DE2733872A1

DE2733872A1 - Optische faser

Info

Publication number: DE2733872A1
Application number: DE19772733872
Authority: DE
Inventors: Stewart Edward Miller
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-07-30
Filing date: 1977-07-27
Publication date: 1978-02-02
Also published as: US4053205A; DE2733872B2; GB1580913A; JPS5317350A; JPS5649329B2

Description

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf optische Fasern mit Brechungsindexgradienten, mit einer von einem äußeren Mantel umgebenen inneren Kernzone, die aus einer Vielzahl Schichten aufgebaut ist, deren Brechungsindices radial nach außen abnehmen.

Zur Informationsübertragung in Form von Lichtimpulsen längs einer optischen Faser-Übertragungsleitung müssen die übertragenen Impulse vom empfangsseitigen Ende der übertragungsleitung einzeln auflösbar sein. Bei einer Multimoden-Faser kann aber ein Lichtstrahl bei seiner Durchquerung der optischen Faser verschiedenen Wegen folgen. Beispielweise sucht ein den Moden niedrigerer Ordnung zugeordneter Lichtstrahl sich längs der Fasermitte fortzupflanzen, während ein einem Mode höherer Ordnung zugeordneter Lichtstrahl während seiner Durchquerung der Faser viele Male an den Faserwänden reflektiert wird. Da die von diesen verschiedenen Lichtstrahlen durchlaufenen Weglängen deutlich verschieden sind, ist jedem Übertragungsmode eine unterschiedliche Übertragungs- oder Laufzeit zugeordnet. Im Ergebnis tritt in einer Multimodenfaser eine allgemeine Impulsverbreiterung mit der Folge eines begleitenden Verlustes bei der Impulsauflösung auf.

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In der US-PS 3 909 110 (D. Marcuse) ist ein Verfahren zum Verringern der Dispersion in einem Multimode-Faserwellenleiter mit abgestuftem Brechungsindex beschrieben. Hiernach wird die Dispersion durch die Einführung schwacher Fluktuationen im Brechungsindex des Faserkerns reduziert, und mit diesen Fluktuationen wird bewußt die Kopplung zwischen den verschiedenen Moden in der Faser verstärkt. Für die axiale, azimuthale und radiale Abhängigkeit der Kernfluktuationen sind Bedingungen vorgegeben. Die axialen Fluktuationen haben die Form schwacher Störungen des Brechungsindexes mit einer Periodizität von etwa 1 mm. Eine Faser mit derartig kleinen Störungen ist sowohl schwierig als auch teuer herzustellen.

Die Modendispersion kann auch durch eine in radialer Richtung verlaufende Änderung des Faserkern-Brechungsindexes von einem Maximum an der Fasermitte auf ein Minimum an der Kern/Mantel-Grenzfläche minimalisiert werden. Es wurde gefunden, daß das optimale Brechungsindexprofil annähernd parabolische Form besitzt. Ein derartiges Brechungsindexprofil kann durch eine Vielzahl verschiedener dünner zylindrischer Schichten eines (Je gleichförmigen Brechungsindexes angenähert werden. Die Brechungsindices dieser Kernschichten nehmen in Radialrichtung von einem Maximum an der Kernmitte derart ab, daß das optimale glatte Profil angenähert wird. Es leuchtet ein, daß mit zunehmender Anzahl solcher Kernschichten das glatte, kontinuier-

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liehe Profil besser angenähert wird und daß die Dispersion eines übertragenen Lichtimpulses abnimmt. Jedoch kann bei solchen Fasern die von einer kontinuierlichen radialen Änderung erwartete theoretische Verbesserung nur angenähert werden, was zu einer hiergegen erhöhten, zur Faserlänge proportionalen Impulsverbreiterung führt.

Eine vielschichtige optische Faser mit einem Gradienten im Brechungsindex der in Rede stehenden Art kann leicht in einem Dampfreaktionsniederschlagsverfahren hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird ein Vorformling durch kontinuierliches Drehen eines Quarzrohres erzeugt, das von einer heißen Zone durchlaufen wird. Ein Dampfreaktionsausgangsmaterial, z. B. die Chloride oder Hydride von Silicium zusammen mit Germanium, Aluminium, Bor, Phosphor usw., sowie Sauerstoff strömen durch das Rohr und reagieren in der heißen Zone zum Erhalt eines glasigen "Rußes" innerhalb des Dampfes und von Glas auf der Rohrinnenfläche. Auf diese Weise wird bei jedem Durchgang der heißen Zone eine zylindrische Glasschicht an die Rohrinnenwandung angeschmolzen. Durch Ändern der Zusammensetzung der Dampfquelle für jeden Heizzonendurchgang wird eine Anordnung mit sich radial ändernder Strukturierung erzeugt. Wird dann das Rohr kollabiert und zu einer Faser ausgezogen, dann hat die resultierende Faser die selbe radiale Brechungsindexverteilung wie der Vorformling. Wie jedoch oben erwähnt, sind

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viele Schichten erforderlich, um den Impulsgang einer optischen Faser mit glatt verlaufendem Brechungsindexgradienten anzunähern. Da jede Schicht auf das Rohr gesondert aufgeschmolzen wird, ist die Herstellungszeit eines Vorformlings, aus dem eine befriedigende optische Faser gezogen werden kann, recht lang und bedingt entsprechende Kosten.

