DE60209457T2

DE60209457T2 - Optische Stufenindexfaser mit dotiertem Kern und Mantel, Vorform und Herstellungsverfahren fÜr eine solche Faser

Info

Publication number: DE60209457T2
Application number: DE60209457T
Authority: DE
Inventors: Ludovic Fleury; Louis-Anne De Montmorillon; Florent Beaumont; Pierre Sillard; Maxime Gorlier; Pascale Nouchi; Jean-Florent Campion; Christine Labatut
Original assignee: Draka Comteq BV
Current assignee: Draka Comteq BV
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2002-04-29
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2022-04-30
Also published as: US20020168162A1; FR2824642A1; DE60209457D1; US6904213B2; FR2824642B1; CN1388078A; CN1223537C; EP1256554A1; EP1256554B1; ATE318794T1; DK1256554T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Übertragung durch optische Fasern und genauer optische Fasern mit einer Stufe im Brechungsindex, in der folgenden Beschreibung als „Index" bezeichnet, die als Faserstrecken in solchen Übertragungssystemen verwendet werden.
Bei optischen Fasern bewertet man das Indexprofil im Allgemeinen in Abhängigkeit des Verlaufs des Graphen der Funktion, die dem Radius der Faser den Brechungsindex zuordnet. Bei der klassischen Form ist auf den Abszissen der Abstand r zur Mitte der Faser und auf den Ordinaten die Differenz zwischen dem Brechungsindex und dem Brechungsindex des Mantels der Faser dargestellt. Man spricht dabei vom Indexprofil in „Stufe", als „Trapez" oder als „Dreieck" bei Graphen, die jeweils die Form einer Stufe, eines Trapezes oder Dreiecks aufweisen. Diese Kurven sind im Allgemeinen repräsentativ für das theoretische oder eingestellte Profil der Faser, wobei die Herstellungsbedingungen der Faser zu einem wesentlich unterschiedlichen Profil führen können.
Klassischerweise verwendet man als Faserstrecken für Übertragungssysteme mit optischen Fasern Fasern mit Stufenindex, die auch SMF Fasern genannt werden (Akronym aus dem Englischen „Single Mode Fiber"). Die Anmelderin vertreibt so unter der Bezeichnung ASMF 200 eine Einmodenfaser mit Stufenindex, die eine Wellenlänge λ₀ zur Annulierung der chromatischen Dispersion zwischen 1300 und 1320 nm aufweist, und eine chromatische Dispersion kleiner oder gleich 3,5 ps/(nm·km) in einem Bereich von 1285–1330 nm und von 17 ps/(nm·km) bei 1550 nm. Die Steigung der chromatischen Dispersion bei 1550 nm liegt im Bereich von 0,06 ps/(nm²·km).
WO-A-00 36443 beschreibt eine optische Faser mit Stufenindex, die einen Kern mit einem Index aufweist, der größer ist als derjenige des Mantels. Dieser ist von einer Kohlenstoffschicht umgeben. Der Kern weist einen Durchmesser zwischen 9,5 und 12,0 μm auf. Die relative Differenz zwischen dem Index des Kerns und des Mantels beträgt zwischen 0,3 und 0,5%. In diesem Dokument ist angegeben, dass die Faser aus Quarz hergestellt werden kann, indem man den Kern mit Germanium dotiert, mit einem Mantel aus Quarz; eine Alternative besteht darin, den Mantel mit Fluor zu dotieren, unter Verwendung eines Quarzkerns.
Diese beiden Lösungen weisen Nachteile auf. Einerseits benötigt das Dotieren des Kerns mit Germanium hohe Konzentrationen an Germanium – typischerweise größer als 5 Gew.-% – um die bezüglich eines Quarzmantels erforderliche Indexdifferenz erreichen zu können. Solche Germaniumkonzentrationen erhöhen die Dämpfung in der Faser. Andererseits impliziert die Herstellung einer Faser mit Quarzkern und dotiertem Mantel, wie in diesem Dokument nahegelegt, die Verwendung bei der Herstellung einer Technik von axialem Niederschlag in der Dampfphase (VAD oder engt. „Vapour Axial Deposition"), oder einer Technik der externen Oxidation in der Dampfphase (OVPO oder engl. „Outside Vapour Phase Oxydation"). WO-A-00 42458 beschreibt eine Übertragungsfaser für Langstrecken-Übertragungssysteme; der Mantel ist mit Fluor dotiert und der Kern mit Chlor. Die Faser ist mit einer VAD-Technik hergestellt.
Für die Herstellung von optischen Fasern verwendet man auch die sog. MCVD-Technik – modifizierter chemischer Niederschlag in der Dampfphase. Man schlägt sukzessive im Inneren eines Niederschlagsrohres Quarzschichten nieder, die Dotierungen enthalten, durch die der Index variiert werden kann. Dieses Rohr wird dann querschnittsvermindert oder zusammengezogen, um eine erste Vorform zu bilden. Diese erste Vorform wird in eine oder mehrere Hülsen eingeführt, die querschnittsvermindert oder zusammengezogen werden, um gegen die erste Vorform gedrückt zu werden. Die so erhaltene Vorform wird gezogen, um die Faser zu bilden. Diese Herstellungstechniken sind dem Fachmann wohl bekannt.
So beschreibt EP-A-0 972 752 eine Herstellung durch MCVD und offenbart das Niederschlagen der sukzessiven Schichten des Mantelmaterials und des Kernmaterials im Inneren eines Niederschlagsrohres. Nach Kontraktion wird das Niederschlagsrohr in eine oder mehrere Hülsen eingeführt; es wird offenbart, dass die innere Hülse eine Dotierung aufweist, die den Index senkt, um eine Faser mit verdecktem Mantel zu bilden. Der im Inneren des Niederschlagsrohres niedergeschlagene Mantel kann mit Fluor dotiert werden, wobei der Kern mit Germanium dotiert ist. Wenn die Reinheit des Niederschlagsrohres ausreichend ist, kann der Niederschlag des Mantels verhindert werden. Das Niederschlagsrohr ist ein Glasrohr mit einer OH-Ionenkonzentration kleiner als 0,05 ppm in Masse. US-A-4 566 754 oder US-A-5 692 087 offenbaren auch eine Faser mit Stufenindex, hergestellt durch MCVD durch Niederschlagen eines mit Fluor dotierten Mantels und eines mit Germanium dotierten Kerns in einem Niederschlagsrohr aus Quarz.
US-A-5 942 296 offenbart für dieselbe Art von Vorform das Ziehen der Vorform zu erleichtern, indem man auf die Viskosität und die thermische Leitfähigkeit des Niederschlagsrohres aus Quarz und der Hülse(n), die dieses umgeben, einwirkt. Durch diese Lösung wird vermieden, den Kern der Vorform zu erhitzten. In diesem Dokument ist präzisiert, dass die Kosten der Fabrikation durch MCVD sinken, wenn die Dicke des mit Fluor dotierten Mantels geringer wird.
EP-A-O 899 243 offenbart noch eine Faser mit Stufenindex, die einen mit Germanium dotierten Kern, einen mit Fluor dotierten inneren Mantel und einen nicht-dotierten äußeren Mantel aus Quarz aufweist. Diese Anmeldung offenbart das Ziehen der Faser bei einer Geschwindigkeit größer als 20g/min.
EP-A- 0 863 108 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform durch Niederschlag einer Nachfüllung im Plasma außerhalb eines Niederschlagsrohres.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung von Fasern mit Stufenindex durch MCVD. Bezüglich der in diesen Dokumenten vorgeschlagenen Lösung – Niederschlagsrohr aus Quarz, Mantel mit Fluor dotiert und Kern mit Germanium dotiert – ermöglicht sie eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses der Vorform und die Verringerung von dessen Dauer und Kosten. Sie ermöglicht außerdem den Erhalt einer Faser mit Stufenindex, die eine wesentlich größere effektive Oberfläche und eine geringere Dämpfung aufweist.
Genauer offenbart die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform zum Ziehen einer optischen Faser, das umfasst:

