CH650081A5 - Verfahren zur herstellung einer lichtleitfaser aus einem rohling. - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer lichtleitfaser aus einem rohling. Download PDF

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her- 50 Dicke der zweiten Schicht diffundieren müsste, ehe er entwei-
stellung einer Lichtleitfaser aus einem Rohling, bei welchem chen könnte.
Verfahren eine erste Schicht aus einem Glas, dessen Bre- Bevorzugte Materialien für die erste Schicht sind Silicium-
chungsindex niedriger als jener von Siliciumdioxid ist, auf die dioxid, dotiert mit Fluor, Siliciumdioxid dotiert mit Boroxid,
Innenwand eines Substratrohrs aufgetragen wird. oder Silicumdioxid dotiert sowohl mit Fluor als auch mit
Die Verwendung von Lichtleitfasern im militärischen 55 Boroxid.
Nachrichtenwesen und in Datenüber tragungsverbindungen Um auf die Anwesenheit von Hydroxylgruppen in der Fa-bietet beträchtliche Vorteile, welche auf die kleinen Aus- ser zurückzuführende Übertragungsverluste gering zu halten, masse, das geringe Gewicht und die hohe Zuverlässigkeit der ' wird zur Ablagerung der beiden Schichten eine Reaktion verFasern zurückzuführen sind. Da elektromagnetische Impulse wendet, aus welcher Wasserstoff und seine Verbindungen einen nur geringen Einfluss auf Lichtleitfasern ausüben, wer- 60 ausgeschlossen sind. Aus demselben Grunde wird der Silici-den diese vorzugsweise in Umgebungen verwendet, wo Stör- umdioxidstab vorzugsweise aus einem Material gefertigt, wel-impulse der erwähnten Art auftreten könnten; der erwähnte ches gleichfalls aus einer Ablagerungsreaktion entstand, bei «geringe Einfluss» betrifft eine Erhöhung der optischen welcher Wasserstoff und seine Verbindungen ausgeschlossen Dämpfung, die nach Einstrahlung infolge der Bildung von waren. Wird nun festgestellt, dass ein durch Hydroxylgrup-absorbierenden Farbzentren zu verzeichnen ist. Das Ausmass 65 pen verunreinigtes Substratrohr eine beträchtliche Hydroxyl-der Dämpfungsänderung sowie die Geschwindigkeit und der absorbtion als Resultat der Wanderung solcher Gruppen vom Grad der Erholung sind wichtige Einzelheiten bei Erwägun- Substratrohr in die auf der Innenwand dieses Rohres abgela-gen über die Einsetzbarkeit von optischen Systemen. Es gerten Schichten verursacht, kann ein einen zusammengesetz-
ten Aufbau aufweisendes Substratrohr verwendet werden. Dieses Rohr hat dann einen innern Teil, welcher aus einer rohrförmigen Schicht besteht, die die Bohrung eines äussern Teils auskleidet. Der innere Teil ist aus Siliciumdioxid hergestellt, welches auf dem äussern Teil durch eine Reaktion abgelagert wurde, aus welcher Wasserstoff und seine Verbindungen ausgeschlossen waren, so dass die Wanderung der Hydroxylgruppen verhindert wird.
In der erwähnten Kategorie von Ablagerungsreaktionen, aus welchen Wasserstoff und seine Verbindungen ausgeschlossen sind, befindet sich eine bevorzugte Klasse von Reaktionen, nämlich jene der direkten Oxidation von Halogeni-den mit Sauerstoff. Derartige Reaktionen können durch Einwirkung von Hitze oder durch einen Plasmaprozess hervorgerufen werden.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens sollen nun anhand der Zeichnung, welche den Herstellungszustand einer Faser zeigt, bei welchem ein Teil des beschichteten Substratrohrs mit dem in die Bohrung dieses Rohrs eingeführten Stab verschmolzen wurde, näher erläutert werden.
