DE69428183T2 - Optische Faser zur Übertragung von Solitonen und Herstellungsmethode - Google Patents

Optische Faser zur Übertragung von Solitonen und Herstellungsmethode

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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft optische Fasern hoher Datenrate für Telekommunikationssysteme und Verfahren zum Herstellen derartiger Fasern.
  • Es ist bekannt, daß Solitonen in optischen Fasern erzeugt werden können, wenn die Übertragungsleistung in dem nicht- linearen Bereich liegt. Das optische Soliton hält seinen engen zeitlichen Impuls aufrecht, wenn es sich entlang der Faser ausbreitet, weil die Dispersion mit dem nicht-linearen Index ausgeglichen wird. Mathematisch wird dieses Phänomen mit der altbekannten, nicht-linearen Schrödinger-Gleichung beschrieben. Siehe beispielsweise die Veröffentlichung C. Sien, "Concatenated Soliton Fibre Link", Electronics Letters, Band 12, S. 237-238 (1992). Es existieren drei wichtige Terme in der nicht-linearen Schrödinger-Gleichung. Diese Terme beziehen sich auf eine Dämpfung, die Gruppengeschwindigkeitsdispersion und die nicht-linearen Indexeffekte. Das Ausgleichen der Gruppengeschwindigkeitsdispersion mit dem nicht-linearen Indexterm hat bis heute große Beachtung gefunden und ist altbekannt. Jedoch unterlaufen Impulse, die sich in realen Fasern ausbreiten, eine Dämpfung; dies kann dazu führen, daß Solitonenimpulse ein Zirpen und ein darauffolgendes Verbreitern entwickeln und dann im wesentlichen linear werden.
  • Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck "Dispersion" eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion, die die Gesamtheit der Materialdispersion und der Brechungsindex-Profildispersion ist.
  • Es ist vorgeschlagen worden, daß ein Soliton in einer Faser mit einer Dämpfung überleben kann, wenn ausgeführt werden kann, daß die Gruppengeschwindigkeitsdispersion ungefähr exponentiell mit einer Entfernung abnimmt (K. Tajima, "Compensation of Soliton Broadening in Nonlinear Optical Fibres with Loss", Optics Letters, Band 12(1), S. 54-56, 1987). Auf diese Weise wird die Gruppengeschwindigkeitsdispersion ausgeführt, sich kontinuierlich zu ändern, so daß sie zu dem sich ändernden Leistungspegel paßt. Die Publikation stellt fest, daß dies durch ein Variieren des Kerndurchmessers über eine Faserverjüngung erreicht werden kann und daß eine derartige Faser durch ein Steuern der Faserziehgeschwindigkeit gefertigt werden kann. Eine derartige Faser ist in Fig. 1 veranschaulicht, wobei der Durchmesser einer Faser 5 von dem Eingangsende 6 mit großem Durchmesser zu dem Ausgangsende 7 mit kleinem Durchmesser abnimmt. Der Durchmesser der Kern einer Faser 5 ist proportional zu dem Außendurchmesser der Faser. In dem theoretischen Beispiel, das von Tajima vorgeschlagen wird, ändert sich der effektive Kerndurchmesser einer derartigen Faser exponentiell von ungefähr 10 um bis ungefähr 5 um über 100 km.
  • Eine Faser mit abnehmender Dispersion wurde tatsächlich durch ein Variieren der Geschwindigkeit des Faserziehens hergestellt, um den Faseraußendurchmesser von 175 um auf 115 um zu ändern, wodurch die gemessene Dispersion von 10 ps/nm-km auf 1 ps/nm-km über eine 1 km-Länge abnahm (V. A. Bogatyrev et al., "A single-mode fiber with chromatic dispersion varying along the length", Journal of Lightwave Technology, Band 9(5), S. 561-566, 1991). Darauf wurde jene Faser verwendet, um einen kontinuierlichen Solitonenpulszug bei 70 Gb/s zu erzeugen (S. V. Chernikov, "70 Gbit/s-Faser-basierte Quelle von Fundamental-Solitonen bei 1550 nm", Electronics Letters, Band 28(13), S. 1210-1211, 1992). Derartige Fasern weisen eine potentielle Anwendung in Telekommunikationssystemen ultrahoher Datenrate des Typs auf, der in dem Solitonen-Kommunikationssystem der Fig. 2 schematisch veranschaulicht ist. Ein Pulszug wird in einen Verstärker 11 eingegeben und mit einer Faser DDF-15 mit abnehmender Dispersion gekoppelt, wobei die Dispersion an dem Eingangsende a größer als an einem Ausgangsende b ist. Nach einem Ausbreiten über eine Entfernung, die durch die maximale Dispersionsänderung begrenzt ist, wird das optische Signal in einem Verstärker 12 wieder verstärkt und in eine Faser DDF-16 mit abnehmender Dispersion gekoppelt, die einen angrenzenden Verstärker 12 am Ende a einer hohen Dispersion und einen angrenzenden Verstärker 13 am Ende b einer geringen Dispersion aufweist.
  • Es ist auch vorgeschlagen worden, daß eine Faser mit abnehmender Dispersion nützlich in einer Solitonen-Kommunikationsleitung sein kann, um die Entfernung zwischen beispielsweise den Verstärkern 11 und 12 zu erweitern. Während klarerweise zahlreiche Anwendungen einer Faser mit abnehmender Dispersion vorhanden sein könnten, wird eine verjüngte Faser, in welcher sich der Außendurchmesser wie auch der Kerndurchmesser bis zu dem in den Tajima- und Bogatyrev et al. -Veröffentlichungen vorgeschlagenen Ausmaß ändert, zu Problemen mit beispielsweise einem Spleißen und einem Verkabeln führen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist deswegen eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser mit abnehmender Dispersion bereitzustellen, wie in den Ansprüchen 2 und 3 bekannt gemacht, in welcher eine axiale Änderung in einer Dispersion nicht gänzlich abhängig von einer Änderung in dem Außendurchmesser der Faser ist. Eine weitere Aufgabe ist es, eine optische Faser bereitzustellen, wie in Anspruch 1 bekannt gemacht, in welcher die Dispersion entlang der Länge davon monoton variiert, während der Außendurchmesser der Faser im wesentlichen konstant ist.
