DE2901092C2

DE2901092C2 -

Info

Publication number: DE2901092C2
Application number: DE19792901092
Authority: DE
Inventors: Ivan Paul Tinton Falls N.J. Us Kaminow; Vellayan Lincroft N.J. Us Ramaswamy; William Matawan N.J. Us Pleibel; Rogers Hall Rumson N.J. Us Stolen
Original assignee: AT&T Technologies Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1978-01-13
Filing date: 1979-01-12
Publication date: 1992-01-02
Also published as: FR2417120A1; NL193330C; NL7900179A; JPS54130044A; GB2012983A; JPH0343602B2; NL193330B; FR2417120B1; GB2012983B; DE2901092A1

Description

Optischer Wellenleiter für eine einzige Polarisation sowie Verfahren zur Herstellung eines der Erzeugung einer optischen Faser dienenden Vorformlings.

Die Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiter für eine einzige Polarisation, der wenigstens teilweise von einer äußeren Hülle umgeben ist; weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines der Erzeugung einer optischen Faser dienenden Vorformlings mit einer inneren Kernzone, die von einer Ummantelung und einer die Ummantelung wenigstens teilweise umgebenden Außenhülle umgeben ist.

Optische Wellenleiter, die Wellen mit lediglich einer Polari sierungsrichtung zu übertragen vermögen, sind zur Verwendung mit integrierten optischen Bauelementen erwünscht. Allerdings sind derartige Wellenleiter (Lichtleiterfasern) ein insbesondere bei längeren Bauelementen ein nicht zu erreichender Idealfall. Reale Fasern haben die Eigenschaft, daß die Polarisierungen bereits nach wenigen Zentimetern Ausbreitung durcheinanderge raten. Diese als Störung zu wertende Eigenschaft der Fasern beruht auf dem Umstand, daß die der Faser eigene Doppelbrechung die Entartung zwischen den beiden orthogonalen Polarisierungen des Grundmotors beseitigt.

Spannungen, Defekte oder dergleichen, die mit Absicht in die Faser eingebaut werden, oder die unabsichtlich durch Biegen, Verdrillen, Quetschen oder andere mechanische Einflüsse hervorgerufen werden, führen zu Lichtstreuungen zwischen den beiden orthogonalen Polarisierungen. Diese Umstände führen dazu, daß der Polarisierungszustand des aus der Faser austretenden Lichts beliebiger Art, also nicht vorhersehbar ist und abhängt von Temperatur- und Druckeinflüssen entlang der Faser.

Während eine geringe Verbesserung des Polarisationsverhaltens dieser Fasern durch erreicht worden ist, daß man die Faser kernsymmetrie stört, um die unterschiedlich polarisierten Wellen zu entkoppeln, zeigt eine Analyse, die auf einem Artikel von E. A. J. Marcatili mit dem Titel "Dielectric Rectangular Waveguide and Directional Coupler For Integrated Optics", September 1969, Bell System Technical Journal, Seiten 2071 bis 2102 basiert, daß eine einfache Änderung der Kern geometrie keine spürbare Änderung der Differenz der Aus breitungskonstanten der beiden orthogonal-polarisierten Grundmoden mit sich bringt.

Eine andere Lösung dieses Problems ist in der US-PS 36 59 916 offenbart, die einen Grundmoden-Streifenwellenleiter beschreibt, bei dem verlustbehaftetes Material längs einer Oberfläche des leitenden Streifens angeordnet ist, um eine der beiden recht winklig polarisierten Moden zu unterdrücken.

Andererseits kann anstatt eines verlustbehafteten Materials ein Material mit höherem Brechungsindex dafür verwendet werden, die Neigung des Wellenleiters zum Leiten einer dieser Moden zu zerstören. Während diese Methoden dazu dienen, eine der beiden Moden durch Strahlungsabsorption zu unterdrücken, schließen sie eine Kopplung zwischen den Moden nicht aus. Folglich besteht ein konstanter Energieabfluß von der bevor zugten Polarisation zur ungewünschten Polarisation, was Verluste bedeutet. Somit neigen Einzelpolarisationswellenleiter der beschriebenen Art zu übermäßigen Verlusten.

Bei dem Versuch, die lineare Polarisierung der optischen Signale dadurch aufrechtzuerhalten, daß man die Faser-Doppel brechung erhöhte, um so den Austausch von Energie zwischen den beiden Polarisationen zu reduzieren, hat man die Differenz der Fortpflanzungskonstanten durch spannungsinduzierte Doppel brechnung hervorgerufen.

