DE60201680T2

DE60201680T2 - Optische faser

Info

Publication number: DE60201680T2
Application number: DE60201680T
Authority: DE
Inventors: Heero Andries VAN BERGEN; Jacobus Mattheus VAN STRALEN; Peter Mark JETTEN
Original assignee: Draka Fibre Technology BV
Current assignee: Draka Fibre Technology BV
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: ATE280397T1; BR0210109B1; US20030044150A1; CN1518677A; EP1397718B1; DE60201680D1; WO2003001274A1; US6882788B2; EP1397718A1; DK1397718T3; NL1018338C2; BR0210109A; JP2004530938A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Faser, die hauptsächlich aus Hartglas besteht, wobei die Faser aufweist:

i) einen inneren Kern mit einem ersten Brechungsindex n₁ und einem ersten Durchmesser a;
ii) einen äußeren Kern, der den Außenumfang des inneren Kerns umgibt und einen zweiten Brechungsindex n₂ und einen zweiten Durchmesser b aufweist; und
iii) eine Hülle, die den Außenumfang des äußeren Kerns umgibt, wobei die Hülle einen dritten Brechungsindex n3 aufweist, wobei n1 > n2 > n3 ist.

Die EP-A-0 249 230 betrifft eine optische Einmoden-Faser mit einer Wellenlänge mit einer Dispersion von null im Wellenlängenbereich von 1500 nm–1600 nm, wobei die optische Faser einen Kern aufweist, der aus einem inneren Kern aus GeO₂-SiO₂ oder GeO₂-F-SiO₂ und einem äußeren Kern aus F-SiO₂ und einer Hülle aus F-SiO₂ besteht.
Das US-Patent Nr. 5,848,215 betrifft eine optische Faser, wobei die chromatische Dispersion für die angestrebte Wellenlänge von 1550 nm der optischen Kommunikationssignale über die gesamte Faserlänge als Ergebnis der relativen Brechungsindexdifferenz der optischen Faser und des Kernradius null wird, der in dieselbe Richtung erhöht oder gesenkt wird.
Eine solche optische Faser ist ferner aus der EP-A-0 785 448 bekannt, wobei diese Faser vorzugsweise eine Anzahl von Vorbedingungen erfüllen muß, insbesondere a/b < 0,20 und b > 15 μm. Eine solche Faser weist eine Wellenlänge mit einer Dispersion von null im Bereich von mindestens 1560 nm auf, die jedoch 1600 nm nicht überschreitet, wobei dieser Wert relativ zur Wellenlänge des Signallichts (1,5 μm) leicht verschoben ist. Die daraus bekannte optische Faser weist außerdem einen MFD-Wert auf, der nicht niedriger als 8,0 μm ist, um die optische Leistungsdichte zu senken, ohne die Signalintensität als ganzes zu senken. Zusätzlich dazu weist die optische Faser, die daraus bekannt ist, eine sogenannte Grenzwellenlänge von mindestens 1,0 μm, jedoch nicht mehr als 1,8 μm auf, wenn deren Länge 2 m beträgt. Außerdem zeigen alle Beispiele, die in der EP-A-0 785 448 beschrieben werden, eine sogenannte Null-Dispersion oberhalb 1550 nm auf, was auf Fasern mit negativer Dispersion hinweist. Biegeverluste werden nicht erwähnt.
