DE3886121T2

DE3886121T2 - Verfahren zur Herstellung optischer Fasern und dadurch hergestellte Produkte.

Info

Publication number: DE3886121T2
Application number: DE88306842T
Authority: DE
Inventors: Michael M Michie; Quang D Nguyen; Albert J Ritger
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1987-07-30
Filing date: 1988-07-26
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2008-07-27
Also published as: EP0301797A1; EP0301797B1; DK424688A; DE3886121D1; DK424688D0; CA1322849C; KR920009187B1; DK170299B1; KR890002681A

Description

Die Erfindung betrifft chemische Dampfphasenabscheidungsverfahren zur Herstellung einer optischen Multimode-Faser mit einem relativ hohen Längen-Bandbreiten-Produkt and geringer Dämpfung.
Das Interesse an optischen Multimode-Fasern schien zu schwinden, aber in jüngster Zeit ist an ihnenein wieder ein interesse entfacht, insbesondere für den Einsatz in lokalen Netzen. Der relativ große Kern erleichtert das Spleißen und läßt eine effizientere Energiekopplung zu einer Lichtquelle und zu einem Zwischenverstärker zu.
Das Einführen vieler Moden in eine optische Faser, oder alternativ die Erzeugung vieler Moden innerhalb der optischen Faser ruft eine Dispersionsbegrenzung hervor, die wegen der unterschiedlichen Geschwindigkeiten von Moden unterschiedlicher Ordnung eine unscharfe Form annimmt. Modendispersionseinflüsse können durch eine kontinuierliche fokussierende Struktur minimiert werden. Diese Struktur nimmt die Form einer Faser an, deren Index von einem hohen Wert im Kernzentrum zu einem niedrigeren Wert im Mantel abgestuft ist. Der Grundmode ist im allgemeinen auf die höchste Brechzahl begrenzt, die dem niedrigsten Geschwindigkeitsbereich entspricht, während Moden höherer Ordnung im allgemeinen auf einen relativ niedrigen index begrenzt sind, die hohen Geschwindigkeits- bereichen entsprechen.
Ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfaser für den Einsatz in Nachrichtenübertragungssystemen ist als modifizierte, chemische Dampfphasenabscheidung (MCVD) bekannt. Dabei wird ein konstanter Strom aus gasförmigen Vorläufer- Reaktionsmitteln zusammen mit Sauerstoff durch ein Glassubstratrohr mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt gerichtet. Der Sauerstoffstrom trägt Tetrachlorsilizium und Dotiermittel, um eine gewünschte Brechzahl in der fertig bearbeiteten optischen Faser zu erzeugen. Das Substratglas wird auf eine homogene Reaktionstemperatur innerhalb einer beweglichen Wärmezone erhitzt, die auch Heißzone genannt wird, die stetig über Länge des Rohrs bewegt wird, wobei die nachfolgende Reaktion dotiertes Siliziumdioxid erzeugt. Das Verfahren beruht auf homogenen Reaktionen, die entfernt von der Rohrwand Partikel bilden. Die Partikel kommen an der Rohrwand zum Stillstand und verschmelzen an der Innenwand des Rohrs zu einer kontinuierlichen Schicht. Bei jedem Durchgang der beweglichen Heißzone wird eine glasige Schicht abgeschieden. Das resultierende Rohr wird als Vorformrohr bezeichnet. Homogen erzeugte Glaspartikel sammeln sich an den Rohrwänden und verschmelzen innerhalb der beweglichen Heißzone zu einer kontinuierlichen Schicht. Bei der gewöhnlichen Heizeinrichtung entsteht eine simultane, heterogene Reaktion, so daß eine glasige Schicht innerhalb der beweglichen Heißzone durch Reaktion an der erhitzten Wandoberflächen erzeugt wird. Das Substratrohr, innerhalb dessen die Bildung stattfindet, wird kontinuierlich um seine eigene Achse gedreht, um die Gleichmäßigkeitkeit der Abscheidung über die Peripherie zu erhöhen. Siehe hierzu auch die US-PS 4 217 027.
Eine kontinuierliche Verschmelzung innerhalb der Heißzone sowie die resultierende gleichmäßige Dicke der Abscheidung erleichtern die bildung einer optischen Struktur mit einer abgestuften Brechzahl. Gradienten können erzeugt werden, indem die Zusammensetzung der Reaktionsmittel verändert wird, wobei in diesem Fall das Verhältnis eines eine hohe Brechzahl erzeugenden Dotierungsmittels durch sukzessive Verschiebungen der Heißzone erhöht wird. Das Herstellen einer Vorform weist ebenfalls ein Ändern der Temperatur und/oder der Durchflußrate während der Verarbeitung auf.
Nach einem Abscheiden erfolgt ein Kollabrieren, damit aus dem Vorformrohr ein festes Stabelement wird, das Vorform genannt wird. Aus dieser Vorform wird die Lichtleitfaser gezogen. Bei MCVD-Verfahren nach dem Stand der Technik wird bei jedem Durchgang der Brenneinrichtung eine konstante Menge Quarz abgeschieden. Dies wird dadurch verwirklicht, daß die Konzentration und die Durchflußraten der gasförmigen Vorläufer-Reaktionsmittel geregelt werden. Nachteilig ist dabei, daß die resultierende Brechzahlkurve durch eine Vielzahl von Schwankungen gekennzeichnet ist. Bei einer typischen, durch einen MCVD-Prozeß hergestellten Vorform werden über 50 Schichten abgeschieden. Im Unterschied dazu kann eine Vorform, die durch andere bekannte Verfahren hergestellt worden ist, in 200 mehr Durchgängen hergestellt werden.
