DK147896B - Optisk boelgeleder med kerne med gradueret brydningsindex samt fremgangsmaade ved fremstilling af en saadan boelgeleder - Google Patents

Description

147896 i

Opfindelsen angår en optisk bølgeleder med en kerne, der udviser en radialt gradueret brydningsindexprofil, samt en kappe, der omgiver kernen og har lavere brydningsindex end kernen. Opfindelsen angår tillige fremgangsmåder ved fremstilling af sådanne bølgeledere.

Lysbølgers forplantning i optiske bølgeledere styres af fysiske love, der ligner de love, der styrer mikrobølgers forplantning, og derfor kan undersøges med hensyn til forplantningsmodi, som hver udviser sin egen forplantningskarakteristik og elektromagnetiske feltkarakteristik. Enkelt-modus-bølgeledere har den fordel, at de kan overføre optiske signaler med en meget ringe spredning, men på grund af den lave numeriske apertur og/eller ringe kernestørrelse i sådanne fibre er det vanskeligt på effektiv måde at indføre optiske signaler i disse bølgeledere. Multi-modus-bølgele-dere har større kernediametre og/eller større numeriske a-perturer end enkelt-modus-bølgeledere. Multi-modus-bølgele-dere udgør derfor ofte det foretrukne transmissionsmedium for optiske signaler, da de med høj effektivitet kan modtage lys fra injektions-lasere og sådanne bredspektrede lyskilder som lysemitterende dioder. Imidlertid sker forplantningen i multi-modus-bølgeledere i tusinder af forskellige modi, som hver bevæger sig med sin egen gruppehastighed, der er en smule forskellig fra de øvriges. En kort indgangsimpuls, som fordeles over mange af de ledede modi, vil således blive opdelt i en rækkefølge af impulser, som ankommer til bølgelederens udgangsende på forskellige tidspunkter. Denne art impulsspredning er den overvejende årsag til spredning i typiske optiske bølgeledere af multi-modus- typen.

Til at begynde med bestod optiske bølgeledere af en fiber af en kerne med ensartet brydningsindex, der var omgivet af et lag af kappemateriale med en lavere brydningsindex end kernens. I denne type af tidligere kendt fiber forøgedes den tid, der var nødvendig for de forskellige modi til at for- 2 147896 plante sig gennem en given afstand langs med bølgelederen, med stigningen i modus-ordenen. I en sådan fiber er forsinkelsesforvrængningen, defineret som forskellen mellem den tid det tager for den hurtigste og den langsomste modus at forplante sig langs med en given afstand langs med bølgelederen, meget stor.

r

Der er blevet fremstillet optiske bølgeledere med kerner, hvis brydningsindex udviser en radial graduering eller profil, og disse bølgeledere udviser en betydeligt formindsket impulsspredning som følge af forskelle mellem de forskellige modis gruppehastigheder. Denne spredningsformindskende virkning, der er omtalt i en publikation af D. Gloge m.fl. under titlen "Multimode Theory of Graded-Core Fibers", offentliggjort i Bell System Technical Journal, November 1973, pp. 1563-1578, er baseret på en radialt gradueret og sammenhængende brydningsindexprofil fra en maksimalværdi ved kernens midte til en lavere værdi ved grænsefladen mellem kernen og kappen. Brydningsindexens fordeling i en bølgeleder af denne art er givet af ligningen n(r) = nc £l - 2j3 (r/af^J for r ^ a hvor nc er brydningsindexen ved kernens midte, nQ er brydnings indexen i fiberkernen ved radien a, og λ 2 2 2 4/ = (ril - n~) / 2n~ , og a er kernens radius.

Man forestillede sig til at begynde med, at en parabolsk profil, hvor OL er lig med 2, ville give en brydningsindex-graduering, som mest muligt ville formindske den spredning, der skyldes forskellene mellem de forskellige modis gruppehastigheder.

I den ovenfor nævnte publikation af Gloge m.fl. er der også beskrevet en yderligere udvikling, hvor det siges, at impulsspredningen kan formindskes yderligere, dersom Øt, i stedet for at gøres lig med 2, gøres lig med 2 - 2Λ . I den teori, der behandler indexprofiler, hvor er lig med 2 eller 2-2*4 , et der imidlertid ikke taget hensyn til de 3 147896 virkninger, der skyldes forskellene i de spredende egenskaber for kernens og kappens materialer.

Nærværende ansøgeres USA-patent nr. 3 904 268 omhandler en optisk bølgelder med gradueret brydningsindex, hvor kernens og kappens spredningsvirkninger er formindsket. I dette patentskrift angives det, at en optisk bølgelder med gradueret brydningsindex, for at udvise de mindst mulige forsinkelsesforskelle mellem de forskellige modi, skal have en brydningsindexprofil, der er givet af n1 2 3 4 (r) = n2 j^l - ΐΔ (r/a)°^j r = a , hvor , .

2"c Å0å4/åAo 12J *·-2 "ΐ--1-- n er brydningsindexen ved kernens midte,

C

nQ er kernens brydningsindex ved r = a, Δ - <n* - n*) / 2n\ og Nc = nc - ta0 / iA0

Den lære, der er angivet i uSA-patentskrift nr. 3 904 268, gælder uanset hvilken glassammensætning, der anvendes, forudsat at kernens brydningsindex har de forannævnte relationer i det spektralområde, over hvilket kilden arbejder.

