DK169222B1

DK169222B1 - Optisk fiber

Info

Publication number: DK169222B1
Application number: DK363187A
Authority: DK
Inventors: William Alfred Reed
Original assignee: American Telephone & Telegraph
Priority date: 1986-08-08
Filing date: 1987-07-13
Publication date: 1994-09-12
Also published as: US4852968A; HK117193A; KR880003200A; CA1302756C; EP0260795A3; SG59993G; EP0260795A2; EP0260795B1; JP2618400B2; JPS6343107A; DK363187D0; KR960001319B1; DE3784419D1; DE3784419T2; DK363187A

Description

DK 169222 B1 i

Opfindelsen vedrører en single mode optisk fiber.

Optiske fibre er blevet af umådelig kommerciel betydning i de seneste år på grund af deres anvendelse i optiske 5 kommunikationssystemer. Sådanne kommunikationssystemer har flere fordele sammenlignet med konventionelle kommunikationssystemer, hvilke fordele omfatter yderst store båndbredder og høje transmissionshastigheder, let tilgængelighed af råmateriale til fiberfremstilling, let til-10 passelighed til pulskodemodulation-transmission, osv. Der kræves nøje fremstillingsstandard og opbygningskontrol ved fremstilling af optiske fibre for at sikre transmission af optiske signaler gennem sådanne fibre med et minimum af tab og dispersion. Der sker stadig forbedringer 15 mht. at forøge båndbredden, den fornødne afstand imellem forstærkerstationer, let fremstilling, osv. Faktisk er præcis udformning og kontrol af de optiske fibres egenskaber til en række anvendelser en vedvarende aktivitet for de, der er involveret i fremstillingen af optiske 20 fibre.

For tiden er der to typer optiske fibre, som overvejes til anvendelse i optiske kommunikationssystemer. Den ene fiber, den såkaldte single mode fiber, har en relativ 25 lille kerneregion og en relativ stor yderlagsregion med mindre brydningsindex. Dette medfører en lysleder med sådanne egenskaber, at kun en elektromagnetisk bølgetilstand eller -mode transmitteres med ringe tab. Fordelen ved single mode fibre er deres store båndbredde, relativt 30 lave dispersion og den relativ store afstand imellem de nødvendige forstærkerstationer. Den anden type er den såkaldte multimodefiber.

I begge fibertyper afhænger den optimale ydelse udtrykt 35 ved ringe tab, lav dispersion, høj båndbredde, osv. kritisk af brydningsindexprofilet. Dette optimale indexpro-fil kan være forskelligt ved forskellige bølgelængder, DK 169222 B1 2 fibertyper, osv., og kan være forskelligt for lysledere, som er beregnet til forskellige anvendelser (maksimal båndbredde, maksimal afstand imellem forstærkerstationer osv).

5

En mængde metoder er blevet anvendt til at fremstille optiske fibre. Disse metoder er omtalt i et antal trykskrifter, omfattende USA patentnr. 4 257 797 og USA pa-tentnr. 4 302 230.

10

En særlig fordelagtig fremgangsmåde ved fremstilling af lysledere omtales sædvanligvis som den modificerede kemiske dampudfældningsproces (MCVD). Denne proces er beskrevet i USA patenterne nr. 4 217 027, nr. 4 262 035 og 15 4 331 462.

Opfindelsen vedrører kun single mode fibre. Som det er velkendt omfatter en sådan fiber en central region med et relativt højt brydningsindex (kernen), som er i kontakt 20 med en eller flere omgivende koncentriske regioner med relativt lavt brydingsindex (kappen). I hovedsagelig alle de nu om stunder anvendte graduerede fibre består kernen og i det mindste den indre del af kappen af silicabaseret materiale med lave optiske tab. Et sådant kappemateriale 25 (herefter betegnet som kappemateriale med "lavt tab") kan fremstilles ved ethvert passende proces, og bliver for tiden hyppigt fremstillet på stedet ved hjælp af en passende reaktion og udfældet på et passende substrat. For tiden anvendte fibre omfatter typisk også et udvendigt 30 kappelag, som består af et materiale med relativt højt optisk tab (dvs. har et tab i størrelsesordenen 100 dB/km). Dette "højtabs" kappemateriale kan f.eks. udledes af et præeksisterende silicabaseret rør, eller af et siliciumbaseret overlag. Lysledere er typisk udformet såle-35 des, at yderlagsmaterialet med "højt tab" i det væsentlige ikke deltager i ledningen af den optiske stråling. Den radius, som angiver grænsen mellem kappematerialet med DK 169222 B1 3 "lavt tab" og "højt tab" er heri betegnet som a^.

Forbedringer ved udformningen af single mode fibre er stærkt ønskelige både mht. forbedrede transmissionskarak-5 teristikker (tab, båndbredde, dispersion, osv.), forbedring ved at gøre fremstillingen af optiske fibre lettere og nedsætte den kritiske natur af fibrens parametre. Især er fiberkonstruktioner med lave tab, i hvilket dispersionsminimum (eller nul) findes ved bølgelængder, hvor tab 10 er minimum, i høj grad ønskelige. Også til bølgelængde-multiplex-anvendelser er fibre, med minimum dispersion over et givet bølgelængdeområde i høj grad ønskelige. Det er tilmed ønskeligt at justere fiberparametrene for at begrænse tabene, sikre god modeindespærring og nedsætte 15 fibrens susceptibitet for bøjningstab. Single mode fibre med lave tab har været beskrevet i et antal trykskrifter, omfattende USA patenterne nr. 4 435 040 og nr. 4 447 127.

Et antal fiberkonstruktioner er beskrevet i litteraturen.

