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DE68912288T2 - Verfahren zum Verarbeiten einer Vorform für polarisationserhaltende optische Fasern. - Google Patents

Verfahren zum Verarbeiten einer Vorform für polarisationserhaltende optische Fasern.

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DE68912288T2
DE68912288T2 DE89122315T DE68912288T DE68912288T2 DE 68912288 T2 DE68912288 T2 DE 68912288T2 DE 89122315 T DE89122315 T DE 89122315T DE 68912288 T DE68912288 T DE 68912288T DE 68912288 T2 DE68912288 T2 DE 68912288T2
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oxide
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doped
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Description

  • Die varliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rohlings für polarisationserhaltende Lichtleitfasern.
  • Immer wenn die zeitlich stabile Aufrechterhaltung eines Polarisationszustandes des Lichtes gefordert wird, muß die für die optische Nachrichtenübertragung verwendete klassische Monomodelichtleitfaser wegen der äußeren Einflüsse (Änderungen der Temperatur, des Druckes, ...) durch eine spezielle Faser ersetzt werden, die die Aufrechterhaltung der Polarisation bewirkt. Aufgrund der Restfehler (leichte Elliptizität, Spannungsanisotropie), können nämlich in der Praxis die an sich rotationssymmetrischen klassischen Monomodefasern zwei orthogonal polarisierte Ausbreitungsmodi unterhalten, wobei aber der Polarisationszustand am Ausgang wegen der Modenkopplungseffekte instabil ist.
  • Die die Linearpolarisation erhaltenden Fasern besitzen eine lineare Doppelbrechung, die bei Beseitigung der Entartung der beiden linearen Polarisationszustände des Grundmodus entweder durch eine Formdoppelbrechung (elliptischer Kern), oder durch eine Spannungsdoppelbrechung (Spannungsanisotropie um den Kern herum), oder durch eine Kombination beider hervorgerufen wird.
  • Fasern dieser Art sind für optische Fernmeldesysteme mit kohärenter Demodulation, für Weitverkehrsverbindungen und Netze sowie für bestimmte Anwendungen von Sensoren mit Lichtleitfaser, wie etwa Unterwasserhorchgeräte, von Interesse.
  • Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von die Linearpolarisation erhaltenden Fasern, die in der Druckschrift (1) "Polarization-maintaining fibers and their applications", von J. Noda et al. - J Lightwave Technol. Bd. LT-4, Nr. 8, Seiten 1071, 1089, 1986 beschrieben sind. Fasern vom Typ "Knoten-Schmetterling" werden durch MCVD-Beschichtung der Hülle und des Kerns in einem Rohr hergestellt, das diametral einander gegenüberliegende Kreissektoren aufweist, und werden dann mit Bor dotiert.
  • Gemäß der Druckschrift (2) Substrate tube lithography for optical fibers", von R.H. Stolen et al - Electron. Lett. Bd. 18, Nr. 18, Seiten 764-765, 1982 werden diese Sektoren durch selektives chemisches Ätzen hergestellt. Diese Technik ist subtil: sie besteht darin, die mit Boroxid dotierten Siliziumoxidsektoren, die nicht durch ein lichtempfindliches Harz abgedeckt worden sind, mit einer Fluorwasserstoffsäurelösung abzuätzen. Dies erfordert zahlreiche Verfahrensstufen: Beschichten, UV-Isolierung, Entwickeln, Ätzen, etc.
  • Gemäß der Druckschrift (3) "Fabrication of polarization maintaining fibers" von R.D. Birch et al. - Electron. Lett., Bd. 18, Nr. 24, Seiten 1046-1038, 1982, werden diese Sektoren durch selektives thermisches Ätzen hergestellt. Das Ätzen geschieht dabei durch Fluorwasserstoffgas, das die durch den Schweißbrenner erwärmten Abschnitte angreift.
