DK152631B - Praeform, hvoraf der kan fremstilles et optisk filament med hoej baandbredde og indeksgradient, samt fremgangsmaade til dannelse af en saadan praeform. - Google Patents

Description

DK 152631 B

Den foreliggende opfindelse angår en præform, hvoraf der kan fremstilles et optisk filament med høj båndbredde og brydningsindeksgradient samt en fremgangsmåde til dannelse af en sådan præform.

05 Optiske filamenter, der anvendes i optiske kommuni kationssystemer, omtales heri som optiske bølgeledere, og de konstrueres normalt ud fra et transparent dielektrisk materiale, såsom glas eller formstof.

Optiske bølgeledere med brydningsindeksgradient har 10 en radialt varierende sammensætning og følgelig et radialt varierende brydningsindeks. U.S.A. patentskrift nr. 3.823.995 og 3.711.262 omhandler optiske bølgeledere med brydningsindeksgradient og fremgangsmåder til deres dannelse ved indvendige dampfaseoxidationsprocesser. Når der 15 heri henvises til indvendige dampfaseoxidationsprocesser, er det meningen at medtage kemisk dampaflejring, flammehydrolyse og alle andre fremgangsmåder, ved hvilke damp-formigt materiale ledes ind i et opvarmet rør, omsættes med oxygen under indvirkning af varme og aflejres på 20 rørets indvendige vægflade. Materialet kan aflejres inden i røret i på hinanden følgende lag, hvorefter røret fjernes fra varmen, hvorved der fås et sammensmeltet råemne. Det må bemærkes, at det centrale hul kan sammen-klappes efter aflejringsprocessens afslutning, eller rå-25 emnet kan efter fjernelse fra varmen igen opvarmes, og hullet sammenklappes, idet der i begge tilfældene dannes en fast præform, eller hullet kan sammenklappes under trækningsprocessen. Når en fast præform dannes, opvarmes den derefter og trækkes til en langstrakt fin streng.

30 Eftersom strukturen af den trukne streng eller det trukne filament afspejler præformens struktur, er det vigtigt, at præformens fysiske egenskaber kontrolleres omhyggeligt.

Som det er fagmanden bekendt, har optiske bølgelede-35 re med brydningsindeksgradient sædvanligvis et højere brydningsindeks i kernen ved dennes center og lavere bryd-ningsindices i punkter i radialt udadgående retning fra 2

DK 152631 B

kernecentret. Brydningsindeksgradienten kan variere kontinuerligt eller diskontinuerligt og kan udvise en lineær, parabolsk eller en hvilken som helst anden ønsket karakteristik. Hvad konstruktionen og anvendelsen af optiske 05 bølgeledere angår, henvises der til "Fiber Optics Principles and Applications" af N.S. Kapany, Academic Press, 1967; "Geometrical Optics of Parabolic Index Gradient Cylindrical Lenses" af F.P. Kapron, Journal of the Optical Society of America, Vol. 60, nr. 11, p.

10 1433-1436, november 1970; og "Cylindrical Dielectric

Waveguide Mode" af E. Snitzer, Journal of the Optical Society of America, Vol. 51, nr. 5, p. 491-498, maj 1961.

For at udvirke en sådan ændring af brydningsindekset for en præform eller et råemne dannet ved en indvendig 15 dampfaseoxidationsproces kan den kemiske sammensætning af udgangsmaterialerne, som efter omsætning udgør det endelige materiale aflejret på rørets indvendige overflade, varieres. Dampblandingen hydrolyseres eller oxideres og aflejres på rørets indvendige overflade og sammensmeltes 20 derefter til dannelse af et glas af høj kvalitet og renhed. På samme tid kan røret tilføres en eller flere yderligere dampe, idet hver damp som bestanddel indeholder et kemikalie kaldet et "dopemiddel", hvis tilstedeværelse påvirker brydningsindekset eller andre karakteristiske 25 egenskaber ved glasset, som dannes.

Det er kendt ved dannelse af optiske bølgeledere-emner eller -præformer ved den indvendige dampfaseoxida-tionsproces at anbringe et barrierelag på den indvendige side af det understøttende eller underliggende rør før 30 aflejringen af kerneglasset, idet det underliggende rør udgør præformens beklædning. Barrierelagets væsentligste funktion er at formindske grænsefladespredning og absorptionstab ved at fjerne den kerne-beklædningsgrænseflade, som, hvis barrierelaget ikke var der, ville eksistere 35 mellem aflejrede lag af glas med høj renhed og lav dæmpning og det underliggende rørs indvendige overflade. Barrierelaget er konventionelt et borsilikatglasmateri- 3

DK 152631B

ale, da doping af siliciumoxid, som almindeligvis er basisglasset, med bor reducerer aflejringstemperaturen og derved formindsker krympningen af det underliggende rør.

Andre fordele ved doping af siliciumoxid med bor er, at O5 det reducerer glassets brydningsindeks, og at det virker som en barriere for diffusionen af hydroxylioner, sædvanligvis omtalt som hydrogen eller vand, fra det underliggende rør til det aflejrede kerneglas ved de forhøjede forarbejdnings- og trækningstemperaturer.

10 Det er velkendt, at informationsbåndbredden af et optisk bølgelederfilament kan forøges væsentligt ved graduering af brydningsindeksprofilet. Båndbredden af en optisk bølgeleder med gradueret brydningsindeks kan være fra ca. 10 til 10 gange større end båndbredden af et fi-15 lament med et ikke-gradueret indeksprofil. Båndbreddeforøgelsen er meget afhængig af formen af brydningsindeks-profilet.

