DE1955119A1

DE1955119A1 - Verfahren zum Erhalt von Oberflaechen-Brechungsindexaenderungen bei einem Glaslichtleit-Bauelement

Info

Publication number: DE1955119A1
Application number: DE19691955119
Authority: DE
Inventors: Fisher George Myles Cordell
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1968-11-04
Filing date: 1969-11-03
Publication date: 1970-05-27
Also published as: US3647406A; NL6916296A; FR2022505A1; BE741081A

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated G. M. B. Fisher

New York, N. Y. , 10007, VStA ___

Verfahren zum Erhalt von Oberflächen-Brechungsindexänderungen bei einem Glaslichtleit-Bauelement

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Herstellen von Lichtleiter-Bauelementen, wie optische Stäbe oder Fasern, insbesondere auf ein Verfahren, mit welchem die erforderlichen Brechungsindex-Änderungen bei dem Bauelement erreicht werden, ohne daß hierzu zu den üblichen Beschichtungsmethoden Zuflucht genommen werden müßte.

Wie allgemein bekannt ist, hängt die Übertragung einer maximalen Lichtmenge durch einen optischen Stab oder eine optische Faser bei minimalen seitlichen Verlusten von zwei grundsätzlichen Bedingungen ab. Erstens muß die Oberfläche des Bauelementes, oder das umgebende Medium, einen Brechungsindex haben, der kleiner als der Brechungsindex des Kernes ist. Zweitens erfordert die Übertragung eines Strahls im Innern ohne Reflexionsverluste, daß der Winkel, den der Strahl mit der senkrechten zur reflektierenden Oberfläche einen kritischen Winkel überschreitet, dessen Sinus gleich dem Verhältnis von Brechungsindex N₁ des Beschichtungsmaterials und Brechungsindex N_ des Kernmaterials. Die beiden Brechungsindizes N₁ und Np gehen auch in den maximalen äußeren Ein-

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fallswinkel U eines Strahls auf das Ende eines Stabes ein, für welchen der Strahl einer inneren Totalreflexion unterliegt. Wenn η der Brechungsindex des Mediums ist, aus welchem der Strahl in die Faser eintritt, dann ist dieser Winkel U gegeben durch

U = sin"¹ -Μ (N ² - N₀ ²) V

^ Der Winkel U wird auch als der Empfangskegel-Öffnungswinkel

bezeichnet.

Totale innere Reflexion kann erreicht werden, wenn das Bauelement während des Betriebes von einer einzigen Substanz niedrigeren Brechungsindexes, z. B. Luft, umgeben ist. Wenn mehrere solcher Bauelemente miteinander in Berührung stehen, wie dieses bei der sogenannten Glasfaseroptik der Fall ist, werden seitliche Verluste, die sonst auftreten würden, dadurch vermieden, daß das Bauelement mit einem zweiten Material beschichtet wird, beispielsweise mit einem anderen Glas eines niedrigeren Brechungsindexes als der des Kerns. Üblicherweise erfolgt dabei die Beschichtung nach einem Verfahren, bei welchem eine Faser aus zwei Glasschmelzen unterschiedlicher Zusammensetzung derart gezogen wird, daß nach dem Abkühlen eines dieser Gläser den Kern bildet. Das zweite Glas, dessen Zusammensetzung zu

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einem niedrigeren Brechungsindex als der des Kernglases führt, bedeckt die Faser und liefert daher die gewünschte Beschichtung.

Die Beschichtungsmethoden haben sowohl von Hause aus als auch in praktischer Hinsicht, insbesondere für gewisse wichtige Lichtleiteranwendungsfälle, verschiedene Nachteile. Hierhör gehört beispielsweise die zusätzliche Verfahrens stufe im Herstellungsprozeß, in welcher die Beschichtung mit dem zweiten Material durchgeführt wird. Auch verursachen die Unvollkommenheiten an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Kern, die von thermischer Unverträglichkeit der Gläser herrühren, einen Lichtverlust durch Streuung und Absopption.