Den i dette patentskrift omtalte teknik kan anvendes for alle af to eller flere bestanddele bestående glasdannende forbindelser.

artiklen "Profile Syntheses in Multi-component Glass Op 2 tical Fibers" af Kaminow og Presby, Applied Optics, 16. ja 3 nuar 1977, og i Gloge og Presby's USA-patentskrift nr.

4 025 156 er det vist, at ved det rigtige valg af glassets sammensætning er det muligt at syntetisere en optisk bølgeleder, hvori spredningen er gjort mindst mulig over et bølgelængdeområde eller ved to eller flere bestemte bølgelæng der.

4 147896

Den lære, der er omhandlet i Fleming's USA-patentskrift nr.

4 033 667, er beslægtet med de af Kaminow, Presby og Gloge fremsatte teorier vedrørende hvorledes en bestemt sammensætning kan udvise en ensartet indexprofil over et bølgelængdeområde .

Som det vil fremgå klart af de eksempler, der er citeret i Kamonow-Presby-artiklen, Gloge-Presby-patentet og Fleming-patentet, kan deres opfindelser kun anvendes på visse begrænsede sammensætninger. Fig. 1 i Kaminow-Presby-patentet viser således, at konventrationen af T?2°5 ve<^ r = 0 skal være 11,5 gange større end koncentrationen af Ge02 ved r = a, for at der skal kunne opnås en formindsket impulsspredning over et vidstrakt bølgelængdeområde. Selv om denne sammensætning er fordelagtig med hensyn til spredningen, er den mindre ønskværdig hvad angår viskositet, termisk udvidelse, kemisk holdbarhed og numerisk apertur.

De samme begrænsinger med hensyn til sammensætning gælder for Gloge-Presby-teorierne. I deres eksempel finder de, at koncentrationen af GeC^ ved r = 0 skal være otte gange mindre end koncentrationen af B202 ved r = a. Denne begrænsning med hensyn til sammensætningen gør det umuligt at konstruere en optisk fiber med andre vigtige egenskaber, såsom høj numerisk apertur og god tilpasning mellem termisk udvidelse og viskositet hen over fiberens diameter.

Det er vigtigt at tage hensyn til impulsspredningens afhængighed af bølgelængden i optiske bølgeledere. En bølgeleder, der udviser en ringe impulsspredning ved flere forskellige bølgelængder eller over et område af bølgelængder, er bedre end en bølgelder, som kun udviser lav spredning ved eller omkring en enkelt bølgelængde. Den i USA-patentskrift nr.

3 904 268 omtalte bølgelder udviser stort set sin mindste spredning ved eller omkring en enkelt bølgelængde, og ved at vælge bølgelederens indexprofilform ifølge dette patentskrifts lære kan der opnås en minimums-spredning ved en hvilken som helst valgt bølgelængde. Ved andre bølgelængder er spredningen imidlertid - som også vist i fig. 4 i nærværende beskrivelse - betydeligt større.

5 147896 På baggrund af det ovenfor anførte er det opfindelsens formål at undgå de alvorlige begrænsinger vedrørende sammensætning, som gælder ved udøvelsen af den i Gloge-Presby-patentet omhandlede opfindelse. Der søges også opnået en forbedring i forhold til den teknik, der kendes fra USA-patentskrift nr. 3 904 268 i den henseende, at der søges udformet en optisk bølgeleder med gradueret brydningsin-dex, der udviser lav spredning over et område af bølgelængder eller ved to eller flere forskellige bølgelængder, og som kan fremstilles ud fra et bredt udvalg af mulige sammensætninger .

Opfindelsen angår således en optisk bølgeleder af den i krav l's indledning angivne art, og denne bølgelder er i-følge opfindelsen ejendommelig ved den i krav l's kendetegnende del angivne udformning.

Fortrinsvis er bølgelederen tillige udformet som angivet i krav 2.

Opfindelsens anvendelighed vil straks være indlysende, når det tages i betragtning, at det er meget kostbart at installere kommunikationskabler. Omkostningerne for optiske bølgeledere er ganske små i sammenligning med disse installationsomkostninger. De installerede kabler kan have bølgeledere svarende til teknikkens hidtidige stade, der udviser en minimums-impulsspredning ved bølgelængden for de for tiden anvendte lyskilder, normalt omkring ca. 0,85yUm. I fremtiden kan der blive udviklet lyskilder, der udviser en højere virkningsgrad ved andre bølgelængder. Det ville således være meget ønskeligt, dersom der i de kabler, som nu er ved at blive installeret, kunne anvendes bølgeledere af den art, der skal beskrives nærmere i det følgende, og som kan arbejde over et område af bølgelængder eller ved to eller flere forskellige bølgelængder med lav spredning. På denne måde er det muligt at undgå omkostningerne ved fremtidig installering af kabler med bølgeledere, der kan arbejde ved forskel-. lige bølgelængder.

