DE2424758A1 - Optischer leiter - Google Patents

Description

25 454

Nippon Telegraph & Telephone Public Corporation, Tokyo / Japan·

Optischer Leiter

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Leiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Optische Leiter der Glasfaserart bestehen aus einem, einen relativ hohen Brechungsindex aufweisenden Kern und einem, diesen Kern umgebenden, einen relativ niedrigen Brechungsindex aufweisenden Mantel. Es zeigt sich, daß bei derartigen bekannten Glasfasern eine Unregelmäßigkeit, beispielsweise Blasen, zwischen dem Kern und dem Mantel auftreten können, was zu einer Verschlechterung der optischen Eigenschaften derartiger Glasfasern führt.

409849/0933

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist bereits ein optischer Leiter bekannt, bei welchem der Kern direkt von Luft umgeben ist. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf die Veröffentlichung P. Kaiser, E.A.J. Marcatili und S.E.Miller, Bell System Technical Journal (B.S.T.J.), Bd. 52, Nr. 2 vom Februar 1973* Seiten I65 bis I69 verwiesen. Bei diesem optischen Leiter, welcher aus einem einzigen Material besteht, ist ein mittlerer Kern vorgesehen, welcher mit Hilfe von Trägerelementen innerhalb eines Rohres gehalten ist. Dabei ist sowohl der Kern wie auch der Mantel aus dem gleichen Material, beispielsweise Siliziumoxid (Silica) hergestellt. Derartige optische Leiter sind unter der Bezeichnung"Single-Material Fiber"bekannt. Es ist ferner ein optischer Leiter bekannt (siehe US-PS 3 712 705) bei welchem ein einen polygonalen Querschnitt aufweisender Kern innerhalb eines kreiszylindrischen Mantels angeordnet ist, wobei der Kern nur im Bereich seiner Ecken in Berührung mit dem Mantel gelangt.

Bei den oben erwähnten, bekannten Konstruktionen wird das Licht aufgrund der geometrischen Wirkung innerhalb des Kernes geleitet, wobei die Differenz des Brechungsindex zwischen dem Kern und dem Mantel keine Rolle spielt. Es zeigt sich jedoch, daß wenn ein derartiger optischer Leiter gebogen wird, von dem Kern Licht nach außen gelangen kann. Bei der Herstellung derartiger, bekannter optischer Fasern werden fernerhin sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Einhaltung der Form und der Abmessungen der einzelnen Teile gestellt.

Es ist demzufolge Ziel der vorliegenden Erfindung, einen optischen Leiter der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß bei Vermeidung der oben genannten Nachteile Lichtverluste weitgehendet ausgeschlossen sind.

409849/0933

■Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale vorgesehen sind.

Gemäß der Erfindung weist der erfindungsgemäße optische Leiter wenigstens einen säulenförmigen Glaskern sowie einen zylindrischen Glasmantel auf, wobei letzterer einen relativ niedrigen Brechungsindex und einen großen Innendurchmesser besitzt. Der zwischen dem Kern und dem Mantel befindliche Raum ist mit Luft gefüllt. Der Glaskern gelangt nur in einem sehr geringen Flächenbereich in Berührung mit dem -Mantel.

Da der optische Leiter gemäß der Erfindung einen Kern besitzt, welcher exzentrisch gegenüber dem zylindrischen Mantel liegt, kann derselbe als"optischer Leiter mit exzentrischem Kern" bezeichnet werden. Bei dem optischen Leiter gemäß der Erfindung berührt der Kern nur in einem sehr geringen Bereich den Mantel, welcher mit einem niedrigeren Brechungsindex versehen ist, während die verbleibende Oberfläche des Kernes von Luft umgeben ist. Der Berührbereich zwischen dem Kern und dem Mantel ist dabei sehr gering. Aufgrund einer derartigen Konstruktion treten bei der Herstellung keine Blasen und andere · Einschlüsse auf, so daß die Streuverluste auf einem sehr geringen Wert gehalten werden.

