ITTO960927A1

ITTO960927A1 - Fibre ottiche monomodo attive e procedimento per la loro realizza- zione

Info

Publication number: ITTO960927A1
Application number: IT96TO000927A
Authority: IT
Inventors: Marco Braglia
Original assignee: Cselt Centro Studi Lab Telecom
Priority date: 1996-11-19
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 1998-05-19
Also published as: JPH10182188A; DE69715566T2; JP3215810B2; ITTO960927A0; CA2221060C; DE842907T1; DE69715566D1; CA2221060A1; IT1288836B1; EP0842907A1; EP0842907B1; US5991486A

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"Fibre ottiche monomodo attive e procedimento per la loro realizzazione"

La presenta invenzione si riferisce ai componenti ottici per sistemi di comunicazione ottica e in particolare ha per oggetto una fibra ottica monomodo attiva con nucleo in vetro non ossidico e un procedimento per la sua realizzazione.

Nei sistemi di comunicazione in fibra ottica si fa sempre più spesso uso di amplificatori ottici per compensare l'attenuazione dei segnali trasmessi derivante dalla propagazione lungo la fibra, cosicché si evita di dover realizzare conversioni ottico/elettriche e viceversa nei ripetitori. Questi amplificatori ottici sono in generale costituiti da un tratto di fibra ottica drogata con terre rare in cui vengono inviati il segnale da amplificare e un segnale di pompa, a lunghezza d'onda diversa. Gli amplificatori ottici più diffusi utilizzano come fibra attiva una fibra in silice, drogata p. es. con erbio. Questi amplificatori però operano su segnali con lunghezza d'onda nella terza finestra di trasmissione (intorno a 1 ,55 μm ) e richiedono l'uso di sorgenti a questa lunghezza d'onda. Invece le fibre in silice, che costituiscono il portante fisico di impiego più corrente nei sistemi di comunicazione ottica, presentano dispersione sostanzialmente nulla nella seconda finestra di trasmissione (lunghezze d'onda intorno a 1 ,3 pm), mentre in corrispondenza della terza finestra hanno dispersione elevata (dell'ordine di 15-20 ps/nm.km). Per trasmissioni ad elevata velocità su lunga distanza, questo fatto obbliga a introdurre nei sistemi mezzi per compensare la dispersione cromatica, che rendono il sistema di comunicazione complicato e costoso.

Sono stati già proposti amplificatori ottici operanti nella seconda finestra di trasmissione, i quali fanno uso di fibre in vetri non ossidici, in particolare vetri fluorurati, fluoro-alluminati o vetri a base di calcogenuri, drogati con terre rare.

Le fibre ottiche in vetro non ossidico hanno però l'inconveniente che le loro caratteristiche meccaniche e di inerzia chimica sono peggiori di quelle delle fibre in silice (o in generale, in vetro ossidico); inoltre il relativo processo di fabbricazione può essere a sua volta causa di problemi di qualità, in quanto le caratteristiche meccaniche e ottiche di queste fibre sono molto legate alla "storia termica" del vetro da cui viene formata la fibra e in particolare al numero di operazioni che richiedono riscaldamento del vetro a temperatura superiore a quella di transizione vetrosa, poiché queste operazioni possono dare origine a cristallizzazione o devetrificazione della matrice vetrosa.

Per evitare i problemi connessi con la storia termica del vetro, è stato proposto di realizzare fibre non ossidiche con il metodo noto come "doppio crogiolo": si vedano al riguardo i paragrafi 2.3.2 "Doublé crucible method" e 2.3.8 "MIR (medium-infrared flbers)” del volume "Fiber Optics Communications Handbook", dei Tecnici dello CSELT, pubblicato da TAB Professional and Reference Books, Blue Ridge Summit, PA, USA, 2a edizione, 1990. Questo metodo presenta però problemi di controllo della qualità dell'interfaccia tra il vetro del mantello e quello del nucleo, può originare inclusione di bolle di gas nella fibra e, soprattutto, è di applicazione pratica molto difficile quando si vogliano ottenere fibre attive monomodali (che devono avere un nucleo di diametro dell'ordine di 1-2 μττι), per ragioni legate al controllo delle dimensioni geometriche del foro di uscita del crogiolo interno.

Secondo l'invenzione si forniscono una fibra attiva e un metodo per la sua fabbricazione che ovviano agli inconvenienti sopra descritti.