  • In Kürze betrifft die vorliegende Erfindung eine optische Monomoden-Wellenleiterfaser mit einem Kern und einer Schicht aus Mantelmaterial auf der äußeren Oberfläche des Kerns. Der Außendurchmesser der Faser ist im wesentlichen konstant entlang ihrer Länge. Das Brechungsindexprofil der Faser ist derart, daß eine Faserdispersion monoton entlang der Faser von einem Ende davon zu dem anderen abnimmt.
  • Der Kerndurchmesser kann im wesentlichen über die Länge der Faser konstant sein, oder er kann sich kontinuierlich über die Länge der Faser ändern.
  • Der Kern schließt einen zentralen Bereich und einen äußeren Bereich ein, die durch einen Übergangsbereich getrennt sind, wo sich der Brechungsindex von von jenem des zentralen Bereichs zu jenem des äußeren Bereichs abrupt ändert. Beispiele eines derartigen Übergangsbereichs sind (a) ein Bereich eines abgesenkten Brechungsindex, der geringer als der Brechungsindex der inneren und äußeren Bereiche ist, und (b) ein Bereich zwischen den zentralen und äußeren Bereichen einer Faser, wobei beide Bereiche ein Brechungsindexprofil vom Stufentyp aufweisen.
  • Der Kern kann einen zentralen Bereich, der entlang der Längsachse der Faser verläuft, und einen äußeren Bereich, der außerhalb des Kernradius angeordnet ist, einschließen, wo eine Energie mit einer längeren Wellenlänge abnimmt, wobei der Radius und das Brechungsindexprofil des äußeren Bereichs derart sind, daß sie die Dispersionseffekte des inneren Kernbereichs ausgleichen und die Faser mit dem gewünschten Dispersionswert bereitstellen. Der minimale Brechungsindex des zentralen Bereichs kann gleich dem maximalen Brechungsindex des äußeren Bereichs sein. Überdies können der zentrale Bereich und der äußere Bereich Brechungsindexprofile vom Stufentyp aufweisen.
  • In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung ist der Außendurchmesser der Faser im wesentlichen konstant über ihre Länge, und das Brechungsindexprofil der Faser ändert sich kontinuierlich von einem Ende davon zu dem anderen.
  • Diese Erfindung betrifft auch Verfahren zum Herstellen von optischen Fasern mit abnehmender Dispersion. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform wird eine Kernvorform durch ein Strömen eines Basisglas-Reaktanz und eines Dotierglas-Reaktanz in eine Reaktionszone neben einem länglichen Substrat und ein Bewegen der Reaktionszone von einem Ende des Substrats zu dem anderen Ende des Substrats gebildet, um eine Schicht zu bilden. Die Abscheidung von Schichten wird fortgesetzt, um eine Vorform zu bilden. Während der Abscheidung eines Abschnitts der Vorform wird die Strömungsrate des Dotierglas-Reaktanz in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Rezeptur variiert, wenn sich die Reaktionszone longitudinal entlang des Substrats bewegt, um eine der Schichten zu bilden. Die Strömungsrate des Dotierglas-Reaktanz variiert in Übereinstimmung mit einer Rezeptur unterschiedlich von der vorgegebenen Rezeptur, wenn sich die Reaktionszone longitudinal entlang des Substrats bewegt, um eine Schicht angrenzend an die eine Schicht zu bilden.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird eine optische Faserkernvorform durch ein Abscheiden, auf einem länglichen Dorn, einer Vielzahl von Beschichtungen von Glaspartikeln gebildet, wobei jede Beschichtung aus einer Vielzahl von Schichten von Glaspartikeln gebildet wird, wobei jede Beschichtung ein einzigartiges Brechungsindexprofil aufweist. Der Dorn wird entfernt, um eine poröse Vorform zu bilden, und die poröse Vorform wird erwärmt, um eine dichte Glasvorform zu bilden. Das Verfahren umfaßt ein Abscheiden einer der Beschichtungen derart, daß ihre Dicke kontinuierlich zunimmt, wobei die Dicke der einen Beschichtung an einem Ende der Vorform größer als ihre Dicke an dem gegenüberliegenden Ende der Vorform ist. Die Beschichtung mit der sich verjüngenden Dicke könnte die erste abgeschiedene Beschichtung sein, oder sie könnte zwischen zwei Beschichtungen abgeschieden werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Veranschaulichung einer optischen Faser für eine Solitonenausbreitung nach dem Stand der Technik;
  • Fig. 2 schematisch ein Solitonen-Kommunikationssystem, das optische Fasern mit abnehmender Dispersion einsetzt;
  • Fig. 3 ein Brechungsindexprofil des Kerns einer dispersionsverschobenen optischen Monomodenfaser;
  • Fig. 4 (a) bis 4 (j) Brechungsindexprofile von Kernen an den Eingangs- und/oder Ausgangsenden von optischen Monomodenfasern, die in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt sind;
  • Fig. 5 (a) bis 5 (d) Brechungsindexprofile, die nicht innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche fallen;
  • Fig. 6 und 8 Brechungsindexprofile der beiden Typen optischer Fasern mit abgeflachten zentralen Kernbereichen;
  • Fig. 7 und 9 Graphen, in welchen sowohl eine Dispersion als auch ein Modenfelddurchmesser als eine Funktion einer abgeflachten Länge x für die Profile für die Fig. 6 bzw. 8 gezeichnet sind;
  • Fig. 10 eine schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung, die eingesetzt werden kann, um die optischen Fasern der vorliegenden Erfindung zu bilden;
  • Fig. 11 eine Querschnittsansicht einer porösen Kernvorform, die durch einen modifizierten Prozeß gebildet ist; und
  • Fig. 12 schematisch ein Solitonen-Kommunikationssystem, wobei die Übertragungsleitung davon eine Vielzahl von in Reihe verbundenen Fasern einer konstanten Dispersion umfaßt, wobei jede Faser in der Leitung eine Dispersion geringer als jene der vorhergehenden Faser aufweist.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen In potentiellen Anwendungen einer Faser mit abnehmender Dispersion ist es wünschenswert, eine große Variation in einer Dispersion zwischen den Eingangs- und Ausgangsenden der Faser zu erreichen. Zusätzlich muß für eine Solitonenübertragung die Dispersion positiv bleiben und an dem Ausgangsende der Faser sehr klein werden oder null erreichen. Andere Fasereigenschaften, die in Erwägung gezogen werden müssen, sind ein Modenfelddurchmesser und eine Grenzwellenlänge, da Brechungsindexmodifikationen, die sich auf eine Dispersion auswirken, sich auch auf diese Eigenschaften auswirken können.
