SE443241B - Optisk vagledare med en kerna med radiellt varierande brytningsprofil samt forfarande for dess framstellning - Google Patents

Description

7901822-2 10 15 20 25 30 35 2 maste moden att tillryggalägga ett givet avstånd i längd- riktningen, är mycket stor.

Optiska vâgledare med kärnor, som har i radiell riktning varierande indexprofiler, har framtagits, och des- sa har betydligt mindre pulsdispersion, som beror på skill- nader i modernas grupphastighet. Denna dispersionsreducer- ande effekt, som har diskuterats i publikationen av .

D. Gloge et al, med titeln " Multimode Theory of Graded- Core Fibers," publicerades i november 1973 i the Bell Sys- tem Technical Journal, sid. 1563-1578, utnyttjar en radi- ellt varierande, kontinuerlig indexprofil med ett maxi- malt värde i kärnans centrum till ett lägre värde vid gränsytan mellan kärnan och höljet. Indexfördelningen i denna typ av vâgledare ges av ekvationen ]1/2 n(r) = ncïl - 2A(r/a)a för r í a där nc är brytningsindexet i kärnans centrum, no är bryt- ningsindexet för fiberkärnan vid radien a (nä - noz)/2nâ och a är kärnans radie.

I början var det tänkt, att den paraboliska pro- filen, i vilken a är lika med 2, skulle ge en indexgradi- 5: ent, som skulle minimera den av skillnader i grupphastig- heter åstadkomna dispersionen för de olika moderna.

I den angivna publikationen av Gloge et al be- skrivs en vidareutveckling, i vilken en minskning av pulsdispersionen säges erhållas, om a är lika med 2 - 2A i stället för lika med 2. Emellertid försummar teorin, som avser indexgradienter, i vilka a är lika med 2 eller 2 - 2A, av skillnader mellan dispersionsegenskaperna i kärnmaterialet och höljesmaterialet införda effekter.

,I den amerikanska patentskriften 3 904 268 be- skrivs en optisk gradientindexvågledare, i vilken de dispergerande egenskaperna i kärnan och höljet är redu- cerade. I denna patentskrift anges att den optiska gradi- entindexvågledaren med minimala fördröjningsskillnader mellan moderna har en indexprofil, som ges av sambandet 10 15 20 25 30 35 7901822-2 3 n2(r) = nä El-2A(r/a)a lr í a vari A u=2_ znc And /dA0_ llw N A 5 c nc är brytningsindexet i kärnans centrum, no är kärnans brytningsindex vid r = a,A= (nå-nå)/Znâ och NC = nc-Åødnc/dlo.

Det i den amerikanska patentskriften 3 90H 258 beskrivna gäller oberoende av den använda glassammansätt- ningen, förutsatt att kärnans brytningsindex följer det angivna sambandet över det spektrala intervallet, över vilket källan arbetar. Den i patentskriften angivna tek- niken är tillämpbar på alla glasbildande föreningar med* två eller många komponenter.

Artikeln "Profile Synthesis in Multicomponent Glass Optical Fibers" av Kaminow och Presby, Applied Optics,16 januari 1977, och den amerikanska patentskrif- ten 4 025 156, Gloge och Presby, visar att vid rätt val av glaskomposition optiska vâgledare kan framställas, i vilka dispersionen är minimerad över ett intervall av våglängder eller vid två e1ler~fleradistinkta våglängder.

Den amerikanska patentksríften H 033 667, Fleming, är besläktad med läran av Kaminow, Presby och Gloge genom att den beskriver hur en speciell sammansättning kan ha en likformig indexprofil över ett intervall av våglängder.

Av exemplen i den angivna artikeln av Kaminow och Presby, den amerikanska patentskriften U 025 156 och H 033 667, framgår det klart, att deras uppfinningar en- dast är tillämpbar på vissa begränsade kompositioner.

Av fig. 1 i P2O5-halten vid r = Ge02-halten vid r=a för att man över ett större våglängds- intervall skall erhålla reducerad pulsdispersion. Även om artikeln av Kaminow-Presby framgår att o måste vara 11,5 gånger större än denna komposition är gynnsam med avseende på dispersion, är den ogynnsam med avseende på viskositet, termisk utvidg- ning, kemisk varaktighet och numerisk apertur. 7901822-2 10 15 20 25 35 40 U Samma begränsningar på kompositionen finns i läran av Gloge och Presby. I sitt exempel finner de att halten GeOz vid vid r=a. ligt att per,t.ex. stor numerisk apertur, god termisk utvidgning och r=o måste vara åtta gånger mindre än halten BQOS Denna begränsning på kompositionen gör det omöj- utforma en optisk fiber med andra viktiga egenska- viskositetsanpassning, över fiberns diameter.

