DE2349906B2

DE2349906B2 - Glasfaser-Übertragungsleitung

Info

Publication number: DE2349906B2
Application number: DE2349906A
Authority: DE
Inventors: Douglas Arthur Berkeley Heigths Pinnow; Legrand Gerard Van Morris Township Uitert; John Charles Whippany Williams
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-10-06
Filing date: 1973-10-04
Publication date: 1980-05-22
Also published as: US3778132A; FR2202302B1; SE383422B; JPS4974546A; CA984192A; JPS586921B2; GB1436605A; DE2349906A1; FR2202302A1

Description

Die Erfindung bezieht pich auf Glasfaser-Übertragungsleitungen für die Übertragung elektromagnetischer Strahlung im optischen Spektralbereich der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Der Aufbau von Nachrichtenübertragungssystemen unter Verwendung kohärenter oder inkohärenter Träger im optischen Spektralbereich sind von großem Interesse, und zwar vor allem wegen der hier gegebenen größeren Bandbreiten als Folge der betroffenen höheren Frequenzen, sowie der geringeren Abmessungen der Übertragungsleitungen. Letzteres ist insbesondere in Stadtgebieten wichtig, wo der Leitungsraum besonders knapp ist

Es sind schon zahlreiche Glasmedien für Glasfaser-Übertragungsleitungen untersucht worden. Hierbei hat es sich gezeigt, daß erschmolzenes Siliciumoxid (SiO-), d. h. Quarzglas, als ein sehr vielversprechendes Medium für Übertragungsleitungen im optischen Spektralbereich anzusehen ist. Mustermaterialien mit einer Einfügungsdämpfung von weniger als 2 dB/km bei einer Wellenlänge von 1,06 Mikrometer sind nunmehr verfügbar. Die derzeitigen Faser-Ziehverfahren zeigen vielversprechende Ergebnisse, und es wird erwartet, daß Faserleitungen mit solchen Einfügungsdämpfungen in naher Zukunft hergestellt werden können.

Neben diesen Erwägungen hinsichtlich des Mediums selber, durch das die Wellenenergie übertragen wird, betreffen ebenso wichtige Erwägungen die Wellenleitungsfunktion der Übertragungsleitung. Die hier in

Rede stehenden Übertragungsleitungen arbeiten mit einem das Übertragungsmedium umgebenden Medium etwas niedrigeren Brechungsindex als das Übertragungsmedium selber. Das umhüllende Medium kann die Form eines Mantels mit einheitlichem Brechungsindex oder mit einem Gradienten im Brechungsindex haben, so daß der Brechungsindex an einer vom Kern entfernten Stelle ein Minimum erreicht.

Infolgedessen wurden erhebliche Anstrengungen zur Herstellung von Ummantelungen unter Verwendung von SiO2 unternommen. Da dieses Material selbst einen recht niedrigen Brechungsindex hat, wurde bisher so verfahren, daß die Herstellung einer Faser mit Siliciumoxid-Mantel und Siliciumoxid-Kern angestrebt wurde, wobei der Brechungsindex des Kerns durch

Jj geeignete Dotierung erhöht wurde. So wurde z. B. Titandioxid (TiO?) in geringer Menge (etwa 1,0 Gew.-%) zugesetzt, was zu einer Erhöhung des Brechungsindex im Kern in der gewünschten Größenordnung von etwa 0,3% führte. Der solcherart erzielte Brechungsindexunterschied klingt zwar gut, aber die erzielten Ergebnisse waren gleichwohl enttäuschend: Die Einfügungsdämpfung für Fasern dieser Art lag bei erheblich höheren Niveaus als für reines Siliciumoxid. Im Vergleich zu undotierten Fasern ähnlicher Ausgangsmaterialien war ein unverhältnismäßig hohes Anwach-• sen der Streu- und Absorptionsverluste zu beobachten.

Deshalb soll vorliegend der komplementäre Weg beschritten und mit einem Kern aus S1O2 und einem Mantel aus S1O2 mit brechungsindexerniedrigenden Zusätzen gearbeitet werden.

In diesem Zusammenhang ist es aus der US-PS 33 20 114 bekanntgeworden, den Brechungsindex der Oberfläche einer optischen Faser im unmittelbaren Anschluß an den Ziehvorgang in situ zu modifizieren.

