DE3700565A1 - Lichtwellenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter mit einem Kern, einem Mantel und einer Brechungsindexabsenkung im Mantel in Gestalt eines Grabens.

Neuerdings wird erwogen, LED, vorzugsweise als Kanten­ emitter, auch in Monomodensystemen einzusetzen. Das Ziel sind billige Systeme mit Bitraten bis zu 300 Mbit/s und Entfernungen bis zu 10 km. Statt einer teuren Gradien­ tenfaser mit fehlerfreiem Brechzahlprofil niedriger Modendispersion denkt man an die im Prinzip billigeren Monomodenfasern. Billiger können Monomodenfasern sein, weil sie nur ein einfaches Stufenprofil zu haben brau­ chen. Allerdings muß ihr Mantel bis mindestens zum sechs­ fachen des Kerndurchmessers aus hochreinem und wasser­ freiem synthetischem Quarzglas bestehen, weil sonst die Grundwelle mit ihren quer-gedämpften Mantelfeldern zu sehr gedämpft würde. Außerdem sollte der Modenradius der Grundwelle möglichst groß sein, damit man dem prinzi­ piell erreichbaren und ohnehin schon sehr kleinen Anre­ gungswirkungsgrad durch eine LED ohne raffinierte Trans­ formationsoptik nahe kommt. Trotz des großen Modenradius darf die Faser aber nicht zu empfindlich gegenüber Krüm­ mungen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Licht­ wellenleiter mit großem Modenradius, mit geringer Dis­ persion und mit geringer Dämpfung anzugeben, der außer­ dem kostengünstig herzustellen ist. Diese Aufgabe wird bei einem Lichtwellenleiter der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Graben nicht unmittelbar an den Kern grenzt, sondern im Abstand vom Kern im Innern des Mantels angeordnet ist.

Nach der Erfindung ist also ein im allgemeinen ringför­ miger Querschnittsbereich mit abgesenkter Brechzahl kon­ zentrisch zum Faserkern vorhanden, der nicht unmittelbar an den Kern grenzt, sondern im Abstand vom Kern im Innern des Mantels liegt.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungs­ beispiel erläutert.

Die Fig. 1 zeigt das Brechzahlprofil einer Dreistufen­ faser nach der Erfindung. Ihren homogenen Kern der Brech­ zahl n _k und des Durchmessers 2 a umgibt ein innerer Man­ tel der Brechzahl n _m bis zum Durchmesser 2 b. Ein zweiter Mantel hat eine auf n _t abgesenkte Brechzahl und den Außendurchmesser 2 c. Der äußere Mantel hat wieder die Brechzahl n _m des inneren Mantels.

Billig herstellen läßt sich diese Faser, indem man mit dem MCVD-Verfahren ein Substratrohr aus gewöhnlichem und darum verlustreichen Quarzglas innen zuerst mit bei­ spielsweise bor- oder fluordotiertem Quarzglas beschich­ tet, so daß sich hier die Brechzahl auf n _t absenkt, dann­ folgen eine oder wenige Schichten reinen Quarzglases mit der Brechzahl n _m und schließlich Quarzglas der Brechzahl n _k in einer oder wenigen Schichten für den Kern, welches beispielsweise mit Germanium dotiert ist.