Die angegebenen Schwierigkeiten bei der Herstellung vielschichtiger optischer Fasern wird entsprechend der Erfindung im Prinzip dadurch erreicht, daß die Anzahl Schichten im Kern reduziert und longitudinale Änderungen im Brechungsindex jeder Schicht eingeführt werden. Speziell ändert sich dabei der Brechungsindex einer jeden Schicht zwischen einem Maximalwert, der etwa gleich dem kleinsten Wert des Brechungsindexes der nächsten nach innen hin benachbarten Schicht ist, und einem kleinsten Wert, der etwa gleich dem größten Wert des Brechungsindexes der am nächsten nach außen hin benachbarten Schicht ist. Diese Änderungen treten mit einer räumlichen Wellenlänge von 0,1 bis 400 m auf.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der optischen Faser erreicht man, daß die auftretende Impulsdispersion kleiner als bei einer bekannten Faser ist, die aus der selben Anzahl Kernschichten aufgebaut ist, und daß die Impulsdispersion nur noch proportional zur Quadratwurzel aus der Faserlänge und nicht mehr

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wie bisher direkt proportional zur Faserlänge ist.

Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeichnet und nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert} es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf des optimalen, glatten Brechungsindexprofils und eine Stufenannäherung hieran,

Fig. 2 eine erfindungsgemäß ausgebildete optische Faser mit einem Gradienten im Brechungsindex und einer endlichen Anzahl von Schichten und

Fig. 3 die Beziehung zwischen dem Brechungsindex jeder radialen Schicht und dem Longitudinalabstand längs der Faserachse für die Faser in Fig. 2.

Wie erwähnt, ist das optimale Brechungsindexprofil eine glatte angenähert parabolische Funktion, die von einem Maximum an der Fasermitte auf ein Minimum an der Kern/Mantel-Grenzfläche abnimmt. Dieses optimale Profil ist in Fig. 1 dargestellt. Das Profil kann durch die endliche Anzahl diskreter Schichten angenähert werden, die entsprechend dem optimalen Profil gewählte Brechungsindices haben. Die Annäherung des optimalen Profils durch diese diskreten Schichten ist in Fig. 1 für fünf zylindrische Schichten als Beispiel gleichfalls gezeigt. Es sei bemerkt, daß jedoch viel mehr Schichten erforderlich wären, um eine dichte Annäherung an das optimale Profil zu erhalten.

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Venn die Anzahl der zur Annäherung an das glatte Profil benutzten Schichten zunimmt, nimmt die Dispersion eines längs der Faser übertragenen Lichtimpulses ab und nähert sich der Größe der Dispersion eines Lichtimpulses an, der über eine optische Faser mit optimalem glattem Profil übertragen wird. Da es recht teuer ist, eine Faser mit den vielen Schichten herzustellen, die für eine befriedigende Annäherung an das glatte Profil erforderlich sind, würde es wünschenswert sein, wenn man in der Lage wäre, die Dispersion in einer optischen Faser mit sich änderndem Brechungsindex durch andere Mittel zu reduzieren, die die Verwendung weniger Schichten mit einer resultierenden Verringerung der Faserherstellungskosten erlauben. Dieses wird entsprechend der Erfindung durch eine räumliche Modulation des Brechungsindexes längs jeder der den Kern der Faser aufbauenden Schichten erreicht.

Fig. 2 zeigt eine entsprechend der Erfindung ausgebildete optische Faser. Der Kern 201 dieser Faser enthält i zylindrische Schichten 202-1 bis 202-i. Die einzelnen Brechungsindices dieser Schichten nehmen von einem Maximalwert an der Mitte 202-1 ab. Der Kern 201 ist von einem Mantel 203 umgeben, dessen Brechungsindex gleich oder kleiner als der Brechungsindex der Schicht 202-i ist. Entsprechend der Erfindung wird die Faserstruktur so modifiziert, daß eine longitudinale Änderung in den Brechungsindex einer jeden Schicht eingeführt ist. Fig.

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zeigt den Verlauf des Brechungsindexes für die einzelnen Schichten in der Längsrichtung ζ der Faser. Wie man sieht, ändert sich der Brechungsindex jeder Schicht längs der Faser sinusförmig zwischen einem Maximum und einem Minimum. Im einzelnen liegt die Periode L dieser Änderungen im Bereich von 0,1 bis 400 m, wobei der Bereich von 10 bis 100 m bevorzugt ist. Außerdem ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, der kleinste Brechungsindex einer Jeden Schicht angenähert gleich dem größten Brechungsindex der nächsten nach außen hin benachbarten Schicht. Umgekehrt ist der größte Brechungsindex jeder Schicht angenähert gleich dem kleinsten Brechungsindex der nächsten nach innen hin benachbarten Schicht.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die bevorzugten Brechungsindex-Änderungsperioden in den Schichten gleich und sind die Brechungsindexminima jeder Schicht räumlich mit den Brechungsindexmaxima der nächsten nach außen hin benachbarten Schicht ausgerichtet. In ähnlicher Weise sind die Maxima mit den Minima der nächsten nach innen hin benachbarten Schicht ausgerichtet. Eine Dispersionsverringerung kann aber auch erreicht werden, wenn die Brechungsindexänderungen aperiodisch verlaufen oder wenn die Änderungsperioden der einzelnen Schichten ungleich sind und die Maxima und Minima räumlich längs der Faserachse nicht zueinander ausgerichtet sind.