Ein besonders, schwerwiegender Nachteil ist weiterhin der, daß mit dem Beschichtungsverfahren notwendigerweise eine abrupte Änderung des Brechungsindexes erhalten wird, was für viele nunmehr in Rede stehenden verfeinerten Lichtleiteranordnungen untragbar ist. Beispielsweise ist eine Eigenschaft, die mit Beschichten nicht erreicht werden kann, eine spezielle Abnahme der Dielektrizitätskonstanten über dem Querschnitt eines Lichtleiters. Diese Eigenschaft könnte jedoch mit Hilfe einer allmähli chen Veränderung des Brechungsindexes erreicht werden.

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Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, einen brauchbaren Wert der inneren Reflexion von Lichtenergie zu erreichen, die durch benachbarte optische Glasfasern oder Stäbe übertragen wird, ohne daß hierzu Beschichtungsmethoden im üblichen Sinne angewandt werden müssen. Insbesondere soll hierbei aich das Übertragungsvermögen von Lichtleiterkanälen vergrößert werden und eine gesteuerte kontinuierliche Brechungsindexänderung, ausgehend vom Kern zur Oberfläche eines Glaslichtleiters erreicht werden.

In ijirer allgemeinsten Form ist die Erfindung auf den Erhalt der erforderlichen Brechungsindex-Zunahme oder -abnähme in Alkaliglas-Gegenständen durch eine gesteuerte Änderung der Alkalimetallionenkonz ent ration längs eines ausgewählten Abschnittes des Elementes gerichtet, wodurch der Lichtleiterkanal definiert wird. Die Änderung in der Alkalimetallionenkonzentration wird bewirkt durch:

ersatzloses Entfernen dieser Ionen Ersetzen dieser Ionen im Rahmen eines IonenaustausprozeswBS durch Alkalimetallionen mit entweder größerem oder kleinerem Ionenradius

oder durch Ersetzen der Alkalimetallionen durch Wasserstoffionen.

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Obgleich nicht hierauf beschränkt, liegen die Glasgegenstände · hauptsächlich in Form, optischer Pasern und Stäbe vor. In diesen Fällen wird die Brgchungsindex-Änderung - die sich ändernte Alkalimet allionenkonz ent ration - an der Oberflächenschicht der Faser oder des Stabes erzeugt.

Nach der Erfindung wird mit einem Ionenaustauschprozeß, bei welchem die AlkalimetaHbnen an der Glasoberfläche durch ähnliche Ionen mit unterschiedlichem Ionenradius ersetzt werden, leicht eine Änderung des Oberflächen-Brechungsindexes zu einem Ausmaß erreicht, das für die Herstellung von Glas-Lichtleiterbau elementen höchst brauchbar ist. Die Brechungsindexänderungen können nach beiden Richtungen erhalten werden. So erhält man eine Verkleinerung des Brechungsindexes, wenn man die Alkalimetallionen in dem Glas durch ähnliche Ionen mit kleineren Ionenradien ersetzt, während eine .Brechungsindexzunahme mit Hilfe eines Ersatzes durch Ionen mit größeren Ionenradien erhalten wird. Der grundsätzliche Prozeß des Ionenaustausches erfolgt durch einen Diffusionsprozeß bei erhöhtrn Temperaturen in Gegenwart einer geeigneten Ihnenquelle, vorzugsweise gefolgt von einer Temperung insbesondere in denjenigen Fällen, in welchen Brechungsindexzunahmen gewünscht sind. Im allgemeinen werden die Austausch-Ionen aus der aus

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den Alkalimetallionen - nämlich Lithium-, Natrium-, Kalium-, Rubidium- und Cäsium-Ionen - und Wasserstoffionen bestehenden Gruppe ausgewählt.

Oberflächenbrechungsindexverringerungen werden beispielsweise erreicht, die sich nur schwach vom Kernglas, z. B. um 0, 1 % oder weniger, unterscheiden. Diese Bedingung ist für Einzelmoden-Fortpflanzung in Fasern recht wünschenswert, deren Durchmesser ein Vielfaches der Lichtwellenlänge sein kann. Alternativ können auch Änderungen in der Größen Ordnung eines Prozentes oder darüber durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht werden. Dieser letztere Wert der Brechungsindexänderung in einer Glasfaser oder in einem Glasstab ist dann wünschenswert, wenn der Gesamtwirkungsgrad der Energieübertragung kritisch ist, wie beispielsweise wie Multimodenfortpflanzung in großen Fasern.

