NL8003105A - Optische vezels met monotrillingswijze. - Google Patents

Description

/ /

Optische vezels met monotrillingswijze.

De uitvinding heeft betrekking op optische vezels met een monotrillingswijze en heeft betrekking op een bepaalde vorm van een dergelijke vezel.

De bandbreedte van een optische vezel met een 5 multitrillingswijze is beperkt door de intermodale dispersie en door de chromatische dispersie. De intermodale dispersie kan minimaal gemaakt worden door de optische baanlengten van de verschillende trillingsvijzen nauwkeurig aan elkaar gelijk te maken. Om dit te bereiken moet het index-profiel over de vezelkern zeer nauwkeurig 10 geregeld worden. Bij de gewoonlijk gebruikte vezelfabrikagetech-nieken is het moeilijk het optimale index-profiel consequent te verkrijgen. Alternatief kan de intermodale dispersie geheel geëlimineerd worden door de voortgeleide trilling te beperken tot de trillingswijze van de laagste orde (monotrillingswijzevezel).

15 De chromatische dispersie wordt in hoofdzaak bepaald door de intrinsieke eigenschap van de materialen die gebruikt worden om de vezel te construeren en de spectrale bandbreedte van de lichtbron. In op siliciumdioxyde gebaseerde glassoorten is het chromatische effect minimaal bij een golflengte van 20 bij benadering 1,3 /nn {1).

In vezels met een monotrillingswi jze wordt vergeleken met de vezels met de multitrillingswijze een groter deel van het voortgeleide licht door de bekledingslaag gevoerd. Daarom moeten zowel de kern als de bekledingsmaterialen chemisch 25 neergeslagen worden om de demping minimaal te maken.

Met boron gedoopt siliciumdioxyde wordt algemeen gebruikt voor de bekleding vanwege zijn lage brekingsindex ten opzichte van het zuivere siliciumdioxyde dat gebruikt wordt voor de kern. Een nadeel van dit vezelontwerp is de grote demping in 8003 1 05 2 het golflengtegebied van 1,3 ym ten gevolge van de intrinsieke optische absorptie van met boron gedoopt siliciumdioxyde. Zuiver siliciumdioxyde is op het ogenblik het enige bekledingsmateriaal dat gebruikt wordt om een vezel met monotrillingsvijze te vervaardigen 5 en een lage demping bij een golflengte van 1,3 ym. De kern is hetzij gemaakt uit germanium of met fosfor gedoopt siliciumdioxyde. In dit ontwerp is voor de neerslag van de bekleding een volgehouden hoge temperatuur nodig welke aanleiding geeft tot een ernstige vervorming van de substraatbuis met een consequente vervorming van de kern en 10 de bekleding. Deze technische moeilijkheid kan overwonnen worden door gebruik te maken van een wetenschappelijke buisdiameterregeling en een drukregelstelsel.

Een theoretische eis voor het ontwerpen van een vezel met een monotrillingswijze wordt gegeven door de V-vaarde die 15 bepaald is door: v - ^v.a.NA λ

Voor de werkzame golflengte (λ) moet de kernstraal (a) en de numerieke apertuur (NA) zo gekozen worden dat de V-vaarde kleiner is dan 2,1*05 voor profielen met een getrapte index. Voor een parabolisch 20 profiel, V < 3,518; andere profielen zullen hun eenduidige maximale V-waarden hebben. Om de verliezen ten gevolge van de ingangskoppeling, de verbinding, en het buigen zo gering mogelijk te maken is het wenselijk om de kernafmeting en NA zo groot raogelijk te kiezen zonder inbreuk te doen op de eis voor de monotrillingswijze. Echter 25 zelfs wanneer de V-waarde enigszins groter is dan de afsnijvaarde geven hogere trillingswijzen gewoonlijk verliezen. Een dergelijke vezel met een quasi monotrillingswijze kan praktisch als een vezel met een monotrillingswijze werken voor een voldoende lange vezel-lengte.

30 Door gebruik te maken van een passende keuze van doopmiddelen en een nieuw vezelontverp kunnen vezels met een monotrillingswijze met lage kosten in het gebied van 1,3 ym golflengte vervaardigd worden, De gewijzigde chemische dampneerslagtechniek, die goed voldoet voor vervaardiging van vezels met een multitril-35 lingswijze kan gebruikt worden zonder enige speciale wijzigingen.