6 147896 I krav 8 og 9 er der angivet fremgangsmåder til fremstilling af den ovennævnte bølgeleder.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et udsnit af en bølgeleder ifølge opfindelsen, fig. 2 illustrerer bølgelederens anvendelse i et optisk kommunikationsanlæg, fig. 3 illustrerer en fremgangsmåde til fremstilling af bølgelederen, fig. 4 viser en kurve Cl, der viser impulsspredningen som funktion af bølgelængden for en bølgeleder med en sædvanlig brydningsindexprofil, samt en kurve C2, der viser den forbedrede impulsspredning som funktion af bølgelængden for en foretrukken udførelsesform af en bølgeleder ifølge opfindelsen, fig. 5 viser en kurve AO, der viser hvorledes den optimale oC varierer som funktion af Å. for en enkelt-c(_-profil, og kurverne Al og A2 viser ( /{ ) og 2 (Λ) for en foretrukken udførelsesform for opfindelsen, idet både Al og A2 har en hældning på nul ved 0,85 μπι, 7 147896 fig. 6 viser kurver Bl og GI, der viser koncentrationsprofilerne for °9 Ge02 ^or enkelt-ø(-profilen, der er konstrueret med henblik på minimums-spredning ved 0,85 /i m, og kurver B2 og G2, der viser koncentrationsprofilerne for og GeC>2 for en foretrukken udførelsesform for dobbelt-<K -profilen, der er konstrueret med henblik på at d^ / d/ skal være lig med nul ved Ο,δδ^Λιη, og fig. 7 viser en kurve C3, der illustrerer impulsspredningen som funktion af bølgelængden for en foretrukken udførelsesform for opfindelsen. En lav impulsspredning er opnået ved to særskilte bølgelængder .

En bølgeleder 11 har en kerne 12 og en kappe 13. Brydnings- indexen for kappen 13 er mindre end brydningsindexen for kernen 12. Kernen 12 har en gradueret brydningsindex, der varierer fra n ved kernens midte til n ved radien a. Ιο o følge opfindelsen er gradueringen baseret på mindst to in-dexprofilled, som formindsker impulsspredningen over et bølgelængdeområde eller ved udvalgte bølgelængder.

Denne bølgeleder er forbundet med et optisk kommunikationsanlæg, der er vist i fig. 2. Her ses en sender 14, der omfatter en lyskilde til frembringelse af lys-impulser med en middelbølgelængde Λ . En modtager 15 ved bølgelederens udgangsende modtager lys fra bølgelederen 11 og reagerer på dette lys. Det er ønskeligt at gøre spredningen eller dis 8 147896 persionen mellem senderen 14 og modtageren 15 mindst mulig over et bølgelængdeområde eller ved forskellige bølgelæng der.

I overensstemmelse med opfindelsen er kernen 11 fremstillet af multikomponent-glas, dvs. glas af flere bestanddele, som f.eks. germaniumsilikat- og borsilikatglas. Hver af disse binære forbindelser har en koncentration, der varierer radialt i overensstemmelse med en særskilt koncentrationsprofil.

Idet disse forbindelser betragtes som eksempler, betegner n brydningsindexen for germaniumsilikatglasset ved r = 0,

C

og nQ betegner brydningsindexen for borsilikatglasset ved r = a.

I overensstemmelse med opfindelsen vil impulsspredningen i bølgeledere, der er fremstillet af et sådant multikomponentglas, blive mindst mulig, dersom kernens brydningsindex varierer som funktion af den radiale afstand fra kernens midte i overensstemmelse med: (1) n2(r) = n2 j\ - ]T*=1 (r/a)^1 ] , hvor er indexprofiler ifølge , 2n A d4. η 0 (2) ^i = 2 - ^r- - ~^Δ , i = 1 .... N, hvor N 2, N = η - A dn / dX , O C c Δ - <no no> .og Δ- Værdier af n , dn / dX , 4 η og &4 , / dA , som behø-

C C O 1 X

ves til at fremstille en bølgeleder med de ønskede indexprofiler, kan frembringes ved at udføre en Sellmeier-tilnærmel-se på brydningsindexmålinger, der er udført for forskellige bølgelængder for de glasforbindelser, der er anvendt som materiale for kernen og kappen.

147896

Nogle teknikker til måling af brydningsindexprofiler for optiske bølgeledere er omtalt i følgende publikationers "Viewing Refractive-Index Profiles and Small-Scale Inhomo-genities in Glass Optical Fibers: Some Techniques" af C.A.

Burrus m.fl., Applied Optics, Oct. 1974, Vol. 13, No. 10, pp. 2365-2369 og "Refractive Index Profile Measurements of Diffused Optical Waveguides" af W.E. Martin, Applied Optics, September 1974, Vol. 13, No. 9, pp. 2112-2116 og afhandling nr. 3.5 med titlen "Interferometric Measurement of SELFOC Dielectric Constant Coefficients to Sixth Order" af E.G. Rawson m.fl., 1973, IEEE/OSA Conference on Laser Engineering and Applications, 30.maj - 1. juni 1973, og en kort omtale heraf kan findes på pp. 22-23 af det ved denne konference fremlagte "Digest of Technical Papers".

TEORI

Følgende teoretiske analyse, der viser formindskelsen af impulsspredningen, er baseret på Marcatili's analyse i Bell Systems Technical Journal 56, 49 (1977). I den følgende a-nalyse skal følgende indexprofil-klasse betragtes: (3) n2(r) = N2 [l - F(r)] r = a ΣΝ fi(j s i=1 2Δ L (r/a) 1 r = a hvor N er et positivt helt tal. I den teknik, der er omtalt i USA-patentskrift nr. 3 904 268, er N lig med 1, mens N i nærværende anvendelser er større end eller lig med 2. Mar-catili viser, at forsinkelsestiden i modus fL ,]} er givet af (5) 7~hV= Td-B^iz/D) / (1 - Β^)% hvor

(6) T = L Nc / C

(7) Nc - nc - Adn, /dΛ m n _ . r <^F , , nc Of .