Die Entfernung der Oberflächen-Alkalimetallionen ohne einen Ersatz durch andere Ionen wird beispielsweise dadurch erreicht, daß eine Mischung aus trockenem Schwefeldioxyd und Luft über das Glasbauelement in einem isolierten Ofen bei Temperaturen oberhalb 500 C geleitet wird. Es tritt eine Ausdiffusion von Natrium und Sauerstoff auf und diese erzeugen mit dem Schwefel-

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dioxid in der Ofenatmosphäre Natriumsulfat-Blüte wobei eine an Soda verarmte Oberflächenschicht auf dem Glas zurückbleibt. Diese Oberflächenschicht hat einen erniedrigten Brechungsindex.

Die vorstehende Behandlung führt, wenn sie bei etwa 400 C und ind Gegenwart abgemessener Wasserdampf mengen in der Reaktionsatmosphäre ausgeführt wird, zu einem Ionenaustauschprozeß. Die oberflächennahen Natriumionen des Glases diffundieren zur Oberfläche und reagieren mit der Reaktionsmischung unter Bildung von Natrium sulfat blute. Eine gegenläufige Diffusion von Wasserstoffionen aus dem Wasserdampf in das Glas hält die elektrische Neutralität aufrecht und erzeugt im wesentlichen ein Wasserstoffglas an der Oberfläche, das den erwünschten erniedrigten Brechungsindex aufweist.

Das Ersetzen der Alkalimetallionen in der Glasoberfläche durch andere Alkalimetallionen wird beispielsweise erreicht durch Eintauchen des Bauelementes in eine Alkalimetallsalzschmelze des Austauschmetalles, beispielsweise Natriumhydrat. Niedrigere oder höhere Oberflächenbrechungsindizes werden erhalten.

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Der Ionenaustauschprozeß an einer Glasoberfläche ist in der Glastechnologie zum Erhalr reflexionsvermindernder Oberflächenbeschichtungen (Vergütungen) und auch zur Härtung der Glasoberflächen bekannt. Bei diesen Verfahren ist die Verringerung des Brechungsindexes ein bekannter aber grober und unkontrollierbarer Nebeneffekt. Seine breite Anwendbarkeit für die Herstellung von Glaslichtleitern entsprechend der vorliegenden Erfindung ist jedoch bisher noch nie vorgeschlagen oder untersucht worden. Spezielle Merkmale der Erfindung beruhen auf der Erkenntnis, daß durch Steuerung der Diffusionsproßparameter eine genaue Kontrolle über die Tiefe der Schicht mit den ausgetauschten Ionen, über die Geschwindigkeit der Behandlung und die Größe der induzierten Eigenschaftsänderungen aufrechterhalten werden kann. Daher läßt das erfindungsgemäße Verfahren eine bemerkenswerte Flexibilität bei der Steuerung der Richtung, der Tiefe und - bis zu einem gewissen Grad - der Abstufung der ψ Brechungsindexänderungen zu. Die Erfindung bietet daher eine

bevorzugte Alternative zu dem üblichen Beschichten.

Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeichnet und in der Zeichnung im einzelnen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer beispielhaften

Apparatur zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische Schrägansicht eines nach

dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauelementes,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung des mit dem

Verfahren erhältlichen Brechungsindex-Profils,

Fig. 4 eine optische Leiteranordnung, in welcher

nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Lichtleiter verwendet sind,

Fig. 5 eine schematische Schrägansicht einer weiteren Anordnung gemäß der Erfindung und

Fig. 5a und 5b Diagramme zur Darstellung des Brechungsindexprofils der Anordnung nach Fig.