Bislang wurden spannungsinduzierte Doppelbrechungs-Werte in herkömmlichen Lichtleiterfasern gemessen, welche sich in der Größenordnung von 10^-7 bewegten.

Allerdings war das Ausmaß der Effekte in den genannten Fasern unzureichend für eine nennenswerte Reduzierung der Polarisations kopplung, wie sie in der Praxis benötigt wird.

Im Stand der Technik wurde die spannungsinduzierte Doppelbrechung nicht als geeignetes Mittel zur Reduzierung der Polarisationskopplung erkannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Wellenleiter der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem mit relativ einfachen Mitteln eine für eine gewünschte Polarisation des Signals günstige spannungsinduzierte Doppelbrechung erreicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem optischen Wellenleiter der genannten Art durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Zwar ist aus der DE-OS 27 23 587 eine optische Faser mit einer Hülle bekannt, die in ihrem Querschnitt in zwei zueinander senkrechten Richtungen unterschiedliche Abmessungen aufweist, jedoch dient die dortige Schutzhülle dazu, die Übertragungsverluste auch bei ungünstigen Installationsbe dingungen gering zu halten. Hierzu besteht die Hülle aus einem bestimmten Material und ist im Querschnitt etwa rechteckig.

Weiterhin schafft die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine Lösung der Aufgabe, einen Vorformling derart herzustellen, daß die später erhaltene optische Faser eine bestimmte spannungsinduzierte Mindest doppelbrechung aufweist. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 3 angegeben.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß rechtwinklig oder orthogonal polarisierte Wellen wirksamer in einem Wellenleiter entkoppelt werden, der solchermaßen hergestellt ist, daß die spannungsinduzierte oder Spannungs doppelbrechung absichtlich vergrößert ist. Dieses Verhalten wird erreicht, indem eine geometrische und materielle Asymmetrie in den Vorformling eingebracht wird, aus dem die optische Faser gezogen wird, so daß die resultierende spannungsinduzierte Doppelbrechung Δn vorteilhafterweise größer als 5×10^-5 ist. Die resultierende "Schlagperiode" L für einen solchen Wellenleiter ist bei einer Wellenlänge von 1 Mikrometer kleiner als 20 mm und bei einer Wellenlänge von 0,5 Mikrometer kleiner als 10 mm, mit L=2π/Δβ, wobei Δβ die Differenz der Aus breitungskonstanten für die beiden rechtwinkligen Richtungen der interessierenden Wellenpolarisationen ist.

Verfahren zur Herstellung von Fasern mit einem Δn bis zu 40×10^-5 werden beschrieben. In diesem Fall ist L bei einer Wellenlänge von 1 Mikrometer gleich 2,5 mm und bei einer Wellenlänge von 0,5 Mikrometer gleich 1,25 mm.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung, in der die Fig. 5, 6, 8 und 11 erfindungs gemäße Wellenleiter veranschaulichen, zeigt

Fig. 1 und 2 zwei planare optische Wellenleiter;

Fig. 3 einen kreisförmigen Vorformling für eine optische Faser, der einen von einer Ummantelung umgebenen inneren Kern aufweist;

Fig. 4 einen dreischichtigen Vorformling für eine opti sche Faser;

Fig. 5 den Vorformling nach Fig. 4, nachdem diametral ge genüberliegende Teile der Außenschicht entfernt worden sind;

Fig. 6 den Querschnitt einer Faser, die aus dem modifizier ten Vorformling nach Fig. 5 gezogen worden ist;

Fig. 7 und 8 ein anderes Mittel der Modifizierung eines dreischichtigen Vorformlings zur Verbesserung der Spannungsdoppelbrechung bzw. den Querschnitt einer Faser, die von einem solchen Vorformling gezogen worden ist;

Fig. 9 ein Verfahren zum Modifizieren eines zweischichtigen Vorformlings zur Erzeugung von spannungsinduziertem Doppelbrechen in einer optischen Faser;

Fig. 10 eine Endansicht einer Substratröhre, die bei der Verwirklichung einer erfindungsgemäßen Ausführungs form verwendet wird;

Fig. 11 eine Endansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Vorformlings (vor dem Kollabieren);

Fig. 12 eine Endansicht einer Faser, die nach einer weite ren Ausführungsform hergestellt worden ist; und

Fig. 13, 14 und 15 Endansichten anderer Formen von Ausfüh rungsbeispielen der Substratröhre.

