NO830554L

NO830554L - Optisk fiber og fremgangsmaate for fremstilling av denne

Info

Publication number: NO830554L
Application number: NO830554A
Authority: NO
Inventors: David Neil Payne; Robert James Mansfield; Jens Jorn Ramskov-Hansen; Maxwell Richard Hadley; Arthur John Barlow
Original assignee: Central Electr Generat Board
Priority date: 1981-07-07
Filing date: 1983-02-17
Publication date: 1983-02-17
Also published as: EP0083349A1; DK108883A; GB2101762A; WO1983000232A1; GB2101762B; DK108883D0

Description

Denne oppfinnelse angår optiske fibre og fremstilling av slike fibre.

Optiske fibre finner spesiell anvendelse for datatransmisjon og også som sensorer. Foreliggende oppfinnelse ved-rører fibre for begge disse anvendelser.

Betraktes først fibre for bruk som sensorer, er virkemåten av slike innretninger basert på modifikasjon av de optiske bølgeleder-parametre ved hjelp av eksterne midler, så som trykk eller strekk eller eksterne felter så som magnetiske, elektriske eller akustiske felter. Enkeltmodus-fibre er av spesiell inte-resse for dette formål da de ideelt sett har en enkelt velde-finert fasehastighet og følgelig polarisasjonstilstand. Det blir derfor mulig å observere små variasjoner i polarisasjonen. Teoretisk sett ville en sirkulærsymmetrisk,spenningsfri,rett fiber være egnet, men i praksis er fibrene i en viss grad elliptiske, hvilket blir ledsaget av en tilhørende spennings-asymmetri. Fiberen underholder da to innbyrdes vinkelrette, polariserte modi med ulike fasehastigheter. Følgelig synes fiberen å være dobbeltbrytende og utgangs-polarisasjonstilstanden vil variere periodisk langs fiberens lengde med en periode som er avhengig av differansen i forplantnings-konstantene for de to modi. Den lengde som omfattes av en periode, er kjent som polarisasjons-beatlengden. Det er videre generelt funnet at utgangs-polarisasjonstilstanden ikke er stabil med tiden, som følge av termiske effekter og modus-koblingseffekter som modifiserer forskjellen i forplantnings-konstanter og effektfordelingen mellom de forekommende modi. Den dobbeltbrytning som bevirkes av kjernens elliptisitet,

er kjent som form-dobbeltbrytning, og den dobbeltbrytning som skyldes den tilhørende spennings-asymmetri er kjent som spennings-dobbeltbrytning.

Det har vært foreslått å frembringe en mer stabil lineært polarisert utgang ved bare å eksitere en polarisert modus i en fiber med meget høy dobbeltbrytning, og en slik fiber er blitt betegnet som "polarisasjons-opprettholdende" fiber.

For en strømtransduser basert på Faraday-effekten hvor fiberen er påvirkbar av et eksternt magnetfelt, er imidlertid en slik løsning uegnet fordi tilstedeværelse av lineær dobbeltbrytning i fiberen undertrykker den lille Faraday-rotasjon når fiber lengden overskrider halvparten av polarisasjons-beatlengden. Følgelig er interaksjonslengden mellom fiberen og det magnetiske felt og dermed følsomheten, meget liten for en "polarisasjons-opprettholdende" fiber med sin beatlengde på under 1 mm. Det foretrekkes derfor å bruke en fiber med lav dobbeltbrytning for en strømtransduser basert på Faraday-effekten, da polarisasjons-beatlengden kan være flere titall meter. Den sistnevnte type sensor kan således vikles omkring en stor strømførende leder for å danne et amperemeter.

I kommunikasjonssystemer kan nærvær av to ikke-degenererende innbyrdes vinkelrett polariserte fibermodi likeledes være en ulempe. Nærvær av to modi i fiberen kan føre til en reduksjon i båndbredde som følge av en forskjell i deres respektive grup-peforsinkelser (polarisasjonsmodus-dispersjon). Denne dispersjon er spesielt betydelig i lange forbindelser, f.eks. på

100 km eller mer, hvilket for tiden er påtenkt for visse formål.

