DE3700565A1 - Optical waveguide - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter mit einem Kern, einem Mantel und einer Brechungsindexabsenkung im Mantel in Gestalt eines Grabens.The invention relates to an optical waveguide with a Core, a cladding and a refractive index drop in the Coat in the shape of a trench.
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.Recently, LED is being considered, preferably as an edge emitter can also be used in single-mode systems. The goal are cheap systems with bit rates up to 300 Mbit / s and Distances up to 10 km. Instead of an expensive gradien ten fiber with error-free refractive index profile lower Fashion dispersion is thought of as the cheaper ones in principle Single mode fibers. Monomode fibers can be cheaper because they only need a simple step profile chen. However, her coat must be at least six times the core diameter of high-purity and water free synthetic quartz glass, because otherwise the Fundamental wave with its transverse-damped cladding fields would be very subdued. In addition, the mode radius of the Fundamental wave should be as large as possible, so that one prinzi Eventually reachable and already very small incentive efficiency through an LED without sophisticated trans formation optics comes close. Despite the large fashion radius The fiber must not be too sensitive to crumbs be made.
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.The invention has for its object a light waveguide with large mode radius, with low dis persion and to indicate with low damping, except which is inexpensive to manufacture. This task will in an optical fiber of the type mentioned solved according to the invention in that the trench is not borders directly on the core, but at a distance from Core is arranged inside the jacket.
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.According to the invention is a generally ringför cross-sectional area with reduced refractive index con centric to the fiber core, which is not immediate borders on the core, but at a distance from the core in Inside the coat.
Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungs beispiel erläutert.The invention is based on an embodiment example explained.
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. Fig. 1 shows the refractive index profile of a three-stage fiber according to the invention. Their homogeneous core of the refractive index n k and the diameter 2 a is surrounded by an inner jacket of the refractive index n m up to the diameter 2 b. A second cladding has a refractive index reduced to n t and the outer diameter 2 c. The outer cladding again has the refractive index n m of the inner cladding.
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. This fiber can be produced cheaply by using the MCVD process to coat a substrate tube made of ordinary and therefore lossy quartz glass first with, for example, boron or fluorine-doped quartz glass, so that the refractive index is reduced to n t , then one or a few layers of pure quartz glass with a refractive index n m and finally quartz glass with a refractive index n k in one or a few layers for the core, which is doped with germanium, for example.
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.The refractive index valley (refractive index index ditch), the example is fluorine or boron doped, increases the transverse damper tion of the fundamental wave fields, so that they are not in the outer coat is enough. This will even with one relatively thin inner coat made from just one or whole few MCVD layers through the fundamental wave attenuation Absorption and scattering in the outer coat low In addition, due to the radial limitation of the Fundamental wave fields due to this transverse attenuation in the refractive index tal the fiber relatively insensitive to Be curvatures. When you are making a Optical fiber according to the invention as described above starts from a substrate tube, so prevents breaking pays out that impurities, mainly OH ions the substrate glass in the inner coat. To calculate this three-stage fiber so that it can be produced as cheaply as possible, and at a large mode radius is not very sensitive to curvature, and around the limit of their transmission capacity through the Determining fundamental wave dispersion is preferred of only small differences in refractive index in the profile out. One can then use the scalar approximation for the Solution of the vector wave equation for the fiber fundamental wave and for the next higher eigen waves and for the calculate those radiation waves which occur with fiber crumb in the outer jacket stimulated by the fundamental wave will.
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 GleichungLEDs have an emission spectrum up to 100 nm wide. If with them 300 Mbit / s over a fiber length of up to 10 km the dispersion coefficient must be transferred according to the equation
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.remain less than 3 ps / (nm · km). N 'is the group index, c is the speed of vacuum and g is the wavelength. So little linear fundamental wave dispersion requires an operating wavelength near a zero of the dispersion coefficient. The material dispersion of pure quartz glass has this zero at λ = 1.28 µm. Gerium doping shifts this dispersion minimum only slightly to longer waves. With the desired large mode radius, the numerical aperture of the fiber can only be small and therefore the waveguide dispersion of the fundamental wave can only be weak. Therefore, it also shifts the dispersion minimum only slightly to longer shafts. Only operating wavelengths around λ = 1.3 µm can be used if signals are to be transmitted with low dispersion using LED radiation. With laser radiation, the fiber according to the invention can also transmit signals with low dispersion and low loss at other wavelengths.
Bei einer relativen BrechzahlerhöhungWith a relative increase in refractive index
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.of the core of only Δ k = 0.3%, about 2 a = 8 µm core diameter are required in order to keep the fiber single-wave at λ = 1.3 µm. With such a small Δ k , the increase in damping due to germanium doping remains within limits and, with the associated large core diameter, the mode radius is also large.
Die Breite des Brechzahltals wird aufThe width of the refractive index valley increases
c - b = 1,6 µm 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 absenkunglimited so that it only requires one or a few layers in the MCVD process. For a corresponding reason, the radius ratio of the inner cladding and the core is initially selected to be only b / a = 3. Lower the relative refractive index
zwischen r = b und r = c läßt sich mit Fluordotierung leicht auf etwa Δ t = 0,3% einstellen.between r = b and r = c can be easily adjusted to about Δ t = 0.3% with fluorine doping.