Der Ausdruck "Ionenaustausch" bedeutet hier den Ersatz der jeweiligen in der Oberfläche vorhandenen Alkalimetallionen,

ι t ι Ο, ι

nämlich Li , Na , K , Rb und Cs , durch Alkalimetallionen mit entweder kleinerem oder größerem Ionenradius oder durch Wasserstoffione. Ein Austausch mit Kationen eines kleineren Ionenradius wird eine Brechungsindexabnahme erzeugen. Ein

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Austausch mit größeren Kationen wird eine Brechungsindexzunahme erzeugen. Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen des Verfahrens, deren Ergebnisse und Variationsmöglichkeiten sind nachstehend erläutert., wonach sich dann die Beschreibung spezieller Anordnungen anschließt, die mit dem Verfahren leicht erreichbar sind.

Beispiel 1

103 mm lange zylindrische Proben eines Durchmessers von 6, 3 mm der Glas zusammensetzung Na₀O-Al O -SiO₀ in dem Gewichtsverhältnis von 1:1:3 sowie weiteren Proben der gleichen Zusammensetzung mit einer Länge von 25, 4 mm, einer Breite von 24, 8 mm und einer Dicke von 3, 2 mm wurden in ein Quarzrohr eines Innendurchmessers von 25, 4 mm verbracht. Das Quarzrohr wurde in die Bohrung eines üblichen Rohrofens mit eingesetzten Temperaturfühlern eingeführt. Die Ofentemperatur wurde auf 600 C gehal- w ten. Im Ofen wurde eine nur aus trockenem Schwefeldioxid bestehende Umgebungsatmosphäre erzeugt, wobei mit einem Reaktionsgasdurchfluß von 50 ccm/Minute durch den Ofen gearbeitet wurde. Die Proben wurden 4 Stunden lang unter diesen Bedingungen gehalten. Nach dieser Behandlung wurden die Proben auf eine Temperatur von 140 C mit einer Geschwindigkeit von 10 C pro Stunde in SO₀-Atmosphäre herabgetempert. Danach wurde ein 6, 3 mm langes Stück aus der Mitte derbehandelten Zylinder

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herausgeschnitten. Die Stirnflächen dieses Stückes wurden optisch eben und parallel poliert.

Die Stirnflächen wurden unter einem Projektionsmikroskop und unter einem metallographischen Mikroskop unter Verwendung eines polierten, aber unbehandelten Stückes als Vergleichs probe geprüft. Die behandelten Proben zeigten eine wohldefinierte Abgrenzung zwischen einer optisch unterschiedlichen Oberflächenschacht, die etwa 10 Mikrometer stark war, und dem Kernmaterial. Brechungsindexmessungen wurden mit einem Zeiß Abbe Refraktometer auf den flachen Proben ausgeführt. Während das Glas ursprünglich einen Brechungsindex von 1, 5028 + 0, 0002 hatte, lag der Brechungsindex der behandelten Oberflächen zwischen 1, 4920 und 1, 4902, was einer 0, 7%igen Abnahme entspricht. Dieses stellt einen allmählichen, monotonen .Übergang vom Kern zur Außenoteerfläche dar. Die Änderung entspricht höchstens einer Änderung um 10 für dem Empfangs kegel-Öffnungswinkel für optische Faserbeschichtung.

Beispiel 2

Die Proben wurden genau wie nach Beispiels 1 hergestellt und behandelt, ausgenommen daß die Reaktionsgasatmosphäre im Ofen aus 50 ccm/Minute SO₀ gemischt mit 1000 ccm/Minute

Li

von mit Wasserdampf gesättigtem Sauerstoff war. Mikroskop-

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Jl

und Refraktometermessungen zeigten eine Diffusionstiefe von etwa 15 Mikrometer. Die Brechungsindexänderung an der Oberfläche ist hier die gleiche wie in Beispiel 1, da es der Na₀^)-Gehalt an der Oberfläche ist., der die maximale Brechungsindexabnahme steuert. Die Zugabe von Sauerstoff und Wasserdampf verstärkte den Diffusionsmechanismus um einen beträchtlichen Faktor.