Pulsdispersionens våglängdsberoende i optiska vâgledare är en viktig punkt. En vågledare, som ger låg pulsdispersion vid flera olika våglängder eller över ett intervall av våglängder, är överlägsen en, som ger låg dispersion vid eller nära en ända våglängd. I den i den amerikanska patentskriften 3 904 268 beskrivna uppfinningen i allmänhet har vågledaren minimal dispersion vid eller' nära en ända våglängd. Genom val av vâgledarens profil- form enligt den amerikanska patentskriften 3 904 268 kan minimal dispersion erhållas vid vilken som helst vald enda våglängd. Emellertid är, såsom framgår av fig. 4 i denna ansökan, dispersionen betydligt större vid andra våg- längder.

Med avseende på det föregående undviker man med föreliggande uppfinning de allvarliga begränsningar på kompostionen, vilka begränsningar är nödvändiga för den praktiska tillämpningen av uppfinningen av Globe och Presby. Den utgör även en förbättring i förhållande till den amerikanska patentskriften 3 QÛU 268 därigenom, att man tillhandahåller en optisk gradientvågledare med låg dispersion över ett intervall av våglängder eller vid tvâ eller flera olika våglängder, vilken vågledare kan framställas av ett stort antal böjliga kompositioner.

Enligt uppfinningen tillhandahållas en optisk vågledare med en kärna med en i radiell riktning varierande bryt- ningsindexprofil och ett kärnan omgivande hölje, vilken vägledare kännetecknas av att den innefattar minst tre glasbildande föreningar och att brytningsindexprofilen vari- erar som funktion av radienI*väsentligen som 10 15 20 25 30 35 7901822-2 5 2 2 N a n (P) = n 1 - Z 2A.(r/a) i c _ 1 (i=1) _ vari N22 är antalet indexprofiltermer av a-typ, nc är brytningsindexet vid r=o, no är brytningsindexet vid r=a - ng)/2n2 o c a och Ai och ai är värden, som ger reducerad pulsdispersion.

Värdena di ges företrädesvis av Znc dA- ...N, Användbarheten av föreliggande uppfinning framgår omedelbart när man betraktar det faktum, att det är mycket dyrt att installera kommunikationskablar. Kostnaden för optiska vâgledare är rätt liten i förhållande till denna installationskostnad.De installerade kablarna kan vara våg- ledare enligt teknikens ståndpunkt, vilka vågledare har' minimal pulsdispersion vid våglängden av källorna, som an- vändes för närvarande, typiskt cirka 0,85 um. I framtiden kan andra källor utvecklas, vilka är effektivare vid andra våglängder. Det skulle vara mycket önskvärt att använda vâgledare av den i det följande beskrivna typen i nu in- stallerade kablar, som kan arbeta över ett intervall av våglängder eller vid tvâ eller flera olika våglängder med låg dispersion. Pâ detta sätt undviker man framtida in- stallationskostnader för kablar med vågledare, som kan ar- beta vid en annan våglängd.

Andra egenskaper,fördelar och syften med föreligg- ande uppfinning framgår bättre av den följande beskrivning- en tillsammans med ritningarna. 7901822-2 10 15 20 25 30 35 6 Pig. 1 visar ett fragment av föreliggande vågledare; Pig. 2 visar dess användning i ett optiskt kommu- nikationssystem; Fig. 3 visar ett sätt att framställa vägledaren; Pig. 4 visar kurvan C1,som visar pulsdispersionen som funktion av våglängden för en konventionell brytnings- indexprofil, och kurvan C2, som visar den förbättrade puls- dispersionen som funktion av våglängden för en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning; Pig. 5 visar kurvan A0, som visar hur det optimala a-värdet ändras som funktion av A för den enkla a-profilen; kurvor A1 och A2 visar a1(l) och a2(A) för en föredragen utföringsform av uppfinningen; både A1 och A2 har lutningen 0 vid 0,85 um; \ Pig. 6 visar kurvorna B1 och G1, som visar B2O3- och GeO2-koncentrationsprofiler för den enkla a-profilen, utformad för minimal dispersion vid 0,85 um; kurvor B2 och G2 visar B2O§ och GeOí-koncentrationsprofilerna för en före- dragen utföringsform av den dubbla a-profilen, konstruerad för dai/dl = 0 vid 0,85 pm; och fig. 7 visar kurvan C3, som visar pulsdispersion som funktion av våglängden för en föredragen utförings- form enligt uppfinningen.Làg pulsdispersion uppnås vid två separata våglängder.

En vågledare 11 har en kärna 12 och ett hölje 13.

Brytningsindexet för höljet 13 är mindre än det för kärnan 12. Kärnan 12 har en brytningsindexgradient, som varierar från nc i kärnans centrum till no vid radien a. Enligt föreliggande uppfinning bildas gradienten av minst två indexprofiltermer, som minimerar pulsdispersion över ett intervall av våglängder eller vid valda våglängder.

Denna vågledare är insatt i ett optiskt kommunika- tionssystem, visat i fig. 2, i vilket en sändare 14 inne- fattar en källa, som alstrar ljuspulser med en medelvåg- längd Å. En mottagare vid vågledarens utsträckände tar emot ljus.från vågledaren 11 reagerar för detta ljus. Det är önskvärt att minimera pulsdispersionen mellan sändaren 10 15 20 25 30 7901822-2 7 14 och mottagaren 15. Dessutom är det önskvärt att mini- mera dispersionen över ett intervall av våglängder eller vid olika våglängder.

