DE102011109838A1

DE102011109838A1 - Lichtleitfaser

Info

Publication number: DE102011109838A1
Application number: DE102011109838A
Authority: DE
Inventors: Mathias Auth; Jörg Kötzing; Harald Hein; Elke Poppitz; Wolfgang Hämmerle; Lothar Brehm; Christian Genz
Original assignee: J Plasma GmbH
Current assignee: J Plasma GmbH
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2012-11-29
Also published as: US20140086544A1; EP2715419A2; WO2012163803A3; WO2012163803A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser und Preform zur Herstellung der Lichtleitfaser, bestehend aus einem Kernbereich und einem Mantelbereich mit einer bezüglich einer bezüglich eines Brechzahlniveaus einer Glasmatrix erhöhten Kernbrechzahl und einer bezüglich des Brechzahlniveaus der Glasmatrix erniedrigten Mantelbrechzahl, wobei die numerische Apertur der Lichtleitfaser von dem Kernbereich und dem Mantelbereich bestimmt ist. Dabei ist zwischen dem Kernbereich und dem Mantelbereich eine Distanzschicht mit einer Dicke ausgebildet ist, bei welcher die numerische Apertur der Lichtleitfaser oder der Preform durch die Brechzahlen des Kernbereichs und des Mantelbereiches bestimmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser und Preform zur Herstellung der Lichtleitfaser. Es ist bekannt, für diese Fasern einen Kernbereich und einen Mantelbereich vorzusehen. Der Kernbereich weist eine Kernbrechzahl auf, die bezüglich eines Brechzahlniveaus einer Glasmatrix erhöht ist. Diese Erhöhung wird durch ein Zudotieren mindestens eines weiteren Stoffes erreicht. Die numerische Apertur wird in diesem Fall durch die Brechzahldifferenz des Kernbereichs und der Glasmatrix gebildet, die zugleich den Mantelbereich darstellt. Zur Erzeugung der notwendigen Brechzahldifferenz ist es ebenfalls möglich, zumindest Teile des Kernbereichs auf dem Niveau der Brechzahl der Glasmatrix zu belassen und durch Absenkung der Brechzahl des Mantelbereichs die erforderliche numerische Apertur zu erreichen.
Sowohl der Dotierung des Kerns als auch des Mantelbereichs sind chemische und verfahrenstechnische Grenzen gesetzt. Um Fasern mit hoher Brechzahldifferenz zu fertigen, ist es notwendig, sowohl den Kern als auch den Mantelbereich mit entsprechenden Dotierungen zu versehen.
Die numerische Apertur der Lichtleitfaser wird dann im wesentlichen durch die Kernbrechzahl und die Mantelbrechzahl, d. h. durch den Kernbereich und den Mantelbereich der Lichtleitfaser bestimmt. Sie ist umso größer, je größer die Brechzahldifferenz zwischen dem Kernbereich und dem brechzahlerniedrigten Mantelbereich ist.
Die unterschiedlichen Brechzahlen des Kerns und des Mantelbereiches werden üblicherweise dadurch erzeugt, indem die Glasmatrix der Lichtleitfaser bei der Herstellung der Preform mit unterschiedlichen Dotanden versetzt wird, die brechzahlerhöhend bzw. brechzahlerniedrigend wirken. Solche als high NA Fasern bezeichnete Lichtwellenleiter mit hoher numerischer Apertur sind bereits bekannt und werden beispielsweise in der japanischen Druckschrift JP 57032404 beschrieben. Dabei kommt es insbesondere in Hinblick auf eine möglichst verlustarme Lichtleitung darauf an, dass das Brechzahlprofil innerhalb der Preform und später auch in der Lichtleitfaser möglichst präzise beibehalten wird und sich nicht verändert. Es tritt jedoch immer wieder das Problem auf, dass infolge fertigungsbedingter Temperatureinwirkungen bei der Preformerzeugung oder auch während des Betriebseinsatzes der Lichtleitfaser Diffusionsvorgänge zwischen dem Kernbereich und dem Mantelbereich einsetzen, bei denen sich die jeweils vorhandenen Dotanden entsprechend des Konzentrationsgefälles im Bereich der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel austauschen. Dadurch kann es an den Grenzflächen zur Bildung von ungewünscht flüchtigen Verbindungen kommen, die die Grenzfläche stören. Dazu kommt es bei bekannten Herstellungsverfahren zu einer erhöhen mechanischen Instabilität, die sich vor allem in einer hohen Bruchhäufigkeit und starken Faserdurchmesserschwankungen äußert. Zudem werden auch die optischen Parameter wie die Profilgüte gestört. Derartige Diffusionen nehmen umso mehr zu, je starker die Dotandenkonzentrationen bzw. deren Konzentrationsgradienten, zwischen Kern und Mantel in der Faser sind. Daher ist es besonders schwierig, lange Fasern mit einer besonders hohen numerischen Apertur mit geringen Durchmesserschwankungen herzustellen, die außerdem auch mechanisch stabil sind.
