DE69615851T2

DE69615851T2 - Verfahren zur herstellen einer optischen einmodenfaser und optischer verstärker mit dieser faser

Info

Publication number: DE69615851T2
Application number: DE69615851T
Authority: DE
Inventors: Pascal Baniel; Frederic Chiquet; Jean-Jacques Girard; Marylise Le Thuaut
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1995-11-13
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2016-11-08
Also published as: WO1997018169A1; US6626011B2; IL119599A0; JP2000500728A; DE69615851D1; FR2741061A1; ATE206693T1; AU719124B2; IL119599A; FR2741061B1; ZA969529B; AU7575996A; EP0861215A1; EP0861215B1; US20010045109A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung einer Vorform für eine optische Singlemode-Faser und eine entsprechende optische Singlemode-Faser. Sie findet insbesondere eine Anwendung auf dem Gebiet der Telekommunikation über optische Fasern. Sie ist als nicht einschränkendes Beispiel anwendbar auf die Fluorglas-Technologie, Polymertechnologie etc.. Insbesondere kann die Erfindung angewendet werden bei der Herstellung von wirtschaftlichen optischen Verstärkern, die geringe Spleißverluste zwischen Verstärkerfaserabschnitt und Leitungsfasern und eine mit den benötigten Pumpausbeuten kompatible spektrale Dämpfung haben.
Die Herstellung einer optischen Faser umfaßt zwei aufeinanderfolgende Schritte, nämlich die Herstellung einer Vorform und das Ziehen dieser Vorform, um eine optische Faser zu erhalten.
Die Verwendung einer der Techniken vom Typ CVD (Chemical Vapour Deposition), die in dem Dokument mit dem Titel "Preform Technologies for Optical Fibers" von D. Dorn und C. Le Sergent, veröffentlicht in "Electrical Communication", Band 62, Nr. 3/4, 1988, für die Herstellung einer Vorform aus Fluorglas oder Polymer beschrieben sind, liefert insbesondere hinsichtlich der Dämpfung keine befriedigenden Ergebnisse. Es wird dann z. B. eine Technik von dem dem Fachmann bekannten Typ "Built-in casting" verwendet, die in dem Artikel von S. Mitachi, T. Miyashita und T. Kanamori, Electronics Letters, Band 17, Seite 591 ff (1981) beschrieben ist. Diese Technik verwendet eine zylindrische Hohlform, die einen Verschlußboden aufweist. Eine geschmolzene Glasmasse, die vorgesehen ist, um den Mantel zu bilden, wird in diese Form gegossen. Bevor diese Mantelglasmasse, die in der Form einen massiven Zylinder bildet, vollständig verfestigt ist, wird ein zentraler zylindrischer Abschnitt des massiven Zylinders entfernt, der mit einer geschmolzenen Kernglasmasse gefüllt wird. Als Ergebnis wird nach Abkühlung eine Anfangsvorform in Form einer Stange erhalten, die eine zentrale Kernzone und eine periphere Mantelzone umfaßt. Beim Ziehschritt wird die optische Faser aus dieser Vorform gezogen. Diese Faser umfaßt einen Kern und einen den Kern umgebenden Mantel. Sie besitzt ein Verhältnis zwischen Kerndurchmesser und Faserdurchmesser, das identisch mit dem Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Kernzone und dem Durchmesser der Vorform ist. Das Verhältnis [Kerndurchmesser/Gesamtdurchmesser] zwischen Faser und Vorform bleibt also homothetisch erhalten.
Um eine optische Singlemode-Faser zu erhalten, in der sich eine einzige Mode ausbreitet, ist es notwendig, daß diese einen relativ kleinen Kerndurchmesser aufweist, der abhängig ist von den verwendeten Wellenlängen. Jedoch kann weder mit der Technik des "Built-in casting" noch mit den als "Suction casting" und "Rotational casting" bezeichneten Techniken, die jeweils in den Artikeln von Y. Ohishi, S. Sakaguchi und S. Takahashi, Electronics Letters, Band 22, Seiten 1034 ff (1986) bzw. D. C. Tran, C. F. Fisher und G. H. Sigel, Electronics Letters, Band 18, Seiten 657 ff (1982) beschrieben sind, eine Anfangsvorform mit einem ausreichend kleinen Kerndurchmesser erhalten werden. Nach einem bekannten Verfahren wird dann eine Streckung der Anfangsvorform zu einer sogenannten Muttervorform vorgenommen, die einen kleineren Kerndurchmesser als den der Anfangsvorform hat. Diese Muttervorform wird anschließend