Problemet er, at ved dannelsen ved indvendig dampfase-oxidation ifølge den kendte teknik af optiske bølgeleder-20 præformer eller -råemner med gradueret indeks og de deraf dannede giasfilamenter udviser filamenterne et kombineret trindelt og gradueret brydningsindeksprofil, som forårsager impulsspredning af bølgetyper af højere orden, hvilket resulterer i lavere båndbredde. Et sådant profil er illu-25 streret i figur 1, hvor gradientdelen er vist ved kurve 10, medens den trindelte del er vist ved den i det væsentlige rette lodrette del 12, som viser en trinvis forøgelse i brydningsindekset.

Et kombineret trindelt og gradueret brydningsindeks-30 profil, som også menes at forårsage impulsspredning af bølgetyper af højere orden, er illustreret i figur 2, hvor gradientdelen er vist ved kurve 14, medens den trindelte del er vist ved trin 16. Det uønskede kombinerede trindelte og graduerede brydningsindeks, der er illu-35 streret i figur 2, vises kun heri i illustrationsøjemed, da det ikke vides at eksistere i den kendte teknik, men anses for nyttigt med henblik på tilvejebringelse af en bedre forståelse af nærværende opfindelse.

DK 152631B

4

Der er mindst to grunde til det i figur 1 og 2 viste kombinerede trindelte og graduerede profil. Et højt borniveau ønskes i barrierelaget af de ovenfor diskuterede årsager. Et lavt borniveau ønskes i kernen for at forøge Q5 den numeriske apertur af den resulterende optiske bølgeleder, for at formindske Rayleigh-spredningen og for at eliminere den infrarøde absorption af B-0 svingningsbåndene i spektralområdet mellem 1,2 og 1,5 mikrometer.

(H. Osani et al., Electronic Letters 12, 549, 1976). Den 10 anden grund til et sådant trindelt og gradueret profil er, at der ved barrierelag-kernegrænsefladen må indføres et dopemiddel, såsom GeC^ og/eller P2°5 eHer lignende til et begrænset niveau fastsat af udgangsmaterialedamp-afgivelsessystemets ydeevne. Det bør bemærkes, at i illu-15 strationerne i såvel figur 1 som figur 2 er kernens bryd ningsindeks ved barrierelag-kernegrænsefladen højere, en værdi Δη højere, end brydningsindekset af det underliggende rørmateriale eller beklædningen. En sådan trinvis forøgelse i kernebrydningsindekset ved barrierelag-kerne-20 grænsefladen menes at fremkalde den impulsspredning af bølgetyper af højere orden, som resulterer i lavere båndbredde. I hvert eksempel er siliciumoxid vist som det underliggende rørmateriale med et brydningsindeks på 1,4570 og med brydningsindeks ved filamenternes centrale 25 akse 18 og 20 i henholdsvis figur 1 og 2 på 1,4766. Som det vil kunne forstås, er de anførte brydningsindices ved en bølgelængde på ca. 630 nm for et filament med en numerisk apertur på ca. 0,24.

Kurve 48 i figur 12 illustrerer impulsudbredningen, 30 som er blevet iagttaget i et typisk kombineret trindelt og gradueret profil dannet efter· den kendte teknik. Den høje snævre del af impulsen frembringes af den graduerede del af brydningsindeksprofilet, medens den brede basis, der strækker sig mod højre forårsages af profilets trin-35 delte del. Den af kurve 48 i figur 12 illustrerede båndbredde af filamentet er blevet målt til 260 mHz for en længde på 1 km.

DK 152631 B

5

En almindeligt anvendt fremgangsmåde til fremstilling af f.eks. Ge02-Si02-B203~ eller Si02-Ge02-B203-P205~ kerne optiske bølgeledere med indeksgradient illustreres i figur 3 og 4, hvori den samtidige reduktion af B2°3“ 05 niveauet og indføringen af Ge02 og/eller P2°5 ^ ke-grænsede mængder forårsager en trinvis forøgelse i brydningsindekset ved kernens kant og fører til det ovenfor beskrevne trindelte og graduerede profil i figur 1. På den anden side er den-ved figur 5 illustrerede 10 metode, som viser den anden type uønsket trin- og gradientprofil, som er illustreret i figur 2, resultatet, når begrænsede niveauer af Ge02 og/eller P205 anvendes i barrierelaget sammen med B2C>3, og mængden af B2C>3 i barrierelaget ikke er tilstrækkelig til at kompensere for 15 forøgelsen i brydningsindekset, som skyldes mængden af tilstedeværende GeC>2 og/eller Ρ20^. I en sådan situation fås der en trinvis forøgelse i brydningsindekset ved be-klædning-barrierelaggrænsefladen, som fører til trin-gradientindeksprofilet i figur 2.

20 Selv om figur 3, 4 og 5 viser udgangskildemateri alerne som chloriderne eller lignende af bor, silicium, germanium og phosphor, må det bemærkes, at disse kildematerialer under indvirkning af oxygen og varme omsættes til frembringelse af de respektive oxider. Også at den 25 heri anvendte betegnelse indvendig dampfaseoxidation indbefatter ''kemisk dampaf lej ring" og andre dampfase-oxidationsmetoder. Ved udtrykket "kemisk dampaflejring" forstås dannelse af aflejringer ved kemiske omsætninger, som finder sted på, ved eller nær aflejringsoverfladen.

