DE3307874C2

DE3307874C2 -

Info

Publication number: DE3307874C2
Application number: DE19833307874
Authority: DE
Inventors: Leonard George Cohen; Wanda Lee Holmdel N.J. Us Mammel
Original assignee: AT&T Technologies Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-03-11
Filing date: 1983-03-05
Publication date: 1991-01-10
Also published as: NL8300880A; CA1248386A; DE3307874A1; GB2116744B; GB8306443D0; JPS6237361B2; GB2116744A; FR2523316B1; JPS58168004A; FR2523316A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Faser der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Grundsätzlich sind optische Fasern erwünscht, die sich durch geringe Verluste und geringe Dispersion auszeichnen. Bei bekannten Einzelmoden-Lichtleiterfasern, die eine von einem dünnen inneren Mantel und einem dickeren äußeren Mantel umgebene Kernzone aufweisen, läßt sich durch geeignete Wahl von Radien und Brechungsindizes des Doppelmantels eine niedrige chromatische Dispersion in einem Wellenlängenbereich zwischen 1,3 und 1,55 µm realisieren. Mit ansteigender Wellenlänge werden jedoch Verluste aufgrund von Strahlung durch die Mantelschichten bedeutungsvoll. Speziell in Nähe der Grenzwellenlänge des Hauptmoden verursacht eine geringfügige Änderung der Signalwellenlänge, daß sich der Hauptmode von einer geleiteten Welle in eine Leckwelle ändert, die durch die Mantelschichten hindurchstrahlt. Starke Verluste am oberen Ende des Bereichs geringer Dispersion sind die Folge.

In der EP-A 1-83 843 ist eine optische Faser der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art beschrieben, bei der der Kern von vier Mantelschichten umgeben ist, um eine niedrige Dispersion in einem breiten Band von Wellenlängen zu erzielen.

In einem Ausführungsbeispiel sind insgesamt drei verschiedene Brechungsindizes vorgesehen, wobei die Brechungsindizes des Kerns und der zweiten Mantelschicht gleich groß sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Faser der in der EP-A 2-83 843 vorgeschlagenen Art derart weiterzubilden, daß der maximal mögliche Längenwellenbereich für geringe Dispersion erzielt wird und sichergestellt ist, daß eine dritte Nullstelle der Dispersionskurve vorhanden ist, um so die Dispersion noch weiter zu minimieren.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebene Bedingung wird gewährleistet, daß der Verlauf der chromatischen Dispersion tatsächlich drei Nullstellen aufweist, gegenüber zwei maximal möglichen Nullstellen bei der bekannten Doppelmantelfaser sowie gegenüber der grundsätzlichen Möglichkeit von weniger als drei Nullstellen bei der optischen Faser nach der genannten EP-A 2-83 843. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die dritte Nullstelle bei einer Wellenlänge von etwa 1,8 µm erreicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine bekannte optische Faser mit Doppelmantel,

Fig. 2 eine Kurve, die den typischen Verlauf der chromatischen Dispersion bei einer Doppelmantelfaser veranschaulicht,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Faser mit Vierfachmantel,

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Änderungen des Gruppenindex bei Doppelmantel- und bei Vierfachmantelfasern veranschaulicht,

Fig. 5 eine Kurvenschar, die den Verlauf der chromatischen Dispersion bei Vierfachmantelfasern unterschiedlicher Größe veranschaulicht und

Fig. 6 Dispersionskurven für eine Einzelmantel-, eine Doppelmantel- und eine Vierfachmantelfaser.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer herkömmlichen optischen Doppelmantelfaser (Doppelmantel-Lichtleiterfaser) 10, die eine Kernzone 11 aufweist, welche von einem relativ dünnen ersten Innenmantel 12 und einem dickeren zweiten Außenmantel 13 umgeben ist. Bezeichnet man den Brechungsindex des Außenmantels mit n_o, so beträgt der Brechungsindex n_c des Kerns n_o(1+ Δ_c), und der Brechungsindex n₁ des Innenmantels beträgt n_o(1+ Δ₁), wobei Δ_c und Δ₁ die Bruchteildifferenzen zwischen den Brechungsindizes des Kerns und des Außenmantels bzw. zwischen den Brechungsindizes des Innenmantels und des Außenmantels sind. Das Indexprofil einer solchen Faser ist das sogenannte "W-Profil", das ebenfalls in Fig. 1 dargestellt ist. In der Zeichnung sind die verschiedenen Indizes als Funktion des auf den Radius a des Innenmantels normierten Faserradius aufgezeichnet.

