EP1427677A2 - Glasfaser mit mindestens zwei glasmänteln - Google Patents

Glasfaser mit mindestens zwei glasmänteln

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Publication number
EP1427677A2
EP1427677A2 EP02779323A EP02779323A EP1427677A2 EP 1427677 A2 EP1427677 A2 EP 1427677A2 EP 02779323 A EP02779323 A EP 02779323A EP 02779323 A EP02779323 A EP 02779323A EP 1427677 A2 EP1427677 A2 EP 1427677A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
glass
core
cladding
glass fiber
fiber according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02779323A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Peuchert
Rüdiger SPRENGARD
Martin Letz
Frank BÜLLESFELD
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott Glaswerke AG
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Filing date
Publication date
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Priority claimed from DE2002111247 external-priority patent/DE10211247A1/de
Application filed by Schott Glaswerke AG filed Critical Schott Glaswerke AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02B6/03616—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference
    • G02B6/03622—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 2 layers only
    • G02B6/03627—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 2 layers only arranged - +
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    • G02B6/036—Optical fibres with cladding with or without a coating core or cladding comprising multiple layers
    • G02B6/03616—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference
    • G02B6/03638—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 3 layers only
    • G02B6/0365—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 3 layers only arranged - - +

Definitions

  • the present invention relates to a glass fiber which comprises a core, the matrix glass of which contains at least one heavy metal oxide and at least one rare earth compound, the core being surrounded by at least two glass jackets. Furthermore, the present invention relates to a method for producing a glass fiber according to the invention, an optical amplifier which comprises at least one glass fiber according to the invention, and the use of the glass fiber according to the invention.
  • Optical amplifiers are one of the most important key components in optical communications technology.
  • a purely optical telecommunications signal is transmitted in an optical fiber, intrinsic signal attenuation inevitably occurs.
  • highly efficient optical amplifiers are required which can amplify a signal without the optical signal having to be converted into an electronic signal and back again into an optical signal.
  • the speed of the amplification can also be increased by optical amplifiers, and the deterioration of the signal-to-noise ratio is considerably less due to the elimination of the conversion into electronic signals and back.
  • Stray light can arise in optical amplifier fibers by various mechanisms, which can lead to a deterioration in the signal-to-noise ratio and should therefore be avoided or removed as completely as possible.
  • Previously available polymer coatings always have a lower refractive index than heavy metal oxide glasses. Coating with such polymers to absorb scattered light is therefore problematic, since only a polymer jacket with a lower refractive index can be provided.
  • Each coating with a cladding made of a material with a lower refractive index then leads to a strong and undesirable reflection at the interface of this material with the core regions or an inner cladding.
  • EP 1 127 858 describes a light-intensifying glass whose matrix glass is doped with 0.01 to 10 mol% Er, the matrix glass necessarily 20 to 80 mol% Bi 2 O 3 , 0.01 to 10 mol% CeO 2 , and contains at least one of B 2 0 3 or SiO 2.
  • the glass fibers described in the publication are only provided with conventional polymer coatings. The same applies to the glasses containing high antimony oxide described in WO 99/51537.
  • JP 11274613 A describes a glass fiber comprising glasses with a high refractive index, which has two glass jackets. According to this scripture
  • the object of the present invention was therefore to provide a glass fiber, comprising a matrix glass with at least one heavy metal oxide, for an optical amplifier, with which the problems of the prior art described above can be avoided.
  • this glass fiber should make it possible to minimize the noise caused by stray light and thus to increase the signal power of the amplifier.
  • the present invention relates to a glass fiber comprising a core, the matrix glass of which contains at least one heavy metal oxide and at least one rare earth compound, the core being surrounded by at least two glass jackets and the refractive index jump ⁇ n from the core to the first jacket in the range from 0.001 to 0.08 and the first cladding has a lower refractive index than the core.
  • Figure 1 shows a schematic cross section through a particularly preferred embodiment of the glass fiber according to the invention.
  • FIGS 2, 5 and 7 show photographic images of the cross section through glass fibers according to the invention with two glass jackets.
  • FIG. 3 and 4 show schematically preferred fiber design of the double sheath fibers according to the invention with two and three sheaths, respectively.
  • FIG. 6 shows the comparison of the absorbing action of iron oxide and cobalt oxide as the absorbing agent in a bismuth oxide-containing glass melted under strongly oxidizing conditions.
  • FIGS. 8a and 8b show the maximum gain calculated from Giles parameters for a fixed number of channels as a function of the wavelength, and the change in noise as a function of the wavelength.
  • FIGS. 9a and 9b show the energy transmitted in the core area, in the area of the first cladding and in the area of the second cladding for different fiber lengths depending on the doping of the outer cladding.
  • the core of the glass fiber according to the invention preferably contains at least one heavy metal oxide which is selected from oxides of Bi, Te, Se, Sb, Pb, Cd, Ga, As and / or mixed oxides and / or mixtures thereof.
  • the matrix glass of the core particularly preferably contains heavy metal oxides which are selected from oxides of Bi, Te, Sb and / or mixtures thereof.
  • the matrix glass of the core further comprises at least one dopant that can be excited by light.
  • the matrix glass of the core contains rare earth ions as dopants.
  • a dopant is understood to mean a component which is only added to the glass in a small amount and which therefore does not substantially influence most of the physical properties of the glass, such as Tg, the refractive index or the softening temperature. However, such a dopant can have a significant influence on certain, in particular optical properties, such as the ability to optically stimulate.
  • the matrix glass of the core preferably comprises at least one rare earth compound which consists of compounds of Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb,
  • Dy Ho, Er, Tm, Yb and / or Lu is selected.
  • Oxides are particularly preferred of the elements Er, Pr, Tm, Nd and / or Dy, with oxides of Er being most preferred.
  • Sc and / or Y compounds can also be contained in the glass according to the invention.
  • the rare earth compounds used as dopants are preferably so-called “optically active compounds”, “optically active compounds” being understood in particular to mean those which lead to the glass according to the invention being capable of stimulated emission when the glass is excited by a suitable pump source.
  • At least two rare earth compounds in a total amount of 0.01 to 15 mol% can also be used.
  • Glasses with optically active rare earth ions can be codoped with optically inactive rare earth elements, for example to increase the emission lifetimes.
  • it can be coded with La and / or Y.
  • it can, for example, also be codoped with other optically active rare earth compounds, such as Yb.
  • Gd can be codoped to stabilize the crystallization.
  • sensitizers such as Yb, Ho and Nd can be added in an appropriate amount, for example 0.005 to 8 mol%.
  • each individual rare earth compound is, for example, from 0.005 to 8 mol%, preferably 0.05 to 5 mol%, on an oxide basis.
  • the matrix glass comprises both Ce and Er.
  • the matrix glass of the core is cerium-free.
  • the glass fiber according to the invention contains at least one Bi 2 O 3 glass in the core and / or in one or more sheaths.
  • the following compositions are particularly preferred:
  • M 1 is at least one of Li, Na, K, Rb and Cs and M 11 is at least one of Be, Mg, Ca, Sr, Ba and / or Zn. It is particularly preferred that Li and / or Na is M 1 to be used.
  • FIGS. 8a and 8b show the gain and the noise of a doped HMO double cladding fiber according to the invention compared to SiO 2 reinforcing fibers as a function of the wavelength and the number of channels.
  • Giles parameters are determined using methods known from the prior art for the amplifier fibers, from which the maximum gain and the noise at a specific wavelength are then determined when the number of channels is specified.
  • FIG. 8a shows on the one hand that with a set number of 120 channels [ch], a maximum gain of approximately 25 dB is achieved with an amplifier fiber according to the invention, while only one for a silicatic amplifier fiber with the same number of channels maximum gain of just under 20 dD is achieved.
  • the number of channels must be reduced from 120 to 80 channels for a silicate amplifier fiber.
  • the noise of the glass fiber according to the invention is significantly lower than that of a silicate fiber.
  • the fiber according to the invention has a higher maximum gain with less noise.
  • the glass fiber according to the invention comprises at least two glass jackets which surround the core.
  • the cladding glasses are not subject to any particular restriction. They preferably have similar physical properties to the matrix glass of the core and / or the glass of the other cladding, in particular a similar refractive index, a similar Tg and a similar softening temperature.