  • In beiden genannten Fällen erfolgt das spätere Auftragen der optischen Hülle und des Kerns auf einer unsymmetrischen Struktur, was nach der Querschnittsverminderung einen nicht kreisförmigen Kern ergibt und somit beim Anschließen an eine Standardleitungsfaser mit kreisförmigem Kern die Kopplungsverluste erhöht. Im zweiten genannten Falle kann diese Wirkung durch eine zusätzliche, lokalisierte Wiederholungsauftragphase abgeschwächt werden, wie in der britischen Patentanmeldung GB-A-2 180 232 angegeben ist. Dies macht aber das Verfahren noch komplizierter, wobei das Ergebnis immer noch sehr unvollkommen ist.
  • Gemäß der Druckschrift (4) "Polarization maintaining fiber", von Y. Sasaki et al. - Electron. Lett., Bd. 19, Seiten 792-794, 1983, wird mit der "pin-in-jacket"-Methode bzw. der "Panda"-Methode gearbeitet, die ein Durchbohren der Hülle erfordert, was eine Operation darstellt, die ohne Bruchgefahr des Rohlings nur schwer über eine große Länge durchführbar ist.
  • Bei allen bisher erwähnten Verfahren werden beiderseits des Kerns Siliziumoxidzonen geschaffen, die mit Boroxid dotiert sind. Um eine hohe Doppelbrechung zu induzieren, müssen im Rohling Zonen geschaffen werden, die ein erhebliches Spannungsniveau einbringen, was sehr oft Risse oder gar ein Zerspringen des Rohlings verursacht.
  • Durch die europäische Patentanmeldung EP-A-145 031 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem man um einen Basisrohling im Inneren einer Siliziumoxidhülle einerseits zwei zumindest mit Boroxid dotierte Siliziumoxidzylinder und andererseits zwei mit Titanoxid dotierte Siliziumoxidzylinder anordnet. Die freien Räume im Inneren der Hülle werden mit nichtdotierten Siliziumoxidstangen besetzt. Es ist extrem schwierig, alle diese Elemente in der richtigen Stellung relativ zueinander zu halten. Es zeigt sich, daß die durch dieses Verfahren hergestellten Fasern Verformungen im Bereich des Kerns aufweisen, was für das Koppeln mit einer genau kreisförmigen Faser ungünstig ist oder daß die Fasern äußere Verformungen aufweisen, was die späteren Handhabungen der Faser kompliziert.
  • Ein ähnlicher Stand der Technik wird im Dokument JP- A-57 205333 beschrieben. In diesem Falle werden zwei mit Boroxid dotierte Glasstangen kreisförmigen Querschnitts und zwei mit Titanoxid dotierte Glasstangen kreisförmigen Querschnitts um einen Basisrohling angeordnet. Es erscheint schwierig, in dieser Gruppe von Stangen den Rohling richtig im Inneren einer äußeren Hülle zu zentrieren.
  • Schließlich beschreibt das Dokument JP-A-62 138337 einen Rohling, der von einem Rohr umgeben ist, das aus Sektoren mehrerer Glastypen besteht.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine polarisationserhaltenden Faser mit hoher Doppelbrechung auf einfachere Weise herzustellen, die dann leicht an andere Fasern des Netzes angekoppelt oder angeschlossen werden kann.
  • Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung durch das im Hauptanspruch definierte Verfahren erreicht. Was die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anbetrifft, wird auf die abhängigen Ansprüche verwiesen.
  • Da das Boroxid einen hohen Ausdehnungskoeffizienten und das Titanoxid einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, rufen die mit Boroxid dotierten Sektoren eine Kompressionsspannung senkrecht zur Achse der Faser hervor, während die mit Titanoxid und mit Fluor dotierten Sektoren eine Expansionsspannung in der dazu senkrechten Richtung erzeugen, was eine starke lineare Doppelbrechung ermöglicht.
