NL1003651C2 - Hybride glas/polyimide optische golfgeleider en werkwijze voor het vervaardigen van deze optische golfgeleider. - Google Patents

Description

Titel: Hybride glas/polyimide optische golfgeleider en werkwijze voor het vervaardigen van deze optische golfgeleider

De uitvinding heeft betrekking op een optische golfgeleider en op een werkwijze voor het vervaardigen van deze optische golfgeleider.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een optische 5 versterker en op een werkwijze voor het vervaardigen van een optische versterker.

Een belangrijk voorbeeld van een optische golfgeleider is een optische vezel, en de uitvinding zal in het hiernavolgende nader worden uitgelegd roet betrekking tot een optische vezel. 10 De uitvinding is echter ook toepasbaar op andere typen van optische golfgeleiders, zoals planaire optische golfgeleiders.

Op het gebied van telecommunicatie neemt de optische vezel tegenwoordig een belangrijke plaats is. Een algemeen doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een 15 optische vezel met verbeterde eigenschappen. Een bijzonder doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een enkel-modus optische vezel met een verminderde verzwakking over een groter golflengtegebied, in het bijzonder in het infrarood-gebied (1-12 μτ&).

20 Wanneer een optisch signaal wordt overgedragen door een optische vezel, zal altijd in enige mate een verzwakking optreden, zodat het nodig is om na een bepaalde afstand (typisch in de orde van ca. 50-100 km) het signaal te versterken. Conventioneel wordt daarvoor een elektronische 25 versterker gebruikt. Bij het versterkerstation moet dan het optische signaal worden omgezet naar een elektrisch signaal, dat in een elektronische versterker wordt versterkt, waarna het versterkte elektrische signaal weer wordt omgezet in een optisch signaal. Niet alleen heeft dit als nadeel, dat een 30 versterkerstation een nogal ingewikkelde structuur heeft met nogal veel onderdelen, waaronder optisch/elektrisch-omzetters 1003651 2 en elektrisch/optisch-omzetters, maar ook impliceert dit dat de bandbreedte en bit-rate van het gehele systeem is beperkt door de elektronische componenten.

Recentelijk zijn derhalve optische vezelversterkers 5 ontwikkeld, dat wil zeggen vezelversterkers die geen omzetting naar een elektrisch signaal behoeven.

Tegenwoordig kan "fused silica" (S1O2) als materiaal voor optische vezels worden beschouwd als zijnde standaard. De absorptie-coëfficiënt van dit materiaal, en dus ook de 10 verzwakking, vertoont als functie van de golflengte twee belangrijke minima die bruikbaar zijn voor signaaltransmissie, te weten in een eerste gebied rond ca. 1,3 μπι en in een tweede gebied rond ca. 1,55 μπι. Thans bekende optische vezelversterkers zijn gebaseerd op het gebruik van driewaardige 15 zeldzame-aardionen in het vezelmateriaal.

Voor het genoemde tweede golflengtegebied blijkt met Erbium (Er) gedoteerd, op S1O2 gebaseerd vezelmateriaal adequaat te zijn. Voor het genoemde eerste golflengtegebied wordt onderzoek gedaan naar het gebruik van Praseodymium (Pr), 20 maar in combinatie met oxyde-glazen zoals Si02 levert dit geen bruikbaar resultaat. Voor efficiënte vezelversterkers zijn zogenaamde laag-fononenergie glascomposities nodig; voorbeelden omvatten chalcogenide en halide glascomposities. Thans zijn met Praseodymium gedoteerde fluoride-glasvezels 25 commercieel verkrijgbaar, doorgaans gebaseerd op ZBLAN (ZrF4 -BaF2 - LaF3 - AIF3 - NaF), dat inderdaad bruikbaar is als optische versterker voor 1,3 μπι.

Het is een bijzonder doel van de onderhavige uitvinding om een optische versterker te verschaffen die werkzaam is in 30 het eerste gebied (1,3 pm), en die gebaseerd is op een ander materiaal dan ZBLAN. Meer in het bijzonder beoogt de onderhavige uitvinding een optische vezelversterker voor 1,3 μπι te verschaffen die een beter pomprendement heeft dan de bekende ZBLAN-vezelversterker, en die een bijzonder geringe 35 demping heeft van bij voorkeur minder dan 0,1 dB/m in het golflengtegebied rond 1,3 μπι.

