DE3312698A1 - Monomode-faser - Google Patents
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Description
Monomode-Faser
Die Erfindung bezieht sich auf optische Monomode-Fasern.
Lichtleiterfasern (optische Fasern) lassen sich für den
Monomode-Betrieb bei speziellen Wellenlängen von beispielsweise 1 ,3 μπι oder 1,55 um auslegen. Um jedoch in einem
Langstrecken-Nachrichtenübertragungssystem mit hoher Bitrate eingesetzt werden zu können, darf die Monomode-Faser
auch nur geringe Rayleigh-Streuverluste, geringe biegungsbedingte Verluste und eine niedrige chromatische Dispersion
aufweisen. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß eine Faser mit Stufen-Brechungsindexprofil, mit einem einen
Durchmesser von 7,5 um aufweisenden, cjermaniumdotierten
Kern, einem einen Durchmesser von 110 um aufweisenden
Quarzglasmantel und einer Brechungsindexdifferenz von Δ= 0,5 Prozenz durch sehr niedrige Dämpfung und sehr hohen Widerstand
gegenüber durch Biegung verursachte (d. h. durch die Kabelverlegung verursachte) Dämpfung gekennzeichnet ist.
Allerdings liegt die geringste Dispersion in der Nähe von 1,35 um, was zu weit von der bevorzugten Betriebswellenlänge
von 1,3 \im entfernt ist. Im Hinblick hierauf stellen
Germanium-Fluoro-Phosphorsilicat-Lichtleiterfasern mit
im Brechungsindex herabgesetztem Mantel eine attraktive
■β Λ * «μ *
Alternative dar, da der zum Erhöhen des Brechungsindex des Kerns verwendete Dotierstoff Germanium dazu beiträgt,
die Wellenlänge, bei der keine Materialdispersion auftritt, anzuheben, während das zum Verringern des Brechungsindex
des Mantels verwendete Fluor bewirkt, daß die Materialdispersion bei größeren Wellenlängen von beispielsweise
1,55 μπι verringert wird. Im Ergebnis können die Beiträge
der beiden Dotierstoffe zu der chromatischen Dispersion ins Gleichgewicht gebracht werden, und die gesamte chromatische
Dispersion läßt sich bei jeder Wellenlänge innerhalb des gewünschten Bereichs zwischen 1,28 und 1,38 μπι bei
Kerndurchmessern zwischen 6 und 10 um minimieren. Demnach
lassen sich die Wellenleiterparameter der Faser, beispielsweise der Kerndurchmesser und die Brechungsindexdifferenz,
derart wählen, daß die Verluste minimiert werden, während die Dispersionseffekte durch Auswahl geeigneter Dotierstoff
konzentrationen minimiert werden können.
Allerdings wurde beobachtet, daß die Lichtleiter, bei denen der Brechungsindex des Mantels herabgesetzt ist, bei größeren
Wellenlängen durch stärkere Verluste gekennzeichnet sind. Daher ist eine für den Betrieb bei 1,3 μΐη ausgelegter Lichtleiter
bei 1 ,55 μΐη nicht brauchbar. Dies bedeutet, daß die
Verwendung einer für 1,3 μπι geeigneten Faser in irgendeinem
System es nicht zulassen würde, daß das System für den gleichzeitigen Betrieb bei 1,3 μΐη und einer größeren Wellenlänge
von beispielsweise 1,55 μπι ausgebaut würde.
1/2 ' COPY '
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Erkennen der für Monomode-Betrieb typischen Dämpfungsmechanismen bei
Fasern mit im Brechungsindex verringertem Mantel. Fasern dieser Art besitzen eine Kernzone mit dem Brechungsindex
η , die von einem ersten, inneren Mantel mit dem Brechungs· index n^und von einem zweiten, äußeren Mantel mit dem
Brechungsindex n^ umgeben ist, wobei η ^n^n. gilt.
Erfindungsgemäß wird der Bereich starker Dämpfung bei größeren Wellenlängen dadurch aus dem Nutzbereich entfernt,
daß das Verhältnis der Radien des ersten Mantels und des Kerns gleich oder größer 6,5 : 1 gemacht wird.