Eine solche Modifizierung wird dadurch erreicht, daß die gerade extrudierte Faser ein Bad aus einer Alkaliverbindung, beispielsweise einer wäßrigen Lösung von Lithiumchlorid gezogen wird. Sonach ist das Grundelement, das zur Erniedrigung des Brechungsindexes der Faseroberfläche verwendet wird, ein Alkalimetall. Nach den weiteren Angaben dieser Patentschrift können dem Bad noch verschiedene weitere je einem bestimmten Zweck dienenden Zusätze beigegeben werden. Beispielsweise wird ein Zusatz von Magnesium-

b5 laurylsulfat als Benetzungsmittel für vorteilhaft befunden, während mit einem Zusatz von Cer oder Zirkonsalzen die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflußt und mit einem Borsäurezusatz der Schmelzpunkt der

Faseraußenschicht erniedrigt und die weitere Verarbeitung der Faser erleichtert werden kann. Nach den weiteren Angaben dieser Patentschrift kann dann angenommen werden, daß ein Magnesium-Lithium-Cer-Bor-GIas wahrscheinlich erzeugt wird.

Eine derartige Faser ist aber wenigstens insofern nicht ideal, als sich mit einer solchen niehrkomponentigen Glasphase als dem Mantelmaterial kaum reproduzierbare Verhältnisse und auch nicht jedes gewünschte Brechungsindexprofil erreichen lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen anderen Lösungsweg anzugeben, wie der Brechungsindex eines Mantels auf SiOrBasis gegenüber einem SiOi-Kern herabgesetzt werden kann.

Es ist ein allgemein bekanntes Prinzip, daß bei Mischung zweier reiner Glasmaterialien der Brechungsindex der Mischung sich entsprechend dem gewichteten Mittelwert zwischen den beiden Grenzwerten der reinen Bestandteile ändert. Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Entdeckung, daß im Borsilikatsystem, d.h. im System B2O3— SiO₂, eine überraschend hohe Brechungsindexänderung auftritt, die ein solches Borsilikatglas zu einem ausgezeichneten Material für den Mantel einer optischen Faser macht. So hat bei der Natrium D-Linie reines B₂O₃ einen Brechungsindex von 1,4582 und reines SiO₂ einen Brechungsindex von 1,4585. Das heißt, die beiderseitigen Brechungsindexwerte sind bis auf die geringfügige Differenz von 0,0003 c inander gleich. Es war daher für den Brechungsindex von Mischungen aus B2O3 und SiO₂ allenfalls zu erwarten, daß sich deren Brechungsindices nicht oder jedenfalls nicht wesentlich von denen der beiden Komponente)! unterscheidet. Wie nun gefunden wurde, ist aber überraschenderweise eine um wenigstens 0,1 °/oige Erniedrigung des Brechungsindexes bei SiO₂/B₂O₃-Mischungen zu verzeichnen, wenn das Molenverhältnis der Mischung zwischen 2 :1 und 30 :1 gehalten wird.

Demgemäß ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel der Glasfaser-Übertragungsleitung aus einem solchen B2O3—SiO2-Gemisch mit den angegebenen Bereichsgrenzen besteht.

Vorteilhaft wird das Verhältnis auf zwischen 20 :1 und 4:1, vorzugsweise zwischen 20: 1 und 6:1, liegende Werte eingestellt. Die maximale Brechungsindexverringerung erhält man mit einem Verhältnis von S1O2/B2O3 von etwa 6 :1. Bei diesem Minimum ist der Brechungsindex der Mischung etwa 0,3% kleiner als der von SiO₂.

Mit der Erfindung wird daher das beschriebene Ziel erreicht. Der Siliciumoxidkern zeigt eine sehr niedrige Einfügungsdämpfung, der diesem hervorragenden Übertragungsmedium eigen ist. Obwohl der größte Teil der Wellenenergie durch diesen Kern übertragen wird, wandert ein nicht erheblicher abklingender Teil durch den Mantel. Der Mantel aus erfindungsgemäß mit R2O3 modifiziertem Siliciumoxid ist im wesentlichen wasserfrei und OH--frei, so daß Absorptionsverluste nicht zwangsweise über den des Kerns erhöht werden. Die Streuverluste sind zwar, wahrscheinlich infolge zufälliger Verteilungsschwankungen der Borgruppen etwas erhöht, sind jedoch im Mantel von geringerer Bedeutung, da der Hauptteil der Wellenenergie durch den Kern übertragen wird.