Es ist somit erforderlich, eine derartige Lichtleitfaser anzugeben, bei der die soeben beschriebenen Nachteile wirksam verhindert werden können und bei der die ursprünglich eingestellte numerische Apertur der Lichtleitfaser über einen möglichst langen Zeitraum hinweg einen gleichmäßigen Wert behält. Zudem sollte die Faser eine möglichst hohe mechanische Stabilität aufweisen.
In der DE 2426376 wird ein hohler Lichtwellenleiter mit einer dünnen inneren Schicht offenbart. Diese dient aber als lichtleitende Schicht.
In der DE2930399 wird eine Faser mit Sperrschicht beschrieben, die für eine hohe optische Bandbreite sorgt. Nachteile sind jedoch bei diesem Verfahren, dass als Dotand B₂O₃ verwendet wird, welches zusätzliche Grenzflächenprobleme einbringt und zudem nicht Bestandteil des Kerns und/oder des Mantels ist. Weiterhin weist der Mantel auch nicht die geforderte Brechzahlerniedrigung zur Glasmatrix auf.
In der DE 2530786 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die zuletzt auf die Innenwandung eines Rohrs aufgebrachte Schicht mit einem bei Erhitzung weniger leichtflüchtigem Dotierungsmittel dotiert wird als die davorliegende Schicht der Innenbeschichtung. Dieses Verfahren ist für die Problemstellung nicht anwendbar, denn die zu lösende Aufgabe ist nicht die Verhinderung von Abdampfungen, sondern die Vermeidung der Bildung flüchtiger Stoffe als Folge von chemischen Reaktionen zwischen den unterschiedlichen Glasbestandteilen und die Verbesserung der mechanischer Stabilität.
In der DE2647419 wird ebenfalls ein Lichtwellenleiter bestehend aus Zwischenschicht, Kernbereich und Mantelbereich offenbart. Dabei liegt jedoch der Mantelbereich auf Glasmatrixniveau, weist also keinen Brechzahlgraben auf. Daher können nur sehr geringe numerische Aperturen mit dieser Erfindung realisiert werden. Ähnliche Nachteile treten bei DE2841909 auf.
Es besteht somit die Aufgabe, die aus dem Stand der Technik bekannten und erwähnten Nachteile zu beseitigen.
Die Aufgabe wird mit einer Lichtleitfaser und einer Preform zur Herstellung einer Lichtleitfaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausführungsformen der Lichtleitfaser oder der Preform.
Die Lichtleitfaser und die Preform zur Herstellung der Lichtleitfaser, besteht aus einem Kernbereich und einem Mantelbereich mit einer bezüglich eines Brechzahlniveaus einer Glasmatrix erhöhten Kernbrechzahl und einer bezüglich des Brechzahlniveaus der Glasmatrix erniedrigten Mantelbrechzahl, wobei die numerische Apertur der Lichtleitfaser von dem Kernbereich und dem Mantelbereich bestimmt ist. Dabei ist mindestens eine Distanzschicht als Schutz-, Diffusions-, Barriere- und/oder Pufferschicht zwischen dem Kernbereich und dem Mantelbereich ausgebildet ist. Die Distanzschicht weist eine Wandstärke auf, bei der die numerische Apertur der Lichtleitfaser sich aus variablen Anteilen des positiv dotierten Kerns und des negativ dotierten Mantelbereichs zusammensetzt oder von beiden Anteilen beeinflusst wird.
Die mindestens eine Distanzschicht ist als Schutz-, Diffusions-, Barriere- und/oder Pufferschicht zwischen dem Kernbereich und dem Mantelbereich ausgebildet ist. Die Wandstärke der Distanzschicht ist so ausgebildet, dass sich die numerische Apertur der Lichtleitfaser aus variablen Anteilen des positiv dotierten Kerns und des negativ dotierten Mantelbereichs zusammensetzt oder wird beiden genannten Anteilen beeinflusst wird. Dabei wird hinsichtlich der numerischen Apertur der Faser die Distanzschicht in ihrer Wandstärke entweder vollständig dem Kernbereich oder dem Mantelbereich hinzugerechnet oder sie ist so dünn, dass sie praktisch nicht ins Gewicht fällt, wobei Mantelbereich und Kernbereich die Größe der numerischen Apertur gemeinsam bestimmen.