Enligt föreliggande uppfinning framställs kärnan 11 av ett flerkomponentglas, t.ex. germaniumoxidsilikat- och borsilikatglas. Var och en av dessa binära föreningar har en koncentration, som varierar radiellt enligt en dif- ferent koncentrationsprofil.

Med användning av dessa föreningar som exempel betecknar nc hrytningsindexetför germaniumoxidsilikat- glaset vid r=o och no betecknar brytningsindexet för bor- silikatglaset vid r=a.

Enligt föreliggande uppfinning är pulsdispersionen i vågledare, som är framställda av ett sådant flerkompow nentglas, minimerad om brytningsindexet för kärnan vari- erar som funktion det radiella avståndet från centrum av kärnan enligt: när) = , N u- (1) n: [1-2 mi (r/a) l i=1 vari ai är indexprofiler, som ges av: zn cmf <2) a =2- -fš-Å--i- -l-z-A 1=1...NvariN>2 1 NC Ai dk 5 - och N = n - Ådn /dk. c c N Ai= (ncz - nøz) /2nc2 och A = Z Ai. i=1 Värden på ne, dnc/dk, noQAi och dAi/dk, som er- fordras för framställning av en vågledare med de önskade indexprofilerna, kan erhållas att man utför en Sellmeier- anpassning på brytningsindexmätningar vid olika våglängder för glaskompositioner, som används för kärnan och höljet.

Några metoder för mätning av brytningsindexpro- filer för optiska vågledare är beskrivna i följande pub- likatíoner: "Viewing Refracktive-Index Profiles and Small- Scale Inhcmogeneities in Glass Optical fibers: Some 7901822-2 10 15 20 25 30 8 Techniques" av C.A. Burrus et al, Applied Optics, oktober 197H, Vol. 13, No 10, sid. 2&65-2369 och "Refractive Index Profile Measurements of Diffused Optical Waveguides" av W.E. Martin, Applied Optics, september 197H, vol. 13, nr.9, sid. 2112-2116 och i skriften nr. 3.5 med titeln "Inter- ferometric Measurement of SELFOC Dielectric Constant Coefficíents to Sixth Order" av E. G. Rawson et al, 1973 IEEE/OSA Conference on Laser Engineering and Applications, 30 maj - 1 juni 1973, varav en kort beskrivning kan finnas på sid. 22-23 av the Digest of Technical Papers, som pre- senterades vid denna konferens._ Den följande teoretiska analysen, som visar att pulsdispersion minimeras, är baserad på analysen av Marcatili i Bell Systems Technical Journal 56, H9,(1977f.

I den följande analysen skall vi betrakta klassen av index- profiler n2 = Nâ[1-r] pga N F(r) = X i=1 vari N är ett positivt heltal. I den amerikanska patent- skriften 3 QOR 268 är N lika med 1 med N i föreliggande ansökan är större än eller lika med 2. Marcatili visar att (3) (4) 2Ai(r/a)aí ría fördröjningstiden för moden u,v ges av sambandet _ _ _ 1/2 (5) tuv - Til Buv/D) / (1 Buv) vari (6) T = L NC/c (7) NC = ne-Ådnc/dk _ r af 1 “Q Aas (8) D-(l-Pïf <9) suv = / ck2nâ> vari k=2¶/A, L är fiberlängden och C är ljusets hastighet.

Eftersom Bnv är en liten kvantitet av storleksordningen N A = Z i-1 (10) A., till A2. l T = v21 UV 1 T[1-Buv/D+Buv/2 + <3/8 - 55) BB (11 10 15 20 25 30 7901822-2 9 Om D = 2 - 6/SA, minimeras effektivvärdet för för- dröjningsskillnaderna bland modena amerikanska patentskriften 3 904 268 och reduceras lika för N > för N = 1 enligt den 2 enligt föreliggande ansökan.

Ekv. (8) kan skrivas som en partiell differential- ekvation Dn BF c BF _ (11) rä; + N- Aâí- + 2(1 D)F - 0 För klassen av profiler, beskriven i den amerikanska patentskriften 3 904 268 (N = 1) har ekvation (11) lösningen (12) a = 2 För profiler, som ges av det allmännare uttrycket, ekv. (3)-(4),har man funnit att nya lösningar för ekv. (11) existerar om d^i 12 dl 5 2n c N__ l.

A.

C l (13) ai = 2 - Sålunda kan optiska fibrer av flerkomponentglas även ha minimerad pulsdispersion med profilerna enligt ekv (1) - (2).

I den föregående analysen har uttrycket Ä(u+ )5;2§3+ ) givet i patentskriften av Keck och Olshansky, förenklatstill šg A. Man har därvid antagit att absolut- värdet för y mindre än 1 är ett riktigt antagande i de flesta fall.