8003 1 05 *r· *- 3

Fosfor is in de siliciumdioxyde bekledingslaag opgenomen als een flux, waarbij de hoeveelheid gekozen wordt zodat deze aan twee eisen voldoet: de neerslagtemperatuur moet voldoende laag zijn om iedere vervorming van de substraatbuis te vermijden 5 en de brekingsindextoename moet voldoende klein zijn om de hoeveelheid licht die door de bekledingslaag gedragen wordt minimaal te maken en welke een brekingsindex heeft die enigszins groter is dan die van de substraat siliciumdioxydebuis. In een bepaald voorbeeld wordt een met germanium gedoopte silicitundioxyde kern neergeslagen 10 volgend op de met fosfor gedoopte siliciumdioxyde bekledingsneer-slag.

In zijn ruimste zin verschaft de uitvinding een vezel met een monotrillingswijze die een kern, een bekledingslaag en een mantellaag bevat. De bekledingslaag heeft een brekingsindex 15 welke een vooruitbepaalde waarde lager is dan die van de kern en een vooruitbepaalde waarde hoger dan die van de mantellaag.

De uitvinding zal aan de hand van de tekening worden toegelicht.

Fig. 1 en 2 zijn dwarsdoorsneden door conventio-20 nele vormen van vezels met muititrillingswijzen en met monotrillings-wijzen.

Fig. 3 en U zijn schematische voorstellingen van de brekingsindex van de twee bekende vormen van vezel met een monotrillingswijze en geven een voorstelling over een vezel evenwijdig 25 aan de lengteas van de vezel.

Fig. 5 is een schematische voorstelling van de brekingsindex over een vezel volgens de uitvinding.

Fig, 6 is een typische spectrale dempingskromme van een vezel volgens de uitvinding.

30 Fig, 7 is een schematische voorstelling van een vorm van een inrichting voor het maken van een halffabrikaat om in een vezel getrokken te worden.

Fig. 1 en 2 geven een vezel 10 voor multitril-lingswijzen aan en respectievelijk een vezel 11 voor monotrillings-35 wijze. De vezel 10 voor multitrillingswijze heeft een kern 12 en een 8003 1 05 u bekledingslaag 13. De bekleding kan typisch gesmolten silieiumdioxy-de zijn en de kern gedoopt gesmolten siliciumdioxyde met een brekingsindex die enigszins groter is dan die van de bekleding. Alternatief kan de kern gesmolten siliciumdioxyde zijn en de bekleding 5 gedoopt gesmolten siliciumdioxyde, gedoopt om een kleinere brekingsindex te hebben dan de kern. Typische afmetingen zijn 50 um voor de kerndiameter en 125 um voor de uitwendige diameter van de bekleding ofschoon deze afmetingen kunnen variëren.

De vezel 11 met monotrillingsvijze heeft een kern 10 1^, een bekledingslaag 15 en een mantel 16. Typische afmetingen voor de vezel 11 zijn bij benadering 10 um voor de diameter van de kern, 50-70 ym voor de uitwendige diameter van de bekleding en 125-150 um voor de uitwendige diameter van de mantel. Deze afmetingen kunnen enigszins variëren. Men zal zien dat de totale hoeveelheid neerge-15 slagen materiaal bij benadering dezelfde is voor zowel vezels met een monotrillingsvijze als voor vezels met een multitrillingsvijze, dat wil zeggen de kern 12 bij de vezel met de multitrillingsvijze en de kern 1U en de bekleding 15 bij de vezel met monotrillingsvijze.

Voor de vezel 11 met een monotrillingsvijze is 20 zoals reeds eerder werd vermeld met boron gedoopt siliciumdioxyde gebruikt voor de bekleding en zuiver siliciumdioxyde voor de kern, neergeslagen bijvoorbeeld in een zuivere siliciumdioxydebuis. De brekingsindex-profiel voor een dergelijke vezel is aangegeven in fig. 3. Een dergelijke vezel heeft een grote demping in het golf-25 lengtegebied van 1,3 um. Voor een kleine demping bij 1,3 um werd zuiver gesmolten siliciumdioxyde gebruikt voor de bekledingslaag.