.. (8) ό-(1 + 2ρτέ/ {1~hw;TJ7i) 10 147896 (9) = (k2n2 - β£)) ) / (k2n2), hvor k = 2 , L er fiberlængden, og C er lyshastigheden.

ΣΝ .

i=l^ i' gælder til ordenen Δ2, at αο) Ταμ - T [l - /O + B,y/2 + (3/8 - §5) B^/J.

Dersom D = 2 - 6/5^7, er kvadratroden af gennemsnitskvadratet på forsinkelsesforskellene mellem de forskellige modi gjort mindst mulig for N *= 1 ifølge hvad der er omtalt i USA-patentskrift nr. 3 904 268, og formindskes ligeledes for N = 2 ifølge nærværende opfindelses lære.

Ligning (8) kan skrives som en partiel differentialligning (11) 4f+ ^ii + 2<1'D,p = 0·

For den klasse af profiler, der er omtalt i USA-patentskrift nr. 3 904 268 (N = 1) har ligning (11) løsningen: Å - o - fis — dA _ 12 Λ (12) Λ nc Δ 5Δ·

For de profiler, der er givet af de mere almene udtryk i ligningerne nr. (3)-(4), er det blevet fundet, at der findes nye løsninger til ligning (11), dersom 2n Å άΔ . Λ0 (13) = 2 - >ς-37 3^ - tM i = l ···«.

Det er således også muligt at minimalisere impulsspredningen for optiske fibre af multikomponent-glas ved hjælp af den i ligningerne (1) - (2) angivne profil.

I den foregående analyse skal bemærkes, at leddet ^ ^4^5+2y)~^~'~ ' ^er er 9ivet 1 Keck og Olshansky's patent, er blevet forenklet til - Δ , dvs. at det er blevet antaget, at jyj< 1, hvad der gælder for de fleste tilfælde.

n 147896

Den ønskelige tilstand, der udgøres af en minimal spredning over et bølgelængdeområde, kan opnås for den optimale index-profil ifølge opfindelsen. Dette sætter som betingelse, at (14) d oL.

j—i— = 0 for i = 1 .... N.

i-ha

Dersom ø^'s deriverede er lig med nul, opnås den mininale impulsspredning over et bredere bølgelængdebånd.

En alternativ tilstand, som er Ønskelig for visse anvendelser, er opnåelse af minimal spredning for to (eller flere) forskellige bølgelængder.

(15) oi± (Χχ) = θί± (k2) i = 1 .... N.

EKSEMPEL 1

Som første eksempel skal betragtes en multimodal optisk bølgeleder, der består af en kerne af smeltet kisel, som ved midten er "dopet" med 7,9 molprocent Ge02 og ved r = a med 13,5 molprocent B203· Målinger af brydningsindexerne for germanium-kisel-glassene kan findes i den afhandling af S. Kobayashi, S. Shibata, N. Shibata og T. Izawa, der forekommer i resumeet fra 1977 International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communications, som afholdtes i Tokyo, Japan. Brydningsindexerne for borosilikatglasset kan findes i en afhandling af J.W. Fleming i J.Am. Ceramix Society 59, 503-507 (1976).

De ovenfor omtalte brydningsindexer fremkom ved måling på masseprøver (bulk samples) af glas. Brydningsindexen for en optisk bølgelederfiber kan afvige betydeligt fra brydningsindexen for en masse-prøve på grund af de velkendte af-skræknings-effekter ("quenching effects”), som indtræder under fibertrækningen. Samtlige brydningsindexer, der er omtalt i nærværende beskrivelse, vedrører den faktiske bryd-ningsindex i en optisk fiber, medens de brydningsindex-data, 12 147896 der er baseret på masseprøver, kun omtales for at belyse udøvelsen af opfindelsen.

Ved at anvende de dertil egnede Sellmeier-tilnærmelser kan det vises, at ved en bølgelængde X på 0,85 mikron er nc lig med 1,46493, nQ lig med 1,45071, og A. lig med 0,00966.

Under anvendelse af den tidligere kendte enkelt-profil som omtalt i USA-patentskrift nr. 3 904 268 til at minimalise-re impulsspredningen ved 0,85 mikron, er -værdien lig med 1,957. Impulsbreddeforøgelsen ("pulse broadening") udtrykt som kvadratroden af middelkvadratet i nanosekunder pr. kilometer (ns/km) er vist i fig. 4 ved kurven Cl som en funktion af. Ved 0,85 ^m er der opnået en minimums-impulsspredning på 0,013 ns/km.

Ved en mulig udførelsesform for opfindelsen er A ^ og A 2 således valgt, at Δ 2 = <ηϊ ' no> / 2“c ' hvor ng er brydningsindexen for smeltet kisel ("fused silica") . n kan udregnes fra den Sellmeier-tilnærmelse, der er

S

rapporteret af I.H. Malitsen i Journal of the Optical Society of America, 55, 1205 (1965). Ved 0,85yi(m er ng lig med 1,45250. For dette eksempel er A·^ lig med 0,00845 og A 2 lig med 0,00121. Ved endnu en gang at anvende Sellmeier-tilnærmelser fremkommer værdierne:

Xdn άΔ± _3 = - 0,01397 'A-a^ = " 0,423 x 10 , og / ^^2 -3 Λ = + 0,522 x 10 . Ved indsætning af disse værdier i ligning (1) fremkommer værdier af 0= 2,076 og = 1,121, hvad der tilnærmelsesvis gør impulsspredningen minimal ved 0,85y/lm.