Det önskade villkoret för minimal dispersion över ett intervall av våglängder kan erhållas för den optimala indexprofilen enligt uppfinningen. Detta förutsätter vill- koret: (lä) dai "T" = 0 för i = 1 .N Ä=Äo Om ai har nollderivata erhålls den minimala puls- dispersionen över ett bredare band av våglängder. 7901822-2 10 15 20 25 30 35 10 Ett alternativt villkor, som är önskvärt för vissa tillämpningar, är att minimal dispersion kan erhållas vid två (eller flera) olika våglängder 1..fN. (15) ai (A1) = ai <¿2> 1 = Exempel 1 Som ett första exempel betraktas en optisk multi- nbdvågledare, som består av en kärna av smält kiseldioxid, dopad i centrum med 7,9 molprocent GeO2 och dopad vid r = a med 13,5 molprocent B203. Mätningar av germaniumoxid-kisel- dioxidglasens brytningsindex kan återfinnas i en artikel av S. Kobayashi, S. Shibata, N. Shibata, T. Izawa i samman- draget från 1977 års International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communications i Tokyo, Japan.ä Brytningsindexen för borsilikatgaset kan återfinnas i artikeln av J.W. Fleming i Journal of the American Ceramic Society âê, 503 - 507 (1976).

De i det föregående angivna data på brytningsindex var mätta på bulkprov av glas. Brytningsindexet för en optisk vâgledarfiber kan skilja sig väsentligt från bryt- ningsindexet av ett bulkprov, beroende på välkända släck- ningseffekter, som sker under dragning av fibern. Alla i föreliggande ansökan angivna brytningsindex hänför sig till verkligt brytningsindex för en optisk fiber. På bulkprovmät- ningar baserade data av brytningsindex användes endast för att belysa den praktiska utövningen av föreliggande upp- finning.

Från den lämpliga Sellmeíer-anpassningen kan man finna, att vid en våglängd av 0,85 um, nc är lika med 1,H6H93, no är lika med 1,45071, och A är lika med 0,00966.

Med användning av en enda profil enligt den ameri- kanska patentskriften 3 904 258 för minimering av pulsdis- persionen vid 0,85 um är a-värdet lika med 1,957. Effektiv- värdet på pulsbreddninga1í nanosekund/kilometer (ns/km) för denna vågledare är visad med Cl som funktion av A i fig. H. En minimal pulsdispersion av 0,013 ns/km erhål- les vid 0,85 um. 10 15 20 25 30 7901822-2 11 I en möjlig utföringsform av föreliggande uppfin- ning väljes A1 och A2 så att 2 2 _ _ 2 A1 - (ne ns ) / 2nc A 2 2 2 2 (ns - no ) / Znc vari ns är brytningsindexet för smält kiseldioxid. ns kan beräknas med Sellmeier-anpassningen, beskriven av I.H.

Malitson in the Journal of the Optical Society of America, 55, 1205 (1965). Vid 0,85 um är ns lika med 1,U5250. I detta exempel lika med 0,008U5 och A2 0,00121. Vid upprepad användning av Sellmeier-anpassningen är A1 är lika med erhölls de följande värdena Ådnc _ dA1 _3 ' T '-' " ÅT: “0,|423 X , OCh “M2 -a . Åäï- = + 0,522 x 10 . Med användning av värdena i ekv (1) erhålles värdena för al = 2,076 och az = 1,121, vilket approximativt minimerar pulsdispersion vid 0,85 um.

När de optimala värdena för ai är bestämda är brytningsindexgradienten för kärnan beskriven av ekvation(1).

En optisk vâgledare, som uppfyller ekvation (1), kan fram- ställas enligt något av förfarandena, vilka är beskrivna i de amerikanska patentskrifterna 3 823 995 och 3 826 560.

När brytningsindexet varierar liniärt med dopämnes- halten varierar i allmänhet koncentrationsprofilerna Cj(r) för P glasbildande föreningar huvudsakligen som N Qi Cj(r) = Cjo +iE1 Cjí (r/a) j = 1.....p i = 1,....N p23 N22 vari koefficienterna Cij och aj väljes så, att man er- håller reducerad pulsdispersion enligt det föregående och vari koncentrationerna är uttryckta antingen som molbråk, viktbråk, atombråk ellerned något annat mått på 7901822-2 10 15 20 25 30 12 koncentrationen.

Det är icke sannolikt att en optisk gradientvåg- ledare, i vilken a är exakt lika med ett i förväg bestämt värde, kan framställas, oberoende av tillverkningssätt.

Emellertid är det möjligt att tillverka vågledare, i vilka indexprofilen approxímerar den genom ekvationerna (1) och (2) definierade optimala profilen,och även erhålla en betydande reduktion av pulsdispersionen.Dessa tekniker är tillvaratqm.vidframställning av vågledare av flerkom- ponentglas belyst i fig.

I de följande exemplen 2 och 3 visas föredragna utföringsformer av uppfinningen, representerad av antingen ekvation (lä) eller ekvation (15).Pör enkelhets skull antar man i dessa exempel, att antalet indexprofiler av1 a-typ i ekvation (1) är lika med 2, dvs N = 2.