  • the jackets comprise essentially the same composition like the core, but the compositions are modified in such a way that the necessary refractive index strokes from the core to the first jacket and, if appropriate, from one jacket to another jacket are fulfilled.
  • core and cladding glasses preferably differ in their optical properties.
  • the cladding glasses among one another preferably have different optical properties.
  • the “first sheath” is understood to mean the sheath surrounding the core.
  • the shells are numbered from the first sheath outwards to higher numbers.
  • the mentioned refractive indices are the refractive indices or refractive indices of the glasses for electromagnetic radiation in the near IR range, in particular at about 1300 nm.
  • the refractive index jump ⁇ n from the core to the first cladding is from 0.001 to 0.08, particularly preferably from 0.003 to 0.04, more preferably from 0.005 to 0.05, the first of which the cladding has a lower refractive index than the core.
  • the refractive index ratio of the cladding to one another can be adjusted as required by methods known in the art. To set a slightly higher refractive index than in the comparison glass, for example, a proportion of at least one component with a lower refractive index is switched to at least one component with a higher refractive index.
  • the refractive index n m2 of the second cladding is substantially the same or preferably higher than the refractive index n m ⁇ of the first cladding. According to other embodiments, however, the refractive index of the second cladding can also be smaller than that of the first cladding and a third cladding is added, which has a higher refractive index than the second cladding. Particularly preferred embodiments are discussed further below.
  • the glass of the cladding furthermore contains no rare earth doping, in particular no doping with optically active rare earth compounds. According to this embodiment, the amplification and guidance of the light mode (s) preferably takes place in the core.
  • the glass of the first cladding contains small amounts of the rare earth compound (s) used as doping in the core.
  • Doping of the first cladding with up to half the proportion, particularly preferably up to one third of the proportion, of the proportion used in the core is preferred.
  • the signal / noise ratio of an amplifier fiber can be improved by this measure and that the coupling of the amplifier fiber to SiO 2 fibers is also improved. It is assumed that, with large core radii, the signal mode and the pump mode overlap more effectively with the rare earth ions also in the shell.
  • the glass contains at least one cladding, in particular the outermost cladding, at least one absorbent component or an absorbent.
  • absorbent components transition metal compounds, for example compounds of iron (in particular Fe 2+ and Fe 3+ ), nickel (in particular Ni 2+ ), cobalt (in particular Co 2+ ), manganese (in particular Mn 2+ ), copper (in particular Cu + and Cu 2+ ), vanadium (in particular V 3+ and V 4+ ), titanium (in particular Ti 3+ ) and / or chromium (in particular Cr 3+ ), and / or rare earth compounds.
  • the doping with Fe 2+ can be several 100 ppm (based on the weight ratio).
  • the composition of the second jacket can otherwise correspond to that of the core glass.
  • the amount of absorbent to be added depends on the absorbent power of the absorbent. Fractions of 5 ppm, preferably 10 ppm, may already suffice for example with Co 2+ . The arrival is preferably some at most 5000 ppm, more preferably 2000 ppm, most preferably at most 1000 ppm are added. If higher proportions of absorbent are added to the glass composition, the properties of the glass, such as the crystallization properties, can be adversely affected. Therefore, this is not preferred.
  • iron oxides are not suitable as an absorbent. It was found that, in particular, bismuth oxide in the molten state can be reduced to elemental bismuth, which leads to the precipitation of black metallic Bi and thus to a deterioration in the optical properties of the glass. Glasses which contain polyvalent heavy metal oxides such as bismuth oxide are therefore preferably melted under strongly oxidizing conditions.
  • the glass fiber according to the invention is used as an optical amplifier for the 1.5 ⁇ m band, the so-called C band, due to its absorption band in the near infrared range, Fe 2+ ions could serve as a suitable absorber.
  • Co 2+ ions which also have a suitable absorption in the near infrared range, are not converted into a higher oxidation state even by strongly oxidizing conditions in the melt and therefore as an absorbent in such a glass are particularly suitable.
  • the outermost jacket therefore preferably contains at least one preferably oxidic, divalent cobalt compound as the absorbent.
  • FIGS. 9a and 9b show the energy transmitted in the core 40 and the sheaths 42 and 44 of two types of glass fibers according to the invention.
  • FIG. 9a shows the transmitted energy of a fiber according to the invention, the outer jacket 44 of which is doped with iron as an oxidizing agent.
  • the different curves 30 to 36 correspond to different fiber lengths.
  • FIG. 9a shows that with longer fiber lengths, the energy transmitted in the second jacket 44 becomes smaller in relation to the energy transmitted in the core 40 and the first jacket 42.
  • FIG. 9b shows the corresponding energy transfer as a function of the radius of a glass fiber whose outer jacket 44 is doped with cobalt.
  • the absorption effect of the second jacket is much more effective in this case. Hardly any energy is transferred in the outer jacket.
  • the absorption effect is independent of the fiber length.
  • FIG. 3 and 4 schematically show two particularly preferred designs of a glass fiber according to the invention.
  • the refractive index as a function of the radius of the glass fiber is shown schematically.
  • the core of the glass fiber according to the invention is surrounded by exactly two glass jackets.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of the glass fiber 1 according to the invention in section.
  • the core 2 is surrounded by an inner jacket 3, which in turn is surrounded by an outer jacket 4.
  • the outer jacket further contains an absorbent as described above.
  • FIG. 3 shows a particularly preferred design of the refractive indices of a double cladding fiber.
  • the region 11 is the core of the fiber which is generally approximately in the middle of the fiber and is doped with at least one rare earth compound
  • the region 12 is the inner cladding and has a lower refractive index than the core region 11, which means that guidance of the light propagating in the area of the core is guaranteed.
  • Region 13 is the " second, and here outer, cladding, which is primarily intended to absorb stray light.
  • the refractive index of the second cladding can be higher than the refractive index of the core as shown here, but can also have the same or a lower refractive index than the core. As a rule, such an outermost cladding has a higher refractive index than the inner cladding adjoining it.
  • the core of the glass fiber according to the invention is surrounded by exactly three glass jackets.
  • FIG. 4 shows a particularly preferred design of a glass fiber according to the invention with three glass jackets.
  • the region 21 represents the core of the fiber which is generally in the center of the glass fiber and which is doped with Er 3+, for example, and which carries the signal mode.
  • the inner cladding 22 can contain a doping of Yb 3+ .
  • Such doping of the first cladding with, for example, Yb 3+ can be used for a so-called multimode pumping. While in single or single-mode pumps, light is only radiated into the core area of the amplifier fiber and only very small and therefore very expensive lasers can be used, in multimode pumps, the broader cross-sectional area of the core and additionally the first cladding is irradiated.
  • This irradiation excites Yb 3+ at approx. 975 nm ( 2 F 72 - » 2 F 52 ). Since Yb 3+ shows fluorescence on a similar wavelength, this fluorescence pumps the level ln / 2 of the Er 3+ ion at approx. 980 nm.
  • the for Light sources that can be used with multimode pumps are considerably less expensive.
  • the area of the second jacket 23 adjoining the first jacket 22 with a lower refractive index than the first jacket ensures that the light propagating in the area of the first jacket 22 is guided and the area of the third jacket 24 in turn serves as an outer absorbent jacket.
  • the glass fiber according to the invention preferably has an essentially circular cross section.
  • glass fibers are also encompassed by the present invention, which have a cross section deviating from a circular cross section.
  • the core of the glass fiber according to the invention is generally in the middle of the glass fiber according to the invention, the sheaths preferably being arranged coaxially around the core.
  • the present invention also includes embodiments in which the core is not in the middle of the glass fiber.
  • the glass fiber according to the invention preferably comprises exactly one core. According to other embodiments, however, several core fibers can also be contained in the glass fiber according to the invention.
  • the glass fiber according to the invention preferably has a total thickness of 100 to 400 ⁇ m, more preferably 100 to 200 ⁇ m. A total thickness of approximately 125 ⁇ m is particularly preferred.
  • the core of the glass fiber according to the invention preferably has a diameter of 1 to 15 ⁇ m for use as an optical amplifier fiber.
  • the first jacket preferably has a thickness d m1 in the range from 5 to 100 ⁇ m.
  • the second and further sheaths preferably have a thickness d m 2 in the range from 10 to 150 ⁇ m.
  • the core and / or shells can also have any other thickness.
  • the term “core of a glass fiber” is to be understood as the area which was produced by the glass-technological manufacturing process and which differs from the sheath.