  • Die Zugabe von Fluor zum Titanoxid in nahe beieianderliegenden Molverhältnissen ermöglicht die Verringerung und sogar Beseitigung der Erhöhung des Brechungsindexes aufgrund der Anwesenheit des Titans, wodurch Führungseffekte für Störlicht verhindert werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs beispielen hervor, die zur Verdeutlichung der Erfindung und ohne jede Beschränkungsabsicht abgefaßt ist.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines klassischen zylindrischen Basisrohlings;
  • Fig. 2A zeigt schematisch im Querschnitt ein Tragrohr aus Siliziumoxid, das Innenbeschichtungen aus mit Boroxid dotiertem Siliziumoxid aufweist,
  • Fig. 2B ist ein Querschnitt eines zylindrischen Rohlings nach dem Zerteilen des Rohrs aus Figur 2A in vier Abschnitte,
  • Figuren 3A und 3B entsprechen jeweils den Figuren 2A und 2B, betreffen aber ein Tragrohr aus Siliziumoxid mit Innenbeschichtungen aus mit Titanoxid dotiertem Siliziumoxid,
  • Fig. 4 zeigt ein Beispiel des Rohlings gemäß der Erfindung, der aus den Elementen der Figuren 1, 2B und 3B gewonnen wurde, und zwar vor der Querschnittsverminderung;
  • Fig. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht einer prismatischen Variante des Basisrohlings;
  • Fig. 6A ist eine Querschnittsansicht eines Rohres, das dem in Fig. 2A dargestellten Rohr entspricht, d.h., aus einem Siliziumoxidträger mit Innenbeschichtungen aus mit Boroxid dotiertem Siliziumoxid;
  • Fig. 6B ist eine Querschnittsansicht eines länglichen Elementes, das aus dem Rohr der Fig. 6A gewonnen wurde;
  • Figuren 7A und 7B entsprechen jeweils den Figuren 6A und 6B, betreffen aber ein Tragrohr aus Siliziumoxid mit Innenbeschichtungen aus mit Titanoxid dotiertem Siliziumoxid;
  • Fig. 8 zeigt ein weiteres Beispiel des Rohlings gemäß der Erfindung, der aus den Elementen der Figuren 5, 6B und 7B erhalten wurde, und zwar vor der Querschnittsverminderung;
  • Fig. 9 ist eine schematische Querschnittsansicht einer zylindrischen Variante des Basisrohlings mit vier Längsrillen;
  • Fig. 10A zeigt schematisch im Querschnitt ein Tragrohr aus Siliziumoxid mit Innenbeschichtungen aus mit Boroxid dotiertem Siliziumoxid;
  • Fig. 10B ist ein zylindrischer Rohling, der aus dem Rohr der Fig. 10A gewonnen wurde;
  • Fig. 11A zeigt schematisch im Querschnitt ein Tragrohr aus Siliziumoxid mit Innenbeschichtungen aus mit Titanoxid und Fluor dotiertem Siliziumoxid;
  • Fig. 11B ist ein zylindrischer Rohling, der aus dem Rohr der Fig. 11A gewonnen wurde; und
  • Fig. 12 zeigt im Querschnitt einen Rohling gemäß der Erfindung, die aus den Elementen der Figuren 9, 10B und 11B gewonnen wurde, und zwar vor der Querschnittsverminderung.
  • Fig. 1 zeigt einen Rohling 1, der mit Hilfe der klassischen MCVD-Beschichtungstechnik hergestellt wurde. Es handelt sich um einen Monomodenrohling, der in einem Siliziumoxidrohr 2 eine mit Phosphoroxid und mit Fluor dotierte Siliziumoxidhülle 3 und einen mit Germaniumoxid dotierten Siliziumoxidkern 4 aufweist. Die Dicke des Siliziumoxidrohres 2 kann verringert werden, beispielsweise durch chemisches Abätzen oder durch Verdampfen mittels Schweißbrenner.