Det har tidligere vært vurdert anvendelse av fibre som

er tvunnet. Det kan vises at den iboende lineære fiber-dobbeltbrytning blir betydelig redusert når en fiber blir sterkt tvunnet (når den lokale dobbeltbrytning blir utjevnet langs lengden av fiberen). Imidlertid vil tvinning av en fiber efter at den er blitt trukket, innføre torsjonsspenninger som resulterer i introduksjon av en vesentlig sirkulær dobbeltbrytning på grunn av den fotoelastiske effekt. En optisk fiber kan betraktes som en stabel av dobbeltbrytende plater. Hvis fiberen tvinnes, blir hovedaksene for disse plater dreiet

i forhold til hverandre. Ved en slik analyse er det imidlertid nødvendig å innbefatte en fotoelastisk effekt for å ta hensyn til torsjonsspenningen og indusert sirkulær dobbeltbrytning som fremkommer i en fiber som er tvunnet efter trekking. Ved bruk av denne analysemetode må således fiberen ansees å omfatte et antall dobbeltbrytende plater med sine hovedakser gradvis dreiet i forhold til hverandre, men som har mellomliggende optiske rotasjonselementer for å simulere den fotoelastiske effekt. En analyse av denne art viser at utgangs-polarisasjonstilstanden for en slik tvunnet fiber, ved en lineært polarisert inngang, ved bevegelse langs fiberen vil svinge mellom høyre og venstre elliptisk polarisasjon med en samtidig roterende

asimut. Forutsatt at tvinningen er stor i forhold til den iboende lineære dobbeltbrytning i fiberen, vil denne siste tilsynelatende bli undertrykket, hvilket bare efterlater den tvinningsinduserte, sirkulære dobbeltbrytning. I dette tilfelle vil den iboende lineære dobbeltbrytning ikke innvirke på følsomheten av fiberen når denne brukes som strømsensor. Selv om det er blitt demonstrert en Faraday-strømsensor

basert på tvunnet fiber, er tvinning av fiberen efter trekking ubekvemt og vanskelig når det kreves en sterk tvinning og fører til gjenværende fotoelastisk rotasjon som er tempera-turavhengig.

I en fiber anvendt for kommunikasjonsformål kan det vises at tvinning reduserer polarisasjonsmodus-dispersjonen som bevirkes av den iboende lineære dobbeltbrytning. Dette blir imidlertid maskert ved innføringen av ytterligere pulsdisper-sjon som skyldes at den fotoelastiske koeffisient er avhengig av bølgelengden. Tvinning av fiberen reduserer således den båndbredde-begrensning som skyldes én effekt, men erstatter dette med en annen.

Ifølge én side ved foreliggende oppfinnelse blir en optisk fiber tildannet av et i det vesentlige torsjonsfritt materiale med en tvinningsgrad pr. lengdeenhet som er større enn den iboende dobbeltbrytning. Tvinningsgraden pr. lengdeenhet er fortrinnsvis i det minste ti ganger den iboende dobbeltbrytning.

Betraktet fra en annen side omfatter en fremgangsmåte for fremstilling av en optisk fiber, trekking av fiberen fra et oppvarmet emne mens det foretas kontinuerlig relativ rotasjon mellom emnet og den trukne fiber. Trekking av fiberen fra et oppvarmet emne gjør det mulig å utføre tvinningen mens fiber-materialet holdes i det vesentlige spenningsfritt. En slik fiber skal i det følgende betegnes som en "spunnet" fiber til forskjell fra en tvunnet fiber, som - slik det er forklart tidligere - har sirkulær dobbeltbrytning som følge av torsjonsspenning, mens en spunnet fiber ifølge foreliggende oppfinnelse har liten eller ingen torsjonsspenning og følgelig sirkulær dobbeltbrytning.

Det er viktig å skjelne mellom torsjonsspenninger (som medfører sirkulær dobbeltbrytning) og iboende spenninger. De siste er generelt alltid å finne i fiberen som følge av mis- tilpasning mellom ekspansjonskoeffisientene for substratet av silisiumoksyd og belegningsmaterialet. Hvis denne spen-ning er asymmetrisk (som i en svakt elliptisk fiber), vil den avstedkomme lineær dobbeltbrytning. Som det nå skal vises kan den spenningsinduserte, lineære dobbeltbrytning jevnes ut ved hjelp av spinning, akkurat som form-dobbeltbrytningen kan.