Bei den in den Fig. 1 bis 9 beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Hüllen auf die Ummantelung auf gebracht. Bei den in den Fig. 10 bis 15 beschriebenen Aus führungsformen sind die Hüllen als Röhren hergestellt, und Mantel und Kern werden in die Röhre gesetzt, bevor die Röhre zur Bildung des Vorformlings gezogen wird.

Fig. 1 zeigt einen ebenen Wellenleiter 10 mit einem inneren dielektrischen Teil 11 und zwei äußeren dielektrischen Schichten 12 und 13, die mit den Hauptoberflächen des Teils 11 in Berührung stehen. Um eine Wellenleitung pri mär innerhalb des inneren dielektrischen Teils 11 oder der Kernzone dieses Wellenleiters vorzusehen, ist der Bre chungsindex der äußeren Schichten kleiner als derjenige des Teils 11.

Trotz der Tatsache, daß die Breite w des Kerns viel größer als dessen Dicke t ist, vermag ein solcher Wellenleiter optische Wellenenergie zu transportieren, die längs Rich tungen polarisiert ist, die parallel zu beiden Querdimensio nen der Kernzone verlaufen. Beim Nichtvorhandensein irgend eines Fremkopplungsmechanismus kann eine "Schlaglänge" (beat length) L definiert werden, innerhalb welcher die Energie vollständig zwischen zwei rechtwinklig polarisierten Wellen ausgetauscht wird, d. h., die Energie erscheint wie der in der gleichen Polarisation, nachdem sie vollständig in die andere Polarisation übertragen worden ist. Für eine Einzelmodenfaser ist diese Länge L gegeben als

L=2π/Δβ (1)

dabei ist Δβ die Differenz zwischen den Ausbreitungskon stanten der beiden rechtwinklig polarisierten Wellen. Durch Vergrößern von Δβ kann die Schlaglänge offensichtlich ver ringert werden. Da mechanische Störungen mit räumlichen Perioden, die der Schlaglänge vergleichbar sind, eine un erwünschte Kopplung von einer Polarisation zur anderen be wirken, wird die Schlagperiode vorteilhafterweise kleiner gemacht als die Störungsperioden, die typischerweise durch den Herstellungsvorgang eingeführt werden oder durch physi kalische Biegungen und Verdrillungen, die bei der Verwen dung des Wellenleiters auftreten. Beispielsweise besitzt bei einer Wellenlänge von 0,63 Mikrometer eine Bosilikat- Gradientenfaser mit nomineller kreisförmige Geometrie ein L von größer als 10 cm. Mechanische Störungen vergleichba rer Länge sind nicht ungewöhnlich. Demgemäß neigt Wellen energie, die mit einer Polarisation injiziert worden ist und längs einer solchen Faser transportiert wird, dazu, kreuzpolarisiert zu werden. Bekannte Planarfasern neigen dazu, kreuzpolarisierte Wellenenergie zu ergeben, und zwar trotz der Tatsache, daß das Längenverhältnis der wellen leitenden Zone sehr stark von Eins verschieden sein kann. Die Polarisationskopplung wird jedoch erfindungsgemäß ver mieden mit Hilfe einer spannungsinduzierten oder Dehnungs doppelbrechnung im Wellenleiter, die dermaßen ist, daß Δβ stark vergrößert wird. Der Ausdruck "spannungsinduzierte Doppelbrechung" oder "Dehnungsdoppelbrechung", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf den Unterschied der Haupt brechungsindices, die durch Schaffung eines Unterschiedes in den mechanischen Spannungen längs wechselseitiger recht winkliger Querrichtungen innerhalb der Wellenleiterzone erzeugt werden. So kann beispielsweise eine Doppelbrechung in der dielektrischen Schicht 11 induziert werden, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient der Schicht 11 von dem der äußeren Schichten 12 und 13 verschieden ist. In die sem Fall besteht für die Breite des Teils 11 das Bestreben, sich von derjenigen der Schichten 12 und 13 zu unterschei den, wenn die Faser abkühlt, während sie gezogen wird. Da die drei Schichten jedoch aneinander haften, nehmen sie alle die gleiche Breite ein, wodurch eine innere Spannung inner halb des Teils 11 längs der w-Richtung verursacht wird, wenn die äußeren Schichten ausreichend starr sind. Da eine solche Spannung jedoch nicht in der t-Richtung induziert wird, führt diese anisotrope Spannung zur Erzeugung eines relativ großen Unterschiedes in den Ausbreitungskonstanten für Wellenenergie, die längs dieser beiden Richtungen mit tels des photoelektrischen Effektes polarisiert ist.

