DE69701611T2

DE69701611T2 - Verfahren zum Herstellen von mit Germanium dotierten optischen Fasern mit verringerter Brillouin-Streuung

Info

Publication number: DE69701611T2
Application number: DE69701611T
Authority: DE
Inventors: Jane Bilecky Clayton; Lars Erik Eskildsen; Per Bang Hansen; Clifford Headley; William Alfred Reed
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1997-10-21
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2017-10-22
Also published as: US5851259A; JP3220062B2; EP0839770B1; EP0839770A1; DE69701611D1; JPH10139463A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Ge-dotierten Lichtwellenleiters mit reduziertem Verlust aufgrund von Brillouin- Streuung.

Stand der Technik

Lichtwellenleiter sind Schlüsselkomponenten in modernen Telekommunikationssystemen. Es handelt sich bei ihnen um dünne Glasstränge, die in der Lage sind, ein eine große Menge an Informationen enthaltendes optisches Signal mit sehr niedrigen Verlusten über große Entfernungen zu übertragen.
Ein Lichtwellenleiter ist im wesentlichen ein Wellenleiter mit kleinem Durchmesser, der gekennzeichnet ist durch einen Kern mit einem ersten Brechungsindex, der umgeben ist von einem optischen Mantel mit einem zweiten (niedrigeren) Brechungsindex. Lichtstrahlen, die unter einem Winkel auf den Kern treffen, der unter dem kritischen Akzeptanzwinkel liegt, werden innerhalb des Faserkerns total intern reflektiert. Diese Strahlen werden mit minimaler Dämpfung entlang der Achse der Faser geleitet. Typische Telekommunikationsfasern werden aus hochreinem Siliziumoxid hergestellt, wobei der Kern mit Germaniumoxid dotiert ist, um den Brechungsindex anzuheben.
Lichtwellenleiter werden in der Regel hergestellt, indem eine Lichtwellenleiterpreform entsprechender Zusammensetzung konstruiert und aus der Preform eine Faser gezogen wird. Bei der herkömmlichen Herstellung wird die Preform in den isolierten Suszeptor eines HF-Induktionsofens abgesenkt, wo sie auf eine hohe Ziehtemperatur erhitzt wird. Ein Glasstrang wird aus dem erhitzten Teil der Preform mit einer Spannung und Rate zum Ziehen einer Faser mit dem gewünschten Durchmesser gezogen.
Eine Begrenzung einer derartigen Faser für Telekommunikationsanwendungen ist der auf die stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) zurückgehende Verlust. Eine SBS tritt auf, da eine eingegebene, sich durch die Faser ausbreitende (Pump-)Lichtwelle durch den Prozeß der Elektrostriktion eine Schallwelle erzeugt. Die Schallwelle wiederum bewirkt eine periodische Modulation des Brechungsindexes der Faser, die wie ein Bragg-Gitter funktioniert, von dem Photonen gestreut werden können. Das Ergebnis ist die selektive Verstärkung einer Lichtwelle, deren Frequenz geringfügig nach unten verschoben ist (Stokes-Welle) und die sich in der der Pumpwelle entgegengesetzten Richtung ausbreitet.
Es sind eine Reihe von Versuchsanstrengungen unternommen worden, um SBS durch Verändern von Fasereigenschaften zu reduzieren, doch haben sich keine gezeigt, die zur Verwendung mit Ge-dotierten Telekommunikationsfasern vielversprechend wären. Forscher haben SBS reduziert, indem sie die Konzentration des Dotierstoffs Fluor entlang der Faserlänge reduzierten. Siehe Tateda et al. OFC/IOOC 1993 Technical Digest Paper Th 14 und K. Shiraki et al., J. Lightwave Technol., 14, S. 50-57 und 549-554 (beide 1996). Diese Veränderung der Dotierstoffkonzentration wirkt sich jedoch auf andere Eigenschaften einer Telekommunikationsfaser nachteilig aus.
Die japanische Anmeldung 01 298 037 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer NA-Konversionsfaser durch Ziehen einer Faser aus einer Lichtwellenleiterpreform. Die Faser wird gezogen, während die Ziehspannung in einem spezifizierten Zyklus geändert wird, um einen NA-Konversionslichtwellenleiter zu erhalten. Die Ziehspannung wird mit der Länge alle 10 m zwischen einem unteren Wert von 1 g und einem hohen Wert von 20 g moduliert.
Andere Forscher, die Fasern mit undotierten Siliziumoxidkernen verwenden, haben gezeigt, daß durch rechtwinklige Modulation der Ziehspannung mit einer Amplitude von 16 g alle 2,5 km die SBS reduziert wurde. Siehe A. Wada et al., Proc. European Conf. on Opt. Commun. 1991 MoBl (1991). Wada et al. haben allerdings Ge-Dotierstoffe aus dem Kern weggelassen, so daß sich der Kern bei dem Ziehprozeß vor dem optischen Mantel verfestigen würde, was die restliche Verformung in den Kern verlagert. Im Gegensatz verfestigt sich bei Ge- dotierten Kernen der optische Mantel zuerst, wodurch die Verformung des Kerns stark reduziert wird. Wada et al. haben infolgedessen darauf hingewiesen, daß eine etwaige Reduzierung der SBS in gemeinhin verwendeten Ge-dotierten Fasern sehr klein sein würde. Dementsprechend besteht weiterhin ein Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung von Ge-dotierten Telekommunikationsfasern mit reduzierter Brillouin-Streuung.