I dessa exempel definieras två storheter, som representerar ändringen av brytningsindex för smält kisel- dioxid, åstadkommen genom tillsats av germaniumoxid, respektive ändringen, åstadkommen genom tillsats avbor- oxid; Dessa två storheter är: _ 2 _ 2 (16a) 6G - ne ns _ 2 _ 2 (löb) SB - ns no vari ns är brytningsindexet för smält kiseldioxid. Dessa två storheter,6 och öB,är besläktade med storheterna, G som svarar mot A1 och A2 i det föregående exemplet. Vi definierar ytterligare tvâ storheter: I I dai (17a) 6, = Ä i = G, B dk döi 6" = Å ~ i = G, B dl Brytningsindexet för smält kiseldioxid, ns, kan beräknas från Sellmeier-anpassningen enligt I. H. Malitson, J. Opt. Soc. Amerika, 55, 1205 (1965). I detta exempel är nc brytningsindexet för kiseldioxid, dopad med 7,9 mol- 3 och som beskrivs i det följande. 10 15 20 25 30 7901822-2 13 procent GeO2, och no brytningsindexet för kiseldioxid, dopad med 13,5 molprocent BQO3. Ytterligare tre storheter definieras av: 2 (18) z =Ä- dnc n 2 dÄ c 2 dn -Ä d c _ (19) W - n 2 E? (Ådk ) c (20) v = (22 - w) / <2 - z).

För fördelning av effekten av de två dopämnen mel- lan A1 och A2 kan A1 och A2 definieras genom (21a> A 2) X 1 [sG(1-XG) + sBxB ]/ (znc 2) Il (21b) A2 [agxc + <1-XB>6B]/ <2nc XG är ett mått på mängden germaniumoxid som tillskrives A2. Om XG är 1, hänför sig all germaniumoxid till A2.

XB är är ett mått på mängden boroxid som tillskrives A1.

Ekvationerna (21a-b) är förenliga med den erforder- liga betingelsen (22) A = (A1 + A2).

I ekvationerna (21a-b) är storheterna XG och XB införda för specifisering av A1 och A2. I många glassystem är kvadraten på brytningsindexet proportionell mot dop- ämneskoncentrationen. Om detta är fallet, är XG och XB proportionella mot dopämneskoncentrationerna av Ge02 och B203. Denna proportionalitet är emellertid inte nödvändig för den praktiska utövningen av uppfinningen.

Det visas nu, att man med användning av ekvation- erna (16) ~ (21) kan finna XG och XB, sä att endera av de föredragna utföringsformerna, som representeras av ekvation (lü) respektive (15), inträffar. 7901822-2 10 15 20 25 30 14 Exempel 2 g "' Betrakta ett exempel, i vilket indexprofílerna ges av sambanden (1-2), Ai erhålles genom sambandet (16) och (21) och det önskade villkoret, som ger minimal dispersion över ett intervall av våglängder, ekvation (lä), är upp- fyllt. Detta är ekvivalent med villkoret: 2 A = 0 2 (23a) (1-XG) ASG + (1-XG)XBABG + XB BB 2 2 _ (23b) (1-X8) ABB + (1-XB)XG ABG + XG AGS - 0 I de angivna sambanden är A koeffieienter, som är bestämda av brytningsindexen för de glas, med vilka man arbetar.

Ekvationerna (23a) och (23b) kan uttryckas i den mera all- männa formeln (zu) <1-x.>2A.. + <1-x.)x.A.. + x.2 A.. = 0 1 11 1 3 13 3 JJ i = G, j = B eller i = B, j = G vari I I II I! (25) Aij = öí oj - (öiöj + öjöí ) /2-2V6í5j I I V(G. 6~ + 6.6. ) /2 1 3 3 1 I ekvation (24), har små korrektionstermer av storleks- ordningen X3 försummats.

Storheterna AGG, ABS? ABBi ekvation (25) kan framtagas med användning av den i det föregående angivna Sellmeier-anpassningen till brytningsindexdata.

Ekvationerna (24) representerar således två paral- lella ekvationer av andra ordningen, som bestämmer konstruk- tionsparametrarna XG och XB. Lösningarna av ekvation (24) är (2ea> XG = 1 [2ABB + AEG 1 D] / (2D) (2eb> XB = Z [2AGG + ABG 1 D] / <2D> vari (27) D - (AQBG - u ABBAGGJ1/2 10 15 20 25 30 7901822-2 15 Genom användning av den angivna Sellmeier-anpass- ningen och val av Å = 0,85 um, kan man använda dessa ekva- tioner för att finna lösningen: (28) X = G 0,772 och XB = 1,062.

Ekvationerna (21) och (22) kan sedan användas för att finna (29a> A1 = 9,ou X 1o'3 øch A2 =0,62x 1o'3 Ada Ada (zgb) eäïí = 7,60 X 10 " och -äïg = - 6,61 X 10"" Ekvation (2) ger sedan det önskade resultatet (30) ul = 1,810 och a = 4,088. 2 _ Indexprofilen, som karakteriseras av ekvationerna (29) och (30L kan framställas om profilerna för dopämnes- halterna av germaniumoxid och boroxid är: 1,610 _ = o,o79[1, - 0,772 (r/a) -n,22e"°°88 ] och (s1b) cB(r) = 0,136 [2,0s2 tr/a>1=810 - -1,062 (r/a>”=°88].

