DE69210702T2 - Verfahren zum Herstellen aktiver, optischer Fasern - Google Patents

Verfahren zum Herstellen aktiver, optischer Fasern

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aktiven Lichtleitfasern (Laser oder Verstärker).
  • Es gibt mehrere Herstellungsverfahren für Lichtleitfasern. Man geht jedoch immer in folgender Weise vor:
  • Erst wird ein Rohling hergestellt, d.h. ein Stab aus glasartigem Siliziumoxid großer Reinheit mit dem erforderlichen Brechungsindex-Profil, und dann wird die Faser ausgehend vom Rohling gezogen.
  • Zur Herstellung von Lichtleitfasern für das Fernmeldewesen verwendet man meist Reaktionsverfahren in der Dampfphase, die es ermöglichen, einen hohen Grad an Reinheit zu erlangen. Das Basismaterial ist reines Siliziumoxid. Dotiermittel, sogenannte primäre Dotiermittel, werden hinzugefügt, um den Brechungsindex des Siliziumoxids zu verändern. Die Wahl der Dotiermittel hängt vom gewünschten Indexunterschied ab. Man kann zum Beispiel Bor und Fluor verwenden, die den Brechungsindex des Siliziumoxids verringern, oder Phosphor und Germanium, die ihn erhöhen.
  • Seit einiger Zeit kennt man auch aktive Lichtleitfasern, die durch Dotierung ausgehend von Elementen seltener Erden erhalten werden, zum Beispiel Erbium. Diese Dotiermittel werden als sekundäre Dotiermittel bezeichnet. Man verwendet dann allgemein ein anderes primäres Dotiermittel, Aluminiumoxid, um die Aggregation der Ionen der seltenen Erden zu verhindern. Solche Fasern sind in der Druckschrift EP-A-0 313 209 beschrieben.
  • Um einen besseren Wirkungsgrad der aktiven Lichtleitfasern zu erreichen, hat es sich als notwendig erwiesen, die Wechselwirkung zwischen dem Licht und dem Material zu verbessern. Dies kann auf zweierlei Weise erreicht werden. Einerseits, indem man die Energiedichte im Kern der Lichtleitfaser durch Verringerung ihres Radius, zum Beispiel in dem Bereich von 1 µm, erhöht. Dies erfordert einen großen Indexunterschied (der Größenordnung von 30 bis 50 10&supmin;³) und eine starke Konzentration an primärem Dotiermittel. Man kann andererseits die Wechselwirkung zwischen Licht und Material verbessern, indem man das aktive Material (z.B. Erbium) in der zentralsten Zone des Kerns einschließt.
  • Dann entsteht ein Problem der Diffusion der primären und sekundären Dotiermittel, was das Erreichen der beiden obengenannten Ziele erschwert.
  • Diese Diffusionen treten in allen Stufen des Herstellungsverfahrens auf, wenn es notwendig ist, auf hohe Temperatur zu erwärmen, d.h. während des Schrumpfens und eventuellen Ziehens des Rohlings und während des Ziehens der Faser. Die Temperatur wird normalerweise durch das Temperaturverhalten der nicht dotierten äußeren Hülle bestimmt. Dieses durch die Diffusion verursachte Problem entsteht schon bei Herstellung des Rohlings, zum Beispiel durch die bekannte Technik der inneren Beschichtung MCVD (modifizierte chemische Beschichtung aus der Dampfphase). Für spektroskopisch günstige Zusammensetzungen des Kerns, die einen Gehalt von Al&sub2;O&sub3; der Größenordnung von 10% und von GeO&sub2; der Größenordnung von einigen 10% aufweisen, zeigt sich dieses Diffusionsproblem durch die große Schwierigkeit, gleichzeitig zu erhalten:
  • - Δn > 30 10&supmin;³,
  • - 2A < 1 mm (wobei A der Radius des Kerns auf dem Rohling ist),
  • - der Radius, in dem das sekundäre Dotiermittel eingeschlossen ist, unterscheidet sich deutlich von A.
  • Es gibt weiter ein Problem der thermomechanischen Kräfte aufgrund des großen Unterschieds des Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kern der Faser, mit einem hohen Gehalt an primärem Dotiermittel, und der äußeren Hülle, die normalerweise nicht dotiert ist.
  • Um diese Nachteile zu beseitigen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, Rohlinge und Fasern herzustellen, bei denen die äußere Hülle eine Dotierung aufweist, die erlaubt:
  • - ihren Index auf einem Niveau geringfügig über dem der optischen Hülle zu halten;
  • - ihre Erweichungstemperatur auf einem Wert nahe dem der optischen Hülle zu halten, wodurch die Herstellung von Rohlingen und Fasern unter weniger hohen Temperaturen möglich ist, und so die Diffusionsphänomene verringert sind;
  • - die durchschnittlichen thermomechanischen Beanspruchungen durch Annäherung der Ausdehnungskoeffizienten oder der Erweichungstemperaturen zu reduzieren.