20 Mange af disse konstruktioner er blevet omtalt i en bog af L. B. Jeunhomme med titlen Single-Mode Fiber Optics, Principles and Applications, Marcel Dekker, Inc., New York, 1983. En særlig interessant single mode fiber med multibel kappe er beskrevet i USA patentnr. 3 997 241. Af 25 interesse er også en fiber, som er beskrevet i EP patentansøgning nr. 82306476.1, med en kerne og en kappe, hvor kernen omfatter en forsænket brydningsindexregion. Se desuden EPO patentansøgning nr. 84303402.6.

30 Det er hyppigt ønskeligt ved single mode fiber anvendt til lysbølgekommunikationssystemer at have et tilpas bredt bølgelængdeområde med ingen eller næsten ingen dispersion ved en bølgelængde med lavt driftstab (f.eks. omfattende 1,55 nm). Det er hyppigt også ønskeligt med en 35 sådan konstruktion, hvor fibren frembringer single mode udbredelse med lavt tab over et tilpas bredt bølgelængdeområde omkring den tilsigtede arbejdsbølgelængde for kom- DK 169222 B1 4 munikationssystemet med en pletstørrelse, som tillader let kobling med lavt tab imellem fibre og frembyder relativt lave bøjningstab.

5 Blandt andre generelt ønskelige egenskaber ved en single mode fiber er relativ ufølsomhed af fibrens udbredelsesegenskaberne over for små variationer i en eller flere fiberparametre, samt en dispersionskurve som funktion af bølgelængden for fibren med en relativ lav hældning ved 10 og nær fibrens nuldispersionsbølgelængde Aq. Det er også ønskeligt, at en fiberkonstruktion kun kræver en relativ ringe tykkelse af kappen med "lavt tab", for at opnå en forudbestemt specifikation (typisk bøjningstab og/eller dæmpning), eftersom prisen for kappematerialet med "lave 15 tab" typisk er højere end for kappemateriale med "høje tab". En anden ønskelig karakteristik ved en fiberkonstruktion er dens evne til at opnå ønsket udbredelseskarakteristikker med et relativt lavt dopingniveau i kernen, eftersom spredningstabet for en fiber generelt vok-20 ser med dopingniveauet. I nogle tilfælde er det ønskeligt, at fibren har et relativt bredt spektralområde med lav kromatisk dispersion.

I betragtning af den kommercielle betydning for single 25 mode fibren, er en relativ simpel udformningsegenskab, som resulterer i eller forbedrer en eller flere af de ovenfor beskrevne ønskelige egenskaber ved fibren af væsentlig interesse. Opfindelsen angiver fiberkonstruktioner, som omfatter et sådant træk.

30

Opfindelsen er en single mode fiber med en forsænket-in- dexring eller en renderegion uden for kernen og inden for kappen. Her anvendes "kerne" på den konventionelle måde til at omtale fibren centrale region (relativt højt bryd- 35 ningsindex), som, ved λ , indeholder en væsentlig del op (f.eks. typisk mere end 50%) af den optiske effekt i fibren. Generelt omfatter opfindelsen en mængde brydningsin- DK 169222 Bl 5 dexprofiler for kerneregionen og en mængde indexprofiler for kapperegionen. Renderegionen er adskilt fra kerneregionen af en første kapperegion. Fibren kan fremstilles ved et utal af processer omfattende den modificerede ke-5 miske dampudfældningsproces (MCVD), som er omtalt i det foregående.

Fibren ifølge opfindelsen er beregnet til single mode drift ved i det mindste én arbejdsbølgelængde λ . Den 10 omfatter en kerne og en kappe, som i kontakt omslutter kernen. Kernen har et brydningsindexprofil n^(a) (a er her den den radiale fiberkoordinat) og en radius a^. Kappen anses typisk for at strække sig fra a. til mindst a , x p en radius, som er begrænset af kravet om, at ved λ 15 strækker kun 10”12 af den integrerede modeeffekt sig ind i den del af fibertværsnittet, som har a > a^. Kappen omfatter en første kapperegion, som strækker sig fra til en radius a2 og har et brydningsindex n2(a), og en index-rende, som strækker sig fra a2 til en radius a^ og har et 20 brydningsinddex ng(a), og en anden kapperegion, som strækker sig udaf fra a^ og har et brydningsindex n^(a), med a, < a0 < a0 < a . Den maksimale værdi af n.,(a) er mindre end den mindste værdi af n2(a), og er desuden mindre end n^(a = a^), der er brydnings indexer for den 25 anden kapperegion ved grænsen til renden. Den første kapperegion, renden, og valgfrit den indre del af den anden kappe er "lavtabs" materiale, og brydningsindexet for dette "lavtabs" materiale er typisk over alt mindre end den maksimale værdi af n^(a).

30

Rendeparametrene (f.eks. a2, a^ og n^(a)) er således valgt, at én eller flere fiberegenskaber er forbedret i forhold til en anden fiber, som ikke har renden. Blandt fiberparametrene, som kan forbedres ved hjælp af en rende 35 er: kurvehældningen for kromatisk dispersion som funktion af bølgelængden ved nuldispersionsbølgelængden (den kan reduceres); spektralområdet over hvilket den absolut- DK 169222 Bl 6 te værdi af den kromatiske dispersion er mindre end en forudbestemt værdi (det kan forøges); den maksimale absolutte værdi af den kromatiske dispersion i et givet spektralområde (det kan nedsættes); bøjningstabet ved en be-5 stemt bøjningsradius (det kan nedsættes); forholdet a^/a^ (det kan nedsættes); den optiske kvalitet af det rør-afledte materiale (et billigere materiale kan anvendes); den integrerede modeeffekt ved a^ (den kan nedsættes); doping-koncentrationen i kernen (den kan forøges, hvilket 10 typisk medfører mindre spredning); og afhængigheden af på kerneradius (den kan nedsættes, hvilket medfører forbedret fremstillingsmulighed). Under passende omstændigheder kan indexrenden desuden anvendes til at forskyde Kq til en lavere bølgelængde.