Abgesehen von den Streuverlusten ist die Dispersion eins sehr wichtige Eigenschaft bei optischen Leitern, weil dadurch das Durchlässigkeitsband beeinflußt wird. Die Dispersion ist dabei sehr stark von der Differenz der Breehungsindizes des Kernes und des Mantels abhängig. Bei dem optischen Leiter gemäß der Erfindung ist ein wesentlicher Teil der äußeren Oberfläche des Kernes von Luft umgeben. Die optischen Fortpflanzungseigenschaften innerhalb des Kernes hängen dabei von der Kontaktstelle zwischen dem Kern und dem Mantel mit niedrigerem Brechungsindex ab. Durch geeignete Wahl des Brechungsindex des

409849/0933

äußeren Mantels können somit die optischen Fortpflanzungseigenschaften in gewünschter Weise eingestellt werden.

Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Schnittansichten von zwei Ausführungsformen des optischen Leiters gemäß der Erfindung,

Fig. 3a und Jb perspektivische Ansichten der beiden optischen Leiter von Fig. 1 und 2, und

Fig. 4 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des optischen Leiters gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform des optischen Leiters gemäß der Erfindung. Gemäß dieser Figur _ ist ein Glaskern 1 vorgesehen, welcher exzentrisch innerhalb eines zylindrischen Glasmantels 2 angeordnet ist. Der zwischen dem Kern 1 und dem Mantel 2 befindliche Hohlraum 3 ist mit Luft gefüllt. Der Kern 1 besteht aus geschmolzenem Siliziumoxid (Silica). Ein Beispiel eines deratigen Kernes 1 .besitzt einen Brechungsindex von 1/4571* welcher mit einem Helium-Neon-Laser bei einer Wellenlänge von 6328 Ä gemessen worden ist. ·

Um noch höhere Brechungsindizes des Kernes 1 zu erreichen, ist es. möglich, gedoptes Siliziumoxid zu verwenden, indem Oxide von Metallen wie Aluminium, Germanium, Gallium, Arsen, Antimon, Niobium, Phosphor usw. zugefügt werden. Gedoptes Siliziumoxid mit einer Zusammensetzung von SiO_?: AIpO-, mit einem Mischungsverhältnis von 90:10 besitzt einen Brechungsindex N₀ von 1,468, was. wensetlich größer als der Brechungsindex N₀ gleich 1,458 von geschmolzenem Siliziumoxid ist. Der

- 5 409849/0933

Ausdruck Ν~ bezeichnet dabei den Brechungsindex der Natriumlinie D.

Der zylindrische Mantel ist aus Bohrsilikatglas hergestellt, welches zu 96,8 Gew.-% aus SiO₂, zu 2,9 Gew.-^ aus BgO,, zu 0,4 Gew.-^ aus AIpO^ und 0,02 Gew.-^ aus Na₃O besteht. Ein aus einer derartigen Zusammensetzung bestehender Mantel 2 besitzt einen Brechungsindex von 1,4562, welcher mit einem Helium-Neon-Laser bei einer Wellenlänge von 6328 Ä bestimmt worden ist.

Falls gedoptes Siliziumoxid mit einem relativ großen Brechungsindex als Material für den Kern 1 verwendet wird,kann Siliziumoxid mit einem relativ niedrigen Brechungsindex als Material für den Mantel 2 verwendet werden. Aus dem vorangegangenen ergibt sich nämlich, daß der Brechungsindex des Kernes 1 größer als der des Mantels 2 ist. Da der zwischen dem Kern 1 und dem Mantel 2 befindliche Hohlraum 3 mit Luft gefüllt ist, kann davon ausgegangen werden, daß ungefähr 98 % des Umfanges des Kernes 1 von Luft umgeben ist. Die Berührfläche zwischen.dem Kern 1 und der darumliegenden Luft befindet sich in einem homogenen Zustand, so daß optische Streuverluste sehr klein sind. Der Kern 1 und der äußere Mantel 2 berühren sich fernerhin nur an einem Punkt. Aufgrund des Konstruktionsprinzips der Erfindung ist demzufolge die Berührfläche sehr klein, wobei die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Blasen und weiteren Einschlüssen während der Herstellung sehr niedrig ist. Dies wiederum führt dazu, daß die Streuverluste sehr gering sind.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des optischen Leiters gemäß der Erfindung. Dieser optische