  • Man fertigt weiter ein Rohr 5 (Fig. 2A) in Form eines Siliziumoxidtragrohrs 6 an, das mit Hilfe der MCVD-Beschichtungstechnik mit Siliziumoxidschichten 7 bedeckt wird, die mit 5Boroxid dotiert und gegebenenfalls mit einer Zusatzdotierung aus Germaniumoxid versehen sind.
  • Desgleichen stellt man ein Rohr 8 (Fig. 3A) in Form eines Siliziumoxidtragrohrs 9 her, das mit Hilfe der MCVD- Beschichtungstechnik mit Titanoxidschichten 10 bedeckt wird und gegebenenfalls eine Zusatzdotierung mit Fluor aufweist. Während Boroxid einen hohen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, weist Titanoxid nur einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auf.
  • Jedes Rohr wird mit der Diamantsäge entlang zweier, durch seine Achse verlaufender Ebenen durchgeschnitten, derart, daß vier langgestreckte Elemente 15 (Fig. 2B) und vier langgestreckte Elemente 18 (Fig. 3B) entstehen.
  • In Fig. 4 findet man den Rohling 1 mit zwei orthogonalen Ebenen 20 und 30 wieder.
  • Symmetrisch zur Ebene 20 ordnet man gegen den Rohling 1 zwei Elemente 15 an, während man symmetrisch zur Ebene 30 zwei Elemente 18 anbringt. Der Querschnitt der vier Elemente 15 und 18 definiert einen Ring. Alle diese Elemente können leicht auf dem Rohling 1 befestigt werden, beispielsweise durch Verschweißen an den Enden. Vorzugsweise wird ein äußeres Siliziumoxidrohr 14 um die beschriebene Elementengruppe geschoben, das anschließend, vorzugsweise durch Unterdruck, beispielsweise einem Druck von 100 Torr, und bei Temperaturen zwischen 2000º C und 2200º C im Durchmesser reduziert wird.
  • Man erhält dann einen Rohling, den man wie einen herkömmlichen Rohling zu einer Faser verarbeiten kann. Die mit Boroxid dotierten Sektoren induzieren eine Kompressionsspannung entlang einer senkrecht zur Faserachse verlaufenden Richtung. Die mit Titanoxid dotierten Sektoren induzieren eine Expansionsspannung entlang dieser senkrechten Richtung, was die Ausbildung einer starken linearen Doppelbrechung ermöglicht.
  • Bei einer zweiten Variante kann man entsprechend den in den Figuren 5 bis 8 dargestellten Phasen vorgehen. Der Basisrohling 41 entspricht dem vorhergehenden Rohling 1, wobei jedoch sein äußeres Rohr 42 so bearbeitet bzw. poliert wird, daß ein Prisma 40 mit beispielsweise guadratischem Querschnitt entsteht. Durch Querschnittsverminderung des Rohres 5 der Fig. 6A, entsprechend demjenigen der Fig. 2A, erhält man (Fig. 6B) einen Zylinder 42, dessen aus reinem Siliziumoxid bestehender Abschnitt so bearbeitet bzw. poliert wird, daß ein Prisma 44 polygonalen Querschnitts erzeugt wird, das einen zentralen Zylinder 43 aus mit Boroxid dotiertem Siliziumoxid enthält. Dieses längliche Element ist mit 48 bezeichnet.
  • Durch Querschnittsverminderung eines Rohres 8 der Fig. 7A, entsprechend demjenigen der Fig. 3A, erhält man (Fig. 7B) einen Zylinder 45, dessen aus reinem Siliziumoxid bestehender Abschnitt so bearbeitet bzw. poliert wird, daß ein Prisma 47 quadratischen Querschnitts hergestellt wird, das einen zentralen Zylinder 46 aus mit Titanoxid dotiertem Siliziumoxid enthält. Dieses längliche Element ist mit 49 bezeichnet.