P Eine chemische Behandlung mit Schwefeldioxid ist bei Soda-Glas

erfolgreich, weil hierdurch leicht der notwendige Austausch von Natrium gegen Wasserstoff oder die Soda-ausdiffusion in der Glaszusammensetzung induziert wird, ohne daß die grundsätzliche Glasstruktur geändert würde. Die gesteuerte Schwefeldioxid-Wasserdampf-Atmosphäre an der Glasoberfläche liefert den gewünschten Konzentrationsgradienten des Natriums oder des Sodas in dem Glas durch Fixieren des ausdiffundierten Natriums

^ in einer stabilen Verbindung, -«tie Natriumsulfat/ so daß es

nicht in das Glas zurückkehrt.

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Andere Reaktionsgase, als die Schwefeldioxid-Luft-Wasserdampf-Mischung können gleichfalls den gewünschten Ionenausgleichtausch besorgen. Im wesentlichen kann jede Verbindung, die mit
Na O bei hohen ^Temperaturen in eine Verbindung eingeht,
beispielsweise Zirkonoxid, zur Erzeugung eines Gases benutzt werden, das mit den Natriumionen an der Glasoberfläche eine stabile Verbindung erzeugt.

Eine spezielle Alternative für die Reaktionsatmosphäre besteht beispielsweise in der Verwendung von Salzschmelzen mit dem gewünschten Austauschkation. Die Hauptfunktion des Umgebungsmediums ist, eine Verarmung am jeweiligen Alkalimetallion in der Oberflächenschicht herbeizuführen und, falls gewünscht,
diese mit einem geeigneten einwertigen Kation eines unterschiedlichen Ionenradius zu ersetzen. Die Kationen brauchen
nicht einwertig zu sein, mit letzteren kann aber in der Praxis leicht gearbeitet werden.

Beim obigen Beispiel 2 erhält* man einen erniedrigten Oberfläch enbrechurigsindex in Sodaglas durch Austauschen der Natriumionen mit einem Kation, das einen kleineren Ionenradius und
eine geringere Dichte besitzt. Geeignete Kationen für Sodaglas umfassen Wasserstoffionen, wie angegeben, und auch Litiumionen.

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1 abb Ί19

ΛΑ.

Jf

Für andere Glastypen, beispielsweise für die K₀O-Al O -SiO -

Ct Ct O Ct

Zusammensetzung/ liefert der Austausch der Kaliumionen durch Ionen mit kleineren Ionenradien und niedrigerer Dichte den gewünschten erniedrigten Brechungsindex. Diese Austauschionen schließen Natrium-, Litium- und Wasserstoffionen ein. Ein Beispiel für ein Verfahren zum Erhalt eines erniedrigten Oberflächenbrechungsindexes durch Austauschen von Kaliumionen durch Natriumionen ist nachstehend wiedergegeben., das für die Alkalimetallionenaustauschverfahren für die Zwecke der Erfindung repräsentativ ist.

Beispiel 3

Glasfasern eines Durchmessers von O, 63 mm, die aus der Zusammensetzung K O-Al O_q-SiO₉ im Gewichtsverhältnis von

Ct Zt O Cm

1:1:3 werden auf eine Temperatur von etwa 350 C vorerhitzt und dann in eine Natriumnitrat-Salzschmelze., die sich auf etwa 350 W befindet, eingetaucht. Die Fasern werden durch die Schmelze kontinuierlich derart durchgezogen, daß die Verweil zeit jedes Fasersegmentes in der Schmelze etwa 10 Minuten beträgt. Wenn die Fasern aus der Schmelze austreten werden sie 1 Stunde lang einer Warmbehandlung bei 450 C unter trockenem Stickstoff unterzogen. Danach werden die Fasern allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt, mit Wasser gewaschen und getrocknet.

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Die kleineren Natriumionen sind in die Glasoberfläche bis auf eine maximale Tiefe von etwa 50 Mikrometer eindiffundiert, wobei ihre Konzentration an der Außenfläche am größten ist.

Typischerweise werden Diffusionstiefen von einigen zehn Mikrometer mit dem Verfahren nach Beispiel 3 erreicht, wobei die Diffusionstiefen durch die Diffusions zeit gesteuert werden.