Secondo l'invenzione si fornisce una fibra ottica monomodo attiva con nucleo in vetro non ossidico drogato con terre rare, in cui il mantello è in un vetro ossidico e in cui inoltre il nucleo è in un vetro con temperatura di fusione inferiore a quella del vetro del mantello e compresa nell'intervallo di temperature di rammollimento di questo.

Per "intervallo di temperature di rammollimento" si intende, in questa descrizione e nelle rivendicazioni che seguono, l'intervallo compreso fra la temperatura di transizione vetrosa Tg (a cui il vetro ha una viscosità di 10<12 >Pa-s) e la temperatura a cui il vetro ha una viscosità di 10<4 >Pa-s (viscosità a cui il distacco del "pendaglio" avviene per gravità e la tiratura della fibra può avvenire con una forza minima).

Una fibra di questo tipo elimina i problemi di resistenza meccanica e inerzia chimica delle fibre completamente in vetro non ossidico, in quanto il mantello (che comprende la massima parte del materiale della fibra monomodo) è in vetro ossidico. Inoltre, i vetri detti sopra possono essere attivi sia in seconda finestra (se drogati con Pr e Dy) sia in terza finestra (se drogati con Er) e in questo secondo caso, come noto, presentano una banda di amplificazione più ampia e più piatta di quella dei vetri ossidici.

Aspetti importanti da tener conto nella scelta della coppia di vetri da impiegare in una fibra di questo tipo sono dati dal coefficiente di dilatazione termica e dall'indice di rifrazione dei vetri stessi. In particolare, i due vetri devono avere, a temperature inferiori a quella di transizione vetrosa, coefficienti di dilatazione termica sostanzialmente simili, in modo da evitare che, nel corso del raffreddamento della fibra tirata, il mantello induca sollecitazioni sul nucleo o viceversa. Per quanto riguarda gli indici di rifrazione, devono essere tali che l'apertura numerica consenta di realizzare nuclei con raggio dell'ordine di grandezza voluto. Si ricorda che l'apertura numerica è data da NA = (n-|<2 >- n^)<1>^<2>· con n-] , Π2 indici di rifrazione del nucleo e rispettivamente del mantello, ed è legata al raggio r del nucleo e alla lunghezza d'onda λ dalla relazione λ = 2π τ· NA/ 2,405. Aperture numeriche adatte sono comprese tra 0,3 e 0,5.

I vetri non ossidici utilizzabili in presenza di un mantello ossidico possono essere p. es. vetri calcogenurì o vetri fiuoroalluminati o ancora vetri fi uorof ostati.

Esempi di vetri calcogenurì impiegabili nella realizzazione di amplificatori ottici a fibra attiva sono vetri multicomponente a base di Ge-S, in particolare vetri a base di Ga-Ge-S quali vetri Ba-Ga-Ge-S, Pb-Ga-Ge-S, As-Ga-Ge-S; esempi di composizioni per tali vetri sono riportati nella memoria "Rare-earth doped Multicomponent Ge-based Sulphide Glasses" presentata da B.G. Aitken e R.S. Quinby al 10th International Symposium on Non-Oxide Glasses, Corning, NY, USA, 22-24 Giugno 1996. Questi vetri hanno temperature di transizione vetrosa Tg comprese fra un minimo di circa 325 °C (per ì vetri contenenti As) e un massimo di circa 475 °C (per i vetri contenenti Ba), temperature di fusione dell'ordine di 700 - 750 °C, coefficienti di dilatazione termica a (per temperature inferiori a Tg, in particolare temperature nell'intervallo fra 30 e 300°C) compresi fra un minimo di circa 11 -10<-6 >°C<-1 >(per i vetri contenenti Ba o As) e un massimo di circa 16-10<6 >°C-1 (per i vetri contenenti As), e indice di rifrazione compreso fra circa 2 e circa 2,5.

Vetri ossidici con temperature di transizione vetrosa e di fusione, coefficiente di dilatazione termica e indice di rifrazione e compatibili, ai fini della presente invenzione, con quelle dei vetri non ossidici suddetti sono in particolare vetri piombo-silicati con elevato tenore di ossido di piombo, preferibilmente tra il 30% e il 70% (percentuali molari), il cui indice di rifrazione varia fra 1 ,69 e 2,14. Nella scelta della composizione specifica va tenuto presente che vetri con contenuto di ossido di piombo vicino ai limiti superiori dell'intervallo hanno coefficienti di dilatazione termica molto simili a quelli dei vetri calcogenurì e indici di rifrazione tali da dare la voluta apertura numerica per la fibra, però possono presentare temperature di transizione vetrosa troppo basse; viceversa, vetri con contenuto di ossido di piombo vicino ai limiti inferiori dell'intervallo hanno temperature di transizione vetrosa adatte ma possono presentare coefficienti di dilatazione termica e indici di rifrazione troppo bassi. Vetri con contenuto in ossido di piombo nell’intervallo preferito rappresentano in ogni caso una buona soluzione di compromesso, tenendo anche conto che eventuali sollecitazioni indotte nel processo di filatura possono essere eliminate con un'operazione di ricottura (annealing) a temperature inferiori alla temperatura di transizione vetrosa Tg del vetro del nucleo.