  • a “core region” or “core area”, on the other hand, comprises the area in which the intensity of the optical signal has dropped to the e-th part of the input intensity.
  • the glass fiber according to the invention comprises at least one coating on the outermost glass jacket, which comprises at least one plastic or one polymer.
  • This outer plastic coating is used in particular for mechanical protection of the glass fiber.
  • the thickness of this plastic coating is preferably from 2 to 400 ⁇ m. A value below 2 ⁇ m can usually not guarantee adequate protection of the glass fiber.
  • the thickness is particularly preferably at least 3 ⁇ m, more preferably at least 8 ⁇ m. With thicknesses above 400 ⁇ m, it becomes difficult to provide a uniform coating.
  • the thickness is particularly preferably at most 70 ⁇ m.
  • plastics Any type of polymer can be used for such a plastic coating, as long as it adheres well to the cladding glass.
  • plastics are thermosetting silicone resins, UV-curable silicone resins, acrylic resins, epoxy resins, polyurethane resins and polyimide resins, and also mixtures and / or blends thereof.
  • the present invention further relates to a method for producing the glass fiber according to the invention, wherein at least two cladding glasses are formed around a core glass.
  • This can be produced by production processes such as a “rod-in-tube” process, multiple crucible process and extrusion process, and combinations of these processes.
  • a “preform” is first produced consisting of a core and one or more sheaths, which already has the layer structure of the later glass fiber and is made into a glass fiber. can be pulled.
  • a preform has, for example, a thickness of 4 to 30 mm and a length of 5 to 40 cm. This preform is drawn into a fiber at a suitable temperature.
  • a hole is drilled in a strand-shaped or rod-shaped cladding glass, so that a tubular cladding glass is obtained.
  • a suitable rod of the core glass is inserted into this.
  • the cladding glass can also be formed by suitable shaping processes For example, a rod of core glass with a diameter of 1.0 to 1.4 mm is inserted into a tubular first jacket with a diameter of the inner hole of 1.5 mm and an outer diameter of 7 mm To obtain the core surrounded by more than one jacket, this method can be repeated several times, ie for a second jacket a hole is drilled in a second rod-shaped jacket glass and the preform of the core and the first jacket is inserted into the tubular second jacket and jackets are heated to preferably join above the transformation temperature to get a "preform".
  • a preform made of core and at least one first jacket can be pulled out to a certain extent after such heating and inserted in this pulled-out form as a rod into a second or further jacket.
  • a hot-formed, drawn-out rod can also be inserted into a hot-formed, drawn-out tube.
  • such a preform can also be produced by a so-called extrusion process.
  • a block of the core glass is placed on a block of a cladding glass and then heated in a linear manner from the underside.
  • the core glass slowly sags into the cladding glass along the heated line until it is completely enclosed by it.
  • a “preform” consisting of a core or one or more shells is generated directly from the melt by crucibles that lie one inside the other.
  • a glass fiber with a diameter of, for example, 125 ⁇ m can be produced.
  • triple or multiple crucible processes are used for direct fiber production.
  • a double crucible process for producing a “preform” from the core and the first jacket and the preform obtained in this way consisting of the core and a jacket by a “rod-in-tube” process as a rod to be inserted into a tubular second jacket. It has been found that this combination on the one hand provides a particularly good interface between the core and the first cladding, and on the other hand a second and / or additional cladding can be added economically.
  • the present invention further relates to an optical amplifier which comprises at least one glass fiber according to the invention.
  • the optical amplifier has the following structure.
  • the incoming light signal is connected to a coupler via an optical isolator to suppress light reflections.
  • the signal and pump light are combined in the coupler and coupled together into the optically active fiber.
  • the other end of the amplifier fiber is connected to the outgoing fiber.
  • a filter can also be arranged with another optical isolator if necessary his. It is also possible to pump the amplifier fiber in both directions, in which case a second coupler is required.
  • the signal light source is connected to the wave-mixing optical coupler through the optical isolator.
  • the optical coupler is also connected to the excitation light source. Then the optical coupler is connected to one end of the optical fiber. The other end of the optical fiber is connected to the optical isolator through the optical coupler for wave splitting. Each part is connected to the optical fiber.
  • the present invention comprises the use of the glass fiber according to the invention as optically active glass in a laser arrangement.
  • Table 1 shows the compositions of the glasses in mol%.
  • the core glass drawn out into a strand was coated with the first jacket (outer diameter 7 mm; diameter inner hole: 1.5 mm) using the rod-in-tube method.
  • the preform consisting of the core and the first jacket was then pulled out to a diameter of 1 mm and encased in a further rod-in-tube step with the outer jacket (outer diameter 7 mm; inner hole diameter 1.5 mm).
  • the preform obtained was drawn out to a glass fiber with a thickness of 125 ⁇ m.
  • FIG. 2 shows a photographic illustration of a cross section through a glass fiber according to the invention.
  • Core 2 is surrounded by first jacket 3, which in turn is surrounded by outer jacket 4.
  • a double cladding fiber was made using the same compositions as in Example 1, in which case the core was sheathed to the first cladding by a double crucible process.
  • the core diameter and the dimensions of the first jacket corresponded to those of Example 1.
  • the preform obtained in this way comprising the core and the first jacket, was then pulled out to a thickness of 1.5 mm.
  • the second jacket was then formed by the rod-in-tube process around the extended preform from the core and the first jacket.
  • the preform obtained was drawn out to a glass fiber with a thickness of 125 ⁇ m.
  • FIG. 7 shows a photograph of the cross section through a fiber obtained according to Example 2.
  • a double cladding fiber with tellurium oxide-based core and cladding glasses was produced by the process described in Example 1.
  • the preform obtained was drawn out to a glass fiber with a thickness 4 of 325 ⁇ m and a core diameter of 4.5 ⁇ m.
  • Figure 5 shows a cross section through the Te double-cladding fiber produced.
  • the cross-section was etched so that the transitions from the core to the first cladding or the second cladding are more pronounced.
  • a double cladding fiber was produced using the glass compositions shown in Table 2.
  • a preform was made from the core and the first jacket using a double crucible. This preform was then provided with the second jacket using the rod-in-tube process. The preform obtained was then drawn out to a glass fiber with a diameter of 125 ⁇ m.
  • Table 2
  • a double cladding fiber was produced using the glass compositions shown in Table 3. First, a preform was made from the core and the first jacket using a double crucible. This preform was then provided with the second jacket using the rod-in-tube process. The preform obtained was then drawn out to a glass fiber with a diameter of 125 ⁇ m.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Glasfaser, welche einen Kern umfasst, dessen Matrixglas mindestens ein Schwermetalloxid und mindestens eine Seltene Erden-Verbindung enthält, wobei der Kern von mindestens zwei Glasmänteln umgeben ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemässen Glasfaser, einen optischen Verstärker, welcher mindestens eine erfindungsgemässe Glasfaser umfasst, sowie die Verwendung der erfindungsgemässen Glasfaser.

Description

Glasfaser mit mindestens zwei Glasmänteln
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Glasfaser, welche einen Kern umfasst, dessen Matrixglas mindestens ein Schwermetalloxid und mindestens eine Seltene Erden-Verbindung enthält, wobei der Kern von mindestens zwei Glasmänteln umgeben ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstel- lung einer erfindungsgemäßen Glasfaser, einen optischen Verstärker, welcher mindestens eine erfindungsgemäße Glasfaser umfasst, sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Glasfaser.
Optische Verstärker sind eine der wichtigsten Schlüsselkomponenten in der opti- sehen Nachrichtentechnik. Wenn ein rein optisches Telekommunikationssignal in einer Glasfaser übertragen wird, tritt unvermeidbar eine intrinsische Signaldämpfung auf. Um diese Dämpfung zu kompensieren, sind hocheffiziente optische Verstärker erforderlich, welche ein Signal verstärken können, ohne dass das optische Signal in ein elektronisches Signal und wieder zurück in ein optisches Sig- nal umgewandelt werden muss. Auch kann durch optische Verstärker die Geschwindigkeit der Verstärkung erhöht werden, und die Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses fällt durch den Wegfall der Umwandlung in elektronische Signale und zurück wesentlich geringer aus.