Aus Kieselerde bestehende Fasern, die im Kern mit Germaniumoxid und im Mantel mit Fluor dotiert sind,
sind insofern von besonderen Interesse, als sie dem Erfordernis geringer Dispersion bei jeder Wellenlänge
im Bereich zwischen 1,28 und 1,38 \xm entsprechen können.
Stellt man erfindungsgemäß das Mantel/Kern-Verhältnis auf 8 : 1 ein, so lassen sich Dämpfungen von weniger
als 0,1 dB/km bei Wellenlängen von weniger als 1,6 μΐη
erreichen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an
Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer Doppelmantel-Lichtleiterfaser,
Fig. 2 das Brechungsindexprofil der in Fig. i gezeigten
Faser,
Fig. 3 zwei Scharen von Dämpfungskurven von
Strahlungsstreuverlusten,
Strahlungsstreuverlusten,
Fig. 4 an Hand einer graphischen Darstellung die
Auswirkung von Biegungen im Brechungsindexprofil, und
Fig. 5 bis 8 Kurvenscharen, die die Auswirkung von Biegungen auf die Faserdämpfung veranschaulichen.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer Doppelmantel-Monomode-Lichtleiterfaser
10 mit einer einen Radius r und einen
Brechungsindex η aufweisenden Kernzone 11, die umgeben
ist von einem ersten, inneren Mantel 12 mit Radius r. und
Brechungsindex η., sowie einem zweiten, äußeren Mantel
13 mit Radius r2 und Brechungsindex n0. Fig. 1 zeigt
darüberhinaus, wie die Brechungsindizes als Funktion der Entfernung von der Faserachse variieren können. Von besonderem
13 mit Radius r2 und Brechungsindex n0. Fig. 1 zeigt
darüberhinaus, wie die Brechungsindizes als Funktion der Entfernung von der Faserachse variieren können. Von besonderem
COPY
Interesse sind die sog. Fasern mit "im Brechungsindex herabgesetztem Mantel", was bedeuten soll, daß der Brechungsindex
des inneren .Mantels kleiner ist als der Brechungsindex sowohl des Kerns als auch des äußeren Mantels, d. h. es gilt
die Beziehung:
(1)
Die Bruchteilsdifferenzen Aund /\' zwischen dem Kern und dem
zweiten Mantel bzw. zwischen dem ersten und dem zweiten Man tel betragen:
nc - n2
c 2
Δ = : ny~ (2)
Δ = : ny~ (2)
Δ'=^-1
<3>
Dieser spezielle Brechungsindexverlauf ist einem einfachen
Einzelmantel-Stufen-Brechungsindexprofil aus einer Reihe von Gründen vorzuziehen. Wie oben erwähnt wurde, läßt sich
durch die Kombination von Germanium als brechungsindexerhöhendem Dotierstoff im Kern und von Fluor als brechungsindexverringerndem
Dotierstoff im inneren Mantel die gesamte chromatische Dispersion bei jeder Wellenlänge innerhalb des
gewünschten Bereiches zwischen 1,28 μΐη und 1,38 μΐη bei
Fasern mit Kerndurchmessern zwischen 6 und 10 μΐη minimieren.
Darüberhinaus läßt sich durch geringere Dotierstoffkonzen-
tration im Kern die gleiche gesamte Kern-Mantel-Brechungsindexdifferenz
( /\ + /\') erhalten, und dadurch die auf
Rayleigh-Streuung zurückzuführende Dämpfung verringern.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei größeren Wellenlängen die Lichtleiter mit im Brechungsindex herabgesetztem Mantel
durch große Verluste gekennzeichnet sind. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis der für diese Dämpfung ursächlichen
Vorgänge.
Kernpunkt des Verständnisses dieser Vorgänge ist der Begriff des "Abschneidens" (cut-off) des Grund-HE^1-Wellentyps.
