DE1957626C3

DE1957626C3 - Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitergradientenglasfaser durch Ionenaustausch und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1957626C3
Application number: DE1957626A
Authority: DE
Inventors: Ken Koizumi; Seiichi Ono; Mitsugi Takarazuka Hyogo Yoshiyagawa
Original assignee: Nippon Selfoc Kk Tokio
Current assignee: Nippon Selfoc Kk Tokio
Priority date: 1968-11-18
Filing date: 1969-11-15
Publication date: 1979-01-04
Also published as: US3836347A; GB1287300A; DE1957626A1; DE1957626B2; FR2024889A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitergradientenglasfaser durch Ionenaustausch. Außerdem betrifft die Erfindung verschiedene Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Eine bekannte Lichtleiterglasfaser besitzt einen Kernteil mit vergleichsweise hohem Brechungsindex lur Lichtübertragung und eine Mantelschicht mit vergleichsweise kleinem Brechungsindex, die den Kernteil umgibt Zwischen dem Kernteil und der Mantelschicht liegt eine Grenzfläche vor. Ein in eine Stirnfläche unter einem Winkel größer als der Grenzwinkel der genannten Grenzfläche eintretendes Lichtbündel wird in dem Kernteil unter fortgesetzter Reflexion an der Grenzfläche übertragen. Da ein in die Faser eintretendes Lichtbündel bei der Ausbreitung innerhalb der Faser fortgesetzt eine Totalreflexion erleidet, ergeben sich Längenunterschiede der Lichtwege der einzelnen Lichtstrahlen, so daß innerhalb des Lichtbündels auf der Ausgangsseite der Faser eine Verzerrung oder Versetzung der Phasengeschwindigkeit vorliegt Dieses ergibt Schwierigkeiten bei der Übertragung von Lichtsignalen mit hoher Taktfrequenz innerhalb einer Lichtnachrichtenverbindung. Da das Lichtbündel bei der Ausbreitung fortgesetzte Totalreflexionen an der Grenzfläche erleidet, nehmen die Querabmessungen des Lichtbündels fortschreitend zu. Gleichzeitig ergeben sich an der Grenzfläche Reflexionsverluste. Dies setzt den Wirkungsgrad der Lichtübertragung zusätzlich herab.

Aus mehreren, parallel zueinander angeordneten optischen Fasern werden optische Faserplatten und optische Faserbündel zu Bildübertragungszwecken aufgebaut Dabei übertragen jedoch die einzelnen Fasern das Licht jeweils nur fleckenweise. Deshalb ist das Auflösungsvermögen auf den Faserdurchmesser begrenzt Durch Verringerung des Faserdurchrnessers kann man zwar das Auflösungsvermögen bis zu einem gewissen Grade steigern; doch besteht herstellungsmäßig eine untere Grenze des Faserdurchmessers. Die Herstellung optischer Fasern mit Durchmessern unterhalb 10 μ ist außerdem sehr schwierig. Entsprechend ist das erzielbare Auflösungsvermögen begrenzt. Ferner ergibt ein kleinerer Faserdurchmesser weitere Schwierigkeiten und Probleme bei der Herstellung der Bildübertragungseinrichtungen aus optischen Fasern. Infolgedessen wird die wirtschaftliche Herstellung eingeschränkt.

Eine Lichtleitergradientenglasfaser weist senkrecht zur Faserachse einen Gradienten des Brechungsindex auf. Im einzelnen kann der Brechungsindex von der Außenfläche in das Faserinnere zunehmen. Die Herstellung einer solchen Lichtleitergradientenglasfaser ist sehr schwierig.

Das ältere deutsche Patent 19 Ii ?58 enthält bereits einen Vorschlag zur Herstellung von Glasfasern für Lichtübertragungszwecke. Danach wird eine Glasfaser aus glasbildenden Oxiden und Glasabwandlungsoxiden (einschließlich amphoterer Oxide) in eine Salzschmelze getaucht, die Kationen enthält, welcher mit den Kationen der Glasabwandlungsoxide innerhalb der Faser austauschbar sind. Dabei ergibt sich ein Ionenaustausch. In anderer Weise hält man eine schichtartige Glasfaser auf einer hohen Temperatur, bei der noch keine Verformung auftritt; dies bedingt eine thermische Diffusion der Glasabwandlungsoxide infolge der Konzentrationsunterschiede der Glasabwandlungsoxide in dem Kernteil und der Mantelschicht. Man erhält dadurch eine stellungsabhängige, sich ändernde Konzentrationsverteilung der Glasabwandlungsoxide in radialer Richtung der Glasfaser, so daß der Brechungsindex vom Faserinnern fortschreitend in Richtung der Außenfläche abnimmt.