  • Bezugnehmend auf Fig. 8 findet man den Basisrohling 41 mit den Richtungslinien 50 und 60 von zwei orthogonalen Symmetrieebenen wieder. Zu beiden Seiten der Ebene 50 sind zwei längliche Elemente 48 und zu beiden Seiten der Ebene 60 sind zwei längliche Elemente 49 angeordnet.
  • Die Bearbeitungsprofile dieser verschiedenen Elemente sind so gewählt, daß die leeren Räume praktisch ganz verschwinden, wenn sie in eine äußeres Siliziumoxidrohr 14 eingeschlossen werden. Der Querschnitt der vier Elemente ist praktisch kreisförmig. Anschließend erfolgt, wie in den vorigen Fällen, eine Querschnittsverminderung.
  • Bei einer dritten Variante geht man gemäß den in den Figuren 9 bis 12 dargestellten Phasen vor.
  • Gemäß Fig. 9 umfaßt ein anfänglich zylindrischer Rohling 51 in einem Siliziumoxidrohr 55 eine mit Phosphoroxid und Fluor dotierte Siliziumoxidhülle 54 und einen mit Germaniumoxid dotierten Siliziumoxidkern 53. Dieser Rohling wird durch die bekannte MCVD-Beschichtungstechnik hergestellt.
  • In die Seitenfläche dieses Rohlings werden vier gleichmäßig verteilte Längsrillen 56 und 57 eingearbeitet. Die Rillen werden ohne Schwierigkeit entlang der gesamten Länge des Rohlings ausgehoben, beispielsweise mit Hilfe der Diamantfräse.
  • Weiter wird ein Rohr 5 (Fig. 10A) entsprechend demjenigen der Fig. 2A mit Beschichtungen 7 aus mit Boroxid dotiertem Siliziumoxid hergestellt, ggf. mit einer Zusatzdotierung aus Germaniumoxid.
  • In gleicher Weise wird ein Rohr 8 (Fig. 11A) mit einem Tragrohr 9 hergestellt, das durch die MCVD-Beschichtungstech nik mit Schichten 10 aus Titanoxid und Fluor versehen ist.
  • Die Rohre 5 und 8 werden dann im Querschnitt reduziert und zu Rohren 5' und 8' gemacht (vgl. Figuren 10B und 11B), woraufhin man mindestens teilweise das Siliziumoxid der Tragrohre durch chemisches Abätzen oder durch Verdampfung mit dem Schweißbrenner entfernt. Man erhält dann die Rohlinge 11 und 12. Ihr jeweiliger Durchmesser entspricht im wesentlichen den Abmessungen der auf dem Rohling 51 vorgesehenen Rillen 56 und 57, wie aus Fig. 12 hervorgeht.
  • In dieser Figur sind die Richtungslinien 70 und 80 von zwei auf dem Rohling 51 definierten orthogonalen Symmetrieebenen wiedergegeben. Symmetrisch zur Ebene 70 werden gegen die äußere Fläche des Rohling 51 und in den Rillen 56 zwei Rohlinge 11 angebracht, während in den Rillen 57 zwei Rohlinge 12 symmetrisch zur Ebene 80 untergebracht werden. Die Rohlinge 11 und 12 werden ohne Schwierigkeiten in den entsprechenden Rillen festgehalten und reichen vorzugsweise über die Außenfläche des Rohlings 51 nicht hinaus.
  • Die so aufgebaute und im wesentlichen zylindrische Baugruppe wird in ein äußeres Siliziumoxidrohr 14 eingebracht und anschließend der Querschnittsreduktion unterzogen.
  • Bei allen oben beschriebenen Varianten erhält man eine Faser, in die eine starke lineare Doppelbrechung induziert ist. Dabei hat die Faser die volle Kreisförmigkeit des Kerns, was die Kopplungen und Anschlüsse erleichtert, und eine einwandfreie äußere Kreisförmigkeit, behalten.
  • Natürlich ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, die beschrieben wurden.