Kurze Darstellung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird ein Ge-dotierter Lichtwellenleiter mit reduziertem Brillouin-Streuungsverlust hergestellt, indem die beim Ziehen an die Faser angelegte Spannung moduliert wird. Die Ziehspannung wird mit einer Wiederholungslänge im Bereich von 3 bis 30 km zwischen einem niedrigen Bereich von 10-50 g und einem hohen Wert im Bereich von 150-250 g moduliert. Das Ergebnis ist eine SBS- Unterdrückung ohne signifikante Änderung des Faserverlustes zwischen den Enden oder der Dispersionsfaktoren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Vorteile, der Charakter und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung können bei einer Betrachtung der Ausführungsbeispiele, die nun in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, besser verstanden werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Flußdiagramm eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung einer Faser gemäß dem Verfahren von Fig. 1;
Fig. 3 graphisch die Ziehspannung als Funktion der Faserlänge für mehrere unterschiedliche Spannungsmodulationswellenformen; und
Fig. 4 graphisch einen berechneten SBS- Schwellwert Pinc als Funktion der durch die Spannungsmodulationswellenformen von Fig. 3 induzierten Frequenzverschiebung.
Es versteht sich, daß diese Zeichnungen nur dafür gedacht sind, die Konzepte der Erfindung zu veranschaulichen und mit Ausnahme der graphischen Darstellungen nicht maßstabsgetreu sind.

Ausführliche Beschreibung

Unter Bezugnahme nunmehr auf die Zeichnungen ist Fig. 1 ein Flußdiagramm, das die Schritte zur Herstellung eines Lichtwellenleiters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie in Block A von Fig. 1 gezeigt, besteht der erste Schritt darin, eine Ge-dotierte Lichtwellenleiterpreform bereitzustellen. Die Preform kann eine herkömmliche Preform der Art sein, wie sie in der Regel verwendet wird, um Telekommunikationsfasern herzustellen. Sie ist in der Regel ein konzentrischer Glasstab mit einer Länge von etwa einem Meter und einem Außendurchmesser von 20-200 mm. Der innere Kern des Stabs ist ein hochreines verlustarmes Germaniumsilikatglas mit einem Durchmesser von etwa 1-5 mm. Der als optischer Mantel bezeichnete konzentrische Außenzylinder ist eine Glasschicht mit einem niedrigeren Brechungsindex als der innere Kern.
Der in Block B gezeigte nächste Schritt besteht darin, ein Gebiet der Preform (ein Endteil) auf eine hohe Temperatur zu erhitzen, so daß eine Faser gezogen werden kann. Dies geschieht in der Regel durch Absenken der Preform in einen HF-Induktionsofen und Erhitzen auf Schmelztemperatur.
Der dritte Schritt (Block C) besteht darin, aus der erhitzten Preform mit einer entsprechend modulierten Spannung eine Faser zu ziehen. Bei ausreichender Erhitzung fällt ein einen Glasstrang tragender geschmolzener Endteil der Preform nach unten, und der Strang wird in eine Faserziehstation eingesetzt. Die Parameter werden dann nachgestellt, um eine Faser mit gewünschtem Durchmesser und gewünschter Gleichförmigkeit zu ziehen.
Fig. 2 zeigt schematisch die optische Preform 20 auf einer geeigneten Halterung 21, wobei das Preformende 22 innerhalb eines Heizofens 23 angeordnet ist. Der Strang 24 ist in die Ziehstation 25 eingesetzt worden. Die Ziehstation kann eine herkömmliche Faserziehstation sein, wie sie in Optical Fiber Telecommunications, Herausgeber S. E. Miller und I. P. Kaminow (Academic Press, 1988), S. 182-185, beschrieben wird.
Die Faserziehgeschwindigkeit und -spannung können von einem Computer gesteuert werden.
Gemäß der Erfindung wird die Ziehspannung an der Faser bezüglich der Faserlänge in einer sinusförmigen, dreieckigen oder vorzugsweise trapezförmigen Wellenform im wesentlichen mit einem Minimum im Bereich von 10 bis 50 g und einem Maximum im Bereich von 150 bis 250 g moduliert. Die sinusförmige Wellenform ist tatsächlich die positive Hälfte einer Sinuslinie, und ihre Wellenlänge, wie sie hier bezeichnet wird, ist die Länge von dem Bereich kleinster Spannung zu dem größter und zurück zum dem kleinster Spannung. Die bevorzugte Wellenlänge einer Sinuslinie liegt im Bereich von 3 bis 30 km. Die bevorzugte dreieckige Wellenform ist gekennzeichnet durch eine Basis entlang der Länge im Bereich von 3 bis 30 km; und die bevorzugte trapezförmige Wellenform weist ein paar Basen entlang der Faserlänge auf: eine Hauptbasis im Bereich 3 km bis 15 km und eine Nebenbasis im Bereich von 1 bis 13 km.
Das resultierende Produkt ist ein gezogener Lichtwellenleiter mit einem Ge-dotierten Kern und einem den Kern umgebenden optischen Mantel. Der Kern ist gekennzeichnet durch ein sich wiederholendes Muster modulierter Beanspruchung. Die Beanspruchung wird mit der Länge zwischen einem durch 10-50 g Spannung beim Ziehen erzeugten unteren Wert und einem durch 150- 250 g Spannung beim Ziehen erzeugten hohen Wert moduliert. Das Modulationsmuster ist durch eine Wiederholungslänge im Bereich von 3 bis 30 km gekennzeichnet. Die Wellenform des Musters ist bevorzugt sinusförmig, dreieckig oder trapezförmig.
Ein Satz von Wellenformen mit experimenteller Spannung sind in Fig. 3 dargestellt. Ein Ziehen mit konstanter Spannung ist (als Referenz) als diamantförmige Punkte gezeigt, eine Dreieckswellenform ist als kreisförmige Punkte gezeigt, und zwei andere trapezförmige Ziehvorgänge sind rechteckige bzw. dreieckige Punkte.
Die auf die Faser induzierte Restbeanspruchung während des Ziehprozesses reduziert SBS. Die Restbeanspruchungsmodulation ändert die Geschwindigkeit der Schallwelle in der Faser, wodurch die Frequenz des verstärkten Stokes-Lichts so verschoben wird, daß die Verarmung des eingegebenen Lichts reduziert wird. Das Ausmaß der SBS-Unterdrückung wird in der Regel durch die Erhöhung der Schwellwerteingangsleistung Pin gemessen, definiert als die Eingangsleistung, die erforderlich ist, damit das Stokes-Licht am Eingangsende der Faser gleich dem übertragenen Pumplicht ist. Je höher die Schwellwerteingangsleistung, um so größer ist die SBS-Unterdrückung. Für Eingangspumpleistungen über Pinc werden die Effekte der SBS als signifikant angesehen. Um nützliche Ergebnisse zu erhalten, sollte die SBS im Vergleich zu einer unter konstanter Spannung gezogenen Faser um 2 dB oder mehr unterdrückt werden.
Fig. 4 zeigt graphisch die berechneten Schwellwerte für eine Faser mit einer Länge von 25 km, die durch verschiedene Spannungsmodulationswellenformen moduliert wurde. Wie zu sehen ist, erzeugen die Dreiecks- und trapezförmigen Wellenformen höhere Schwellwerte als die linearen und Stufenformen. Die trapezförmige Spannungsmodulation zeigt im Vergleich zu einer unter konstanter Spannung gezogenen Faser sogar eine überraschend große SBS-Unterdrückung um 2,5 dB.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Ge-dotierten Lichtwellenleiters, mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Glas-Lichtwellenleiter-Preform mit einem Ge-dotierten Kern, Erhitzen eines Bereichs der Preform, um ein Ziehen einer Faser daraus zu gestatten, und Ziehen einer Faser aus der Preform mit einer mit Länge modulierten Ziehspannung;

dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen einer Faser mit reduziertem Brillouin-Streuungsverlust die Ziehspannung zwischen einem unteren Wert von 10- 50 g und einem hohen Wert von 150-250 g mit einer Wiederholungslänge im Bereich von 3 bis 30 km moduliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ziehspannung hinsichtlich der Länge mit einer halbsinusförmigen Wellenform mit einer Länge im Bereich von 3 km bis 30 km moduliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ziehspannung hinsichtlich der Länge mit einer dreieckigen Wellenform mit einer Dreiecksbasislänge im Bereich von 3 km bis 30 km moduliert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ziehspannung hinsichtlich der Länge mit einer trapezförmigen Wellenform mit einer Hauptbasislänge im Bereich von 3 km bis 15 km und einer Nebenbasislänge im Bereich von 1 km bis 15 km moduliert wird.

5. Gezogener Lichtwellenleiter mit einem Ge- dotierten Kern und einem den Kern umgebenden optischen Mantel, wobei der Kern durch ein sich wiederholendes Muster der Verformung entlang seiner Länge gekennzeichnet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

zum Reduzieren des Brillouin-Streuungsverlusts in der Faser die Verformung mit einer Länge zwischen einem beim Ziehen der Faser durch 10-50 g Spannung erzeugten niedrigen Wert und einem beim Ziehen der Faser durch 150-250 g Spannung erzeugten hohen Wert mit einer Wiederholungslänge im Bereich von 3 bis 30 km moduliert wird.

6. Faser nach Anspruch 5, weiterhin gekennzeichnet durch die Unterdrückung von stimulierter Brillouin- Streuung um 2 dB im Vergleich mit einer unter konstanter Spannung gezogener Faser.

7. Faser nach Anspruch 5, bei der das Modulationsmuster sinusförmig ist.

8. Faser nach Anspruch 5, bei der das Modulationsmuster dreieckig ist.

9. Faser nach Anspruch 5, bei der das Modulationsmuster trapezförmig ist.