– die Bildung eines inneren Mantels durch chemischen Niederschlag in der Dampfphase im Inneren eines Niederschlagsrohres, das einen Index aufweist, der kleiner ist als der Index von Quarz, wobei der innere Mantel einen Index im Wesentlichen gleich dem Index des Niederschlagsrohres aufweist, wobei die relative Differenz zwischen dem Index des inneren Mantels und dem Index des Niederschlagsrohres im Absolutwert kleiner als 0,02% ist,
– die Bildung eines Kerns, der einen Index aufweist, der größer ist als der Index von Quarz, durch chemischen Niederschlag in der Dampfphase im Inneren des Mantels.

Bei einer Ausführungsform ist die Differenz zwischen dem Index des Niederschlagsrohres und dem Index von Quarz kleiner als –0,5·10^–3.
Bei einer anderen Ausführungsform beträgt die Differenz zwischen dem Index des Kerns und dem Index des inneren Mantels zwischen 4,3·10^–3 und 5·10^–3
Das Verfahren kann außerdem umfassen:

– die Querschnittsverminderung des Niederschlagsrohres mit dem inneren Mantel und dem Kern; und
– den Niederschlag einer durch Plasma niedergeschlagenen Nachfüllung um das querschnittsverminderte Rohr, wobei die Nachfüllung einen Index aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Index des Niederschlagsrohres ist.

Es kann auch vorgesehen werden:

– die Querschnittsverminderung des Niederschlagsrohres mit dem inneren Mantel und dem Kern; und
– die Querschnittsverminderung einer Hülse um das querschnittsverminderte Rohr, wobei die Hülse einen Index aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Index des Niederschlagsrohres ist.

Die Erfindung offenbart auch eine Vorform zum Ziehen einer optischen Faser, die aufweist:

– ein Niederschlagsrohr mit einem Index, der kleiner ist als der Index von Quarz;
– einen inneren Mantel im Niederschlagsrohr, der einen Index aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Index des Niederschlagsrohres ist, wobei die relative Differenz zwischen dem Index des inneren Mantels und dem Index des Niederschlagsrohres im Absolutwert kleiner als 0,02% ist;
– einen Kern im Inneren des Mantels, der einen Index aufweist, der größer ist als der Index von Quarz.