Man sagt, daß ein Mode (Wellentyp) geleitet wird, wenn sein Feld außerhalb des Faserkerns als Funktion des
radialen Abstands exponentiell abklingt. Andererseits kann das modale Feld nach einem anfänglichen exponentiellen
Abklingen in der Nähe des Kerns eine in dem Außenmantel . radial verlaufende Welle bilden. Wenn dies geschieht, so
spricht man davon, daß der Mode "Abgeschnitten" ist. Somit bedeutet der Begriff "Abschneiden" im vorliegenden Zusammenhang
nicht, daß keine Leistung durch die Faser übertragen werden könnte, sondern der Begriff bedeutet lediglich, daß,
weil die Leistung nicht vollständig in dem Lichtleiter gefangen bleibt, etwas von der Leistung ausstreuen kann und
durch das Abstrahlen verloren geht.
COPY
In einer einfachen Stufenprofilfaser ( /^1 =0) wird die
Wellenenergie auch bei beliebig großen Wellenlängen nicht abgeschnitten. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen,
daß der Brechungsindex des Kerns für Signale sämtlicher interessierender Wellenlängen größer ist als der Brechungsindex
der den Kern umgebenden Mäntel. In einer Faser mit im Brechungsindex herabgesetztem Mantel jedoch, wie sie
in Fig. 1 veranschaulicht ist, tendiert der effektive Brechungsindex der Faser zum Verkleinern, wenn die Signalwellenlänge
so weit ansteigt, daß ein Wert des effektiven Brechungsindex erreicht ist, der kleiner ist als der
Brechungsindex des Außenmantels. Wenn diese Situation eintritt, so wird die Faser bezüglich Signalen dieser und
größerer Wellenlängen abgeschnitten. Der Grund dafür ist an Hand von Fig. 2 veranschaulicht. Fig. 2 zeigt das
Brechungsindexprofil einer Faser mit im Brechungsindex herabgesetztem Mantel sowie die Signalfeldverteilung für
zwei Wellenlängen λ. und λ , wobei λ? >Λ*·
Bei der kürzeren Wellenlänge λ. konzentriert sich das Feld
in der Kernzone 11, was durch die gestrichelte Kurve 20 angedeutet ist. Bei dieser Feldverteilung liegt der effektive
Brechungsindex in der Nähe des Brechungsindex der Kernzone, und er ist größer als der Brechungsindex n„ des Außenmantels,
Für die größere Wellenlänge λ ist das Feld nicht eng an
die Kernzone gebunden, sondern es streut in die Zone des inneren Mantels 12 hinein, wie durch die Kurve 21 veranschaulicht
ist. Da der Brechungsindex des inneren Mantels kleiner ist als der Brechungsindex -sowohl des Kerns als
auch des äußeren Mantels 13, tendiert dar effektive
Brechungsindex bei größeren Wellenlängen dazu, kleiner zu werden, und er erreicht schließlich einen Wert, der
kleiner ist als n~. Der effektive Brechungsindex η beträgt
C* \-i
wobei λ die Ebenenwellenlänge des Signals im freien Raum und \j die modale Wellenlänge des Singals in der Faser ist.
Wenn η größer ist als no, so treten keine Strahlungsverluste
auf. Wird jedoch η kleiner als n9, so strahlt das Signal
durch den Mantel, und man sagt, daß es abgeschnitten wird.
Eine Annäherungsformel für Abstrahlungsenergiedämpfung 2a in einer Doppelmantelfaser mit im ßrechungsindexprofil
stark herabgesetztem Mantel sieht folgendermaßen aus:
copy
2α = 2TTk_
mit k = [η2(1+Δ)2}ς2-/32] 1/2
* " 2A 13 * 2λ
y = ί/Τ-η'Π-Δ·)^
α = (n2k2-^)1/2
V = kr η. Γ2ΓΔ+Λ · η1/2
krcn2[2(A+A')]
Die Gleichung (5) gilt für Dämpfungswerte, die von
praktischem Interesse sind. Die Gleichung gilt nicht, wenn die Äbstrahlungsverluste bereits ein tolerierbares Maß
überschreiten.