Efter at de optimale værdier for er blevet bestemt, an- X3 147896 gives kernens brydningsindexgraduering af ligning (1). En optisk bølgeleder, der tilfredsstiller ligning (1), kan derpå dannes i overensstemmelse med en af de metoder, der er omtalt i f.eks. USA-patentskrifterne 3 823 995 og 3 826 560.

I almindelighed vil, når brydningsindexen varierer lineært med koncentrationen af tilsætningsmiddel eller "dopant" , koncentrationsprofilerne (r) for P glasdannende forbindelser variere i hovedsagen som følger: ''ST1* ^i

Cj (r> ' CjO + li-1 CJi

j = 1----P

i = 1 .... N

p^3 N ^ 2 , hvor koefficienterne C^.. og værdien ø(j er valgt til at give en formindsket impulsspredning i overensstemmelse med de ovenfor anførte betragtninger, og hvor koncentrationerne udtrykkes enten som mol-brøker, vægt-brøker, atom-brøker eller hvilke som helst andre mål for koncentrationen.

Uanset fremstillingsmåden er det usandsynligt, at en optisk bølgeleder med gradueret brydningsindex til kunne fremstilles med oi nøjagtigt lig med en forud bestemt værdi. Imidlertid er det muligt at fremstille bølgeledere, hvori in-dexprofilen er tilnærmelsesvis lig med den optimale profil som defineret af ligningerne (1) og (2), og hvormed der ikke desto mindre kan opnås en betydelig formindskelse af impulsspredningen. Den hertil svarende tekniker tilpasset til fremstilling af bølgeledere af multikomponentglas på den måde, der er belyst i fig. 3, og som skal beskrives i det følgende.

de følgende eksempler 2 og 3 er det vist, hvorledes foretrukne udførelsesformer for opfindelsen, der er repræsenteret af enten ligning (14) eller ligning (15), kan udøves i praksis. For enkelheds skyld antages det, at antallet ø(-type-indexprofilled i ligning (1) er lig med 2, dvs. at 14 147896 N = 2.

I disse eksempler defineres to størrelser, som repræsenterer den ændring i brydningsindexen for smeltet kisel, som beværkes ved tilsætning af germania henholdsvis bor-oxid.

Disse to størrelser er (16a) SG = N2 - nf (16b) éB - 4 - η2 hvor ng er brydningsindexen for smeltet kisel. Disse to størrelser J"G og er beslægtet med størrelser svarende til Δog Δ^ i det foregående eksempel. To yderligere udtryk skal defineres:

(17a) = k r/f- i = G, B

r å <fi

(17b) Sn * i = G, B

Brydningsindexen for smeltet kisel, n , kan beregnes fra

S

den Sellmeier-tilnærmelse, der er bestemt af I.H. Malit-son, J. Opt. Soc. Amer. 55, 1205, (1965). Igen tages i dette eksempel n som brydningsindexen for kisel, der er til-

C

sat ("dopet med") 7,9 mol-procent Ge00, og n som bryd-

må U

ningsindexen for kisel, der er tilsat 13,5 mol-procent B2O3. Tre yderligene størrelser defineres af: Å.

(18) nc λ Λ / dnn2 (19> c (20) V = (Z2 - W) / (2 - Z) .

Med henblik på fordeling af de to tilsætningsmidlers virkning mellem Δ ^ og Δ2 , kan Δ1 og Δ^ defineres af (21a) = jVG(l - XG) + ifB XBJ / (2n0 2) (21b) Δ2 - [4 XG + (1 - V 4] / (2nc2) .

15 147896

Xg er et mål for den mængde germania, der er tildelt Δ 2'

Dersom XQ er lig med 1, vil hele germania-mængden være tildelt Δ2· . ¾ er et mål for den mængde bor-oxid, der er tildelt Δ2«

Ligningerne (21a,21b) er forenelige med den krævede betingelse (22) Z/ = (4. + J2) · I ligningerne (21a,21b) er størrelserne Xg og Xg indført for at specificere og Δ2· 1 mange glas-systemer er kvadratet på brydningsindexen proportionalt med koncentrationen af tilsætningsstof. Dersom dette er tilfældet, vil XG og XB være proportionale med tilsætningskoncentrationerne af GeC>2 og Denne proportionalitet er imidlertid ikke nødvendig for at kunne udøve opfindelsen.

Det skal nu ved anvendelse af ligningerne (16) - (21) vises, at Xg og Xg kan findes således, at en af de foretrukne udførelsesformer, der repræsenteres af ligning (14) henholdsvis ligning (15), kan angives.

EKSEMPEL 2

Det antages som eksempel, at indexprofilerne er givet af ligningerne (1-2), ^J'erne er givet af ligningerne (16) og (21), og den ønskede betingelse for minimal spredning over et bølgelængdeområde, nemlig ligning (14), er opfyldt. Dette svarer til betingelsen: (23a) (1 - Xg)2 Aæ + (1 - Xg) Xg Abg + X§ Abb - 0 (23b) (1 - Χ^) Agg + (1 - Xg) Xg Agg + Xg Agg = 0 .

. I det foregående er A'erne koefficienter, der bestemmes af brydningsindexerne for de glassorter, som der arbejes med. Ligningerne (23a) og (23b) kan udtrykkes i den mere almene form; 14789$ lb (24) (1 - Χ±)2 Au + (1 - Xl) Xj A±j + Xj2 A. . = 0 i = G, j = B eller i = B, j = G , hvor (25) A±j = SL' - ( «f." + J\ J>) / 2 - /j V + tT3 fvy / j

Ved opstillingen af ligning (24) er der set vort fra små 3 korrektionsled af størrelsesordenen X .