409849/0933

Leiter besitzt einen aus Siliziumoxid bestehenden Kern 1 und einen mit Luft gefüllten Mantel 5. An der Innenfläche des zylindrischen, aus Siliziumoxid bestehenden Mantels 5 ist eine dielektrische Schicht 4 vorgesehen. Diese dielektrische Schicht 4 besteht aus einem Material, dessen Brechungsindex niedriger als der des Mantels 5 ist. Diese dielektrische Schicht 4 besteht beispielsweise aus SiOp-BpO., Glas. Der aus Siliziumoxid bestehende Kern 1 berührt die aus SiOp-BpO-, bestehende dielektrische Schicht 4, welche entlang der Innenwandung des zylindrischen, aus Siliziumoxid bestehenden Mantels 5 angeordnet ist. Die genaue Zusammensetzung der dielektrischen Schicht 4 ist dabei zu 86 Gew.-% SiOp und 14 Gew.-% BpO^. Der Brechungsindex N^. beträgt in diesem Fall 1,457 während der Brechungsindex des Siliziumoxidkerns 1 L= 1*458 ist. Die Dicke der dielektrischen Schicht 4 ist so gewählt, daß sie mehrere Male größer als die Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes ist. Bei dieser Konstruktion ist der Kern über die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende dielektrische Schicht 4 an dem Mantel 5 festgeschweißt, wobei die Zerstreuungsverluste im Berührbereich zwischen dem Kern 1 und der dielektrischen Schicht 4 sehr gering sind.

Fig. 3a und 3b zeigen perspektivische Ansichten der Ausführungsformen von Fig. 1 und 2 gemäß welcher Figuren die Herstellungsverfahren beschrieben werden sollen. Gemäß dieser Figuren wird ein aus Siliziumoxid bestehender Kern 1, I¹ mit kreisförmigem Querschnitt innerhalb eines zylindrischen Mantels 2, 2' angeordnet. Gemäß Fig. 3a besteht der Mantel 2, 2¹ aus SiOp-^B2°V ^{welcner d3}-^{e ln} "Verbindung mit Fig. 1 beschriebene Zusammensetzung besitzt. Gemäß Fig. 3b ist der Mantel 5* 5' ein Rohr aus Siliziumoxid. Entlang der Innenwandung des Mantels 5, 5' ist eine dielektrische Schicht 4, 4¹ mit der in Verbin- dung mit Fig. 2 erwähnten Zusammensetzung aus SiOp-BpO-, angeordnet.

409849/0933

Die Herstellung eines derartigen optischen Leiters erfolgt dadurch, indem zuerst unter Verwendung einer Hochfrequenzheizeinrichtung ein Ende des Kernes 1, l' an dem Mantel 2, 2' bzw. 5i 5' festgeschweißt wird. Anschließend erfolgt die eigentliche Herstellung des optischen Leiters unter Verwendung einer Glasfaserziehvorrichtung. Dabei wird der Kern und der Mantel 2 bzw. 5 im Berührbereich zusammengesdiweißt, wobei sich die in Fig. 1 und 2 dargestellte Konstruktion ergibt.

Beispielsweise wird ein SiOp-BpO^-Mantel hergestellt, dessen Außendurchmesser 10 mm und dessen Innendurchmesser 8 mm beträgt. Der aus Siliziumoxid bestehende Kern 1'besitzt hingegen einen Durchmesser von 3 mm. Die Herstellung des optischen Leiters erfolgt mit Hilfe einer Glasfaserziehvorrichtung bei l800 bis 2200⁰C. Dadurch ergibt sich ein optischer Leiter, dessen Mantel einen Außendurchmesser von 150 λχ und einen Innendurchmesser von 120 λχ besitzt, während der Kern auf einen Durchmesser von 40/U reduziert wird. Der Schmelzbereich des Kernes gegenüber dem Mantel wird auf 2.% der Gesamtoberfläche des Kernes beschränkt, wobei die Deformation des Kernes gegenüber einem geometrischen Kreis weniger als 0,1 % beträgt.