Bei einer Faser, deren Kern aus mit Germanium dotierter Kieselerde besteht, die einen mit Fluor dotierten Innenmantel und einen aus reiner Kieselerde bestehenden Außenmantel aufweist, beträgt R_c vorzugsweise etwa 0,7, und das Verhältnis Δ₁/Δ_c beträgt vorzugsweise 2. Bei einer solchen Faser ist die gesamte chromatische Dispersion über dem gewünschten Wellenlängenbereich zwischen 1,3 und 1,55 µm niedrig.

Fig. 2, die der Veranschaulichung dienen soll, zeigt eine Schar typischer Dispersionskurven für eine Doppelmantelfaser. Die Darstellung enthält eine Materialdispersionskurve 15, eine Wellenlängendispersionskurve 16 und die resultierende Kurve für die gesamte chromatische Dispersion 17, wobei letztere Kurve durch Addieren der Werte der Kurven 15 und 16 erhalten wird. Allgemein kann die Kurve für die Gesamtdispersion einer Doppelmantelfaser Wellenlängen λ₁ und λ₂ zwei Nulldurchgänge aufweisen. Bei der hier betrachteten speziellen Faser sind λ₁=1,35 µm und λ₂=1,63 µm. Aufgrund der bei größeren Wellenlängen auftretenden starken Materialdispersion entspricht dem Nulldurchgang bei λ₂ eine entsprechend starke Wellenleiterdispersion, die in der Nähe der Hauptmoden-Grenzwellenlänge λ_co auftritt, welche etwa bei 1,7 µm liegt. Bei dieser Wellenlänge wird der effektive Brechungsindex kleiner als n_o. Bei einer solchen Wellenlänge wird die Signalwelle nicht mehr in der Faser geleitet, sondern läuft stattdessen durch die Mantelschichten und geht verloren.

Um niedrige Verluste zu gewährleisten, sollte λ_co um mehr als 0,1 µm größer sein als die größte interessierende Wellenlänge. Berücksichtigt man dieses Kriterium, so ist der Verlauf der gesamten chromatischen Dispersion, der mit den derzeit verfügbaren, für geringe Dispersion im Bereich zwischen 1,3 und 1,55 µm ausgelegten Doppelmantelfasern erreichbar ist, für einen Betrieb in der Nähe von 1,55 µm kaum akzeptierbar.

Um die oben beschriebenen Beschränkungen und Nachteile der bekannten Doppelmantelfaser zu vermeiden, werden gemäß der Erfindung zwei zusätzliche Mäntel hinzugefügt, um eine Vierfachmantelfaser 20 zu erhalten, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Faser enthält eine Kernzone 21, die von vier Mantelschichten 22, 23, 24 und 25 umgeben ist. Hierbei bildet die Schicht 22 den ersten, am weitesten innen liegenden Mantel, und die Schicht 25 bildet den vierten, am weitesten außen liegenden Mantel. Bezeichnet man den Brechungsindex n₄ des am weitesten außen liegenden Mantels 25 mit n_o, so betragen die Brechungsindizes des Kerns n_c sowie die Indizes n₁, n₂ und n₃ der Mäntel 22, 23 bzw. 24:

n_c = n_o (1+Δ_c)
n₁ = n_o (1-Δ₁)
n₂ = n_o (1+Δ₂)
n₃ = n_o (1-Δ₃),

wobei

Δ_c, Δ₁, Δ₂ und Δ₃

die Bruchteildifferenzen zwischen den Indizes der jeweiligen Abschnitte der Faser und des am weitesten außen liegenden Mantels sind.

In Fig. 3 ist das Indexprofil der Vierfachmantelfaser als Funktion des auf den Radius R₁ des am weitesten innen befindlichen Mantels 22 normierten Faserradius dargestellt. Man sieht, daß die relativen Beträge der Indizes folgender Bedingung genügen:

n_c < n₂ < n₄ < n₃ < n₁.

Wie oben erläutert wurde, verursacht in der Nähe der Hauptmoden-Grenzwellenlänge eine kleine Änderung der Wellenlänge, daß sich das Signal von dem geleiteten Moden in einen Leckmoden ändert, der in den zweiten Mantel strahlt. Der Grund hierfür kann anhand von Fig. 4 erläutert werden, die den effektiven Gruppenindex n_g als Funktion der Wellenlänge λ sowohl für Doppelmantel- als auch für Vierfachmantelfasern zeigt. Bei kürzeren Wellenlängen wird das Signal vornehmlich durch den inneren Lichtleiter geleitet, der durch den Kern 21 und den ersten Mantel 22 gebildet wird. Folglich ist der durch die Kurve 43 dargestellte effektive Gruppenindex bei kürzeren Wellenlängen größer als der durch die Kurve 40 dargestellte Kernindex. Bei größeren Wellenlängen erstreckt sich ein größerer Anteil des Signalfeldes in den ersten Mantel und darüber hinaus. Dies bewirkt eine Verkleinerung des effektiven Gruppenindex. In der Doppelmantelfaser wird schließlich der Gruppenindex kleiner als der Index des am weitesten außen liegenden Mantels (des zweiten Mantels), und es ist schließlich die Grenzwellenlänge erreicht, d. h., es findet keine Lichtleitung mehr statt. Dies ist in der Zeichnung durch den Kurvenabschnitt 44 angedeutet, der sich bei λ_co der Grenzwellenlänge (cut-off) nähert.