15

Notationen "n(a)" er beregnet på at tilkendegive, at brydningsindexet er en funktion af radius (men ikke udelukkende et konstant index). Af enkeltshedsgrunde er brydningsindexerne heri imidlertid også betegnet med n, 20 uden at tilsigte en angivelse af konstans for brydnings-indexet som en funktion af radius.

Set bredt er opfindelsen en første fiber, som har en eller flere brydningsindexrender. Renden eller renderne er 25 således valgt, at én eller flere af den første fibers egenskaber er forbedret, uden i det væsentlige at have ugunstig virkning på de øvrige fiberegenskaber. Forbedringen er i forhold til egenskaberne ved en anden (reference) optiske fiber, som stærkt ligner den første fiber 30 (både udtrykt ved opbygning og transmissionsegenskaber), men som ikke har renden (eller renderne). Her er angivelsen, at "den første og anden fiber er identisk med undtagelse af visse angivne forskelle" beregnet på at angive, at de to fibre i det væsentlige er ens i alle henseender 35 (inklusiv sammensætning, indexprofil og transmissions egenskaber, f.eks. optisk tab). Typisk har den anden fiber blandt andet de samme værdier for n^(a), a^, ^(a), DK 169222 B1 7 a2, n^(a) og a^ som den (første) fiber ifølge opfindelsen, men n3(a) = n2(a = a2) i den anden fiber. Dvs. da det andet brydningsindex i regionen fra a2 til a^ er konstant og lig med værdien af n2(a) ved a2· Noget forskel-5 lige profiler for den anden fiber kan være passende i nogle tilfælde, som det vil blive angivet i det efterfølgende .

Selvom det heri omtalte generelt er udtryk ved en fiber 10 med en enkelt rende med nominelt rektangulært tværsnit, er der også overvejet konstruktioner med mere end én rende. Ved sådanne konstruktioner kan det være muligt samtidigt med fordel at påvirke flere fiberegenskaber, end det er muligt med en enkelt rende. Typisk er sådanne yderli-15 gere render anbragt i fiberregionen uden for a^. Desuden behøver en rende ikke at have et nominelt rektangulært tværsnit, men kan have et hvilkent som helst andet passende tværsnit (f.eks. trapezformet), hvilket omfatter et sammensat tværsnit som f.eks. angivet i fig. 12.

20 I alle tilfælde er renden eller renderne anbragt således, at deres tilstedeværelse har en virkning på fibrens optiske egenskaber. Dette kræver, at en væsentligt brøkdel (ved λ ) af den samlede optiske effekt, som udbredes i op 25 fibren, strækker sig forbi den indre radius af den yders- _2 te rende. Brøkdelen kan være så stor som 10 eller endog “6 større, eller kan være så lille som 10 eller endog mindre. Eftersom den indre radius i den yderste rende er mindre end a , er det klart, at (ved λ ) brøkdelen af p' op' 30 den samlede optiske effekt, som udbredes i fibren udenfor -12 den indre radius, typisk er væsentlig større end 10

Med den ifølge opfindelsen anviste konstruktion af en optisk fiber, er antallet af frihedsgrader, hvormed man har 35 mulighed for at designe den optiske fiber og derigennem styre fiberkarakteristikken eller de egenskaber, der er forbundet med den optiske fiber, øget væsentligt. Det er DK 169222 B1 8 således muligt at opnå en optisk fiber med en meget lille dispersion over hele det for optisk kommunikation interessante bølgelængdeområde, samtidig med at fibren udviser et lille dæmpningstab. Især fibre med en trekantet 5 indexprofil i den centrale del af kernen er attraktive, idet denne profil gør det muligt at operere med en passende høj normaliseret frekvens ved optisk kommunikation, samtidig med at fibren minimerer såvel tab, dispersion som mikrobøjningstab. Dette gør fibren ifølge opfindelsen 10 særdeles attraktiv i forbindelse med optiske kommunikationssystemer .

Fibren ifølge opfindelsen er en såkaldt multikappefiber, idet kappen udgøres af dels kapperegionerne dels index-15 renden. Indexrenden er således et kappeafsnit, der har et lavere brydningsindex end de omgivende kappeafsnit.

Som det er velkendt for fagfolk, har faktiske fibre in-dexprofiler, som generelt afviger i nogen grad fra de 20 idealiserede profiler, som typisk er vist i litteraturen og også heri. Afvigelserne fra de idealiserede profiler skyldes uundgåelige fremstillingstekniske begrænsninger (f.eks. skyldes det centrale dyk i kernen for nogle fibre tabet af dopingsmiddel under kollaps af præformen) eller 25 fysikken ved fremstillingsprocessen (f.eks. medfører do pingsdiffusion en afrunding af indexprofilets skarpe kanter). Disse afvigelser fra det ideelle er velkendte og egenskaberne ved de faktiske fibre følger trods deres eksistens de beregnede egenskaber ved fibre med "ideelle" 30 indexprofiler.

Opfindelsen skal i det følgende nærmere beskrives med henvisning til tegningen, hvorpå: 35 Fig. 1 viser et tværsnit af en optisk fiber ifølge opfindelsen, DK 169222 Bl 9 fig. 2-4 viser variationer i brydningsindex som funktion af den radiære afstand for udførelseseksempler for fibre ifølge opfindelsen, 5 fig. 5 viser den målte indexprofil ved et eksempel på en fiber ifølge opfindelsen, fig. 6-7 viser, for en fiberkonstruktion som vist i fig.