Im folgenden soll ein weiteres Beispiel eines optischen Leiters entsprechend Fig. yo beschrieben werden. Zuerst wird die Innenoberfläche des Siliziumoxidmantels mit einem Ausgangsaußendurchmesser von 10 mm und einem Ausgangsinnendurchmesser von 8 mm sehr sauber poliert, was auch mit mechanischen Mitteln, durch chemische Ätzverfahren oder Feuerpolierverfahren erfolgen kann. Anschließend daran wird der aus Siliziumoxid bestehende Mantel 5, 5^f mit einer dielektrischen Schicht 4,4' Sig ^B2°3 ^ver>sehen. Dabei wird eine Mischung der Gase Bortribromid

409849/0933

BBr, und Siliziumtetrachlorid SiCl^ und ein Trägergas in Form von Stickstoff verwendet. Die Gasmischung wird einem Sauerstoff-Wasserstoff-Brenner zugeführt, welcher an einem Ende des Siliziumoxidrohres angesetzt ist. Diese Gasmischung wird mit Hilfe des Sauerstoff-Wasserstoff-Schweißbrenners verbrannt. Dabei bringt die Hitze das BBr., und SiCl^, zur Zersetzung, wodurch feine Körner von B^O, und SiO_p erzeugt werden. Diese kleinen Körner von B₂O, und SiOp werden auf die Innenoberfläche des Siliziumoxidrohres geblasen und auf derselben zum Niederschlag gebracht. Mit Hilfe des Sauerstoff -Wasserstoff-Brenners wird zur selben Zeit dieser Niederschlag zum Schmelzen gebracht wodurch eine dielektrische Schicht 4, 4' aus SiO₂-B₂O-, gebildet wird. Zusammensetzung der dielektrischen Schicht 4, 4^f kann durch Einstellung der Heiztemperatur von BBr, und Si(JU und durch Einstellung der Strömung des Trägergases Stickstoff gesteuert werden. Anstelle von Bortribromid kann ebenfalls Bortrichlorid, Trimethylborat, Triäthylborat, Tributylborat und Diboran verwendet werden. Anstelle von Siliziumtetrachlorid kann ebenfalls Monochlorosilan, Dichlorosilan und Trichlorosilan verwendet werden.

Nach der Ausbildung einer dielektrischen Schicht 4, 4' entlang der Innenwand des Siliziumoxidrohres 5* 5¹ wird ein •eine glatte Oberfläche besitztender Siliziumoxidstab 1, I¹ in Berührung mit der Innenwandung des mit einer dielektrischen Schicht 4, 4' versehenen Mantels 5,· 5' gebracht und eines der Enden des Stabes 1, 1' an der Innenwandung des zylindrischen Rohres 1,1' festgeschweißt. Anschließend wird eine Ziehvorrichtung bei einer Temperatur von l800 bis 2200⁰C eingesetzt, um den aus dem Kern 1 der dielektrischen Schicht 4 und dem Mantel 5 bestehenden optischen Leiter zu ziehen. Der Radius des Kernes 1 beträgt dann 15/U, während die Dicke der dielektrischen Schicht 4 3/U beträgt. Die Dicke des Mantels 5

409849/09 3 3

beträgt 30/U, während der Außendurchmesser des Mantels 5 120/U beträgt. Bei diesem optischen Leiter bestehen die Elemente mit Ausnahme der einen niedrigeren Brechungsindex aufweisenden dielektrischen Schicht 4, der Kern 1 und der Mantel 5 aus dem identischen Siliziumoxidmaterial, wodurch aufgrund der Unterschiede der Schmelztemperatur bedingte Beanspruchungen bzw. Deformationen und Unregelmäßigkeiten sehr klein gehalten werden können. Demzufolge ergibt sich ein optischer Leiter, welcher eine relativ gleichmäßige Konfiguration besitzt, während der Querschnitt des Kernes 1 einem Kreis sehr nah angenähert ist.