Gemäß des üblichen Verfahrens wird eine optische Faser, die einen vorbestimmten Außendurchmesser aufweist, durch Erwärmung eines Endes einer stangenförmigen Vorform und anschließendes Ziehen der optischen Faser aus deren weichgemachten Ende hergestellt. In einer optischen Faser, die auf diese Weise erhalten worden ist, werden jedoch der Querschnitt der Kernteile und die umgebenden Schichten eine geringfügig ellipsoidische oder verzerrte Kreisform aufweisen, was es schwierig macht, eine perfekt kreisförmige konzentrische Form zu erhalten. Folglich ist die Brechungsindexverteilung in die Richtung des Durchmessers der so erhaltenen optischen Faser nicht perfekt konzentrisch, was zu einer Zunahme der sogenannten Polarisationsmodendispersion (PMD) führt. So ist die „Polarisationsmodendispersion" eine Dispersion, die als ein Ergebnis einer Differenz der Geschwindigkeit zwischen den beiden Polarisationen auftritt, die in einem Querschnittsabschnitt einer optischen Faser zueinander orthogonal sind. Der Einfluß der obenerwähnten Polarisationsmodendispersion ist groß, wenn solche optischen Fasern für eine Fernübertragung verwendet werden, die eine große Kapazität über eine große Entfernung benötigt. Zusätzlich ist der Einfluß der Polarisationsmodendispersion bei hohen Übertragungsraten pro Kanal beträchtlich.
Für einige Zeit sind optische Fasern im Gebrauch gewesen, die im Durchlaßfenster mit 1550 nm verwendet werden. Diese sogenannten dispersionsoptimierten Fasern (DSF) machen von dem von sich aus niedrigen Dämpfungspegel der Faser bei Wellenlängen im sogenannten C-Band (1530–1565 nm) Gebrauch, und zusätzlich dazu weisen sie eine verschobene Null-Dispersion im C-Band auf, so daß sie eine Verbreiterung des Übertragungsimpulses infolge von Zwitschern entgegenwirken. Im allgemeinen wird Wellenlängenmultiplexen (WDM) zur Erhöhung der Kapazität einer Glasfaser verwendet, bei dem mehrere Wellenlängen im selben Durchlaßfenster zur gleichzeitigen Übertragung von Daten über eine Glasfaser verarbeitet werden. Wenn WDM und hohe Übertragungsraten verwendet werden, können sogenannte nichtlineare Effekte einen nachteiligen Effekt auf die Übertragungskapazität haben. Diese nichtlinearen Effekte sind Vierwellenmischung (FWM), Eigenphasen-Modulation (SPM), Kreuzphasen-Modulation (XPM) und parametrische Verstärkung (PG). Da die FWM hauptsächlich bei einer Dispersion von null oder nahezu null auftritt, zeigen die bekannten WDM-Fasern im C-Band eine niedrige Dispersion, die von null abweicht. Der SPM wird entgegengewirkt, indem die effektive Faserfläche erhöht wird. Als Ergebnis wird die Intensität des Lichts reduziert, das in der Faser übertragen werden soll. Ein Nachteil der Erhöhung der effektiven Fläche ist es, daß der Dispersionsgradient der Faser zunehmen wird. Folglich wird die Nutzbarkeit der Faser an den Kanten des Übertragungsbereichs infolge der Dispersion begrenzt, die zu hoch oder zu niedrig ist. Dies führt zu einer ernstlichen Einschränkung hinsichtlich der Verwendung der Fasern in Übertragungsbereichen außerhalb des C-Bands, wobei diesen Bereichen ein großes Maß an Aufmerksamkeit in Hinblick auf eine noch weitere Erhöhung der Übertragungskapazität einer einzelnen Faser gegeben wird, wie dem L-Band (1565–1625 nm) oder dem S-band (1440–1530 nm). Es werden folglich Lösungen für den Kompromiß zwischen dem Dispersionsgradienten und der effektiven Fläche in Profilen gesucht, in denen der mittlere Abschnitt des lichtübertragenden Kerns einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, häufig in Kombination mit einem Indexring in der Hülle. Aufgrund der hohen Anzahl geometrischer Eigenschaften, die zu kontrollieren sind, sind solche Profile jedoch schwierig zu reproduzieren und mit einer ausreichenden Ausbeute zu produzieren. Außerdem nimmt die Gefahr von Abweichungen der Kreissymmetrie zu, was einen nachteiligen Effekt auf die Polarisationsmodendispersion (PMD) hat. Zusätzlich dazu ist es schwierig, die Biegeverluste, die eine Rolle bei der Installation einer Faser spielen, bei der Verwendung solcher Profile ausreichend niedrig zu halten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es folglich, eine Faser bereitzustellen, die ein Profil aufweist, das in einer leicht reproduzierbaren Weise hergestellt werden kann, wobei die Faser insbesondere für WDM-Anwendungen geeignet ist.