Die Distanzschicht verhindert die erwähnten Diffusionsvorgänge oder beschränkt sie zumindest auf den Bereich diesen Schichtbereich. Sie dient damit einer Beibehaltung des Brechzahlprofils und damit eines bei der Fertigung erzeugten Wertes für die numerische Apertur.
Der Mantelbereich der Lichtleitfaser weist bei einer Ausführungsform mindestens einen brechzahlabgesenkten Graben auf.
Bei einer Ausführungsform ist die Lichtleitfaser als eine Lichtleitfaser mit hoher numerischer Apertur in Form einer High-NA-Faser ausgebildet.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform besteht die mindestens eine Distanzschicht aus mehreren Zwischen- bzw. Übergangsgläsern unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung.
Gläser mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung sind nicht immer miteinander kombinierbar, so dass diese keine oder nur schlechte Verbindungen miteinander eingehen. Die chemische Zusammensetzung lässt sich mit Hilfe von Phasendiagrammen bestimmen. So kann es vorkommen, dass bestimmte Glassorten Mischungslücken bilden, so dass sie gar nicht kombinierbar sind. Auch wenn eine Mischungslücke einen Extremwert darstellt, kommt es auch bei der Kombination von mischbaren Gläsern zu Problemen, beispielsweise auf Grund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Übergangs- oder Zwischengläser dienen in einem solchen Fall als Vermittler für unterschiedliche Glassorten. Daher ist es bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Distanzschicht vorgesehen, dass sie als wenigstens ein Übergangsglas zwischen Kern und Mantelbereich der Glasfaser fungiert. Dazu ist es vorgesehen, dass die Distanzschicht aus Bereichen unterschiedlicher Glaszusammensetzungen besteht.
Im einfachsten Fall besteht die Distanzschicht in einer Ausführungsform aus einer reinen Quarzglasschicht.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Lichtleitfaser als eine Lichtleitfaser mit einer hohen numerischen Apertur in Form einer so genannten High-NA-Faser ausgebildet.
Die Distanzschicht selbst kann bei einer zweckmäßigen Ausführungsform wenigstens einen Dotanden des Kernbereichs und/oder des Mantelbereichs aufweisen. Eine derartige Sättigung mit einem oder beiden Dotanden kann hingenommen werden, solange die Distanzschicht eine weitergehende Diffusion der Dotanden verhindert bzw. dadurch ein geeignetes Zwischenglas ausbildet.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die numerische Apertur NA der Faser einen Wert von mehr als 0,20 auf und liegt somit im High-NA-Bereich.
Die Dicke der Distanzschicht weist bei einer zweckmäßigen Ausführungsform einen auf einen Standardfaserquerschnitt von 125 μm bezogenen Wert von 0,05 bis 3,5 μm auf. Dieser Wert kann auf andere Faserquerschnitte bzw. Preformausführungen entsprechend umgerechnet werden.
Die Distanzschicht bietet zudem einen weiteren Vorteil. Die resultierende numerische Apertur der Faser ist neben der absoluten Brechzahldifferenz zwischen Kern und Mantel im hohen Maße abhängig von der Wandstärke der Distanzschicht. Sehr dünne Wandstärken bewirken nahezu keine Beeinflussung der resultierenden numerischen Apertur, die sich idealerweise additiv aus den Brechzahldifferenzen des Kern und des Mantelbereichs zusammensetzt.
Mit zunehmender Wandstärke wird jedoch die numerische Apertur zunehmend nur durch die Brechzahldifferenz des Kerns zur Distanzschicht bestimmt. Der Anteil bzw. der Einfluss des brechzahlabgesenkten Mantelbereichs zur numerischen Apertur nimmt sukzessive ab.
Bei einer Ausführungsform weist daher die Wandstärke der Distanzschicht innerhalb der Preform eine Dicke auf, über die der Beitrag des Mantelbereichs zur numerischen Apertur der Faser bestimmt wird und einstellbar ist.
Die Wandstärke der Distanzschicht ist häufig verfahrenstechnisch präziser einstellbar als die Brechzahlabsenkung des Mantelbereichs, wobei diese zumeist über OVD Techniken wie Plasma Outside Vapour Deposition-Techniken oder Flammenbrennern realisiert wird. Aus diesem Grund wirkt die Distanzschicht zudem als eine Art Pufferschicht, um verfahrenstechnisch bedingte Brechzahlstörungen bis zu einem gewissen Maße abzufedern.
Es versteht sich von selbst, dass einzelne Schichten von der runden Geometrie abweichen und als Vieleck, vorzugsweise Okta- oder Hexagon ausgebildet sein können. Mindestens eine der Distanzschichten, der Kernbereich und/oder der Mantelbereich können einen mindestens abschnittsweise von der Kreissymmetrie abweichenden Querschnitt, vorzugsweise einen hexagonalen oder oktagonalen Querschnitt, aufweisen.