30 Denne definition er anført på side 3 i teksten "Vapor

Deposition" udgivet af C.F. Powell et al., New York, John Wiley & Sons, Inc., 1966. En hvilken som helst fremgangsmådevariation, som er velkendt inden for området, kan anvendes til udvirkning af aflejringen af den passende glas-35 belægning ved den kemiske dampaflejringsfremgangsmåde, såsom f.eks. den der er beskrevet på side 263 i den førnævnte tekst af Powell et al., hvori det anføres: "En 6

DK 152631 B

anden måde at opnå ensartet dækning på, som også kan give høj aflejringseffektivitet, og som er specielt anvendelig til belægning af de indvendige overflader af rør med lille lysning, er kun at opvarme en lille del af røret 05 til aflejringstemperaturen ... Den til aflejringstempera-turen opvarmede sektion bevæges langsomt over hele rørets længde eller det samlede areal, som skal belægges." Der henvises i denne forbindelse også til U.S.A. patentskrift nr. 3.031.338.

TO En anden effektiv måde til påføring af belægninger ved dampfaseoxidation er at sintre et sodlag af det ønskede materiale påført ved en flammehydrolyseproces lig den, der er beskrevet i U.S.A. patentskrift nr. 2.272.342 eller U.S.A. patentskrift nr. 2.326.059.

15 Med det forudgående i tankerne søger opfindelsen i al almindelighed at undgå dannelse af profilets trindelte del og i stedet at frembringe rene graduerede brydningsindeksprofiler, såsom de der er illustreret i figur 6 eller 7. Som vist ved kurve 52 i figur 12 udviser et fila-20 ment fremstillet Ud fra en præform ifølge den foreliggende opfindelse meget mindre udbredning og en målt båndbredde på 910 mHz for en længde på 1 km. Den reducerede impulsudbredning og høje båndbredde opnås ved eliminering af den trindelte del af det trindelte og graduerede pro-25 fil. Desuden forøges den numeriske apertur, Rayleigh- spredningen formindskes, og den infrarøde absorption af B-0 svingningsbåndene i spektralområdet mellem 1,2 og 1,5 mikrometer formindskes.

Den foreliggende opfindelse tilvejebringer en præ-30 form, hvoraf der kan fremstilles et optisk filament med høj båndbredde og indeksgradient, og omfattende et ydre, et indre og et mellemliggende lag, hvor det ydre lag har et forudbestemt brydningsindeks og er bestemt til efter trækning af præformen at danne det ydre beklædningslag på 35 det optiske filament, hvor det mellemliggende lag er et barrierelag omfattende et basisglas og mindst ét dopemiddel, idet mængden af basisglasset og dopemidlet i det

DK 152631 B

7 væsentlige er ensartet gennem barrierelagets tykkelse, og hvor det indre lag, som er bestemt til at danne kernen i det optiske filament, er af glas med høj renhed, som har en brydningsindeksgradient, og adhærerer til basislaget 05 til dannelse af en grænseflade, idet det indre lag i det væsentlige består af et basisglas og et eller flere dopemidler, hvilken præform er ejendommelig ved, at nævnte ene eller flere dopemidler i kernen er B203~fri og er inkluderet i en sådan mængde,' at der henover kernens tvær-10 snit tilvejebringes en i det væsentlige kontinuert varierende brydningsindeksgradient fra nævnte grænseflade til kernens akse, idet der ikke er nogen trinvis forøgelse i kernens brydningsindeks ved grænsefladen, at kernens brydningsindeks ved grænsefladen i det væsentlige er lig 15 med eller mindre end brydningsindekset for barrierelaget ved grænsefladen, og at barrierelagets brydningsindeks på sin side højst er lig med beklædningslagets brydningsindeks, idet der ikke er nogen trinvis forøgelse af barrierelagets brydningsindeks ved barrierelag-beklædnings-20 grænsefladen.

Opfindelsen tilvejebringer desuden en fremgangsmåde til dannelse af en præform for et optisk filament med høj båndbredde, ved hvilken man tilvejebringer et cylindrisk rørformet udgangsemne dannet af et basisglas og mindst ét 25 dopemiddel til forøgelse af det rørformede udgangsemnes brydningsindeks til over basisglassets brydningsindeks, danner et barrierelag omfattende et basisglas og mindst ét yderligere dopemiddel på det rørformede udgangsemnes indvendige vægoverflade, holder mængden af basisglasset 30 og dopemidlet i barrierelaget i det væsentlige ensartet gennem barrierelagets tykkelse og danner et kernelag ved påføring af flere lag af et kernemateriale i det væsentlige bestående af et basisglas med høj renhed og et eller flere dopemidler over barrierelåget, hvorved der dannes 35 en grænseflade mellem barrierelaget og kernelaget, hvilket kernelag har en brydningsindeksgradient fra grænsefladen til præformens centrale akse, hvilken fremgangsmåde er 8