  • Da Solitonen einen Betrieb mit einer geringen Dämpfung erfordern, ist es vorzuziehen, in dem 1550-nm-Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu arbeiten, wo Silicium-basierte optische Fasern eine extrem geringe Dämpfung aufweisen. Eine dispersionsverschobene Faser, die in Übereinstimmung mit den Lehren des US-Patents Nr. 4,715,679 hergestellt ist, kann für eine Nulldispersion bei ungefähr 1550 nm ausgelegt werden. Eine dispersionsverschobene Faser ist weiter in den Veröffentlichungen: T. D. Croft et al. "Low-Loss Dispersion-Shifted Single-Mode Fiber Manufactured by the OVD Process", Journal of Lightwave Technology, Band LT-3, Nr. 5, Oktober 1985, S. 9313- 934; und V. A. Bhagavatula et al. "Bend-Optimized Dispersion- Shifted Single-Mode Designs", Journal of Lightwave Technology, Band LT-3, Nr. 5, Oktober 1985, S. 954-957 diskutiert.
  • Fig. 3 veranschaulicht das Brechungsindexprofil einer typischen, kommerziell verfügbaren dispersionsverschobenen Faser, die eine Nulldispersion bei 1550 nm aufzeigt. Der Faserkern umfaßt einen zentralen Kernbereich 20, der von einem äußeren Ring 21 durch einen Bereich 22 eines abgesenkten Brechungsindex getrennt ist. Der Durchmesser seines zentralen dreieckigen Bereichs 20 beträgt 7,20 um, und die Innen- und Außendurchmesser des Rings 21 betragen 10,08 um bzw. 12,94 um. Die Spitzen- Brechungsindexwerte der Bereiche 20 und 21 (ausgedrückt als Δp) betragen 0,9% bzw. 0,3%. Der Ausdruck Δp ist der relative Brechungsindex des Kerns bezüglich jenes des Mantels und ist gegeben durch
  • Δp = (n&sub1;² - n&sub2;²)/2n&sub1;²
  • wobei n&sub1; der Spitzenbrechungsindex des Kernbereichs ist und n&sub2; der Brechungsindex des Mantels ist. Zur Vereinfachung des Ausdrucks wird Δ oft in Prozent ausgedrückt, d. h. einhundert mal Δ. Es sei darauf hingewiesen, daß manche Prozesse zum Herstellen optischer Fasern zu einer Brechungsindexabsenkung in der Fasermittellinie führen. In einer derartigen Faser bezieht sich n&sub1; auf den maximalen Brechungsindex des zentralen Kernbereichs.
  • Das Brechungsindexprofil einer optischen Faser mit abnehmender Dispersion ist eine Variation des dispersionsverschobenen Profils der Fig. 3 über ihre Länge, wobei sich das Profil konstant entlang der Faserlänge ändert, um die erforderliche Änderung von einer relativ großen Dispersion an dem Eingangsende zu einer relativ geringen oder Nulldispersion an dem Ausgangsende bereitzustellen. Das Profil an dem Ausgangsende der Faser ist das dispersionsverschobene Profil, das im wesentlichen eine Nulldispersion bei der Betriebswellenlänge erzeugt. Einige dieser Profile bieten den Vorteil eines Erreichens einer großen Dispersionsänderung mit einer minimalen Brechungsindex- Profilvariation. Außerdem besteht eine Auslegungsabwägung zwischen der Komplexität des modifizierten Profils und dem Bereich möglicher Werte der Grupengeschwindigkeitsdispersion. Auslegungen für ein Variieren des Querschnitts- Brechungsindexprofils als eine Funktion einer Länge können bequem in drei Typen unterteilt werden:
  • Typ I - jene, die den zentralen Kernbereich der nominal dispersionsverschobenen Faser der Fig. 3 unverändert lassen, wobei nur die äußere Ringstruktur modifiziert wird;
  • Typ II - jene, die nur den zentralen Kernbereich modifizieren; und
  • Typ III - jene, die sowohl den zentralen Kernbereich als auch den Ringbereich modifizieren.