  • Bei den Techniken der inneren Beschichtung muß das Beschichtungsrohr die Dotierung aufweisen. Die Erfindung betrifft insbesondere die Techniken der inneren Beschichtung in einem Rohr, die unter den Namen MCVD, PCVD (chemische Beschichtung aus der Dampfphase aktiviert durch Plasma), SPCVD (chemische Beschichtung aus der Dampfphase aktiviert durch Oberflächenwellenplasma) usw. bekannt sind. Die Dotierung durch seltene Erden kann durch Imprägnierung, Vernebelung oder die Methode der Organometalle erfolgen.
  • Die Erfindung hat also einen Rohling für das Ziehen einer aktiven Lichtleitfaser zum Gegenstand, der eine innere Zone, die den Kern der späteren Lichtleitfaser bilden soll, und eine äußere Zone aufweist, die die optische Hülle der späteren Faser bilden soll, wobei der Rohling eine primäre Dotierung aufweist, um zwischen dem Kern und der optischen Hülle der Faser einen starken Brechungsindex-Unterschied hervorzurufen, wobei eine sekundäre Dotierung der inneren Zone es ermöglicht, einen aktiven Stoff im Zentrum des Kerns der Faser zu konzentrieren, dadurch gekennzeichnet, daß der periphere äußere Bereich der äußeren Zone so dotiert ist, daß er in Bezug auf die innere Zone einen Unterschied der Erweichungstemperatur besitzt, der geringer ist als derjenige, der vorliegenden würde, wenn dieser Bereich nicht dotiert wäre.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren für aktive Lichtleitfasern, zu dem die Herstellung eines Rohlings gehört, der eine primäre Dotierung aufweist, um zwischen dem Kern und der optischen Hülle des Rohlings einen großen Unterschied des Brechungsindex zu erzeugen, wobei eine sekundäre Dotierung der inneren Zone einen aktiven Stoff im Zentrum des Kerns des Rohlings zu konzentrieren vermag, worauf eine Faser ausgehend vom Rohling gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man von einem Rohling mit einer dotierten äußeren peripheren Zone ausgeht, die die äußere Hülle der späteren Lichtleitfaser bilden soll, wobei diese Dotierung der peripheren Zone einen Brechungsindex verleiht, der höher ist als der der optischen Hülle, und in Bezug auf den Kern der Lichtleitfaser einen Unterschied der Erweichungstemperatur verleiht, der geringer ist als der, der existieren würde, wenn die äußere Zone nicht dotiert wäre.
  • Der Rohling kann durch eine chemische Beschichtung aus der Dampfphase erhalten werden, die innerhalb eines Rohrs durchgeführt wird, wobei das Rohr die äußere periphere dotierte Zone bildet.
  • Diese äußere periphere dotierte Zone kann aus Siliziumoxid bestehen, das zumindest mit den folgenden Dotierstoffen in folgender Massekonzentration dotiert ist:
  • 0,2% < P&sub2;O&sub5; < 4%
  • 0 < F < 0,2%.
  • Sie kann auch aus mit mindestens den folgenden Dotierstoffen dotiertem Siliziumoxid bestehen:
  • 0 < P&sub2;O&sub5; < 2%
  • 0,1% < Al&sub2;O&sub3; < 2%
  • 0 < F < 1%.
  • Nachfolgend werden die Erfindung und weitere Vorteile und Besonderheiten anhand der nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung und der einzigen Figur näher erläutert, die ein Diagramm darstellt, das die Struktur einer erfindungsgemäßen aktiven Lichtleitfaser zeigt.
  • Das Diagramm der Figur 1 enthält auf der Ordinatenachse den Brechungsindex &Delta;n einer Lichtleitfaser auf der Basis von Siliziumoxid. Die Abszissenachse entspricht der Achse der Lichtleitfaser und somit der Achse des Rohlings. An der Abszisse ist der Abstand r in Bezug auf die Achse der Faser eingetragen. Der Kern der Faser mit einem Durchmesser 2a (entsprechend einem Durchmesser 2A des Rohlings) ist zum Beispiel mit den primären Dotierstoffen Al&sub2;O&sub3; und GeO&sub2; dotiert. Der aktive Stoff, zum Beispiel Erbium, ist im zentralen Bereich des Kerns mit dem Durchmesser 2b eingeschlossen. Um den Kern der Faser findet man auf einem Kranz einer Breite c die optische Hülle eines Durchmessers 2d auf der Faser (entsprechend einem Durchmesser 2D des Rohlings). Um die optische Hülle findet man auf einem Kranz der Breite e die äußere Hülle der Lichtleitfaser. Im Gegensatz zum üblichen Vorgehen wird dieser Bereich der Hülle aus Siliziumoxid leicht dotiert.