Da nach dieser Technik zuerst eine Glasfaser hergestellt und dann eine Behandlung derselben in der beschriebenen Weise erfolgt, nimmt die Behandlung eine lange Zeitdauer in der Größe einiger zehn Stunden in Anspruch, so daß die Herstellungskosten Uner^ wünscht hoch liegen. Außerdem ist die Länge einer jeden Faser vergleichsweise kurz, was durch die Ionenaustauschbehandlung oder die thermische Diffusion bedingt ist Mehrere solcher kurzer Fasern müssen

aneinanderstoßend miteinander verbunden werden, damit diese als Lichtleiter brauchbar sind. Die Verbindung dieser Fasern erfordert eine präzise und umfangreiche Fertigungstechnik. An den Verbindungsflächen ergibt sich eine Impulsverzerrung mit entsprechtnder Verschlechterung der Genauigkeit der Lichtübertragung.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, sowie einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, womit eine günstige Herstellung |_U solcher Glasfasern möglich ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Verfahren nach der Erfindung kann damit unmittelbar in Zusammenhang mit dem Ausziehen der Glasfaser durchgeführt werden. Ein zusätzlicher Herstellungsaufwand ist nicht damit verbunden. Man kann kontinuierlich Lichtleitergradientenglasfasern beliebiger Länge herstellen. Insbesondere kann man Glasfasern mit parabolischem Gradienten des Brechungsindex erhalten.

Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 5 bis 9 angegeben.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden >^ri unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, in welcher darstellt

Fig. 1 eine vergrößerte, schematische Seitenansicht einer herkömmlichen schichtartigen Lichtleiterglasfaser, III

Fig.2 eine entsprechende Seitenansicht einsr Lichtleitergradientenglasfaser,

F i g. 3 ein Schaubild zur Erläuterung der Abbildungsfunktion einer Lichtleitergradientenglasfaser und

F i g. 4 bis 8 jeweils vertikale oder axiale Schnitte von j-> Ausführungsformen der Erfindung.

Eine Lichtleiterglasfaser mit Schichtaufbau nach Fig. 1 besitzt einen Kernteil 1 mit vergleichsweise hohem Brechungsindex zur Lichtübertragung und eine Mantelschicht 2 mit vergleichsweise niedrigem Bre- .«ι chungsindex, die den Kernteil abdeckt. Ein Lichtbündel 3, das in eine Stirnfläche des Kernteils 1 unter einem Winkel größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion für die Grenzfläche zwischen Kernteil 1 ui.d Mantelschicht 2 eintritt, wird unter fortgesetzter Reflexion an .^ dieser Grenzfläche innerhalb des Kernteils übertragen.

Wenn im Gegensatz dazu ein I.ichtbündel in ein Stirnende einer Lichtleitergradientenglasfaser mit von der Oberfläche in das Faserinnere zunehmendem Brechungsindex eintritt, wird das Lichtbündel 5, jeweils in Richtung des ansteigenden Brechungsindex gekrümmt, wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist. Das Lichtbündel schreitet innerhalb der Faser ohne Reflexion an der Faseroberfläche fort. Infolgedessen fehlt die Verzerrung der Phasengeschwindigkeit, die Queraufspreizung des Lichtbündels und der Reflexionsverlust können weitgehend herabgesetzt werden. Diese Wirkung entspricht der sogenannten Gaslinse.

Die zweckmäßigste Verteilung des Brechungsindex in einer Querschnittsfläche senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung ist die folgende quadratische Beziehung:

Wenn ein Lichtbündel mit einer bestimmten Breite in eine Glasfaser mit solcher Verteilung des Brechungsindex eintritt, breitet sich das Lichtbündel innerhalb der Faser unter Beibehaltung der Ausgangsbreite aus; das Lichtbündel verläßt die Faser auf der Austrittsseite ohne Verzerrung der Phasengeschwindigkeit.

Wenn die Lichtleitergradientenglasfaser mit einem Krümmungsradius unterhalb eines Grenzwertes gebogen wird, wird ein in die Faser eintretendes Lichtbündel an der Faseroberfläche reflektiert oder tritt in den Außenraum aus. Dieser Grenzradius der Krümmung hängt von der Verteilung des Brechungsindex innerhalb der Faser ab. Er wird normalerweise kleiner mit ansteigendem Gradienten des Brechungsindex.