3, bølgelængden ved nul-dispersion som funktion af kerne-10 diameter for en række maksimum kerneindexer, fig. 8 viser, for en fiberkonstruktion som vist i fig. 3, bølgelængden ved nuldiserpersion som funktion af kernediameter for forskellige rendeafstande i forhold til ker-15 nen, fig. 9-10 viser dispersionen som funktion af bølgelængde for forskellige kerneradier for en fiberkonstruktion som i fig. 3, henholdsvis med og uden rende, 20 fig. 11 viser et optisk kommunikationssystem, som omfatter optiske fibre, fig. 12 skematisk viser et yderligere eksempel på et 25 brydningsindexprofil for en fiber ifølge opfindelsen, fig. 13 giver data vedrørende bøjningstab ved en kendt fiber og ved en fiber ifølge opfindelsen, 30 fig. 14 viser et brydningsindexprofil ifølge kendt teknik, fig. 15 viser den integrerede modeeffekt som en funktion af a/a^ for fibrene vist i fig. 14, 16 og 17, fig. 16 og 17 skematisk viser to brydningsindexprofiler ifølge opfindelsen, 35 DK 169222 B1 10 fig. 18 viser et yderligere tidligere kendt fiberprofil, fig. 19 skematisk viser et fiberprofil ifølge opfindelsen, 5 fig. 20 viser et yderligere tidligere kendt fiberprofil, fig. 21 viser skematisk et yderligere fiberprofil ifølge opfindelsen, og 10 fig. 22 viser dispersionskurverne for fibrene vist i fig.

20 og 21.

Opfindelsen er en single mode fiber med mindst én index-15 rende (eller forsænket-indexring) uden for kerneregionen.

Bredt udtrykt omfatter opfindelsen introduktionen i en single mode fiber af mindst én indexrende i kapperegionen i en sådan position, at den påvirker fibrens optiske udbredelsesegenskaber. Hovedfordelen ved en sådan fiberkon-20 struktion er den lethed, hvormed fiberegenskaberne styres ved at justere rendeanbringelsen, rendebredden, rendens brydningsindex, osv. Den tillader konstruktion af fibre til anvendelige bølgelængder (f.eks. i området omkring 1,31 og/eller 1,55 mti) med udmærkede fiberegenskaber uden 25 væsentlige skadelige træk.

Fibren ifølge opfindelsen kan beskrives som følger: fibren er fremstillet af koncentriske regioner af transparent materiale med forskellige brydningsindexer og radi-30 altykkelser. Der er typisk mindst fire regioner, som påvirker fibrens udbredelsesegenskaber. Der er en kerneregion med brydningsindex n^Ca) og radius a^; en første kapperegion med index n^ia), og som strækker sig fra radius a^ ud til en radius en renderegion med et index 35 ng(a), og som strækker sig fra a^ til en radius a^; og en anden kapperegion med et index n^(a), og som strækker sig fra og mindst ud til en tidligere defineret radius a^.

DK 169222 B1 11

Til nogle formål kan det være ønskeligt at tilvejebringe yderligere udbredelses-påvirkende fiberregioner, f.eks.

én eller flere yderligere render i den kritiske del (med radius mindre end a ) for fibren. Principperne ifølge op-

P

5 findelsen kan let udstrækkes til anvendelsen af flere render. Derfor vil det meste af den efterfølgende beskrivelse blive udtrykt ved en enkelt rende.

Brydningsindexet inden for hver kapperegion behøver ikke 10 at være konstant, men kan variere som en funktion af radius. Der er beskrevet en række foretrukne udførelsesformer, som kan give lave tab og gunstige egenskaber for en bestemt bølgelængderegion (f.eks. nuldispersion eller lav dispersion i en interessant bølgelængderegion) og er re-15 lativ lette at fremstille. I mange tilfælde er rendere-gionen adskilt fra kernen med en region med relativt fladt (nominel konstant) brydningsindex.

Strukturen af fibren kan angives udtrykt ved brydningsin-20 dexerne i de forskellige regioner. For det første er det maximale brydningsindex i kerneregionen større end ethvert af de øvrige indexer ved i det mindste den aflejrede del af kappen. For det andet er det maksimale brydningsindex i renderegionen mindre end det mindste bryd-25 ningsindex i den første kapperegion og brydingsindexet for den anden kapperegion ved a^.

En signifikant egenskab ved fiberkonstruktruen ifølge opfindelsen er eksistensen af den første kapperegion, som 30 adskiller kerneregionen fra renderegionen. Tykkelsen af denne region kan variere fra et minimum bestemt ved muligheden ved fremstillingen af fibren (omkring 1 micron) til et maksimum, som stemmer overens med det krav, at rendestrukturen påvirker fibrens udbredelsesegenskaber.

35 Indexerne for de mange fiberregioner kan variere, forudsat nævnte indexer overholder de i det foranstående og efterfølgende angivne begrænsninger. Faktisk anvendes DK 169222 B1 12 brydningsindexvariationen inden for kerneregionen ofte til at justere eller optimere en række optiske egenskaber ved fibren. Ofte findes det maksimale index ved eller nær fibrens midte, og indexet aftager kontinuerligt mod ker-5 nens kant.

De ovenfor definerede regioner vedrører den fiberdel, som påvirker udbredelsesegenskaberne og udelukker ikke anvendelse af en række belægninger (glas, plast eller andet 10 materiale), som anvendes til at beskytte fibren, men som ikke påvirker dens udbredelsesegenskaber væsentligt. Ved en fiberradius, hvor effekten uden for denne radius er -12 mindre end 10 af effekten inden for nævnte radius, vil fibermaterialet generelt ikke påvirke udbredelsesegenska-15 berne for fibren ifølge opfindelsen.