Bei der Herstellung wurde eine Ablagerungsvorrichtung verwendet, die in US-Patentgesuch Nr. 1 475 496 beschrieben ist. Die Innenwand eines 12x10 mm Substratrohrs 10 aus Siliciumdioxid wurde zuerst mit einer 0,3 mm dicken ersten Schicht 11 und nachfolgend mit einer 0,1 mm dicken zweiten Schicht 12 versehen. Beide Schichten wurden durch eine thermisch induzierte, direkte Oxidationsreaktion abgelagert, bei welcher Halogenide in einem Sauerstoffstrom das Rohr 10 durchflössen, während eine Ofenanordnung eine lokalisierte heisse Zone hervorrief; diese Anordnung, enthaltend einen Knallgasbrenner mit einer Anzahl von Düsen, wurde wiederholt entlang dem Rohr fortbewegt. Die erste Schicht 11 bestand aus mit Boroxid dotiertem Siliciumdioxid und wurde hergestellt, indem Tetrachlorsilicium- und Bortrichlorid-Gas-dämpfe mit Trockensauerstoffgas reagierten. Zu diesem Zwecke passierte ein erster Sauerstoffgasstrom mit einer Durchsatzrate von 200 cm3/min Tetrachlorsilicium bei Raumtemperatur und ein zweiter Sauerstoffgasstrom passierte bei einer Durchsatzrate von ungefähr 250 cm3/min Bor-trichlorid gleichfalls bei Raumtemparatur; diese zwei Gasströme wurden dann mit einem dritten Gassstrom aus reinem Sauerstoff von einer Durchflussrate von ungefähr 11/min kombiniert. Dieser dritte Gasstrom diente zur Verdünnung der Halogenidkonzentration. Die zweite Schicht 12 wurde unter praktisch denselben Bedingungen hergestellt, jedoch bei abgestelltem Durchfluss durch das Bortrichlorid. In beiden Fällen wurde die Ablagerung als gasförmige Schicht gebildet, nicht als eine Teilchen aufweisende Schicht, welche noch in einem separaten Sinterschritt einer Verfestigung bedürfte.
Nachfolgend wurde ein 6 mm dicker Siliciumdioxidstab 14 in die Bohrung des beschichteten Substratrohres eingeführt und sowohl Rohr als auch Stab koaxial und drehbar um deren gemeinsame Achse in einer Drehbank befestigt. Der Stab wurde durch eine Ablagerungsreaktion hergestellt, aus welcher Wasserstoff und seine Verbindungen ausgeschlossen waren, um eine Verunreinigung durch Hydroxylgruppen zu verhindern. Während sich nun beide Teile um ihre gemeinsame Achse drehten, wurde eine Region 15 in der Nähe eines der Enden lokal erhitzt, wodurch das Rohr weichgemacht und über den Stab zum Zusammenfallen und Verschmelzen mit diesem gebracht wurde.
Nun wurde der teilweise verschmolzene Zusammenbau von Stab und Rohr aus der Drehbank entfernt und in senkrechter Lage in einer Ziehvorrichtung montiert, wobei sich das verschmolzene Ende unten befand. Am obern Ende des Zusammenbaus wurden Stab und Rohr separat festgeklemmt, um zu verhindern, dass beim Weichmachen des untern Endes die koaxiale Ausrichtung von Stab und Rohr ver-
J 650 081
l'oren geht. Das verschmolzene Ende des Zusammenbaus wurde dann in den Ofen der Ziehvorrichtung eingeführt, so dass eine Faser mit vollem Querschnitt bei einer Abzugsgeschwindigkeit von ungefähr 10 m/min aus dem Ofen gezo-5 gen werden konnte, wobei der Zusammenbau gleichzeitig fortlaufend in den Ofen herabgesenkt wurde. Die heruntergezogene Faser wurde unmittelbar nach dem Austritt aus dem Ofen durch einen forcierten Luftzug abgekühlt und anschliessend durch einen eine Beschichtungsflüssigkeit enthaltenden 10 Behälter geführt. Dadurch wurde die frisch heruntergezogene Faser mit einem Kunststoffmantel versehen, um sie vor atmosphärischen Einflüssen zu schützen. Die ummantelte Faser wurde dann auf eine Rolle aufgerollt.
Der Kerndurchmesser der Faser betrug 250 um, der 15 Durchmesser des optischen Mantels (das Material der ersten Schicht 11) war 290 um und der Durchmesser der ganzen Faser, ohne Kunststoffummantelung, betrug 400 (im. Die numerische Apertur war ungefähr 0,12.