Es ist vorteilhaft, dass die Differenz zwischen dem Index des Niederschlagsrohres und dem Index von Quarz kleiner als –0,5·10^–3 ist. Die Differenz zwischen dem Index des Kerns und dem Index des inneren Mantels beträgt vorzugsweise zwischen 4,3·10^–3 und 5·10^–3.
Um das Niederschlagsrohr kann man eine Nachfüllung vorsehen, die eine Index aufweist, der gleich dem Index des Niederschlagsrohres ist oder auch eine Hülse, die einen Index aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Index des Niederschlagsrohres ist.
Die Erfindung offenbart auch ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser, die das Ziehen einer solchen Vorform umfasst. Sie offenbart schließlich eine optische Faser, die aufweist:

– einen Mantel mit einem Index, der kleiner ist als der Index von Quarz;
– einen inneren Mantel, der sich im Inneren dieses Mantels erstreckt und einen Index aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Index des Mantels ist und;
– einen Kern, der sich im Inneren des inneren Mantels erstreckt und einen Index aufweist, der größer ist als der Index von Quarz.

Bei einer Ausführungsform weist die optische Faser auf:

– eine Differenz Δn zwischen dem Index des Kerns und dem Index des inneren Mantels zwischen 4,3·10^–3 und 5·10^–3;
– einen Kernradius r₁ zwischen 4,8 μm und 5,7 μm, und
– ein Produkt r₁·√ Δn des Kernradius mit der Wurzel der Differenz zwischen 0,336 μm und 0,378 μm.

Die optische Faser kann einen Mantel aufweisen, dessen Indexdifferenz bezüglich des Indexes von Quarz kleiner als –0,5·10^–3 ist und eine relative Indexdifferenz zwischen dem Index des inneren Mantels und dem Index des Mantels im Absolutwert von kleiner 0,02%.
Der innere Mantel ist gekennzeichnet durch quasi-periodische Schwankungen des Indexes zwischen 0,3–10^–3 und 0,5·10^–3 im Absolutwert, die eine Symmetrie um die Faserachse aufweisen, mit einer Periodizität im Bereich von 0,6 bis 1,4 μm. Dieser innere Mantel kann von C₂F₆ dotiert sein und in diesem Fall ist die Schwankungsgeschwindigkeit des Indexes, gegeben durch das Verhältnis zwischen dem Abstand von Spitze zu Spitze des Indexes und der halben Periodenlänge der Schwankungen, zwischen 0,4·10^–3 μm^–1und 1,7·10^–3 μm^–1. Der innere Mantel kann auch von SiF₄ dotiert sein und in diesem Falle ist die Periodenlänge unverändert und das Verhältnis zwischen dem absoluten Abstand von Maximum zu Maximum des Indexes und der halben Periodenlänge der Schwankungen beträgt zwischen 0,2·10^–3 μm^–1 und 0,7·10^–3 μm^–1.
Es ist auch vorteilhaft, dass die Schwankungsgeschwindigkeit des Indexes im Mantel kleiner als 0,1·10^–3 μm^–1 ist.
Die optische Faser kann auch eine effektive Oberfläche aufweisen, die größer oder gleich 90 μm² bei einer Wellenlänge von 1,55 μm ist oder bei einer theoretischen Grenzwellenlänge, die kleiner oder gleich 1,65 μm ist.
Vom Profil her betrachtet kann die optische Faser auch gekennzeichnet sein durch eine oder mehrere der folgenden Beziehungen:

– das Verhältnis zwischen dem Radius r₂ (in μm) des Niederschlagsrohres und dem Radius r₁ (in μm) des Kerns ist größer oder gleich –7,33·r₁·√ Δn + 4,36, mit r₁·√ Δn als Produkt des Kernradius mit der Wurzel der Differenz zwischen dem Index des Kerns und dem Index des inneren Mantels.
– das Verhältnis zwischen dem Radius r₂ des Niederschlagsrohres und dem Radius r₁ des Kerns ist kleiner oder gleich –10,71·r₁·√ Δn + 6,7 ist, mit r₁·√ Δn als Produkt des Kernradius mit der Wurzel der Differenz zwischen dem Index des Kerns und dem Index des inneren Mantels.