Das Brechzahltal (Brechzahlindexgraben), das beispiels­ weise fluor- oder bordotiert ist, erhöht die Querdämp­ fung der Grundwellenfelder, so daß sie nicht in den äußeren Mantel reichen. Dadurch wird selbst bei einem relativ dünnen inneren Mantel aus nur einer oder ganz wenigen MCVD-Schichten die Grundwellendämpfung durch Absorption und Streuung im äußeren Mantel niedrig gehal­ ten. Außerdem kann wegen der radialen Begrenzung der Grundwellenfelder durch diese Querdämpfung im Brechzahl­ tal die Faser verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Krümmungen sein. Wenn man bei der Herstellung einer Lichtleitfaser nach der Erfindung, wie oben beschrieben, von einem Substratrohr ausgeht, so verhindert das Brech­ zahltal, daß Verunreinigungen, vornehmlich OH-Ionen, aus dem Substratglas in den innneren Mantel gelangen. Um rechnerisch diese Dreistufenfaser so zu bemessen, daß sie möglichst billig hergestellt werden kann, und bei einem großen Modenradius wenig krümmungsempfindlich ist, und um die Grenze ihrer Übertragungskapazität durch die Grundwellendispersion festzustellen, geht man vorzugs­ weise von nur kleinen Brechzahldifferenzen im Profil aus. Man kann dann mit der skalaren Näherung für die Lösung der Vektorwellengleichung für die Fasergrundwelle und für die nächst höheren Eigenwellen sowie für die­ jenigen Strahlungswellen rechnen, welche bei Faserkrüm­ mungen im äußeren Mantel von der Grundwelle angeregt werden.

LED haben ein bis zu 100 nm breites Emissionsspektrum. Wenn mit ihnen 300 Mbit/s über bis zu 10 km Faserlänge übertragen werden sollen, muß der Dispersionskoeffizient nach der Gleichung

kleiner als 3 ps/(nm · km) bleiben. Dabei ist N′ der Grup­ penindex, c die Vakuumlichtgeschwindigkeit und g die Wellenlänge. So wenig lineare Grundwellendispersion ver­ langt eine Betriebswellenlänge nahe einer Nullstelle des Dispersionskoeffizienten. Die Materialdispersion reinen Quarzglases hat diese Nullstelle bei λ = 1,28 µm. Ger­ maniumdotierung verschiebt dieses Dispersionsminimum nur geringfügig zu längeren Wellen. Bei dem gewünschten großen Modenradius kann die numerische Apertur der Faser nur klein und darum auch die Wellenleiterdispersion der Grundwelle nur schwach sein. Auch sie verschiebt darum das Dispersionsminimum nur geringfügig zu längeren Wel­ len. Es kommen als nur Betriebswellenlängen um λ = 1,3 µm in Frage, wenn mit LED-Strahlung Signale dispersionsarm übertragen werden sollen. Mit Laserstrahlung kann die erfindungsgemäße Faser aber auch bei anderen Wellenlän­ gen Signale dispersions- und verlustarm übertragen.

Bei einer relativen Brechzahlerhöhung

des Kernes von nur Δ _k = 0,3% sind etwa 2a = 8 µm Kern­ durchmesser erforderlich, um die Faser bei λ = 1,3 µm noch einwellig zu halten. Bei so kleinem Δ _k hält sich die Dämpfungserhöhung durch Germaniumdotierung in Gren­ zen und mit dem damit verbundenen großen Kerndurchmesser fällt auch der Modenradius groß aus.

Die Breite des Brechzahltals wird auf

c - b = 1,6 µm

begrenzt, damit es nur eine oder wenige Schichten im MCVD-Prozeß erfordert. Aus entsprechendem Grunde wird auch das Radienverhältnis von innerem Mantel und Kern zunächst zu nur b/a = 3 gewählt. Die relative Brechzahl­ absenkung

zwischen r = b und r = c läßt sich mit Fluordotierung leicht auf etwa Δ _t = 0,3% einstellen.

Die Fig. 2a zeigt den Dispersionskoeffizienten nach der genannten Dispersionskoeffizientengleichung als Funktion der Wellenlänge für drei verschiedene Dreistufenfasern, welche nach diesen Gesichtspunkten bemessen wurden. Die angegebenen Brechzahldifferenzen gelten für λ = 1,3 µm, ändern sich aufgrund der Sellmeier-Gleichungen aber nur geringfügig in dem relativ engen Spektralbereich der Fig. 2b. Die Fasern 1 und 2 haben theoretische Grenz­ wellenlängen λ _c für ihre Einwelligkeit unterhalb des Dispersionsminimums. Bei der Faser 3 liegt diese Grenz­ wellenlänge zwar oberhalb des Dispersionsminimums; die Faser 3 ist aber trotzdem im Dispersionsminimum noch effektiv einwellig, denn die nächst höhere Welle dehnt sich hier noch weit in den äußeren Mantel aus und er­ fährt entsprechend starke Manteldämpfung. Der effektive Modenradius liegt bei allen drei Fasern und Wellen län­ ger als 1,25 µm über 4,5 µm, was als ausreichend groß gelten kann.