DK 152631 B

ejendommelig ved, at nævnte et eller flere dopemidler i kernematerialet, som tilføres ved dannelse af kernelaget, er B203~fri og er inkluderet i en sådan mængde i kernematerialet, som tilføres i et første af nævnte flere lag 05 over barrierelaget, at der ved kerne-barrierelagsgrænse-fladen tilvejebringes et brydningsindeks, som i det væsentlige er lig med eller mindre end barrierelagets brydningsindeks, idet der ikke er nogen trinvis forøgelse af kernens brydningsindeks ved grænsefladen, og idet 10 mængden af dopemidlet i efterfølgende lag af kernemateriale, som påføres over barrierelaget, gradvis varierer fra grænsefladen i retning mod præformens centrale akse på en forudbestemt måde, således at der fås en ønsket brydningsindeksgradient henover kernelagets tværsnit, og 15 mængden af nævnte i det mindste ene yderligere dopemiddel i barrierelaget er således, at barrierelaget gives et brydningsindeks, som højst er lig med det rørformede udgangsemnes brydningsindeks, idet der ikke er nogen trinvis forøgelse af barrierelagets brydningsindeks ved bar-20 rierelag-beklædnihgsgrænsefladen.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere ud fra eksempler på foretrukne udførelsesformer og under henvisning til tegningen, hvor figur 1 er en grafisk illustration af en bølgeleder 25 ifølge den kendte teknik med trin-gradientbrydningsindeksprofil, figur 2 er en grafisk illustration af en anden bølgeleder med trin-gradientbrydningsindeksprofil og lav båndbredde, 30 figur 3 og 4 er grafiske illustrationer af fremgangs måder ifølge den kendte teknik til indførelse af udgangsdampmaterialer ved dannelsen af optiske bølgeledere med trin-gradientbrydnings indeksprofil, figur 5 er en grafisk illustration af en fremgangs-35 måde til indførelse af udgangsdampmaterialer ved dannelsen af bølgelederen med trin-gradientbrydningsindeksprofil i figur 2, 9

DK 152631B

figur 6 og 7 er grafiske illustrationer af optiske filamenter med høj båndbredde og indeksgradient fremstillet ud fra en præform ifølge opfindelsen, figur 8 er et skråbillede af en optisk bølgeleder 05 fremstillet i overensstemmelse med opfindelsen, figur 9 og 10 er grafiske illustrationer af fremgangsmåderne til indførelse af udgangsdampmaterialer ved dannelsen af optiske filamenter med høj båndbredde i overensstemmelse med den foreliggende opfindelse, 10 figur 11 er en grafisk illustration af hovedbølgety- petallet (principal mode number) over for forsinkelsestid for en optisk bølgeleder, som kan dannes ifølge den foreliggende opfindelse i sammenligning med en bølgeleder ifølge den kendte teknik, og 15 figur 12 er en grafisk illustration af båndbredde repræsenteret ved tid over for effekt for en optisk bølgeleder, som kan dannes ifølge den foreliggende opfindelse i sammenligning med en bølgeleder ifølge den kendte teknik.

20 Det må bemærkes, at tegningerne er illustrerende og symbolske for den foreliggende opfindelse, og at der ikke er gjort noget forsøg på at vise målestok eller relative proportioner af de deri viste elementer. Af simplificeringshensyn vil den foreliggende opfindelse blive beskre-25 vet i forbindelse med dannelsen af optisk bølgelederpræ-former med høj båndbredde og indeksgradient og de deraf fremstillede bølgeledere, hvori basisglasset er siliciumoxid, selv om opfindelsen ikke skal være begrænset dertil.

30 To eksempler på optiske filamenter med høj bånd bredde og indeksgradient dannet ud fra præformer eller råemner dannet i overensstemmelse med den foreliggende opfindelse illustreres ved figur 6 og 7. Figur 8 illustrerer en typisk optisk bølgeleder 22 dannet i over-35 ensstemmelse med den foreliggende opfindelse. I figurerne 6 og 8 er den B203-frie kerne 24 med brydningsindeks-gradient vist i figur 6 ved kurve 26, medens barriere- 10

DK 152631 B

laget 28 er vist ved et fladt stykke 30. Udgangselementet eller det underliggende rør 32, som til sidst danner bølge-lederbeklædningen, er illustreret ved det flade stykke 34 i figur 6. Som det vil kunne forstås, omfatter barriere-05 laget det først aflejrede materiale på det underliggende rørs indvendige overflade, og det omtales af og til som den aflejrede beklædning. Det underliggende rørmateriale, som anvendes ved beskrivelsen af den foreliggende opfindelse, er siliciumoxid-basisglas indeholdende 2 mol-10 procent Ge02 som dopemiddel, hvorfor brydningsindekset for den i figur 6 illustrerede beklædningsdel er 1,4595, hvilket er 0,0025 højere end brydningsindekset for si-liciumoxid-basisglasset. Dette gør sig gældende for hver af de i figurerne 6 og 7 anførte illustrationer af hensyn 15 til simpel beskrivelse og let sammenligning. For at fremme disse hensigter er brydningsindekset ved de centrale akser 36 og 38 i de optiske bølgeledere i henholdsvis figur 6 og 7 i hvert af disse eksempler omkring 1,4787, medens barrierelagtykkelsen "b" i hvert tilfælde er om-20 kring 1 mikrometer, og kernens radius "a" er omkring 31,25 mikrometer.

Fremgangsmåden til dannelse af såvel en præform eller et råemne ifølge den foreliggende opfindelse som selve det optiske filament kan være en hvilken som helst af 25 forskellige fremgangsmåder, såsom f.eks. de der er beskrevet i de tidligere anførte U.S.A. patentskrifter nr. 3.823.995 og 3.711.262.' En hvilken som helst anden fremgangsmåde til dannelse af optiske bølgeledere med indeksgradient er også egnet til den foreliggende opfindelses 30 formål. Skønt en hvilken som helst kendt fremgangsmåde kan anvendes til dannelse af udgangskomponenterne eller det underliggende rør, beskriver de tidligere omtalte U.S.A. patentskrifter nr. 3.823.995 og nr. 3.711.262 fremgangsmåder til rørdannelse, som er velegnede for den fore-35 liggende opfindelse.