Fig. 1 viser et tværsnit af en optisk fiber ifølge opfindelsen. Fibren er fremstillet med en række regioner af transparent materiale generelt fordelt med aksial symme-20 tri omkring fibrens midterakse. De forskellige regioner er angivet ved deres brydningsindex, som ikke behøver at være konstant inden for hver region. Fibren er fremstillet med en kerneregion 11 med index n.^ vist i midten omsluttet af en første kapperegion 12 med brydningsindex 25 n2. Den første kapperegion 12 er omsluttet af en rendere-gion med index n^ og renderegionen er igen omsluttet af en anden kapperegion 14 med index n^. Andre belægninger, inklusiv glasbelægninger kan omslutte kerneregionen 14 til beskyttelsesformål, forstærkning, lettere håndtering, 0 osv., men påvirker ikke fibrens udbredelsesegenskaber.

Ved mange anvendelser er n2, n^ og n^ i det væsentlige konstant.

Indexprofilet for en fiber beskrives bekvemt udtrykt ved 35 det relative brydningsindex i det transparente materiale, som danner fibren. For små forskelle i brydningsindexet, er det det relative brydningsindex i forbindelse med den DK 169222 Bl 13 i'te fiberregion givet ved ligningen

Δ; = nS

5 ' 2nl (1)

Her er n^ et referencebrydningsindex (i praksis sædvanligvis brydningsindex for udopet silicaglas) og er det (undertiden) variable index for det transparente materia-10 le, som danner den i'te region i fibren.

Det er instruktivt og bekvemt for forståelsen af opfindelsen at beskrive få enkle udførelsesformer ifølge opfindelsen. Fig. 2 viser en grafisk afbildning af det re-15 lative brydningsindex som funktion af radius ved et eksempel på en fiber ifølge opfindelsen. Indexprofilet (step index) omfatter en kerne 20, en første og en anden kapperegion, henholdsvis 21 og 23, og en renderegion 22.

I dette profil samt i alle de øvrige heri viste profiler 20 er der ikke gjort forsøg på at angive indexer eller radier i målestok og/eller i nøjagtig relativ størrelse. F.eks. er den anden kapperegion fremstillet af udopet silicaglas, selvom andre glassammensætninger kan anvendes.

For det i fig. 2 viste eksempel (hvor den første og den 25 anden kapperegion har omtrent samme brydningsindex), er den første kapperegion passende fremstillet af silicaglas, selvom andre glassammensætninger kan anvendes. Germanium anvendes ofte til at øge brydningsindexet for silica (f.eks. i kerneregionen) og fluor anvendes ofte til 30 at sænke brydningsindexet (f.eks. i renderegionen).

Fig. 3 viser et andet eksempel på en udførelsesform ifølge opfindelsen. Figuren viser en grafisk afbildning af det relative brydningsindex som funktion af radius for en 35 fiber, hvor brydningsindexet i kerneregionen 30 variere med radius. I fig. 3 aftager brydningsindexet i kernen lineært med den radiale afstand fra fibrens midte. Denne DK 169222 Bl 14 brydningsindexvariation er sædvanligvis betegnet som et trekantprofil. Andre indexvariationer er anvendelige, f.eks. en parabel, trapezprofiler, osv.

5 Fig. 4 viser skematisk et yderligere eksempel på en udførelsesform ifølge opfindelsen, en såkaldt forsænket kappeudformning med trekantet kerneprofil. Både den første kapperegion 21 og den indre del 40 af den anden kapperegion er doped for derved at have et brydnings index, som 10 er mindre end det tilsvarende i den ydre del 41 af den anden kapperegion (som hyppigt er "højtabs", udopet silica). Som vist er kernen 30 opdopet, den første kapperegion og den indre anden kapperegion er relativ let neddo-pet, og renderegionen er kraftigere neddopet. Typisk be-15 står regionerne 30, 21, 22 og 40 af udfældet silica-base-ret materiale. Teknik til fremstilling af dette og andre fiberprofiler, som er omtalt her, er velkendt for fagfolk.

20 Det er klart, at de fleste af de angivne indexprofiler er noget idealiseret, eftersom skarpe overgange i brydnings-index i faktiske fibre typisk er udglattet som følge af den anvendte fremstillingsteknik. Fig. 5 viser det ekspe-rimentielt bestemte profil ved et eksempel på en fiber 25 ifølge opfindelsen med (nominel) trekantkerne 30, første kapperegion 21 med forsænket index, rende 22 og anden kapperegion 23 med tilpasset index.

Yderligere præferencer i indexstrukturen ved fibren ved-30 røre størrelsen (radius) for de forskellige regioner. For det første har de forskellige regioner typisk cirkulært tværsnit, med a, < a0 < a« < a . Tilmed er radius for kerneregionen a^ typisk imellem 1,5 og 10 um, tykkelsen af den første kapperegion (a2-ai) er fra 1/10 til 20 gan-35 ge radius for kerneregionen, og den radiale tykkelse af renderegionen (a^-3.2) er fra 1 urn til omtrent 5 gange radius af kerne regionen. Minimum radius eller radialtyk- DK 169222 B1 15 kelsen for kernen, den første kapperegion og renderegion-en er generelt begrænset af, hvad der er bekvemt ved fremstilling af fibren. Bredere renderegioner end det ovenfor angivne maksimum kan anvendes, men den forøgede 5 bredde har sædvanligvis ikke en væsentlig virkning på fi-brens udbredelsesegenskaber. Ligeledes er den maksimale radiale bredde af den første kapperegion begrænset af den kendsgerning, at renderegionen skal være tilstrækkelig tæt på kernen til at påvirke fibrens udbredelsesegenska-10 ber.