Die Eigenschaften eines derartigen optischen Leiters zur Lichtübertragung beispielsweise zur Impulsübertragung wurden gemessen. Die dabei verwendeten Meßverfahren sind dieselben so wie sie in dem IEEE J. Quntum Electronics, Bd. QE8, November, pp 844-846 (1972) beschrieben sind. Die dabei erzielbaren Meßresultate sind in der Tabelle 1 angegeben.

- 10 -

409849/0933

Tabelle 1

Probe

Gesamtverlust dB/Km bei 0,63/U

gemessene
Länge

Impulsverbreiterung ns/Km

Bekannter optischer Leiter

197

0,96

Bekannter optischer BBr -,

36

235

2,73

Optischer Leiter A gemäß der Erfindung (Fig. 1)

30

110

0,73

Optischer Leiter B gemäß der Erfindung (Pig. 2)

20

55

2,0

Der in Tabelle 1 angegebene bekannte optischer Leiter A besitzt einen Kern aus Siliziumoxid, auf welchen pulverförmiges SiOp und B₂O-, als Mantel aufgebracht sind. Bei dem bekannten optischen Leiter B handelt es sich um eine Glasfaser, bei welchem die Aufbringung des Mantels durch chemische Zersetzung von BBr^ und SiCl₁^ erfolgt. Bei dem optischen Leiter A gemäß der Erfindung handelt es sich um einen optischen Leiter mit einem Kern aus Siliziumoxid, welcher die Innenwandung eines aus SiO₂-B₂O., bestehenden Mantels entsprechend Fig. 1 berührt. Bei dem optischen Leiter B gemäß der Erfindung handelt es sich schließlich um einen gemäß Fig. 2 ausgebildeten

- 11 -

409849/0933

optischen Leiter, bei welchem die Innenwandung des aus Siliziumoxid bestehenden Mantels mit einer dielektrischen Schicht aus SiO₂-BpO., beschichtet ist, wobei die Beschichtung durch chemische Zersetzung von BBr., und SiCl^ erfolgt. Für die Messung der Impulsübertragung wurde ein Ga-As Halbleiter-Laser verwendet, welcher bei einer Wellenlänge von 0,905/U arbeitet.

So wie sich dies anhand von der Tabelle 1 ergibt, zeigen die optischen Leiter gemäß der Erfindung im Vergleich zu bekannten optischen Leitern überlegene Eigenschaften. Dies ist darauf zurückzuführen, daß ein wesentlicher Teil des Kernes von Luft umgeben ist. Demzufolge ist die Zwischenflache zwischen dem Kern und der Luftschicht optisch sehr homogen. Abgesehen davon, daß die BerUhrfläche zwischen dem Kern und dem Mantel sehr klein gemacht werden kann, ist eine bestimmte Differenz der Brechungsindizes· vorhanden, so daß von dem Kern kein Licht nach außen dringen kann. Aufgrund der Konstruktion kann ein derartiger optischer Leiter ferner relativ leicht gebogen werden.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. gezeigt. Bei dieser Ausfuhrungsform kann ein Mehrfachübertragungspfad erreicht werden, indem eine Mehrzahl von Kernen 1-1 bis 1-8 entlang der Innenwand eines zylindrischen Mantels 2 festgeschweißt sind. Das Herstellungsverfahren ist dabei identisch zu dem bereits beschriebenen. Um eine derartige Mehrfachübertragungsleitung zu erzielen, soll der minimale Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Kernen 1-1 bis 1-8 mehr als zehnmal der Radius des Glaskernes gewählt werden, um gegenseitige Interferenzen der Lichtsignalübertragung zu vermeiden. Durch Anordnung der einzelnen Kerne 1-1 bis

- 12 -

409849/0933

1-8 wenigstens im Abstand von zehnmal dem Radius der einzelnen Glaskerne ergibt sich ein mehrkanaliger optischer Leiter, bei welchem das Gegensprechen sehr gering ist.