I figur 9 og 10 illustreres to fremgangsmåder til dannelse af de optiske bølgeledere med B203-fri kerne,

DK 152631 B

11 høj båndbredde og indeksgradient i figurerne 6 og 7. Som det vil bemærkes, illustrerer figur 9 og 10 udgangskildematerialerne, nemlig chlorider eller lignende af bor, silicium, phosphor og germanium, som under indvirkning af 05 oxygen og varme omsættes til frembringelse af de respektive oxider. Det i figur 9 og 10 illustrerede basisglas er siliciumoxid, hvortil der selektivt er sat B2Og, GeC>2 og P2°5· Udgangselementet eller substratet er i hvert eksempel siliciumoxid dopet- med Ge02.

10 Barrierelaget dannes ved, at man tilfører den ind vendige overflade af det underliggende rør et antal materialelag, idet barrierelagets sammensætning i det væsentlige er ensartet hele vejen igennem og har et i det væsentlige konstant forhold mellem siliciumoxid, P205, 15 Ge02 °9 om Ønsket b2°3* Som v:*-st i figur 9 holdes mængderne af B2°5 °U Ge02 barrierelaget på niveauer, hvor barrierelagets brydningsindeks er mindre end brydningsindekset for siliciumoxidbasisglasset dopet med GeC>2 som vist ved det flade stykke 30 i figur 6. Specifikt er 20 brydningsindekset for barrierelaget i det i figur 6 illustrerede eksempel omkring 0,000.4 lavere end brydningsindekset for den dopede siliciumoxidbeklædning. For at opnå kernen med indeksgradient som illustreret ved kurve 25 i figur 6 forøges mængden af Ge02 og P2°5 -* kerne“ 25 materialesammensætningen, der aflejres over barrierelaget, gradvist, efterhånden som hvert af de på hinanden følgende lag af kernemateriale aflejres. Som det vil kunne forstås, kan kernen dannes ved påføring af et antal lag af kernemateriale, indtil den ønskede tykkelse af 30 kernelaget er opnået.

Da barrierelaget og kernen i figur 9 hver især indeholder β2°5 °U GeG2' og der hverken er nogen brat ændring i mængderne af disse dopemidler, eller nogen brat indførelse af et nyt dopemiddel, efterhånden som kernen dannes 35 over barrierelaget, har det resulterende bølgelederprofil som illustreret i figur 6 ikke det trin-gradientindeks-profil, som de kendte bølgeledere har. Det må bemærkes, 12

DK 152631B

at ændringen i mængden af P205 Ge02 -*-n<^en f°r kernetykkelsen er programmeret på en forud bestemt måde, således at der opnås et forud bestemt ønsket tværsnitsprofil i den endelige optiske bølgeleder.

05 I figur 10 illustreres en fremgangsmåde til dannelse af den optiske bølgeleder med høj båndbredde og indeksgradient i figur 7. Brydningsindeksgradienten for den B203-frie kerne 24 i figur 8 er vist i figur 7 ved kurve 40, medens barrierelaget 28 vises med det flade stykke 10 42. Udgangselementet eller det underliggende rør 32, som til sidst danner bølgelederbeklædningen, er illtfstreret ved det flade stykke 44 i figur 7. Som illustreret i figur 10 opretholdes mængderne af B2°3' P2°5 Ge02 ^ barrierelaget på niveauer, hvor barrierelagets bryd-15 ningsindeks i det væsentlige er lig med brydningsindekset for det Ge02~dopede siliciumoxidudgangselement som vist ved det flade stykke 42 i figur 7. For at opnå gradient-indekskernen som illustreret ved kurve 40 i figur 7 elimineres, som det vil ses af figur 10, B203 fuldstændigt 20 fra den over barrierelaget aflejrede kernematerialesammensætning, medens mængden af Ge02 og i^ledningsvis formindskes stærkt i kernesammensætningen og derefter gradvist forøges i hvert på hinanden følgende lag. Som det vil kunne forstås, kan kernen dannes ved påføring af 25 et antal kernematerialelag, indtil den ønskede tykkelse af kernelaget er opnået. Da B2C>3 elimineres fuldstændigt fra kernematerialet, og indholdet af GeO_ og P-0,- for-mindskes stærkt, når det første lag af kernemateriale aflej res over barrierelaget, sker der en brat formindskelse 30 i brydningsindekset for barrierelag-kemegrænsefladen som illustreret ved profilet i figur 7. Det vil derfor ses, at det resulterende bølgelederprofil, som illustreret i figur 7, ikke har det trin-gradientindeksprofil med trinforøgelse i kernebrydningsindekset, som bølgeledere 35 ifølge den kendte teknik har. Det må bemærkes, at ændringen i mængden af P20,_ °9 Ge°2 ^nden f°r kernetykkelsen er programmeret på en forudbestemt måde, således

DK 152631 B

13 at der opnås et forudbestemt ønsket tværsnitsprofil for den endelige optiske bølgeleder. Det må også bemærkes, at selv om de ved figur 9 og 10 illustrerede fremgangsmåder til fremstilling af de optiske bølgeledere i figur 6 og 7 05 er blevet beskrevet i forbindelse med B2°3' P2^5 Ge02 som dopemidler, kan der anvendes andre dopemidler eller kombinationer deraf, når blot kernen er fri for B2°3' N^r der anvendes andre dopemidler eller kombinationer deraf, må mængden af hver, som det vil kunne forstås, programme-10 res korrekt, således at der opnås et forudbestemt ønsket tværsnitsprofil.