Brechungsindex-Profile sowie andere Entwurfsparameter für bevorzugte Übertragungsleitungen sind nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben; es zeiet

F i g. 1 die Schrägansicht einer optischen Übertragungsleitung und

F i g. 2 ein experimentell ermitteltes Diagramm, in

dem auf der Ordinate der Brechungsindex η für eine gewählte Wellenlänge und aui der Abszisse die Zusammensetzung von [SiO₂Z(SiOj+3/2 B₂O₃) und S1O2/B2O3] aufgetragen ist.

Die in F i g. 1 dargestellte optische Übertragungsleitung 1 ist aus einem Kern-Abschnitt 2 aus unmodifiziertem. hochreinem S1O2 und einem als Mantel 3 dargestellten Wellenleitabschnitt aus mit B₂Oj modifiziertem S1O2 aufgebaut. Der Mantel 3 kann in der erörterten Weise als Einzelschicht mit im wesentlichen gleichem Brechungsindex oder zwei- oder mehrschichtig ausgebildet sein, wobei jede folgende Schicht niedrigeren Brechungsindex als die vorhergehende hat, so daß ein spezieller, für Multimoaen-Fasern geeigneter parabolischer Gradient angenähert wird Der Mantel 3 selbst kann alternativ eine abgestufte Zusammensetzung haben. Weiter ist eine Einrichtung 4 zur Ein- und/oder Auskopplung von Wellenenergie in die Leitung 1 gezeigt. Im vorliegenden Fall besteht die Einrichtung 4 aus einem Abschnitt von eng angepaßtem Brechungsindex. Die Einrichtung 4 kann eine Kopplung zwischen der Leitung 1 und einer nicht gezeigten Übertragungs- oder Abtastvorrichtung sein. Eine in gestrichelten Linien gezeigte zusätzliche Schicht 5 dient als Schutzschicht zur Verhinderung von Kreuzkopplungen zwiscnen benachbarten Leitungen. Diese Schicht kann aus irgendeinem die zu übertragende Wellenenergie absorbierenden Material bestehen. Für den Betrieb im optischen Spektralbereich kommen als Schutzschichtmaterialien mit Kohlenstoff imprägniertes Polyäthylen, aus der Dampfphase niedergeschlagene

j5 Chrom-Metallschichten und schwarz pigmentierte Polyesterharze oder Farben in Frage. Die dem Diagramm von F'. g. 2 entnehmbaren Werte sind weitgehend repräsentativ für das gesamte sichtbare Spektrum sowie die anschließenden Bereiche im infraroten und im nahen ultravioletten Bereich, für die S1O2 hinreichend transparent ist. Die tatsächlich angegebenen Werte sind jedoch ermittelt für einen Brechungsindex η in der Nähe der Wellenlänge von 0,58 μΐπ. Die angegebenen Grenzwerte liegen etwa bei 1,4585 für SiO₂ und 1,4582 für B₂O₃.

Mischungen der beiden Materialien führen zu einer Absenkung von η über den gesamten Bereich und erreichen ein Minimum von etwa 1,4545 bei einem Wert von SiO₂/(SiO₂ +3/2 B₂O₃) von 0,8. Dies entspricht einem SiO₂: B₂O₃-Verhältnis von 6 :1. Zusammensetzungen in einem Bereich um dieses Minimum herum, die in der noch im einzelnen beschriebenen Weise hergestellt werden, sind im wesentlichen frei von auf H₂O oder OH --Gehalt zurückführbare Absorption.

Zusammensetzung

Erfindungsgemäß verwendetes Mantelmaterial ist mit Boroxid (B₂O₃) modifiziertes erschmolzenes Siliciumoxid (SiO₂). Der Gehalt an ungewollten Verunreinigungen wird beim Kernmaterial im allgemeinen auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten. Sowohl Siliciumoxid als auch Boroxid stehen in Reinheiten in der Größenordnung von 99,9999 Gew.-% zur Verfugung bzw. können derart rein dargestellt werden, und mit Ausnahmefällen, beispielsweise bei Li, Na und H, ist es im allgemeinen erforderlich, daß die Materialien diesen Reinheitsgrad erreichen. Durch solche Reinheitsgrade wird zwar geeignetes Material sichergestellt, jedoch ist der Gehalt an Verunreinigungen vor, Dri-närer Bedeutung hinsicht-

lieh Materialien, die merklichen Einfluß auf Streuung oder Absorption haben. Bei der Streuung wächst der Verlust, wenn der Brechungsindex und die Konzentration des Einschlusses sich gegenüber Siliciumoxid ändert Der Brechungsindex von S1O2 — wieder bei der als Beispiel gewählten Wellenlänge von 0,58 μιη gemessen — beträgt 1,4585 (im Vergleich zum Vakuum, für das η = 1 ist). Aus der Figur geht hervor, daß der Wert für B₂O₃ unter gleichen Umständen eng benachbart, d. h. 1,4582 ist