Dessa resultat är baserade på antagandet, att brytningsindexet varierar linjärt med dopämneshalten.

För glasbildande system, som uppvisar avvikelser från liniaritet, kan föreliggande uppfinning alltjämnt till- lämpas genom att man utvidgar analysen till att omfatta även icke-linjära termer.

Pig. 3 visar en apparat för framställning av en vågledare med profiler enligt ekvationerna (30) och (31).

Apparaten beskrivs först så att sättet, på vilket före- liggande uppfinning användes för att driva apparaten, bättre kan förstås.

Ett skikt 16 av glaspulver (glassot) pâföres ett huvudsakligen cylindriskt utgångsmaterial i form av en 7901822-2 10 15 20 25 30 35 16 glasstav 17 med hjälp av en yttre brännare 18 för gasfas- oxidation. Bpänslegas Och syre eller luft "Iïillföreš bPännaPen 18 från en ej visad källa på lämpligt sätt, t.ex. genom röret 19. Denna blandning förbrännes till en låga 20, som utgår från brännaren.

Behållare 21, 22 och 23 innehållande vätskeformiga beståndsdelar 2H, 25 respektive 26, vilka slutligen bildar skiktet 16. Ett lämpligt gasformigt medium, t.ex. syre el- ler liknande, tillförs behållarna och bubblas genom vätsk- orna med hjälp av rör 27, 28 och 29. Det gasformiga mediet eller bärargasen kommer från en lämplig ej visad källa i i förväg bestämda mängder och vid i förväg bestämda tryck.

Flödef av bärargas, som bubblas genom vätskebeståndsdelen 24 i behållaren 21, regleras med en ventil 30, och flödes- hastigheten för denna bärargas visas av en mätare 31. På samma sätt regleras flödet av bärargasen, som bubblas genom vätskebeståndsdelarna 25 och 26 i behållarna 22 och 23 med ventiler 32 och 33, varvid flödeshastigheterna för dessa gaser visas av mätare 3H och 35.

Vätskebeståndsdelarna i behållarna hålles vid den önskade temperaturen med hjälp av uppvärmningsanordningar.

När bärargasen bubblas genom de flytande beståndsdelarna infångas ângor av denna vätska i bärargasen, S0mlämnar be- hållaren genom röret 36. Blandningen av bärargas och ånga förs till oxidationsbrännaren 18 och insprutas i lågan 20, i vilken blandningen av gas och ånga oxideras för bildning av ett glaspulver. Pulvret lämnar lågan 20 i en ström, som är riktad nedåt mot ämnet 17. Ämnet 17 roteras och hålles i translationsrörelse, såsom är antydd med pilarna Vid. den uppbärande änden av utgångsänden, såatt man an- bringar en likformig beläggning av pulver på ämnet.

Behâllarna 21 - 23.innehàller en glasbildande reaktant och minst två dopämnen. I detta exempel innehål- ler behållaren 21 SiClu, behållaren 25 GeClu och behållaren 26 BCl3.

Ventilerna 30, 32 och 33 styrs på det sätt, som är beskrivet i den amerikanska patentskriften 3 826 560, 10 15 20 25 30 35 7901822-2 17 för bildning av en brytningsindexgradient. Ventilerna 32 och 33 styrs enligt föreliggande uppfinning så, att dop- ämneshalten varierar på det önskade sättet.

Enligt föreliggande uppfinning styr styrkretsarna 37 och 38 de två dopämnenas halter medan en förform av våg- ledaren bildas. En sensor 39 ger en elektrisk utsignal, som representerar radien av förformen av vågledaren där den bildas. Denna signal tillförs bägge styrkretsarna 37 och 38. Styrkretsen 37 ger en styrsignal, som varierar enligt ekvation (31a, 31b). I detta exempel är halten GeO2 7,9 mol- procent i kärnans centrum och halten B2O3 är 13,5 molprocent vid höljet. Därför är styrkretsarna 37 och 38 programmerade så att de ger dopämneskoncentrationsprofiler i förformen, som ger de av ekvation (31) givna koncentrationsprofilerna i vâgledaren.

Analoga kretsar, som ger sådana styrsignaler, är välkända. Sådana kretsar är exempelvis beskrivna i "Analog Computation in Engineering Design," Rogers och Connolly, McGraw-Hill och Company, Inc., 1960. I den före- dragna utföringsformen av föreliggande uppfinning användes emellertid en digital mikrodator för alstring av styrsig- nalerna. Ett exempel på en mikrodator, som är lämplig för detta ändamål, är Program Logic Controller, framställd av Allen-Bradley Company.