For at give en bedre forståelse af de ved den foreliggende opfindelse frembragte fordele henvises der til figur 11 og 12. Kurve 46 i figur 11 og kurve 48 i figur 15 12 opnåedes under anvendelse af en optisk bølgeleder ifølge den kendte teknik af den ved figur 1 eksemplificerede type, medens kurverne 50 i figur 11 og 52 i figur 12 opnåedes under anvendelse af en optisk bølgeleder fremstillet i overensstemmelse med den foreliggende 20 opfindelse, således som eksemplificeret ved figur 6. Det må forstås, at kurve 50 i figur 11 og kurve 52 i figur 12 blot er illustrationer af retningsgivende data for bølge-lederne fremstillet ifølge den foreliggende opfindelse og ikke er repræsentative for målte data. Idet der først hen-25 vises til figur 11 er forsinkelsestiden i nanosekunder pr. kilometer vist som en funktion af hovedbølgetype-tallet (m) for optiske bølgeledere, hvis målte og illustrative data er repræsenteret ved kurverne 46 henholdsvis 50. I forbindelse med figur 11 henvises der også til 30 en artikel med titlen "Differential Mode Attenuation in

Graded-Index Optical Waveguides" af Robert Olshansky, udgivet på p. 423 i Technical Digest of the 1977 International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communications, Tokyo, Japan. Hovedbølgetypetallet "m" 35 står i relation til udsendelsespositionen "r" for en laser-plet ved en fibers indgangsende via ligningen

DK 152631 B

14 m = M(r/a)2 hvor "a" er kemeradien, og "M" er den maksimale værdi af hovedbølgetypetallet givet ved 05 M = 1/2 n^ka/22 hvor "Dj11· er brydnings indeks et på aksen, "k" er lig med 2π/λ, λ er bølgelængden i frit rum (799 nm for de i figur TO 11 viste data), Δ er lig med (n^ - n^/in^), og "n2" er beklædningens brydningsindeks.

På grund af trinforøgelsen i brydningsindeksprofilet ved kerne-barrierelaggrænsefladen for den af figur 1 repræsenterede bølgeleder fås der en stor forsinkelsestids-15 forandring for bølgetyper af høj orden, som transmitteres gennem en sådan bølgeleder, og der frembringes følgelig en stor rms-impulsbredde på 0,69 ns, som det fremgår af den målte kurve 46 i figur 11. Når formen af brydningsindeksprofilet korrigeres i overensstemmelse med den fore-20 liggende opfindelse som repræsenteret ved figur 6, elimineres forsinkelsesforandringen som illustreret ved kurve 46 i figur 11 som vist ved den illustrerende og repræsentative kurve 50. Det fremgår, at rms-impulsudbredningen repræsenteret ved kurve 50 i figur 11 reduceres til om-25 kring 0,21 ns.

I figur 12, hvor kurve 48 repræsenterer data for den af figur 1 illustrerede optiske bølgeleder ifølge den kendte teknik, er impulsbredden "σ" på 0,69 ns matematisk overført til en båndbredde på 0,28 GHz. Den målte båndbredde 30 var 260 mHz. På den anden side overføres den optiske bølgeleder fremstillet ifølge den foreliggende opfindelse fra figur 6 illustreret ved kurve 50 i figur 11 og kurve 52 i figur 12 med en rms-impulsbredde "σ" på omkring 0,21 ns matematisk til en båndbredde på omkring 0,95 GHz.

35 Til sammenlignings- og informationsformål er data for den kemiske dampaflejringsproces repræsenteret ved figur 3 og 4, som frembragte optiske bølgeledere ifølge

DK 152631 B

15 den kendte teknik repræsenteret ved figur 1, og de beregnede procesdata repræsenteret ved figur 5, som menes at frembringe en optisk bølgeleder repræsenteret ved figur 2 anført i den efterfølgende tabel I. Data for eksemplet i 05 figur 1 og 4 er illustreret ved kurve 46 i figur 11 og kurve 48 i figur 12.

Tabel I

Eksempel Reaktant Barrierelag Kerne 10 _ _ reaktantstrøm reaktantstrøm

Figur SiCl4 0,6 g/min 0,6 g/min 1 & 3 GeCl4 - 0,05 til 0,465 g/min 3 3 Ί5 BClg 20 scm /min 5 scm /mm

Figur SiCl4 0,6 g/min 0,6 g/min 1 & 4 GeCl4 - 0,05 til 0,465 g/min 20 P°cl3 - 0,049 g/min 3 3 BClg 20 scm /mm 5 scm /mm

Figur SiCl4 0,6 g/min 0,6 g/min pc 2 & 5 GeCl. 0,2 g/min 0,2 til 0,465 ZJ. , g/min BClg 20 scm3/min 20 til 5 scmJ/min

For hvert af eksemplerne i Tabel I er oxygenover-30 3 o skuddet 1000 scm /min, temperaturen er 1750 C, og den tværgående lagpåføringshastighed er 15 cm/min for både barrierelaget og kernen; barrierelaget dannes ved hjælp af 3 passager eller lag, medens kernen dannes ved hjælp af 60 passager eller lag. Den opnåede optiske bølgeleder har en 35 , 0 udvendig diameter på ca. 125 mikrometer, en kernediameter på ca. 62,5 mikrometer og en barrierelagtykkelse på ca. 1 16

DK 152631B

mikrometer, selv om barrierelaget om ønsket kan variere fra ca. 1 til 10 mikrometer.