Es ist auch vorteilhaft, dass die Leistung, die sich in dem der Teil der Faser ausbreitet, der dem Niederschlagsrohr entspricht, zwischen 0,025 und 1,4% beträgt. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich beim Lesen der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung, die als Beispiel gegeben sind und sich auf die beiliegende Zeichnung beziehen, deren einzige Figur eine schematische Darstellung des Indexprofils einer erfindungsgemäßen Faser zeigt.
Die Erfindung offenbart für die Herstellung einer optischen Faser mit Stufenindex durch MCVD die Verwendung eines Niederschlagsrohres mit einem den Index senkenden Dotierungsmittel; in diesem Rohr ist ein dotierter innerer Mantel niedergeschlagen, der im Wesentlichen den Index des Niederschlagsrohrs zeigt, dann ein dotierter Kern, der einen Index größer als denjenigen des Mantels und des Niederschlagsrohres aufweist. Nach Querschnittsverminderung ist es noch vorteilhaft, eine Nachfüllung vorzusehen, die auch dotiert ist, um den Index bis zu einem Index nahe dem Index des Niederschlagsrohrs abzusenken.
Die durch Ziehen erhaltene Faser einer gemäß diesem Verfahren geschaffenen Vorform weist einen Kern, einen inneren Mantel, der dem dotierten inneren Mantel entspricht, der im Inneren des Niederschlagsrohres angebracht ist, und einen Mantel auf, der dem Niederschlagsrohr entspricht; es ist möglich, an der so erhaltenen Faser den Mantel, den inneren Mantel und den Kern der Faser zu unterscheiden. In der Tat stammt der Mantel aus dem Niederschlagsrohr und weist einen Index auf, der im Wesentlichen konstant ist; wenigstens hat der Mantel keinen Grund, im Wesentlichen periodische Schwankungen des Indexes gemäß einer Rotationssymmetrie um die Achse der Faser aufzuweisen. Ebenso weist die Nachfüllung oder die Hülse, deren Index den Index des Mantels nicht um mehr als 0,5·10³ übersteigt, auch keine im Wesentlichen periodischen Schwankungen des Indexes auf. Im Gegenzug resultiert der innere Mantel aus dem Niederschlag durch CVD im Inneren des Niederschlagsrohrs. In dem Maße, in dem ein solcher Niederschlag in mehreren Schritten erfolgt, weist der innere Mantel in der Tat eine Vielzahl von Schnittstellen oder Wellungen des Indexes mit geringer Amplitude auf. Es ist somit möglich, an einer optischen Faser zu bestimmen, ob ein Mantel und ein innerer Mantel existiert.
Der Grad von Verlusten durch Krümmung ist ein wichtiges Merkmal, das es bei der Herstellung einer optischen Faser zu berücksichtigen gilt. Bei einer Faser mit Stufenindex hängen die Verluste durch Krümmung vom Index des Mantels und dem Verhältnis r₂/r₁ ab, das das Verhältnis vom Radius r₂ an Anfang des Mantels, ausgehend von der Achse der Faser, zum Radius des Kerns r₁ beschreibt. Für einen gegebenen Mantelindex werden die Verluste durch Krümmung größer, wenn das Verhältnis r₂/r₁ sich verringert. Ebenso wachsen für ein gegebenes Verhältnis r₂/r₁ die Verluste durch Krümmung mit dem Index des Mantels. Um ein geringes Niveau von Verlusten durch Krümmung zu halten – ein Niveau kleiner als 10^–5 dB/m bei einem Radius von 30mm – muss der Radius r₂ größer als ein minimaler Wert r_2m bleiben, der umso höher ist, je höher der Index des Mantels ist. Vorausgesetzt der Index des Mantels bleibt größer oder gleich dem Index des inneren Mantels ist der Wert r_2m minimal, wenn der Index des Mantels gleich dem Index des inneren Mantels ist. Dies ist insbesondere der Fall bei den Fasern der Erfindung, wo der Index des Niederschlagsrohres und der Nachfüllung im Wesentlichen gleich dem Index des inneren Mantels ist. Im Gegenzug ist dies nicht der Fall bei Fasern mit Quarzkern (Pure Silica Core Fiber, PSCF), die mit OVD- oder AVD-Techniken hergestellt sind, wo der Index des Mantels aus Quarz gleich dem Index des Kerns ist. Die PSCF-Fasern sind somit charakterisiert durch hohe Werte des Radius r2, wie weiter oben definiert, und benötigen somit einen höheren Niederschlagsquerschnitt des inneren Mantels, um ein geringes Niveau von Verlusten durch Krümmung zu halten. Bezüglich der PSCF-Fasern hat die Lösung der Erfindung den Vorteil, dass sie einen Index des Mantels und der Nachfüllung aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Index des inneren Mantels ist und es somit ermöglicht, die Dicke des inneren Mantels wesentlich zu begrenzen, wobei die Herstellungskosten im Vergleich reduziert werden. Im Falle der erfindungsgemäßen Fasern besteht die Rolle des inneren Mantels im Wesentlichen darin, den Beitrag des Niederschlagsrohrs zur spektralen Dämpfung zu reduzieren, wobei dieser Beitrag proportional ist zur Energie des optischen Feldes, das sich in dem Rohr ausbreitet und zur Absorption des Rohres bei der Betriebswellenlänge.