Die Größe der Brechungsindexdifferenz Δn für die beiden Polarisationsrichtungen ist proportional zum Unterschied der Spannungen längs dieser zwei Richtungen und ist gegeben durch

Dabei sind α_o und α_i die thermischen Ausdehnungskoeffi zienten der äußeren bzw. inneren Schicht; und ΔT ist die Differenz zwischen der Betriebstemperatur und der Tempera tur, bei der die Glasschichten steif werden.

Zur Schaffung einer anderen Wellenleiterstruktur kann die Plattenstruktur nach Fig. 1 modifiziert werden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, um einen inneren Kernbereich 14 vorzu sehen, der von einem Zwischenmantel 15 niedrigeren Brechungs indexes und einer Außenhülle 16 umgeben ist. Ein Vorformling mit solcher Struktur kann leicht durch Vereinen getrennter Glasscheiben oder durch bekannte Methoden aufeinanderfol genden Niederschlagens hergestellt werden. Andere Methoden zur Annäherung eines solchen Vorformlings sind nachfolgend ausführlicher beschrieben.

Um die gewünschte große Doppelbrechung im Wellenleiterteil, bestehend auus Kern 14 und Ummantelung 15 zu erreichen, wird der Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffi zienten des den Wellenleiterteil umschließendes Hüllenmaterials und des Wellenleitermaterials groß gemacht. Zudem erfüllen die Scheibenabmessungen vor teilhafterweise die folgenden Ungleichungen:

(t₁+t₃) c₁<<t₂c₂ (3)

und

(w₁+w₃) c₁w₂c₂ (4).

Dabei sind c₁ und c₂ die Elastizitätsmodule des Hüllenma terials bzw. des Wellenleitermaterials. Typischerweise sind c₁ und c₂ näherungsweise gleich, so daß die obigen Ungleichungen primär geometrisch sind. Wie nachfolgend ge zeigt ist, sind w₁ und w₃ in einigen Fällen Null.

Die Spannungsdoppelbrechung für die Ausführungsform nach Fig. 2 ist

(S_y-S_x)=(α₁-α₂)ΔT (5).

Dabei sind S_y und S_x die längs der y- bzw. x-Richtungen induzierten Spannungen; und ΔT=T_a-T_b, wobei T_a die Be triebsumgebungstemperatur und T_b ungefähr gleich der "Er weichungstemperatur" des Materials ist, und α₁ und α₂ sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Hüllen- bzw. Wellenleiterbereichs. Wenn Schätzungen vorgenommen werden, wird zur Vereinfachung angenommen, daß α₁ und α₂ tempera turunabhängig sind.

Die Spannungsdoppelbrechung Δn ist gegeben durch

Dabei ist n der Brechungsindex des Wellenleitermaterials, und p₁₁ und p₁₂ sind dessen photoelastische Konstanten (spannungsoptische Koeffizienten).

Typischerweise weist ein Vorformling eine Hülle aus rei nem Siliciumoxid auf, und Mantel und Kern sind aus Bor silikat-, Germaniumsilikat- oder Phosphorsilikatglas her gestellt, wobei der Kern und der Mantel unterschiedlich dotiert sind, um die gewünschte Indexdifferenz zu erhalten. Für Beispielszwecke werden die Siliciumoxidwertefür p₁₁ und p₁₂ in den folgenden Beispielen verwendet.

Beispiel 1

Für eine 5 Mol-% B₂O₃ aufweisende SiO₂-Ummantelung ergibt sich ein berechnetes Δn von 1×10^-4, mit n≈1,5, (p₁₁-p₁₂)≈0,15, (α₁-α₂)≈-5×10^-7°C^-1 und ΔT≈-850°C.

Beispiel 2

Für eine 25 Mol-% GeO₂ aufweisende SiO₂-Ummantelung ergibt sich ein berechnetes Δn von 4×10^-4, mit n≈1,5, (p₁₁-p₁₂)≈0,15, (α₁-α₂)=-1,6×10^-6°C und ΔT≈-1000°C.

Beispiel 3

Für eine 12 Mol-% P₂O₅ aufweisende SiO₂-Ummantelung ergibt sich ein berechnetes Δn von 4×10^-4, mit n≈1,5, (p₁₁-p₁₂)≈0,15, (α₁-α₂)=1,4×10^-6°C^-1 und ΔT≈-1200°C.

Bei jedem der vorausgehenden Beispiele ist angenommen, daß Kern und Ummantelung näherungsweise die gleichen thermi schen Eigenschaften aufweisen.