Die Schwankungen oder Welligkeiten in der Brechzahlkurve sind ein Indiz für wesentliche Unterschiede in der Brechzahl der abgeschiedenen Schichten. Merkliche Schwankungen in der Brechzahlkurve führen zu einer optischen Faser mit einem Längen-Bandbreiten-Produkt, das geringer als erwartet ist, sowie zu einer zusätzlichen Dämpfung. Es ist bekannt, daß mit der Zunahme der Anzahl der Durchgänge sowie damit der Anzahl der Schichten das Längen-Bandbreiten-Produkt steigt. Obwohl das Verwenden von wesentlich mehr Durchgängen und damit mehr abgeschiedener Schichten das Längen-Bandbreiten-Produkt der resultierenden optischen Faser verbessert, gibt es einen weitern Nachteil. Eine erhöhte Anzahl von durchgängen bewirkt, daß das Verfahren zunehmend unwirtschaftlicher wird. Was wünschenswert ist, aber durch den Stand der Technik nicht erreicht wird, sind Verfahren zur Herstellung einer Vorform, aus der eine optische Multimode-Faser mit einem relativ hohen Längen-Bandbreiten-Produkt und mit geringer Dämpfung gezogen werden kann. Diese sehr begehreten Verfahren und apparate sollten derart gestaltet sein, daß sie leicht in konventionelle MCVD-Verfahren und Apparate integriert werden können.
Die oben genannten Probleme nach dem Stand der Technik werden durch das in Anspruch 1 umschriebene Verfahren nach der Erfindung gelöst.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform bereitgestellt, aus der eine optische Faser mit einem relativ hohen Längen-Bandbreiten- Produkt und mit geringer Dämpfung gezogen werden kann, nach dem ein Vorformrohr mit einem Kern und einer Mantelschicht hergestellt wird, wobei die Mantelschicht eine Brechzahl aufweist, deren Wert kleiner ist als die größte Brechzahl des Kerns für eine Energie bei der zu übertragenden Wellenlänge. Ein Strom einer Dampfmischung mit mindestens einer Verbindung eines glasbildenden Vorläufers und einem oxidierenden Medium wird in ein Quarzsubstratrohr eingeleitet, das zur Drehung um eine Längsachse des Rohrs gehalten wird. Das Rohr wird um seine Längsachse gedreht, währen das Rohr derart erhitzt wird, daß das Gemisch reagiert und eine glasige Quarzabscheidung auf der inneren Oberfläche der Rohrwand bildet. Das Erwärmen des Rohrs und seines Inhalts wird durch eine bewegliche Wärmezone erreicht, die von einer entsprechend beweglichen Wärmequelle erzeugt wird, die sich außerhalb des Rohrs befindet, so daß die Verbrennung innerhalb des Rohrs vermieden wird und die Temperatur innerhalb der Wärmezone, die Zusammensetzung des Dampfgemisches und die Durchflußrate des Dampfgemisches bei derartigen Werten gehalten werden, daß mindestens ein Teil der Reaktion innerhalb des Gasgemisches an einer Stelle abläuft, die von der Innenwand des Rohrs räumlich getrennt ist. Dadurch entsteht eine Suspension aus partikelartigem Material eines oxidischen Reaktionsprodukts, wobe das Partikelmaterial, während es sich stromabwärts bewegt, an der inneren Oberfläche der Rohrwand innerhalb eines Bereiches zum Stillstand kommt, der sich über einen Bereich innerhalb der Wärmezone erstreckt. Die bewegliche Wärmezone erfüllt zwei Funktionen, nämlich das Schaffen eines Ortes zur Bildung von Kristallkeimen für eine homogene Reaktion, um partikelartiges Material zu erzeugen, und das Schaffen eines Ortes zur Verfestigung von zuvor erzeugtem, partikelartigem Material.
Die gasförmigen Vorläufer-Reaktionsmittel werden in das Rohr einströmen lassen, wobei der Gasstrom derart geregelt wird, daß die Quarzmenge, die abgeschieden wird, auf eine beabsichtigte Weise unter den Schichten so variiert, daß die Dicke der abgeschiedenen Schichten zum Mittelpunkt des Rohrs abnimmt, und bewirkt, daß die Änderung der Brechzahl von einer abgeschiedenen Schicht zur anderen bei jedem Durchgang verhältnismäßig gering ist. Vorzugsweise wird während der Anfangsdurchgänge eine relative große Quarzmenge abgeschieden wird, abnimmt, so daß die zur Längsmittellinie des Vorformrohrs benachbarten Schichten wesentlich weniger Quarz aufweisen als die äußerten, abgeschiedenen Schichten. Danach kollabiert das Vormformrohr in einen Stab, aus dem die optische Faser gezogen wird. Bei einer optische Multimode-Faser, die nach der Erfindung hergestellt worden ist, ist die Dämpfung geringer als bei einer optischen Faser, die aus einem Vorformrohr gezogen worden ist, in dem im wesentlichen Quarzschichten konstanten Volumens abgeschieden werden. Auch ist das Längen- Bandbreiten-Produkt der optischen Faser wesentlich höher.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 die Vorderansicht einer Vorrichtung, die geeignet ist, ein Abscheidungsverfahren gemäß der Erfindung durchzuführen,
Fig. 2 eine Vorderansicht eines Abschnitts eines Glassubstratrohrs zur Darstellung beobachteter Zustände während der Verarbeitung,
Fig. 3 einen vergrößerten Teil einer Brennanordnung und die Darstellung eines Temperaturprofils über eine Wärmezone, die entlang eines Substratrohrs bewegt wird,
Fig. 4 ein Indexprofil einer Vorform, die durch ein konventionelles MCVD-verfahren hergestellt worden ist,
Fig. 5A-5B und 6A-6B vereinfachte Schichtstrukturen für Vorformrohre und Vorformen, die nach einem konventionellen MCVD- Verfahren bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind,
Fig. 7 das Brechzahlprofil einer Vorform, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist,
Fig. 8 ein Diagramm, das die Durchflußraten der Komponenten darstellt, die bei dem erfindungsgemäßen Abschscheidungsprozeß verwendet werden, wobei die Durchflußraten gegen die Abscheidungsschichtzahl grafisch dargestellt sind,
Fig. 9 ein histogramm der Dämpfungsverteilung optischer Fasern bei einer Wellenlänge von 1,3um, die aus den nach der Erfindung hergestellten Vorformen gezogen worden sind,
Fig. 10 Brechzahlprofile für Vorformen, wobei sich die Verarbeitungsbedingungen von einem Profil zum anderen ändern,
Fig. 11 eine Kurve, die die Rayleigh-Streuungsverluste zur Welligkeitsamplitude auf einer Brechzahlkurve in Beziehung setzt, und
Fig. 12A und 12B übertragene und empfangene Impulse nach der zugehörigen Fouriertransformation, die eine nach der Erfindung hergestellte Faser verwenden.