Dies stellt einen prozentualen Unterschied von etwa 0,02% dar. Für optimale Leistungen müssen alle Verunreinigungen mit Brechungsindexwerten, die mehr als 0,05% abweichen, auf einem Wert unterhalb von 0,2 Gew.-% gehalten werden.

Die Einfügungsdämpfung einer Übertragungsleitung der hier in Frage stehenden Art liegt innerhalb seiner Grenzen infolge von Absorptions- und Streukomponenten in derselben Größenordnung. Bei 1,06 μιη kann die Absorptionskomponente der Einfügungsdämpfung für SiC>2 unter 1 dB/km liegen. Verunreinigung mit Absorptionsniveaus bei einer in Frage stehenden Wellenlänge sollten auf oder unterhalb eines Anteils gehalten werden, der ausreicht, um einen etwa gleichgroßen Verlust beizutragen. Für diesen Zweck reicht es im allgemeinen aus, die angegebene Größe von 10~⁴ Gew.-% Gesamtverunreinigung an Obergangs-Metallionen einzuhalten.

Frühere Versuche mit dem B₂O₃-System waren irreführend. Von G. W. Morey in Properties of Glass, 2. Ausgabe, Reinhold Publishing Company, New York, 1954, Seiten 370—372, angegebene Werte zeigen Brechungsindexwerte niedriger als die von Siliciumoxid im Bereich hohen B₂O₃-Anteils, wobei aber die niedrigeren Werte dem Vorhandensein erheblicher Mengen von Wasser zugeschrieben werden müssen Ein Wasser- oder, genauer, OH--Gehalt ist bei einer optischen Übertragungsleitung unerwünscht; und tatsächlich liegt der zur Erzielung einer Absenkung des Brechungsindexwerts in der von Morey beobachteten Größenordnung erforderliche Wassergehalt oberhalb des oben für den Anteil an Verunreinigungen angegebenen Wertes von 0,2 Gew.-°/o. OH--Absorption ist bei niedrigem SiO₂-Anteil, d. h. bei Gemischen, bei denen das Mol-Verhältnis von SiO₂ zu B₂O₃ kleiner als 2 :1 ist, nicht leicht verringerbar. Ein niedriger Siliciumoxidgehalt führt zu Zusammensetzungen die gegen den Angriff von Wasser empfindlich sind, und dies ist ein zweiter, obgleich verwandter Grund für das angegebene Minimum des Verhältnisses von Siliciumoxid zu Boroxid.

Die obere Grenze des SiO₂: B₂O₃-Verhältnisses liegt bei 30 :1, vorzugsweise bei 20 :1. Die obere Grenze ergibt sich aus der Vorschrift über den erforderlichen Unterschied der Brechungsindices. Für die meisten Anwendungsfälle sollte dieser Unterschied wenigstens 0,1% betragen (die prozentualen Änderungen der Brechungsindices sind etwa 0,15; 0,22; 0,15; 0,1 für SKVB₂O₃-Verhältnisse von 2 :1 ;4 :1; 20 :1 und 30 : 1.

Aus Fig.2 geht hervor, daß ein maximaler Unterschied des Brechungsindex bei einem Wert erhalten wird, der etwa dem Wert 0,8 für den Bruch SiO₂/(SiO₂+3/2 B₂O₃) entspricht, was etwa einem Verhältnis von SKVB₂O₃ von 6:1 ergibt Der unterschiedliche η-Wert bei diesem Minimum liegt im allgemeinen zwischen 0,2 bis 03% abhängig vom Grad der Mischung der Ausgangsmaterialien und ihrem Verunreinigungsgehalt Im allgemeinen zeigen die am besten gemischten Materialien mit höchster Reinhei den höchsten Unterschied im i/-Wert. Übertragungsan Ordnungen sollen vorzugsweise innerhalb dieses maxi malen Unterschiedes verwendet werden, so daß > ausgedrückt als Mol-Verhältnis — der bevorzugt Zusammenseuungsbereich bei etwa 6 :1 bis 20 :1 lieg (was Werten von 0,8 bis etwa 0,95 auf der Abszisse it F i g. 2 entspricht). Chemische Beständigkeit (Beständig keit gegen Wasserangriff) ist für die Vorschrift diese Bereiches mit berücksichtigt.