Die Erfindung weist einen anderen Vorteil auf, der die spektrale Dämpfung betrifft. Der geringe Anteil des Dotierungsmittels Germanium, das in den niedergeschlagenen Schichten des Kerns vorhanden ist, begrenzt die Rayleigh-Diffusion durch den Faserkern und begrenzt folglich die spektrale Dämpfung. Wenn Δn_c die Differenz zwischen dem Index n_c des Kerns und dem Index n_g des Mantels ist, kann man die Formel bilden: ∆nc = nc – ng = (nc – nsi) + (nsi – ng) (1) (ng < nsi)wobei n_si den Quarzindex bezeichnet.
Die Germaniummenge, die in dem Kern einer erfindungsgemäßen Faser niedergeschlagen werden soll, ist proportional zu (n_c – n_si) und nicht zu (n_c – n_g), daher das Interesse, einen mit Fluor dotierten Mantel mit einem Index kleiner als dem von Quarz zu verwenden.
Es wird jetzt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorform und einer Faser gegeben, gemäß einer Technik des modifizierten chemischen Niederschlags in der Dampfphase. Man verwendet ein dotiertes Niederschlagsrohr, um einen Index zu gestalten, der kleiner ist als der von Quarz: die Dotierung kann eine Fluordotierung sein, in einem Verhältnis zwischen 2500 und 3500 ppm in Masse, was zu einem Absenken des Index des Rohres auf Werte kleiner als –0,5·10^–3 bezüglich des Quarzindexes führt. Das Niederschlagsrohr weist typischerweise eines inneren Durchmesser von 34 mm, einen äußeren Durchmesser von 39 mm und eine Länge von 1300 bis 1680 mm auf. Man kann das im Handel unter der Bezeichnung F320 HERAEUS vertriebene Niederschlagsrohr verwenden.
Im Inneren des Niederschlagsrohrs bildet man einen inneren Mantel, der dotiert ist, um den Index bezüglich des Indexes von Quarz zu senken. Der innere Mantel weist einen Index nahe dem Index des Niederschlagsrohres auf. Es ist vorteilhaft, dass der innere Mantel einen Index aufweist, der gleich demjenigen des Niederschlagsrohres ist; der Abstand des Indexes des inneren Mantels bezüglich des Indexes des Niederschlagsrohres ist akzeptabel, wenn er im Bereich zwischen –0,3·10^–3 und 0 bleibt. In anderen Worten, es ist vorteilhaft, dass die relative Differenz zwischen dem Index des inneren Mantels und dem Index des Niederschlagsrohres im Absolutwert kleiner als 0,02% bleibt. Solche Abweichungen haben in der Tat nur eine begrenzte Auswirkung auf die Übertragungseigenschaften der schließlich erhaltenen optischen Faser. Man kann insbesondere eine Fluordotierung verwenden, um den Index des Mantels zu senken, in einem Verhältnis von 0,3 bis 1 Gew.-% Fluor. Um diesen inneren Mantel zu bilden, verwendet man die bekannten Techniken des chemischen Niederschlags in der Dampfphase.
Schließlich bildet man im Inneren des Niederschlagsrohres einen Kern, der dotiert ist, um seinen Index bezüglich des Quarzindexes zu erhöhen. Vorteilhafterweise beträgt die Differenz zwischen dem Index des Kerns und dem Index des inneren Mantels zwischen 4,3·10^–3 und 5·10^–3.
Beispielsweise entsprechen diese Werte Indexdifferenzen zwischen 3,3·10^–3 und 4·10^–3 bezüglich des Quarzindexes, wenn die Differenz zwischen dem Index des inneren Mantels und dem Index von Quarz –1·10^–3 beträgt.
Nachdem in dem Niederschlagsrohr der innere Mantel und der Kern niedergeschlagen wurden, wird die Vorform im Querschnitt vermindert, derart, dass die Durchgangsöffnung der Gase in dem Niederschlagsrohr verschlossen wird. Nach der Querschnittsverminderung kann man, in an sich bekannter Weise, um das Niederschlagsrohr eine Hülse oder eine Nachfüllung anbringen: eine Hülse wird um die Vorform zusammengezogen, während eine Nachfüllung durch CVD oder durch Niederschlag im Plasma niedergeschlagen werden kann; die Hülse weist einen im Wesentlichen konstanten Index auf, ohne Wellungen; eine Nachfüllung kann auch Wellungen aufweisen, die gegebenenfalls vom Herstellungsverfahren abhängen, beispielsweise Schwankungen des Dotierungsmittels. Es ist vorteilhaft, dass der Index der Hülse oder der Nachfüllung nahe dem Index des Niederschlagsrohres ist. Die Hülse oder Nachfüllung können hierzu dotiert sein, beispielsweise mit Fluor. Wie im Falle des inneren Mantels ist eine Differenz kleiner als 0,3·10^–3 zwischen dem Index der Hülse oder der Nachfüllung und dem Index des Niederschlagsrohres akzeptabel.
Die Abmessungen der Vorform können folgende sein:

– äußerer Durchmesser des Kerns: 3,5 bis 4 mm:
– innerer Durchmesser des Niederschlagsrohres: 8 bis 10 mm;
– äußerer Durchmesser des Niederschlagsrohres: 18 bis 22 mm;
– Enddurchmesser von nachgefüllter oder umhülster Vorform: 39 bis 45 mm.

Das Ziehen einer solchen Vorform durch ein an sich bekanntes Zieh- oder Faserziehverfahren ermöglicht den Erhalt einer Faser, die das in 1 dargestellte Einstellungsindexprofil aufweist. Auf den Abszissen ist der Abstand r zum Zentrum der Faser aufgetragen und auf den Ordinaten die Differenz zwischen dem Brechungsindex und dem Brechungsindex des Mantels der Faser. Das Profil der 1 ist ein Profil mit Stufenindex. Man erkennt um die Achse der Faser den Kern der Faser, der einen Index aufweist, der größer ist als derjenige des Quarzes; der Radius r₁ des Kerns beträgt zwischen 4,8 und 5,7 μm.
Um den Kern weist die Faser einen Index auf, der im Wesentlichen konstant und kleiner als derjenige von Quarz ist. Zwischen den Radien r₁ und r₂ erstreckt sich der Teil der Faser, der dem inneren Mantel entspricht; r₂ liegt typischerweise zwischen 12,5 und 15,7 μm. Dieser Teil der Faser wird im Folgenden „innerer Mantel" genannt; wie weiter oben erläutert unterscheidet er sich von dem Teil der Faser, der dem Niederschlagsrohr entspricht, durch die Anwesenheit von Indexwellungen. Diese Wellungen sind quasi-periodische Schwankungen des Indexwertes entlang des Radius des Indexprofils, d.h. auf einem Radius der Faser; die Periodelänge ist abhängig von der Dicke der im Niederschlagsrohr niedergeschlagenen Schichten, und Abmessungsschwankungen beim Vermindern des Querschnitts der Vorform, dann beim Ziehen. Diese quasi-periodischen Schwankungen können von den verwendeten Dotierungsmitteln abhängen. Man kann als Dotierungsmittel C₂F₆ für Indizes des inneren Mantels, die bis auf –1,5·10^–3 bezüglich des Indexes von Quarz verringert wurden, verwenden; man verwendet gängigerweise SiF₄, um Indexwerte zu erhalten, die kleiner als –1,5·10^–3 bezüglich des Indexes von Quarz sind. Die relative Größe von Spitze zu Spitze der Indexwellungen kann je nach verwendetem Dotierungsmittel variieren. Typische Werte der Schwankungen für das als Dotierungsmittel verwendete C₂F₆ liegen zwischen 0,3 und 0,5·10^–3; angesichts der Quasi-Periode der Wellungen, beträgt das Verhältnis zwischen dieser Schwankung von Spitze zu Spitz und der halben Periodenlänge zwischen 0,4·10^–3 μm^–1 und 1,7·10^–3 μm^–1. Typische Werte der Schwankungen für als Dotierungsmittel verwendetes SiF₄ sind geringer und liegen typischerweise bei 0,2·10^–3, was zu einem Verhältnis der Schwankungen von Spitze zu Spitze zur halben Periodenlänge zwischen 0,2·10^–3 und 0,7·10^–3 μm^–1 führt. Man kann als Dotierungsmittel im inneren Mantel Germanium in einer Menge von 0,3 bis 1 Gew.-% und, oder Phosphor in einer Menge von 0,3 bis 0,4 Gew.-% verwenden. Das Germanium ermöglicht, falls notwendig, die Begrenzung der spektralen Dämpfung, während der Phosphor eine bessere Vitrifizierung des Niederschlags ermöglicht.
Über den Radius r₂ hinaus erstreckt sich der Teil der Faser, der dem Niederschlagsrohr und der Nachfüllung entspricht. Der dem Niederschlagsrohr entsprechende Teil wird im Folgenden als „Mantel" bezeichnet. Die Indexschwankungen des Mantels stehen mit der Homogenität des Indexes des Niederschlagsrohres in Verbindung. Im Mantel variiert der Index im Allgemeinen langsam und diese Schwankungen bleiben im Allgemeinen kleiner als 0,1·10^–3. Im Gegenzug sind diese Schwankungen im Gegensatz zum inneren Mantel nicht periodisch. Die Schwankungsgeschwindigkeit – gemessen radial auf einem Abstand von 1 μm – ist kleiner als 0,1·10^–3μm^–1, anders ausgedrückt, ist sie geringer als die radialen Indexschwankungen im inneren Mantel.
Die Indexdifferenz zwischen dem Kern der Faser und dem inneren Mantel – der Faserstufenindex – liegt typischerweise zwischen 4,3·10^–3 und 5·10^–3.
Die erfindungsgemäße Faser weist die folgenden Übertragungsmerkmale auf, gemessen bei 1550 nm:

– Chromatische Dispersion: 18,7 bis 20,3 ps/(nm·km);
– Steigung der chromatischen Dispersion: 0,058 bis 0,061 ps/(nm²·km);
– Theoretische Grenzwellenlänge: kleiner oder gleich 1650 nm;
– Verluste durch Krümmung bei 10 mm: kleiner oder gleich 15 dB/m;
– Effektive Fläche: größer oder gleich 90 μm²;
– Modendurchmesser: größer oder gleich 10,7 μm;
– Dämpfung: kleiner oder gleich 0,22 dB/km.