Som tidligere forklart er optiske fibre i praksis ikke nøyaktig sirkulære, men har et elliptisk tverrsnitt. Hvis fiberen blir spunnet under trekkingen, vil asimut for det asymmetriske tverrsnitt dreie seg langs fiberlengden. Fiberen kan ansees å bestå av individuelle, lokale seksjoner med vekslende dobbeltbrytningsverdier. Selv om hver seksjon har en forholdsvis høy lokal dobbeltbrytning, blir dennes effekt kompensert for av den neste roterte,dobbeltbrytende seksjon.

På grunn av fravær av torsjonsspenning i en spunnet fiber

til forskjell fra en tvunnet fiber, kan man betrakte den optiske virkning som en rekke dobbeltbrytende seksjoner uten mellomliggende rotasjonsseksjoner. Den totale effekt av en fiber fremstilt på denne måte er at det blir en tilsynelatende dobbeltbrytning som langs lengden av fiberen svinger mellom en liten positiv og en liten negativ verdi.

Hvis tvinningsgraden (som bekvemt kan måles i radianer

pr. meter) er stor sammenlignet med den iboende form- og spennings-dobbeltbrytning (som også kan måles i radianer pr. meter), blir størrelsen av svingningen neglisjerbart liten. Følgelig vil spinningen av emnet under trekking i høy grad redusere bidraget til dobbeltbrytning som følge av form- og spennings-asymmetri. På tilsvarende måte blir tidsforsinkelsen mellom de innbyrdes vinkelrette modi som forårsakes av polari-sas jonsmodus-dispers jon i en konvensjonell ikke-spunnet fiber, redusert i en spunnet fiber til en meget lavere verdi, idet reduksjonen skjer med en faktor som avhenger av spinningsgraden.

Fortrinnsvis blir emnet spunnet eller dreiet når fiberen trekkes. Spinningen skjer fortrinnsvis med en hastighet som gir et konstant antall omdreininger pr. lengdeenhet. Det er hensiktsmessig å trekke fiberen med i det vesentlige konstant hastighet og å dreie emnet med i det vesentlige konstant hastighet. Det er imidlertid kjent ved fremstilling av optiske fibre å styre trekkehastigheten for å opprettholde en konstant fiberdiameter. Ved en slik teknikk kan spinningsgraden reguleres i overensstemmelse med trekkehastigheten for å opprettholde en konstant tvinningsstigning.

Det er imidlertid ikke nødvendig at spinningsgraden er konstant for å oppnå det ønskede resultat. Den kan til og med ha motsatt retning, dvs. med periodisk reversering eller til-feldig reversering, slik at man svinger fra en høyrehånds-til en venstrehåndstvinning. Forutsatt at tvinningsgraden i gjennomsnitt er større enn dobbeltbrytningen, vil slik tvinning redusere dobbeltbrytningen.

Emnet kan fremstilles på hvilken som helst kjent måte, f.eks. ved kjemisk pådampning av passende dopede silisiumoksyd-materialer inne i et rørformet substrat av silisiumoksyd. Først kan et belegningsmateriale, f.eks. silisiumoksyd dopet med B20.j, avsettes og efterfulgt av en kjemisk pådampning av et kjernemateriale, f.eks. silisiumoksyd eller silisiumoksyd dopet ulikt i forhold til kjernematerialet, f.

eks. dopet med germaniumoksyd (GeC^)•

Slike teknikker for fremstilling av et emne er i og for seg kjent og det er kjent å fremstille en optisk fiber ved å trekke denne fra et slikt emne. For å fremstille en spunnet fiber ifølge foreliggende oppfinnelse kan emnet roteres under trekkeprosessen. Rotasjonshastigheten avhenger av den nød-vendige spinningsgrad og av trekkehastigheten. Rotasjonshas-tigheter på opptil 2000 omdreininger pr. minutt er i praksis lett blitt oppnådd ved anvendelse av en takometer-hastighets-regulert likestrømmotor med et nøyaktig sentrert, rett emne. Ved en typisk trekkehastighét på 0,5 m pr. sekund, kreves det en spinningshastighet på mellom 300 og 1500 omdreininger pr. minutt for å få spinningsstigninger på 10 cm til 2 cm . Meget kortere spinningsstigninger, f.eks. 2 mm, kan lett bli oppnådd ved reduserte trekkehastigheter. En spunnet fiber som er frembragt på denne måte, kan belegges på kjent måte med et silikongummibelegg eller et annet beskyttende materiale.