De kern bestaat hetzij met germanium of met fosfor gedoopt siliciumdioxyde. Het brekingsindex-profiel voor deze laatstgenoemde vorm van vezel is aangegeven in fig. U.

30 De uitvinding verschaft een vezelvorm welke de grote dempingseigenschappen van met boron gedoopte siliciumdioxyde-bekleding (fig. 2 en 3) en ook de vervaardigingsproblemen vermijdt van zuiver gesmolten siliciumdioxyde bekleding (fig. 2 en U). De mantel, 16 in fig. 2, is van zuiver gesmolten siliciumdioxyde, bij-35 voorbeeld van een oorspronkelijk gesmolten siliciumdioxyde buis- 800 3 1 05 5 * substraat, en de bekleding bestaat uit gedoopt siliciumoxyde» waarbij fosfor gebruikt wordt als een doopmiddel en als smelttemperatuur reducerende flux of een toevoegmiddel en waarbij de kern ook uit gedoopt gesmolten siliciumoxyde bestaat en het kernmateriaal gedoopt 5 is met hetzij fosfor of germanium of met beide. Met fosfor doping zal het dopingsniveau hqger zijn in de kern dan in de bekleding. De resulterende vezel heeft een brekingsindex-profiel zoals in fig. 5·

Het kem/bekledingslicht vormt de monotrillingsvijze maar de bekleding kan ook werken als een effectieve multitrillingswij zekem die 10 gebruik maakt van de siliciumoxyde mantel als bekleding. Voor lange vezellengten (meer dan 1 km) echter worden bijna alle van de ver- lies-gevende trillingswijzen die reflecteren aan het tussenvlak en bekleding/mantel gedempt/blijft slechts monotrillingswijzelicht over. Ofschoon het muititrillingswijze bekledingslicht gedragen 15 wordt wanneer de vezel te kort is of wanneer de hoeveelheid fosfor in de bekleding te groot is kan dergelijk licht geëlimineerd worden door plaatselijk de siliciumdioxyde mantel te verwijderen en een bekledingstrillingswijze stripinrichting toe te passen. Deze techniek wordt gebruikt om de demping te meten van dit soort vezel met 20 een monotrillingsvijze.

Een typisch spectrale dempingskromme van een vezel volgens de uitvinding is aangegeven in fig. 6.

Pig. T geeft êén vorm van de inrichting weer voor het vervaardigen van halfprodukten voor trekken met vezels.

25 Siliciumtetrachloride wordt in vloeibare vorm in het reservoir 20 vastgehouden en fosforoxychloride in vloeibare vorm in het reservoir 21. Via de pijp 22 en de pijpen 23 en 2b wordt zuurstof aan de reservoirs 20 en 21 geleverd waarbij/zuurstof bellen vormt door de vloeistoffen in de reservoirs en daardoor damp uit iedere vloeistof 30 dragen. De zuurstof en de damp uit ieder reservoir loopt door de pijpen 25 en 26 naar een verzamelkamer 27. Er wordt ook zuurstof rechtstreeks geleverd vanaf de pijp 22 naar de verzamelkamer 27 via de pijp 28. Een regelklep 29 is in iedere pijp 23, 2b en 28 aangebracht. In de pijpen 25 en 26 is een besturingsinrichting 30 aange-35 bracht om de zuurstof/dampsamenstelling te besturen waarbij de 800 3 1 05 6 besturingsinrichtingen de klep 29 regelen om een vooraf ingestelde samenstelling te handhaven door het regelen van de stroming. Stro-mingsaanwijsinrichtingen 31 kunnen ook aangebracht zijn en een re-gelklep 32 is aangebracht in de zuurstofpijp 28.

5 Uit de verzamelkamer 27 loopt de gemengde damp en zuurstof via de pijp 33 naar een glazen buis 3^ van gesmolten siliciumoxyde. De buis 3^ wordt rondgedraaid en een vlam van een toorts of brander 35 wordt op en neer bewogen langs de buis waarbij de brander voorzien wordt van zuurstof en waterstof via respec-10 tievelijk de pijpen 36 en 37. De gassen en dampen ontleden wanneer de brander heen en weer loopt om een roetvormig of deeltjesvormig materiaal te vormen dat dan een resulterende neerslag geeft in het voorbeeld van siliciumdioxyde en fosfor op de binnenwand van de buis in de vorm van een roetneerslag dat gesmolten wordt op de binnenwand 15 in de vorm van een glasachtige film. Dit is een conventionele zogenaamde gemodificeerde chemische tandneerslagverkwijze.