Fig. 3 zeigt zwei Scharen von Dämpfungskurven für auf Abstrahlungsstreuung zurückzuführende Dämpfung. Die
Kurven wurden als Funktion der Wellenlänge für eine Familie von Kieselerdefasern mit germaniumdotiertem
Kern mit Radius 3,75 μπι und fluordotiertem ersten
Mantel berechnet. Die Gesamt-Brechungsindexdifferenz zwischen Kern und Mantel für ein solches System beträgt
typischerweise 0,5% (d. h.
Die Schar mit den ausgezogenen Kurven zeigt die Dämpfungen, wenn das Mantel/Kern-Verhältnis r1/r für unterschiedliche
Werte von /\ 6 ist. Wenn beispielsweise /\ = 0%, so
sind die Brechungsindizes des Kerns und des äußeren Mantels gleich, und der effektive Brechungsindex η ist bei sämtlichen
niedrigen Wellenlängen kleiner als n„. Die Dämpfung steigt also mit der Wellenlänge rasch an. Wenn ^ ansteigt, d. h.
wenn der Brechungsindex des zweiten Mantels im Vergleich zu dem des Kerns abnimmt, sind die Verluste als Funktion der
Wellenlänge gering.
Die Schar der gestrichelten Kurven zeigt eine ähnliche Variation als Funktion von /^. Auf Grund des größeren Verhältnisses
von r. : r sind die Verluste jedoch überall geringer.
Betrachtet man eine Dämpfung von 0,1 dB/km als die höchste
zulässige Dämpfung, so ergibt sich daraus eine Wellenlänge von 1,55 μΐη, wenn ^ etwa 0,26% bei einem Verhältnis r1 : r
von entweder 6 oder 7 beträgt. Jedoch sind diese Kurven insoweit etwas irreführend, als sie sich auf gerade Fasern
beziehen. Wenn man die Auswirkungen von Faserbiegungen in Betracht zieht, so ändert sich das Dämpfungsbild auf Grund
der Störung des effektiven Faserprofils dramatisch. Wenn eine Faser mit dem in Fig. 4 durch die Kurve 40 dargestellten
Brechungsindexprofil gebogen wird, so verformt sich das effektive Brechungsindexprofil in der Weise, wie
es durch die gestrichelte Linie 41 angedeutet ist. Im Ergebnis verringert sich der effektive Wert von j\ von dem
für die gerade Faser maßgeblichen Wert /^1 auf den für die
IQPY
gebogene Faser maßgeblichen Wert von ^. Wenn beispielsweise
der effektive Wert von /\ von 0,26 auf 0,25 verringert wird,
erhöht sich die Dämpfung bei einer Wellenlänge von 1,55 pm
von 0,1 dB auf etwa 8 dB bei einer Faser, deren Verhältnis r1 : r 6 beträgt, wohingegen bei einer Faser, deren
Verhältnis r1 : r 7 beträgt, nur eine Erhöhung auf etwa
0,4 dB erfolgt. Dies veranschaulicht ziemlich klar die Bedeutung des Mantel/Kern-Verhältnisses. Der bevorzugte Wert
dieses Verhältnisses hängt von einer Reihe praktischer Erwägungen ab. Um das Verspleißen zu vereinfachen, ist es
wünschenswert, daß der Kerndurchmesser nicht kleiner als 7,5 bis 8 um ist. Damit sich die Faser als Monomode-Faser bei
1,3 um eignet, sollte /\ nicht größer als 0,5% sein.
Um schließlich sicherzustellen, daß die auf Rayleigh-Streuung zurückzuführende Dämpfung nicht zu groß wird,
beträgt ^. ' vorteilhafterweise weniger als 0,4%. Unter
Berücksichtigung dieser Randbedingungen erhält man eine Schar von Kurven, wie sie in den Fig. 5 bis 8 gezeigt sind.