In dem Kernbereich, dem Mantelbereich oder der mindestens einen Distanzschicht können mehrere brechzahlveränderte Stufenstrukturen vorgesehen sein, die sich hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und/oder Wandstärke unterscheiden.
In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, zumindest eine Schicht mit laseraktiven Ionen zu bestücken, so dass eine aktive Faser erzeugt wird. In diesem Fall bieten sich Ausführungsbeispiele mit mehreren Graben bzw. lamellenartigen Strukturen an.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind zumindest abschnittsweise Aussparungen bei einzelnen Schichten vorgesehen. Dieses bewirkt eine besonders gute Modenmischung.
Weiterhin können die erfindungsgemäßen Lichtleitfasern je nach Ausführungsform ein Stufenprofil und/oder ein Gradientenprofil im Kern und/oder Mantelbereich aufweisen. Somit sind vier Möglichkeiten realisierbar:

Variante Kern Mantelbereich

1 Stufenförmig Stufenförmig

2 Stufenförmig Gradient

3 Gradient Stufenförmig

4 Gradient Gradient
Die Lichtleitfaser und die Preform sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 1 und 2. Es werden für gleiche oder gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet. Die nachfolgende Beschreibung trifft sowohl für multimode- als auch für single mode-Fasern zu.
Allgemein ist die Lichtleitfaser so ausgebildet, dass deren Betrieb und/oder die Messung ihrer numerischen Apertur bei voller Anregung aller ausbreitungsfähigen Moden oder bei einer reduzierten Modenanregung erfolgen kann.
Es zeigt:
1 ein beispielhaftes Brechzahlprofil mit einem abgestuften Kern, einem angrenzenden brechzahlabgesenkten stufenförmigen Mantelbereich und einer dazwischen angeordneten dünnen Distanzschicht,
2 ein beispielhaftes Brechzahlprofil mit einem graduierten Kern, einem angrenzenden brechzahlabgesenkten ebenfalls graduierten Mantelbereich und einer dazwischen angeordneten dünnen Distanzschicht.
3 ein Rohr mit einer inneren Distanzschicht, einem brechzahlabgesenkten Bereich, einer undatierten oder dotierten Zwischenschicht, einem weiteren brechzahlabgesenkten Bereich und einer äußeren Schutzschicht,
4 ein Ausführungsbeispiel, beinhaltend eine innere Distanzschicht, einen brechzahlabgesenkten Bereich und eine äußere Schutzschicht.
1 zeigt ein erstes beispielhaftes Brechzahlprofil in Abhängigkeit vom Faserradius R. Die hier angegebene Brechzahl ist auf den Brechzahlwert eines als Grundwerkstoff für die Lichtleitfaser dienenden Quarzglases normiert. Positive Brechzahlwerte zeigen eine im Vergleich zur Brechzahl von Quarzglas erhöhte Brechzahl, negative Brechzahlwerte eine im Vergleich zur Brechzahl des Quarzglases erniedrigte Brechzahl an.
Es lassen sich zwei große Bereiche unterscheiden. Innerhalb des Kernbereichs 1 liegt eine erhöhte und damit positive Brechzahl vor. Innerhalb eines Fasermantels 2 ist die Brechzahl bei diesem Beispiel entweder auf dem Niveau der Quarzglasmatrix und damit Null oder sie liegt darunter und ist innerhalb eines Mantelbereichs 3 negativ. Der Mantelbereich 3 kann durch mindestens einen Brechzahlgraben ausgebildet sein. Danach schließt sich üblicherweise ein Bereich mit dem Brechzahlniveau der Matrix an.
Zwischen dem Kernbereich 1 und dem Fasermantel 2, insbesondere dem Graben, ist die Distanzschicht 4 ausgebildet. Diese ist im Vergleich zum Kernbereich 1 und zum Fasermantel 2 und insbesondere zum Graben 3 mit einer nur kleinen Dicke und damit dünn ausgebildet.
Die in 1 gezeigte stufenförmige Gestaltung des Brechzahlprofils kann ohne weiteres auch graduiert ausgebildet sein. 2 zeigt hierzu ein Beispiel. Der Brechzahlverlauf des Kernbereichs 1 nimmt mit wachsendem Radius graduiert ab. Der Brechzahlverlauf des Grabens 3 verläuft an beiden Flanken graduiert. Es ist einsichtig, dass entweder der Kern oder der Graben ohne weiteres stufenförmig ausgebildet sein kann und dass auch eine der Flanken des Grabens als Stufe ausführbar ist.