  • Die Typ I-Gruppe von Profilen ist gemäß der Erfindung, wie sie in Anspruch 1 bekannt gemacht ist, und erfordert geringere Änderungen in dem Glaspartikel-Abscheideschritt des Faserkern- Fertigungsprozesses, da der zentrale Kernbereich über die Länge der Faser unverändert bleibt. Jedoch weisen sie auch einen kleineren Bereich einer potentiellen Dispersionsänderung auf. Zwei weitere Beschränkungen, die mögliche Profile begrenzen, bestehen darin, daß die Faser monomodig bleiben muß und eine Dispersion positiv bleiben muß.
  • Tabelle 1 listet Parameter auf, die den Brechungsindexprofilen der Fig. 3, 4(a) bis 4(j) und Fig. 5(a) bis 5(d) zugeordnet sind. Die Werte einer Dispersion, eines Modenfelddurchmessers und einer Grenzwellenlänge, die in Tabelle 1 aufgelistet sind, sind durch Computersimulationstechniken abgeleitet worden. Tabelle 1
  • Profile vom Typ I sind in den Fig. 3 und 4(a) bis 4(j) veranschaulicht; diese Profile unterscheiden sich darin, daß die Ringe des äußeren Kernbereichs unterschiedliche Dotierungskonzentrationen und Formen aufweisen, wobei der Ring in Fig. 4(c) vollständig verschwindet. Die Eigenschaften für diese Typen von Profilen sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt. Die optischen Eigenschaften der Fasern, die durch die Fig. 4(a) bis 4(j) dargestellt sind, sind derart, daß jedwede jener Fasern an dem Eingangsende mit einer hohen Dispersion einer Faser mit abnehmender Dispersion eingesetzt werden könnte, vorausgesetzt, daß ein Profil einer geringeren Dispersion an dem gegenüberliegenden Ende existiert. Beispielsweise könnten jedwede der Profile, die durch die Fig. 4(a) bis 4(j) dargestellt sind, an dem Eingangsende mit einer hohen Dispersion der Faser eingesetzt werden, wenn das Profil, das durch die Fig. 3 dargestellt ist, an dem Ausgangsende mit einer geringen Dispersion eingesetzt würde. In einem anderen Beispiel, das nicht innerhalb des Umfangs des vorliegenden Anspruchs 1 fällt, könnte das Profil, das durch die Fig. 4(i) dargestellt ist, an dem Ende mit einer hohen Dispersion der Faser eingesetzt werden, und das Profil, das durch die Fig. 4(g) dargestellt ist, könnte an dem Ende mit einer geringen Dispersion eingesetzt werden. Fasern mit den Profilen der Fig. 4(a) bis 4(d) und 4(g) zeigen Dispersionen geringer als 3 ps/nm/km auf. Somit würden derartige Fasern eine ausreichende Dispersionsänderung erzeugen, um sie in Systemen mit großen Beabstandungen von diskreten Verstärkern nutzbringend auszuführen, es sei denn, daß der Kern auch mit einer Verjüngung versehen wurde, wie etwa durch ein Variieren der Geschwindigkeit des Faserziehbetriebs.
  • Tabelle 1 deckt auf, daß die größte Dispersion in Profilen auftritt, wo eine scharfe Kante in der Nähe des Kernzentrums existiert (siehe beispielsweise Fig. 4(e), 4(f) und 4(i)). Jedoch können praktische Erwägungen, wie etwa eine Germaniumoxiddiffusion, die Schärfe von Profilkanten begrenzen. Aus diesem Grund können aus der Familie von Profilen, die Profile der Fig. 4(e) bis 4(j) einschließen, die Profile der Fig. 4(g) und 4(h) einfacher zu fertigen sein.
  • Tabelle 1 deckt auch auf, daß eine Dispersion zunimmt, wenn der Durchmesser des zentralen Kernbereichs zunimmt; vergleiche die Dispersionen der Profile der Fig. 5(c) und 5(d) mit der Nulldispersion, die durch das Profil der Fig. 3 erzeugt ist.
  • Die Eingaben in die Tabelle 1 für die Fig. 5(a) und 5(b) veranschaulichen, daß eine große Dispersion bei einem vernünftigen Modenfelddurchmesser erreicht werden kann, indem der zentrale Kernbereich abgeflacht ausgeführt wird. Ein Vergleich zwischen den Fig. 5(a) und 5(b) zeigt, daß eine Dispersion in hohem Maße empfindlich auf die Anordnung des Außenradius des zentralen Kernbereichs ist. Sie würde auch auf seinen Abfall empfindlich sein. Überdies könnten Änderungen in dem Ringprofil verwendet werden, um den Modenfelddurchmesser oder die Grenzwellenlänge maßzuschneidern.
  • Weitere Beispiele abgeflachter Brechungsindexprofile sind in den Fig. 6 und 8 veranschaulicht, wobei die Dispersion und die Modenfelddurchmesser jener Profile in den Fig. 7 bzw. 9 veranschaulicht sind. Wenn x gleich null ist, sind die Profile der Fig. 6 und 8 für eine Nulldispersion in dem 1550 nm-Bereich optimiert. Die folgende Diskussion zeigt, daß eine große positive Dispersion durch ein Einfügen des abgeflachten zentralen Bereichs eingeführt werden kann. Die Hinzufügung eines derartigen abgeflachten zentralen Bereichs zu jedwedem optimierten Nulldispersionsprofil kann eine große positive Dispersion einführen.