Dabei erhöht insbesondere die stetig steigende Nachfrage nach immer größeren Bandbreiten die technischen Ansprüche an optische Verstärker. Breitbandige Datenübertragung wird momentan über die WD -Technologie (WDM „wave- length division multiplexing") realisiert. Die meisten Verstärker des Stands der Technik arbeiten im C-Band (ca. 1528 nm bis 1560 nm) und weisen nur eine ein- geschränkte Breitbandleistung auf, da derartige optische Verstärker bisher auf Er3+-dotierten Siθ2-Gläsern basieren. Die Nachfrage nach größeren Bandbreiten erforderte daher die Entwicklung von Multikomponentengläsern, beispielsweise Schwermetalloxidgläsern (HMO „heavy metal oxid glasses"). Schwermetalloxidgläser haben, manifestiert durch ihren intrinsisch sehr hohen Brechwert (bei 1,3 μm) von n > ca. 1,85 große interne elektrische Felder und führen so aufgrund einer größeren Stark-Aufspaltung zu einer breitbandigen Emission der Seltene Erden-Ionen. Der hohe Brechwert von HMO-Gläsern führt jedoch andererseits auch zu neuen Problemen, die überwunden werden müssen.
In optischen Verstärkerfasern kann durch verschiedene Mechanismen Streulicht entstehen, welches zur Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses führen kann und daher so vollständig wie möglich vermieden oder entfernt werden sollte.
Streulicht wird in auf SiO2-basiserenden Verstärkerfasern durch eine auf der Glasfaser aufgebrachte Polymerbeschichtung entfernt. Da absorbierende Poly- merbeschichtungen mit einem Brechungsindex von n > 1 ,4 zur Verfügung stehen, kann Rauschen, welches durch reflektierte Signale und/oder gestreutes Licht von außerhalb der Faser verursacht wird, durch eine solche Polymerbe- Schichtung auf der SiO2-Glasfaser einfach absorbiert werden.
Als Faserverstärker geeignete Schwermetalloxidgläser weisen üblicherweise einen Brechungsindex von ungefähr n = 1 ,9 auf. Bisher erhältliche Polymerbe- schichtungen weisen stets einen kleineren Brechungsindex als Schwermetall- oxidgläser auf. Die Beschichtung mit solchen Polymeren zur Absorption von Streulicht ist daher problematisch, da nur ein Polymermantel mit einem geringeren Brechungsindex bereitgestellt werden kann. Jede Beschichtung mit einem Mantel aus einem Material mit einem kleineren Brechungsindex führt dann zu einer starken und unerwünschten Reflektion an der Grenzfläche dieses Materials zu den Kernregionen bzw. einem innenliegenden Mantel.
Ferner tritt bei herkömmlichen SiO2-Verstärkerfasern im wesentlichen kein Brechungsindexsprung an einer Kontaktstelle von einer Standard-Telekommunikationsfaser zu einer Glasfaser eines optischen Verstärkers auf, so dass die Reflektion, welche am Übergang von einem SiO2-Glasfaserverstärker zu einer Standard-Kommunikationsglasfaser auftritt, vernachlässigt werden kann. Im Gegensatz dazu bedeutet der hohe Brechungsindex von HMO-Fasem, dass jede Kontaktstelle an einer SiO2-Standard-Telekommunikationsglasfaser zu einer starken Reflektion an der Grenzfläche zwischen SiO2-Standardfaser und Schwermetalloxidglasfaser des optischen Verstärkers führt. Da ein optischer Verstärker an beiden Ausgängen mit SiO2-Telekommunikationsglasfasern bzw. auf SiO2-basierenden Übergangsfasern hoher numerischer Apertur verbunden ist, besteht eine starke Tendenz, dass sich ein Laserresonator mit stehenden Lichtwellen im optischen Verstärker ausbildet. Um letzteres zu verhindern, bietet es sich an, die Kontaktstellen relativ zu den Glasfasern in einem bestimmten bzw. endlichen Winkel auszuführen. Dies führt jedoch wiederum zu einer beträchtlichen bzw. nennenswerten Reflektion, die in den Mantel der Faser gestreut wird. Daher wird Streulicht, welches im Mantel der Faser wandert, hin und her reflektiert, und es kann nicht verhindert werden, dass Streulicht die zentrale Kernregion erreicht und in diese eindringt. Dieses Streulicht wird die Inversion des Zustands der Seltene Erden-Ionen beeinflussen und führt zu einer Verstärkung des Rauschens und einem Absinken der Signalleistung(en) des Verstärkers.
Für verschiedene Glassysteme sind äußere, absorbierende Mäntel im Stand der Technik bekannt (beispielsweise K. Itoh et al., J. Non-Cryst. Sol, 256 - 257, 1 (1999)).
EP 1 127 858 beschreibt ein lichtverstärkendes Glas, dessen Matrixglas mit 0,01 bis 10 Mol-% Er-dotiert ist, wobei das Matrixglas notwendigerweise 20 bis 80 Mol-% Bi2O3, 0,01 bis 10 Mol-% CeO2, und mindestens eines von B203 oder SiO2 enthält Die in der Druckschrift beschriebenen Glasfasern sind jedoch nur mit üblichen Polymerbeschichtungen versehen. Gleiches gilt für die in WO 99/51537 beschriebenen hoch-Antimonoxid-haltigen Gläser.
JP 11274613 A beschreibt eine Glasfaser umfassend Gläser mit hohem Bre- chungsindex, welche zwei Glasmäntel aufweist. Gemäß dieser Schrift sind
10.000 ppm absorbierendes Mittel erforderlich. Solche hohen Anteile an absor- bierendem Mittel beeinflussen jedoch die Eigenschaften des Glases und sind daher nachteilig.
Somit bestand der Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Glasfaser, umfassend ein Matrixglas mit mindestens einem Schwermetalloxid, für einen optischen Verstärker bereitzustellen, mit welcher die vorstehend beschriebenen Probleme des Stands der Technik vermieden werden können. Insbesondere soll es diese Glasfaser ermöglichen, das Rauschen durch Streulicht zu minimieren und damit die Signalleistung des Verstärkers zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Glasfaser umfassend einen Kern, dessen Matrixglas mindestens ein Schwermetalloxid und mindestens eine Seltene Erden-Verbindung enthält, wobei der Kern von mindestens zwei Glasmänteln umgeben ist und wobei der Brechungsindexsprung Δn vom Kern auf den ersten Mantel im Bereich von 0,001 bis 0,08 liegt und der erste Mantel einen geringeren Brechungsindex als der Kern aufweist.
Die Figuren zeigen:
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasfaser.
Figuren 2, 5 und 7 zeigen fotografische Abbildungen des Querschnitts durch erfindungsgemäße Glasfasern mit zwei Glasmänteln.
Figuren 3 und 4 zeigen schematisch bevorzugte Faserdesign er indungsgemäßer Doppelmantelfasern mit zwei bzw. drei Mänteln. Figur 6 zeigt den Vergleich der absorbierenden Wirkung von Eisenoxid und Co- baltoxid als absorbierendem Mittel in einem unter stark oxidierenden Bedingungen geschmolzenen Bismutoxid-haltigen Glas.
Figuren 8a und 8b zeigen den aus Giles-Parametern berechneten maximalen Gain bei einer festgelegten Zahl von Kanälen in Abhängigkeit von der Wellenlänge, sowie die Veränderung des Rauschens in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Figuren 9a und 9b zeigen die jeweils im Kernbereich, im Bereich des ersten Man- tels und im Bereich des zweiten Mantels übertragene Energie bei verschiedenen Faserlängen in Abhängigkeit von der Dotierung des äußeren Mantels.
Vorzugsweise enthält der Kern der erfindungsgemäßen Glasfaser mindestens ein Schwermetalloxid, welches aus Oxiden von Bi, Te, Se, Sb, Pb, Cd, Ga, As und/oder Mischoxiden und/oder Gemischen davon, ausgewählt ist. Besonders bevorzugt enthält das Matrixglas des Kerns Schwermetalloxide, welche aus Oxiden von Bi, Te, Sb und/oder Gemischen davon ausgewählt sind.