Auch bei diesem Beispiel ist die Distanzschicht 4 zwischen dem Kernbereich und dem Graben ausgebildet. Sie befindet sich hinsichtlich ihrer Brechzahl ebenfalls auf dem Niveau der Brechzahl der Quarzglasmatrix.
Die Distanzschicht besteht bei diesen Ausführungsbeispielen vorzugsweise aus undotiertem Quarzglas, wobei sie aber je nach Anwendungsfall auch zumindest einen Dotanden mit enthalten kann und in einem solchen Fall hinsichtlich ihrer Brechzahl entweder zum Kernbereich oder zum Fasermantel gehört. Der Graben ist beispielsweise fluordotiert und weist in der Regel eine Brechzahlabsenkung von an zwischen –0,004 und –0,026, vorzugsweise –0,009 auf. Er kann bei der Preformherstellung mit Hilfe von Abscheideprozessen erzeugt werden, wobei bevorzugt das POVD bzw. MCVD Verfahren oder der sog. Smoker angewendet wird.
Der Kernbereich ist beispielsweise mit Germanium oder einem vergleichbaren brechzahlerhöhrenden Dotanden dotiert.
Weiterhin können auch mehrere Gräben vorgesehen sein, Die 3 und 4 zeigen hierzu verschiedene Halbzeuge für single- oder multimode-Lichtleitfasern.
3 beschreibt ein Rohr mit einer inneren Distanzschicht 4, einen brechzahlabgesenkten Bereich 3, einer undotierten oder dotierten Zwischenschicht 5, einem weiteren brechzahlabgesenkten Bereich 6 und einer äußeren Schutzschicht 7.
4 beschreibt ein Ausführungsbeispiel, beinhaltend eine innere Distanzschicht 4, einen brechzahlabgesenkten Bereich 6 und einer äußeren Schutzschicht 7. Die Außendurchmesser der hier rohrförmigen Preformen und Halbzeuge betragen jeweils 30 bis 40 mm, die Innendurchmesser 25 bis 35 mm.
Die Abscheidung der inneren Distanzschicht 4 erfolgt aus undatiertem Quarzglas mit einer Dicke zwischen 0,2–1,2 mm, bevorzugt 0,7 mm. Die Bildung eines ersten dotierten Grabens 3 erfolgt mit einer Wandstärke von 0,2–1,3 mm, vorzugsweise 0,7 mm und einer Brechzahländerung von Δn betragsmäßig zwischen 0,001 und 0,007, vorzugsweise 0,0025, mit Hilfe von Abscheideprozessen, wobei bevorzugt das POVD bzw. MCVD Verfahren oder der sog. Smoker angewendet wird.
Eine weitere Zwischenschicht aus Quarzglas mit einer Wandstärke zwischen 0,01 mm und 2,5 mm vorzugsweise 0,7 mm wird mit Hilfe der zuvor genannten Verfahren aufgebracht, wobei es sich entweder um undotiertes Quarzglas handelt oder um dotiertes Quarzglas, wobei für diesen Fall für dessen Brechzahldifferenz Δn₂ vorzugsweise gilt: Δn₂ = –Δn +/– 0,001
Im Anschluss an diese Zwischenschicht 5 erfolgt die Bildung eines fluordotierten Grabens 6 mit einer Wandstärke von 0,3–2,5 mm, vorzugsweise 1,0 mm und einer Brechzahlabsenkung von Δn zwischen –0,006 und –0,026, vorzugsweise –0,018.
Der fluordotierte Graben 6 wird alternativ mit einer Wandstärke von 0,4–2,5 mm, vorzugsweise 1,5 mm und einer Brechzahlabsenkung von Δn zwischen –0,004 und –0,026, vorzugsweise –0,009, mit Hilfe von Abscheideprozessen erzeugt, wobei bevorzugt das POVD bzw. MCVD Verfahren oder der sog. Smoker angewendet wird. Die Preform wird mit einer äußeren Schutzschicht 7 versehen, die vorzugsweise aus undotiertem Quarzglas besteht und eine Wandstärke zwischen 0,1 und 3 mm vorzugsweise 0,5 mm aufweist.
Anschließend wird mit Hilfe von Innenabscheideprozessen, wie beispielsweise MCVD oder PIVD (Plasma Inside Vapor deposition) das gewünschte Brechzahlprofil des Kernbereichs hergestellt.
Anhand von vier konkreten Ausführungsbeispielen sollen die Herstellungsverfahren noch einmal erläutert werden:
Ausführungsbeispiel 1:
Im ersten Schritt erfolgt die Bereitstellung eines Hilfsmaterial für die Rohrfertigung, vorzugsweise eines Graphit oder SiC-Stabs, wobei hierbei auch jedwedes andere hitze- und temperaturbeständige Material verwendet werden kann. Im angeführten Beispiel wird ein Graphitstab mit 43 mm Außendurchmesser verwendet.