Det efterfølgende er et typisk eksempel på, hvorledes en optisk bølgeleder med et profil som illustreret i 05 figur 6 og dannet ved den i figur 9 illustrerede fremgangsmåde ifølge den foreliggende opfindelse kan fremstilles. Et underliggende rør af siliciumoxid indeholdende 2 molprocent Ge02 og med en udvendig diameter på 25 mm og en vægtykkelse på 1,275 mm monteres i en kendt 10 aflejringsdrejebænk. Reaktantkomponenterne SiCl4, GeCl^ og POClg afgives til det underliggende rør ved hjælp af kendte kemiske dampaflejringssystemer. Illustrative procesparametre for dette eksempel er blevet matematisk beregnet og skønnet til at være som anført i den efter-15 følgende tabel II.

Tabel II

Eksempel Reaktant Barrierelag Kerne _ _ reaktantstrøm reaktantstrøm 20 . , . .

Figur SiCl4 0,6 g/mn 0,6 g/mm 6 & 9 GeCl4 0,04 g/min 0,04 til 0,46 % g/min POCl3 0,0059 g/min 0,0059 til 0,20 g/min 25

For eksemplet i Tabel II er det tilvejebragte oxy- 3 genoverskud ca. 1000 scm /mm, dannelsestemperaturen er ca. 1750°C, og den tværgående lagpåføringshastighed er 30 ca. 15 cm/min for både barrierelaget og kernen; barrierelaget dannes ved hjælp af 3 passager eller lag, medens kernen dannes ved hjælp af 60 passager eller lag.

Det således dannede råemne eller den således dannede præform opvarmes så til en temperatur på ca. 2200°C, ro-35 teres ved en hastighed på 60-90 opm, og det centrale hul sammenklappes til dannelse af en fast præform. Den faste præform anbringes så i et trækningsapparat på kendt måde,

DK 152631 B

17 enden deraf opvarmes til en temperatur på ca. 2000°C og trækkes til et optisk bølgelederfilament med tværsnitsprofil som illustreret i figur 6 og egenskaber illustreret ved kurve 50 i figur 11 og kurve 52 i figur 12.

05 Den resulterende optiske bølgeleder vil have en udvendig diameter på ca. 125 mikrometer, en kemediameter på ca.

62,5 mikrometer, og en barrierelagtykkelse på ca. 1 mikrometer. Siliciumoxidbeklædningen indeholdende 2 molprocent GeC>2 vil have et brydningsindeks på omkring 10 1,4595, barrierelaget indeholdende 1 molprocent af hver af GeC>2 og P2°5' °9 som rest siliciumoxid, vil have et brydningsindeks på omkring 1,4591, og kernen ved den centrale akse 36 indeholdende omkring 15 molprocent Ge02 og omkring 4 molprocent P20^, og som rest siliciumoxid, 15 vil have et brydningsindeks på omkring 1,4787.

Et andet eksempel ifølge den foreliggende opfindelse anvender samme afgivelsessystem og kemisk dampaflejrings-drejebænk som beskrevet i forbindelse med det tidligere eksempel. Et siliciumoxidrør indeholdende 2 molprocent 20 Ge02 °9 med en udvendig diameter på 25 mm og en vægtykkelse på 1,275 mm tilvejebringes og monteres i nævnte drejebænk. Fremgangsmådeparametrene for dannelsen af en optisk bølgeleder med et brydningsindeksprofil som illustreret i figur 7 ved fremgangsmåden illustreret i figur 25 10 er blevet matematisk beregnet og skønnet til at være som anført i Tabel III nedenfor.

30 35

DK 152631 B

18

Tabel III

Eksempel Reaktant Barrierelag Kerne _ _ reaktantstrøm re aktants trøm 05

Fxgur SxCl^ 0,6 g/mxn 0,6 g/min 7 & 10 GeCl4 0,23 g/min 0,02 til 0,46 g/min P0C13 0,05 g/min 0,044 til 0,20 g/min 10 3 BC13 30 scm /min ingen

For det i tabel III anførte eksempel er det tilveje- 3 bragte oxygenoverskud ca. 1000 scm /min, dannelsestempera-15 turen er ca. 1750°C, og den tværgående lagpåføringshastighed er ca. 15 cm/min for både barrierelaget og kernen; barrierelaget dannes ved hjælp af 3 passager eller lag, medens kernen dannes ved hjælp af 60 passager eller lag.

Det således dannede råemne eller den således dannede 2Φ præform opvarmes så til en temperatur på ca. 2200°C, roteres ved en hastighed på 60-90 opm, og det centrale hul sammenklappes til dannelse af en fast præform. Den således dannede genstand anbringes så i et trækningsapparat, som er velkendt inden for området, enden af genstanden opvarmes, og en fiber med en udvendig diameter på omkring 125 mikrometer, en kemediameter på omkring 62,5 mikrometer, og en barrierelagtykkelse på omkring 1 mikrometer trækkes på kendt måde. Den således dannede bølgeleder skulle have et brydningsindeksprofil som 3q illustreret ved figur 7. Siliciumoxidbeklædningen indeholdende 2 molprocent GeC>2 vil have et brydningsindeks på omkring 1,4595, barrierelaget indeholdende 5,7 molprocent Ge02, 1 molprocent og 1° m°lProcent B2°3 °9 som rest siliciumoxid, vil også have et brydningsindeks, der 35 ikke overstiger 1,4595, første kemepassage eller -lag indeholdende 1 molprocent af hver af GeC>2 og ?2°5 °9 som rest siliciumoxid, vil have et brydningsindeks på 1,4591,

Claims (10)