Das Matrixglas des Kerns umfasst ferner mindestens ein Dotiermittel, welches durch Licht angeregt werden kann. Erfindungsgemäß enthält das Matrixglas des Kerns Seltene Erden-Ionen als Dotiermittel. Unter einem Dotiermittel wird dabei eine Komponente verstanden, welche nur in einer geringen Menge dem Glas zugegeben wird und die daher die meisten physikalischen Eigenschaften des Glases, wie Tg, den Brechwert oder die Erweichungstemperatur, im wesentlichen nicht beeinflussen. Auf bestimmte, insbesondere optische Eigenschaften, wie beispielsweise die Befähigung zur optischen Stimulation, kann ein solches Dotiermittel jedoch einen wesentlichen Einfluss aufweisen.
Vorzugsweise umfasst das Matrixglas des Kerns wenigstens eine Seltene Er- den-Verbindung, welche aus Verbindungen von Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb,
Dy, Ho, Er, Tm, Yb und/oder Lu ausgewählt ist. Besonders bevorzugt sind Oxide der Elemente Er, Pr, Tm, Nd und/oder Dy, wobei Oxide von Er am meisten bevorzugt sind.
Gegebenenfalls können zusätzlich zu einer oder mehreren Seltene Erden- Verbindung(en) auch Sc- und/oder Y-Verbindungen im erfindungsgemäßen Glas enthalten sein.
Vorzugsweise handelt es sich bei den als Dotiermittel verwendeten Seltene Erden-Verbindungen um sogenannte „optisch aktive Verbindungen", wobei unter „optisch aktiven Verbindungen" insbesondere solche verstanden werden, welche dazu führen, dass das erfindungsgemäße Glas zur stimulierten Emission befähigt ist, wenn das Glas durch eine geeignete Pumpquelle angeregt wird.
Es können auch mindestens zwei Seltene Erden-Verbindungen in einer Ge- samtmenge von 0,01 bis 15 Mol-% verwendet werden. Gläser mit optisch aktiven Seltene Erden-Ionen können mit optisch nicht aktiven Seltene Erden-Elementen codotiert werden, um beispielsweise die Emissionslebensdauern zu erhöhen. So kann beispielsweise Er mit La und/oder Y codotiert werden. Um die Pumpeffizienz des Verstärkers zu erhöhen, kann beispielsweise Er auch mit weiteren op- tisch aktiven Seltene Erden-Verbindungen, wie beispielsweise Yb, codotiert werden. Zur Stabilisierung der Kristallisation kann Gd codotiert werden.
Durch die Dotierung mit anderen Seltene Erden-Ionen wie beispielsweise Tm können andere Wellenlängenbereiche erschlossen werden, wie im Fall von Tm das sogenannte S-Band zwischen 1420 und 1520 nm.
Ferner können, um eine wirkungsvollere Ausnutzung des Anregungslichts zu bewirken, Sensibilisatoren wie Yb, Ho und Nd in einer geeigneten Menge, beispielsweise 0,005 bis 8 Mol-%, zugefügt werden.
Der Gehalt jeder einzelnen Seltene Erden-Verbindung beträgt beispielsweise von 0,005 bis 8 Mol-%, vorzugsweise 0,05 bis 5 Mol-%, auf Oxidbasis. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Matrixglas sowohl Ce als auch Er.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Matrixglas des Kerns Cer-frei.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die erfindungsgemäße Glasfaser im Kern und/oder in einem oder mehreren Mänteln mindestens ein Bi2O3-Glas. Die folgenden Zusammensetzungen sind besonders bevorzugt:
In der vorstehenden Tabelle ist M1 mindestens eines von Li, Na, K, Rb und Cs und M11 mindestens eines von Be, Mg, Ca, Sr, Ba und/oder Zn. Es ist besonders bevorzugt Li und/oder Na als M1 einzusetzen.
Figuren 8a und 8b zeigen den Gain sowie das Rauschen einer erfindungsgemä- ßen dotierten HMO-Doppelmantelfaser verglichen mit Si02-Verstärkeιfasern in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Anzahl der Kanäle. Für diese Auftragung werden mit im Stand der Technik bekannten Methoden für die Verstärkerfasern die sogenannten Giles-Parameter ermittelt, aus welchen dann bei festge- legter Kanalanzahl der maximale Gain und das Rauschen bei einer bestimmten Wellenlänge ermittelt werden. Aus Figur 8a ist zum einen ersichtlich, dass bei einer eingestellten Anzahl von 120 Kanälen [ch] mit einer erfindungsgemäßen Ver- stärkerfaser ein maximaler Gain von ca. 25 dB erreicht wird, während für eine si- licatische Verstärkerfaser bei gleicher Anzahl von Kanälen nur ein maximaler Gain von knapp 20 dD erzielt wird. Für einen vergleichbaren Gain von 25 dD muss bei einer silicatischen Verstärkerfaser die Anzahl der Kanäle von 120 auf 80 Kanäle reduziert werden. Gleichzeitig ist bei gleicher Anzahl an Kanälen das Rauschen der erfindungsgemäßen Glasfaser deutlich geringer als das einer silicatischen Faser. Auch bei einer weiteren Erhöhung auf 180 Kanäle (Figur 8b) er- gibt sich das gleiche Bild: die erfindungsgemäße Faser weist einen höheren maximalen Gain bei geringerem Rauschen auf. Diese Figuren 8a und 8b zeigen, dass eine breitbandigere Übertragung mit der erfindungsgemäßen HMO- Glasfaser bei geringem Rauschen möglich ist.
Die erfindungsgemäße Glasfaser umfasst neben dem Kern mindestens zwei Glasmäntel, welche den Kern umgeben.
Die Mantelgläser unterliegen keiner besonderen Beschränkung. Vorzugsweise weisen sie ähnliche physikalische Eigenschaften wie das Matrixglas des Kerns und/oder das Glas der anderen Mäntel auf, insbesondere einen ähnlichen Brechungsindex, eine ähnliche Tg und eine ähnliche Erweichungstemperatur. Vorzugsweise umfassen die Mäntel im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie der Kern, wobei jedoch die Zusammensetzungen so abgewandelt sind, dass die notwendigen Brechwerthübe vom Kern zum ersten Mantel und gegebenenfalls von einem Mantel zu einem anderen Mantel erfüllt werden. Ferner unterscheiden sich Kern- und Mantelgläser vorzugsweise in ihren optischen Eigen- schaften. Auch die Mantelgläser untereinander weisen vorzugsweise unterschiedliche optische Eigenschaften auf.
Erfindungsgemäß wird unter dem „ersten Mantel" der den Kern umgebende Mantel verstanden. Die Mäntel werden vom ersten Mantel nach außen hin zu höhe- ren Nummern nummeriert.
Erfindungsgemäß sind die genannten Brechwerte jeweils die Brechwerte bzw. Brechungsindizes der Gläser für elektromagnetische Strahlung im nahen IR- Bereich, insbesondere bei etwa 1300 nm. Der Brechungsindexsprung Δn vom Kern auf den ersten Mantel beträgt von 0,001 bis 0,08, besonders bevorzugt von 0,003 bis 0,04, noch bevorzugter von 0,005 bis 0,05, wobei erste der Mantel einen geringeren Brechwert als der Kern aufweist. Das Brechungsindexverhältnis der Mäntel untereinander kann wie erforderlich durch im Stand der Technik bekannte Methoden eingestellt werden. Zum Einstellen eines leicht höheren Bre- chungsindex als im Vergleichsglas wird beispielsweise ein Anteil mindestens einer Komponente mit einem niedrigeren Brechungsindex auf mindestens eine Komponente mit einem höheren Brechungsindex umgelegt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der Brechungsindex nm2 des zweiten Mantels im wesentlichen gleich oder vorzugsweise höher als der Brechungsindex nmι des ersten Mantels. Gemäß anderer Ausführungsformen kann jedoch der Brechungsindex des zweiten Mantels auch kleiner sein als der des ersten Mantels und ein dritter Mantel ist angefügt, welcher einen höheren Brechungsindex als der zweite Mantel aufweist. Auf besonders bevorzugte Ausführungsformen wird nachstehend weiter eingegangen. Gemäß einer ersten Ausführungsform enthält das Glas der Mäntel ferner keine Seltene Erden-Dotierung, insbesondere keine Dotierung mit optisch aktiven Seltene Erden-Verbindungen. Die Verstärkung und die Führung der Lichtmode(n) findet gemäß dieser Ausführungsform vorzugsweise im Kern statt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform enthält jedoch das Glas des ersten Mantels geringe Mengen des/der im Kern als Dotierung verwendeten Seltene Erden- Verbindungen). Bevorzugt ist eine Dotierung des ersten Mantels mit bis zum halben Anteil, besonders bevorzugt bis zu einem Drittel des Anteils, des im Kern verwendeten Anteils. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch diese Maßnahme das Signal/Rausch-Verhältnis einer Verstärkerfaser verbessert werden kann und dass so auch das Ankoppeln der Verstärkerfaser an SiO2- Fasern verbessert wird. Es wird angenommen, dass bei großen Kernradien ein effektiveres Überlappen der Signalmode und der Pumpmode mit den Seltene Er- den-lonen auch im Mantel stattfindet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Glas mindestens eines Mantels, insbesondere des äußersten Mantels mindestens eine absorbierende Komponente bzw. ein absorbierendes Mittel. Als derartige absorbierende Komponenten können Übergangsmetallverbindungen, beispielsweise Verbindungen von Eisen (insbesondere Fe2+ und Fe3+), Nickel (insbesondere Ni2+), Cobalt (insbesondere Co2+), Mangan (insbesondere Mn2+), Kupfer (insbesondere Cu+ und Cu2+), Vanadium (insbesondere V3+ und V4+), Titan (insbesondere Ti3+) und/oder Chrom (insbesondere Cr3+), und/oder Seltene Erden-Verbindungen verwendet werden. Beispielsweise kann die Dotierung mit Fe2+ mehrere 100 ppm (bezogen auf das Gewichtsverhältnis) betragen. Die Zusammensetzung des zweiten Mantels kann ansonsten der des Kernglases entsprechen.