Die Verluste durch Krümmung sind durch Aufrollen der Faser um eine Hülse von 10 mm Durchmesser gemessen.
Als Beispiel weist eine Faser mit einem Kernradius von 5,7 μm, die einen inneren Mantel mit einem äußeren Radius von 13,68 μm, mit einem Index von 1,2·10^–3 unter dem Index des Quarzes und einem Stufenindex von 4,4·10^–3 zwischen dem inneren Mantel und dem Kern, die folgenden Übertragungsmerkmale bei 1550 nm auf:

– Chromatische Dispersion: 19,6 ps/(nm·km);
– Steigung der chromatischen Dispersion: 0,06 ps/(nm²·km);
– Theoretische Grenzwellenlänge: 1645 nm;
– Verluste durch Krümmung: 12,3 dB/m;
– Effektive Fläche: 113 μm²;
– Modendurchmesser: 11,8 μm;
– Dämpfung: 0,18 dB/km.

Die Erfindung ermöglicht den Erhalt einer Faser mit Stufenindex durch MCVD, die eine hohe effektive Fläche und eine geringe Dämpfung aufweist; die erhaltenen Dämpfungswerte resultieren insbesondere aus der Konzentration an Dotierungsmittel in dem Kern der Faser, die geringer ist als in den Fasern des Standes der Technik. Das Verfahren der Erfindung gewährleistet eine Herstellung zu reduzierten Kosten, aufgrund der geringen Dicke des inneren Mantels, der in dem Niederschlagsrohr niedergeschlagen werden soll.
Die erfindungsgemäße Faser kann bei allen bekannten Verwendungsarten für Fasern mit Stufenindex eingesetzt werden, insbesondere als Faserstrecke in Übertragungssystemen mit optischer Faser. Sie weist im Allgemeinen die folgenden Übertragungsmerkmale auf. Für einen Index eines Rohres, das mit Fluor dotiert ist, von kleiner oder gleich 0,5·10^–3 und für Indexwerte des Kerns bezüglich des Indexes des Rohres zwischen 4·10³ und 5·10^–3 bleiben die Werte des Stufenindexes bezüglich des Quarzindexes kleiner als 4,5·10^–3. Wie weiter oben erläutert ist dieser Wert kleiner als der für eine klassische Faser mit Stufenindex mit Quarzmantel erhaltene Wert; dieses Herabsetzen des Kernindexes bezüglich des Quarzindexes in der offenbarten Faser trägt zur Reduzierung der Rayleigh-Diffusion in der Faser bei.
Wenn man die Bedingungen des vorhergehenden Absatzes überprüft, genügen die erhaltenen Profile insbesondere den folgenden Ungleichungen:
4,3·10^–3 ≤ Δn ≤ 5·10^–3, mit Δn als Differenz zwischen dem Index des Kerns und dem Index des inneren Mantels;
4,8 μm ≤ r₁ ≤ 5,7 μm, mit r₁ dem Radius des Faserkerns;
0,336 μm ≤ r₁·√ Δn ≤ 0,378 μm.
Dieses letzte Verhältnis ist eine mögliche Lösung, damit die Profile eine effektive Fläche, die größer oder gleich 90 μm² und kleiner oder gleich 115 μm² ist und eine theoretische Grenzwellenlänge unter 1,65 μm aufweisen.
Man kann die äußeren Positionen des Niederschlagsrohres auch in Abhängigkeit des Radius und des Kernindexes bestimmen; hierzu kann man die folgenden Verhältnisse verwenden: (r2/r1)min = –7,33·r1·√ Δn + 4,36und (r2/r1)max = –10,71·r1·√ Δn + 6,7
Wenn diese Gesetze erfüllt sind, beträgt die Modenleistung, die sich in dem Niederschlagsrohr überträgt, zwischen 0,025 und 1,4% der in dem Rohr übertragenden Gesamtleistung, und das Inkrement der Dämpfung durch Absorption des Niederschlagsrohres bleibt kleiner als etwa 0,01 dB/km.
Bei der vorhergehenden Beschreibung sind die Details des Einsatzes des modifizieren chemischen Niederschlags in der Dampfphase nicht beschrieben, die dem Fachmann aber wohl bekannt sind. Die Erfindung ist in dem Beispiel mit MCVD beschrieben. Sie könnte auch durch PCVD (plasmaassistierter chemischer Niederschlag in der Dampfphase) oder durch jede andere Niederschlagstechnik im Inneren eines Niederschlagsrohres eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Vorform zum Ziehen einer optischen Faser, das umfasst: – die Bildung eines inneren Mantels durch chemischen Niederschlag in der Dampfphase im Inneren eines Niederschlagsrohres, das einen Index aufweist, der kleiner ist als der Index von Quarz, wobei der innere Mantel einen Index im Wesentlichen gleich dem Index des Niederschlagsrohres aufweist, wobei die relative Differenz zwischen dem Index des inneren Mantels und dem Index des Niederschlagsrohres im Absolutwert kleiner als 0,02% ist, – die Bildung eines Kerns, der einen Index aufweist, der größer ist als der Index von Quarz, durch chemischen Niederschlag in der Dampfphase im Inneren des Mantels,.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem Index des Niederschlagsrohres und dem Index von Quarz kleiner als –0,5·10^–3 ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem Index des Kerns und dem Index des inneren Mantels zwischen 4,3·10^–3 und 5·10^–3 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das außerdem umfasst: – die Querschnittsverminderung des Niederschlagsrohres mit dem inneren Mantel und dem Kern; und – den Niederschlag einer Nachfüllung um das querschnittsverminderte Rohr, wobei die Nachfüllung einen Index aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Index des Niederschlagsrohres ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das außerdem umfasst: – die Querschnittsverminderung des Niederschlagsrohres mit dem inneren Mantel und dem Kern; – die Querschnittsverminderung einer Hülse um das querschnittsverminderte Rohr, wobei die Hülse einen Index aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Index des Niederschlagsrohres ist.
