CH616002A5 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser für optische Übertragungen im infraroten Wellenbereich mit niedriger Dämpfung und hoher numerischer Apertur. Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung dieser Faser angegeben.
Es sind bereits verschiedene Fasern mit kleiner Dämpfung bekannt, welche Licht im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums übertragen. Eine derartige Faser wird z.B. im US-Patent Nr. 3 884 550 beschrieben. Sehr reine Germaniumdioxid- und Siliciumdioxid-Schichten werden hier durch Flammenhydrolyse abgelagert. Die Faser weist gute Übertragungseigenschaften im sichtbaren Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, jedoch hohe Dämpfungswerte in der infraroten Region bei ungefähr 0,95 |xm auf.
Das US-Patentengesuch Nr. 367 287 erkennt, dass die Absorption bei 0,95 (im durch OH-Ionen verursacht wird, welche im Fasermaterial, hergestellt gemäss dem oben erwähnten US-Patentgesuch vorhanden sind. Diese OH-Ionen stammen 5 wahrscheinlich aus Wasser, welches durch die Flammenhydrolyse vom Kern- und Umhüllungsmaterial entstand. Die erwähnte US-Patentanmeldung unternimmt den Versuch, die Menge von OH-Ionen zu reduzieren, indem Kern-und Umhüllungsmaterial in Abwesenheit von Feuchtigkeit durch chemi-i„sche Dampfablagerung in einem sorgfältig entgasten Zwischenrohr abgelagert wird. Die erwähnten Materialien kamen dank dem erwähnten Zwischenrohr mit der zur thermischen Zersetzung von Kern-und Umhüllungsmaterial der Flamme nicht in Kontakt. Die Dissoziierung von Kern-und Umhüllungsmaterial 15 in Abwesenheit von Feuchtigkeit reduziert zu einem erheblichen Masse die Menge von OH-Ionen in der fertigen Faser und verringert den Absorbtionsverlust bei einer Wellenlänge von 0,95 |xm.
Die Verlängerung der Lebensdauer von GaAs-Lasern hat 20 ihre vermehrte Verwendung in optischen Übertragungssystem zur Folge. Da diese Laser im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittieren, würde das Nichtvorhandensein einer Absorbtion im infraroten Bereich den optischen Übertragungswirkungsgrad stark verbessern.
25 Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtleitfaser und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, welche den herkömmlichen Fasern gegenüber stark verbesserte Lichtüber-tragungs-Eigenschaften im infraroten Bereich aufweist.
Die Merkmale einer derartigen Faser sind im Anspruch 1 30 angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen :
Fig. 1 Kennlinien, welche die Dämpfung bei verschiedenen Wellenlängen der übertragenen Lichtenergie in einer erfin-dungsgemässen Faser und in zwei herkömmlichen Fasern an-35 geben.
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein ummanteltes Siliciumdio-xid-Rohr gemäss der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 einen Querschnitt des Rohres gemäss Fig. 2 nach dem Zusammenfallen zu einem Rohling, und 40 Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Lichtleitfaser, die aus dem Rohling gemäss Fig. 3 gezogen wurde.
Lichtleitfasern für optische Übertragungszwecke werden durch thermische Dissoziierung von Germanium-, Bor-und Sili-cium-Halogeniden in einem gründlich entgasten Siliciumrohr 45 hergestellt. Durch die Auswahl von spektroskopisch reinen Materialien werden Kationen aus der fertigen Faser ausgeschlossen, um eine niedrige Dämpfumg im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu erreichen. Anionen werden aus der Lichtleitfaser ausgeschlossen, indem die Materialien 50 in Abwesenheit von Feuchtigkeit abgelagert und indem weiter eine Sperrschicht zwischen dem Siliciumrohr und den resultierenden Kern- und Umhüllungsmaterialien vorgesehen wird. Die Sperrschicht verhindert die Diffusion von OH- und Übergangs-metall-Ionen aus dem Siliciumrohr während der Dampfablage-55 rung und während des Herunterziehens der Faser.