Im Folgenden erfolgt die Beaufschlagung des Graphitstabs mit der Distanzschicht von 1–2 mm Wandstärke, vorzugsweise 1,5 mm, die entweder in Form eines Substratrohrs auf den Graphitstab aufkollabiert oder im Zuge einer Direktbeschichtung auf dem Graphitstab gebildet werden kann. Diese innere Distanzschicht besteht vorzugsweise aus undotiertem Quarzglas, wobei sie aber je nach Anwendungsfall auch zumindest ein Dotanden mit enthalten kann. Nachfolgend erfolgt die Bildung eines fluordotierten Grabens mit einer Wandstärke von 1,5–2,5 mm, vorzugsweise 2 mm und einer Brechzahlabsenkung von Δn zwischen –0,002 und –0,026, vorzugsweise –0,009, mit Hilfe von Abscheideprozessen, wobei bevorzugt das OVD bzw. CVD Verfahren, inbesondere POVD Verfahren, Flammenpyrolyse oder der sog. Smoker angewendet wird.
Anschließend erfolgt die Aufbringung der äußeren Schutzschicht von 0,2–3 mm vorzugsweise 1 mm aus vorzugsweise undotiertem Quarzglas, entweder durch Aufkollabieren eines Rohres mit gewünschter Glaszusammensetzung oder durch Direktbeschichtung mit zuvor genannten Verfahren. Dieses hat den Vorteil, dass die äußere Oberfläche des Rohrs geschützt wird und das Rohr eine erhöhte mechanische Stabilität besitzt. Nach dem Entfernen des Hilfsmaterials – im vorliegenden Beispiel des Graphitstabs – erfolgt eine Bearbeitung und/oder Reinigung und/oder Temperaturbehandlung der Innenoberfläche.
An diese Prozedur schließt sich ein Streckschritt an, so dass der Außendurchmesser des neuen Rohrs zwischen 24 und 36 mm vorzugsweise 32 mm beträgt.
In diesem Rohr werden die lichtführenden Schichten mit Hilfe des CVD-Verfahrens oder des PIVD Verfahrens abgeschieden, wobei sich die Brechzahl ab einer gewissen Schichtanzahl bei einem graduierten Kernbereich kontinuierlich erhöht.
Abschließend wird das so hergestellte Rohr zu einer Kapillare oder einem massiven Stab kollabiert.
Das daraus entstehende Produkt wird nach der Aufbereitung der äußeren Oberfläche mit wenigstens einem Rohr gewünschter Brechzahl und Wandstärke umfangen oder im Zuge einer Direktbeschichtung mit weiteren Schichten gewünschter Brechzahl und Wandstärke beschichtet. Dadurch wird das korrekte Kern/Mantel-Verhältnis bei der späteren Lichtleitfaser erzeugt.
Ausführungsbeispiel 2:
Im ersten Schritt erfolgt die Bereitstellung eines Hilfsmaterial für die Rohrfertigung, vorzugsweise eines Graphit oder SiC-Stabs, wobei hierbei auch jedwedes andere hitze- und temperaturbeständige Material verwendet werden kann. Im angeführten Beispiel wird ein Graphitstab mit 43 mm Außendurchmesser verwendet.
Im Folgenden erfolgt die Beaufschlagung des Graphitstabs mit einer Glasrußschicht gewünschter Brechzahl. Anschließend erfolgt die Abscheidung eines Teils der Distanzschicht bevorzugt bestehend aus undatiertem Quarzglas mit einer Dicke zwischen 0,2–1,2 mm, bevorzugt 0,7 mm. Nachfolgend erfolgt die Bildung eines ersten dotierten Grabens 16 mit einer Wandstärke von 0,2–1,3 mm, vorzugsweise 0,7 mm und einer Brechzahländerung von Δn betragsmäßig zwischen 0,001 und 0,005, vorzugsweise 0,0025, mit Hilfe von Abscheideprozessen, wobei bevorzugt das OVD bzw. CVD Verfahren, insbesondere POVD Verfahren, Flammenpyrolyse oder der sog. Smoker angewendet wird.
Eine weitere Zwischenschicht aus Quarzglas mit einer Wandstärke zwischen 0,01 mm und 2,5 mm vorzugsweise 0,7 mm wird mit Hilfe der zuvor genannten Verfahren aufgebracht, wobei es sich entweder um undotiertes Quarzglas handelt oder um dotiertes Quarzglas, wobei für diesen Fall für dessen Brechzahldifferenz Δn₂ vorzugsweise gilt: Δn₂ = –Δn +/– 0,001
Im Anschluss an diese Zwischenschicht erfolgt die Bildung eines fluordotierten Grabens 18 mit einer Wandstärke von 0,3–2,5 mm, vorzugsweise 1,0 mm und einer Brechzahlabsenkung von Δn zwischen –0,002 und 0,026, vorzugsweise –0,009. Eine äußere Schutzschicht aus vorzugsweise undotiertem Quarzglas wird aufgebracht.