Nachdem der Arbeitsmechanismus erkannt ist, können die Prin zipien der vorliegenden Erfindung auch dazu angewendet werden, herkömmliche optische Fasern anzupassen. Typischer weise wird eine optische Faser aus einem Vorformling 20 der in Fig. 3 gezeigten Art gezogen, der eine innere Kernzone 21 aufweist, die von einer äußeren Ummantelung 22 umgeben ist. Aufgrund von deren kreisförmiger Symmetrie besteht le diglich eine Neigung zu einer sehr geringen spannungsindu zierten Doppelbrechung in einer Faser, die von einem sol chen Vorformling gezogen worden ist. Daher muß eine Asymme trie absichtlich eingebracht werden, um die Spannungsdoppel brechung zu verbessern. Spezieller sei als Ausgangsvorform ling eine Dreischichtstruktur 30 der in Fig. 4 gezeigten Art betrachtet, die eine innere Kernzone 31 aufweist, die von einer Zwischenmantelschicht 32 und einer Außenhüllen schicht 33 umgeben ist. Bei einer erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform werden diametral gegenüberliegende Teile der Außen schicht 33 weggeschliffen oder auf andere Weise entfernt, so daß der in Fig. 5 gezeigte Vorformling zurückbleibt, der den Kern 31, die Ummantelung 32 und eine modifizierte Außenschicht 33 aufweist, von der Teile 33′ und 33′′ ent fernt worden sind. Wenn ein solcher modifizierter Vorform ling gezogen wird, ändert die Oberflächenspannung dessen Querschnitt zu dem in Fig. 6 gezeigten, der wie man sehen kann, der Scheibenkonfiguration gemäß Fig. 2 nahekommt. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 erzeugt die Außenhüllen schicht 33 eine Spannung innerhalb der Faser längs der y- Richtung, die viel größer als die längs der x-Richtung er zeugte Spannung ist. Das Verhältnis der beiden Spannungen steht im Verhältnis zu den Dicken a, b und c des Vorform lings und zu entsprechenden Abmessungen a′, b′ und c′ in der resultierenden Faser.

Während jegliche Asymmetrie eine Spannungsdoppelbrechung erzeugt, fand man heraus, daß Schlagperioden von weniger als 5 mm erreicht werden, wenn das Verhältnis von Mantel radius c zu ursprünglicher Dicke a kleiner als ein halb ist, das heißt

und wenn das Verhältnis der verringerten Dicke b der Außen schicht zur ursprünglichen Dicke a gleich oder weniger als ein Zehntel ist, d. h.,

Fig. 7 zeigt eine andere Maßnahme zum Einbringen einer Asymmetrie in die Außenschicht eines Vorformlings. Entspre chend dieser Methode werden diametral gegenüberliegende Kerben 40′ und 40′′ in die den Mantel 41 umgebende Außen schicht 40 geschnitten. Eine von einem solchen Vorformling gezogene Faser nahm die in Fig. 8 gezeigte Form an.

Nach einer dritten Herstellungsmethode, die in Fig. 9 ge zeigt ist, werden diametral gegenüberliegend Ringsegmente 51 und 52 zur Mantelschicht 50 hinzugefügt.

Welche dieser Methoden verwendet wird, hängt von der Art des Ausgangsvorformlings ab. Einige, wie mit Borsilikat do tierte Vorformlinge, werden typischerweise mit drei Schich ten hergestellt. Folglich würden die in den Fig. 5 und 7 gezeigten Methoden angewendet. Wenn man andererseits mit einem Zweischicht-Vorformling beginnt, kann die Methode nach Fig. 9 verwendet werden.

Fig. 10 zeigt eine Endansicht eines Quarzsubstratrohres 60.

Der Außendurchmesser beträgt 0,276 inch bis 0,279 inch (7,01 mm bis 7,087 mm). Der Innendurchmesser beträgt 0,099 inch (2,515 mm). An den Röhrenseiten wurden flache Oberflächen geschliffen, wie in Fig. 10 angedeutet ist, wobei der Abstand zwischen den flachen Oberflächen 0,255 inch (6,477 mm) beträgt. Die Substratröhre wurde dann in einer Vorrichtung herkömmlicher Art für das Niederschlagen von Schichten aus Chemikalien auf der Innenseite der Substrat röhre montiert. (Die Vorrichtung ist grundsätzlich eine umgewandelte Drehbank, bei der die Substratröhre in der Po sition montiert ist, in der sich herkömmlicherweise das Stangenmaterial befindet, und bei der ein Gasheizer am Werkzeugantrieb montiert ist.) Das Innere dieses Substra tes wurde mit herkömmlichem Glasreiniger und destilliertem Wasser gereinigt und mit einem Stickstoffgasstrom getrock net. Nachdem die Röhre in die Vorrichtung gesetzt worden war, wurde sie auf 1025°C erwärmt, während durch sie eine Mischung aus 250 cm³/min Sauerstoff und 750 cm³/min Argon floß.