Størrelserne Agg, A^g, A^ i ligning (25) kan udregnes ved hjælp af de før nævnte Sellmeier-tilnærmelser for brydnings-index-data.

Ligningerne (24) repræsenterer således et par simultane ligningen af anden grad, der bestemmer konstruktionsparametrene eller udførelsesparametrene XQ og Χβ. Løsningerne af ligningerne (24) er (26a) XG = + 2AgB + A^ + D / (2D) (26b) Xg = + 2agg + ^BG + D / (2D) hvor <27> D ' <^G - 4 V % ·

Ved at anvende de før nævnte Sellemier-tilnærmelser og vælge X = 0,85 J/Lm, kan disse ligninger anvendes til at finde løsningen: (28) XQ = 0,772 og Xg = l,o82.

Ligningerne (21) og (22) kan derpå anvendes til at finde (29a) Δ, = 9,04 x 10~3 og Å2 = 0,62 x 10~3 (29b) = 7,60 x 10"4 og ^ = - 6,61 x 10"4 .

Ligning (2 ) giver det ønskede resultat: (3°) = 1,810 og øt2 = 4,088.

17 147896

Den indexprofil, der er karakteriseret af ligningerne (29) og (30), kan frembringes, dersom tilsætningsstofkoncentrationerne for germania og bor-oxid er (31a) CQ(r) = 0,079 jl - 0,772(r/a)1,810 - 0,228(r/a)4,088J og (31b) CB(r) = 0,135 ^2,082(r/a)1'810 - 1,082(r/a)4,088J .

Disse resultater er baseret på den antagelse, at brydnings-indexen varierer lineært med koncentrationen af tilsætningsstof. For glasdannende systemer, der udviser afvigelser fra lineariteten, kan opfindelsen alligevel udøves, idet analysen udvides til at omfatte de ikke-lineære led.

Fig. 3 viser udstyr til fremstilling af en bølgeleder med de til ligningerne (30) og (31) svarende profiler. Udstyret skal først beskrives, så at det vil være lettere at forstå hvorledes opfindelsen kan udøves ved at anvende dette udstyr.

En glassodbelægning 16 påføres et i hovedsagen cylindrisk glas-startorgan eller "maddingstang" 17 ved hjælp af en udvendig dampfaseoxidationsbrænder 18. Brændgas og oxygen eller luft leveres til brænderen 18 fra en ikke vist kilde ved hjælp af passende organer, som f.eks. et rør 19. Denne blanding brændes til frembringelse af en flamme 20, som afgives fra brænderen.

Beholdere 21,22 og 23 indeholder mængder af væskeformede bestanddele 24,25 henholdsvis 26, som til sidst vil udgøre laget 16. Et passende gasformigt medium, som f.eks. oxygen eller lignende, leveres til beholderne og bringes til at boble gennem væskerne ved hjælp af rør 27, 28 og 29. Gasmediet eller bæregassen leveres fra en dertil egnet, ikke vist kilde, i forud bestemte mængder og ved forud bestemte tryk. Strømmen af bæregas, der bobler gennem væskebestand-delen 24 i beholderen 21, reguleres ved hjælp af en ventil 18 147896 30, idet volumenhastigheden vises af en strømningsmåler 31.

På lignende måde reguleres strømmen af bæregas, der bobler gennem væskebestanddelene 25 og 26 i beholderne henholdsvis 22 og 23, ved hjælp af ventiler 32 og 33, idet disse gassers volumenhastigheder vises af strømningsmålere 34 og 35.

Væskebestanddelene i beholderne holdes på de Ønskede temperaturer ved hjælp af opvarmningsorganer. Mens bæregassen bobler gennem de opvarmede væskebestanddele, vil dampe af de pågældende væsker blive optaget af bæregassen og ført ud gennem et gasudløbsrør 36. Blandingen af bæregas og væskedamp føres til den udvendige dampfaseoxidationsbrænder 18 og injiceres i flammen 20, hvor den oxideres til dannelse af en "glas-sod". Soden forlader flammen 20 i en strøm, der er rettet hen imod startorganet 17. Startorganet 17 bevæges ved både drejning og forskydning som vist ved pilene tæt ved organets bæreende, så at aflejringen af sod på startorganet 17 bliver ensartet og jævn.

Beholderne 21-23 indeholder en glasdannende reagens og mindst to tilsætningsstoffer ("dopents"). I dette eksempel indeholder beholderen 21 SiCl^, beholderen 22 GeCl^ og beholderen 23 BC13·

Ventilerne 30,32 og 33 styres på den måde, der er beskrevet i Schultz-patentet, USA nr. 3 826 560, til frembringelse af den graduerede brydningsindex. Ventilerne 32 og 33 styres ifølge opfindelsen med henblik på at variere koncentrationen af tilsætningsstof på den ønskede måde. 1 overensstemmelse med opfindelsen styrer styrekredse 37 og 38 koncentrationerne af de to tilsætningsstoffer under dannelsen af bølgelder-emnet. Et føleorgan 39 frembringer et elektrisk udgangssignal svarende til bølgeleder-emnets radius, mens det dannes. Dette signal tilføres hver af styrekredsene 37 og 38. Styrekredsen 37 frembringer et styresignal, der varierer i overensstemmelse med ligning (31a,31b).