Som ovenfor angivet er den anden kapperegion typisk kun defineret ud til den radius, hvor den integrerede effekt -12 udenfor denne radius er mindre end 10 af den samlede 15 effekt. I betragtning af denne definition er den radiale tykkelse a -a, af den anden kapperegion typisk imellem P ^ 1,0 og 35 am. Den samlede diameter af fibren er generelt mellem 60 og 200 am, idet 125 am for tiden foretrækkes. Desuden er typisk a^a^.

20

Yderligere præferencer i fiberdimensioner er som følger: kerneradius (a^) er imellem 2½ og 5 am, den radiale tykkelse af den første kapperegion er imellem h og 10 gange kerneradius (a^), og den radiale tykkelse af 25 renderegionen er imellem 1 og 5 gange kerneradius.

Optimale udformninger af fiberindexprofiler kan udledes ved hjælp af computermodelstudier, som angivet af T.A. Lenahan i en artikel med titlen Calculation of Modes in 30 an "Optical Fiber Using the Finite Element Method and EISPACK" som er udgivet i The Bell System Technical Journal volumen 62, nr. 9, side 2663-2694 (november 1983).

Som det er velkendt af fagfolk kan sådanne studier anvendes til at beregne i det væsentlige alle signifikante fi-35 berparametre, f.eks. nuldispersionsbølgelængde, tolerancekurver for nuldispersionsbølgelængde, (λ^), modeeffektive -indexværdier (Aeff), båndbreddeegenskaber, modeef- DK 169222 B1 16 fektprofiler og mindstekrav til kappetykkelse,

Optimeringsproceduren vil blive illustreret med henvisning til en lyslederstruktur med trekantkerne som vist i 5 fig. 3 og 4. Denne fiberprofil er gavnlig til at opnå lave tab med dispersionsskift og andre kendte fordele.

Flere konkurrende udformningskrav kommer ind i den optimale udformning af en fiber. Det er f.eks. ønskeligt at 10 minimere afhængigheden af \q på kerneradius. Det er desuden ønskeligt at holde A&ff af den ledte mode stor for at sikre lave bøjningstab.

For en fiberudformning af den i fig. 3 viste type blev 15 der frembragt kurver for som funktion af kernediameter (d=2a1). Disse kurver er vist i fig. 6 for δ^ = - 0,35%, a2/ai = 1,5, (a^ - og en række værdier for (MAX) imellem 0,7 og 1,0%. Fig. 7 viser den samme type af kurver for samme rende anbragt 3,5 kerneradier fra 20 kernen = 3,5). Fig. 8 viser Xq's afhængighed af kernediameteren, for samme rende, hvor er imellem 1 og 3,5, og Δ^(ΜΑΧ) = 0,9%. For de anvendte parameterområder viser fig. 6, at for > 1,4 urn, afhænger værdien af λφ relativt kraftigt af kernediameteren. Fig. 7 viser, at 25 der for de angivne parametre findes et område af λβ som funktion af kernediameteren, i hvilket λq afhænger relativt svagt af kernediameteren. En sådan svag afhængighed medfører en god fremstillingsmulighed, eftersom en lille variation i kernediameteren i det væsentlige ikke medfø-30 rer nogen ændring i λ^. Den forbedrede fremstillingsmulighed skyldes tilstedeværelsen af renden ved en mellemafstand fra kernen. Dette er også vist med fig. 8, som viser, at 's afhængighed af kernediameteren vokser, når a2/a^ aftager.

Fig. 9 viser dispersionsspektre som funktion af bølgelængde for en fiber af den i fig. 3 viste type, med 35 DK 169222 B1 17 δ1(μαχ) = 0,9%, δ3 = -0,35%, a2/a1 = 1,5, (a3 - a2) = a±r og forskellige kerneradier. Når kerneradius reduceres går effekten længere ind i kappen, og renden påvirker dispersionen ved kortere bølgelængder. Virkningen er at forsky-5 de dispersionspektret nedad og bevæge de to nuldispersionsbølgelængder tættere sammen, indtil kromatik-disper-sionskurven bliver tangent til nuldispersionsaksen. For endnu mindre diametre bevæges kromatik-dispersionskurver-ne helt under nul-aksen. Til sammenligning viser fig. 10 10 dispersionsspektret for en anden fiber, som har samme in-dexprofil som fibren vist i fig. 9 med den undtagelse, at den anden fiber mangler renden. Disse kurver viser gavnligheden ved en rende til at forbedre fibres udbredelsesegenskaber. Især viser de, at tilføjelse af renden i 15 dette særlige tilfælde medfører en væsenlig udvidelse af bølgelængdeområdet for lav kromatisk dispersion (f.eks.

< 2 ps/km.nm). Fibren med renden har desuden en lavere dispersionshældning ved den nederste nuldispersionsbølgelængde end referencefibren i fig. 10, i det mindste for 20 nogle af de viste kernediametre.

For indexprofilet af den i fig. 3 viste type udviser den ovenfor beskrevne procedure en foretrukket indexprofil som følger: a^ imellem 2,5 og 3,5 am, a2/a^ imellem 1,5 25 og 3,5, a3~a2 imeHem 5 og 18 am og den anden kapperegion forløbende fra a3 til a^ og typisk omfattende en indre "lav tab" kapperegion og hyppigt en ydre "høj tab" region. De foretrukne indexer er som følger: δ^(ΜΑΧ) fra 0,5 til 1,5%, hvor 0,8 til 1,0% er det mest foretrukne, og 30 omtrent lig med nul og δ3 imellem -0,1 og -0,6%.