Es wurde festgestellt, dass eine Faser mit vollem Quer-20 schnitt und mit einem richtig zentrierten Kern aus einem Zusammenbau von Stab und Rohr herunterziehbar ist, ohne dass man zuerst das Rohrende über dem Stabende zusammenfallen lässt. Dieses Zusammenfallen erleichtert jedoch die Steuerung der Fasergeometrie beträchtlich. Eine weitere Er-25 leichterung dieser Steuerung kann dadurch erzielt werden, dass der Zusammenfallvorgang praktisch entlang dem ganzen Zusammenbau fortgesetzt wird, so dass ein Lichtleitfaser-Rohling mit vollem Querschnitt entsteht. Der Zusammenfallvorgang muss durch einen einzigen Durchgang der heissen 30 Zone vollbracht werden. Es ist jedoch auch möglich, vor dem Durchgang, der das Zusammenfallen vollbringt eine Reihe von Durchgängen durchzuführen, die fortlaufend die Bohrung des Rohres zusammenschrumpfen lassen, so dass schlussendlich der Bohrungsdurchmesser dem Aussendurch-35 messer des Stabs praktisch gleicht. Ein Vorteil des Zusammenfallens des Gebildes über seiner ganzen Länge besteht darin, dass ein Rohling mit vollem Querschnitt entsteht, welcher verhältnismässig kompakt ist und gelagert werden kann, bis er zur Herstellung einer Faser benötigt wird. 4o In derselben Technologie wurden auch weitere Chargen Lichtleitfasern hergestellt, wobei jedoch die erste Schicht 11 in jedem Falle aus Fluor anstatt aus Boroxid dotiertem Siliciumdioxid bestand. Zu diesem Zwecke durchströmte ein erster Sauerstoffgas-Strom bei einer Durchsatzrate von ungefähr 45 50 cm3/min Tetrachlorsilicium und dies wurde mit einem Sili-ciumtetrafluoridstrom von einer Durchflussrate von 100 cm3/ min und einem zweiten Sauerstoffstrom von einer Durchflussrate von 250 cm3/min kombiniert. Die numerische Apertur der hergestellten Fasern bewegte sich im Bereich zwischen so 0,15 und 0,17 je nach genauen Ablagerungsbedingungen.
Noch weitere Chargen von Lichtleitfasern wurden in derselben Technologie, wie oben beschrieben, hergestellt, wobei jedoch die erste Schicht 11 eine sowohl mit Fluor als auch mit Boroxid dotierte Siliciumdioxid Schicht war. Zu diesem 55 Zwecke passierte ein erster Sauerstoffgas-Strom bei einer Durchflussrate von 50 cm3/min durch Tetrachlorsilicium, was mit einem Bortrifluoridstrom bei einer Durchflussrate von 250 cm3/min und einem zweiten Sauerstoffstrom bei einer Durchflussrate von gleichfalls 250 cm3/min kombiniert 60 wurde. Die hergestellte Faser wies eine numerische Apertur von ungefähr 0,22 auf.
Die in den vorher erwähnten Beispielen aufgeführten, niedrigeren Durchflussraten zur Ablagerung von Fluorver-65 bindungen sind lediglich auf die Beschaffung von Vorrichtungen zur Mischung von Reagenzgasen und -dämpfen zurückzuführen, welche nicht imstande waren, grössere Durchflussmengen zu verarbeiten.
C
1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

  1. 650 081 2
    PATENTANSPRÜCHE wurde festgestellt, dass bei Verwendung von reinem Silicium-
    1. Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser aus ei- dioxid mit einem verhältnismässig raschen Rückgang der nem Rohling, bei welchem Verfahren eine erste Schicht (11) durch Einstrahlung verursachten Dämpfungserhöhung zu aus einem Glas, dessen Brechungsindex niedriger als jener rechnen ist, während Lichtleitfasern mit Kernen aus dotier-von Siliciumdioxid ist, auf die Innenwand eines Substratrohrs 5 tem Siliciumdioxid, insbesondere solche, bei welchen Phos-(10) aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf die phorpentoxid als Dotierungsmittel verwendet wurde, einen erste Schicht eine zweite Schicht ( 12) aus Siliciumdioxid auf- kleinern Übergangszuwachs in Dämpfung aufweisen können, getragen wird, dass ein Siliciumdioxidstab (14) in die Boh- der jedoch durch eine langsame Erholung gefolgt wird, was zu rang des beschichteten Substratrohrs eingeführt wird, und einem permanenten Restdämpfungszuwachs führt. Folglich dass der ganze Zusammenbau verschmolzen wird, um einen 10 sind Lichtleitfasern mit einem nicht dotierten Siliciumdioxid-Rohling mit vollem Querschnitt zu bilden, der zu einer Licht- kern bei jenen Verwendungen interessant, in welchen eine ra-leitfaser heruntergezogen wird. sehe Erholung nach Einstrahlung verlangt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Bei manchen Systemen sind grosse Kernabmessungen und dass vor dem Verschmelzungsvorgang das beschichtete Rohr eine hohe numerische Apertur nötig, um Steckverbinder- und durch Erhitzen zum fortlaufenden Zusammenfallen auf den 15 Ausstrahlungsverluste so klein ais möglich zu haltan. Bei geStab gebracht wird. wissen Verwendungsarten. z.B. in der Flugelektronik, werden