Wie erwähnt kann die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Brechungsindexänderung auch in Richtung einer Brechungsindexzunahme erfolgen. Die hierfür anzuwendenden Schritte sind der Austausch der oberflächennahen Alkalimetallionen durch solche mit größerem Ionenradius und größerer Dichte, gefolgt von einer Temperung der Probe. Beispiele hierfür sind der Ersatz von Natriumionen durch Kalium- oder Cäsiumionen. Eine Salzschmelze aus beispielsweise Kaliumnitrat bei 427 C dient als eine Kaliumionen-Quelle für den Ersatz von Natriumionen an der entsprechenden Oberfläche eine Lichtleiters, um die gewünschte Brechungsindexzunahme zu erreichen.

Durch Ändern der Glaszusammensetzung, des Umgebungsmediums oder des Wärraebahandlungszyklus bei den vqrstehend beschrie-

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benen Verfahren können dicke Oberflächenschichten in der Größenordnung einiger zehn Mikrometer oder dünnere Schichten in der Größenordnung von einem Mikrometer erhalten werden. Des weiteren kann die Größe der maximalen Brechungsindexänderung in diesen Schichten innerhalb vorgeschriebener Grenzen gehalten werden. Die Bedeutung dieser Flexibilität ist diejenige, daß eine Schicht beliebiger Dicke auf einer Glasoberfläche ohne plötzlichen Übergang erhalten werden kann, wie dieser durch tatsächliches Aufbringen eines zweiten Materials entstehen würde. Das Gesamtergebnis ist, daß eine kontinuierliche Abstufung des Brechungsindexes erhalten werden kann, die sonst nicht erreichbar ist.

Die Erfindung ist auf einen praktisch unbegrenzten Bereich von Gläsern und verwandte Zusammensetzungen anwendbar. Die nachfolgende Tabelle ist repräsentativ: Bestandteil Gew. -%

Na_O oder K₀O 5 bis 25

dt dt

SiO 50 bis 100

dl

A1„O„ oder CaO 0 bis 25

Die gewünschte Größe der Brechungsindexänderung bestimmt, wieviel diffundierbares Material, z. B. Na O, in der Glaszu-

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sanamensetzung vorhanden sein sollte. Die gewünschte Schichttiefe beeinflußt die Wahl der Gaszusammensetzung, da tiefere Schichten in der Größenordnung von 100 Mikrometer beispielsweise leichter mit Soda-AluminiumoxLd-Siliziumoxid-Glaszusammensetungen erhältlich sind.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung, wie das Verfahren der Erfindung mit der Herstellung optischer Fasern zur Eliminierung des Beschichtungsschrittes kombiniert werden kann. Eine Glasschmelze 10 beaufschlagt eine Gruppe Ziehdüsen 11, aus denen zahlreiche Glasfasern 12 eines beliebigen Durchmessers gezogen werden. Von den Ziehköpfen treten die Fasern direkt in eine geeignete, einen Ionenaustausch erzeugende Umgebungsatmosphäre innerhalb einer Kammer 13 ein.

Eine Gasmischung, bestehend aus 50 ccm/min Schwefeldioxid und 1000 ccm/min von mit Wasser gesättigtem Sauerstoff wird konstant in die Kammer 13 über einen Einlaß 14 eingeführt und am Auslaß 15 abgezogen.

Die Gasumgebung und die Glaszusammensetzung können beispielsweise wie nach dem obigen Beispiel 2 gewählt sein. Eine

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Temperatur von etwa 400 C wird durch einen üblichen Gas-Ringbrenner 16 aufrechterhalten. Die Kammerabmessungen und die für jeden Schritt erforderlichen Zeiten hängen selbstverständlich von der gewünschten Schichttiefe und vom verwendeten Glas ab. Die auf der Glasfaseroberfläche durch den Ionenaustausch erzeugte Blüte wird nachfolgend in einer Wäsche 17 entfernt, die über eine Zufuhrleitung mit Waschflüssigkeit, beispielsweise Wasser, beaufschlagt wird. Sodann werden die W Fasern auf Spulen 19 aufgewickelt.