In Form eines Beispiels sei auf einen optischen Leiter gemäß Pig. 4 verwiesen, bei welchem die einzelnen Kerne einen Durchmesser von 2 /u besitzen, während der Innendurchmesser des Mantels 2 150/U beträgt. Falls 24 Kerne entlang des Innenumfangs des Mantels 2 angeordnet werden, beträgt der Abstand zwischen einzelnen Kernen zwanzigmal der Radius der Kerne. Zwischen nebeneinanderliegenden Kernen tritt dann ein Gegensprechwert von etwa l8o dB auf, falls die Differenz der Brechungsindizes zwischen dem Kern und dem Mantel berücksichtigt wird. Selbst wenn zusammen 24 Lichtpfade angenommen werden, ist das zu erwartende Gegensprechen mehr als 160 dB, was einen ausreichend hohen Wert darstellt.

Um den Abstand zwischen nebeneianderliegenden Kernen möglichst klein machen zu können, kann eine Trennwand aus einem lichtundurchlässigen Material, beispielsweise Glas mit einem Metall,verwendet werden, das eine sehr starke lichtabsorbierende Eigenschaft besitzt. Durch Vorsehen derartiger, aus einem lichtundurchlässigen Material bestehenden Trennwänden kann der minimale Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Kernen sehr stark verringert werden.

- 13 -

409849/0933

Claims (8)

1. - 13 Patentansprüche

   f 1·) Optischer Leiter, bestehend aus einem einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweisenden hohlen Mantel und wenigstens einem, innerhalb des Mantels angeordneten Kern, wobei der zwischen dem Kern und dem Mantel verbleibende Hohlraum mit Luft gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (l) einen kreisrunden Querschnitt aufweist und exzentrisch innerhalb des Mantels (2, 5) angeordnet ist und daß der . optische Brechungsindex (n,) des Kernes (l) größer als der Brechungsindex (n₂) des Mantels (2, 5) im Bereich der Brührsteile des Kernes (l) ist.
2. 2. Optischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Kern (l) aus geschmolzenem Siliziumoxid besteht.
3. 3. Optischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus gedoptem Siliziumoxid unter Einschluß von wenigstens einem der Metalloxide von Aluminium, Germanium, Gallium, Arsen, Antimon, Niobium und Phosphor besteht.
4. 4. Optischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2, 5) aus Borsilikat SiOp-BpO-, besteht, welches folgende Zusammensetzung besitzt:96*68Gev7.-^ö SiO₂, 2,9 Gew.-$ BpO-,, 0,4 Gew.-^ AIpO, und 0,02 Gew.-% Na₃O.
5. 5. Optischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzei chnet , daß entlang der Innenwand des Mantels (5) eine dielektrische Schicht (4) angeordnet ist.

   . ■ - 14 -

   409849/0933
6. 6. Optischer Leiter nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (5) aus geschmolzenem Siliziumoxid besteht, während die dielektrische Schicht (4) aus Borsilikat SiOp-BpO, besteht, welche zu 98,0 Gevi.-'jo aus SiO₃ und ]A,0 Gew.-^ aus B₃O-, besteht.
7. 7. Optischer Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß nur etwa 2 % der peripheren Oberfläche des Kernes (l) in Berührung mit der Innenwandung des Mantels (2, 5) stehen.
8. 8. Optischer Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Innenwandung des Mantels (2, 5) eine Mehrzahl von Kernen (l-l bis 1-8J angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen -den einzelnen Kernen(l-1 bis 1-8) wenigstens zehnmal den Radius der Kerne(l-1 bis 1-8J beträgt. .

   409849/0933

   Leerseite