oder Alkalien) wird als Folge der Konkurrenz zwischen den zwei vorherrschenden Streuverlustmechanismen im Glas angesehen. Diese Mechanismen hängen mit den Dichte- und Konzentrationsfluktuationen zusammen und führen jeweils zu den Dämpfungskonstanten αp und αc, die bei geringen Alkalikonzentrationen beide eine feinfühlige Funktion der Alkalikonzentration sind. Weitere bekannte am intrinsischen Streuverlust Mitwirkende sind die Brillouin-Streuung, die Raman-Streuung und ein Absorptionsverlust von der multiphononen Kante. Diese reagieren jedoch relativ unempfindlich auf geringe Alkalidotierstoffkonzentrationen bei den relevanten Wellenlängen und werden nicht weiter betrachtet.
  • Bei geringen Alkalidotierstoffkonzentrationen ist αp genau proportional zur Glasübergangstemperatur Tg (definiert als die Temperatur, bei der die Schmelzviskosität 10¹³ Poise beträgt; bei diesem Viskositätsgrad "frieren" die Dichtefluktuationen in der Schmelze ein), die von ihrem reinen Silika- oder Quarzglaswert von ungefähr 1450 K bei 1 Molprozent Alkalioxid jäh auf weniger als 1000 K fällt. Dieser Effekt scheint von den Alkalimetallarten annähernd unabhängig zu sein.
  • Auf der anderen Seite ist αc bei kleinen Dotierstoffkonzentrationen eine schnell anwachsende Funktion der Dotierstoffkonzentration, wobei das Anwachsen feinfühlig auf die Alkalimetallarten anspricht. Es ist bekannt, daß αc bei einem kleinen x proportional zu x (dn&sub0;/dx)² ist, wobei x der Molanteil des Alkalioxids in dem SiO&sub2;-basierenden Glas und n&sub0; der Brechungsindex des Glases ist.
  • Es ist die Konkurrenz zwischen diesen beiden intrinsischen Verlustmechanismen von der angenommen wird, daß sie zu einem reduzierten Minimum des intrinsichen Gesamtverlusts in der Nähe von x 0,01 bei M-dotierten SiO&sub2; führt, wobei x der Molanteil des Alkalioxids und M Na, K oder Rb ist. Dieses ist in Fig. 1 dargestellt, welche die intrinsische Gesamtdämpfung (α) als eine Funktion von x bei λ = 1,55 µm darstellt. Die Bezugsziffer 11 bezieht sich auf αp für M = Na, K und Rb und die Bezugsziffern 12, 13 und 14 beziehen sich für jeweils Na, K und Rb auf αc. Die Bezugsziffern 15, 16 und 17 beziehen sich für jeweils Na, K und Rb auf die intrinsische Gesamtdämpfung α, welche zusätzlich zu der Summe aus αp und αc einen im wesentlichen x-unabhängigen Beitrag von ungefähr 0,035 dB pro km bei Brillouin, Raman und multiphononen Verlusten enthält. Wie Fig. 1 zeigt, kann der Gesamtstreuverlust von xM&sub2;O (1- x)SiO&sub2; für x ≤ 0,03 geringer sein als der bei reinem SiO&sub2;, wenn M K ist und bei einem etwas kleineren x, wenn M Na oder Rb ist.
  • Ich habe auch entdeckt, daß ein Ko-Dotieren von Quarzglas mit F und K und/oder Rb nützliche Ergebnisse mit sich bringen kann. Im speziellen kann ein Ko-Dotieren mit Fluor den Bereich von x, bei dem der Gesamtstreuverlust geringer als der des reinen SiO&sub2; ist, vergrößern. Somit ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine auf Silika- oder Quarzglas basierende (d.h. mehr als 0,8 oder sogar 0,9 Molanteile von SiO&sub2;) optische Faser mit einem geringen Verlust, deren Kern SiO&sub2;, F und K und/oder Rb umfaßt, wobei die F- und Alkalikonzentrationen derart ausgewählt sind, daß das Kemmaterial ein α besitzt, das kleiner ist als das α einer ansonsten identischen Vergleichsfaser, deren Kern im wesentlichen alkalifrei ist.