Im Gegensatz dazu wird in der Vierfachmantelfaser die aus dem Faserkern herausstrahlende Wellenenergie in einem äußeren Lichtleiter gefangen, der gebildet wird durch den zweiten Mantel 23 sowie durch den ersten und den dritten Mantel 22 bzw. 24, die den zweiten Mantel umgeben. Das auf diese Weise eingefangene Licht geht nicht durch Abstrahlung verloren, sondern wird weitergeleitet, wenn auch in einem anderen Teil der Faser. Der durch den Kurvenabschnitt 45 veranschaulichte effektive Gruppenindex ändert sich von einem Wert, der größer ist als n_c, auf Werte, die sich den durch die Kurve 41 wiedergegebenen Werten für den zweiten Mantel annähern. Wie man sieht, besitzt die sich ergebende Indexkurve für die Vierfachmantelfaser drei Umkehrpunkte bei Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃. Insoweit der Verlauf der gesamten chromatischen Dispersion proportional zur Steigung der Gruppenindexkurve ist, kann die Kurve der chromatischen Dispersion drei Nullpunkte bei den Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ aufweisen, wie in Fig. 5 dargestellt ist.

Bei der Auslegung der Vierfachmantelfaser gibt es die unabhängigen Parameter Δ_c, Δ₁, Δ₂, Δ₃, R_c, R₁, R₂, R₃ sowie a, wobei a die Größe des Außenradius des innersten Mantels ist und als Normierungsfaktor benutzt wird. Der Radius des am weitesten außen liegenden Mantels ist nicht kritisch und ist typischerweise aus Gründen, die unten noch dargelegt werden, relativ groß. Ein allgemeines Verfahren zum Berechnen des Verlaufs der chromatischen Gesamtdispersion für ein beliebiges Indexprofil ist in einem Artikel von L. G. Cohen mit dem Titel "Correlation Between Numerical Predictions and Measurements of Single-Mode Fiber Dispersion Characteristics", veröffentlicht am 15. Juni 1980 in Applied Optics, Vol. 19, Seiten 2007-2010, beschrieben. Wendet man dieses Verfahren auf die Vierfachmantelfaser an, so erhält man die in Fig. 5 dargestellte Kurvenschar. Diese speziellen Kurven werden für vier unterschiedliche Werte von 2a unter Zugrundelegung folgender Werte berechnet:

Δ_c = 0,3%, R_c = 0,7
Δ₁ = 0,6%, R₁ = 1,0
Δ₂ = 0,06%, R₂ = 1,7
Δ₃ = 0,12%, R₃ = 2,0.

Ein Vergleich mit der in Fig. 2 dargestellten Dispersionskurve der Doppelmantelfaser zeigt, daß bei der Vierfachmantelfaser über einem wesentlich breiteren Band von Wellenlängen geringe Dispersion auftritt. Insbesondere hat die Maßnahme, zwei zusätzliche Mäntel vorzusehen, den Effekt, daß eine zusätzliche Nullstelle im Bereich großer Wellenlängen der Kurven liegt, wodurch das Intervall geringer Dispersion beträchtlich vergrößert wird. Außerdem ist die Verbesserung der Verlustkennlinie offensichtlich. Bei der Doppelmantelfaser liegt die Grenzwellenlänge bei etwa 1,7 µm, wohingegen sie bei der Vierfachmantelfaser oberhalb von 1,9 µm liegt, was durch die Enden der Dispersionskurven dargestellt ist. Schließlich zeigen die Kurvenverläufe, daß die Dispersionskennlinien relativ stabil im Hinblick auf Änderungen der Faserparameter sind. Man vergleiche z. B. die Kurven für 2a=13,1 und 2a=13,9.