Wanneer fosfor toegevoegd moet worden aan zowel het bekledings- als het kernmateriaal wordt na het nodige aantal voorbijgangen van de brander voor een neerslag en om de gewenste 20 dikte van een bekledingsmateriaal te vormen, de toevoer van fosfor vergroot waarbij een verdere voorbijgang van de brander uitgevoerd wordt om het kernmateriaal neer te slaan.

Wanneer het kernmateriaal een verschillend toevoegsel moet hebben zoals bijvoorbeeld germanium dan kan een verder 25 reservoir met een bijbehorende pijp-besturingsklep en controle-inrichting aangebracht worden zoals aangegeven met de gestreepte lijnen en met de respectievelijke verwij zings cijfers Uo, b‘\i U2, U3 en Om dan het kernmateriaal te vormen wordt de regelklep 29 van het fosforoxychloride-reservoir afgesloten en de regelklep voor 30 het germaniumtetrachloride-reservoir geopend.

Het is ook mogelijk om indien gewenst damp toe te voeren die zowel fosfor als germanium bevat, Ha neerslag van het kernmateriaal zakt de buis 3^ in elkaar tot een vast halffabrikaat door het vergroten van de temperatuur van de vlam van de brander 35 35 om de buis door oppervlaktespanning in elkaar te laten zakken. Het 800 3 1 05 7 vaste halffabrikaat kan dan gebruikt worden om tot een vezel getrokken te worden.

Een typisch voorbeeld voor het maken van een vezel is als volgt.

5 Stromingssnelheid van siliciumtetrachloride bij benadering 100 cm /min.; stromingssnelheid van fosforoxychlonde bij benadering 2 cc/min. (totaal inclusief dragergas ongeveer 600 cc/min.); aantal voorbijgangen ongeveer 25; temperatuur ongeveer 1500° C, Dit vormt een bekledingslaag. Dan een enkele voorbijgang 10 om het kernmateriaal neer te slaan wordt als volgt uitgevoerd; sili-ciumtetraehloride ongeveer 75 cc/min.; germaniumtetrachloride ongeveer 23 cc/min.; opnieuw bij ongeveer 1500° C. De buis wordt dan tot in elkaar zakken gebracht door verwarmen tot ongeveer 2100° C - waarbij de brander langzaam langs de buis bewogen wordt.

15 De bepaalde stromingssnelheden, de relatieve waarden van de samenstellende delen en de temperaturen zijn niet kritisch met betrekking tot de uitvinding en kunnen variëren op de manier als bij andere chemische dampneerslagen binnen een buis.

Andere doopmaterialen kunnen gebruikt worden als bij andere werk-20 wijzen.

Nadat de buis in elkaar gezakt is tot een staaf kan hij in een verdere buis geplaatst worden en kan de gecombineerde buis en de staaf getrokken worden om een vezel te leveren met gewenste kern en bekledingsdiameters. Dit is aangegeven in fig. 5 25 waarbij de gestreepte lijnen 50 de brekingsindex van de buis voorstellen. Alternatief kan het halffabrikaat naar beneden getrokken worden tot een vezel zonder het inbrengen in een verdere buis.

30 800 3 1 05

Claims (15)

1♦ Optische vezel met monotrillingswijze welke een kern bevat uit zuiver gesmolten silieiumdioxyde of gedoopt gesmolten silieiumdioxyde en een bekledingslaag op de kern, waarbij 5 de bekledingslaag uit gedoopt gesmolten silieiumdioxyde of zuiver gesmolten silieiumdioxyde bestaat en de relatieve doping van de kern en de bekledingslaag zo is dat de brekingsindex van de bekledingslaag een vooruitbepaalde waarde kleiner is dan de brekingsindex van de kern, met het kenmerk, dat er een mantellaag is aange-10 bracht welke een brekingsindex heeft die een vooruitbepaalde waarde kleiner is dan die van de bekledingslaag.