Die vorstehend angegebenen Bereiche wurden au der Grundlage der Materialien und der Minimalisierunj der Differenz der linearen Ausbreitungskoeffizientei zwischen Kern und Mantel bestimmt. Hierbei müsset

!5 annehmbar niedrige Anteile von H₂O oder OH" vorliegen, wie sie anhand von Infrarot-Absorptionsmes sungen im Frequenzbereich von 0,6 bis 3,0 μιη ermittel werden. Ein Extinktionskoeffizient von 20 cm -' be 2,8 μιη, was einem OH--Anteil von weniger als 0,2 Gew.-% entspricht, wird als Anzeige des Fehlens diesei Verunreinigung betrachtet. Die Wärmeausdehnungsko effizienten von B^-modifiziertem Siliciumoxidgla; liegen zwischen 0,5x10-' und 2xlO~⁶, was den entsprechenden Wert des Kerns aus reinem Silicium oxid hinreichend angepaßt ist um Beschädigung infolgt sich ändernder Temperaturen im Mantel zu verhindern.

Materialaufbereitung

Mit B2O₃-modifiziertes Siliciumoxid kann mit jeden für die Herstellung von Siliciumglas in guter optischer Qualität geeigneten Verfahren erzeugt werden. Sieh« beispielsweise »Properties and Structures of Vitreou; Silica 1« von R. Bruckner, Journal of Non-Chrystalline Solids Band 5, Seiten 123 bis 175 (North-Hollam

j5 Publishing Co.).

Muster, die zu einigen der hier angegebenen Daten führten, wurden in der folgenden Weise hergestellt. SiO; und B₂O₃ wurden über Nacht in einem Plastiktrog untei Verwendung kunststoffbeschichteter Mischarme mit einander vermählen. Das vermischte Material wurde dann in Platintiegel mit 100 ml eingefüllt und mehrere Stunden lang in einem elektrischen Ofen bei etwa 1350° C wenigstens teilweise erschmolzen. Die geschmolzenen Materialien wurden dann — abhängig vom SiO₂-Gehalt — auf 1500 bis 2000⁰C in einem Iridiumtiegel erhitzt, um klare Gläser zu erhalten. Aus der erschmolzenen Masse wurden Musterstücke in füt die Messung geeigneten Größen geschnitten und poliert.

Der Brechungsindex der Musterstücke wurde untei Verwendung eines Abbe-Refraktometers bestimmt.

Herstellung der Übertragungsleitung

Die Prinzipien der Herstellung optischer Glasfasern haben sich gut eingeführt Sie sind in der technischen Literatur beschrieben und bekannt Für die vorstehende Erläuterung werden die beiden zumeist angewandten Verfahren zur Herstellung von Glasfasern für optische Wellenleiter beschrieben, nämlich das Vorformverfahren und das Doppeltiegelverfahren.

Beim Vorformverfahren wird ein Stab des Kernglases in der Mittelachse eines Rohrs des Mantelglases ähnlicher Länge angeordnet Diese Vorform ist in einer mit einem Vorschubmechanismus verbundenen Befestigungsvorrichtung so gehaltert, daß sie in eine zur Erwärmung des Glases hinreichende Wärmequelle eingeführt werden kann. Beispiele solcher Wärmequellen sind Widerstandsöfen, Gasbrenner, Edelgasplasmas

Die vorliegenden Gläser erfordern Ziehiemperaturen von etwa 1900⁰C. Bei der Erwärmung erweichen die Vorderenden von Stab und Rohr zu einer konischen Form, aus welcher eine Faser gezogen und auf einer ·> Aufwickeltrommel angebracht wird, die schnell gedreht und verschoben werden kann. Im allgemeinen wird nur eine einzige Faserschicht auf der Trommel aufgewickelt, um zu verhindern, daß aus der Berührung zwischen benachbarten Schichten mechanische Beschädigungen m auftreten.