Die Grundwellendämpfung durch Verluste im äußeren Mantel läßt sich im Verhältnis zur Volumendämpfung α _m im äuße­ ren Mantel angeben. Beträgt diese Volumendämpfung bei­ spielsweise α _m = 100 dB/km, so folgt daraus für die Faser 2 bei λ = 1,36µm eine Grundwellendämpfung von Δα = 0,0086 db/km. Sonst ist diese Grundwellendämpfung in den Beispielen der Fig. 2 aber immer viel niedriger, und zwar wegen des dann durchweg kleineren Modenradius.

Entscheidend für diese Grundwellendämpfung durch Verluste im äußeren Mantel ist die Tiefe und radiale Lage des Brechzahlgrabens. Die Bemessungsbeispiele in Fig. 2 zeigen, daß bei b/a = 3 und Δ _t = 0,32% die Grundwellen­ dämpfung durch Verluste im äußeren Mantel noch weit niedriger als die normale Faserdämpfung bei λ = 1,3 µm von α = 0,4 . . . 0,8 dB/km bleibt. Man könnte also noch an inneren Mantelschichten sparen und mit kleinerem b/a auskommen. Dazu zeigt die Fig. 3 diese Grundwellendämpfung Δα relativ zu den Verlusten im äußeren Mantel als Funktion von b/a für Werte von a, c - b, Δ _k , die den sonstigen Anforderungen an diese Dreistufenfasern entsprechen. Man erkennt, daß in diesem Beispiel und für äußere Mantelverluste von α _m = 100 dB/km schon für b/a < 2 die zusätzliche Grundwellendämpfung kleiner als 0,1 dB/km bleibt.

Alternativ kann man auch, um die Vorformherstellung nach dem MCVD-Verfahren noch weiter zu vereinfachen, mit weniger Brechzahlabsenkung im mittleren Mantel auskommen, also dort das Quarzglas mit weniger Fluor oder mit Bor statt Fluor dotieren. Dazu zeigt die Fig. 4, wie die Erhöhung Δα der Grundwellendämpfung relativ zu den Verlusten α _m im äußeren Mantel von der relativen Brech­ zahlabsenkung im mittleren Mantel abhängt. Um eine billigere Faser zu erhalten, wurde hierbei der Innendurchmesser des mittleren Mantels gegenüber der Fig. 2 auf b/a = 2,2 verkleinert, die anderen Parameter aber wie in der Fig. 3 gewählt. Mit der Brechzahlabsenkung im mittleren Mantel läßt sich nach der Fig. 4 die zusätzliche Grundwellendämpfung zwar nicht so drastisch verändern wie mit der radialen Lage dieses Brechzahltales, aber für Δα = 0,1 dB/km bei a _m = 100 dB/km reichen auch hier schon 0,13% relative Brechzahlabsenkung.

Schließlich soll auch noch untersucht werden, wie krüm­ mungsempfindlich die Dreistufenfaser mit Brechzahlabsenkung im mittleren Mantel ist. Dazu wurden die mittleren Mikrokrümmungsverluste ( α ) berechnet, und zwar mit einem Krümmungsleistungsspektrum wie in der Gleichung Φ ( Ω ) = K/Ω ^2p mit

K = 9.68 · 10^-19 (dB/km) µm^-2p und p = 3.2

Mit diesen Parameterwerten für die Krümmungsstatistik ergeben sich für einfache Stufenfasern die gleichen Mikrokrümmungsverluste auch als Funktion der Wellenlänge, wie sie für diese Fasern unter praktischen Be­ dingungen gemessen werden. Darum kann man auch für die Dreistufenfaser mit Brechzahltal mit diesen Parameterwerten für die Krümmungsstatistik rechnen.