in ein externes Hüllrohr aus Mantelglas eingeführt, so daß als Ergebnis des Ziehens eine optische Faser erhalten wird, die das gewünschte Verhältnis zwischen Kerndurchmesser und Faserdurchmesser aufweist. Das externe Rohr wird z. B. erhalten durch Zentrifugierung oder "Rotational casting". Wenn mit dem äußeren Rohr das gewünschte Verhältnis nicht erreicht werden kann, kann durch Strecken eine zweite Muttervorform aus der Muttervorform und dem externen Rohr erzeugt werden. Diese zweite Muttervorform wird dann in ein zweites externes Rohr eingeführt. Die Operation des Einführens einer Muttervorform in ein externes Rohr kann so oft wiederholt werden, wie nötig ist, um das gewünschte Verhältnis zu erreichen. Es kann also vorgesehen werden, daß die Muttervorform in mehrere konzentrische externe Rohre eingeführt wird, und daß das Ziehen mit der so erhaltenen Anordnung durchgeführt wird.
Der Schritt des Ziehens besteht darin, eines der Enden der Anordnung, die aus der Muttervorform und dem externen Rohr gebildet ist, zu erhitzen und aus der so durch Erhitzen geschmolzenen Vorform eine optische Faser zu ziehen. Wie in Fig. 1 gezeigt, die diese Anordnung 1 im Längsschnitt zeigt, ist die Muttervorform 11 in das externe Rohr 10 unter Freilassung eines Freiraumes 12 zwischen der zylindrischen Außenfläche der Muttervorform 11 und der zylindrischen Innenfläche des externen Rohres 10 eingeführt. Beim Ziehschritt wird eine sehr intensive Erhitzung auf die Anordnung 10-11 ausgeübt, so daß eine lokale Aufschmelzung zwischen der umgebenden Mantelzone 110 der Muttervorform 11 und dem externen Rohr 10 erreicht wird, um das ursprünglich freie Volumen 12 auszufüllen.
Diese intensive Erhitzung hat den erheblichen Nachteil, daß sie zu einer Verformung und einer Exzentrizität der Kernzone 111 der Muttervorform und infolgedessen zu einer Verformung und einer Exzentrizität des Kernes der so erhaltenen optischen Faser führt, was für die Qualität dieser Faser sehr schädlich ist. Diese Verformung und Exzentrizität des Kernes der Faser führen z. B. zu erheblichen Verlusten bei der Ausführung von Spleißungen zwischen einer Leitungsfaser aus Quarzglas und einem Verstärkerfaserabschnitt aus Fluoridglas für die Herstellung eines optischen Verstärkers.
Andererseits ist in JP-A-0 6 056 473 eine Vorform und eine optische Faser beschrieben, die drei Zonen aus Fluorglas vom Typ ZBLAN umfassen, die dem eventuell mit einer seltenen Erde dotierten Kernstab, einer Zwischenzone und einer externen Zone entsprechen, um einen Wellenleiter mit einem festgelegten Kern/Mantelverhältnis zu schaffen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, den oben erwähnten Nachteil zu beheben. Eine erste Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorform für eine optische Singlemode-Faser anzugeben, die zur Herstellung einer optischen Singlemode-Faser geeignet ist. Ein zweites Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen optischen Singlemode-Faser anzugeben. Ein anderes Ziel der Erfindung ist, eine optische Singlemode-Faser anzugeben, die einen im wesentlichen kreisrunden und zentrierten Kern besitzt.
Zu diesem Zweck ist eine Vorform für eine optische Singlemode-Faser mit einer Mutter-Vorform, die in einem externen Rohr unter Freilassung eines freien Volumens zwischen einer Außenfläche der Mutter-Vorform und einer Innenfläche des externen Rohres untergebracht ist, wobei die Mutter-Vorform eine Kernzone und eine die Kernzone umgebende Mantelzone umfaßt, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in dem freien Volumen ein Zwischenrohr angeordnet ist, das eine Viskosität bei Ziehtemperatur besitzt, die kleiner ist als eine Viskosität bei Ziehtemperatur der Mutter-Vorform und des externen Rohres.
Einer Ausgestaltung zufolge besteht die Vorform aus Fluoridglas, und das Zwischenrohr besitzt eine Glas- Übergangstemperatur, die kleiner ist als eine Glas-Übergangstemperatur der Mutter-Vorform und des externen Rohres.
Die Kernzone der Mutter-Vorform kann mit Seltenerdionen dotiert sein.