Das Verhältnis von Stab- und Rohrdurchmesser bleibt beim Faserkern und Überzug im allgemeinen erhalten. Der Durchmesser der Faser wird durch die Abmessungen von Stab und Rohr, die Größe des Vorformvorschubs, die Temperatur der Wärmequelle und die Umfangsgeschwindigkeit der Wickeltrommel gesteuert. Um die Qualität der Faser zu optimieren, müssen die Hauptflächen von Stab und Rohr glatt sein, wobei diese vorzugsweise eine polierte Oberfläche haben sollten. Zusätzlich hat eine Evakuierung des Ringraumes zwischen Stab und Rohr den Vorteil, daß Blasenbildung an der Kern-Überzug-Zwischenschicht verringert wird.

Beim Doppeltiegel-Verfahren ist kein Vorschubmechanismus erforderlich. Statt dessen fließen aus konzentrischen Öffnungen die Kern- und Mantel-Glasströme gleichzeitig aus, wobei sie verschmelzen und im wesentlichen wie beim Vorformverfahren zu einer Faser gezogen werden. Der innere Tiegel enthält die jo Glaszusammensetzung für den Kern und der äußere Tiegel die Glaszusammensetzung für den Mantel der Faser. Die Gläserströmung erfolgt durch Schwerkraft oder Druckeinwirkung und wird mit Hilfe ihrer Viskositäts-Temperatur-Beziehungen gesteuert.

Jede der beiden Methoden ist für die Herstellung optischer Wellenleiter unter Verwendung der hier beschriebenen Gläser anwendbar.

Ent Wurfsbetrachtungen

Die nachfolgenden Erörterungen sind auf die Auslegung jeder ummantelten optischen Übertragungsleitung übertragbar. Ein Großteil der Information ist zwar in der Literatur zu finden, jedoch nicht leicht aus einer Quelle entnehmbar.

Von der Vielzahl der möglichen, in Betracht gezogenen Faserausgestaltungen ragt eine als besonders einfach und als gute Lichtleitungseigenschaften aufweisend heraus. Es ist dies die in F i g. 1 gezeigte Kern-Mantel-Faser, bei der der Brechungsindex des Kerns um Δη größer als der Brechungsindex η des Mantels ist. Durch geeignete Wahl von Kernradius a und Δη kann diese Faser entweder für Einzel- oder Multimodenbetrieb ausgelegt werden. In jedem Fall wird der größte Teil der optischen Energie der übertragenen Moden vom Kern übertragen, obwohl ein Bruchteil der Leistung (ungefähr 20% für Einzelmoden und 1 bis 2% für hochgradigen Multimodenaufbau) auch im Mantel übertragen wird. Die optische Gesamtdämpfung «,„, solch einer Faser ist eine bewertete Oberlagerung der Dämpfungsanteile vom Kern und Mantel:

^Λ/οι = (⁰Zo der optischen Energie im Kern) »_tn

Für Kern-Mantel-Fasern für hohe Multimoden pat jeder der Vielzahl übertragener Moden eine definierte Ausbreitungsgeschwindigkeit. Die Energierichtung des schnellsten Mode verläuft entlang der Achse der Faser. Die außeraxialen Moden sind langsamer, weil ihre Energie an der Kern-Mantel-Grenzfläche oftmals reflektiert wird, während sie ihren Weg in einer langgestreckten Faser zurücklegt. Dieser Unterschied der Modengeschwindigkeiten begrenzt die Informationsbandbreite (oder Bit-Rate) der optischen Faser-Wellenleiter, da sich Energie, die in extrem schmalen Lichtimpulsen in den verschiedenen Moden einer Faser geführt ist, im Verlauf der Fortpflanzung längs der Faser allmählich verbreitert. Wenn diese Impulsverbreiterung ein Ausmaß erreicht, bei dem sich benachbarte Impulse eines Bit-Stroms einander zu weit überdecken, geht die zu übertragende Information verloren.

Anhand bekannter Prinzipien kann gezeigt werden, daß die Informationsbandbreite einer hoch gleichmäßigen und Hoch-Multimoden-Faser mit der Differenz der Brechungsindices zwischen Kern und Mantel verknüpft ist.

Insbesondere ist

I „ < ^₇

LxB

worin c die Lichtgeschwindigkeit (3 χ 10⁵ km/sec), L die Faserlänge und ßdie maximale Informationsbandbreite ist.