1. Præform, hvoraf der kan fremstilles et optisk filament med høj båndbredde og indeksgradient, og omfattende et ydre, et indre og et mellemliggende lag, hvor det ydre lag har et forudbestemt brydningsindeks og er be-20 stemt til efter trækning af præformen at danne det ydre beklædningslag på det optiske filament, hvor det mellemliggende lag er et barrierelag omfattende et basisglas og mindst ét dopemiddel, idet mængden af basisglasset og dopemidlet i det væsentlige er ensartet gennem barriere-25 lagets tykkelse, og hvor det indre lag, som er bestemt til at danne kernen i det optiske filament, er af glas med høj renhed, som har en brydningsindeksgradient, og adhærerer til basislaget til dannelse af en grænseflade, idet det indre lag i det væsentlige består af et basis-30 glas og et eller flere dopemidler KENDETEGNET ved, AT nævnte ene eller flere dopemidler i kernen er B^O^-fri og er inkluderet i en sådan mængde, at der henover kernens tværsnit tilvejebringes en i det væsentlige kontinuert varierende brydningsindeksgradient fra nævnte grænseflade 35 til kernens akse, idet der ikke er nogen trinvis forøgelse i kernens brydningsindeks ved grænsefladen, at kernens brydningsindeks ved grænsefladen i det væsentlige er lig DK 152631B med eller mindre end brydningsindekset for barrierelaget ved grænsefladen, og at barrierelagets brydningsindeks på sin side højst er lig med beklædningslagets brydningsindeks, idet der ikke er nogen trinvis forøgelse af barri-05 erelagets brydningsindeks ved barrierelag-beklædnings-grænsefladen.

2. Præform ifølge krav 1 KENDETEGNET ved, AT beklædningslaget er sammensat af siliciumoxid indeholdende Ge02-

3. Præform ifølge krav 1 eller 2 KENDETEGNET ved, AT 10 dopemidlerne i barrierelaget og kernen omfatter Ge02 og/ eller P2Og.

4. Præform ifølge krav 1 eller 2 KENDETEGNET ved, AT et af dopemidlerne, udelukkende i det mellemliggende lag, omfatter Bo0o. 2 3

5. Fremgangsmåde til dannelse af en præform for et optisk filament med høj båndbredde, ved hvilken man tilvej ebringer et cylindrisk rørformet udgangsemne dannet af et basisglas og mindst ét dopemiddel til forøgelse af det rørformede udgangsemnes brydningsindeks til over basis-20 glassets brydningsindeks, danner et barrierelag omfattende et basisglas og mindst ét yderligere dopemiddel på det rørformede udgangsemnes indvendige vægoverflade, holder mængden af basisglasset og dopemidlet i barrierelaget i det væsentlige ensartet gennem barrierelagets tykkelse og 25 danner et kernelag ved påføring af flere lag af et kernemateriale i det væsentlige bestående af et basisglas med høj renhed og et eller flere dopemidler over barrierelaget, hvorved der dannes en grænseflade mellem barrierelaget og kernelaget, hvilket kemelag har en bryd-30 ningsindeksgradient fra grænsefladen til præformens centrale akse, KENDETEGNET ved, AT nævnte et eller flere dopemidler i kernematerialet, som tilføres ved dannelse af kernelaget, er B^^-fri og er inkluderet i en sådan mængde i kernematerialet, som tilføres i et første af 35 nævnte flere lag over barrierelaget, at der ved kerne-barrierelagsgrænsefladen tilvejebringes et brydningsindeks, som i det væsentlige er lig med eller mindre end DK 152631 B barrierelagets brydningsindeks, idet der ikke er nogen trinvis forøgelse af kernens brydningsindeks ved grænsefladen, og idet mængden af dopemidlet i efterfølgende lag af kernemateriale, som påføres over barrierelaget, grad- 05 vis varierer fra grænsefladen i retning mod præformens centrale akse på en forudbestemt måde, således at der fås en ønsket brydningsindeksgradient henover kernelagets tværsnit, og mængden af nævnte i det mindste ene yderligere dopemiddel i barrierelaget er således, at barri- 10 er el åget gives et brydningsindeks, som højst er lig med det rørformede udgangsemnes brydnings indeks, idet der ikke er nogen trinvis forøgelse af barrierelagets brydningsindeks ved barrierelag-beklædningsgrænsefladen.

05 Som det vil kunne forstås, kan det centrale hul i en hvilken som helst af bølgelederpræformerne eller råemnerne i de forudgående eksempler sammenklappes efter aflejringsprocessens afslutning, således som det er beskrevet, eller råemnet kan derefter genopvarmes, og 10 hullet sammenklappes, eller hullet kan sammenklappes under trækningsprocessen, alt efter hvad der ønskes.

15 PATENTKRAV

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5 KENDETEGNET ved, AT 15 der tilvejebringes et cylindrisk rørformet udgangsemne af siliciumoxid indeholdende Ge02·

7. Fremgangsmåde ifølge krav 5 eller 6 KENDETEGNET ved, AT dopemidleme i barriere- og kernelagene omfatter GeC>2 og/eller P20,-.

8. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kra vene 5 til 7 KENDETEGNET ved, AT et af dopemidlerne, udelukkende i barrierelaget, er B202.

9. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 5 til 8 KENDETEGNET ved, AT præformens centrale hul 25 sammenklappes til dannelse af en fast genstand.

10. Fremgangsmåde ifølge krav 9 KENDETEGNET ved, AT det centrale hul sammenklappes ved opvarmning af præformen til dannelse af en fast genstand, AT den således dannede konstruktion opvarmes til materialets trækningstem- 30 peratur, og AT den opvarmede konstruktion trækkes til reduktion af dennes tværsnitsareal til dannelse af et optisk filament med forudbestemte ønskede egenskaber. 35