Die Erfindung liefert ferner ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Singlemode-Faser mit dem Schritt des Ziehens einer Vorform für eine optische Singlemode-Faser vom oben beschriebenen Typ. Die Ziehtemperatur liegt z. B. im wesentlichen zwischen 320º und 330º.
Für die Herstellung einer dotierten optischen Singlemode- Faser wird das Ziehen an einer Vorform vorgenommen, deren Kernzone dotiert ist.
Eine solche dotierte optische Faser kann für die Herstellung eines optischen Verstärkers oder einer Laserquelle gebraucht werden.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die entsprechenden beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
- Fig. 1, bereits besprochen, einen partiellen axialen Längsschnitt eines externen Rohres, in das eine Muttervorform für die Herstellung einer optischen Singlemode-Faser nach dem Stand der Technik eingeführt ist;
- Fig. 2 einen partiellen axialen Längsschnitt eines externen Rohres, in das ein Zwischenrohr und eine Muttervorform für die Herstellung einer optischen Singlemode-Faser gemäß der Erfindung eingeführt sind;
- Fig. 3 schematisch das Ziehen der in Fig. 2 gezeigten Vorform; und
- Fig. 4 einen optischen Verstärker.
Mit Bezug auf Fig. 2 umfaßt eine Vorform 2, typischerweise eine Singlemode-Vorform, erfindungsgemäß eine Muttervorform 22, die in einem externen Rohr 20 untergebracht ist. Beide sind durch (nicht dargestellte) mechanische Mittel fest verbunden gehalten. Außerdem ist zwischen der Muttervorform 22 und dem externen Rohr 20 ein nicht gehaltenes Zwischenrohr 21 angeordnet, das durch Zentrifugierung erhalten worden ist. Dieses Zwischenrohr 21 besitzt ein Viskosität bei Ziehtemperatur, die kleiner ist als eine Viskosität bei Ziehtemperatur der Muttervorform 22 und des externen Rohres 20. Die Muttervorform 20 umfaßt eine Kernzone 221 und eine die Kernzone 221 umgebende Mantelzone 220.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorform aus Fluoridglas hergestellt. Für diese Herstellung führt das Merkmal, daß das Zwischenrohr 21 eine Viskosität bei Ziehtemperatur besitzt, die kleiner ist als eine Viskosität bei Ziehtemperatur der Muttervorform 22 und des externen Rohres 20, dazu, daß das Zwischenrohr 21 eine Glas-Übergangstemperatur hat, die niedriger ist als eine Glas-Übergangstemperatur der Mutter-Vorform und des externen Rohres.
Als Beispiel ist die Kernzone 221 definiert durch eine molare Zusammensetzung im wesentlichen gleich:
und hat einen Brechungsindex nahe 1,503.
Die Mantelzone 220 und das externe Rohr 20 sind definiert durch eine molare Zusammensetzung im wesentlichen gleich:
und haben einen Brechungsindex nahe 1,498.
Das Zwischenrohr 21 ist definiert durch eine molare Zusammensetzung im wesentlichen gleich:
und hat einen Brechungsindex nahe 1,599.
Zu beachten ist, daß die Brechungsindexdifferenz zwischen der Mantelzone und der Kernzone wesentlich größer sein kann, insbesondere im Fall einer verstärkenden Faser.
In den obigen Tabellen bezeichnen Zr, Ba, La, Al, Na, Li und F jeweils Zirkonium, Barium, Lanthan, Aluminium, Natrium, Lithium und Fluor.
Die Kernzone 221 umfaßt also 54% Zirkoniumtetrafluorid, 23% Bariumbifluorid, 4% Lanthantrifluorid, 3% Aluminiumtrifluorid und 16% Natriummonofluorid.
Die Ziehtemperatur der Vorform liegt im wesentlichen zwischen T = 320º und T = 330º. Bei dieser Temperatur ist die Kernzone 221 definiert durch eine Viskosität von ungefähr 10&sup6; Po, die Mantelzone 220 und externe Rohr 20 durch eine Viskosität von ungefähr 105,5 Po und das Zwischenrohr 21 durch eine Viskosität von ungefähr 10&sup5; Po. Po ist die Maßeinheit Poise und ist gleich 0,1 Pa s.