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Die Struktur der erfindungsgemäßen optischen Faser resultiert vorteilhafterweise zu einer Grobverzerrung der Feldkonfiguration innerhalb der Faser, die von den bekannten Strukturen verschieden ist, die nur zu minimalen Störungen der Feldkonfiguration führen. Die bekannten Fasern mit hochfrequenten Longitudinaländerungen (in der Größenordnung 1 bis 10 mm) führen zu einer adiabatischen Modenumsetzung und erfordern keine Querschnittsungleichförmigkeit im Brechungsindex, um die erforderliche Modenumsetzung zu bewirken. Bei der vorliegenden Erfindung liefern die niederfrequenten Longitudinaländerungen im Brechungsindex, gekoppelt mit einem ungleichförmigen Brechungsindexquerschnitt, eine wirksame nichtadiabatische Modenumsetzung. Die resultierende Modenumsetzung führt zu einer übertragenen Impulsbreite, die mit der Quadratwurzel aus der Faserlänge zunimmt und sich nicht direkt proportional zur Faserlänge vergrößert, wie dieses der Fall ohne wirksame Modenumsetzung ist.

Obgleich jede Ungleichförmigkeit im Brechungsindexquerschnitt, gekoppelt mit einer niederfrequenten Longitudinaländerung, für den Erhalt dieser nichtadiabatischen Hodenumsetzung ausreichend ist, erhält man besondere Vorteile, wenn der Brechungsindex-Querschnitt von einem Maximum in der Fasermitte auf ein Minimum am Faserumfang geändert wird. Unter diesen Bedingungen erhält man den Vorteil, sowohl eine Faser mit sich radial änderndem Brechungsindex als auch eine Modenmischfaser in einer

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einzigen Konfiguration vereinigt zu haben.

Die erfindungsgemäße Faser kann unter Verwendung eines modifizierten Dampfreaktionsniederschlagsprozesses hergestellt werden·. Durch Ändern des Dotierstoffes, z. B. Germanium oder Bor, während des Flammendurchganges längs des Rohres bei der Vorformling-Hersteilung wird der Brechungsindex jeder Schicht zwischen vorbestimmten Maximal- und Minimalwerten moduliert. Eine Ausrichtung der Maxima und Minima erreicht man durch räumliches Ausrichten des Anfanges jedes Flammendurchgangs zusammen mit der Dotierstoffkonzentration.

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OFHQlNAL fNSPECTTO

Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCM · BREHM PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 27338 72 Patentconsul: RadeckestraBe 43 8000 München 60 Telefon (089) 883403/883604 Telex 05-212313 Telegramme Püentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Paienlconsuü Western Electric Company, Incorporated New York, N.Y., USA Miller 71 Optische Faser Patentansprüche

1. Optische Faser mit Brechungsindexgradient, mit einem von einem Mantel (203) umgebenen Kern (201), der aus einer Vielzahl Schichten (202-1, 202-2, ... 202-i) aufgebaut ist, deren Brechungsindices, von einem Maximalwert bei der Fasermitte ausgehend, radial nach außen abnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex jeder Schicht räumliche Fluktuationen in zur Faserlängsachse paralleler Richtung aufweist, wobei der kleinste Wert des Brechungsindexes jeder Schicht etwa gleich dem größten Wert des Brechungsindexes der nächsten nach außen hin benachbarten Schicht ist und der größte Wert des Bre-

MOnchen: R. Kramer Dipl.-Ιης. . W. Weser Dipl.-Phys. Or. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-ing. . H. P. Brenm Oipl.-Chem. Or. phil. r»t. Wlesbaoen: P. G. Blumbadi Dipl-Ing. · P. Bergen Oiol.-Ing. Or. jur. - G. Zwirnor Dip!.-!ng. Dipl.-W.-Ing.

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chungsindexes Jeder Schicht etwa gleich dem kleinsten Wert des Brechungsindexes der nächsten nach innen benachbarten Schicht ist.

2. Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Brechungsindexmaxima jeder Schicht im Bereich von 0,1 bis 400 m gelegen ist.

3. Optische Faser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Brechungsindexmaxima jeder Schicht im Bereich von 10 bis 10Om gelegen ist.

4. Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlichen Fluktuationen periodisch längs der Faserlängsachse sind.

5. Optische Faser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Perioden der räumlichen Fluktuationen für alle Schichten die selben sind.

6. Optische Faser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlihen Longitudinallagen der Brechungsindexminima jeder Schicht etwa bei den räumlichen Longituniallagen der der Brechungsindexmaxima der benachbarten Schichten liegen.

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