Vorform zum Ziehen einer optischen Faser, die aufweist: – ein Niederschlagsrohr mit einem Index, der kleiner ist als der Index von Quarz; – einen Mantel im Niederschlagsrohr, der einen Index aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Index des Niederschlagsrohres ist, wobei die relative Differenz zwischen dem Index des inneren Mantels und dem Index des Niederschlagsrohres im Absolutwert kleiner als 0,02% ist; – einen Kern im Inneren des Mantels, der einen Index aufweist, der größer ist als der Index von Quarz.
Vorform nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem Index des Niederschlagsrohres und dem Index von Quarz kleiner als –0,5·10^–3 ist.
Vorform nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem Index des Kerns und dem Index des inneren Mantels zwischen 4,3·10^–3 und 5·10^–3 beträgt.
Vorform nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Nachfüllung um das Niederschlagsrohr, wobei die Nachfüllung einen Index aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Index des Niederschlagsrohres ist.
Vorform nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Hülse um das Niederschlagsrohr, wobei die Hülse einen Index aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Index des Niederschlagsrohres ist.
Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser, das das Ziehen einer Vorform nach einem der Ansprüche 6 bis 10 umfasst.
Optische Faser, die aufweist: – einen Mantel mit einem Index, der kleiner ist als der Index von Quarz; – einen inneren Mantel, der sich im Inneren dieses Mantels erstreckt und einen Index aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Index des Mantels ist, wobei die jeweilige Indexdifferenz zwischen dem Index des inneren Mantels und dem Index des Mantels im Absolutwert kleiner ist als 0,02%; – einen Kern, der sich im Inneren des inneren Mantels erstreckt und einen Index aufweist, der größer ist als der Index von Quarz.
Optische Faser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: – eine Differenz Δn zwischen dem Index des Kerns und dem Index des inneren Mantels zwischen 4,3·10^–3 und 5·10^–3; – einen Kernradius r₁ zwischen 4,8 μm und 5,7 μm, und – ein Produkt r₁·√ Δn des Kernradius mit der Wurzel der Differenz zwischen 0,336 μm und 0,378 μm.
Optische Faser nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Mantel aufweist, dessen Indexdifferenz bezüglich des Indexes von Quarz kleiner als –0,5·10^–3 ist.
Optische Faser nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel quasi-periodische Schwankungen des Indexes aufweist, die eine Symmetrie um die Faserachse zeigen.
Optische Faser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel von C₂F₆ dotiert ist, und dass das Verhältnis zwischen absolutem Abstand von Spitze zu Spitze des Indexes und der halben Periodenlänge der Schwankungen zwischen 0,4·10^–3 μm^–1und 1,7·10^–3 μm^–1 beträgt.
Optische Faser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Hülle von SiF₄ dotiert ist, und dass das Verhältnis zwischen dem Abstand von Spitze zu Spitze des Indexes und der halben Periodenlänge der Schwankungen zwischen 0,2·10^–3 μm^–1 und 0,7·10^–3 μm^–1 beträgt.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit von Schwankungen des Indexes im Mantel, radial gemessen auf einem Abstand von 1 μm kleiner als 0,1·10^–3 ist.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine effektive Oberfläche aufweist, die größer oder gleich 90 μm² als die Wellenlänge von 1,55 μm ist.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine theoretische Grenzwellenlänge aufweist, die kleiner oder gleich 1,65 μm ist.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Radius r₂ des Niederschlagsrohres und dem Radius r₁ des Kerns größer oder gleich –7,33·r₁·√ Δn + 4,36 ist, mit r₁·√ Δn das Produkt des Kernradius mit der Wurzel der Differenz zwischen dem Index des Kerns und dem Index des inneren Mantels.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Radius r₂ des Niederschlagsrohres und dem Radius r₁ des Kerns kleiner oder gleich –10,71·r₁·√ Δn + 6,7 ist, mit r₁·√ Δn das Produkt des Kernradius mit der Wurzel der Differenz zwischen dem Index des Kerns und dem Index des inneren Mantels.
Optische Faser nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Modenleistung, die sich in dem Teil der Faser ausbreitet, der dem Niederschlagsrohr entspricht, zwischen 0,025 und 1,4% liegt.