  • In dem Brechungsindexprofil der Fig. 6 umfaßt der zentrale Kernbereich einen abgeflachten Bereich 47 und einen Bereich 48, dessen Brechungsindex mit dem Radius abnimmt. Der Radius des Bereichs 47 beträgt x um. Beabstandet von dem zentralen Kernbereich ist ein ringförmiger äußerer Kernbereich 49. Wenn x null ist, würde das Profil das gleiche wie jenes der Fig. 3 sein. Wenn der Radius des Abschnitts 47 · um wäre, dann würde der Innenradius des Bereichs 49 (x + 5) um sein.
  • Fig. 7 ist ein Graph, in welchem sowohl eine Dispersion als auch ein Modenfelddurchmesser als eine Funktion einer abgeflachten Länge x gezeichnet sind. Die Kurven 50 bzw. 51 zeigen, daß, mit einer Zunahme in der abgeflachten Länge x, die Dispersion zunimmt und der Modenfelddurchmesser abnimmt.
  • In dem Brechungsindexprofil der Fig. 8, die nicht innerhalb des Umfangs des beigefügten Anspruchs 1 fällt, umfaßt der zentrale Kernbereich einen abgeflachten zentralen Kernbereich 53 eines vorgegebenen Brechungsindex, der von einem äußeren Kernbereich 55 eines Brechungsindex geringer als jener des vorgegebenen Brechungsindex umgeben ist. Dieser Typ eines Brechungsindexprofils ist ähnlich zu jenem, der in dem US-Patent Nr. 4,755,022 (Ohashi et al.) gelehrt ist. Während die Bereiche 53 und 55 veranschaulicht sind, Profile vom Stufentyp zu sein, könnten sie gradientenmäßig sein, wie durch das Ohashi et al.-Patent vorgeschlagen.
  • Eine Kurve 57 der Fig. 9 zeigt, daß eine Dispersion mit einer Zunahme in einer abgeflachten Länge x zunimmt. Ein Modenfelddurchmesser (Kurve 58) nimmt zuerst ab und nimmt dann zu, wenn x von, null bis ungefähr 5 um zunimmt.
  • Es besteht ein gemeinsames Merkmal in den Brechungsindexprofilen der Fig. 6 und 8. Jedes weist einen zentralen Kernbereich und einen äußeren Kernbereich eines geringeren Brechungsindex als der zentrale Bereich auf. Der äußere Bereich wirkt als eine hohe Indexmasse, die außerhalb jenes Kernradius angeordnet ist, wo die Energie mit einer längeren Wellenlänge zunimmt. Das Ausmaß der Masse wird durch ihr Brechungsindexprofil bestimmt, die ihren Radius einschließt. Das Indexprofil kann derart ausgelegt werden, daß das energiegewichtete Integral der Masse des äußeren Kernbereichs jenes des inneren Kernbereichs ausgleicht, wobei sich der gewünschte Dispersionswert ergibt, der null sein kann. Eine Indexabsenkung, wie etwa eine Absenkung 46 der Fig. 6, gestattet eine größere Flexibilität beim Plazieren der äußeren Masse, wo sie gewünschte Wirkungen auf die anderen Fasereigenschaften, wie etwa einen Modenfelddurchmesser und eine Grenzwellenlänge haben wird.
  • Optische Monomodefasern mit abnehmender Dispersion können durch die Vorrichtung der Fig. 10 und 11 hergestellt werden, die zwei Variationen des äußeren Gasphasenabscheidungs-(OVD-) Prozesses veranschaulichen, wo Glaspartikel auf der länglichen Oberfläche eines Dorns abgeschieden werden. Andere Glasabscheideprozesse könnten eingesetzt werden, um Fasern mit abnehmender Dispersion oder zumindest Abschnitte davon zu bilden. Beispiele derartiger Prozesse sind der modifizierte chemische Abscheidungs-(MCVD-)Prozeß, wobei Glasschichten auf der inneren Oberfläche einer Substratröhre abgeschieden werden, und der axiale Gasphasenabscheidungs-(AVD-)Prozeß.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 10 wird ein Dorn 60 aus Silica oder einem anderen Hochtemperaturmaterial gedreht und entlang seiner Längsachse translatiert, wie durch Pfeile 64a bzw. 64b gezeigt. Ein Brenner 65 erzeugt einen Strom 66 von Glaspartikeln, die sich auf dem Dorn 60 für jeden Durchlauf des Brenners, der eine anhaftende Schicht abscheidet, abscheiden. Jede der Beschichtungen 68, 69, 70 und 71 wird aus einer Vielzahl derartiger Schichten gebildet. Die Geschwindigkeit einer Brennertraversierung kann variiert werden.
  • Jede Beschichtung wird aus Glaspartikeln gebildet, die ein Basisglas, wie etwa Silica umfassen, und sie enthält wahlweise ein Dotiermittel, wie etwa GeO&sub2;. Um derartige Partikel zu bilden, werden Reaktanzen, wie etwa SiCl&sub4; und GeCl&sub4;, dem Brenner 65 zusammen mit Sauerstoff zugeführt. In dem System der Fig. 10 werden Dämpfe aus SiCl&sub4; und GeCl&sub4; in Reservoirs 74 bzw. 75 gebildet. Diese Dämpfe werden durch Strömungscontroller 77 bzw. 78 gemessen, wie in dem US-Patent 4,314,837 gelehrt. Alternativ könnten die Reaktanzen in flüssiger Form gemessen und danach verdampft werden. Sauerstoff von der Quelle 76 wird von einem Strömungs-Controller 79 gemessen. Die Menge von Reaktanzen, die durch die Controller 77, 78 und 79 strömen, wird durch den System-Controller 80 gesteuert. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform bleibt die Strömung sämtlicher Reaktanzen während der Abscheidung einer gesamten Schicht aus Glaspartikeln konstant. In einer zweiten Ausführungsform kann die Strömung einer oder mehrerer der Reaktanzen variieren, wenn sich die Längsposition des Brenners hinsichtlich des Dorns ändert. Eine gestrichelte Linie 81, die den Brenner 65 mit dem Systemcontroller 80 verbindet, ist veranschaulichend für die Tatsache, daß der Controller 80 mit einem Signal versehen ist, das anzeigend für die Position des Brenners in der zweiten Ausführungsform ist.