  • So ist es bei der Herstellung der verschiedenen Rohre möglich, durch Nebelbildung einer wässrigen oder organischen Chloridlösung gemäß dem im französischen Patent Nr. 87 14 286 beschriebenen Verfahren Bor-, Germanium- oder Titanoxid in das Rohr einzubringen. Was das Fluor betrifft, kann es in Form eines Gases wie etwa SiF&sub4;, C&sub2;F&sub6;, CF&sub2;Cl&sub2;, SF&sub6; ... etc. eingebracht werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Rohlings für polarisationserhaltende Lichtleitfasern, bei dem man von einem Basisrohling ausgeht, der aus einem kreisförmigen Kern (4) aus dotiertem Siliziumoxid, einer Hülle (3) aus dotiertem Siliziumoxid und einem äußeren Rohr (2) aus Siliziumoxid besteht, wobei der Basisrohling zwei orthogonale Symmetrieebenen besitzt, die durch seine Achse verlaufen, und wobei man mechanisch an die Außenseite des Basisrohlings symmetrisch zur ersten Ebene bzw. zur zweiten Ebene zwei mindestens teilweise aus Siliziumoxid bestehende und mindestens mit Boroxid dotierte Elemente, sowie zwei längliche, mindestens teilweise aus Siliziumoxid bestehende und mindestens mit Titanoxid dotierte Elemente bringt, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des äußeren Rohres des Basisrohlings und die vier länglichen Elemente so geformt sind, daß sie sich zu einem Ganzen fügen und ohne weiteres einen praktisch vollen Zylinder bilden, wobei die Gesamtheit der Teile an ihren beiden Enden befestigt und anschließend im Querschnitt reduziert wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines Rohlings nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des äußeren Rohres (2) des Basisrohlings (1) zylindrisch ist und daß jedes längliche Element (15, 18) einen Abschnitt eines Rohres (5, 8) bildet, welches entlang zweier durch seine Achse verlaufender Ebenen zerschnitten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr des länglichen Elementes ein Tragrohr (6, 9) ist, das im Inneren mit einer Schicht aus mit Boroxid (7) oder mit Titanoxid (10) dotiertem Siliziumoxid versehen wird, und daß das Rohr mit der Diamantsäge in Längsrichtung zerschnitten wird.
4. Verfahren zur Herstellung eines Rohlings nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des äußeren Rohres (40) des Basisrohlings (41) prismatisch ist und daß jedes längliche Element (48, 49) durch Querschnittsverminde rung eines Rohres (5, 8) aus reinem Siliziumoxid erhalten wird, das mit Boroxid oder mit Titanoxid dotiert ist, wobei der aus reinem Siliziumoxid bestehende Abschnitt anschließend in Längsrichtung so bearbeitet bzw. poliert wird, daß ein Prisma (48, 49) mit polygonalem Querschnitt entsteht.
5. Verfahren zur Herstellung eines Rohlings nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisrohling (41) einen quadratischen Querschnitt besitzt.
6. Verfahren zur Herstellung eines Rohlings nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des äußeren Rohres des anfänglich zylindrischen Basisrohlings (51) so bearbeitet wird, daß vier Rillen (56, 57) gebildet werden, in die jeweils die aus zylindrischen Rohlingen (11, 12) bestehenden länglichen Elemente gelegt werden.
7. Verfahren zur Herstellung eines Rohlings nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohling (11, 12) aus Boroxid oder aus Titanoxid durch Querschnittsverminderung eines Tragrohres (6, 9) mit inneren Beschichtungen (7, 10) aus Boroxid oder Titanoxid und durch anschließende totale oder partielle Beseitigung des Tragrohres erhalten wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Basisrohling und den vier länglichen Elementen bestehende Gruppe durch Einstecken in ein äußeres Rohr (14) aus Siliziumoxid eingebracht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Boroxid dotierte Siliziumoxid auch Germaniumoxid enthält.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Titanoxid dotierte Siliziumoxid auch eine Fluordotierung aufweist.
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