Eine spezielle Anwendungsform der Erfindung liegt in der Herstellung einer Anordnung, wie diese in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Vorrichtung ist ein optischer Kanal, der aus einer Glasfaser oder einem Glasstab 20 der allgemeinen Glas zusammensetzung Na O-Al O -SiO hergestellt ist. Es ist erwünscht,

Δ Δ ο Δ

einen optischen Weg 21 in dem Stab 20 zu erzeugen, in welchem fe eine kontinuierliche und idealerweise (für kleine Schichten)

quadratische Dielektrizitätskonstanten-Abstufung über dem Querschnitt des Stabes auftritt, wie dieses bei 22 angedeutet ist. , Die speziell gewünschte Abstufung kann durch Erzeugen eines definierten Brechungsindex-Gradienten realisiert werden, wie dieses in Fig. 3 dargestellt ist. Während ein solcher Gradient

sch
mit üblichen Be]&chtungsmethoden nicht erzeugt werden kann,

kann er mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens sehr genau an-009822/1747

genähert werden, und zwar beispielsweise auf die soeben im Zusammenhang mit Pig. 1 beschriebene Weise.

Die behandelten Stäbe 20 werden dann bei der Herstellung einer optischen Strahlleitervorrichtung 30 benutzt, die in Fig. 4 dargestellt ist. Die Vorrichtung 30 besteht aus mehreren Fasern oder Stäben 20, die in vorgeschnittene Kanäle einer Glas- oder anderweitigen Platte 31 eingebettet sind. Ihr spezieller geometrischer Verlauf ist entsprechend der gewünschten durchzuführenden optischen Funktion gewählt. Alternativ könnten die Stäbe 20 auf der Oberfläche 32 der Platte 31 beispielsweise mit Kitt befestigt werden, wonach dann ein Auftrag eines geeigneten Beschichtungsmaterials, beispielswfeise einer dünnen Epoxiharzschicht, erfolgt.

Ein weiteres Eirfindungsbeispiel ist der Aufbau der in Fig. 5 dargestellten optischen Unterlage. Die Unterlage 40 ist ein homogenes Glasstück der Zusammensetzung Na₀O-Al₀O₀-SiO₀

Δ Δ ο Δ

in dem ungefähren Gewichtsverhältnis von 1:1:3. Seine Größe liegt beispielsweise in der Größenordnung des Stabes nach Fig. Hierbei ist gewünscht, in der Unterlage 40 einen optischen Übertragungskanal einzubauen, der eine kontinuierliche und im wesentlichen quadratische Dielektrizitätskonstante-Abstufung

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über gewissen Teilen der Abschnitte A-A und B-B aufweist. Entsprechend der Erfindung wird eine Oberflächenbrechungsindexverringerung erzeugt durch Ausmaskieren eines Weges 41 auf der Oberfläche 42 der Unterlage 40. Der Kanal ist dann durch die nichtmaskierten Teile der Unterlage 40 definiert, die demgemäß unbehandelt bleiben. Das Glasstück wird bei erhöhter Temperatur von etwa 400 C einer Schwefekiioxid-Gasströmung im wesentlichen wie nach Beispiel 1 ausgesetzt. Die Dauer der Einwirkung ändert sich beträchtlich und zwar je nach der gewünschten Tiefe des Kanals und den anderen bereits erwähnten Faktoren. Ist die gewünschte Kanaltiefe erreicht, so wird das Glasstück gewaschen, um die entstandene Blüte zu entfernen, wonach die Maske entfernt wird. Die resultierenden Brechungsindexprofile, die den Kanal definieren, sind in den Fig. 5a und 5b dargestellt. Diese Figuren sind selbsterläuternd.