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. Fig. 2a shows the dispersion coefficient according to the above dispersion coefficient equation as a function of wavelength for three different three-stage fibers which have been sized according to these considerations. The specified refractive index differences apply to λ = 1.3 μm, but change only slightly due to the Sellmeier equations in the relatively narrow spectral range of FIG. 2b. The fibers 1 and 2 have theoretical limit wavelengths λ c for their single-wave properties below the dispersion minimum. In the case of fiber 3 , this limiting wavelength is above the minimum dispersion; however, the fiber 3 is still effectively single-wave in the dispersion minimum, because the next higher wave extends far into the outer jacket and it drives a correspondingly strong jacket damping. The effective mode radius for all three fibers and waves is longer than 1.25 µm over 4.5 µm, which can be considered sufficiently large.
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. The fundamental wave attenuation due to losses in the outer jacket can be specified in relation to the volume damping α m in the outer jacket. If this volume attenuation is, for example, α m = 100 dB / km, this results in a fundamental wave attenuation of Δα = 0.0086 db / km for fiber 2 at λ = 1.36 µm. Otherwise, this fundamental wave attenuation is always much lower in the examples of FIG. 2, because of the then smaller mode radius.
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.The depth and radial position of the refractive index trench is decisive for this fundamental wave attenuation due to losses in the outer cladding. The design examples in Fig. 2 show that at b / a = 3 and Δ t = 0.32% the fundamental wave attenuation due to losses in the outer jacket is still far lower than the normal fiber attenuation at λ = 1.3 µm of α = 0, 4th . . 0.8 dB / km remains. So you could still save on inner cladding layers and get by with a smaller b / a . For this purpose is shown in FIG 3, this fundamental wave attenuation Δα relatively to the losses in the outer shell as a function of b / a for values of a, c -. Δ k corresponding to b, the other requirements for this three-stage fibers. It can be seen that in this example and for external jacket losses of α m = 100 dB / km, the additional fundamental wave attenuation remains less than 0.1 dB / km for b / a <2.
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.Alternatively, in order to further simplify preform production using the MCVD process, one can get by with less lowering of the refractive index in the middle cladding, ie doping the quartz glass with less fluorine or with boron instead of fluorine. For this, the Fig. 4, as the increase Δα shows the fundamental wave attenuation relative to the losses α m in the outer shell of the relative refractive index lowering in the middle coat depends. In order to obtain a cheaper fiber, the inner diameter of the middle jacket was reduced to b / a = 2.2 compared to FIG. 2, but the other parameters were chosen as in FIG. 3. With the refractive index lowering of the middle coat can be determined by the Fig. 4 may not change the additional fundamental wave attenuation as dramatic as with the radial position of this refractive index valley, but Δα = 0.1 dB / km at a m = 100 dB / km range here already 0.13% relative reduction in refractive index.
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 mitFinally, it should also be investigated how sensitive the three-stage fiber with lowering of the refractive index in the middle cladding is to curvature. For this purpose, the average microcurvature losses ( α ) were calculated with a spectrum of curvature as in the equation Φ ( Ω ) = K / Ω 2 p with
K = 9.68 · 10-19 (dB/km) µm-2p und p = 3.2 K = 9.68.10 -19 (dB / km) µm -2p and 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.With these parameter values for the curvature statistics the same results for simple step fibers Microbending losses also as a function of wavelength, as they are practical for these fibers conditions are measured. That's why you can also for Three-stage fiber with refractive index valley with these parameter values calculate for the curvature statistics.
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.As a result, Figure 5 shows the FIG. Microbending losses as a function of the radius ratio b / a. ( α ) increases monotonically with b / a , but already asymptomically approaches the value that applies to the corresponding step fiber without refractive index valley for b / a <3.5. Even this limit is only ( α ) = 3.10 -4 dB / km, which is far below the 0.03 dB / km that could be practically tolerated.
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. Fig. 6 shows the bending losses as a function of the relative refractive index reduction in Brechzahltal at b / a = 2.2, that is a radial distance of the refractive index of the valley from the core, with the fundamental wave attenuation is held by losses in the outer shell still sufficiently low. In line with the FIG. 5 (α) increases for Δ t = 0 to 3 x 10 -4 / km dB, but is otherwise always lower. All in all, the three-stage fiber with refractive index tolerates normal microbends without the fundamental wave attenuation noticeably increasing. Even if the refractive index valley is shifted radially or its refractive index reduction is changed, the fiber remains insensitive to microbends.
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.In order to have to deposit only a few MCVD cladding layers for a cheap monomode fiber with a large mode radius and little attenuation and dispersion at λ = 1.3 µm, the basic wave attenuation due to losses in the outer cladding can be done with a fluorine or boron-doped refractive index between the inner cladding and the substrate glass be kept small enough. With a core diameter of about 8 µm, the inner jacket only needs to be about 4 µm thick. The refractive index valley only needs a width of 1.6 µm and about 0.2% relative refractive index reduction. Even 100 dB / km losses in the outer jacket only increase the fundamental wave attenuation by less than 0.1 dB / km. The fundamental wave, with its then about 5 µm mode radius, remains insensitive to microbends.
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