Nach dem Entfernen des Hilfsmaterials – im vorliegenden Beispiel des Graphitstabs – erfolgt eine Bearbeitung und/oder Reinigung und/oder Temperaturbehandlung der Innenoberfläche. An diese Prozedur schließt sich ein Streckschritt an, so dass der Außendurchmesser des neuen Rohrs zwischen 24 und 36 mm vorzugsweise 32 mm beträgt.
In diesem Rohr wird zunächst die gewünschte Wandstärke der Distanzschicht mit Hilfe des CVD-Verfahrens oder des PIVD Verfahrens abgeschieden. Nachfolgend erfolgt die Abscheidung der lichtführenden Schichten wobei sich die Brechzahl bei graduiertem Brechzahlverlauf ab einer gewissen Schichtanzahl kontinuierlich erhöht.
Die restlichen Schritte gleichen denen des Ausführungsbeispieles 1.
Ausführungsbeispiel 3:
Im ersten Schritt erfolgt die Bereitstellung eines Hilfsmaterial für die Rohrfertigung, vorzugsweise eines Graphit oder SiC-Stabs, wobei hierbei auch jedwedes andere hitze- und temperaturbeständige Material verwendet werden kann. Im angeführten Beispiel wird ein Graphitstab mit 43 mm Außendurchmesser verwendet.
Im Folgenden erfolgt die Beaufschlagung des Graphitstabs mit einer Glasrußschicht gewünschter Brechzahl. Diese wird zumindest ansatzweise durch nachfolgende Beschichtungsprozesse zu einer Glasschicht verschmolzen. Nachfolgend erfolgt die Bildung eines fluordotierten Grabens mit einer Wandstärke von 0,4–3 mm, vorzugsweise 1,5 mm und einer Brechzahlabsenkung von Δn zwischen –0,002 und –0,026, vorzugsweise zwischen –0,006 und –0,015 und noch mehr bevorzugt bei –0,009, mit Hilfe von Abscheideprozessen, wobei bevorzugt das OVD bzw. MCVD Verfahren, vorzugsweise POVD Verfahren, Flammenpyrolyse oder der sog. Smoker angewendet wird. Dieses Rohr wird mit einer äußeren Schutzschicht versehen, die vorzugsweise aus undotiertem Quarzglas besteht und eine Wandstärke zwischen 0,1 und 3 mm vorzugsweise 0,5 mm aufweist.
Nach dem Entfernen des Hilfsmaterials – im vorliegenden Beispiel des Graphitstabs – erfolgt eine Bearbeitung und/oder Reinigung und/oder Temperaturbehandlung der Innenoberfläche. Es können sich ein oder mehrere Streckprozesse anschließen.
Anschließend wird mit Hilfe von Innenabscheideprozessen, wie beispielsweise MCVD, CVD oder PIVD (Plasma Inside Vapor deposition) zunächst die Distanzschicht mit gewünschter Wandstärke aufgebracht und anschließend die lichtführenden Schichten mit gewünschter Brechzahlabfolge hergestellt. Nach Abschluss der Innenbeschichtungen können eine Temperaturbehandlung und/oder Streckprozesse durchgeführt werden.
Das daraus entstehende Produkt wird nach der Aufbereitung der äußeren Oberfläche mit wenigstens einem Rohr gewünschter Brechzahl und Wandstärke umfangen oder im Zuge einer Direktbeschichtung mit weiteren Schichten gewünschter Brechzahl und Wandstärke beschichtet. Dadurch wird das korrekte Kern/Mantel-Verhältnis bei der späteren Lichtleitfaser erzeugt.
Ausführungsbeispiel 4:
In ein undatiertes Substratrohr werden mit Hilfe von Innenabscheideprozessen, wie beispielsweise MCVD, CVD oder PIVD (Plasma Inside Vapor deposition) die lichtführenden Schichten abgeschieden. Anschließend wird das so hergestellte Rohr zu einer Kapillare oder einem massiven Stab kollabiert. Das Substratrohr wird ganz oder teilweise abgetragen und die äußere Oberfläche aufbereitet. Optional können sich Streck- oder Stauchvorgänge anschließen. Als abschließenden Schritt erfolgt die Außenbeschichtung mit Glas gewünschter Brechzahl und Dicke, mit Hilfe von Abscheideprozessen, wobei bevorzugt das OVD bzw. CVD Verfahren, insbesondere POVD Verfahren, Flammenpyrolyse oder der sog. Smoker. Es versteht sich von selbst, dass mittels der zuvor aufgeführten Verfahren auch eine Schichtabfolge in Form von einzelnen Gräben und/oder Zwischenschichten realisiert werden kann.