Eine äußere Ummantelungsschicht wurde niedergeschlagen, in dem man 250 cm³/min Sauerstoff, 50 cm³/min einer Mischung aus Argon mit 3% Silan, 16 cm³/min Argon mit 1% Diboran und 750 cm³/min Argon 4 Stunden und 12 Minuten lang bei einer Temperatur von 985°C fließen ließ. Eine innere Ummantelungs schicht wurde niedergeschlagen, indem man den Durchsatz von Diboran in Argon 48 Minuten lang auf 26 cm³/min er höhte, während die anderen Parameter wie zuvor blieben.

Eine Kernschicht wurde niedergeschlagen, indem man 250 cm³/ min Sauerstoff, 25 cm³/min von Argon mit 3% Silan und 750 cm³/min Argon 27 Minuten lang bei 1060°C fließen ließ.

Der solchermaßen aufgebaute Vorformling ist in Fig. 11 ge zeigt. Das Substrat 60 weist auf seiner Innenseite eine äußere Mantelschicht 63, eine innere Mantelschicht 64 und eine Kernschicht 65 auf. Es wurde dann zum Kollabieren in einem Schritt bis zu einem Außendurchmesser von 0,0186 inch (0,472 mm) gebracht und dann durch herkömmliche Mittel in eine Faser gezogen. Die Faser wies einen Außendurchmesser von 0,0046 inch (0,117 mm) auf.

Einzelheiten des zur Bildung der Ummantelungs- und Kern schichten verwendeten Verfahrens kann man finden in "A New Technique for the Preparation of Low-Loss and Graded-Index Optical Fibers", J. B. MacChesney, P. B. O′Conner und H. M. Presby, Proceedings of the I. E. E. E., 62, 1280 (1974) und "Low-Loss Optical Waveguides with Pure Fused SiO₂ Cores, G. W. Tasker und W. G. French, Proceedings of the I. E. E. E., 62, 1281 (1974).

Während des Kollabierens dieses Vorformlings zieht die Oberflächenspannung auf der Außenoberfläche die äußerste Oberfläche in einen Kreisquerschnitt (Fig. 12), wobei das Substrat 60′ eine kreisförmige Außenoberfläche und eine nichtkreisförmige Innenoberfläche aufweist, was von einer Deformierung des Inneren infolge der Außenoberflächenspan nungskräfte herrührt. Die Ummantelung 66 umfaßt das Mate rial von beiden Mantelschichten 63 und 64. Ihre exakte Form ändert sich natürlich mit den einzelnen Parametern des Vorformlings. Die Elliptizität der Ummantelung 66 ist in Fig. 12 zum Zweck der Verdeutlichung übertrieben. Im allgemeinen ist die Mantel-Substrat-Oberfläche in ihrem Querschnitt entschieden elliptisch, und die Oberfläche zwi schen dem Kern 65′ und der Ummantelung 66 ist im Querschnitt kreisförmig oder weist einen sehr geringen Grad an Ellipti zität auf. In einigen Fällen kann sich die Elliptizität des Kerns stark von derjenigen der Ummantelung unterschei den. Dies scheint von den relativen Schmelzpunkten von Kern- und Ummantelungsglas abzuhängen. Beispielsweise wird ein reiner Silica-(Siliciumoxid-)Kern in einer Borsilikat ummantelung fest werden, während die Ummantelung noch flüs sig ist und als nahezu rund erscheint. Eine ähnliche Faser mit einem reinen Germaniumoxidkern, einer Borsilikatummante lung und einer Pyrex-Substratröhre besitzt einen flachen, bandartigen Kern. Wahrscheinlich könnte die Kernelliptizität durch Dotieren, mit dem der Schmelzpunkt verändert wird, gesteuert werden.