  • Es wird angenommen, daß sich die Primärwirkung von F auf α durch dessen Wirkung auf αc, insbesondere durch dessen Wirkung auf dn&sub0;/dx einstellt. Fig. 2 zeigt beispielhafte Werte des Brechungsindexes n&sub0; in Abhängigkeit der K&sub2;O- Konzentration x bei einem F-freien Material (20) und bei einem exemplarischen F-dotierten Material (21) , jeweils bei sichtbarem Licht. Das F-dotierte Material besitzt die Zusammensetzung xK&sub2;O (1-x) [SiO&sub2;&submin;&sub0;,5yFy]. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erfüllt die F-Konzentration wenigstens annähernd (beispielsweise innerhalb (± 25 %) die Beziehung y=2x.
  • Die vorangegangene theoretische Diskussion wird nur aus pädagogischen Gründen dargeboten und die Erfindung ist nicht an die Korrektheit der dargebotenen theoretischen Erklärung gebunden.
  • Fig. 3 veranschaulicht schematisch die Beziehung zwischen dem intrinsischen Gesamtverlust und dem K- sowie F- Gehalt. Wie aus Fig. 3 gefolgert werden kann ist es typischerweise nicht vorteilhaft, das Alkali enthaltende auf SiO&sub2; basierende Glas mit mehr als ungefähr 4 Gewichtsprozenten von F zu dotieren. Ferner ist es im allgemeinen nicht vorteilhaft, das SiO&sub2; mit mehr als 0,07 Molanteilen des relevanten Alkalioxids zu dotieren, wobei weniger als 0,06 oder sogar 0,05 häufig vorzuziehen ist.
  • Die Fachleute werden es zu schätzen wissen, daß der Alkali-dotierte Bereich (typischerweise der Kern) der Faser gemäß der Erfindung zusätzlich zu SiO&sub2;, dem Alkali oder den Alkalien und dem freigestellten F auch weitere Dotierstoffe, wie z.B. Ge oder Al enthalten kann, wenn es zum Erreichen eines gewünschten Materialparameters, wie beispielsweise einen vorbestimmten Wert des Kernbrechungsindexes erforderlich ist. Bei einer gegenwärtig am meisten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kern jedoch nur mit F, K und/oder Rb dotiert und die Ummantelung ist mit ausreichend F dotiert, um zu der gewünschten Brechungsindexdifferenz zu führen.
  • Es wird geschätzt werden, daß die vorangegangene Diskussion nur die intrinsische Dämpfung betrifft und daß, um eine optische Faser herzustellen, deren Gesamtverlust geringer ist als der bei der entsprechenden Faser des Standes der Technik erzielte Gesamtverlust, die übliche strenge Aufmerksamkeit zur Beseitigung von im wesentlichen allen strahlungsabsorbierenden Verunreinigungen und anderen nicht-intrinsischen Verlustmechanismen erforderlich ist.