  • Es sei angenommen, daß es wünschenswert ist, eine optische Faser mit dem Brechungsindexprofil der Fig. 4(g) an einem Ende und jenem der Fig. 3 an dem gegenüberliegenden Ende zu bilden. Wenn die gesamte Faser beispielsweise 25 km lang sein soll, kann eine Vorform 72 derart abgeschieden werden, daß sie auf eine Länge von 25 km gezogen werden kann. In den Profilen der Fig. 4(g) und 3 weist der zentrale Kernbereich einen Durchmesser von 7,2 um und ein Δp von 0,9% auf. Auch beträgt in den Fig. 4(g) und 3 die radiale Breite des äußeren Kernbereichs oder Rings 1,43 um. Der einzige Unterschied zwischen den Profilen der Fig. 4(g) und 3 ist die Position der äußeren Kernbereiche. In Fig. 4(g) sind jene Bereiche unmittelbar angrenzend an den zentralen Kernbereich, und in Fig. 3 sind jene Bereiche von dem zentralen Kernbereich um 1,44 um in der sich ergebenden Faser getrennt.
  • Eine Technik zum Bilden einer derartigen Faser würde es sein, zuerst eine Beschichtung 68 durch Abscheiden der ersten Schicht davon derart zu bilden, daß sie SiO&sub2;, dotiert mit einer ausreichenden Menge von GeO&sub2;, enthält, um ein Δp von 0,9% bereitzustellen. In jeder darauffolgenden Schicht wird die Menge von GeCl&sub4;, das zu dem Brenner strömt, verringert, bis die letzte Schicht die kleinste inkrementale Menge von GeO&sub2; enthält (entsprechend dem Faserradius von 3,6 um). Mit der abgeschalteten Strömung von GeCl&sub4; wird eine Beschichtung 69 aus reinem Silica (SiO&sub2;) in einer Dicke abgeschieden, die von einer vorbestimmte Dicke an dem Ende 62 der Vorform auf null Dicke an dem Ende 63 variiert. Dies kann durch ein Bereitstellen einer vorbestimmten Strömung von SiCl&sub4; an dem Ende 62 und einem Verringern der Strömung von SiCl&sub4; bereitgestellt werden, bis sie vollständig abgeschaltet ist, wenn der Brenner das Ende 63 erreicht. Alternativ könnte die Strömungsrate von SiCl&sub4; konstant bleiben, und die Brennergeschwindigkeit könnte variiert werden. Eine Beschichtung 70 wird dann durch ein Abscheiden einer Vielzahl von Schichten als Glaspartikeln gebildet, deren erste kein GeO&sub2; enthält, wobei die Strömung von GeCl&sub4; hochgefahren wird, so daß die mittlere Schicht ausreichend GeO&sub2; enthält, um ein Δp von 0,3% bereitzustellen, und danach die Strömungsrate von GeCl&sub4; bis zu der Abscheidung der äußeren Schicht verringert wird, die kein GeO&sub2; enthält. Eine äußere Beschichtung 71 aus reinem SiO&sub2; kann dann abgeschieden werden. Eine Schicht 71 könnte eine gleichförmige Dicke aufweisen, wie in Fig. 10 gezeigt. Alternativ könnte sie derart abgeschieden werden, daß ihre Dicke an dem Ende 63 größer als ihre Dicke an dem Ende 62 ist, wodurch sie der Wirkung der Schicht 69 entgegenwirkt und dazu führt, daß der Durchmesser der Kernvorform 72 über ihre Länge gleichförmig wird. Die Vorform 72 wird vorzugsweise vor einem Anlegen des Restes der Mantelglaspartikel daran verfestigt. Dies kann durch Entfernen des Dorns 60 von der porösen Vorform und dann ein Erwärmen der Vorform in einem Verfestigungsofen auf eine Temperatur erreicht werden, die ausreichend hoch ist, um die Glaspartikel zu verfestigen und eine feste Glaskernvorform zu bilden. Die feste Kernvorform wird dann in Spannfutter eingeführt, so daß sie bezüglich des Brenners 65 gedreht und translatiert werden kann, um eine Schicht aus reinen Silica-Partikeln abzuscheiden. Die sich ergebende Faservorform wird verfestigt, um einen Ziehrohling zu bilden, von welchem optische Fasern gezogen werden.
  • Anstelle eines Bildens eines Rohlings, von welchem eine Länge einer Faser mit abnehmender Dispersion gezogen werden kann, kann ein größerer Rohling gebildet werden, und viele derartige Fasern können von ihm gezogen werden. Das in Fig. 10 gezeigte Muster von Beschichtungen würde entlang der Länge der Vorform wiederholt werden. Somit würde, wenn die Vorform in eine Faser gezogen wird, die Dispersion von einem hohen Wert zu einem geringen Wert entlang eines Abschnitts der gezogenen Faser mit einer Länge von beispielsweise 25 km abnehmen. Dann würde die Dispersion abrupt auf den hohen Wert zunehmen, und entlang der nächsten 25 km abnehmen. Dieses Muster einer abnehmenden Dispersion würde für sämtliche der Faserlängen, die von dem Rohling gezogen werden, wiederholt werden.
