DE2831908A1

DE2831908A1 - Lichtwellenleiter zur optischen energieuebertragung

Info

Publication number: DE2831908A1
Application number: DE19782831908
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Ing Heitmann
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 1978-07-20
Filing date: 1978-07-20
Publication date: 1980-01-31

Description

Lichtwellenleiter sind rotationssymmetrisch aufgebaute
Fasern mit einem Kern aus einem Material etwas höherer Brechzahl als das umhüllende Mantelmaterial.
Typische Durchmesser liegen zwischen 0,1 biB 0,5 mm.
Eingestrahltes Licht wird durch Totalreflexion im Fsserkern geführt. Verlustarme Lichtwellenleiter werden aus reinem oder dotiertem Quarzglas sowie aus Mehrkomponentengläsern oder Kunststoffen aufgebaut.
Fur Anwendungen in der Medizin und in der Materialbearbeitung ist es erforderlich, hohe Lichtleistungen von einer Lichtquelle (Laser) an den Einsatzort zu übertragen.
Dazu werden wegen ihrer Flexibilität und der geringen Abmessungen Lichtwellenleiter eingesetzt. Bei der Übertragung hoher Lichtleistungen ist eine geringe Absorption des Kernmaterials von wesentlicher Bedeutung. Die absorbierte Lichtleistung wird in Wärme umgewandelt und kann die Faser so stark aufheizen, daß sie unbrauchbar wird. Das wird in erster Linie dadurch verursacht, daß Kunststoffmäntel, die entweder als Lichtleitmantel den Faserkern oder als Schutzmantel den Fasermantel umgeben, verändert oder zerstört werden.
Die Absorption des Kernmaterials setzt sich aus Eigenabsorption und Verunreinigungsabsorption zusammen.
Durch geeignete Herstellungsverfahren (z.B. Chemical-Vapor-Deposition = CVD-Technik) ist es möglich, die Verunreinigungsabsorption fast völlig auszuschalten. Als untere Grenze bleibt dann noch die Eigenabsorption. Der Fachliteratur kann entnommen werden, daß zur Zeit reines Quarzglas als Material mit der geringsten Eigenabsorption abgesehen wird (Unger, H.G.: Planar Optical Waveguides, Clarendon Press, Oxford, 1977, Seite 31).
Die Eigenabsorption von reinem Quarzglas liegt im Spektralbereich von 0,7 bis 1,1 um zwischen 1,3 und 0,4 db/km. Das entspricht einer Absorption von 1 - 3 . 106/cm. Bei1kW tbertragener Lichtleistung würde dann für einen Kerndurchmesser von 60 e ein Kubikzentimeter Kernmaterial mit 35 - 106 W erwärmt, bei 400 P Kerndurchmesser mit 0,8 bis 2,4 W.
Der dadurch bedingte Temperaturanstieg könnte die optischen und/oder die mechanischen Eigenschaften des Lichtwellenleiters bis zur Unbrauchbarkeit verändern.
Wie diese Uberschlagarechnung zeigt, ist mit dem bisher von der Fachwelt als Optimum für diesen Zweck angesehenen reinen Quarzglas eine optische Energieübertragung nur in beschränktem Maße möglich, wenn man nicht durch den aber gang auf größere Durchmesser auf die Plexibilität verzichten will.
Es hat sich herausgestellt, daß durch geringe Beigaben von P205 zum Quarzglas des Kernmaterials der spektrale Verlauf der Eigenabsorption nach noch niedrigeren Werten hin verändert werden kann. Die etwas unter den Werten für reines Quarzglas liegenden Absorptionswerte sind jedoch für die Ubertragung hoher Lichtleistungen in einem Lichtleiter noch zu hoch (Heitmann, W.: "Instrinsic Attenuation in Pure and Doped Silica for Fibre Optical Waveguides" Nachrichtentechnische Zeitschrift, 30; 6, 1977, S. 503 - 506).