Profilgeometrierne, som er blevet omtalt, er eksempler på tilpassede kappestrukturer, fordi brydningsindexet for den udvendige "lav tabs" kappelag er det samme som in-35 dexet for "høj tabs" kappen (typisk Si02). Imidlertid bliver intrinsiske lysleders tab ofte begrænset af spredningseffekter, som afhænger af kernedopingskoncentration- DK 169222 B1 18 en (typisk germanium). Derfor kan lavere intrinsiske tab opnås ved at sænke kernedopingskoncentrationen og anvende fluor som et dopingsmiddel for at sænke kappebrydningsin-dexerne under silica med henblik på at opretholde det 5 samme relative indexprofil. Denne materialemodifikation vil kun have en lille virkning på de tidligere udledte lyslederparametre. Floursilicatsubstratrør eller fluor-dopede udfældede udvendige kappelag kan også være anvendelige i denne sammenhæng.

10

Et typisk forsænket kappeindexprofil er vist i fig. 4. Foretrukne dimensioner og indexer er som følger: a^ fra 2,5 til 3,5 am, =^^1 ^ra 1' ^ til 3,5, a3~a2 fra 6-18 am og (a^-a^) fra 1,0 til 35 am.

15

Eksempler på indexværdier er δ^(ΜΑΧ) fra 0,2 til 1,2%, idet 0,7 til 0,9% foretrækkes mest, omtrent lig med δ^ og imellem -0,1 og -0,6% (for a < a^), og δ3 imellem -0,5 og -1,2%.

20

Et yderligere eksempel på et indexprofil for en fiber ifølge opfindelsen er skematisk vist i fig. 12. Fibren har en trekantkerne 30, en første kapperegion 21 med forsænket index, og en indvendig rende 120 med sammensat 25 tværsnit. Fibren omfatter desuden en anden kapperegion af multiregionstypen, og som omfatter forsænket kappe 40, en udvendig rende 121, en "lav tabs" kapperegion 122 matched index og en "høj tabs" kapperegion 123, som strækker sig forbi den udvendige radius a af kappen til den fysisk hr 30 udvendige overflade af fibren (ikke vist).

I et andet eksempel på en udførelsesform er den første kapperegions brydningsindex (f.eks. 21 i fig. 2, 3, 4 eller 12) væsentlig større end brydningsindexet for mindst 35 den indvendige del af den anden kapperegion (f.eks. 23 i fig. 2 eller 3; 40 i fig. 4 eller 12).

19 DK 169222 B1

Fig. 13 viser et andet fordelagtigt træk ifølge opfindelsen, nemlig evnen til at opnå forbedret bøjningsopførsel.

En kurve 130 er det ekstra tab (som følge af én sløjfe med 10,5 mm diameter) for en fiber ifølge opfindelsen 5 (med profil i det væsentlige som vist i fig. 5), og en kurve 131 er det ekstra tab ved en tidligere kendt fiber, som er i det væsentlige identisk med den førstnævnte, men mangler renden 22 (dvs. den første kapperegion 21 er udstrakt ud til den anden kapperegion 23). Som det fremgår 10 klart af fig. 13 har fibren ifølge opfindelsen væsentlig mindre yderligere tab end den tidligere kendte fibre.

Fig. 14-18 viser en yderligere fordel ved opfindelsen, nemlig evnen til at opnå forbedret effektindeslutning.

15 Dette tillader igen reduktion af tykkelsen af "lav tabs" kappen, hyppigt betegnet som D/d (hvor D = 2a^ og d =2a^). Alternativt kan den forbedrede effektindeslutning tillade anvendelsen af en mere tabsgivende (og således generelt billigere) "høj tabs" kappe, og/eller kan medfø-20 re en fiber med lavere tab som det vil forstås af fagfolk. En forbedret effektindeslutning kan desuden også tillade en reduktion af den samlede fiberdiameter under de for tiden herskende værdier.

25 Fig. 14 viser et eksempel på et tidligere kendt indexpro-fil med a^/a^ = 8 og fig. 15 viser, blandt andet, den integrerede modeeffektfordeling 140 for fibren i fig. 14.

Fig. 16 og 17 viser fibre ifølge opfindelsen, hvilke har ad/a1 = 8, men desuden omfatter render (a2 = 6a^ og 5a^, 30 respektivt a^ = ea.^), som har = -0,4%. Figur 15 viser desuden de integrerede modeeffektfordelinger 160 og 170 for fiberne i henholdsvis fig. 16 og 17. Som det fremgår af fig. 15 medfører tilstedeværelsen af renderne en forbedret effektindeslutning, hvor den bredere rende er mere 35 effektiv end den smallere rende. Modeeffektindeslutnin-gen, som er opnået i eksemplet på fibrene ifølge opfindelsen, er sammenlignelig med, hvad der blev opnået ved DK 169222 B1 20 tidligere kendte fibre med D/d på omkring 10, men er ellers identisk med fibren i fig. 14. Tilstedeværelsen af en rende kan således muliggøre reduktion af tykkelsen af den anbragte kappe, tillade anvendelsen af et mere tabs-5 givende "høj tabs" materiale (uden forøgelse af fibertab), resultere i lavere fibertab (med samme store D/d), eller tillade reduktion af den samlede fiberdiameter.

Fig. 18 viser skematisk en tidligere kendt forsænket kap-10 peprofil, og fig. 19 en nært beslægtet profil ifølge opfindelsen, og som har en første kapperegion 190, en sammensat rende (191 og 192) og en anden kapperegion 193.