Diese Kurven zeigen die Dämpfung als Funktion der Wellenlänge für verschiedene Krümmungsradien. Die in Fig. 5
gezeigte Kurvenschar beispielsweise gilt für r =3,75 um;
r1 : rc =
= 0,5%; ^ = 0,3%. Bei Λ = 1,55 um
erreicht die Dämpfung einen Wert von 0,1 dB/km für einen . Krümmungsradius von etwa 9 cm. Wenn für die gegebenen Werte
von Λ, /\' und r das Verhältnis r1 : r auf 7 erhöht wird,"
kann man den Krümmungsradius für die gleiche Dämpfung bei
einer Wellenlänge von 1,55 μΐη auf etwa 6 cm verringern.
Fig. 7 und 9 zeigen ähnliche Kurvenscharen für eine Faser mit einem geringfügig größeren Kernradius von 4 um und
einem Wert [\ von 0,4%. Dies entspricht einer Erhöhung der
Differenz zwischen den 3rechungsindizes von Kern und zweitem Mantel. Diese beiden Änderungen verringern die
auf Biegung zurückzuführende Dämpfung oder gestatten andererseits
bei gleicher Dämpfung einen kleineren Krümmungsradius .
Es lassen sich viele solcher Kurven ermitteln. Hierbei wird offenbar, daß eine Monomode-Faser für einen Betriebsbereich zwischen λ= 1,3 und 1,55 um das Verhältnis der
Radien des ersten Mantels und des Faserkerns von Bedeutung ist, und daß insbesondere dieses Verhältnis wenigstens
den Wert 6,5 übersteigen sollte, um die durch Biegung verursachte Dämpfung niedrig zu halten.
Zusätzlich zu den zwei aktiven Wellenleiter-Mantelschichten
können weitere Materialschichten vorgesehen sein, bei denen es sich um Nebenprodukte beim Herstellungsvorgang handelt,
oder die aus Gründen hinzugefügt wurden, die nicht im Zusammenhang mit der Wellenleiterfunktion der Faser stehen.
Im Gegensatz zu den zwei optisch aktiven Mänteln, die derart ausgelegt sind, daß sie bei den interessierenden
Copy
Wellenlängen geringe Dämpfung aufweisen, können derartige zusätzliche Schichten bei den genannten Wellenlängen
verlustbehaftet se'in. Wird beispielsweise von dem MCVD-Verfahren (modifiziertes Dampfniederschlagungsverfahren)
Gebrauch gemacht, so ist der am weitesten außen liegende Mantel von dem Rohling-Ausgangsrohr umgeben, das, da es
aus Kieselerde besteht, typischerweise durch große Verluste gekennzeichnet ist. Außerdem können die weiteren Schichten
eine Barrierenschicht enthalten, die das Wandern von OH-Radikalen in die Kernzone verhindern soll. Macht man
jedoch die zweite Mantelschicht dick genug, so beeinflussen derartige zusätzliche Mäntel nicht die Wellenleitereigenschaften
der Faser und können in bezug auf die Erfindung ignoriert werden.
Claims (4)
1. Monomode-Faser, mit einem einen Brechungsindex η und
einen Radius r aufweisenden inneren Kern, der umgeben. ist von einem ersten, inneren Mantel, der einen
Brechungsindex n* und einen Außenradius r. aufweist,
und von einem zweiten, äußeren Mantel, der einen Brechungsindex no aufweist, wobei die Beziehung nn<n0<n
dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis r.. : r wenigstens- β .,5 : 1 beträgt.
das Verhältnis r.. : r wenigstens- β .,5 : 1 beträgt.
2. Faser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die durch
Δ =
nc - n2
gegebene Bruchteilsdifferenz Δ zwischen dem Brechungsindex
des Kerns und dem des ersten Mantels und die durch
Δ1 =
n2 - n i
Radedcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883*04 Telex 5212313 Telegramme Patentconsult
Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561?9S Telex 4186237 Telegramme Patentconsult
Telefax CCCITT 2) Wiesbaden und München (039) S34-S618 Attention Patentconsult
gegebene teilsdifferenz /y zwischen den Brechungsindizes
des ersten und des zweiten Mantels der Beziehung
Δ1
= 0,5 Prozent
genügt
3. Faser nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß Δ ■<
0,4 Prozent ist.
4. Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Faser eine Monomode-Faser für Wellenlängen von über 1,3 μΐη ist.
COPY
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