In alternativa, invece di vetri binari Si02-Pb0, si possono usare vetri piombosilicati contenenti anche percentuali minori di ulteriori ossidi, p. es. ΤiΟ2: la presenza di questi ossidi ulteriori permette, come noto al tecnico, di modificare le caratteristiche di un vetro piombo-silicato in modo da ottenere la voluta compatibilità di tutti i parametri di interesse nei due vetri

Sono anche adatti vetri contenenti, invece di Pb20, ossidi del tipo M2O5, dove M è Nb 0 Ta, che hanno anch'essi indici di rifrazione superiori a 2.

Vetri fluoro-alluminati utilizzabili sono vetri multicomponenti, p. es vetri contenenti, oltre ad AIF3, fluoruri di metalli alcalini 0 alcalino-terrosi. A titolo di esempio si possono citare vetri i cui costituenti e le rispettive percentuali sono dati nella tabella che segue (percentuali molari):

I vetri fluoroalluminati hanno in generale indice di rifrazione alquanto basso (1 ,44 -1 ,45), per cui iLvetro ossidico sarà in generale un vetro a base di silice drogata con un opportuno elemento che abbassa l'indice di rifrazione.

L'invenzione fornisce anche un metodo per la fabbricazione della fibra suddetta, in cui si fila una preforma comprendente un mantello e un nucleo in cui il rapporto tra i diametri corrisponde a quello richiesto per ottenere una fibra monomodo attiva, caratterizzato dal fatto che per la realizzazione della preforma si utilizza come mantello un capillare in vetro ossidico nel cui foro si introduce un elemento in vetro non ossidico, avente una temperatura di fusione inferiore a quella del vetro ossidico e compresa nell'intervallo di temperature di rammollimento di questo, e per la filatura si porta la preforma a una temperatura compresa in detto intervallo e non inferiore a quella dì fusione del vetro non ossidico.

L'elemento in vetro non ossidico può essere introdotto nel capillare allo stato fuso, per capillarità o colata, oppure allo stato solido, sotto forma di bacchetta.

L'elemento in vetro non ossidico è vantaggiosamente in un vetro calcogenuro, in particolare un vetro multicomponente a base di Ge-S, e preferibilmente un vetro a base di Ga-Ge-S quale un vetro Ba-Ga-Ge-S, Pb-Ga-Ge-S, As-Ga-Ge-S. In questo caso l'elemento in vetro ossidico può essere in un vetro piombo-silicato con elevato tenore di ossido di piombo, preferibilmente tra il 30% e il 70% (percentuali molari), oppure in un vetro contenente, oltre a silice, Nb20s o Ta20s.

Come si vede, con il metodo descritto si realizza la fibra a partire dal vetro non ossidico già allo stato fuso o si fila una preforma realizzata a freddo. Si ha quindi un'unica operazione a caldo sul vetro non ossidico e quindi si elimina sostanzialmente il rischio di devetrificazione connesso ai molteplici riscaldamenti a cui viene sottoposto tale vetro usando i metodi noti.

I vetri utilizzati hanno preferibilmente temperature di fusione (per il vetro non ossidico) e di rammollimento (per il vetro non ossidico) comprese tra 700 e 750°C circa, e indici di rifrazione tali da dare origine, nella fibre filata, a un'apertura numerica compresa fra 0,3 e 0,5.

L'invenzione sarà ora descritta con maggiori dettagli con riferimento ai disegni allegati, che mostrano alcune fasi del processo secondo l'invenzione, considerando a titolo di esempio il caso in cui si voglia realizzare una fibra con nucleo in vetro calcogenuro e mantello in vetro piombo-silicato.