Wie in Fig. 3 gezeigt, werden für das Ziehen die Schritte des Erhitzens 25, typischerweise mit Hilfe eines Ofens, eines der Enden der Vorform und des Ziehens 24 der Faser F ausgehend von dieser erhitzten Vorform angewendet. In der Vorform gibt es zwischen einerseits der zylindrischen Außenfläche des Zwischenrohres 21 und der zylindrischen Innenfläche des externen Rohres 20 und andererseits der zylindrischen Innenfläche des Zwischenrohres 21 und der zylindrischen Außenfläche der Muttervorform 22 zylindrische Volumina 23, die frei von Vorformmaterial sind. Da das Zwischenrohr 21 eine Viskosität bei Ziehtemperatur hat, die kleiner ist als die Viskosität bei Ziehtemperatur der Muttervorform 22 und des externen Rohres 20, führt das Erhitzen, wie im unteren Bereich der Vorform der Fig. 3 gezeigt, zu einer "Erweichung" des Zwischenrohres 21, das dann die freien Volumina zwischen einerseits der zylindrischen Außenfläche des Zwischenrohres 21 und der zylindrischen Innenfläche des externen Rohres 20 und andererseits der zylindrischen Innenfläche des Zwischenrohres 21 und der zylindrischen Außenfläche der Muttervorform 22 ausfüllt. Das Material, das das Zwischenrohr 21 bildet, ist vorgesehen, um integraler Bestandteil der erhaltenen optischen Faser F zu werden.
Da das Zwischenrohr 21 eine Viskosität bei Ziehtemperatur besitzt, die kleiner ist als die Viskosität bei Ziehtemperatur der Muttervorform 22 und des externen Rohres 20, kann die Ziehtemperatur, die aus dem Erhitzen 25 resultiert, wesentlich niedriger sein als die Ziehtemperatur nach dem Stand der Technik für Vorformen von dem in Fig. 1 gezeigten Typ. Die Ausfüllung der freien Volumina 23 erfordert nämlich nicht die Anwendung einer so hohen Ziehtemperatur wie nach dem Stand der Technik. Dies führt zu einer geringeren Exzentrizität und einer geringeren Verformung des Kernes der Faser F. Außerdem vermindert diese niedrigere Temperatur die Gefahr der Kristallisierung, die zum Teil für die Dämpfung verantwortlich ist.
Die Erfindung ist anwendbar auf die Herstellung eines optischen Verstärkers 3 vom in Fig. 4 dargestellten Typ. Der Verstärker 3 umfaßt hintereinandergeschaltet einen Isolator 30, einen Multiplexer 31, einen ersten Zwischenfaserabschnitt 33, einen Verstärkerfaserabschnitt gemäß der Erfindung F', einen zweiten Zwischenfaserabschnitt 34, einen Demultiplexer 35 und einen Isolator 36. Der Multiplexer empfängt auf jeweils zwei Eingängen das vom Isolator 30 kommende Signal und ein von einer Diode 32 kommendes Pumpsignal. Der Demultiplexer 35 erzeugt an einem seiner zwei Ausgänge ein Rest-Pumpsignal PR.
Die Dotierung einer Quarzfaser durch Seltenerdionen vom Typ Neodym wird verwendet, um einen Faserverstärker zu schaffen, der in der Lage ist, ein optisches Signal im Spektralbereich 1,30 um bis 1,36 um zu verstärken. Unerwünschte Effekte begrenzen jedoch die Leistung dieser Quarzfaserverstärker. Man verwendet dann eine Faser als Fluoridglas, die mit Seltenerdionen (als ZBLAN) bezeichnet vom Typ Praseodym Pr³&spplus; für Wellenlängen von 1,3 um oder Erbium Er³&spplus; für Wellenlängen von 1,55 um dotiert ist. Die dotierte Verstärkerfaser F' ist durch Spleißungen 40 und 41 zwischen dem ersten Zwischenfaserabschnitt 33 und dem zweiten Zwischenfaserabschnitt 34 in Reihe verbunden. Die Spleißungen 40 und 41 werden typischerweise mit Hilfe eines Indexklebers ausgeführt. Die Dotierung mit Seltenerdionen erfolgt in der Kernzone 221 bei der Herstellung der Mutter- Vorform (Fig. 2 und 3). Da der aus dem Ziehen einer solchen Vorform resultierende Kern der Faser F' besonders gut zentriert und kreisförmig ist, sind die Verluste an den Spleißungen 40 und 41 sehr gering, typischerweise kleiner als 0,15 dB.
Es kann auch eine Laserquelle erhalten werden, indem eine erfindungsgemäße optische Faser verwendet wird, die ferner mit Seltenerdionen dotiert ist. Die Laserquelle umfaßt dann zwei resonant reflektierende Einrichtungen beiderseits des dotierten Faserabschnittes.
In der vorangehenden Beschreibung der Erfindung ist lediglich ein einziges externes Rohr 20 betrachtet. Dennoch können mehrere konzentrische externe Rohre verwendet werden, um die Vorform zu bilden, wobei dann zwischen den sich gegenüberliegenden Außenflächen und Innenflächen von jeweils zwei externen Rohren ein Zwischenrohr verwendet wird, das eine Viskosität bei Ziehtemperatur besitzt, die kleiner ist als eine Viskosität bei Ziehtemperatur dieser zwei externen Rohre.