Hvis begge fibre har samme værdi for a^ (4,15 uin) og a^ (18,7 urn) samt Δ (-0,09%), så kan begge fibrene have i 15 det væsentlige samme ledeegenskaber (= 1,311, neff (λ = 1,6 um) = 0,00091, modefeltradius ω = 4,44 um (ifølge kendt teknik) og 4,69 uin (ifølge opfindelsen), effekt- _5 fraktion udover a« = 7,6 x 10 (ifølge kendt teknik) og -5 ^ 1 4,5 x 10 (ifølge opfindelsen), hvis = l,92a^, a^ 20 12,45 μπι, Δ^ = -0,03% og δ^ = 0,16%. Imidlertid er δ+ ved den tidligere kendte fiber 0,27%, hvorimod den kun er 0,25% i fibren ifølge opfindelsen. Inkorporeringen af den sammensatte rende i eksemplet i fiberprofilet gør det derved muligt at sænke kernedopingen (hvilket igen kan 25 forventes at resultere i lavere Raleigh-spredning), mens fibrens ledeegenskaber samtidig i det væsentlige opretholdes .

Fig. 20 viser en kendt fiber af den type, som er angivet 30 i EPO patentansøgning nr. 82306476.1, som omfatter en kerne 30 og en sammensat første kapperegion (211, 212), og fig. 21 viser skematisk en tilsvarende fiber ifølge opfindelsen med en rende 213 (n^ = -2%, a^ = 2,53^). Begge fibre har i det væsentlige samme modeeffektfordeling 35 for radier større end 6a^. Som vist i fig. 22 har fibren ifølge opfindelsen imidlertid væsentlig lavere (omkring 17%) dispersionshældning (kurve 210)) end den tidligere 21 DK 169222 B1 kendte fiber (200), uden et signifikant skifte af λ^. En lav dispersionshældning er en klar fordel.

Selvom fibren i fig. 21 har i det væsentlige samme som 5 fibren i fig. 20, kan det i nogle tilfælde være ønskeligt at forskyde (inklusiv en forskydning til en kortere bølgelængde), og en rende kan anvendes til at opnå en sådan forskydning.

10 Det kan anføres i almindelighed, at en rende relativt langt fra kernen kan forbedre mode-indeslutning, forbedre bøjningstab, tillade anvendelsen af mere tabsgivende "højt tab" kappemateriale eller tillade reduktion af den samlede fibers diameter, en rende relativt tæt ved kernen 15 kan medfører en mere flad dispersionskurve og/eller en forøget region med lav dispersion, eller bevæge til en kortere bølgelængde, og en rende ved en mellemafstand kan medfører en faldende hældning af dispersionskurven, uden væsentlig effekt på λ^, eller kan reducerer afhængigheden 20 af på kerneradius og derfor forbedre fremstillingen.

De ovenfor beskrevne fibre kan indføres i et optisk kommunikationssystem på velkendt måde. Et eksempel på et kommunikationssystem er skematisk vist i fig. 11. Det op-25 tiske kommunikationssystem 80 er fremstillet af en optisk kilde 81, som udsender stråling ved arbejdsbølgelængden (typisk nær det infrarøde område, dvs. 1,3-1,55 am), en fiber 82 og en detektor 83. Lyskilden er typisk en laser eller lysemitterende diode. Generelt udsendes et pulssig-30 nal (pulskodemodulation) fra lyskilden, og dette sendes gennem den optiske fiber og detekteres ved modtageren.

35

Claims

1. Optisk fiber indrettet til single mode drift ved en 5 arbejdesbølgelængde λ , og med en overordnet radius, der er større end a , hvor a er en radius, der er valgt så -12 P P at kun 10 af den integrerede modeeffekt af strålingen ved bølgelængden λ strækker sig ind i den del af fibren, hvor a>a^, hvor a er den radiære fibercoordinat; 10 hvilken fiber omfatter: et kerneområde med et brydnings index n^a) og en radius a1? og 15 en kappe der i kontakt omslutter kernen og strækker sig ud fra a^ til a^, og har et brydningsindex, der overalt er mindre end maksimumværdien af n^(a); kendetegnet ved, 20 at kappen omfatter en første kapperegion (21), der strækker sig fra a^ til radius og har et brydningsindex ^(a), en indexrende (22), der strækker sig fra ^ til en radius a^ og har et brydningsindex n^(a), og en anden 25 kapperegion (23), der strækker sig ud fra a^ og har et brydningsindex n^(a), med ai<a2<a3<ap' og med maksimumværdien af ng(a) mindre end minimumværdien af ^(a) og mindre end n^(a = a^), der er brydningsindexet for den anden kapperegion ved a^. 30

2. Fiber ifølge krav 1, hvor n^ia) i det væsentlige er konstant.

3. Fiber ifølge krav 1, hvor kerneindexprofilen er nomi- 35 nelt trekantet, og med a- mellem 2,5 og 3,5 urn og maksi- 1. mumværdien af Δ. er mellem 0,5 og 1,5%, hvor δ = (n. 2 2 1 1 1 - ng )/2n.Q , idet n^ er brydningsindexet for silica. 23 DK 169222 B1

4. Fiber ifølge krav 3, hvor er mellem 1,5 og 3,5.

5. Fiber ifølge krav 3, hvor (aQ - a0) er mellem 6 og 18 ύ Δ 2 μπι, og Δ_ er mellem -0,1 og -0,6%, hvor δ er n„ 2/0 ό2 3 3 5. nQ /2nfl .

6. Fiber ifølge krav 3, hvor kerneindexprofilen er nominelt trekantet og brydningsindexet for den første kapperegion og i det mindste en del af den anden kapperegion 10 er lig med eller mindre end brydningsindexet for silica.

7. Fiber ifølge krav 3 og udformet med en yderligere ren-deregion i den anden kapperegion. 15

8. Fiber ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den den af fibren, hvorom gælder at a<a^ (som er defineret heri) udgøres af glas tildannet ved en dampfasereak-tion, og at a^_<ap. 20 25 30 35