I den følgende beskrivelse skal det henvises til tegningene, hvor: Figur 1 skjematisk viser en teknikk for fremstilling av en optisk fiber, og Figur 2 er et diagram som viser forholdet mellom dobbelt brytning og bølgelengde for to forskjellige fibre, hvorav den ene er fremstilt i henhold til foreliggende oppfinnelse. Et emne som en optisk fiber kan trekkes fra, blir på kjent måte laget ved kjemisk pådampning av et belegg av dopet silisiumoksyd, f.eks. silisiumoksyd dopet med ^O^, i et rør av rent silisiumoksyd, efterfulgt av avsetning av en kjerne, f.eks. av silisiumoksyd dopet med germaniumoksyd, innenfor belegget. En slik teknikk er f.eks. beskrevet i en publikasjon av Norman, Payne, Adams og Smith på sidene 3 09 til 311 i Electronics Letters av 24.mai 1979, vol. 15, Nr. 11. Dette emne er vist ved 10 på Figur 1 og er festet til akselen på en likestrømmotor 11 med takometer-hastighetskontroll, for rotasjon om sin akse. Emnet kan ved sin nedre ende være sentrert ved hjelp av en styring, f.eks. en fjærbelastet membran 12 som er montert på en øvre åpning i en trekkeovn 13 med vertikal akse. Fiberen blir trukket fra den nedre ende av emnet på kjent måte. Efter at trekkingen av fiberen er påbegynt, blir motoren kjørt opp til den ønskede hastighet. En typisk trekke-hastighet på 0,5 m/sek. krever en spinningshastighet på mellom 300 og 1500 o/min. for å få spinningsstigninger på 10 cm til 2 cm. Fiberen blir trukket nedad som angitt skjematisk ved 15. Diameteren av den trukne fiber blir målt ved hjelp av en måleanordning 16 og trekkehastigheten reguleres automatisk ved hjelp av en kontrollanordning 17 i overensstemmelse med den målte diameter for å opprettholde en konstant diameter. Motoren 11 blir også kontrollert i avhengighet av trekkehastigheten slik at det blir oppnådd en konstant tvinningsstigning til tross for mulige små variasjoner i trekkehastigheten be-virket av den automatiske diameterkontroll.

Den trukne fiber kan belegges med et silikongummi-belegg ved bruk av kjente teknikker som angitt ved 18. Det er funnet at belegningsprosessen og diametermålingen samt kontrollsystemet ikke blir svært meget påvirket av rotasjonen av emnet.

I den ovenfor beskrevne utførelse blir emnet fremstilt ved kjemisk pådampning. Det kan imidlertid også lages ved hjelp av et antall andre kjente teknikker, f.eks. VAD ( aksiell pådampning), OVPO (utvendig dampfase-oksydasjon), stav og rør, lagvis smelte og oppadtrekking, ionebytting og Phasil-prosessen. En spesielt hensiktsmessig teknikk er fremstillings- metoden med dobbelte konsentriske digler, hvor en indre digel inneholder kjerneglasset og en ytre konsentrisk digel inneholder belegningsglasset, idet fiberen trekkes ut gjennom et felles utløp ved bunnen av diglene. I dette tilfelle kan den dobbelte digelenhet roteres, men det foretrekkes å rotere trek-keenheten.

Virkningen av spinningen på dobbeltbrytnings-egenskapene for et antall fibre er illustrert i tabellen nedenfor. I den første kolonne av denne tabell er en rekke forskjellige fibre angitt med et fibernummer med tilhørende angivelse av den bølgelengde som målingen ble foretatt ved. Målinger av retardasjon og av rotasjon er gitt for fire prøver på spunnet fiber. For tre av disse fibre er det også angitt målinger for fiberen

i ikke-spunnet tilstand. For fiber 319 er resultatene gitt for to bølgelengder.