Eine Faser, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführt wird, wird unter Bezugnahme auf 1 in EP-A-785 448 beschrieben.
Die Erfindung, auf die in der Einleitung verwiesen wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge mit einer Dispersion von null der optischen Faser weniger als 1500 nm beträgt, und daß sie die folgenden Anforderungen erfüllt:
0,2 < a/b < 0,55
0,05 < D2/D1 < 0,3
wobei:
D2 = ((n2 – n0)/n2)*100%
D1 = ((n1 – n0)/n1)*100%
n0 = Brechungsindexwert von undotiertem Siliziumoxidglas
n1 = Brechungsindexwert des dotierten inneren Kerns
n2 = Brechungsindexwert des dotierten äußeren Kerns.
Indem sowohl das Verhältnis a/b als auch das Verhältnis D2/D1 geeignet gewählt werden, wird eine optische Faser erhalten, die für WDM-Anwendungen besonders geeignet ist. Der Vorteil eines solchen Profils ist, daß es potentiell weniger empfindlich gegenüber der PMD und Makrobiegung ist, bei dem es möglich ist, falls erwünscht, die Empfindlichkeit gegenüber der PMD mittels Dotierstoffen noch weiter zu senken.
Das Profil, das in der vorliegenden Erfindung Anwendung findet, wird durch die obenerwähnten Parameter definiert. In diesem Zusammenhang kann außerdem erwähnt werden, daß der Brechungsindexwert in der Fläche mit einem Durchmesser a konstant ist, wobei es in einer spezifischen Ausführungsform jedoch wünschenswert ist, daß der Brechungsindex in der Fläche mit einem Durchmesser a, die die mittlere Symmetrieachse umgibt, einen maximalen Wert aufweist, wobei der maximale Wert im wesentlichen linear zum äußeren Kern hin auf einen Wert n₁' abnimmt, wobei n₁ > n₁' > n₂. In einer spezifischen Ausführungsform ist es ferner wünschenswert, daß der Brechungsindex in der Fläche mit einem Durchmesser a, die die mittlere Symmetrieachse umgibt, einen maximalen Wert aufweist, wobei der maximale Wert im wesentlichen linear auf den Wert n₂ zum äußeren Kern hin abnimmt. Unter spezifischen Umständen kann es ferner wünschenswert sein, eine Ausführungsform zu verwenden, in der der Brechungsindexwert n₁ in der Fläche mit einem Durchmesser a', die die mittlere Symmetrieachse umgibt, im wesentlichen konstant ist, wobei der Brechungsindexwert anschließend über eine Strecke zum äußeren Kern hin im wesentlichen linear auf einen Wert n₁' abnimmt, wobei a' < a < b und n₁ > n₁' > n₂. Ü berdies ist eine spezielle Ausführungsform wünschenswert, in der der Brechungsindexwert in der Fläche mit einem Durchmesser a', die die mittlere Symmetrieachse umgibt, konstant ist, wobei der Brechungsindexwert über eine Strecke zum äußeren Kern hin im wesentlichen linear auf einen Wert n₂ abnimmt, wobei a' < a < b und n₁ > n₂.