Detaillierte Beschreibung

Nach Fig. 1 ist eine mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnete Vorrichtung zur Erwärmung und Kollabierung eines Glassubstratrohrs 31 dargestellt, um einen, Vorform genannten Quarzglasstab herzustellen, aus dem eine Lichtleitfaser gezogen wird. Während eines Abscheidungsbetriebs wird das Substratrohr 31 erhitzt, um zu bewirken, daß die in das Rohr eingeführten Reaktionsprodukte aus Gasen und/oder Dotierungsmaterial an der Innenwand des Rohrs verschmelzen, und ein Vorformrohr bilden, das ein geeignetes optisches Profil zur Nachrichtenübertragung aufweist. Dieser Prozeß wird als veränderte chemische Dampfphasenabscheidung bezeichnet und ist in der US-PS 4 217 027 beschrieben. Im dieser Beschreibung bezeichnet das Bezugszeichen 31 sowohl das Substratrohr als auch das Vorformrohr. Das Erhitzen des Glasrohrs 31 wird durchgeführt, während die gasförmigen Reaktionsmittel in das Rohr eingeführt werden. Ein System zum Einführen ist in der US-PS 4 276 243 offenbart.
Die Vorrichtung 30 weist im allgemeinen eine Drehbank 32 mit einem Spindelstock 33 und einem Reitstock 34 auf, die das Glasausgangsrohr 31 zum Drehen um seine Längsachse 36 (siehe Fig. 2) halten. Die Drehbank 32 enthält auch einen Schlitten 40, der zur Hin- und Herbewegung entlang der Drehbank befestigt ist. An dem Schlitten 40 ist eine Brennanordnung befestigt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 41 bezeichnet ist. Bei der Brennanordnung 41 kann es sich um eine Anordnung handeln, die in der US-PS 4 231 777 oder der US-PS 4 401 267 gezeigt ist.
Ein gasförmiges Material wird in das Rohr 31 durch ein Einlaßrohr 42 eingeführt, das der Reihe nach mit einem Rohstoff-Vorratsbehälter 43 verbunden ist. Das gasförmige Material enthält Vorläufer-Reaktionsmittel, wie beispielsweise Tetrachlorsilizium, Germaniumtetrachlor, Phosphoroxychlorid und Dichloridfluormethan, die aus Behältern 44, 45, 46 bzw. 47 über einzelne Leitungen in eine Sammelleitung 50 strömen. Die abgeschiedenen Quarzschichten sind in der Regel mit Germanium, Phosphor oder Fluor dotiert. Ein solcher Vorratsbehälter kann einen Sauerstoffeinlaß (nicht gezeigt) enthalten, der mit der Sammelleitung 50 verbunden ist. Die Behälter 44, 45 und 46 enthalten in der Regel flüssige Reaktionsmittel, die in das Rohr 31 mittels eines Trägergases eingeführt werden, das durch die Einlässe 51, 52 und 53 einströmt, wobei die Anordnung derart ausgebildet ist, daß das Trägergas die Flüssigkeiten durchperlt. Austretendes Material wird aus dem Rohr 31 durch einen Auslaß 58 abgesaugt. Nicht gezeigt ist eine Anordnung von Misch-und Absperrventilen, die benützt werden können, um die Durchflüsse zu messen und andere notwendige Zusammensetzungen einstellen zu können. Dir Vorrichtung nach Fig. 1 ist so angeordnet, daß die Längsachse des Rohrs 31 im allgemeinen horizontal verläuft.
Fig. 2 ist eine Vorderansicht eines Abschnitts eines Substratrohrs 31, wie es während der Abscheidung beobachtet wird. Es ist ein Teil der Brennanordnung 41 dargestellt, die konstant mit dem Schlitten 50 bewegt wird, um eine bewegliche Wärmezone 62 (siehe auch Fig. 3), oder, wie es gemeinhin heißt, eine Heißzone zu erzeugen, die sich über eine Anzahl von Durchgängen längs des Rohrs 31 in die durch den Pfeil 63 gezeigte Richtung bewegt. Die Wärmezone 62 entspricht einer Rohrlänge, längs derer das Temperaturprofil durch die Brennanordnung 41 gebildet wird, solange sie sich entlang des Rohrs bewegt. Gasförmiges Material wird am linken Ende des Rohrs 31 und zwar am Spindelstockende der Drehbank eingeführt und strömt in der durch den Pfeil 64 gezeigten Richtung in den in Fig. 3 dargestellten Abschnitt, der der besseren Klarheit wegen weggebrochen ist. Für typische MCVD- Verarbeitungsbedingungen sind zwei Bereiche eindeutig beobachtbar. Eine stromabwärts der beweglichen Heißzone 62 befindliche Zone 65 ist mit einer beweglichen pulverigen Suspension aus oxidhaltigem Partikelmaterial gefüllt, während ein Bereich 66, der frei von solchen Partikeln ist, den Bereich festlegt, innerhalb dessen eine Verschmelzung des zuvor abgeschiedenen Materials stattfindet.