Der Anteil der zuzugebenden absorbierenden Mittel hängt von der Absorptionskraft des absorbierenden Mittels ab. Anteile von 5 ppm, vorzugsweise 10 ppm, können beispielsweise bei Co2+ schon ausreichen. Vorzugsweise beträgt der An- teil höchstens 5000 ppm, mehr bevorzugt 2000 ppm, am meisten bevorzugt werden höchstens 1000 ppm zugegeben. Werden höhere Anteile an absorbierenden Mittel zu der Glaszusammensetzung hinzugegeben, so können die Eigenschaften des Glases, wie beispielsweise die Kristallisationseigenschaften negativ beeinflusst werden. Dies ist daher nicht bevorzugt.
Es wurde festgestellt, dass bei bestimmten Glaszusammensetzungen Eisenoxide nicht als absorbierendes Mittel geeignet sind. Es wurde gefunden, dass insbesondere Bismutoxid im geschmolzenen Zustand bis zum elementaren Bismut re- duziert werden kann, was zum Ausfallen von schwarzen metallischem Bi und damit zu einer Verschlechterung der optischen Eigenschaften des Glases führt. Daher werden Gläser, welche polyvalente Schwermetalloxide wie Bismutoxid enthalten, vorzugsweise unter stark oxidierenden Bedingungen geschmolzen. Bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Glasfaser als optischer Verstärker für das 1 ,5 μm Band, das sogenannte C-Band, könnten aufgrund ihrer Absorptionsbande im nahen Infrarotbereich Fe2+-lonen als geeigneter Absorber dienen. Jedoch stellte sich durch Experimente heraus, dass 99% der zugegebenen Fe2+- lonen durch die oxidierenden Schmelzbedingungen zu Fe3+-lonen oxidiert wurden. Da die Absorptionsbande von Fe3+ nicht im erforderlichen Bereich liegt, kann Eisenoxid die Aufgabe als absorbierendes Mittel in derartig hergestellten Gläsern nicht erfüllen.
Es wurde gefunden, dass Co2+-lonen, welche ebenfalls eine geeignete Absorption im nahen Infrarotbereich aufweisen, auch durch stark oxidierdierende Bedin- gungen in der Schmelze überraschenderweise nicht in einen höheren Oxidati- onszustand überführt werden und daher als absorbierende Mittel in einem solchen Glas besonders geeignet sind. Vorzugsweise enthält der äußerste Mantel daher mindestens eine vorzugsweise oxidische, zweiwertige Cobaltverbindung als absorbierendes Mittel.
In Figur 6 ist das Transmissionsspektrum eines Eisenoxid-haltigen Bismuthoxid- Glases mit dem eines Co2+-haltigen Glases verglichen. Obwohl Eisen in Form von zweiwertigem Eisen (zugegeben in einer Menge von 1000 ppm) zum Ausgangsgemenge zugegeben wurde, ist die Transmission des Glases im Bereich von 1500 nm kaum verschlechtert. Die absorbierende Wirkung ist somit gering. Im Gegensatz dazu ist die Transmission eines nur 250 ppm Co2+ in oxidischer Form enthaltenden Glases insbesondere im Bereich von 1500 nm auf weniger als 50% abgesunken. Cobaltoxid zeigt somit im Vergleich zu Eisenoxid in diesen Gläsern eine ausgezeichnete absorbierende Wirkung.
Figuren 9a und 9b zeigen die jeweils im Kern 40 und den Mänteln 42 und 44 ü- bertragene Energie zweier Arten erfindungsgemäßer Glasfasern. Figur 9a zeigt die übertragene Energie einer erfindungsgemäßen Faser, deren äußerer Mantel 44 mit Eisen als oxidierenden Mittel dotiert ist. Die verschiedenen Kurven 30 bis 36 entsprechen dabei verschiedenen Faserlängen. Figur 9a zeigt, dass bei längeren Faserlängen, die im zweiten Mantel 44 übertragene Energie im Verhältnis zu der im Kern 40 und erstem Mantel 42 übertragene Energie geringer wird. Figur 9b zeigt die entsprechende Energieübertragung in Abhängigkeit vom Radius einer Glasfaser, deren äußerer Mantel 44 mit Cobalt dotiert ist. Die Absorptionswirkung des zweiten Mantels ist in diesem Fall wesentlich effektiver. Es wird kaum Energie im äußeren Mantel übertragen. Die Absorptionswirkung ist dabei unabhängig von der Faserlänge.
In Figuren 3 und 4 sind zwei besonders bevorzugte Designs einer erfindungsgemäßen Glasfaser schematisch gezeigt. Dabei ist der Brechungsindex als Funktion des Radius der Glasfaser schematisch dargestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Kern der erfindungsgemäßen Glasfaser von genau zwei Glasmänteln umgeben.
In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasfa- ser 1 im Schnitt gezeigt. Der Kern 2 ist von einem inneren Mantel 3 umgeben, welcher wiederum von einem äußeren Mantel 4 umgeben ist. Gemäß dieser Aus- führungsform enthält der äußere Mantel ferner ein wie vorstehend beschriebenes absorbierendes Mittel.
Figur 3 zeigt ein besonders bevorzugtes Design der Brechungsindizes einer Doppelmantelfaser. Der Bereich 11 ist der in der Regel in etwa in der Mitte der Faser liegende Kern der Faser, der mit mindestens einer Seltene Erden- Verbindung dotiert ist, der Bereich 12 ist der innere Mantel und weist einen geringem Brechwert als der Kernbereich 11 auf, wodurch eine Führung des im Bereich des Kerns propagierenden Lichts gewährleistet ist. Der Bereich 13 ist der "zweite und hier äußere Mantel, der hauptsächlich Streulicht absorbieren soll. Der Brechungsindex des zweiten Mantels kann wie hier gezeigt höher als der Brechungsindex des Kerns sein, er kann jedoch auch den gleichen oder einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern aufweisen. In der Regel weist ein solcher äußerster Mantel einen höheren Brechungsindex als der sich daran anschlie- ßende innere Mantel auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Kern der erfindungsgemäßen Glasfaser von genau drei Glasmäntel umgeben.