Die vorliegende optische Faser weist ein sogenanntes Doppelform-Kernprofil auf, wobei der Kern aus einem mittleren Abschnitt mit einem hohen Brechungsindexwert und angrenzend daran einem umgebenden Ring mit einem niedrigeren Brechungsindex besteht. Die Brechungsindexwerte des Kerns und des angrenzenden umgebenden Rings sind höher als jene der Hülle, wobei die Hülle den Ring umgibt. Die Zunahme des Brechungsindex des Kerns relativ zu den umgebenden Schichten wird bewirkt, indem der Silika-Kern mit GeO₂ dotiert wird. In einer speziellen Ausführungsform sind sowohl der Kern als auch ein Teil des inneren Kerns, der den Kern umgibt, mit Fluor dotiert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfüllt die vorliegende optische Faser außerdem die Anforderung:
2 ps/(nm·km) ≤ Dispersion bei 1550 nm ≤ 10 ps/(nm·km).
Der nichtlineare Effekt FWM nimmt stark zu, wenn die Dispersion der optischen Faser sich einem Wert von Null nähert. Da es sehr schwierig in einem Übertragungssystem ist, solche nichtlinearen Effekte zu kompensieren, ist es wünschenswert, daß die Dispersion im obenerwähnten Bereich stattfindet.
In einer speziellen Ausführungsform erfüllt die vorliegende optische Faser außerdem vorzugsweise die Anforderung:
Dispersionsgradient bei 1550 nm: ≤ 0,095 ps/(nm²·km).
Ein Dispersionsgradient, der die obige Anforderung erfüllt, ist besonders wünschenswert, da sich die Dispersion an der Kante des Durchlaßbandes stark von der Dispersion in dessen Mitte unterscheiden wird, wenn der Gradient zu hoch ist. Zu sätzlich ist eine solche Differenz der Dispersion in einem Übertragungssystem schwierig, und sie kann nur mit hohen Kosten kompensiert werden kann, so daß es wünschenswert ist, daß die obenerwähnte Anforderung hinsichtlich des Dispersionsgradienten erfüllt wird.
In einer speziellen Ausführungsform ist es außerdem für die vorliegende optische Faser wünschenswert, daß sie die Anforderung erfüllt:
7,5 ≤ MFD ≤ 9,5
Wenn der Modenfeldurchmesser (MFD) niedriger als 7,5 ist, wird die Lichtstärke in der optischen Faser zunehmen, als dessen Folge die optische Faser nachteilig durch den unerwünschten nichtlinearen Effekt SPM beeinflußt werden wird. Ein Modenfeldurchmesser, der größer als 9,5 ist, wird jedoch zu Problemen mit dem Dispersionsgradienten führen, dessen Wert ebenfalls höher wird, was folglich unerwünscht ist.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird es für die optische Faser besonders bevorzugt, daß sie die Anforderung erfüllt:
Grenzwellenlänge < 1450 nm
In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der inneren Kern und ein Teil des äußeren Kerns mit Fluor dotiert. Diese Art und Weise der Dotierung macht es möglich, die Kreissymmetrie der Faser in einer reproduzierbaren Weise aufrechtzuerhalten, in der das Quetschverfahren, in dem der Hohlstab in einen massiven Stab verwandelt wird, leichter zu steuern ist.
Es wird besonders bevorzugt, wenn die vorliegende optische Faser eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufweist, die auf der Hülle vorhanden sind, wobei der E-Modul der ersten zusätzlichen Schicht bei einer Temperatur von 20°C niedriger als 5 MPA ist und wobei das der zweiten zusätzlichen Schicht höher 500 MPA ist.
Solche Fasern scheinen sehr gute Makrobiegeeigenschaften zu haben, wobei diese Eigenschaften nur beobachtet werden können, wenn mindestens 100 Wicklungen auf einer Walze mit einem Durchmesser von 30 mm angeordnet sind. Die experimentell bestimmten Makrobiegewerte mit 100 Wicklungen auf einer solchen Walze sind niedriger als 10 dB/km.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf eine Anzahl Figuren detaillierter erläutert werden, wobei die Figuren jedoch keine Begrenzung des Rahmens der Erfindung bilden.
Die 1–5 sind erfindungsgemäße Brechungsindexprofile.