Von besonderem Interesse ist die Erfindung im Zusammenhang mit Einzelmodenfasern und Doppelmodenfasern. (Vergl. Kap. 3 in Optical Fiber Telecommunications, herausgegeben von S. E. Miller und A. G. Chynoweth, Academic Press, 1979, und den Artikel von L. G. Cohen, "Propagation Characteristics of Double-Mode Fibers", veröffentlicht in der Juli/August-Ausgabe des Bell System Technical Journal, Vol. 59, No. 6, Seiten 1061-1072). Daher müssen die Erfordernisse derartiger Fasern auch bei dem Entwurf einer Vierfachmantelfaser berücksichtigt werden. Wenn z. B. entweder Δ₂ oder R₂-R₁ zu groß gewählt wird, bleibt die Faser keine Einzelmodenfaser. Ist Δ₃ oder R₃-R₂ zu klein, macht die Dispersionskurve bei größeren Wellenlängen keine Wendung, die stark genug ist, um am oberen Ende des Bandes den gewünschten Nulldurchgang zu erhalten. In diesem Zusammenhang kann man eine Funktion

definieren, deren Wert größer als eins sein muß, wenn bei größeren Wellenlängen eine Nullstelle erhalten werden soll.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Biegeverluste in einer Vierfachmantelfaser kleiner als in einer Doppelmantelfaser sind. Erfindungsgemäße Fasern lassen sich von nach bekannten Methoden, z. B. nach dem modifizierten chemischen Dampfniederschlagungsverfahren (MCVD-Verfahren) hergestellten Rohlingen ziehen.

Es können irgendwelche geeigneten indexmodifizierenden Dotierstoffe oder Kombinationen solcher Dotierstoffe verwendet werden. Beispiele für Dotierstoffe sind F (Fluor), Ge (Germanium) und P (Phosphor). Bei Ausführungsformen, mit denen gute Leistungen erzielt wurden, besteht der am weitesten außen liegende Mantel aus Kieselerde (SiO₂). Der Kern und der zweite Mantel bestehen aus Kieselerde, die mit einem indexerhöhenden Dotierstoff (z. B. Germanium und/oder Phosphor, wenn die erste Nullstelle bei kürzeren Wellenlängen dienen soll) schwach dotiert ist, und der erste und der dritte Mantel bestehen aus Kieselerde, die mit einem indexverringernden Dotierstoff (z. B. Fluor) schwach dotiert ist.

Zusätzlich zu den vier aktiven, wellenleitenden Mantelschichten können zusätzliche Schichten aus beim Herstellungsverfahren als Nebenprodukte anfallendem Material vorgesehen sein, oder Schichten, deren Zweck mit der Wellenleiterfunktion der Faser in keinem Zusammenhang steht. Im Gegensatz zu den vier optischen aktiven Mänteln, die derart beschaffen sind, daß sie bei den interessierenden Wellenlängen sehr geringe Verluste aufweisen, können solche zusätzlichen Schichten bei diesen Wellenlängen verlustbehaftet sein. Wird z. B. von dem MCVD-Verfahren Gebrauch gemacht, so ist der am weitesten außen liegende Mantel von einem Rohling-Ausgangsrohr umgeben, das aus Kieselerde besteht, die typischerweise durch hohe Verluste gekennzeichnet ist. Es kann eine Barrierenschicht zum Verhindern der Wanderung von OH-Radikalen in den Kernbereich vorgesehen sein. Wird die vierte Mantelschicht jedoch dick genug gemacht, so haben diese zusätzlichen Mäntel keinen Einfluß auf das Lichtleiterverhalten der Faser und brauchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht beachtet zu werden.

Zusammengefaßt: Um denjenigen Bereich von Wellenlängen zu verbreitern, in dem eine optische Faser eine niedrige chromatische Dispersion (niedriger als 5 ps/km-nm) und geringe Verluste (kleiner als 1 dB/km) besitzt, werden vier optisch aktive Mantelschichten verwendet. Ein grundsätzlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß in einem Bereich, der die Wellenlängen zwischen 1,3 und 1,55 µm umfaßt, geringe Dispersion und niedrige Verluste erzielt werden. Fig. 6, die zu Vergleichszwecken dienen soll, zeigt die Dispersionskurven 60, 61 und 62 für eine typische Stufenindex-Einzelmodenfaser, eine typische Doppelmantelfaser und eine Vierfachmantelfaser. Man sieht, daß das Band geringer Dispersion bei der Vierfachmantelfaser beträchtlich breiter ist als bei den anderen Fasern.

Claims

1. Optische Faser mit

- einer Kernzone (21) eines Brechungsindex n_c und eines Radius R_c,
- vier die Kernzone umgebenden Mantelschichten (22, 23, 24, 25), deren Brechungsindizes n₁, n₂, n₃, n₄ und deren Radien R₁, R₂, R₃, R₄ sind, und zwar je von der Kernzone aus fortlaufend durchnumeriert, und
- einer chromatischen Dispersion, die in einem gewünschten Übertragungswellenlängenbereich bei mindestens einer Wellenlänge gleich Null ist,

gekennzeichnet durch n_c < n₂ < n₄ < n₃ < n₁ und mit

2. Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre chromatische Dispersion in einem Abschnitt des gewünschten Übertragungswellenbereichs sehr nahe bei Null liegt.

3. Optische Faser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ihre chromatische Dispersion in dem Abschnitt zwischen +5,0 ps/km-nm und -5,0 ps/km-nm liegt.