Zur Übertragung einer Bandbreite von 30 MHz über eine relativ kurze Entfernung von 1 km muß der Wert von Δη beispielsweise 0,01 oder kleiner sein. Aus der oben angegebenen Gleichung ist ersichtlich, daß große Entfernungen und breitbandige Übertragungen geringe Werte von Δη erfordern. Je kleiner diese Werte sind, um so besser. Wenn Δη jedoch zu gering wird, hat das geführte Licht wieder die Tendenz, in wesentlichem Umfang aus der Faser »auszutreten«, wenn es geringfügige Fabrikationsfehler passiert, die während der Herstellung unvermeidlich auftreten. Je kleiner Δη ist, um so größer wird die Auswirkung dieses Verlustes. Um diesen optischen Verlust auf einem vernünftigen Wert zu halten, muß daher Δη einen gewissen unteren Grenzwert haben.

Für nachrichtentechnische Zwecke liegt der brauchbare Bereich für Δη zwischen 0,0001 und 0,10, wobei der Bereich zwischen 0,001 und 0,02 bevorzugt ist. Es ist festzuhalten, daß das Δη des SiOi-Kerns und die erfindungsgemäß bevorzugte Zusammensetzung des Mantels in diesem bevorzugten Bereich liegen.

Obwohl die vorstehende Diskussion sich nur auf Multimoden-Fasern bezieht, sind die anwendbaren und bevorzugten Bereiche für Δη auch auf Einzelmoden-Kern/Überzugs-Fasern brauchbar. Für Einzelmoden-Fasern gelten die oben für die untere Grenze von Δη gegebenen Werte ebenfalls. Jedoch ist offensichtlich kein Impulsverbreiterungseffekt infolge unterschiedlicher Modengeschwindigkeiten gegeben, so daß Gleichung (2) nicht zur Festlegung einer oberen Grenze von Δη verwendet werden kann. Bei einem solchen Einzelmodenfall ist die obere Grenze einfach durch die bekannte Tatsache gegeben, daß der Faserkernradius a den folgenden Grenzwert hat.

65 α <

(D

+ (% der optischen Energie im Mantel) n_Manlrl worin λ die Wellenlänge des optischen Signals im

Vakuum und η der Brechungsindex des Mantels ist. Aus dieser Gleichung ist entnehmbar, daß der Wert von a bei einem Wachsen von Δη kleiner werden muß. Tatsächlich wird a ungefähr gleich λ, wenn Δη gleich 0,02 ist. Mit solchen geringen Kerndurchmessern sind zwei Schwierigkeiten verbunden. Die erste liegt in der praktischen Schwierigkeit der mechanischen Genauigkeit, die erforderlich ist, um solche dünne Kerne zum Anschließen auszurichten. Das zweite ist ein grundlegendes Problem und hängt mit nichtlinearen optischen Effekten, wie der stimulierten Brillouin- und Raman-Streuung zusammen, die auftritt, wenn mäßige optische Leistung (d.h. 10 mW) in einem sehr kleinen Querschnitt (J. h. 1 μην') eingeschlossen ist. Wenn diese nicht linearen Effekte auftreten, ist eine brauchbare Übertragung ausgeschlossen. Ein minimaler Kerndurchmesser in der Größenordnung von etwa 3 μιη ist daher unter Berücksichtigung dieser und anderer praktischer Erwägungen vorgeschrieben. Ein maximaler Kerndurchmesser von weniger als 200 μιη ist zur Sicherstellung der mechanischen Biegsamkeit der Übertragungsleitung erforderlich. Der bevorzugte Kerndurchmesser liegt also im Größenbereich von 30 bis 100 μπι.

Die Manteldicke eines optischen Faser-Wellenleiters muß hinreichend groß sein, damit nur sehr geringe Mengen optischer Energie der übertragenen Moden auf dem gesamten Weg durch den Mantel zu dessen Außenseite austreten. Es kann angenommen werden, daß ein wesentlicher Teil der diese Außenfläche erreichenden Energie durch Absorption verlorengeht, die auf Wechselwirkung mit Oberflächenverunreinigung zurückzuführen ist, oder auf eine absorbierende Beschichtung zur Vermeidung eines Übertrittes von optischer Energie von einer Faser in eine benachbarte Faser eines Bündels. Ohne eine solche Beschichtung könnte in erheblichem Ausmaße Kreuzkopplung zwischen den Fasern auftreten. Zur Verhinderung übermäßiger optischer Verluste und/oder Kreuzkopplung muß die Manteldicke größer als ein gewisser minimaler Grenzwert sein. Andererseits darf der Gesamtdurchmesser der Faser nicht zu groß sein, da andernfalls die mechanische Biegbarkeit der Faser verlorengeht. Für Anwendungsfälle im Bereich der Nachrichtentechnik liegen die anwendbaren Bereiche der Manteldicke t bei

ΙΟμηι < / < 250 μηι,
während der bevorzugte Bereich bei ' 25 μιη < / < 100 μηι

liegt.