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Claims

(l.j Verfahren zum Ändern des Brechungsindexes im Oberflächenbereich eines Alkalimetallglas-Lichtleiterbauelementes, gekennzeichnet durch Ändern des Alkalimetallionengehaltes in diesem Bereich mit Hilfe einer ausreichenden Erhitzung des Bauelementes derart, daß eine Ausdiffusion der Alkalimetallionen in ein "ttmgebungsmedium stattfindet, welches in der Lage ist, die Alkalimetallionen abzuziehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Alkalimetallionengehalt in dem Glas durch Natrium gebildet ist und daß als Umgebungsmedium trockenes Schwefeldioxidgas bei einer Temperatur von im wesentlichen 600 C verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Alkalimetallionengehalt in dem Glas Natrium ist und daß als das Umgebungsmedium eine Mischung von Schwefeldioxidgas und mit Wasserdampf gesättigtem Sauerstoff bei einer Temperatur von im wesentlichen 400 C verwendet wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Alkalimetallionengehalt in dem Glas Natrium ist und daß als das Umgebungsmedium eine Schmelze eines Alkalimetallsalzes verwendet wird, das kein Natriumsalz ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine lichtleitende Grenzfläche längs eines vorgeschriebenen Oberflächenbereich-Weges eines Alkalimetallglases zur Erzeu-

^ gung eines Alkalimetallionenkonzentrationsgradienten an fler

Grenzfläche zwischen dem Weg und dem übrigen Glas behandelt wird, um im wesentlichen innere Totalreflexionen.für das längs dieses Weges laufende Licht zu erzeugen.
6. Lichtleiter, hergestellt nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Lichtleiterweg, der durch einen Begrenzungsbereich endlicher Breite zwi-

) sehen einem inneren Glas mit einer Alkalimetallionenkonzen-

tration N und einem äußeren Glas mit einer Alkalimetallionen-

konzentration N definiert ist, daß N₀ ausreichend größer als N₁ ist, um. im wesentlichen innere Totalreflexion des längs dieses Weges laufenden Lichtes zu erzeugen, und daß die Ionenkonzentration einem Gradienten N nach N₁ über die Begrenzungsbreite folgt.

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7. Verfahren zum Bewirken einer Verringerung im Oberflächenbrechungsindex eines Alkalimetall haltigen Glaslichtleiters, gekennzeichnet durch Ersetzen der Alkalimetallionen in der Lederoberfläche durch Ionen von kleinerem Ionenradius, die aus der aus den elektropositiven Ionen der Alkalimetalle und Wasserstoff bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
8. Verfahren zum Erhalt einer Erhöhung im Oberflächenbrechungsindex eines alkalimetallenthaltenden Glaslichtleiters, gekennzeichnet durch Ersetzen der Alkalimetallionen in der Leiteroberfläche durch Ionen eines größeren lonenradius, die aus der aus den elektropositiven Ionen der Alkalimetalle bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
9. Verfahren zum Erzeugen einer Änderung im Oberflächenbrechungsindex eines Glaslichtleiter-Bauelementes, das in seiner Oberflächenzusammensetzung Alkalimetallionen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement einem Umgebungsmedium ausgesetzt wird, das Austauschionen eines ausgewählten Alkalimetalls enthält, das sich im Ionenradius von dem Alkalimetall in der Oberfläche unterscheidet, wobei das Umgebungsmedium in der Lage ist, die Austauschionen zu liefern und die Alkalimetallionen aus dem Bauelement abzuziehen, daß die Oberflä-

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chentemperatur des Bauelements ausreichend erhöht wird derart, daß eine Ausdiffusion der Metallionen aus dem Bauelement und eine Eindiffusion der Austauschionen ermöglicht wird, und daß dfe Behandlung ausreichend lange fortgesetzt wird, um eine bestimmte Änderung im Oberflächenbrechungsindex des Bauelementes zu erhalten.
10. Verfahren zum Herstellen eines Lichtleiterbauelementes aus alkalimetallhaltigem Glas, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Schmelze dieses Glases das Bauelement als ein längsverlaufendes Glied mit Kreisquerschnitt und mit gleichförmiger Alkalimetallionenkonzentration hergestellt wird und daß danach der Alkalimetallionengehalt des Oberflächenbereichs des Bauelementes geändert wird.

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