Die Dämpfungskennlienie C in Fig. 1 betrifft eine Lichtleitfaser hergestellt in Flammenhydrolyseverfahren mit einem Kern aus dottiertem Germaniumdioxid und einer Umhüllung aus Siliciumdioxid. Die Dämpfung dieser Faser bei einer Wellen-60 länge von 0,95 [im ist in der Fig. mit der Ziffer 1 angegeben und ist beträchtlich höher als die Dämpfung bei irgend einer anderen Wellenlänge. Diese hohe Dämpfung wird mit der Anwesenheit von OH-Ionen im germaniundotierten Siliciumkern und möglicherweise auch in der Siliciumummantelung erklärt, für den (,5 Fall, dass die Fasergeometrie eine Ausbreitung des Lichts in der Ummantelung fördert.
Die Dämpfungskennlinie B einer Lichtleitfaser mit einem germaniumdotierten Siliciumkern und einer bordotierten Sili-
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ciumumhüllung, gebildet durch die thermale Dissoziierung von Silicium-, Germaniun-, Tetrachlorid und Bortrichlorid, zeigt bei einer Wellenlänge von 0,95 |xm im Punkt 2 eine niedrigere Dämpfung als die durch Flammenhydrolyse hergestellte Faser. Die thermische Dissoziierung von Kern-und Umhüllungsmaterial der Faser gemäss Dämpfungskennlinie B resultiert wahrscheinlich in Wasserstoff enthaltenden Verbindungen, die in der bei Flammenhydrolyse verwendeten Flamme erzeugt werden. Weitere Versuche, die durch das Vorhandensein von OH-Ionen verursachte Dämpfung zu reduzieren, zeigten, dass das als schützende Sperrschicht gegen die Flamme verwendete Sili-ciumdioxidrohr, welches in der thermischen Dissoziierung von Kern-und-UmhüIlungsmate^ ' verwendet wurde, auch zur Anwesenheit von Hydrogen c,. 'iahenden Verbindungen in der resultierenden Faser beitrug. Dieses äussere Siliciumdioxidrohr enthält nämlich im allgemeinen einige absorbierende Hyrogen-verbindungen oder OH-Gruppen. Wenn dieses Rohr zum ersten Mal während des thermischen Dissoziierungsprozesses und später während des Herunterziehens der Faser erhitzt wird, diffundieren die Verbindungen und OH-Gruppen in das bisher von OH-Gruppen freie Kern-und Umhüllungsmaterial und erhöhen folglich die Dämpfung bei der Wellenlänge von 0,95 (im. Eine sorgfältige thermische Entgasung der Siliciumdioxid-rohres noch vor der thermischen Dissoziierung setzt die gemessene Dämpfung bei 0,95 (im herab, jedoch nicht in einem Masse, welches eine wirkungsvolle optische Übertragung im erwähnten Wellenbereich gestatten würde.
Weitere Versuche zur Herabsetzung der Dämpfung bei 0,95 (im betrafen das Anbringen einer Sperrschicht zwischen dem Siliciumrohr und dem Kern- und Umhüllungsmaterial. Es wurde festgestellt, dass bei einer genügend dicken Sperrschicht das Eindringen von OH-Ionen, die vom äusseren Siliciumrohr diffundiert wurden, in das Kern- und Umhüllungsmaterial verhindert werden konnte. Die Dämpfungskennlinie A betrifft eine Faser mit einer 15,0 um dicken Sperrschicht zwischen dem Siliciumdioxidrohr und dem Kern-und Umhüllungsmaterial ; die Höhe der Dämpfung bei 0,95 [im ist in diesem Falle mit der Ziffer 3 angegeben. Bei einer Sperrschicht, deren Dicke kleiner war als 15,0 |xm bewegte sich die Dämpfung je nach Dicke zwischen den Punkten 2 und 3. Es wurde eine optische Dämpfung von weniger als 5 db/km bei einer Wellenlänge von 0,95 [xm erreicht.