Il primo passo è la realizzazione di una preforma, a partire da un tubetto 1 in vetro piombo-silicato (avente p. es. un contenuto in ossido di piombo tra il 30 e il 70%) con un foro capillare 2, destinato a formare il mantello della preforma. Questa avrà, come usuale, dimensioni radiali circa 100 volte superiori a quelle della fibra finale, e quindi il diametro esterno del tubetto 1 sarà dell'ordine della dedna di mm (p. es. 12 mm, tenuto conto che il diametro esterno di una fibra monomodo è di circa 125 pm) e il foro avrà un diametro di circa. 1-2 mm (per una fibra con nucleo del diametro di circa 1 - 2 pm). Tubetti di vetro piombo-silicato (o in generale di vetro ossidico) con fori capillari e diametro esterno e interno dell'ordine di grandezza indicato sono disponibili in commercio o possono essere facilmente realizzati, in modo ben noto al tecnico.

Per la formazione del nucleo, si introduce nel foro capillare 2 un vetro calcogenuro (in particolare un vetro Ba-Ga-Ge-S, Pb-Ga-Ge-S, As-Ga-Ge-S) precedentemente drogato in qualsiasi modo opportuno con terre rare (p. es. Pr, Dy o Er a seconda della finestra di trasmissione in cui si intende operare) nei livelli richiesti per la realizzazione di un amplificatore ottico .

in una prima forma di realizzazione il vetro calcogenuro è fuso preliminarmente e introdotto nel foro capillare allo stato fuso. Per questo scopo si può immergere il tubo 1 in un crogiolo 3 (fig. 1) contenente il vetro fuso 10 e sfruttare la capillarità. In alternativa, come si vede in fig. 2, il vetro fuso 10 contenuto in un crogiolo ancora indicato con 3 può essere colato nel foro 2. In questo secondo caso può essere conveniente che l'estremità superiore del tubo 1 presenti una svasatura 4; inoltre l'estremità inferiore del tubo 1 sarà vantaggiosamente collegata a un sistema di aspirazione, non rappresentato.

Si noti che il tempo necessario affinché il vetro fuso riempia per capillarità la cavità di un tubetto (la cui lunghezza sarà dell'ordine di alcuni centimetri) è tale che non si ha un sostanziale raffreddamento del vetro; comunque può essere utile preriscaldare il tubetto di vetro piombo-silicato.

In una seconda forma di realizzazione, illustrata in fig. 3, nel foro 2 si introduce una bacchetta 5 del vetro calcogenuro, a temperatura ambiente.

Come risultato delle operazioni dette sopra si ottiene una preforma 6, comprendente un mantello costituito dal tubetto 1 e un nucleo 2' (Fig. 4). L'operazione successiva è la filatura della preforma 6 per ottenere la fibra 7. Per la filatura la preforma viene portata a una temperatura dell'ordine di 700 - 750°C. A queste temperature i vetri calcogenuri indicati sopra fondono, mentre il vetro piombo-silicato rammollisce (cioè ha una viscosità fra 1012 pa s e 104 Pa s) e può essere tirato con una forza che è tanto maggiore quanto più la temperatura è vicina a quella di transizione vetrosa. Il tubo esterno 1 funge in pratica da "contenitore" per il nucleo e il suo rammollimento garantisce una buona uniformità dell'interfaccia mantello-nucleo. Nel corso della filatura la fibra è anche munita degli eventuali rivestimenti protettivi esterni. L'impianto di filatura è de! tutto convenzionale e nel disegno si sono indicati solo i mezzi di riscaldamento 8.

Nel caso in cui il raffreddamento della fibra tirata possa dare origine a sollecitazioni del nucleo sul mantello o viceversa, per esempio a causa di una differenza troppo sensibile di coefficienti di dilatazione termica dei due vetri nell'intervallo di temperature compreso tra la temperatura di transizione vetrosa e la temperatura ambiente, prima dell'applicazione del rivestimento e anche possibile sottoporre la fibra a un'operazione di ricottura, a temperature inferiori alla temperatura di transizione vetrosa Tg del vetro calcogenuro (circa 300 °C).