1003651 3

Ook is het een bijzonder doel van de onderhavige uitvinding om een infrarood-transmitterende vezel te verschaffen die een bijzonder geringe demping heeft van bij voorkeur minder dan 0,1 dB/m in het golflengtegebied rond 5 1,3 pm.

De onderhavige uitvinding beoogt voorts een relatief eenvoudige en relatief goedkope werkwijze te verschaffen voor het vervaardigen van een optische vezel en/of een optische vezelversterker met uitstekende eigenschappen, waarbij in het 10 bijzonder de eigenschappen van het grensvlak tussen de kern en de cladding van belang zijn. Bij een bekende methode voor het vervaardigen van speciale optische vezels wordt een cylinder vervaardigd als voorvorm voor de cladding, wordt een staaf vervaardigd als voorvorm voor de kern, en wordt die staaf in 15 die cylinder geplaatst, waarna de combinatie wordt verhit en uitgetrokken tot een vezel. Bij een dergelijke methode is het moeilijk om grensvlak-fouten te vermijden.

In het hiernavolgende zal de uitvinding nader worden 20 verduidelijkt door beschrijving van een voorkeursuitvoeringsvorm van een optische vezel volgens de uitvinding, onder verwijzing naar de tekening, waarin: figuur 1 een dwarsdoorsnede van een optische vezel toont; en figuur 2 een proces voor het vervaardigen van een optische 25 vezel illustreert.

Figuur 1 is een dwarsdoorsnede van een enkel-modus optische vezel 1 met een kern 2 en een bekleding (cladding) 3. De kern 2 heeft typisch een diameter in de orde van ongeveer 2-10 pm, terwijl de cladding 3 typisch een dikte heeft in de 30 orde van ongeveer 125 pm. De cladding 3 heeft een brekingsindex n3 die een weinig lager is dan de brekingsindex n2 van de kern 2: bij voorkeur geldt dat n2-n3 ongeveer 1% van de waarde van n2 bedraagt.

Een belangrijk aspect van de onderhavige uitvinding is 35 gebaseerd op het inzicht, dat het cladding-materiaal niet alleen gekozen moet worden met betrekking tot zijn brekingsindex n3, die lager dient te zijn dan de brekingsindex n2 van 1003651 4 de kern 2, maar ook met betrekking tot 21jn optische eigenschappen, zoals bijvoorbeeld de absorptie-eigenschappen. De geleiding van elektromagnetische golven langs de vezel vindt weliswaar voornamelijk plaats binnen de kern 2, maar 5 desalniettemin zal een deel van de golf (evanescent golf) over een eindige diepte indringen in de cladding 3. Het cladding-materiaal is derhalve gekozen om een zo gering mogelijke absorptie te hebben, hetgeen wordt aangeduid als "optisch low-loss", hetgeen een voor een deskundige duidelijke aanduiding 10 is. Bij voorkeur bedraagt het verlies van de totale kern/cladding-structuur minder dan 0,1 dB/m in het iR-gebied.

Voorts is de uitvinding gebaseerd op het inzicht, dat het grensvlak tussen de kern 2 en de cladding 3 zo weinig mogelijk fouten dient te hebben, en dat de cladding 3 zo weinig 15 mogelijk fouten dient te hebben.

Volgens een belangrijk aspect van de onderhavige uitvinding is de kern 2 gemaakt van een anorganisch glas, bijvoorbeeld een chalcogenide glas, een halide glas of een chalcohalide glas, dat voor het verkrijgen van een optische 20 vezelversterker gedoteerd kan zijn met Pr, terwijl de cladding 3 is gemaakt van een optisch transparante polymeer, in het bijhzonder een gefluorineerde polyimide.

Figuur 2 illustreert een volgens de onderhavige 25 uitvinding voorgestelde werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke optische vezel 1 resp. vezelversterker. In een eerste stap wordt een staaf vormige voorvorm 12 voor de kern 2 verschaft, welke voorvorm 12 is vervaardigd van een geschikt gekozen anorganisch glas, bij voorkeur een chalcogenide glas, 30 dat op een geschikte wijze gedoteerd kan zijn met Pr. Het materiaal van de kernvoorvorm 12 is gekozen om een smelt-traject te hebben beneden 1000 °C, zodat het materiaal wordt aangeduid als laagsmeltend, en om een vezeltrektemperatuur Tf te hebben in het gebied van 200-600 °C, bij voorkeur in het 35 gebied van 250-450 eC.