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Siliciumdioxidrohres 4 mit einer Schicht 5 aus reinem Siliciumdioxid, die durch das bereits erwähnte thermische Dissoziierungsverfahren von Siliciumtetrachlorid in Abwesenheit von Feuchtigkeit abgelagert wurde: Das Rohr 4 wurde zwischen die Backen einer horizontalen Glasdrehbank gespannt. Vor der Ablagerung der Schicht 5 wurde das Rohr 4 thermisch entgast, indem eine Eingangs- und eine Ausgangsentlüftungsöffnung angebracht und das Rohr 4 erhitzt wurde, während Trockensauerstoff durch das Rohr strömte (er wurde durch die Eingangs-Entlüftungsöffnung eingeführt und aus der Ausgangs-Entlüftungsöffnung ausgepumpt). Dieser Spülvorgang mit Trockensauerstoff sollte sicherstellen, dass die aus dem Inneren des Rohres 4 durch Entgasung vertriebene Feuchtigkeit während des Entgasungsprozesses nicht wieder absorbiert wird. Nach diesem Entgasungsvorgang wurde die Schicht 5 aus reinem Siliciumdioxid abgelagert, indem Siliciumtetrachlorid-Dämpfe eingeführt, und das Äussere des Rohres 4 erhitzt wurde, um das Siliciumtetrachlorid in Anwesenheit von Sauerstoff zu dissoziieren, wobei insbesondere darauf geachtet wurde, keine Feuchtigkeit während des Vorgangs einzuführen. Nachdem genügend Siliciumdioxid abgelagert wurde, um eine Schicht 5 von mindestens 15,0 (im Dicke zu bilden, wird eine weitere Schicht 6 aus reinem Borsilikatglas abgelagert, indem Bortrichloriddampf zusammen mit Siliciumtetrachlorid eingeführt und diese beiden Chloride dissoziiert werden ; die Schicht 6 entsteht dann in Beisein von Trockensauerstoff. Die Dicke der Borsilikatglasschicht 6 hängt von der Anwendung der fertigen Faser ab. Werden Monomode-5 Fasern gewünscht, muss die Schicht 6 dicker sein als bei Multimode-Fasern. Danach wird eine weitere Schicht abgelagert, nämlich die Germaniumdioxilikat-Schicht 7 ; diese wird durch gleichzeitige Dissoziierung von Germaniumtetrachlorid und Siliciumtetrachlorid im Beisein von Trockensauerstoff erzeugt, m Die Dicke der Schicht 7 hängt gleichfalls von der gewünschten Anwendung der Faser ab und ist dicker für Multimode- als für Monomode-Fasern. Es können auch weitere Materialien in Verbindung mit Siliciumdioxid verwendet werden, um die innere Schicht 7 zu bilden, welche schlussendlich den Faserkern l? darstellt. Ti02, Zr02, LaO, NbO, AI2O3, Ta205, SnO und P205 wurden alle mehr oder weniger erfolgreich angewendet.
Nachdem die Schichten 5,6 und 7 abgelagert wurden, wird das Siliciumdioxidrohr 4 zum Zusammenfallen gebracht, um den Rohling gemäss Fig. 3 zu bilden. Das Rohr 4 bildet hier ein äusseres Trägerglied, welches die Sperrschicht 5, die Borsilikat-Umhüllungsschicht 6 und den aus festem Germaniumdioxidsilikat bestehenden Kern 7 trägt. Der Rohling 8 mit einem Durchmesser von ungefähr 8 mm und das Siliciumdioxidrohr 4 mit einem Durchmesser von ca. 25 mm bieten einen nützlichen Aufbau zur Messung der physikalischen und optischen Kennlinien des Endproduktes, nämlich der Faser gemäss Fig. 4.
Der Rohling wird schliesslich in einer vertikalen Ziehvorrichtung montiert, wo er erhitzt und zu einer Faser herunterge-3(1 zogen wird. Wenn aus verschiedenen Wellenlängen bestehendes Licht durch die Faser übertragen wird, kann die Dämpfungskennlinie gemessen werden. Sie ist in Fig. 1 mit A bezeichnet und weist bei einer Wellenlänge von 0,95 |xm eine Dämpfung gemäss Ziffer 3 in der erwähnten Figur auf.