2. Vezel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat er een verdere laag is op de mantellaag.

3. Vezel volgens conclusie 2, met het kenmerk, 15 dat de verdere laag dezelfde brekingsindex heeft als de mantellaag. U. Vezel volgens één van de conclusies 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de mantellaag bestaat uit zuiver gesmolten silieiumdioxyde waarbij de bekledingslaag bestaat uit gedoopt gesmolten silieiumdioxyde en de kern bestaat uit gedoopt gesmolten 20 silieiumdioxyde.

5. Vezel volgens conclusie U, met het kenmerk, dat de bekledingslaag gedoopt is met fosfor.

6. Vezel volgens conclusie k. met het kenmerk, dat de kern gedoopt is met fosfor.

7. Vezel volgens conclusie U, met het kenmerk. dat de kern gedoopt is met germanium,

8. Vezel volgens conclusie L-, met het kenmerk, dat de kern een uitwendige diameter van bij benadering 10 ym en de bekledingslaag een uitwendige diameter heeft tussen ongeveer 50 urn 30 en ongeveer 70 pm.

9. Vezel volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de mantellaag een buitenlaag heeft van tussen ongeveer 125 y® en ongeveer 150 ym,

10. Werkwijze voor het vervaardigen van een vezel 35 met monotrillingswijze waarbij (i) een gesmolten siliciumdioxydebuis 800 3 1 05 bevestigd wordt voor rotatie om zijn as, (ii) een mengsel van zuurstof, siliciumtetrachloridedamp en een damp die fosfor bevat door de buis heengevoerd wordt, (iii) de buis rondgedraaid wordt en een verwarmingsorgaan langs de buis gevoerd wordt om een plaatselijk-5 verwarmd gebied te vormen in de buis om de zuurstof en de dampen te ontleden en waarbij silicium geoxydeerd wordt door de zuurstof en de fosfor combineert met het geoxydeerde silicium in het verwarmde gebied om een deeltjesmateriaal te vormen, het materiaal dan neergeslagen wordt op de binnenwand van de buis, de rest van de zuurstof 10 en dampen uit de buis stromen, (iv) de neerslag op de binnenwand gesmolten wordt om een glasachtige film te vormen van gesmolten siliciumdioxyde met fosfor als doopmiddel, (v) het voortzetten van de stappen (iii) en (iv) gedurende een vooruit bepaald aantal malen, met het kenmerk, dat (vi) een mengsel van zuurstof, siliciumtetra-15 chloridedamp en een damp die tenminste één fosfor en germanium bevat door de buis gevoerd wordt, (vii) het verwarmingsorgaan langs de buis loopt terwijl deze draait om een plaatselijk verwarmd gebied te vormen in de buis om de zuurstof en de dampen te ontleden waarbij silicium geoxydeerd wordt door de zuurstof en tenminste 20 fosfor of germanium combineert met het geoxydeerde silicium en het verwarmde gebied om een deeltjesmateriaal te vormen waarbij het materiaal dan neergeslagen wordt op de binnenwand op de gesmolten neerslag, de rest van de zuurstof en dampen uit de buis stromen, (viiiL de neerslag gesmolten wordt om een verdere glasachtige film 25 te vormen uit gesmolten siliciumdioxyde gedoopt met tenminste fosfor of germanium.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de verwarming van de buis vergroot wordt om de buis in elkaar te doen zakken tot een vaste staaf waarbij de vaste staaf in 30 een nauw passende glazen buis geduwd wordt.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de buis en de staaf tot een vezel getrokken worden.

13. Werkwijze volgens conclusie 10, ' met het kenmerk, dat de stappen (vii) en (viii) slechts éénmaal 35 uitgevoerd worden. 8003 1 05 11+. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de stappen (iii) en (iv) voortgezet worden gedurende ongeveer 25 'voorbij gangen.

15. Werkwijze volgens conclusie 10, met het ken-5 merk, dat zowel de fosfor als het germanium combineren met het ge- oxydeerde silicium.

16. Optische vezel in hoofdzaak zoals beschreven in de beschrijving en/of weergegeven in de tekening.

17. Werkwijze voor het vervaardigen van een 10 optische vezel in hoofdzaak zoals beschreven in de beschrijving en/of weergegeven in de tekening. 15 800 3 1 05