Om de kernvoorvorm 12 wordt een cladding-voorvorm 13 aangebracht, die volgens een belangrijk aspect van de 1003651 5 onderhavige uitvinding is vervaardigd van een materiaal dat fungeert als precursor van het uiteindelijke cladding-materiaal. Op geschikte wijze is het materiaal van de cladding-voorvorm 13 een niet volledig ge—imidiseerde 5 polyimide.

Ten slotte wordt de uiteindelijke vezel 1 gevormd door bij een verhoogde temperatuur (in de orde van ca. 250-450 °C) de gecombineerde voorvorm 11 te trekken totdat het gevormde product de gewenste dimensies heeft. Volgens een belangrijk 10 aspect van de onderhavige uitvinding wordt tijdens dit trekproces de imidisatie van de cladding-precursor voltooid. Volgens de inzichten van de uitvinding biedt dit belangrijke voordelen. In de eerste plaats wordt een goede hechting tussen de kern 2 en de cladding 3 bereikt. In de tweede plaats zal 15 het cladding-materiaal geen defecten vertonen, omdat het polyimide van de cladding 3 in zijn uiteindelijke ge-imidiseerde toestand niet meer onderworpen wordt aan mechanische belasting door lengteveranderingen. In de derde plaats kan, door een geschikte combinatie te kiezen van de 20 procesparameters, zoals de temperatuur en de tijd van de voor-imidisatie, de temperatuur tijdens het trekken, en de relatieve lengteverandering tijdens het trekken, de brekingsindex n3 van de cladding 3 worden geoptimaliseerd op een geschikte en gewenste waarde in relatie tot de brekingsindex 25 Π2 van de kern 2.

De werkwijze volgens de onderhavige uitvinding is een bijzonder efficiënte en relatief goedkope werkwijze voor het vervaardigen van een optische vezel met goede eigenschappen, die ook bruikbaar is voor het vervaardigen van andere speciale 30 IR-transmitterende vezels.

Het zal voor een deskundige duidelijk zijn dat het mogelijk is om modificaties aan te brengen aan de beschreven voorbeelden zonder af te wijken van de omvang van de uitvinding zoals omschreven in de conclusies, zo is het 35 bijvoorbeeld mogelijk dat de vezel een multi-mode vezel is.

1003651

Claims (8)

1. Optische golfgeleider, in het bijzonder een optische vezel (1), met een hybride kern/cladding-structuur, waarbij de kern (2) is vervaardigd van een laagsmeltend anorganisch glas en de cladding (3) is vervaardigd van een optisch 5 transparante, gefluorineerde polyimide die bestand is tegen relatief hoge temperaturen.

2. Enkel-modus optische golfgeleider volgens conclusie 1, waarbij de kern (2) bestaat uit een laag-fononenergieglas 10 (bijv. chalcogenide of halide), gedoteerd met praseodymium-ionen zodat de golfgeleider kan fungeren als optische versterker in het golflengtegebied in de omgeving van ongeveer 1,3 μπι.

3. Optische vezel volgens conclusie 1 of 2, waarbij de kern (2) is vervaardigd van een chalcogenide glas, een halide glas of een chalcohalide glas.

4. Optische golfgeleider volgens één der voorgaande 20 conclusies, met een lage optische verzwakking van minder dan 2 dB/m, bij voorkeur minder dan 0.1 dB/m in het golflengtegebied rond 1,3 μπι en/of in het golflengtegebied rond 1,55 μπι.

5. Optische golfgeleider volgens één der voorgaande 25 conclusies, waarbij de brekingsindex n3 van de cladding (3) een weinig, bij voorkeur ten minste 1%, kleiner is dan de brekingsindex n2 van de kern (2).

6. Optische golfgeleider volgens één der voorgaande 30 conclusies, waarbij de kern (2) een diameter heeft van ongeveer 2-10 μια en de cladding (3) een dikte heeft van ongeveer 125 μπι. 1003651

7. Werkwijze voor het vervaardigen van een optische golfgeleider (1) met een kern/cladding-structuur, waarbij de cladding (3) een polyimide bevat, welke werkwijze de stappen omvat van: 5 het verschaffen van een kern-voorvorm (12); het verschaffen van een niet-volledig ge-imidiseerde polyimide als cladding-precursor op de kern-voorvorm (12); en het bij een geschikte temperatuur trekken van de gecombineerde materialen (12, 13) tot de uiteindelijke vezel (1), 10 waarbij genoemde precursor in hoofdzaak volledig imidiseert.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij het cladding-materiaal een glasovergangstemperatuur heeft die hoger is dan de trektemperatuur van het kernmateriaal. 15 1003651