Figur 4 zeigt ein besonders bevorzugtes Design einer erfindungsgemäßen Glasfaser mit drei Glasmänteln. Der Bereich 21 stellt den in der Regel in der Mitte der Glasfaser liegenden Kern der Faser dar, der mit beispielsweise Er3+ dotiert ist und die Signalmode führt. Der innere Mantel 22 kann eine Dotierung von Yb3+ enthalten. Eine solche Dotierung des ersten Mantels mit beispielsweise mit Yb3+ kann für ein sogenanntes Multimodenpumpen verwendet werden. Während beim Einfach- bzw. Singlemodenpumpen Licht ausschließlich in den Kernbereich der Verstärkerfaser eingestrahlt wird und dazu nur sehr kleine und damit sehr teure Laser verwendet werden können, wird beim Multimodenpumpen in den breiteren Querschnittsbereich von Kern und zusätzlich dem ersten Mantel eingestrahlt. Durch dieses Einstrahlen wird Yb3+ bei ca. 975 nm angeregt (2F72 -» 2F52). Da Yb3+ auf einer ähnlichen Wellenlänge eine Fluoreszenz zeigt, wird durch diese Fluoreszenz das Niveau ln/2 des Er3+-lons bei ca. 980 nm gepumpt. Die zum Multimodenpumpen verwendbaren Lichtquellen sind wesentlich kostengünstiger. Der sich an den ersten Mantel 22 anschließende Bereich des zweiten Mantels 23 mit einem geringeren Brechwert als der erste Mantel sorgt für eine Führung des im Bereich des ersten Mantels 22 propagierenden Lichtes und der Bereich des dritten Mantels 24 dient wiederum als äußerer absorbierender Mantel.
Die erfindungsgemäße Glasfaser weist vorzugsweise einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Es werden aber auch Glasfasern von der vorliegenden Erfindung umfasst, welche einen von einem kreisförmigen Querschnitt abweichenden Querschnitt aufweisen.
Der Kern der erfindungsgemäßen Glasfaser liegt in der Regel in der Mitte der erfindungsgemäßen Glasfaser, wobei die Mäntel vorzugsweise koaxial um den Kern angeordnet sind. Von der vorliegenden Erfindung sind jedoch auch Ausfüh- rungsformen umfasst, in welchen der Kern nicht in der Mitte der Glasfaser liegt.
Ferner umfasst die erfindungsgemäße Glasfaser vorzugsweise genau einen Kern. Gemäß anderer Ausführungsformen können jedoch auch mehrere Kernfasern in der erfindungsgemäßen Glasfaser enthalten sein.
Die erfindungsgemäße Glasfaser weist vorzugsweise eine Gesamtdicke von 100 bis 400 μm, mehr bevorzugt 100 bis 200 μm auf. Besonders bevorzugt ist eine Gesamtdicke von etwa 125 μm.
Der Kern der erfindungsgemäßen Glasfaser weist für eine Verwendung als optische Verstärkerfaser vorzugsweise einen Durchmesser von 1 bis 15 μm auf. Der erste Mantel weist vorzugsweise eine Dicke dm1 im Bereich von 5 bis 100 μm auf. Der zweite und weitere Mäntel weisen vorzugsweise eine Dicke dm2 im Bereich von 10 bis 150 μm auf. Für andere Anwendungen können Kern und/oder Mäntel jedoch auch jede beliebige andere Dicke haben. Gemäß der Erfindung ist unter dem Begriff „Kern einer Glasfaser" der Bereich zu verstehen, welcher durch das glastechnologische Herstellungsverfahren erzeugt wurde und welcher sich dadurch vom Mantel unterscheidet. Eine „Kernregion" bzw. „Kernbereich" umfasst hingegen den Bereich, in welchem die Intensität des optischen Signals bis auf den e-ten Teil der Eingangsintensität abgefallen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Glasfaser auf dem äußersten Glasmantel mindestens eine Beschichtung, welche mindestens einen Kunststoff bzw. ein Polymer umfasst. Diese äußere Kunststoff beschichtung dient insbesondere zum mechanischen Schutz der Glasfaser. Die Dicke dieser Kunststoffbeschichtung beträgt vorzugsweise von 2 bis 400 μm. Ein Wert unter 2 μm kann in der Regel keinen ausreichenden Schutz der Glasfaser garantieren. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke mindestens 3 μm, mehr bevorzugt mindestens 8 μm. Bei Dicken oberhalb 400 μm wird es schwierig, eine einheitliche Beschichtung bereitzustellen. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke höchstens 70 μm.
Für eine derartige Kunststoffbeschichtung kann jede Art Polymer verwendet werden, solange dieses gut auf dem Mantelglas haftet. Beispiele solcher Kunststoffe sind wärmehärtbare Silikonharze, UV-härtbare Silikonharze, acrylische Harze, Epoxid-Harze, Polyurethan-Harze und Polyimid-Harze, sowie Mischungen und/oder Blends davon.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung der erfin- dungsgemäßen Glasfaser, wobei um ein Kernglas mindestens zwei Mantelglä- sergebildet werden. Diese ist durch Herstellungsverfahren wie beispielsweise ein „Rod-in-Tube"-Verfahren, Mehrfachtiegelverfahren und Extrusionsverfahren, sowie Kombinationen dieser Verfahren herstellbar.
Gemäß einer Ausführungsform wird zunächst eine „Vorform" bzw. „Preform" bestehend aus Kern und einem oder mehreren Mänteln hergestellt, welche schon den Schichtaufbau der späteren Glasfaser aufweist und zu einer Glasfaser aus- gezogen werden kann. Eine derartige Vorform weist beispielsweise eine Dicke von 4 bis 30 mm und eine Länge von 5 bis 40 cm auf. Diese Vorform wird bei einer geeigneten Temperatur zu einer Faser ausgezogen.
Bei einem „Rod-in-Tube"-Verfahren wird in ein sträng- bzw. stangenförmiges Mantelglas ein Loch gebohrt, so dass ein röhrenförmiges Mantelglas erhalten wird. In dieses wird ein passender Stab des Kernglases eingeführt. Ferner kann das Mantelglas auch durch geeignete Formgebungsprozesse als Rohr ausgezogen werden. Beispielsweise wird ein Stab eines Kernglases mit einem Durch- messer von 1 ,0 bis 1 ,4 mm in einen röhrenförmigen ersten Mantel mit einem Durchmesser des Innenlochs von 1 ,5 mm und einem Außendurchmesser von 7 mm eingeführt. Um einen mit mehr als einem Mantel umgebenen Kern zu erhalten, kann diese Methode mehrmals wiederholt werden, d.h. für einen zweiten Mantel wird in ein zweites stangenförmiges Mantelglas ein Loch gebohrt und die Vorform aus Kern und erstem Mantel in den röhrenförmigen zweiten Mantel eingeführt. Diese Anordnung aus Kern und Mänteln wird zum Verbinden der Grenzflächen bis auf vorzugsweise oberhalb der Transformationstemperatur erwärmt, um eine „Vorform" zu erhalten. Gegebenenfalls kann eine Vorform aus Kern und mindestens einem ersten Mantel nach einem derartigen Erwärmen zu einem ge- wissen Ausmaß ausgezogen werden und in dieser ausgezogenen Form als Stab in einen zweiten oder weiteren Mantel eingeführt werden. Beim Rod-in-Tube- Verfahren kann ebenso ein heißgeformter, ausgezogener Stab in ein heißgeformtes, gezogenes Rohr gesteckt werden.
Ferner kann eine solche Vorform auch durch ein sogenanntes Extrusions- verfahren hergestellt werden. Hierbei wird ein Block des Kernglases auf einen Block eines Mantelglases gelegt und anschließend von der Unterseite her linien- förmig erwärmt. Entlang der erwärmten Linie sackt das Kernglas langsam in das Mantelglas ein, bis es völlig von diesem umschlossen ist. Bei einem Mehrfachtiegelverfahren, wie einem Doppel- oder Dreifachtiegelverfahren wird eine „Vorform" aus Kern oder einem oder mehreren Mänteln direkt durch ineinanderliegende Tiegel aus der Schmelze heraus generiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch direkt, d.h. ohne vorherige Herstellung einer Preform, eine Glasfaser mit einem Durchmesser von beispielsweise 125 μm hergestellt werden. Insbesondere werden zur direkten Faserherstellung Dreifach- oder Mehrfachtiegelverfahren verwendet.