Eine für eine Vielzahl von Anwendungsfällen optimale,alsGRIN-Fascr(graded refractive index)oder

in als Gradientenfaser bekannte Übertragungsleitung ist in Applied Optics, Band 9, Seiten 753 bis 759, März 1970, beschrieben.

Bei der GRIN-Faser ändert sich der Brechungsindex parabolisch mit dem Abstand von der Kernmittelachse.

Das angestrebte und bekannte Merkmal der GRIN-Faser liegt darin, daß alle übertragenen Moden sich mk der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten, auch bei Multimodenaufbau. Die Begrenzung gemäß Gleichung (2) ist daher nicht langer anwendbar und die GRIN-Faser hat daher die Eigenschaft eine sehr breitbandige Übertragung (wie bei der Einzelmodenfaser) zu ermöglichen.

Der Kern-Mantel-Faseraufbau kann als erste Annäherung der GRIN-Faser angesehen werden. Eine bessere Annäherung an die GRIN-Faser ergibt sich bei Verwendung von zwei oder mehr Mantelschichten mit Brechungsindices, die mit wachsendem radialen Abstand von der Faserhauptachse abfallen. Zusammensetzungen für diese Mehrfachschichten können aus dem SiO>— BjOi-System gemäß Fig. 2 ausgewählt werden.

jo Während des Ziehens der Faser ist das Auftreten einer gewissen Vermischung an den Kern/Mantel- und Mantelschicht/Mantelschicht-Grenzfläche zu erwarten, was zu einem Ausgleich jäher Unterschiede des Brechungsindex führt. Dieser Effekt unterstützt eine

J5 Verbesserung der Annäherung an die parabolische Verteilung. Eine weitere Verbesserung kann durch eine Hochtemperaturbehandlung der Faser erzielt werden.

Eine GRIN-Faser kann auch durch Veränderung der Steuerparameter während des chemischen Nieder-Schlags von B₂O_J-modifiziertem S1O2 aus der Dampfphase auf einem sehr dünnem Siliciumoxidkern hergestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Glasfaser-Übertragungsleitung für die Übertragung elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,5 bis 2,0 Mikrometer, mit einem Kern und einem aus wenigstens einer Schicht aufgebauten Mantel, dessen Brechungsindex für die vorgesehene Wellenenergie kleiner als der des Kernes ist, wobei die Brechungsindexverringerung wenigstens in einer zum Kern benachbarten Umfangszone des Mantels einen Wert von mindestens 0,1 % hat und der Kern aus S1O2 und der Mantel aus S1O2 mit brechungsindexerniedrigenden Zusätzen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (3) aus einem Gemisch von B2O3 und S1O2 mit einem S1O2/B2O3-Verhältnis in der besagten Mantelzone zwischen 30 :1 und 2 :1 besteht.

2. Übertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das SiO2/B2O3-Verhältnis zwischen 20 :1 und 4 :1 liegt.

3. Übertragungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das S1O2/B2O3-Verhältnis zwischen 20 :1 und 6 :1 liegt.

4. Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndurchmesser zwischen 3 und 200 Mikrometer liegt und der Kern durch ein Gebiet definiert ist, das im wesentlichen aus 99,8 Gew.-% S1O2 besteht, wobei Verunreinigungen an Übergangsmetallionen mit nicht mehr als 1 χ 10~⁴% zugegen sind, und daß die maximale Schwankung des Kernbrechungsindex 0,01% beträgt.

5. Übertragungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndurchmesser (a) zwischen 30 und 100 Mikrometer liegt.

6. Übertragungsleitung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Manteldicke zwischen 10 und 250 Mikrometer liegt.

7. Übertragungsleitung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Manteldicke zwischen 25 und 100 Mikrometer liegt.

8. Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindexänderung (A/inzwischen der Umfangszone des Mantels und dem Kern zwischen 0,001 und 0,02 liegt.

9. Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Mantels (3) in Radialrichtung im wesentlichen gleichförmig ist.

10. Übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Mantels nach außen zu abnimmt.