Die Brennanordnung 41 ist derart ausgebildet, daß ein Strom brennbaren Gases Flammen erzeugen kann, die zur Außenfläche des Rohrs 31 gerichtet sind. Indem die Hitze des brennenden Gases auf einen bestimmten Oberflächenbereich des Rohrs beschränkt wird, erzeugt die Brennanordnung 41 eine Wärmezone 62 (siehe Fig. 3), die das Temperaturprofil 71 auf der Oberfläche des Rohrs aufweist. Das Befestigen der Brennanordnung 41 auf dem Schlitten 40 sowie seine Bewegung relativ zum Rohr 31 bewirken, daß die Wärmezone sich entlang der Rohrlänge bewegt. Die Brennanordnung 41 ist auf dem Schlitten 40 befestigt und wird von diesem gehalten. Durch Einstellen eines Haltearms kann die Brennanordnung 41 innerhalb eines beliebigen Entfernungsbereiches vom Rohr 31 oder zu irgendiner von mehreren Stellen auf und entfernt von dem Rohr bewegt werden. Die Möglichkeit, die Brennanordnung in Querrichtung einzustellen, hilft das Temperaturprofil entlang aufeinanderfolgender Abschnitte des sich drehenden Rohrs zu steuern, während die Brennanordnung längs der Rohrlänge während des Abscheidungsbetriebs bewegt wird.
Die Ströme, die auf die Oberfläche einstömen, erzeugen Flammen, die ein Temperaturprofil liefern, das das Abscheiden von beispielsweise dotiertem Siliziumdioxid auf der inneren Oberfläche des Rohrs 31 sowie das nachfolgende Kollabieren erleichtert. Die Brennanordnung 41 erzeugt eine Wärmezone 62 (siehe Fig. 3) mit Temperaturen, die sich von ca. 1600ºC während eines Abscheidungsbetriebs bis ungefähr 2200ºC während eines Kollabierbetriebs erstrecken. Wie aus fig. 3 gesehen werden kann, erstreckt sich die Wärmezone 62 vor und hinter die Brennanordnung 41. Da sich die Brennanordnung 41 entlang des Rohrs 31 bewegt, bliebt die maximale Temperatur 73 innerhalb der Wärmezone hinter einer Mittellinie 74 der Brennanordnung 41 zurück. Angenommen, daß keine Einstellung an den Gasstömungsreglern vorgenommen wird, wird der Abstand zwischen der maximalen Temperatur 73 der Wärmezone und der Mittellinie 74 der Brennanordnung um so größer, je schneller sich die Brennanordnung bewegt.
Sauerstoff reagiert mit dem Tetrachlorsilizium und geeigneten Dotierungsstoffen. Überwiegend bilden sich Oxide des Tetrachlorsiliziums und der Dotiermittel, sobald sie die Heißzone erreichen. Stromabwärts der Brennanordnung ist das Rohr relativ kühl und Oxidpartikel scheiden sich dort ab und verschmelzen später durch die bewegliche Brennanordnung. Die übrigen Reaktionsprodukte werden am Reitstock der Drehbank abgesaugt.
Es war üblich, Quarzschichten gleichen Volumens innerhalb des Rohrs 31 abzuscheiden. Insoweit als der Durchmesser jeder nachfolgenden Schicht von dem der vorherigen abnimmt, nimmt die Dicke jeder nachfolgenden Schicht in dem Vorformrohr leicht zu.
Mehrere Durchgänge sind notwendig, um ein Gradienten- Brechzahlprofil zu erhalten. Bekanntlich muß man einen Kompromiß zwischen der Dicke der Abscheidungsschicht und der Glätte des Brechzahlprofils eingehen. Höhere Abscheidungsraten führen gewöhnlich zu einer kleineren Anzahl von dicken Schichten und zu einem Brechzahlprofil 76 mit beträchtlichen Schwankungen (siehe Fig. 4).
Nach dem Abscheiden einer Vielzahl von Quarzschichten innerhalb des Susbstratrohrs 31 läßt man das Vorformrohr kollabieren, um ein Vorformrohr (siehe Fig. 5A) zu erhalten. Die bewegliche Brennanordnung 41 wird verwendet, um das Rohr auf eine Temperatur von ungefähr 2200ºC für ein erschmolzenes Quarzrohr zu erhitzen. Oberflächenspannungen und/oder externe Drücke bewirken, daß das Rohr schnell schrumpft und in einen festen Stab 80 (siehe Fig. 5B) kollabriert, der als Vorform bezeichnet wird. Anschließend wird eine optische Faser aus der Vorform gezogen und aufgenommen, wie es beispielsweise in der US-PS 4 370 355 gezeigt ist.
Das Verfahren nach dem Stand der Technik zum Abscheiden von Quarzschichten konstanten Volumens bewirkt, daß die Dicken der inneren Schichten größer sind als die Dicken der äußeren Schichten (siehe Fig. 5A). Beispielsweise ist die Dicke einer innersten Schicht 77 in Fig. 5A größer als die einer äußersten Schicht 78. Wie aus Fig. 4 gesehen werden kann, ist die Schwankungs- oder Welligkeitsamplitude in dem Brechzahlprofil der Schichten ziemlich ausgeprägt, die der Längsachse der Vorform am nächsten sind, die der Längsachse 36 des Glasanfangs- oder Substratrohrs entspricht.
Dabei versteht sich, daß die Änderungen der Dicke zwischen den Schichten in dem Vorformrohr 31 gering sind, aber zur besseren Klarheit in Fig. 5A übertrieben groß dargestellt sind. Natürlich werden die Dickeunterschiede ausgeprägter (siehe Fig. 5B), wenn das Vorformrohr 31 in die Vorform 80 kollabiert ist.