Diese Verfahren zur Herstellung einer Vorform können miteinander kombiniert werden um die erfindungsgemäßen Glasfasern mit mindestens zwei Mänteln zu erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es besonders bevorzugt, ein Doppeltiegelverfahren zum Herstellen einer „Vorform" aus dem Kern und dem ersten Mantel herzustellen und die so erhaltene Vorform, bestehend aus Kern und einem Mantel durch ein „Rod-in-Tube"-Verfahren als Stab in einen röhrenförmigen zweiten Mantel einzuführen. Es hat sich herausgestellt, dass durch diese Kombinati- on einerseits eine besonders gute Grenzfläche zwischen Kern und ersten Mantel erhältlich ist, andererseits ein zweiter und/oder weitere Mantel in ökonomischer Weise hinzugefügt werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen optischen Verstärker, welcher mindestens eine erfindungsgemäße Glasfaser umfasst. Beispielsweise weist der optische Verstärker die folgende Struktur auf. Über einen optischen Isolator zur Unterdrückung von Lichtreflexionen wird das eingehende Lichtsignal an einen Koppler angeschlossen. Im Koppler werden Signal und Pumplicht zusammengeführt und gemeinsam in die optisch aktive Faser eingekoppelt. Das andere Ende der Verstärkerfaser wird mit der ausgehenden Faser verbunden. Hier kann auch noch ein Filter gegebenenfalls mit einem weiteren optischen Isolator angeordnet sein. Es ist ferner möglich, die Verstärkerfaser in beide Richtungen zu pumpen, wobei dann ein zweiter Koppler erforderlich ist.
Die Signallichtquelle wird an den Wellen-mischenden optischen Koppler durch den optischen Isolator verbunden. Der optische Koppler wird ferner mit der Anregungslichtquelle verbunden. Dann wird der optische Koppler mit einem Ende der Glasfaser verbunden. Das andere Ende der optischen Glasfaser wird mit dem optischen Isolator durch den optischen Koppler zum Wellensplitting verbunden. Jeder Teil wird mit der optischen Faser verbunden.
Ferner umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Glasfaser als optisch aktives Glas in einer Laseranordnung.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden durch Beispiele näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese Beispiele eingeschränkt.
Beispiele
Beispiel 1
Es wurden Glaszusammensetzungen für den Kern, den ersten und zweiten Mantel hergestellt. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen der Gläser in Mol-% .
Das zu einem Strang ausgezogene Kernglas (Länge 10 cm, Durchmesser 1 mm) wurde mittels des Rod-in-Tube-Verfahrens mit dem ersten Mantel (Außendurchmesser 7 mm; Durchmesser Innenloch: 1,5 mm) ummantelt. Die Preform aus Kern und erstem Mantel wurde anschließend bis zu einem Durchmesser von 1 mm ausgezogen und mittels eines weiteren Rod-in-Tube-Schritts mit dem äuße- ren Mantel (Außendurchmesser 7 mm; Durchmesser Innenloch 1 ,5 mm) ummantelt. Tabelle 1
Anmerkung:
1) Brechwert bei der Wellenlänge 1300 nm, gemessen über Methode der Totalreflexion an planparallelen Platten von 5 mm.
Die erhaltene Preform wurde zu einer Glasfaser einer Dicke von 125 μm ausgezogen.
Figur 2 zeigt eine fotographische Abbildung eines Querschnitts durch eine erfin- dungsgemäße Glasfaser. Kern 2 ist vom ersten Mantel 3 umgeben, dieser wiederum vom äußeren Mantel 4.
Beispiel 2
Unter Verwendung der gleichen Zusammensetzungen wie in Beispiel 1 wurde eine Doppelmantelfaser hergestellt, wobei in diesem Fall der Kern mittels eines Doppeltiegelverfahrens mit dem ersten Mantel ummantelt wurde. Der Kerndurchmesser sowie die Abmessungen des ersten Mantels entsprachen dabei denen des Beispiels 1. Anschließend wurde die so erhaltene Preform aus Kern und ersten Mantel zu einer Dicke von 1,5 mm ausgezogen. Anschließend wurde der zweite Mantel durch das Rod-in-Tube-Verfahren um die ausgezogene Preform aus Kern und erstem Mantel gebildet. Die erhaltene Preform wurde zu einer Glasfaser einer Dicke von 125 μm ausgezogen.
Durch optische Betrachtung zeigte sich, dass in Beispiel 2 eine bessere Grenz- fläche zwischen Kern und ersten Mantel erhalten wurde. Figur 7 zeigt eine fotographische Aufnahme des Querschnitts durch eine nach Beispiel 2 erhaltene Faser.
Beispiel 3
Es wurde durch das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren eine Doppelmantelfaser mit auf Telluroxid-basierenden Kern- und Mantelgläsern hergestellt.
Die erhaltene Preform wurde zu einer Glasfaser einer Dicke 4 von 325 μm und einem Kerndurchmesser von 4,5 μm ausgezogen.
Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch die hergestellte Te-Doppelmantelfaser. In diesem Fall wurde der Querschnitt geätzt, so dass die Übergänge von Kern auf ersten Mantel bzw. zweiten Mantel stärker hervortreten.
Beispiel 4
Unter Verwendung der in Tabelle 2 gezeigten Glaszusammensetzungen wurde eine Doppelmantelfaser hergestellt. Dabei wurde zunächst unter Verwendung ei- nes Doppeltiegels eine Vorform aus Kern und ersten Mantel hergestellt. Anschließend wurde diese Vorform mittels des Rod-in-Tube-Verfahrens mit dem zweiten Mantel versehen. Anschließend wurde die erhaltene Vorform zu einer Glasfaser mit einem Durchmesser von 125 μm ausgezogen. Tabelle 2
Beispiel 5
Unter Verwendung der in Tabelle 3 gezeigten Glaszusammensetzungen wurde eine Doppelmantelfaser hergestellt. Dabei wurde zunächst unter Verwendung eines Doppeltiegels eine Vorform aus Kern und ersten Mantel hergestellt. Anschließend wurde diese Vorform mittels des Rod-in-Tube-Verfahrens mit dem zweiten Mantel versehen. Anschließend wurde die erhaltene Vorform zu einer Glasfaser mit einem Durchmesser von 125 μm ausgezogen.
Tabelle 3

Claims

Ansprüche
1. Glasfaser umfassend einen Kern, dessen Matrixglas mindestens ein Schwermetalloxid und mindestens eine Seltene Erden-Verbindung enthält, wobei der Kern von mindestens zwei Glasmänteln umgeben ist, wobei der Brechungsindexsprung Δn vom Kern auf den ersten Mantel im Bereich von 0,001 bis 0,08 liegt und der Brechungsindex des ersten Mantels kleiner als der des Kerns ist.
2. Glasfaser nach Anspruch 1 , wobei das Schwermetalloxid aus Oxiden- von Bi, Te, Se, Sb, Pb, Cd, Ga, As und Gemischen davon ausgewählt ist.
3. Glasfaser nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kern mindestens B12O3 und/oder Teθ2 und/oder Sb2θ3 umfasst.
4. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kern wenigstens eine Seltene Erden-Verbindung enthält.
5. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Mantel wenigstens eine Seltene Erden-Verbindung enthält.
6. Glasfaser nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Seltene Erden-Verbindung aus Verbindungen von Ce, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und/oder Lu, sowie Gemischen davon ausgewählt ist.
7. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Brechungsindex nm2 des zweiten Mantels höher als der Brechungsindex nmι des ersten Mantels ist.
8. Glasfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Brechungsindex nm2 des zweiten Mantels niedriger als der Brechungsindex nmι des ersten Mantels ist.
9. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kern von zwei oder drei Glasmänteln umgeben ist.
10. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kern einen Durchmesser von 1 bis 15 μm aufweist.
11. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Mantel eine Dicke dmι im Bereich von 5 bis 100 μm aufweist.
12. Glasfaser nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der zweite und/oder weitere Mantel eine Dicke dm2 im Bereich von 10 bis 300 μm aufweist.
13. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Faser eine Gesamtdicke von 125 μm aufweist.
14. Glasfaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Glas des äußersten Mantels mindestens eine absorbierende Komponente umfasst.
15. Glasfaser nach Anspruch 14, wobei die absorbierende Komponente aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Übergangsmetall- bzw. Seltene Erden- Oxid-Verbindungen und/oder Gemischen davon besteht.
16. Verfahren zur Herstellung einer Glasfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei um ein Kernglas mindestens zwei Mantelgläser gebildet werden.
17. Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 16, wobei zunächst eine Preform aus Kern und Mantelglas durch Ziehen aus einem Doppeltiegel hergestellt wird und mindestens ein weiterer Mantel durch ein Rod-in-Tube-Verfahren um die Preform aus Kern und ersten Mantel
18. Verwendung einer Glasfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 16 auf dem Gebiet der optischen Nachrichtentechnik oder als Laserkomponente.
19. Optischer Verstärker, umfassend mindestens eine Glasfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
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