  • Eine alternative Vorform-Abscheidungsausführung ist in Fig. 11 gezeigt, worin Elemente ähnlich zu jenen der Fig. 10 durch gestrichene Bezugszeichen dargestellt sind. Die verjüngte Schicht 69 der Fig. 10 ist nicht abgeschieden. Statt dessen wird, nachdem der zentrale Kernbereich 68' abgeschieden ist, die Strömungsrate von GeCl&sub4; (und wahlweise die Strömungsrate von SiCl&sub4;) allmählich geändert, wenn der Brenner von einem Ende 62' zu einem Ende 63' der Vorform traversiert. Nach einer Abscheidung einer Beschichtung 68' ist die Strömungsrate von GeCl&sub4; null, und diejenige von SiCl&sub4; ist bei einem Maximum. An diesem Punkt in dem Prozeß könnte der Brenner (nicht gezeigt) an dem Ende 62' positioniert sein, wo das Profil der Fig. 3 zu bilden ist. Während des ersten Durchlaufs des Brenners entlang der Vorform während der Bildung einer Beschichtung 85 würde die Strömungsrate von GeCl&sub4; deswegen an dem Ende 62' null sein, und GeCl&sub4; würde beginnen, nur an dem Ende 63' zu strömen. Während des zweiten Durchlaufs des Brenners entlang der Vorform während der Bildung der Beschichtung 85 würde die Strömungsrate GeCl&sub4; in einer gewissen inkrementalen Entfernung von dem Ende 63' beginnen und würde zunehmen, wenn sich der Brenner dem Ende 63' nähert. Bei jenem Durchlauf, der der Abscheidung der Mitte des abgesenkten Indexbereiches 22 an dem Ende 62' entspricht, würde der Brenner mit ausreichend GeCl&sub4; an dem Ende 63' versorgt, um Glaspartikel mit einem Δp von 0,3% zu bilden, was dem Spitzenindex des äußeren Bereichs der Fig. 4(g) entspricht. An jenem Punkt in dem Prozeß, wenn GeCl&sub4; dem Brenner zugeführt wird, um gerade zu beginnen, den Innenradius des Indexringes 21 (Fig. 3) an dem Ende 62' zu bilden, wird das GeCl&sub4; aufhören, während des Rests des Durchlaufs zu strömen. Diese Art einer Rampenströmung von GeCl&sub4; zu dem Brenner dauert an bis zu dem letzten Durchlauf der Bildung der Beschichtung 85, wenn kein GeCl&sub4; strömt, da der äußere Abschnitt des Rings 21 (Fig. 3) kein GeO&sub2; enthält, und der entsprechende Radius des Profils der Fig. 4(g) kein GeO&sub2; enthält. Eine Beschichtung 71' von SiO&sub2; kann dann wie oben beschrieben abgeschieden werden. Die Vorform 87 kann dann verfestigt, mit SiO&sub2; ummantelt und in eine Faser gezogen werden.
  • In einer ähnlichen Weise könnten jedwede der offenbarten Brechungsindexprofile an dem einen Ende der Vorform abgeschieden werden, und jedwede der übrigen Brechungsindexprofile könnten an dem anderen Ende der Vorform abgeschieden werden, wobei sich das Profil allmählich von jenem an dem einen Ende zu jenem an dem übrigen Ende ändert.
  • Die Faserkerne gemäß der Fig. 6 und 8 könnten durch ein anfängliches Abscheiden einer keilförmigen Beschichtung auf dem Dorn 60 gebildet werden. Der Brechungsindex der gesamten keilförmigen Beschichtung würde jener des Kernbereichs 47 oder 53 sein. Danach würden Beschichtungen einer gleichförmigen Dicke gebildet werden. Die Dicke der keilförmigen Beschichtung würde derart sein, daß in der sich ergebenden Faser der Radius des inneren Kernbereiches an einem Ende der Faser x um größer sein würde als der Radius an dem anderen Ende der Faser.
  • Ein Beispiel einer Faser mit abnehmender Dispersion, die keinen variablen Dickenbereich, wie etwa den Bereich 69, erfordern würde, würde eine Faser mit dem Profil der Fig. 4(d) an einem Ende und dem Profil der Fig. 3 an dem anderen Ende sein. Die radialen Positionen der äußeren Kernbereiche sind die gleichen. Nur die Form jener äußeren Bereiche ändert sich.
  • Die vorherige Diskussion hat Systeme betroffen, wobei zwei Verstärker durch eine Faser mit abnehmender Dispersion verbunden sind, wobei die Dispersion entlang der Faserlänge kontinuierlich abnimmt. In der Anordnung der Fig. 12 sind Verstärker 91 und 92 durch eine Vielzahl von Fasern 93 bis 98 verbunden, die zusammen gespleißt sind. Jede der Fasern 93 bis 98 weist eine Dispersion auf, die im wesentlichen konstant über ihre Länge ist. Die Dispersion der Faser 93 ist die größte, und die Dispersion jeder der Fasern 94 bis 98 ist geringfügig kleiner als die vorangehende Faser. Dieser Typ eines Systems ist in der zuvor erwähnten C. Sien-Veröffentlichung offenbart. Jede der Fasern kann einen Kern eines Radius a aufweisen, der von einem Mantel umgeben ist, dessen Durchmesser konstant über seine Länge ist. Überdies sind die Durchmesser der Mäntel der Fasern 93 bis 98 im wesentlichen die gleichen. Die Kerne jeder der Fasern 93 bis 98 schließen einen zentralen Bereich, der zu der Längsachse der Faser verläuft, und einen äußeren Bereich ein, wobei die inneren und äußeren Bereiche durch einen Bereich eines abgesenkten Brechungsindex getrennt sind. Beispiele geeigneter Profile sind jene der Fig. 3, 4(a), 4(b), 4(d) bis 4(j), 5(a) und 5(b).