För på detta sätt framställd optisk vågledare har pulsdispersionen beräknats som funktion av våglängden och är visad med kurvan C2 i fig. 4. Genom jämförelse av C2 enligt föreliggande uppfinning med Cl för en enda u-profil, framgår det att kurvan C2 minimerar pulsdispersion över ett betydligt bredare intervall av våglängder.

I fig. 5 är a1(Ä) och a2(Å) funktioner av ekva- tion (2), vilka funktioner har bestämts enligt exempel 2.

Det framgår att både att al (Al i fig. 5) och az (A2 i fig. 5) harlutnümæn noll vid 0,85 um enligt villkoret för ekvation (14). Det är på grund av noll-lutningen i a1(Å) och a2(l) vid 0,85 um som pulsdispersionen som funk- tion av våglängden har ett mycket brett intervall av mini- 7901822-2 10 15 20 25 30 35 18 mal pulsdispersion, såsom är visat i fig. U.

I fig. 6 visas dopämnesprofílerna för Ge02 och B203 enligt detta exempel med kurvorna G2 och B2. För jäm- förelse visas dopämnesprofilerna för GeO2 erfordras för att ge den optimala enkel-u-profilen enligt känd teknik, med kurvorna G1 och B1. Den kända teknikens konoentrationsprofiler, visade med G1 och Bl, ges av och BQO3, som )1,9s7] (32) (P/a cG(r> 0,079 [1 - 1,957 (33) CB(r) = 0,135 (r/a) Det är klart, att dopämnesprofilen av den optimala enkel-a-profilen och dubbel-u-profilen enligt detta exempel är olika. Dessa skillnader kan observeras med användning av en röntgenmikrosondsteknik för mätning av dopämnespro- filen av optiska vågledaren eller av ämnen till optiska vågledare. En sådan mikrosondsteknik är beskriven av W.T. Kane i en artikel med titeln "Applications of the Electron Mícroprobe in Ceramics and Glass Technology", som återfinns i Microprobe Analysis, utgiven av C.A. Andersen, John Wiley & Sons, Inc. 1973.

Exempel 3 Enligt en föredragen utföringsform bestämmes i detta exempel indexprofilerna (enligt ekvation (15)) vilka indexprofiler ger minimal pulsdispersion vid tvâ våglängder, Ål = 0,80 um och A2 = 1,20 pm.

Lät de i ekvationerna (16)-(22) definierade symbol- erna representera storheterna vid 0,80 pm. De analoga stor- heterna vid 1,20 pm beräknas och dessa storheter betecknas Till exempel med ett streck över symbolen. - _ -2 -2 (SH) 6G - nc ns vari nc och ns är värden vid 1,20 um. Det samband, som skall uppfyllas, är (35) 10 15 20 25 35 7901822-2 19 Av ekvationen (4) och definitionen av ekvationerna (16) - (22) följer att ekvation (35) är ekvivalent med uttrycket: (ss) <1-x.>2 B.. + <1-x.) x.B.. + x.2 B.. = 0 1 11 1 3 13 3 3] vari i = G och j = B eller j = G och i = B.

I ekvation (36) har små termer av storleksordningen X3 försummats.

Storheterna Bíj är definierade som (37) Bij=2(Z-Z) (6i6j+öj6i) + (2-Z)(öi6j'+6j6i') - <2-2) (sjai' + aiaj').

Koefficienterna BGG, BBB, BGB kan framtagas från den i det föregående angivna Sellmeier-anpassningen.

Ekvation (36) kan lösas, varvid man finner (38) XG = 0,398 XB = -2,021 och (39) al = 3,028 az = 1,581 Pulsdispersionen som funktion av våglängden för en vâgledare, som är framställd enligt de angivna be* tíngelserna,är visad i fig. 7. Pulsdispersionen har ett minimum i närheten av 0,80 pm och 1,20 um.

Dopämnesprofilerna för denna vågledare är givna S OIII 3,028 1,581] (no) cG=o,o79 (1-o,sss(r/a) -o,so2(r/a) 1,581 3,028] CB(R)=0,135 [3,021(r/a) ~2,021(r/a) Om den linjära approximationen av ekvation (21) ej gäller, blir analysen svårare; men principerna för ut- formningen av vågledaren förblir desamma.

Ytterligare förbättring vid reduktion av puls- dispersion kan erhållas genom att man inför ytterligare 10 15 7901322-2 20 formgivníngsparametrar si i ekvation (13) så att n dA- _ _ c Å 1 _ 12 (H1) ai - 2 ZNE- Kg- -EX š- A e. 1 ei betraktas som små parametrar, dvs (m) [si] g 2. i = 1...N.

Med användning av standardmetoder för analys kan ei väljas så att pulsdispersionen reduceras ytterligare.

De exakta värdena av ei beror på dA.

Aj? 2 c) ten bland vågledarens moder.

Varje speciellt val av ei, som beror på villkoret Ä, n NC och fördelningen av den optiska effek- av ekvation (H2) ligger inom ramen för föreliggande upp- finning.