Det vil sees at for de fibre som er spunnet, er det blitt oppnådd en reduksjon i lineær retardasjon sammenlignet med de fibre som ikke er spunnet, som nærmer seg to størrelsesordener. Dobbeltbrytning og sirkulær rotasjon ble målt ved anvendelse

av kryssede polarisatorer og en Soleil-kompensator, med fiberen opphengt vertikalt for å redusere virkningene av eksterne spenninger. Spinning eller rotasjon av emnet er funnet å gi en entydig reduksjon av dobbeltbrytningen til et nivå ved eller under målingsgrensen og å ikke medføre sirkulær dobbeltbrytning .

Virkningen av fiberspinning på polarisasjonsmodus-dispersjonen ble målt ved å bestemme variasjonen av fiberens polari-sas jonsegenskaper med bølgelengde. Raman-generering i en enkeltmodusfiber pumpet med en Q-svitsjet Nd:YAG-låser ble anvendt som en kilde med avstembar bølgelengde, og dobbeltbrytningen AS og rotasjonen av testfiberen ble målt som ovenfor.

Et typisk resultat er vist på Figur 2 (den øvre kurve) for

en ikke-spunnet fiber. Polarisasjonsmodus-dispersjonen

z d (A 8)

At = — —\, blir estimert ved å tilpasse en kurve til

c dk

datapunktene og ved å ta den deriverte med hensyn på bølge-lengden .

I tLlfelletmed spunnet fiber var dobbeltbrytningen og rotasjonen nær deteksjonsgrensene og følgelig er det bare vist to punkter i den nedre kurve på Figur 2.

Den iboende polarisasjonsmodus-dispersjon ved en bølge-lengde på 1,2 ym ble beregnet å være 4,6 ps/km for den ikke-spunne fiber og mindre enn 0,02 ps/km for den spunne fiber, hvilket illustrerer den store reduksjon som er mulig med spinningsteknikken.

Analyse har vist at fibre som er spunnet, er like følsom-me som konvensjonelle fibre med lav dobbeltbrytning, med hensyn til Faraday-effekten og ventes videre ikke å ha nevnever-dig polarisasjonsvariasjon med temperatur. Fibre med lav dobbeltbrytning er vanskelige å produsere på reproduserbar måte og spinningsfiberteknikken utgjør et enkelt alternativ som gjør det mulig å oppnå reproduserbare fibre som er egnet for anvendelse i en strømtransduser basert på Faraday-effekten. I fibre for datatransmisjon sikrer spinningen at den gjenværende polarisasjonsmodus-dispersjon blir redusert til en neglisjerbar verdi og følgelig er slike fibre attraktive for lange forbindelser uten forsterkere.

Claims

1. Optisk fiber, karakterisert ved at den omfatter i det vesentlige torsjonsfritt materiale med en tvinningsgrad pr. lengdeenhet som er større enn den iboende dobbeltbrytning.

2. Optisk fiber ifølge krav 1, karakterisert ved at tvinningsgraden pr. lengdeenhet er i det minste ti ganger den iboende dobbeltbrytning.

3. Fremgangsmåte for fremstilling av en optisk fiber, omfat-tende trekking av fiberen fra et oppvarmet emne, karakterise r:t ved at det utføres en kontinuerlig relativ rotasjon mellom emnet og den trukne fiber.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at rotasjonshastigheten er slik at tvinningsgraden pr. lengdeenhet av den trukne fiber er større enn den iboende dobbeltbrytning.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at rotasjonshastigheten er slik at tvinningsgraden pr. lengdeenhet er i det minste ti ganger den iboende dobbeltbrytning.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3, 4 eller 5, karakterisert ved at den relative rotasjon blir utført ved rotasjon av emnet mens fiberen trekkes.

7. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 3 til 6, karakterisert ved at spinningen skjer med en hastighet som gir et konstant omdreiningsantall pr. lengdeenhet .

8. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 3 til 7, karakterisert ved at fiberen trekkes med i det vesentlige konstant hastighet og emnet roteres med i det vesentlige konstant hastighet.

9. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 3 til 7, karakterisert ved at trekkehastigheten reguleres for å opprettholde konstant fiberdiameter, og at spin-ningshastigheten reguleres i overensstemmelse med trekkehastigheten .

10. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 3 til 9, karakterisert ved at emnet fremstilles ved kjemisk pådampning av glassmaterialer inne i et rørformet sub strat av silisiumoksyd.

11. Optisk fiber fremstilt ved hjelp av fremgangsmåten ifølge et av kravene 3 til 10.