Eine nach der beschriebenen Methode hergestellte Faser hielt eine Polarisation über eine Länge von 100 m aufrecht, und zwar mit besser als 100 : 1 (d. h., wenn ein Strahlen bündel polarisierter Strahlung in die Faser gekoppelt wur de und das Eingangsende der Faser so orientiert war, daß die minimale Energiemenge vom Ausgangsende in einer Ebene ausgesendet wurde, die in einem rechten Winkel zum Haupt strahlenbündel stand, war dieser minimale Betrag kleiner als 1% der Energie des Hauptstrahlenbündels).

Man glaubt, daß die Polarisation der übertragenen Strahlung durch eine Kombination aus asymmetrischer Geometrie und Spannungsdoppelbrechung erhalten wird. Theoretisch neigen beide diese Bedingungen zu einer Erhaltung der Polarisation, und welche in irgendeinem Fall vorherrschend ist, hängt von den Parametern der in Frage stehenden speziellen Faser ab.

Im Fall der zuvor beschriebenen Faser ist der Kern kreis förmig oder lediglich leicht elliptisch, und die Zone größter geometrischer Asymmetrie ist die Mantel-Substrat- Grenzfläche, in welcher das elektromagnetische Feld schwach ist. Geometrische Faktoren sind weniger wichtig als span nungsinduzierte Doppelbrechung. Die Spannungsdoppelbre chung ist bei den in den Fig. 11 bis 15 beschriebenen Aus führungsformen größer als 5×10^-5.

Die Faser steht unter (mechanischer) Spannung, da das Substratmaterial und das Kernmaterial (im wesentlichen reines SiO₂) einen Schmelzpunkt aufweisen, der von demjeni gen der Ummantelung verschieden ist, da die Ummantelung do tiert ist, um ihren Brechungsindex zu ändern. Wenn der Vor formling abkühlt, nachdem er zum Kollabieren gebracht wor den ist, kühlt das Substrat zuerst ab, wobei der ellipti sche Querschnitt für die noch flüssige (oder weiche) Umman telung erzeugt wird. Wenn die Ummantelung abkühlt und hart wird, wird sie vom Substrat an einer Schrumpfung gehindert und wird daher dazu gebracht, ein größeres Volumen einzu nehmen, als es der Fall wäre, wenn das Substrat nicht vorhanden wäre, mit dem Ergebnis, daß die Faser gespannt ist. Da das Substrat asymmetrisch ist, ist auch die Span nung asymmetrisch, was zu Doppelbrechung führt.

Die relativen Größen von geometrischem Effekt und Spannungs effekt hängen von der Faserform ab, von den relativen Schmelzpunkten und Dicken der verschiedenen Schichten und auch von der Methode, mit welcher der Vorformling in eine Faser gezogen wird. Der Grad, in welchem eine gegebene Faser eine Polarisation erhält, hängt auch von Polarisa tionsbeeinträchtigungsgesichtspunkten von Faserverunreini gungen, -blasen und Unregelmäßigkeiten der Faserabmessun gen, unter anderem, ab, und das resultierende Ergebnis die ser konkurrierenden Effekte muß in jedem speziellen Fall empirisch bestimmt werden.

Bei der zuvor beschriebenen Methode wird ein Schleifvorgang angewendet, um ein asymmetrisches Substrat zu erzeugen. Diese Methode besitzt den Vorteil, daß sie leicht zu vari ieren ist. Die Herstellung einer Fasermenge würde jedoch dadurch erleichtert, daß man die Substraröhren von anfang an mit einem nichtkreisförmigen Querschnittsaufbau her stellt. Die Nichtkreisförmigkeit braucht natürlich nicht in Form flacher Oberflächen auf der Außenseite dieses Substrates vorzuliegen, und dem Fachmann werden viele ande re geeignete Formen einfallen. Beispielsweise kann die äußere Oberfläche 71 des Substrates einen elliptischen Querschnitt und das Innere 72 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen (Fig. 13). Die äußere Oberfläche 91 kann sogar dreieckig sein, wie es Fig. 15 zeigt (mit einem kreisförmi gen Inneren 92). Andererseits kann die äußere Oberfläche 81 kreisförmig und die innere Oberfläche 82 elliptisch sein (Fig. 14). In diesem letzten Fall geht die durch Oberflä chenspannung auf der äußeren Oberfläche erzeugte mechani sche Deformierung des Inneren verloren, die durch unter schiedliche Wärmezusammenziehung erzeugten Spannungen bleiben jedoch.

Allen diesen verschiedenen Konfigurationen ist eine Substrat röhre gemeinsam, deren Dicke im wesentlichen ungleichmäßig ist, was die allgemeinste Beschreibung einer Substratröhre darstellt, die bei den in den Fig. 11 bis 15 gezeigten Aus führungsformen verwendet werden kann.