I dette eksempel antages koncentrationen af Ge02 at være 7,9 mol-procent ved kernens midte, og koncentrationen af 19 147896 B2O2 er 13,5 mol-procent ved kappen. Derfor er styrekredsene 37 og 38 programmeret til at frembringe tilsætningsstofkoncentrationer i emnet, som i den færdige bølgeleder vil udvise de af ligning (31) givne koncentrationsprofiler.

Analoge kredsløb, der frembringer sådanne styresignaler, er velkendte. F.eks. beskrives sådanne kredsløb i "ANALOG COMPUTATION IN ENGINEERING DESIGN", af Rogers og Connolly, McGraw-Hill Book Co. Inc., 1960. Imidlertid anvendes der, i den foretrukne udførelsesform for opfindelsen, en digital mikrodatamat til at frembringe styresignalerne. Et eksempel på en mikrodatamat, som er egnet til dette formål, er den af Allen-Bradley Company fremstillede "Program Logic Controller" .

For den på denne måde fremstillede optiske bølgeleder er der foretaget beregninger af impulsspredningen som funktion af bølgelængden, og resultaterne kan ses som kurven C2 i fig. 4. Ved at sammenligne kurven C2 ifølge opfindelsen med kurven Cl for en enkelt-^(,-profil, vil det kunne ses, at kurven C2 minimaliserer impulsspredningen over et betydeligt større bølgelængdeområde.

I fig. 5 er d^A) og d2^k ) de funktoner ifølge ligning (2), som er blevet bestemt i overensstemmelse med eksempel 2. Det vil kunne ses, at både (Ål i fig. 5) og 0[2 (Å2 i fig. 5) har en hældning på nul ved 0,85 i overensstemmelse med betingelsen i ligning (14). Det er på grund af denne nul-hældning i og $(2(/() ved 0,85 /tm, at karakteristikken for impulsspredning som funktion af bølgelængden udviser et meget bredt område med minimal impulsspredning, således som det er vist i fig. 4. 1 fig. 6 er tilsætningsstof profilerne for GeC>2 og B2O3 vist med kurverne G2 og B2. Til sammenligning viser kurverne GI og Bl de tilsætningsstofprofiler for GeC^ og der kræ ves til frembringelse af den optimale enkelt- ø(.-profil i-følge den tidligere teknik. Disse tidligere kendte koncen- 20 147896 trationsprofiler, der er vist med kurverne GI og Bl, er givet som: (32) CQ(r) = 0,079 £l - (r/a)1'957] (33) CB(r) = 0,135 (r/a)1'957

Det er åbenbart, at der er forskel mellem den nævnte optimale enkelt- ¢(-profil og dobbelt-^(-profilen ifølge dette eksempel. Disse forskelle kan iagttages ved anvendelse af en røntgen-mikrosonde-teknik til måling af tilsætningsstofprofiler i optiske bølgeledere eller de forud formede emner, hvoraf disse fremstilles. En sådan mikrosonde-teknik er blevet beskrevet af W.T. Kane i en artikel med titlen "APPLICATIONS OF THE ELECTRON MICROPROBE IN CERAMICS AND GLASS TECHNOLOGY" i Microprobe Analysis, redigeret af C.A. Andersen, John Wiley & Sons, Inc. 1973.

EKSEMPEL 3

Som en yderligere illustration af en foretrukken udførelsesform for opfindelsen skal der bestemmes brydningsindex-profiler (i overensstemmelse med ligning (15)), der giver minimal impulsspredning ved to bølgelængder, nemlig Λ^ = 0,08 yitm og /(2 = 1,20 JJLva.

Det antages, at de i ligningerne (16)-(22) definerede symboler repræsenterer størrelser ved 0,80 JUm. Der skal defineres et analogt sæt størrelser udregnet ved 1,20 Jim, hvilke størrelser afmærkes ved hjælp af en streg over symbolet. F.eks. gælder det, at (34) Sc = τξ - nj hvor nc og ng er udregnet ved 1,20 Jn m. Den betingelse, der skal være opfyldt, er at (35) «(i - ir *2 - i2 147896 21

Ved at anvende ligning (4) og definitionen af ligningerne (16)-(22) følger det, at ligning (35) er ækvivalent med udtrykket (36) (1 - Χ±)2 Βη +(1- X.) XjBi;. + X? Bjj = 0 hvor i = G og j = B eller j = G og i = B. Ved skrivningen af ligning (36) er der set bort fra små korrektionsled af 3 ordenen X .

Størrelserne defineres som (37) B± j = 2 (Z - Z) ( 0L<f} + 0±) + (2 - Z) ( <f± 6\ + /j <f[) - (2 - Z) ( (f. + /. ^)

Koefficienterne Β^, ΒβΒ og BGB kan udregnes fra de ovennævnte Sellmeier-tilnærmelser.

Ligning (36) kan derpå løses for at finde (38) XG = 0,398 Χβ = - 2,021 og (39) p(l = 3,028 C(2 = 1,581.

Karakteristikken for impulsspredning som funktion af bølgelængden for en bølgeleder, der er fremstillet i overensstemmelse med angivelserne ovenfor, er vist i fig. 7. Impulsspredningen udviser minima i nærheden, af 0,80 JU m og 1,20 yitm.

Tilsætningsstofprofilerne for denne bølgeleder er givet som (40) Cg(R) = 0,079 [l - 0,398(r/a)3'028 - 0,602(r/a)1,581J Cb(R) = 0,135 [3,021(r/a)1,581 - 2,1021(r/a)3,018J .