Das theoretische Längen-Bandbreiten-Produkt, das bei einer durch das MCVD-Verfahren hergestellten, optischen Multimode- Faser erreicht werden kann, liegt in der Größenordnung von ungefähr 10 GHz-km. Typischerweise liegt jedoch das maximale Längen-Bandbreiten-Produkt, das bei der Herstellung einer optischen Faser erreicht werden kann, in der Größenordnung von ungefähr 1,5 GHz-km. Wie oben bereits erwähnt, verursacht die ausgeprägte Schwankungsamplitude in den zu der Längsachse des Substratrohrs (siehe Fig. 4) benachbarten Schichten eine Reduktion des Längen-Bandbreiten-Produkts.
Dieses Problem kann überwunden werden, indem eine größere Menge Phosphor verwendet wird, aber dieses Mittel führt nur zu anderen Problemen. Beispielsweise nimmt die Fähigkeit des Materials, mit der Atmosphäre zu reagieren, mit zunehmender Phosphorkonzentration zu, und bewirkt, daß Feuchtigkeit in der resultierenden Vorform auftritt. Das führt zu einer Verschlechterung der Leistungsmerkmale der daraus gezogenen optischen Faser, insbesondere nach einer Periode von Einsätzen. Außerdem verursacht die Verwendung übertriebener Mengen von Phosphor bei der resultierenden optischen Faser Strahlungsdämpfungsprobleme. Aufgebrochene, dem Phosphor zugeordnete Verbindungen bilden, wenn sie einer Umgebungsstrahlung ausgesetzt werden, Farbzentren, die zu einer erhöhten Dämpfung führen. Desweiteren beeinflußt die Verwendung übermäßiger Phosphorkonzentrationen die Form der optischen Faser nachteilig; denn je höher die Phosphorkonzentration, desto ovaler wird die gezogene Faser. Dies verursacht natürlich auch Probleme beim Verbinden. Diese Probleme wurden durch Ändern des herkömmlichen MCVD- Verfahren vermieden, bei dem ein konstantes Quarzvolumen bei jedem Durchgangdes Brenners abgeschieden wird, was zu Quarzschichten gleichen Volumens führt. Bei dem Konstant- Volumen-Verfahren nimmt die Dicke jeder Schicht beginnend mit der, die dem Mantel benachbart ist, in Richtung zur Längsachse des Vorformrohrs 31 zu (siehe Fig. 5A). Beim Verfahren nach der Erfindung verändert sich das abgeschiedene Quarzvolumen von einer Schicht zur anderen auf eine beabsichtigte Weise, um zu bewirken, daß die Veränderung der Brechzahl von einer Schicht zur anderen relativ gering ist. Als Ergebnis wird die Schwankungsamplitude in der Brechzahlkurve reduziert, was zu einem gesteigerten Längen-Bandbreiten-Produkt führt. Dies bewirkt weiter, daß die Gesamtdämpfung der aus der Vorform 80 gezogenen optischen Faser deutlich geringer ist, als die für eine aus einer Vorform gezogen optischen Faser, die aus Quarzschichten mit im wesentlichen konstantem Volumen hergestellt worden ist.
Bei einer Ausführungsform wird das abgeschiedene Quarzvolumen bei jedem nachfolgenden Durchgang auf eine derartige Weise verringert, daß die dicke einer Schicht 81 (siehe Fig. 6A) benachbart zu der Mantelschicht oder dem Substratrohr die Dicke der innersten Schicht 82 übersteigt. Die äußerste Schicht 81 weist typischerweise eine Dicke auf, die größer ist als die innerste abgeschiedene Schicht, die durch herkömmliche MCVD-Prozesse hergestellt worden ist. Auch die Dicke der innersten Schicht 82, die (wie in Fig. 6A gezeigt) in dem Vorformrohr 31 abgeschieden wird, entspricht ungefähr einem Drittel der Dicke der innersten Schicht 77 eines typischen Vorformrohrs 31 nach Fig. 5A, die in einem konventionellen MCVD-Prozeß hergestellt worden ist. In Fig. 6B ist das in Fig. 6A gezeigte Vorformrohr 31 dargestellt, nachdem es in eine Vorform 80 kollabiert ist. Dabei versteht sich, daß die Dicke der äußersten Schicht der in Fig. 6A gezeigten Vorform 31 größer oder kleiner sein kann als die der in Fig. 5A gezeigten äußersten Schicht 78. Es ist wichtig festzuhalten, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren der Betrag des abgeschiedenen Quarzes von Schicht zu Schicht variiert.
Wir betrachten nun die Fig. 4 und 7, aus denen gesehen werden kann, daß das Brechzahlprofil 76 einer Vorform, die nach herkömmlichen MCVD-Verfahren hergestellt worden ist, Schwankungen benachbart zur Längsachse 36 aufweist, die in ihrer Amplitude wesentlich größer sind als entsprechende Schwankungen einer Vorform, die nach der Erfindung hergestellt worden ist (siehe das in Fig. 7 mit 79 bezeichnete Profil). Die Charakteristiken der Schwankungen in der Brechzahlkurve sind eine funktion der Wärmemenge, die während der Abscheidung abgegeben worden ist, der Dicke der Schicht und der chemischen Verarbeitungsbedingungen. Da die Schichtabscheidungen innerhalb des Substratrohrs 31 erfolgen und die Wärme an die Außenfläche des Rohrs abgegeben wird, ist es viel leichter, die nach dem Stand der Technik erzeugte dünnere Schicht zum Mantel benachbart abzuscheiden, als die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte dickere Schicht. Die Zunahme der Dicke ist jedoch nicht so groß, und da die äußerste Schicht der Wärmequelle am nächsten ist, wird die Schicht relativ problemlos abgeschieden. Andererseits ist es schwierig, eine innere Schicht mit konstantem Volumen abzuscheiden, da sie von der Wärmequelle am nächsten ist, wird die Schicht relativ problemlos abgeschieden. Andererseits ist es schwierig, eine innere Schicht mit konstantem Volumen abzuscheiden, da sie von der Wärmequelle am weitesten entfernt ist. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die innerste Schicht dünner als diejenige, die mit den konventionellen MCVD-Verfahren abteschieden worden ist, und da zum Sintern der Abscheidung weniger Wärme benötigt wird, sind die Schwankungsamplituden in der Brechzahlkurve wesentlich niedriger. Es wurde festgestellt, daß die größten Schwankungsamplituden in der Brechzahlkurve benachbart zur Längsachse des Vorformrohrs, das durch herkömmliche MCVD- Verfahren hergestellt worden ist, ungefähr dreimal so groß sind, wie die der innersten Schichten, die mit den Verfahren nach der Erfindung abgeschieden worden sind.
Betrachten wir nunmehr Fig. 8, so kann gesehen werden, daß nach einem Verfahren zur Abscheidung von Quarzschichten mit konstantem Volumen (siehe in Fig. 8 die mit 84 bezeichnete Linie) die Germaniumdotierkomponente auf eine nicht lineare Weise erhöht wird, wie durch eine mit 85 bezeichnete Linie dargestellt ist. Wie ebenfalls aus Fig. 8 gesehen werden kann, stellt eine mit 86 bezeichnete Strichpunktlinie einen abfallenden Quarzabscheidungsprozeß nach der Erfindung dar. Diese gezielte Quarzabscheidung wird von einer Germaniumtetrachlorkonzentration begleitet, die nicht-linear ist (siehe die mit 87 in Fig. 8 bezeichnete Strichpunktlinie), deren Konzentration aber nivelliert, nachdem eine Schicht zwischen der ersten und letzten Schicht abgeschieden worden ist. Die Brechzahl wird durch die Germaniumkonzentration in einer Lösung aus Germanium und Quarz beeinflußt. Es besteht die Freiheit, den Quarzgehalt zu erniedrigen, aber der Germaniumgehalt muß so festgelegt werden, daß ein gewünschtes Brechzahlprofil erreicht wird.
Wir betrachten nunmehr Fig. 9, in der Dämpfungsverteilungen bei einer Wellenlänge von 1.3um gezeigt sind. Beim Vergleich der Brechzahlprofilkurven der Fig. 4 und 7 kann gesehen werden, daß die äußeren Bereiche der beiden Kurven ähnliche Schwankungsamplitudenverläufe aufweisen. Die mittleren Hälften der beiden Kurven unterscheiden sich jedoch erheblich, und deshalb ist die Dämpfung der optischen Faser, die nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellt worden ist, größer als für die neue.
Das Brechzahlprofil einer Vorform wird durch Verarbeitungsbedingungen beeinflußt, die entweder während des Abscheidens oder des Kollabierens verwendet werden. Mit Bezugszeichen 88, 89, 91 und 92 bezeichnete Profile sind in der Fig. 10 gezeigt und unterscheiden sich nur in den Verarbeitungsbedingungen, nicht aber in ihrer chemischen Zusammensetzung. Wie bereits früher erwähnt, beeinflußt auch der Phosphorgehalt die Schichtstruktur, wobei die Änderungen in der Schichtstruktur von ähnlicher Größe zu sein scheinen, wie diese, die für Verarbeitungsvarianten gefunden worden sind. Aus verschiedenen Vorformen, die unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen während des Kollabierens, des Abscheidens oder mit verschiedenen Phosphorgehalten hergestellt worden sind, werden optische Fasern gezogen, deren spektrale Dämpfung gemessen worden ist. Die Größe der Schichtstruktur kann aus dem Vorformprofil mit einer genormten Schwankungsamplitude charakterisiert werden, die als Differenz in der Änderung der Brechzahl über eine Schicht festgelegt ist, die durch die mittlete änderung der Brechzahl für diese Schicht dividiert wird. Die Korrelation zwischen der Rayleigh- Streuung und der Schichtstruktur ist in Fig. 11 gezeigt, in der Werte des Rayleigh-Streuungskoeffizienten gegen Werte der genormten Schwankungsamplitude grafisch dargestellt sind. Die Punkte 88, 89, 91 und 92 auf dem in Fig. 11 dargestellten Graphen entsprechen den Vorformen der Fig. 10, die unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen hergestellt worden sind, wobei die mit 93, 94, 95 und 96 bezeichneten Punkte optischen Faserproben entsprechen, die aus den mit verschiedenen Phosphorgehalten hergestellten Vorformen gezogen worden sind. Wie gesehen werden kann, ist die Auswirkung der Schichtstruktur auf die Rayleigh-Streuung größer und hängt nicht davon ab, wie die Schichtstruktur verändert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft eine optische Faser mit einem vergrößerten Längen-Bandbreiten-Produkt. Während ein typisches Längen-Bandbreiten-Produkt für eine nach den herkömmlichen MCVD-Verfahren hergestellte optische Faser ungefähr 1,5 GHz-km ist, beträgt das Längen-Bandbreite-Produkt für eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte optische Faser ungefähr 2,4 GHz-km. Bei einigen Beispielen wurde für eine optische Faser, die nach der Erfindung hergestellt worden ist ein Längen-Bandbreiten-Produkt von über 6,0 GHz-km erreicht, das sich dem theoretischen Grenzwert für optische Multimode-Fasern annähert. Dieser Vorteil äußert sich in der Erhaltung der Impulsform während der Übertragung. Bei einer konventionellen optischen Multimode-Faser unterscheidet sich der empfangene Impuls vom übertragenen Impuls aufgrund einer Verzerrung. Wie aus den in Fig. 12A gezeigten Zeitbereichskurven gesehen werden kann, entspricht die Form eines empfangenen Impulses 97 bei der optischen Faser nach der Erfindung im wesentlichen derselben Form wie der eines übertragenen Impulses 98, und das sogar nach einer Übertragung über 2,4 km. In Fig. 12B ist ein Graph 99 der optischen Dämpfung gegen die Frequenz gezeigt, der eine Berechnung des Längen-Bandbreiten-Produkts aus der Information der in Fig. 12A gezeigten Kurven darstellt.
Vorteilhafterweise ist das Längen-Bandbreiten-Produkt einer optischen Faser, die aus einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorform gezogen worden ist, gegenüber dem Verfahren zur Anregung der optischen Faser weniger empfindlich, als das Längen-Bandbreiten-Produkt einer nach dem herkömmlichen MCVD-Verfahren hergestellten optischen Faser. Beispielsweise beeinflußt eine Anregung durch eine abgeflachte Leistungsverteilung im Gegensatz zu einer gleichmäßigen Leistungsverteilung das Längen- Bandbreiten-Produkt einer optischen Faser, die aus einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorform gezogen worden ist, viel weniger, als das Längen-Bandbreiten-Produkt einer optischen Faser, die aus einer nach dem bekannten MCVD-Verfahren hergestellten Vorform gezogenen worden ist.
Es wurde herausgefunden, daß die Abscheidungsrate unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren erhöht werden kann. Es konnten biespielsweise Abscheidungsraten für das erfindungsgemäße Verfahren von ungefähr 1,25 bis 1,5g/min erzielt werden, wohingegen nach dem bekannten MCVD-Verfahren eine Abscheidungsrate von ungefähr 1g/min für ein 19 x 25mm Rohr erreicht wurde.
Für eine gegebene Dicke einer abgeschiedenen Schicht innerhalb des Substratrohrs 31 wird eine minimale Temperatur benötigt, um das abgeschiedene Material zu sintern, und eine maximale Temperatur benötigt, unterhalb derer keine unerwünschten Blasen entstehen. Unter Verringerung der Schichtdicken von der äußersten zur innersten Schicht wird die zum Sintern der innersten Schichten benötigte Temperatur auf einen Wert weit unterhalb des Wertes erniedrigt, bei dem Blasen in dem Vorformrohr gebildet werden. Bei den nach dem MCVD-Verfahren nach dem Stand der Technik erzeugten, relativ dicken inneren Schichten muß mehr Wärmeenergie durch die Rohrwand geleitet wird, wobei die zuvor abgeschiedenen Schichten und die Dicke der innersten Schicht dadurch die Möglichkeit einer Blasenbildung erhöhen.
Es wurde herausgefunden, daß die Abscheidungsrate für die nach den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten ersten äußeren Schichten zwei- bis dreimal höher sein kann als für die nach dem konventionellen MCVD-Verfahren hergestellte äußerste Schicht. Andererseits kann die Abscheidungsrate für die in Fig. 6A gezeigte innerste Schicht 82 ungefähr zwei Drittel von der Abscheidungsrate nach dem konventionellen MCVD-Verfahren sein. Das mittlere Endergebnis entspricht einer höheren Rate für die erfindungsgemäßen Verfahren.
Aus dem vorangegangenen wird geschlossen, daß die Verfahren nach der Erfindung nicht nur zu einem erhöhten Längen- Bandbreiten-Produkt sonder auch zu einer verringerten Dämpfung führen. Daraus ergibt sich, daß die optische Faser, die aus einer nach der Erfindung hergestellten Vorform gezogen worden ist, Ergebnisse erzielt, die mit denen vergleichbar sind, die bein Abscheiden von deutlich mehr Schichten innerhalb eines Rohrs als nach einem herkömmlichen MCVD- Verfahrens erreicht werden, aber bei kürzeren Abscheidungszeiten und geringeren Kosten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer optischen Multimodefaser mit einem relativ glatten Brechungsindex-Profil, mit folgenden Merkmalen:

eine Vorform von der die optische Faser gezogen werden kann, wird bereitgestellt und umfaßt folgende Unterschritte:

eine Substratrohr (31) wird zur Drehung um seine Längsachse gestützt;

Vorläufer-Reaktionsstoffe (44-47) strömen in Gasphase in das Rohr;

das Rohr wird um sein Längsachse zum Drehen gebracht;

eine Wärmequelle wird entlang des Rohres in einer Mehrzahl von Durchgängen bewegt, wobei jeweils eine Schicht glasigen Materials niedergeschlagen wird;

die Temperatur wird so gesteuert, daß die Reaktionsprodukte als Schichten glasigen Materials im Inneren des Rohres niedergeschlagen werden;

das Substrat mit den abgeschiedenen Schichten wird zur Bildung einer Vorform kollabieren lassen und optische Fasern werden von der Vorform gezogen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der abgeschiedenen Schichten zur Mitte des Rohres abnimmt, so daß die Stufen des Brechungsindex in der Vorform zur Mitte des Kerns kleiner sein können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der abgeschiedenen Schichten dadurch gesteuert wird, daß die Größe des Stroms der Vorläufer-Reaktionsstoffe gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der abgeschiedenen Schichten dadurch gesteuert wird, daß die Konzentrationspegel der Vorläufer-Reaktionsstoffe gesteuert wird.

4. Verfahren naach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der abgeschiedenen Schichten dadurch gesteuert wird, daß die Größe des Stroms und die Konzentrationspegel der Vorläufer-Reaktionsstoffe gesteuert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Schicht des in dem Substratrohr abgeschiedenen glasigen Materials eine Dicke aufweist, die wesentlich größer ist als die der äußersten Schicht in einem Substratrohr mit glasigen Materialabscheidungen von im wesentlichen konstantem Volumen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser einen Kern und einen Mantel umfaßt, daß der Mantel einen Brechungsindex mit einem kleineren Wert als der maximale Brechungsindex des Kerns für die Energie der zu übertragenden Wellenlänge aufweist und daß die Reaktionstoffe in Gasphase dadurch vorgesehen werden, daß ein sich bewegender Strom (über 42) einer Dampfmischung (über 50) eingeführt wird, die mindestens eine Verbindung des glasbildenden Vorläufers (44-47) zusammen mit einem oxidierenden Medium (51-53) in das Rohr (31) umfaßt, während aufeinanderfolgende Stücke des Rohrs in einer Heizzone (62) bei jedem der Mehrzahl der Durchgänge der Wärmequelle entlang des Rohres einer Reaktion mit der Mischung ausgesetzt und eine Mehrzahl von Schichten von Silica innerhalb des Rohres niedergeschlagen werden, wobei die innerste Schicht in Berührung mit der Innenoberfläche des Rohres steht, wobei ferner die Temperatur innerhalb der Heizzone, die Zusammensetzung der Dampfmischung und die Zuführungsrate der Dampfmischung auf solchen Werten gehalten werden, daß mindestens ein Teil der Reaktion innerhalb der gasförmigen Mischung an einer Stelle entfernt von der inneren Wandung des Rohres stattfindet, wobei eine Suspension des partikelförmigen Materials aus oxidischen Reaktionsprodukten erzeugt wird, die während ihrer Wanderung stromab auf der Innenoberfläche des Rohrs in einem Bereich zur Ruhe kommen, der sich von einer Stelle innerhalb der Heizzone erstreckt;

daß ferner die sich bewegende Heizzone Kernbildungsplätze für zuvor erzeugtes partikelförmiges Material schafft, daß die Abscheidung der Schichten innerhalb des Rohrs so gesteuert wird, daß die abnehmende Dicke der Schichten zur Rohrmitte zustande kommt, wobei die Schichten des im Rohrinneren gebildeten Silika sich in vorbestimmter Weise ändern und der Ausschlag der Änderung des Brechungsindes innerhalb dieser Schicht relativ klein ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Germanium-Tetrachlorid und Silicum- Tetrachlord in das Rohr strömen und daß Germanium-Tetrachlord zur Reaktion mit dem Silicium-Tetrachlorid gebracht und die Größe des Germaniumstroms für jede Schicht in Richtung zur Längsachse des Rohrs verkleinert wird und daß das Silicum-Tetrachlorid in aufeinanderfolgend abnehmenden Beträgen zum Strömen gebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenneichnet, daß die Volumenabnahme des Silica zwischen den Schichten so gesteuert wird, daß das Volumen in im wesentlichen konstanter Weise abnimmt und daß die von der optischen Vorform gezogene optische Faser eine Bandbreite von mindestens ungefähr 2,4 GHz km aufweist.