Die zuvor beschriebene beispielsweise Faser umfaßte Ummante lungsschichten mit einem Schmelzpunkt, der niedriger war als der Schmelzpunkt des Substrats, so daß die Ummantelungs schicht unter einer Dehnungsspannung stand. Es ist natür lich auch möglich, solche Kombinationen von Ummantelung und Substrat zu verwenden, daß das Substrat zuletzt hart wird und sowohl die Ummantelung als auch den Kern zusammenpreßt.

Die beispielsweise Faser war eine "W"-Faser mit zwei Umman telungszonen. Die Erfindung ist auch bei einer Faser an wendbar, die eine einzige Ummantelungsschicht aufweist, die entweder gleichförmig dotiert ist oder einen radialen Bre chungsindexgradienten aufweist. Eine solche Faser mit einer einzigen Ummantelungsschicht ist mittels einer Methode her gestellt worden, die sich von der oben beschriebenen nur darin unterscheidet, daß die Mischung aus Argon und 1% Diboran mit einem Durchsatz von 20 cm³/min floß.

Der Ort der Spannung kann durch Ändern der Zusammensetzung der Ummantelungsschichten gesteuert werden. Die Schicht mit dem niedrigsten Schmelzpunkt wird zuletzt fest, und bei der erläuterten Faser erscheint die Spannung als hier konzen triert. Die Spannung kann deshalb auf eine Stelle in der Nähe des Kerns oder in der Nähe des Substrates konzentriert werden, was von den Schmelzpunkten der einzelnen Schichten und von deren Wärmeausdehnungskoeffizienten abhängt. Die resultierende Wirkung der Spannung hängt natürlich auch von den relativen Dicken von Kern, Ummantelung und Substrat ab.

Claims

1. Optischer Wellenleiter für eine einzige Polarisation, der wenigstens teilweise von einer äußeren Hülle umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung einer spannungsinduzierten Doppelbrechung die Hülle (40) in ihrem Querschnitt in zwei zueinander senkrechten Richtungen derart unterschiedliche Abmessungen aufweist, daß die optische Doppelbrechung größer als 5×10^-5 ist.

2. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Abmessungen ein Verhältnis gleich oder kleiner 0,1 aufweisen.

3. Verfahren zur Herstellung eines der Erzeugung einer optischen Faser dienenden Vorformlings mit einer inneren Kernzone (31), die von einer Ummantelung (32) und einer die Ummantelung wenigstens teilweise umgebenden Außenhülle (33) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung einer spannungsinduzierten Doppelbrechung die Hülle mit ersten Abschnitten (a′) gebildet wird, die wesentlich dicker sind als zwischen diesen ersten Abschnit ten befindliche andere, zweite Abschnitte (b) der Hülle, und daß die Hüllendicke zwischen den zweiten Abschnitten und den ersten Abschnitten in zwei zueinander senkrechten Richtungen derart unterschiedliche Abmessungen aufweist, daß die optische Doppelbrechung größer als 5×10^-5 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Hüllendicke zwischen den zweiten Abschnit ten und den ersten Abschnitten gleich oder kleiner als 0,1 gemacht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (40) auf der Ummantelung (41) mit einer gleichför migen Dicke hergestellt wird und daß zwei diametral gegen überliegende, längsverlaufende Schlitze (40′, 40′′) entlang der Hülle vorgesehen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle anfangs mit einer gleichmäßigen Dicke hergestellt wird und die Schlitze dann aus dieser Hülle entfernt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle hergestellt wird, indem zur Ummantelung zwei ring förmige, diametral gegenüberliegende Abschnitte (51, 52) hinzugefügt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle als eine Röhre (60) hergestellt wird, daß Ummantelungsmaterial (63, 64) auf dem Inneren der Röhre durch Dampfniederschlag abgeschieden wird, daß auf dem Inneren der Ummantelung mittels Dampfniederschlag eine Kernschicht (65) niedergeschlagen wird und daß die Röhre zur Bildung des Vorformlings durch einen Erwärmungsprozeß zum Kollabieren gebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß von der äußeren und der inneren Oberfläche der Hülle eine nicht-kreisförmig ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nichtkreisförmigkeit der äußeren Oberfläche der Röhre durch Formgebung erzeugt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt der Ummantelung niedriger ist als derje nige der Hülle, so daß beim Abkühlen des Vorformlings me chanische Spannungen induziert werden.