Claims

1. Vorform für eine optische Singlemode-Faser mit einer Mutter-Vorform (11; 22), die in einem externen Rohr (10; 20) unter Freilassung eines freien Volumens zwischen einer Außenfläche der Mutter-Vorform und einer Innenfläche des externen Rohrs untergebracht ist, wobei die Mutter-Vorform (22) eine Kernzone (221) und eine die Kernzone (221) umgebende Mantelzone (222) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in dem freien Volumen ein Zwischenrohr (21) angeordnet ist, das eine Viskosität bei Ziehtemperatur besitzt, die kleiner ist als eine Viskosität bei Ziehtemperatur der Mutter-Vorform (22) und des externen Rohrs (20).

2. Vorform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus fluoriertem Glas besteht, wobei das Zwischenrohr eine Glas-Übergangstemperatur besitzt, die kleiner ist als eine Glas-Übergangstemperatur der Mutter-Vorform und des externen Rohrs.

3. Vorform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kernzone der Mutter-Vorform mit Seltenerdionen dotiert ist.

4. Verfahren zum Herstellen einer optischen Singlemode- Faser, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Ziehens (23, 24) einer Vorform für eine optische Singlemode-Faser nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 2 umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenn es einen Schritt des Ziehens einer Vorform für eine optische Singlemode-Faser nach Anspruch 2 umfasst, gekennzeichnet ist durch eine Ziehtemperatur von im Wesentlichen zwischen 320º und 330º.

6. Optische Singlemode-Faser, hergestellt nach einem Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 4 und 5.

7. Verfahren zum Herstellen einer dotierten optischen Singlemode-Faser, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Ziehens (23, 24) einer Vorform für eine optische Faser nach Anspruch 3 umfasst.

8. Dotierte optische Singlemode-Faser, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 7.

9. Optischer Verstärker mit einem optischen Faserabschnitt nach Anspruch 8.

10. Laserquelle mit einem optischen Faserabschnitt nach Anspruch B.