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in Fortführung des Erfolg versprechenden Weges der Dotierung von reinem Quarzglas Dotierungsstoffe anzugeben, die einen für die Übertragung hoher Lichtlei stungrnotwend igen niedrigen Absorptionswert im Kernmaterial des Lichtwellenleiters verursachen.
Ausgehend von einem Lichtwellenleiter zur optischen Energieübertragung mit einem aus Quarzglas bestehenden Kernmaterial wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Quarzglas m t GeO2 in einer Dotierungskonzentration von 10 - 30 Moldotiert ist.
Erwähnt sei, daß es an sich bekannt ist, Quarzglas als Kernmaterial für Lichtwellenleiter mit besonders geringer Dämpfung unter anderem auch mit Ge02 zu dotieren.
Diese Dotierung geschah aber nicht im Hinblick auf die Minimierung des Absorptionskoeffizienten, sondern zur Erhöhung des Brechungsindex. Dabei wird im allgemeinen ein annähernd parabelförmiges achsiales Brechzahlprofil erzeugt. Der Verlauf dieses Brechzahlprofils ist bei der Verwendung des Lichtwellenleiters für Nachrichtenübertragung im Hinblick auf geringe Dispersion eine wesentliche Größe. Die Dispersion spielt bei einer Energieübertragung naturgemäß keine Rolle (Siemens, Forschungs- und Entwicklungsberichte, Band 5, 1976, Nr. 3, 5. 171 - 175).
Die Ergebnisse der Materialwahl nach der Erfindung werden in einem nachfolgend beschriebenen Diagramm dargestellt.
Fig. 1 zeigt die Eigenabsorption als Funktion der Wellenlange für reines Quarzglas (kufe A) und für schwach GeO-dotLertes Quarzglas (K3ve B). Bei mit GeO2 dotiertem Quarzglas verringert sich die Eigenabsorption mit zunehmender Wellenlänge sehr stark und fällt bei etwa 1 e unter 0,1 db/km. Dagegen beträgt die Eigenabsorption von reinem SiO2 bsi1 noch 0,5 db/km.
Die Dotierungskonzentration betrug in angegebenem Beispiel etwa 10 Mol %.
Eigene Analysen spektraler Dämpfungskurven von Lichtwellenleitern haben ergeben, daß bei hoher Dotierungskonzentration und bei zusätzlicher Dotierung mit weiteren Oxyden der Einsatz der Eigenabsorption zu noch kürzeren Wellenlängen verschoben wird. Für ein Kernmaterial aus Quarzglas mit den 4 Dotierungsoxyden Ge02, P205, B203 und Sb205 lag die Eigenabsorption bei 07jim noch unter 0,1 db/km. Die Dotierungskonzentration der zusätzlichen Oxyde kann dabei zwischen 5 und 50 Mol % liegen.
Diese Ergebnisse zeigen, daß bei Verwendung von dotiertem Quarzglas für einen breiten Spektralbereich praktisch absorptionsfreies Kernmaterial für Lichtwellenleiter hergestellt werden kann. Die kurzwellige Grenze liegt bisher bei etwa 0,7/um, läßt sich aber wahrscheinlich noch zu kürzeren Wellenlängen verschieben. Als langwellige Grenze des absorptionsfreien Bereichs kann 1,2 bis 2,0 µm angenommen werden. Dort setzt dann ein neuer Absorptionsmechanismus ein, der auf Ausläufer der Bandenabsorption im Infraroten zurückzuführen ist.
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Claims

Lichtwellenleiter zur optischen Energieübertragung (2) Patentansprüche 1. Lichtwellenleiter zur optischen Energieübertragung mit aus Quarzglas bestehendem Kern, da durch gekennzeichnet, daß das Quarzglas mit GeO2 in einer Dotierungskonzentration von 10 - 30 Mol % dotiert ist.
2. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das GeO2-dotierte Quarzglas zusätzlich mit P205, 3203 und/oder Sb205 in einer Dotierungskonzentration von 5 - 50 Mol % dotiert ist.