E' evidente che quanto descritto è dato a titolo di esempio non limitativo e che varianti e modifiche sono possibili senza uscire da! campo di protezione dell'invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Fibra ottica monomodo attiva, con nucleo realizzato in un vetro non ossidico drogato con terre rare, caratterizzata dal fatto che il mantello è realizzato in vetro ossidico e dal fatto che il nucleo è in un vetro avente una temperatura di fusione inferiore a quella del vetro del mantello e compresa nell'intervallo di temperature di rammollimento di questo, l'intervallo di temperature di rammollimento essendo l'intervallo compreso fra la temperatura di transizione vetrosa e la temperatura a cui il vetro ha una viscosità di 10<4 >Pa-s.
2. Fibra ottica secondo la riv. 1 , caratterizzata dal fatto che la temperatura di fusione del vetro del nucleo e la temperatura di rammollimento del vetro del mantello sono dell'ordine di 700 - 750°C.
3. Fibra ottica secondo la riv. 1 o 2, caratterizzata dal fatto che i vetri del mantello e dei nucleo hanno indici di rifrazione tali da dare un'apertura numerica fra 0,3 e 0,5.
4. Fibra ottica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il nucleo è di un vetro calcogenuro e il mantello è di un vetro piombosilicato o di un vetro SÌO2-M2O5, dove M è un metallo scelto fra Nb e Ta.
5. Fibra ottica secondo la riv. 4, caratterizzata dal fatto che il vetro calcogenuro è un vetro multicomponente a base di Ge-S
6. Fibra ottica secondo la riv. 5, caratterizzata dal fatto che il vetro multicomponente a base di Ge-S è un vetro Ga-Ge-S
7. Fibra ottica secondo la riv. 6, caratterizzata dal fatto che il vetro Ga-Ge-S è scelto fra vetri Ba-Ga-Ge-S, Pb-Ga-Ge-S e As-Ga-Ge-S.
8. Fibra ottica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il vetro piombo-silicato è un vetro contenente dal 30 al 70 % di PbO, in percentuale molare.
9. Fibra ottica secondo la riv. 8, caratterizzata dal fatto che il vetro piombo-silicato contiene TiO2
10. Procedimento per la realizzazione di fibre ottiche monomodo attive con nucleo in vetro non ossidico drogato con terre rare, in cui si fila una preforma comprendente un mantello (1 ) e un nucleo (2‘), caratterizzato dal fatto che per la realizzazione della preforma si utilizza come mantello un tubo capillare (1) in vetro ossidico nel cui foro (2) si introduce un elemento del vetro non ossidico, avente una temperatura di fusione inferiore a quella del vetro ossidico e compresa nell'intervallo di temperature di rammollimento di questo, e per la filatura si porta la preforma (6) a una temperatura compresa in detto intervallo e non inferiore a quella di fusione del vetro non ossidico, in modo tale che il tubo capillare (1), durante la tiratura, funga da contenitore per il vetro fuso del nucleo.
11. Procedimento secondo la riv. 10, caratterizzato dal fatto che l'elemento in vetro non ossidico è introdotto nel foro (2) allo stato fuso.
12. Procedimento secondo la riv. 11 , caratterizzato dal fatto che l'elemento in vetro non ossidico è introdotto nel foro (2) per capillarità.
13. Procedimento secondo la riv. 11 , caratterizzato dal fatto che l'elemento in vetro non ossidico è colato nel foro (2).
14. Procedimento secondo la riv. 13, caratterizzato dal fatto che durante la colata si crea una depressione all'interno del foro (2).
15. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11 a 14, caratterizzato dal fatto che il tubo capillare (1) viene preriscaldato.
16. Procedimento secondo la riv. 10, caratterizzato dal fatto che l'elemento in vetro non ossidico è introdotto nel foro (2) a freddo, sotto forma di bacchetta (5).
17. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 16, caratterizzato dal fatto che per la filatura si porta la preforma a una temperatura dell'ordine di 700 -750°C.
18. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 17, caratterizzato dal fatto che per il vetro non ossidico e il vetro ossidico si utilizzano composizioni con indici di rifrazione tali da dare un'apertura numerica fra 0,3 e 0,5.
19. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 18, caratterizzato dal fatto che come vetro non ossidico si utilizza un vetro calcogenuro e come vetro ossidico si utilizza un vetro piombo-silicato o un vetro SÌO2-M2O5, dove M è un metallo scelto fra Nb e Ta.
20. Procedimento secondo la riv. 19, caratterizzato dal fatto che come vetro calcogenuro si utilizza un vetro multicomponente a base di Ge-S, preferibilmente un vetro Ga-Ge-S e più preferibilmente un vetro scelto nel gruppo Ba-Ga-Ge-S, Pb-Ga-Ge-S, As-Ga-Ge-S.
21. Procedimento secondo le rivendicazioni 19 e 20, caratterizzato dal fatto che come vetro piombo-silicato si utilizza un vetro contenente dal 30 al 70 % di PbO, in percentuale molare.
22. Procedimento secondo la riv. 21, caratterizzato dal fatto che come vetro piombosilicato si utilizza un vetro contenente anche piccole percentuali di TiO2.