    • Beispiel:
  • Eine 19/25 mm SiO&sub2; -Röhrenvorform wird in einer herkömmlichen MCVD-Vorrichtung befestigt. Ein Quantum vorgeschmolzener hochreiner KCL wird im Inneren der Röhre nahe des Einlaßendes mit Hilfe eines SiO&sub2;-Löffels angeordnet, der mit Bezug auf die Vorrichtung stationär durch eine Einrichtung, die einen Drehverschluß umfaßt, gehalten wird. Die Innenoberfläche der Substratröhre wird auf herkömmliche Weise bei ungefähr 2100ºC unter Einsatz von CF&sub4; (120 cm³/min) und O&sub2; (3 l/min) und einem Staudruck von ungefähr 0,56 Torr ( 75 Pa) geätzt. Im Anschluß an das Ätzen wird die Röhre bei ungefähr 2100ºC und ungefähr dem gleichen Staudruck (02 bei 3 l/min) feuerpoliert. Anschließend werden 10 Schichten eines rückdotierten (Δ&supmin; = 0,08 %) Ummantelungsglases bei ungefähr 2100ºC und einem Staudruck von ungefähr 0,75 Torr ( 100 Pa) abgeschieden, indem SiCl&sub4; (6,5 g/min), CF&sub4; (125 cm3/min), POCl&sub3; (0,1 g/min), O&sub2; (2,1 1/min), und He (4,3 l/min) in die Röhre fließen. Die Ummantelungsabscheidung wird von der Abscheidung einer einzelnen Schicht eines hochdotierten (Δ&spplus; = 0,25 %) Kernglases bei ungefähr 2150ºC und einem Staudruck von ungefähr 0,75 Torr ( 100 Pa) gefolgt, indem SiCl&sub4; (0,7 g/min), GeCl&sub4; (0,3 g/min), (630 cm3/min) und He (825 cm3 /min) in die Röhre fließt. Nach der Kernglasabscheidung wird der Gasstrom in die Röhre auf O&sub2; und Cl&sub2; geändert, wobei der SiO&sub2;-Löffel mit der darin befindlichen KCl weiter in die Röhre gebracht wird und auf eine Temperatur oberhalb von 770ºC erhitzt wird, wobei die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeiten so ausgewählt sind, um das gewünschte K-Dotierniveau im Kernglas zu erhalten. Nach diesen Einstellungen wird ein zurückliegender Bereich der Röhre auf herkömmliche Weise zusammengedrückt. Die Faser wird aus der so hergestellten festen Stangenvorform gezogen. Die Faser ist bei 1,31 und 1,55 µm eine Einzelmode, zeigt keine Anzeichen einer Kristallisation oder einer Phasentrennung, besitzt einen Kaliumoxid- Molanteil von weniger als 0,03 im Kern und der Kern besitzt einen intrinsischen Verlust, der geringer ist als der einer ansonsten identischen Faser, die im wesentlichen alkalifrei ist.

Claims (8)

1. Auf Silika- oder Quarzglas basierende optische Faser, die eine Einzelmodenfaser bei einer vorherbestimmten Betriebswellenlänge ist, die einen Kern und eine den Kern berührende umgebende Ummantelung umfaßt, wobei der Kern wenigstens 0.8 Molanteile SiO&sub2; umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß
a) der Kern ferner x Molanteile M&sub2;O enthält, wobei M aus der aus K, Rb sowie K und Rb bestehenden Gruppe ausgewählt und 0 < x und x ungefähr &le; 0.07 ist; und
b) dem Kern bei der Betriebswellenlänge ein spezifischer Verlust zugeordnet ist, der geringer als der zugeordnete spezifische Verlust eines Kerns einer ansonsten identischen Vergleichsfaser ist, deren Kern im wesentlichen M-frei ist.
2. Optische Faser gemäß Anspruch 1, bei der der Kern ferner F umfaßt.
3. Optische Faser gemäß Anspruch 2, bei der der Molanteil von F in dem Bereich von 1.5 x bis 2.5 x liegt.
4. Optische Faser gemäß Anspruch 1, bei der x ungefähr &le; 0.03 ist, und bei der der Kern im wessentlichen F-frei ist.
5. Optische Faser gemäß Anspruch 1, bei der die Ummantelung F umfaßt.
6. Optische Faser gemäß Anspruch 5, bei der der Kern im wesentlichen aus Si, M, Sauerstoff und Fluor besteht und die Ummantelung im wesentlichen aus Si, Sauerstoff und Fluor besteht.
7. Optische Faser gemäß Anspruch 1, bei der die Betriebswellenlänge ungefähr 1.3 µm beträgt.
8. Optische Faser gemäß Anspruch 1, bei der die Betriebswellenlänge ungefähr 1.5 µm beträgt.
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