Es versteht sich, dass die hier ausgeführten Ausführungsbeispiele in der Abfolge der einzelnen Schritte und Beschichtungsparameter wie Brechzahl, Wandstärke, Durchmesserangaben, Schichtanzahl und Abfolge vom Fachmann gemäß der zu lösenden Aufgabe angepasst werden müssen.
Die Erfindung wurde anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie im Rahmen fachmännischen Handelns.
Bezugszeichenliste

1: Kernbereich
2: Fasermantel
3: negativer Mantelbereich, Graben
4: Distanzschicht
5: Zwischenschicht
6: brechzahlabgesenkter Bereich
7: äußere Schutzschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 57032404 [0004]
DE 2426376 [0006]
DE 2930399 [0007]
DE 2530786 [0008]
DE 2647419 [0009]
DE 2841909 [0009]

Claims

Lichtleitfaser, bestehend aus einem Kernbereich (1) und einem Mantelbereich (3) mit einer bezüglich eines Brechzahlniveaus einer Glasmatrix erhöhten Kernbrechzahl und einer bezüglich des Brechzahlniveaus der Glasmatrix erniedrigten Mantelbrechzahl, wobei mindestens eine Distanzschicht (4) als Schutz-, Diffusions-, Barriere- und/oder Pufferschicht zwischen dem Kernbereich und dem Mantelbereich ausgebildet ist, wobei die Distanzschicht eine Wandstärke aufweist, bei der die numerische Apertur der Lichtleitfaser sich aus variablen Anteilen des positiv dotierten Kerns und des negativ dotierten Mantelbereichs zusammensetzt oder von beiden Anteilen beeinflusst wird.
Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelbereich (3) mindestens einen brechzahlabgesenkten Graben aufweist.
Lichtleitfaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser als eine Lichtleitfaser mit hoher numerischer Apertur In Form einer High-NA-Faser ausgebildet ist.
Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzschicht (4) zumindest einen Dotanden des Kernbereichs (1) und/oder des Mantelbereichs (3) aufweist.
Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Apertur NA der Faser einen Wert von mehr als 0,20, vorzugsweise mehr als 0,25, aufweist.
Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Distanzschicht (4) einen auf einen Standardfaserquerschnitt von 125 μm bezogenen Wert von 0,05 bis 3,5 μm, vorzugsweise von 1,4 μm bis 1,9 μm, aufweist.
Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Distanzschicht (4) innerhalb der Preform eine Dicke aufweist, über die der Beitrag des Mantelbereichs zur numerischen Apertur der Faser bestimmt wird und einstellbar ist.
Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Distanzschichten, der Kernbereich und/oder der Mantelbereich einen mindestens abschnittsweise von der Kreissymmetrie abweichenden Querschnitt, vorzugsweise einen hexagonalen oder oktagonalen Querschnitt, aufweist.
Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Distanzschicht laseraktive Ionen, insbesondere d- bzw. f-Elemente, bevorzugt Ho, Yb, Er, Sm, Ti, Nd, Tm, Cr, Co, Pr, enthält.
Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Distanzschicht aus mehreren Zwischen- bzw. Übergangsgläsern unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung besteht.
Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kernbereich, dem Mantelbereich oder der mindestens einen Distanzschicht mehrere brechzahlveränderte Stufenstrukturen vorgesehen sind, die sich hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und/oder Wandstärke unterscheiden.
Lichtleitfaser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Stufenstrukturen durch weitere Distanzschichten voneinander getrennt sind, wobei die chemische Zusammensetzung und/oder Wandstärke der zwischen den Stufenstrukturen angeordneten Distanzschichten vorzugsweise unterschiedlich ausgebildet ist.
Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Lichtleitfaser und/oder die Messung der numerischen Apertur bei einer vollen Anregung aller ausbreitungsfähigen Moden oder bei einer reduzierten Modenanregung ausführbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Distanzschicht zumindest teilweise mit Hilfe von Außenabscheideprozessen, bevorzugt das OVD bzw. CVD Verfahren, insbesondere POVD Verfahren, Flammenpyrolyse oder Smoker auf einem rotationssymetrischen Stab und/oder Rohr durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise Aufbringen der Distanzschicht und/oder lichtführenden Schichten auf der Innenseite eines geeigneten Substratrohres mit Hilfe von Innenabscheideprozessen, bevorzugt CVD oder PIVD Verfahren, durchgeführt wird.