22 147896

Dersom den lineære tilnærmelse af ligning (21) ikke er gyl-dig, bliver analysen sværere, men principerne for bølgelederens udformning forbliver de samme.

Yderligere forbedringer med hensyn til at formindske impulsspredningen kan opnås ved at indføre yderligere konstruktionsparametre 8^ i ligning (13), så at nc Λ d ^ ± 12 λ i- (41) ·

Disse parametre betragtes som små, dvs. at (42) £ i j = 2. i = 1____N

Under anvendelse af standard-analysernetoder kan der vælges værdier for 8^, der bevirker yderligere formindskelse af spredningen. De nøjagtige værdier af afhænger af Δ

åéi L

, Λ / nc/ Nc og fordelingen af optisk effekt mellem bølgelederens modi.

Claims (3)

23 147896

1. Optisk bølgeleder med en kerne, der udviser en radialt gradueret brydningsindexprofil, samt en kappe, der omgiver kernen og har lavere brydningsindex end kernen, kendetegnet ved, at kernen indeholder mindst tre glasdannende forbindelser, og at kernens brydningsindex som funktion af radien (r) varierer i alt væsentligt som følger: n2<r) ‘4 [ΐ-^1=ι, . hvor H ^ 2 er antallet af α-type index-profil-led, nc er brydningsindexen ved r = 0 nQ er brydningsindexen ved r = a 4 - (n| - n*> / 2 n2c Δ -lUAi. og4± og er værdier, som frembringer en nedsat impulsspredning i et udvalgt frekvensområde inden for et spek-tralt frekvensinterval, idet opfylder en af de følgende ligninger (a) eller (b): 2nc ) d^ Λ tf _ 0 c Λ α i 124 . , (a) 2 “ Nc 3T d^ " 5 ' 1 " 1----N' hvor A er den bølgelængde, som bølgelederen skal anvendes ved, IM d - 9 2η° ^ 12 f Λ -2 - 57/7 dX ' tM ' hvor A er den bølgelængde, som bølgelederen skal anvendes ved, medens / dnc Nc = nc - A af ' £±| = 2, i = 1____N.

2. Bølgeleder ifølge krav 1, kendetegnet ved, at as 1 for i = 1 .... N.

3. Bølgeleder ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at Δ ^ har værdier, der frembringer formindsket impuls- 167896 spredning over et bølgelængdeområde.

4. Bølgeleder ifølge krav 3, kendetegnet ved, at Å ^ har sådanne værdier, at d^i . =0, i - 1----N, d Λ Α=Λ0 hvor^o er en bølgelængde i det spektralområde, hvori den nævnte bølgeledervil blive anvendt.

5. Bølgeleder ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at Å ^ har værdier, der frembringer formindsket impulsspredning ved to eller flere bølgelængder.

6. Bølgeleder ifølge krav 5, kendetegnet ved, at /} ^ har sådanne værdier, at = i 2^ ‘" = ^ g) / i = 1 · * · * hvor 2½ q =* N, og hvor Λχ' ____ ^q omfatter mindst én bølgelængde, hvorved den nævnte bølgeleder vil blive anvendt.

7. Bølgeleder ifølge et hvilket som helst af de foregående krav; kendetegnet ved, at de nævnte glasdannende forbindelser udviser en koncentrationsprofil, der varierer med radius (r) i alt væsentligt som d( · Cj <*> - Cj O) +ΣΪ-1 cji <r/a) 1 j =1____P i = 1 .... N N £ 2, hvor koefficienterne Cj^ og værdierne af ^ frembringer formindsket impulsspredning, og hvor Cj (o) betegner koncentrationerne ved r = 0.

8. Fremgangsmåde ved fremstilling af en optisk bølgeleder med gradueret brydningsindex ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der dannes en kerne med radius (r) ud fra et 25 147896 antal glasdannende forbindelser, hvis koncentrationer varieres, medens kernen dannes på en sådan måde, at brydnings- indexen ved den nævnte kernes midte er n og varierer som c funktion af den radiale afstand fra kernens midte i alt væsentligt som n2(r) = n2 1 - 2^ (r/a*1 ] , hvor er værdier, der frembringer minimumsværdier for im-pulsspredningen i den nævnte bølgeleder, og som står i et sådant forhold til de nævnte glasdannende forbindelsers e-genskaber, at 2n„ A dAl. ,0 “ 2' «Τ' ZI «X ’ 1 = 1····Ν' hvor N = 2, nQ er brydningsindexen ved r = a, "o = no " **></ 09 ^3 /2”c ' hvorpå der på den således dannede kerne anbringes et lag af kappemateriale, hvis brydningsindex er mindre end kernens, kernen og kappen opvarmes til deres trækningstemperatur, og kernen med kappen trækkes til dannelse af en optisk bølgele der.

9. Fremgangsmåde ved fremstilling af en optisk bølgeleder med gradueret brydnings index ifølge krav 1, kendetegne t ved, at der dannes en kerne med radius (a) ud fra et antal glasdannende forbindelser, hvis koncentrationer under dannelsen af kernen varieres på en sådan måde, at koncentrationen Cj(r) af de glasdannende forbindelser varierer med radius (r) i alt væsentligt som cj <r> - cj <°>+ XLi <r/»> 1 j =1----P i = 1 .... N

3, N *= 2, hvor koefficienterne C..^ og værdierne af frembringer formindsket impulsspredning, og hvor (o) betegner koncentrationerne ved r = O, hvorpå der påføres et lag kappemate-