  • Um beispielsweise einen Rohling zu erhalten, dessen optische Hülle einen Index -1 10&supmin;³ in Bezug auf Siliziumoxid aufweist und dessen äußere Hülle einen Index von -0,5 10&supmin;³ in Bezug auf Siliziumoxid und eine Erweichungstemperatur um etwa 200ºC unterhalb der des Siliziumoxids hat, kann man folgendermaßen vorgehen: Man verwendet eine MCVD-Technik für aufeinanderfolgende Beschichtungen innerhalb eines Rohrs. Für das Beschichtungsrohr wählt man eine Zusammensetzung, die einen Gehalt an Phosphorpentoxid von etwa 1,1 Gew.% und einen Gehalt an Fluor von etwa 0,1 Gew.% als Indexkompensator aufweist. Solche Rohre können gemäß den bekannten Techniken der spanenden Bearbeitung und des Ziehens von dotierten Siliziumoxidkugeln hergestellt werden, die zum Beispiel durch eine Technik der axialen Beschichtung in der Dampfphase (VAD) hergestellt werden.
  • Man führt dann die üblichen Arbeitsgänge der Beschichtung der optischen Hülle, der äußeren Schichten des Kerns, der inneren, mit einer seltenen Erde dotierten Schichten durch, indem man zum Beispiel einen organometallischen Vorläufer verwendet, wie er in dem Aufsatz "Fabrication of High-Concentration Rare-Earth Doped Optical Fibers Using Chelates" von R.P. Tumminelli et al beschrieben wird, der im Journal of Lightwave Technology, Vol. 8, Nº 11, November 1990 erschienen ist. Man führt ebenfalls ein Schrumpfen, sogar ein Ziehen und ein Muffen durch, indem die unbedingt notwendige Heizleistung aufgebracht wird.
  • Man kann so Fasern erhalten, die einen Index An größer als 35 10&supmin;³ aufweisen, mit einem Einschluß des aus einer seltenen Erde bestehenden Dotierstoffs im zentralen Bereich des Kerns, wobei diese Fasern um etwa 20% verbesserte Verstärkungseigenschaften für eine Pumpleistung von 5 mV bei 1,478 µm und ein Signal von -40 dBm bei 1532 nm haben. Diese Fasern haben verringerte thermomechanische Spannungen.

Claims (5)

1. Rohling für das Ziehen einer aktiven Lichtleitfaser, der eine innere Zone, die den Kern der späteren Lichtleitfaser bilden soll, und eine äußere Zone aufweist, die die optische Hülle der späteren Faser bilden soll, wobei der Rohling eine primäre Dotierung aufweist, um zwischen dem Kern und der optischen Hülle der Faser einen starken Brechungsindex- Unterschied hervorzurufen, wobei eine sekundäre Dotierung der inneren Zone es ermöglicht, einen aktiven Stoff im Zentrum des Kerns der Faser zu konzentrieren, dadurch gekennzeichnet, daß der periphere äußere Bereich der äußeren Zone so dotiert ist, daß er in Bezug auf die innere Zone einen Unterschied der Erweichungstemperatur besitzt, der geringer ist als derjenige, der vorliegenden würde, wenn dieser Bereich nicht dotiert wäre.
2. Herstellungsverfahren für aktive Lichtleitfasern, zu dem die Herstellung eines Rohlings gehört, der eine primäre Dotierung aufweist, um zwischen dem Kern und der optischen Hülle des Rohlings einen großen Unterschied des Brechungsindex zu erzeugen, wobei eine sekundäre Dotierung der inneren Zone einen aktiven Stoff im Zentrum des Kerns des Rohlings zu konzentrieren vermag, worauf eine Faser ausgehend vom Rohling gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man von einem Rohling mit einer dotierten äußeren peripheren Zone ausgeht, die die äußere Hülle der späteren Lichtleitfaser bilden soll, wobei diese Dotierung der peripheren Zone einen Brechungsindex verleiht, der höher ist als der der optischen Hülle, und in Bezug auf den Kern der Lichtleitfaser einen Unterschied der Erweichungstemperatur verleiht, der geringer ist als der, der existieren würde, wenn die äußere Zone nicht dotiert wäre.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling durch eine chemische Beschichtung aus der Dampfphase erhalten wird, die innerhalb eines Rohrs durchgeführt wird, wobei das Rohr die äußere periphere dotierte Zone bildet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der Rohling auf der Basis von Siliziumoxid hergestellt ist, die äußere periphere dotierte Zone aus Siliziumoxid besteht, das zumindest mit den folgenden Dotierstoffen in folgender Massekonzentration dotiert ist:
0,2% < P&sub2;O&sub5; < 4%
0 < F < 0,2%.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der Rohling auf der Basis von Siliziumoxid hergestellt ist, die äußere periphere dotierte Zone aus Siliziumoxid besteht, das zumindest mit den folgenden Dotierstoffen in folgender Massekonzentration dotiert ist:
0 < P&sub2;O&sub5; < 2%
0,1% < Al&sub2;O&sub3; < 2%
0 < F < 1%.
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