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Um eine hohe numerische Apertur (3= 0,35) bei der erfin-dungsgemässen Faser zu erhalten, wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um das Zersplittern des ummantelten Rohres zu verhindern, welches auf die Verschiedenheit der Wärmeausdeh-40 nungszahlen der einzelnen Glasschichten zurückzuführen ist. Um die Beanspruchung während des Umhüllungsprozesses zu überwinden, wurde ein derart langer Bandheizer verwendet, dass das ganze Substrat während des Ablagerungs- und Zusammenfall-Vorganges erhitzt wurde. Dieser Bandheizer hielt die 45 Substrattemperatur über der Fliessgrenze, um die zwischen den abgelagerten Schichten und dem Substrat entstandenen Spannungen auf ein Minimum herabzusetzen. Nach der Ablagerung und dem Zusammenfallen des Substrats in einen Rohling, wird der Bandheizer für eine bestimmte Zeit in Betrieb belassen so (nachdem die die hohe Zusammenfallstemperatur erzeugende Flamme ausgelöscht wurde), um sicherzustellen, dass der Rohling während des Abkürzungsprozesses nicht zersplittert. Während die reagierenden Glasarten in eine Richtung fliessen, ist die abgelagerte Schicht am Abflussende viel dicker als jene am 55 Einlassende des Substrats, welches verjüngt ist. Die Spannungen am Abflussende sind hoch, so dass die Wahrscheinlichkeit eines Sprunges an diesem Ende höher ist. Um ein Zersplittern des Substrats zu verhindern, kann ein einzelner Brenner am Abflussende angebracht werden. Nach dem Zusammenfallen so kann der Rohling bei Raumtemperaturen ohne besondere Vorkehrungen behandelt werden.
Bei manchen Verwendungen, wie z.B. im Falle, dass lediglich eine kleine Menge des übertragenen Lichtes in die Borsili-h5 katumhüllung eintritt, kann die Sperrschicht aus sehr reinem Siliciumdioxid weggelassen und die Dicke der Borsilikatschicht erhöht werden, so dass diese letztere Schicht auch die Funktion der Sperrschicht gegen den Eintritt von Ionen übernimmt. Bei
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Anwendungen, in welchen sich das elektromagnetische Feld in die Borsilikatschicht erstreckt, wurde festgestellt, dass das Nichtvorhandensein der Sperrschicht eine Dämpfung hervorruft, welche durch die Absorbtion des Lichts angesichts der Anwesenheit von OH-Radikalen in dieser Umhüllung verursacht wurde.
C
1 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
- 616 0022PATENTANSPRÜCHE1. Lichtleitfaser für optische Übertragungen im infraroten Wellenbereich mit niedriger Dämpfung und hoher numerischer Apertur, gekennzeichnet durch einen Kern (7) aus einem Material mit hohem Brechungsindex, durch eine Umhüllungsschicht (6) um den Kern, aus einem einen niedrigeren Brechungsindex als das Kernmaterial aufweisenden Material, durch eine Hydro-xyl-Sperrschicht (5) welche den Kern und die Umhüllungsschicht umgibt, um das Diffundieren von Hydroxyl-Ionen in den Kern un in die Umhüllungsschicht zu verhindern, und durch eine äussere Schicht (4) aus Siliciumdioxid, welche Kern, Umhüllungsschicht und Sperrschicht umschliesst und als Trägerglied derselben dient.
- 2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Siliciumdioxidschicht (4) eine höhere Konzentration von Hydroxyl-Ionen als die Sperrschicht (5) aufweist.
- 3. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht und die Umhüllungsschichten eine Dicke von je mindestens 15 [im aufweisen.
- 4. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine numerische Apertur aufweist, die gleich oder grösser als 0,35 ist.
- 5. Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Innenwand eines Substratrohres (4) aus Siliciumdioxid eine Anzahl von Schichten abgelagert werden, wobei die Temperatur des Substrats über dem Fliesspunkt des Materials der erwähnten abgelagerten Schichten gehalten wird, um eine Zersplitterung des Substrats zu verhindern, und dass nachfolgend das ganze Gebilde zum Zusammenfallen gebracht wird, um einen Faser-Rohling (8) zu bilden, der zu einer Faser (9) heruntergezogen wird.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen des ganzen Substrats durch einen in der Nähe des Substrats angebrachten Bandheizer erfolgt.
- 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen des Substrats durch eine Flamme in der Nähe eines Substratendes erfolgt.
- 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (7), die Umhüllungsschicht (6) und die Sperrschicht (5) in Abwesenheit von Wasserstoff abgelagert werden.
- 9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (5) Siliciumdioxid enthält, welches durch die Dissoziierung von Siliciumtetrachlorid abgelagert wurde.
- 10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsschicht (6) Borsilikat enthält, welches durch die Dissoziierung von Siliciumtetrachlorid und Bortri-chlorid abgelagert wurde.
- 11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (7) Germaniumdioxidsilikat enthält, welches durch die Dissozzierung von Germaniumtetrachlorid und Siliciumtetrachlorid abgelagert wurde.
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