1 zeigt schematisch ein abgestuftes Brechungsindexprofil der vorliegenden optischen Faser, in der der Brechungsindex im inneren Kern mit einem Durchmesser a über dessen gesamte Dicke im wesentlichen konstant ist.
In 2 weist der innere Kern einen maximalen Brechungsindexwert in der Fläche auf, die die mittlere Symmetrieachse umgibt, wobei der maximale Brechungsindex zum äußeren Kern hin auf einen Wert n₁' abnimmt, wobei n₁ > n₁' > n₂.
In 3 weist der innere Kern einen maximalen Brechungsindexwert in der Fläche auf, die die mittlere Symmetrieachse umgibt, wobei der maximale Brechungsindexwert n₁ von der mittleren Symmetrieachse zum äußeren Kern hin auf einen Wert n₂ abnimmt.
In 4 weist der innere Kern einen maximalen Brechungsindexwert in der Fläche mit einem Durchmesser a' auf, die die mittlere Symmetrieachse umgibt. Dieser maximale Brechungsindexwert n₁ nimmt anschließend zum äußeren Kern hin in der Fläche mit einem Durchmesser a auf einen Wert n₁' ab, wobei a' < a < b und n₁ > n₁' > n₂.
5 zeigt ein Brechungsindexprofil, in dem der innere Kern einen maximalen Brechungsindexwert in einer Fläche aufweist, die die mittlere Symmetrieachse umgibt, wobei die Fläche einen Durchmesser a' aufweist. Der maximale Brechungsindexwert n₁ nimmt zum äußeren Kern hin in der Fläche mit einem Durchmesser a auf einen Wert n₂ ab, wobei n₁ > n₂ und a' < a < b.

Claims

Optische Faser, die hauptsächlich aus Hartglas besteht, wobei die Faser aufweist: i) einen inneren Kern mit einem ersten Brechungsindex n1 und einem ersten Durchmesser a; ii) einen äußeren Kern, der den Außenumfang des inneren Kerns umgibt und einen zweiten Brechungsindex n2 und einen zweiten Durchmesser b aufweist; und iii) eine Hülle, die den Außenumfang des äußeren Kerns umgibt, wobei die Hülle einen dritten Brechungsindex n3 aufweist, wobei n1 > n2 > n3, und die folgenden Anforderungen erfüllt werden: 0,2 < a/b < 0.55 0,05 < D2/D1 < 0,3 wobei: D2 = ((n2 – n0)/n2)*100% D1 = ((n1 – n0)/n1)*100% n0 = Brechungsindexwert von undotiertem Siliziumoxidglas n1 = Brechungsindexwert des dotierten inneren Kerns n2 = Brechungsindexwert des dotierten äußeren Kerns, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge mit einer Dispersion von null der optischen Faser weniger als 1500 nm beträgt.
Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser außerdem die Anforderung erfüllt: 2 ps/(nm·km) ≤ Dispersion bei 1550 nm ≤ 10 ps/(nm·km).
Optische Faser nach den Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser außerdem die Anforderung erfüllt: Dispersionsgradient bei 1550 nm ≤ 0,095 ps/(nm²·km).
Optische Faser nach den Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser außerdem die Anforderung erfüllt: 7,5 MFD ≤ 9,5
Optische Faser nach den Ansprüchen 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser außerdem die Anforderung erfüllt: Grenzwellenlänge < 1450 nm
Optische Faser nach den Ansprüchen 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Hülle mit Fluor dotiert ist, wobei der dotierte Teil der Hülle zum Außenumfang des äußeren Kerns direkt benachbart liegt.
Optische Faser nach den Ansprüchen 1–6, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere zusätzliche Schichten auf der Hülle vorhanden sind, wobei das E-Modul der ersten zusätzlichen Schicht bei 20°C niedriger als 5 MPa ist und das der zweiten zusätzlichen Schicht höher als 500 MPa ist.