Claims (4)

1. Optische Monomoden-Wellenleiterfaser mit einem ersten und einem zweiten Ende, mit:
einem Kern aus transparentem Material mit einem maximalen Brechungsindex n&sub1;, und
einer Schicht aus transparentem Mantelmaterial auf der äußeren Oberfläche des Kerns, wobei der Brechungsindex n&sub2; des Mantels geringer als n&sub1; ist, der äußere Durchmesser der Faser im wesentlichen konstant entlang deren Länge ist,
wobei sich das Brechungsindexprofil des Kerns kontinuierlich in der axialen Richtung von einem vorgewählten ersten Brechungsindexprofil an dem ersten Ende zu einem vorgewählten zweiten Brechungsindexprofil an dem zweiten Ende der Faser ändert, in welcher die vorgewählten ersten und zweiten Brechungsindexprofile derart sind, daß eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion monoton entlang der Faser von deren ersten Ende zum zweiten Ende abnimmt, und in welcher der Kern einen zentralen Kernbereich, der ein Brechungsindexprofil aufweist, das entlang der Länge der Faser ungeändert ist, und einen äußeren Kernbereich aufweist, der ein Brechungsindexprofil aufweist, das sich entlang der Länge der Faser kontinuierlich ändert,
wobei der äußere Kernbereich einen Bereich eines abgesenkten Brechungsindex neben dem zentralen Kernbereich einschließt.
2. Verfahren zum Herstellen einer optischen Faserkern-Vorform, mit den Schritten:
Strömen eines Basisglasreaktands (74) und eines Dotierglasreaktands (75) in eine Reaktionszone (65) neben einem länglichen Substrat (60, 60'),
Bewegen der Reaktionszone von einem Ende des Substrats zu dem anderen Ende des Substrats, um eine Schicht zu bilden,
Fortsetzen der Abscheidung der Schichten (68, 69, 70, 71), um eine Vorform (72, 87) zu bilden,
wobei,
während der Abscheidung eines Abschnitts der Vorform die Strömungsrate des Dotierglasreaktands in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Rezeptur variiert wird, wenn sich die Reaktionszone longitudinal entlang des Substrats (60, 60') bewegt, um eine der Schichten (68, 69, 70, 71) zu bilden, und wobei die Strömungsrate des Dotierglasreaktands in Übereinstimmung mit einer Rezeptur unterschiedlich von der vorgegebenen Rezeptur variiert, wenn sich die Reaktionszone longitudinal entlang des Substrats bewegt, um eine Schicht neben der einen Schicht zu bilden, in welcher die Rezepturen eines Abschnitts der Schichten gewählt werden, ein erstes Brechungsindexprofil an einem ersten Ende der Vorform und ein zweites Brechungsindexprofil an einem zweiten Ende der Vorform bereitzustellen, wobei sich das Brechungsindexprofil kontinuierlich in der axialen Richtung entlang der Vorform von dem ersten Profil zu dem zweiten Profil in der in Anspruch 1 angeführten Weise derart ändert, daß dann eine Faser-Vorform von der Kern-Vorform durch ein Aufbringen einer Mantelschicht darauf gebildet wird, und eine Faser eines konstanten Außendurchmessers von der Faser-Vorform gezogen wird, wobei die Gruppengeschwindigkeitsdispersion monoton in der axialen Richtung von dem ersten Profil zu dem zweiten Profil abnimmt.
3. Verfahren zum Herstellen einer optischen Faserkern-Vorform unter Verwendung eines Außenabscheideprozesses, mit dem Schritten:
Abscheiden, auf einen länglichen Dorn (60), eine Vielzahl von Beschichtungen aus Glaspartikeln (62, 63, 68, 69, 70, 71), um eine poröse Glas-Vorform (72) zu bilden, wobei jede Beschichtung aus einer Vielzahl von Schichten aus Glaspartikeln gebildet wird, wobei jede Beschichtung ein einzigartiges Brechungsindexprofil aufweist, in welchem sich mindestens ein Abschnitt des Beschichtungs- Brechungsindexprofils von einem ersten in ein zweites Profil entlang der axialen Dimension der Vorform ändert,
Entfernen des Dorns (60), und
Erwärmen der porösen Glas-Vorform, um eine dichte Glas- Vorform zu bilden,
wobei,
die Abscheidung von mindestens einer der Beschichtungen (69) gesteuert wird, eine Beschichtungsdicke bereitzustellen, die kontinuierlich von einem Ende zu dem gegenüberliegenden Ende zunimmt, wobei wahlweise die mindestens eine Beschichtung diejenige ist, die auf die Dornoberfläche in der in Anspruch 1 angeführten Weise derart abgeschieden wird, daß dann eine Faser-Vorform von der Kern-Vorform durch ein Aufbringen einer Mantelschicht darauf gebildet wird, und eine Faser eines konstanten Außendurchmessers von der Faser-Vorform gezogen wird, wobei die Gruppengeschwindigkeitsdispersion monoton entlang der Faser von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende davon abnimmt.
4. Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser, die eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion aufweist, die entlang der Faser von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende davon monoton abnimmt, wobei eine optische Faserkern-Vorform gemäß dem Verfahren des Anspruchs 2 oder 3 hergestellt wird, wobei eine Mantelschicht auf die optische Faserkern-Vorform aufgebracht wird, um eine Faser-Vorform eines konstanten Durchmessers zu erzeugen, und eine optische Faser von im wesentlichen konstantem Außendurchmesser wird von der Faser-Vorform gezogen.
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