Claims (10)

10 15 20 25 30 7901822-2 21 PATENTKRAV

1. Optisk vágledare med en kärna med radiellt varierande brytningsprofíl och ett kärnan omgivande hölje, k ä n n e- t e c k n a d av att vagledaren innefattar minst tre glasbildande föreningar och att brytninßsindexprofilen vari- enar som en funktion av radien r väsentligen som N 1 ~ I 2 2 n (r) = n ° <1=1> zßícr/a> “i vari N22 är antalet índexprofiltermer av a-typ nc är brytningsindex vid r = o no är brytningsindex vid r = a A = (nå - nå)/Znâ och Ai och ai är värden, som ger reducerad pulsdispersion, varvid värdena ai ges av 2n dA. _ _ Ä 1 _ lå “i ' 2 N A. HT s 2A c 1 vari A är en våglängd, vid vilken vàgledaren användes, och dn _ _ c Ne ' “c- Ääí' lsilg 2 i = 1-...N ger förbättrad pulsdispersion.

2. Optisk vágledare enligt patentkravet 1, k ä n n e - I e c k n a d vari e. 1 av att värdena ai ges av zn aa. ' 12A . , bi = 2 - näs âš- aï%:' š_“ 1 l = l...h vari }'är en våglängd, vid vilken vágledaren användee,och Ädnc Nc = ne _ ET- 7901822-2 10 15 20 25 30 ' vid radien r = o. 22

3. Vägledare enligt patentkravet 1,_k ä n n e t e c k- n a d av att ei=ë=1 föfi = 1....N.

4. Vágledare enligt något av patentkraven 1 - 3, k ä n n e t e c k n a d av att Ai är värden, som ger pulsdispersion över ett váglängdsintervall.

5. Vägledare enligt patentkravet H, k ä n n e t e c k- n a d av att Ai är sådana värden att d°^i|Ä:Ä :o i=1...N _ dk o vari Ao är en våglängd i det spektrala intervall; Ûvari vàgledaren kommer att användas.

6. Vágledare enligt något av patentkraven 1 - U, k ä n n e t e c k n a d av att Aiär värden, som ger puls- díspersion vid två eller flera våglängder.

7. Vàgledare enligt patentkravet 6, k ä n n e t e c k- n a d av att värdena för Ai är sådana, att aí(Å1) = ai(Ä2)....= ai(Åq), i = 1....N vari 2íq§N och A1, A2....Aq inkluderar minst en våglängd, vid vilken vàgledaren kommer att användas.

8. Vágledare enligt något av patentkraven 1 - 7, k ä n n e t e c k n a d av att de glasbildande föreningarna har en koncentrationsprofil, som varierar väsentligen som N a C.(r) = C.(o) + I C_.(r/a) i J Û i=1 J1 j = 1.....p i = 1.....N N > 2 vari koefficienterna Cji och ai ger upfihov till reducerad bnlsdispersion, och vari Cj(o)-betecknar koncentrationerna 10 15 20 25 7901822-2 23

9. Vâgledare enligt patentkravet.8, k ä n nlq - W tle c k n-aud»æav att deniinnefattar p_glasbildande föreningar vari p > 3, och ha:_en kärna-med en radiellt-variagande samman- -. - . sättninqsprofil och ett hölje.

10. med indexgradient, k ä n n e t e c k n a t av att man bildar Förfarande för framställning av en optisk vágledare en kärna med en radie r av ett flertal glasbildande för- eningar, ändrar föreningarnas koncentrationer vid bild- ning av kärnan, så att brytningsindex i kärnans centrum är nc och varierar som funktion av radien fràn kärnans' centrum väsentligen som 2 2 N a n (r) = nc 1- I 2A¿(r/a) i vari ai är värden, som ger minimal pulsdispersion i våg- ledaren och hänför sig till det glasbildande föreningarnas egenskaper så att 2n dn. _ _ GÅ lll-Z -_ 1 Gi - 2 - NC Ai Ä _ 5 A 1 - l...Å vari N22, nc är brytningsindex i kärnans centrum, no är brytningsindex vid r = a NC = nc - Ådnc/dl och N - _ _ 2 _ 2 2_ A - išl Ai - (nc no )/2nC , páför ett skikt beläggningsmaterial, som omger den på detta sätt bildade kärnan, varvid skiktetsbrytningsindex är mindre än kärnans brytningsindex, värmer kärnan och belägg- ningen till dragtemperatur och drar kärnan och beläggningen till _en Optisk vågledare. 7901822-2 24 ?1. ' Färfarande enligt Pfiteflf- ___ kravet 10, _ .K ä n n e t e c k n a t av att man bildar en kärna med en radie a av ett flertal, p, glasbildande för- eningaryändrar föreningarnas koncentrationer vid bildning 5 av kärnan, så att koncentrationen Cj(r) av de glas- bildande föreningmra varierar väsentligen som N 2 c.. (r/a) “i C.(r) = C.(o) + _ J 3 1 J* i n 3 i P23» N22* ger reducerad pulsdísper- vari koefficíenterna Cj. och aj .L sion, och anbringar ett skikt beläggningsmaterial med lägre brytningsindex än kärnans brytningsindex.