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, zusätzlich sehr grosse Betriebstemperaturbereiche verlangt, dass vor dem Verschmelzungsvorgang eine Endregion des be- z.B. von —55° bis +155 °C. Für den letztgenannten Verschichteten Rohres erhitzt und zum Zusammenfallen auf den wendngsbereich wurden kunststoffummantelte Siliciumdi-Stab gebracht wird, und dass nachfolgend der Zusammenbau 2o oxid-Lichtleitfasern erwogen, die Verwendung von Kunst-in axialer Richtung in einen Ofen eingeführt wird, um ein stoff für den optischen Mantel wirft jedoch zusätzliche Profortlaufendes Zusammenfallen des übrigen Rohres auf den bleme bei der Herstellung von Steck- und Spleissverbindun-Stab zu erreichen. gen auf. Ausserdem eignen sich kunststoffummantelte Silici-
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn- umdioxidfasern nicht gut für grosse Temperaturschwan-zeichnet, dass die erste Schicht (11) aus mit Boroxid, Fluor 25 kungen.
    oder mit Boroxid und Fluor dotiertem Siliciumdioxid herge- Durch das erfmdungsgemässe Verfahren soll eine Lichtstellt wird. leitfaser hergestellt werden, welche den strengsten technischen
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn- und technologischen Anforderungen nachkommen kann, zeichnet, dass die erste und zweite Schicht durch eine Reak- Das erfmdungsgemässe Verfahren ist dadurch gekenn-tion abgelagert wird, aus welcher Wasserstoff und dessen Ver- 30 zeichnet, dass auf die erste auf die Innenwand des Substratbindungen ausgeschlossen sind. rohres aufgetragene Schicht eine zweite Schicht aus Silicium-
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dioxid aufgetragen wird, dass ein Siliciumdioxidstab in die dass das Material der Schichten durch die direkte Oxidation Bohrung des so beschichteten Substratrohrs eingeführt wird, von Halogeniden mit Sauerstoff hergestellt wird. und dass der ganze Zusammenbau verschmolzen wird, um ei-
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn- 35 nen Rohling mit vollem Querschnitt zu bilden, der zu einer zeichnet, dass das Substratrohr (10) einen zusammengesetzten Lichtleitfaser heruntergezogen wird.
    Aufbau aufweist mit einem inneren Teil, bestehend aus einer Man könnte meinen, dass man auf die zweite Schicht verdie Bohrung eines äusseren Teils auskleidenden, rohrförmi- ziehten kann. Dies stimmt allerdings nicht, denn es wurde gen Schicht, wobei dieser innere Teil aus einem durch eine Re- herausgefunden, dass eben diese zweite Schicht die Aufgabe aktion, aus welcher Wasserstoff und seine Verbindungen aus- 40 erleichtert, eine praktisch fehlerfreie Berührungsfläche zwi-geschlossen sind, auf dem äussern Teil abgelagerten Material sehen dem Stab und der Innenwand des beschichteten Sub-besteht. stratrohrs zu erhalten. Es kommt der Verdacht auf, dass das
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn- Nichtvorhandensein der zweiten Schicht aus Siliciumdioxid zeichnet, dass der Stab aus Siliciumdioxid besteht, welches eine Ausscheidung des in der ersten Schicht zum Herabsetzen durch eine Reaktion hergestellt wurde, aus welcher Wasser- 45 des Brechungsindexes vorhandenen Dotierungsstoffes wäh-stoff und seine Verbindungen ausgeschlossen waren. rend des Verschmelzungsvorgangs von Stab und Rohr begünstigt, wodurch sich die Qualität der Berührungsfläche ver-
    schlechtem würde. Die zweite Schicht verhindert folglich eine solche Ausscheidung, indem der Dotierungsstoff durch die
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