Als Ergebnis zeigt die Fig. 5 die Mikrokrümmungsverluste als Funktion des Radienverhältnisses b/a. ( α ) nimmt monoton mit b/a zu, nähert sich aber schon für b/a < 3,5 asymptomisch dem Wert, der für die entsprechende Stufenfaser ohne Brechzahltal gilt. Selbst dieser Grenzwert beträgt nur ( α ) = 3.10^-4 dB/km und liegt damit noch weit unter den etwa 0,03 dB/km, die praktisch toleriert werden könnten.

Die Fig. 6 zeigt die Krümmungsverluste als Funktion der relativen Brechzahlabsenkung im Brechzahltal bei b/a = 2,2, also einem radialen Abstand des Brechzahltales vom Kern, mit dem die Grundwellendämpfung durch Verluste im äußeren Mantel noch genügend niedrig gehalten wird. Im Einklang mit der Fig. 5 steigt ( α ) für Δ _t =0 auf 3 · 10^-4 dB/km, liegt aber sonst immer niedriger. Im ganzen verträgt darum die Dreistufenfaser mit Brechzahltal normale Mikrokrümmungen, ohne daß sich die Grundwellendämpfung merklich erhöht. Auch wenn das Brechzahltal radial verschoben oder seine Brechzahlabsenkung geändert wird, bleibt die Faser unempfindlich gegenüber Mikrokrümmungen.

Um für eine billige Monomodenfaser mit großem Modenradius und wenig Dämpfung und Dispersion bei λ = 1,3 µm nur wenige MCVD-Mantelschichten niederschlagen zu müssen, kann mit einem fluor- oder bordotierten Brechzahltal zwischen innerem Mantel und Substratglas die Grund­ wellendämpfung durch Verluste im äußeren Mantel genügend klein gehalten werden. Bei etwa 8 µm Kerndurchmesser braucht der innere Mantel nur etwa 4 µm dick zu sein. Das Brechzahltal benötigt nur eine Breite von 1,6 µm und etwa 0,2% relative Brechzahlabsenkung. Selbst 100 dB/km Verluste im äußeren Mantel erhöhen dann die Grundwellendämpfung nur um weniger als 0,1 dB/km. Auch bleibt die Grundwelle mit ihrem dann etwa 5 µm großen Modenradius unempfindlich gegenüber Mikrokrümmungen.

Claims (6)

1. Lichtwellenleiter mit einem Kern, einem Mantel und mit einer Brechzahlabsenkung im Mantel in Gestalt eines Grabens, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben nicht unmittelbar an den Kern grenzt, sondern im Abstand vom Kern im Innern des Mantels angeordnet ist.

2. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Graben in einem solchen Abstand vom Kern vorgesehen ist, daß einerseits für den Mantel im Bereich zwischen Kern und Graben möglichst wenig Mate­ rial benötigt wird und andererseits der Einfluß von Materialverlusten außerhalb des Grabens und von Mikro­ krümmungen auf die Faserdämpfung minimal ist.

3. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis vom Innenradius b des Grabens zum Kernradius a derart gewählt ist, daß 1 < b/a < 5 ist.

4. Lichtwellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis vom Innenradius b des Gra­ bens zum Kernradius a derart gewählt ist, daß 1,3 < b/a < 3 ist.

5. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite g des Grabens derart gewählt ist, daß 0,2 < g/a < 1 ist, wobei a der Kernradius ist.

6. Lichtwellenleiter nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Breite g des Grabens derart gewählt ist, daß 0,3 < g/a < 0,6 ist.