Die Abbildungswirkung einer Lichtleitergradientenglasfaser 6 ist in F i g. 3 veranschaulicht. Die Verteilung des Brechungsindex in einem Faserquerschnitt senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung genügt im wesentlichen der obigen Beziehung n=nn(\ —ar²). Lichtstrahlen eines Gegenstandes" 7 im Gegenstandsraum vor der Eintrittsfläche der Faser 6 verlaufen innerhalb des Faserinnern auf sinusförmigen Lir uvegen mit einer jeweiligen Wellenlänge

S= I

n=n_a{\ -ar²)

/*> als Brechungsindex im Zentrum der Faser, ir,

π als Brechungsindex in einem Abstand rvom Zentrum

und
a als einer positiven Konstanten,

wobei ein reelles Bild 8 im Außenraum der Faser 6 jenseits des Austrittsendes entsteht. Fig.3 zeigt ein reelles Bild 8 im Außenraum der Faser. Man kann jedoch durch entsprechende Bemessung der Faserlänge sowie des Gegenstandsabstandes ein Bild in der Austrittsfläche der Faser erhalten. Außerdem läßt sich die Vergrößerung oder Verkleinerung einstellen.

Normalerweise zeigt der Brechungsindex eines Stoffes eine Beziehung zu der molekularen Brechung und dem Molekülvolumen des Stoffes. Der Brechungsindex steigt mit zunehmender molekularer Brechung und mit abnehmendem Molekülvolumen an. Außerdem ist die molekulare Brechung der Polarisierbarkeit des Stoffes proportional. Die molekulare Brechung eines Glases läßt sich näherungsweise durch dit Sum.'ne der einzelnen Ionenbrechungen darstellen. Deshalb läßt sich der qualitative Einfluß bestimmter Ionen auf dem Brechungsindex eines Glases durch Vergleich der Werte der spezifischen Elektronenpolarisierbarkeit der betreffenden Ionen

EIektronenpolarisierbarke^;t

Ionenradius³
bestimmen.

Jede Ionenart hat ein bestimmtes Verhältnis der Elektronenpolarisierbarkeit zum Ionenradius³ innerhalb des betreffenden Glases. Wenn folglich der Brechungsindex eines Glases mit Glasabwandlungsoxiden mit dem Brechungsindex eines Glases verglichen wird, worin die Katif.cen der Abwandlungsoxide teilweise oder vollständig durch Kationen ersetzt sind, für die das Verhältnis Elek.ronenpolarisierbarkeit/Ioaenradius' kleiner als für die zuerst genannten Kationen ist, ergibt es sich, daß der Brechungsindex in letzterem Falle kleiner als in ersUrem Falle ist.

Die Kationen lassen sich hinsichtlich ihres Beitrages zur Vergrößerung des gesamten Verhältnisses in folgender Reihe anordnen:

Tl>Li>K Na Rb
für einwertige Kationen und

Pb>Ba>Cd>Sr>Ca>Zn>Be>Mg
für zweiwertige Kationen.

Wenn entsprechend erste Kationen von Abwandlungsoxiden eines Glases durch zweite Kationen mit größerem Wert des charakteristischen Verhältnisses Elektronenpolarisierbarkeit/Ionenradius³ substituiert werden, erhält man für den Brechungsindex des Glases in solchen Bereichen, wo diese Substitution erfolgt ist, einen hohen Wert. Auch wenn die Kationen der Abwandlungsoxide nicht substituiert sind, läßt sich eine veränderliche Konzentrationsverteilung der Abwandlungsoxide innerhalb des Glases in bestimmten Gläsern, n> wie Siiikatgläsern und Boratgläsern erhalten, da die Brechungsindices dieser Gläser mit zunehmender Menge der Glasabwandlungsoxide ansteigen, so daß man eine veränderliche Verteilung des Brechungsindex erhält. B

Die folgenden Einzelbeispiele erläutern die Verwirklichung der Erfindung.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 4 fiießi eine Glasschmelze iü durch einen kegelmantelförmigen Ringraum zwischen einer koni- 2ü sehen zentralen Anode 11 mit einem porösen leitenden Mantel und einer die Anode konzentrisch umgebenden Kathode 12 ebenfalls mit einem porösen leitenden Mantel nach unten.

Durch eine Düse 15a wird eine Glasfaser 13 ausgezogen.

Der poröse Mantel der Anode 11 bildet ein Gefäß zur Aufnahme einer Metallegierungsschmelze 14; das Metall ist als Kation für ein Glasabwandlungsoxid geeignet, wenn es in die Metallschmelze in Lösung geht, in Außerdem wird dann der Brechungsindex des Glases durch Ionenaustausch vergrößert. Die Kathode 12 ist außen durch ein Gefäß 15 abgeschlossen. Die Ausflußmündung der Kathode 12 ist mit der Düse 15a am Boden des Gefäßes 15 verbunden. Eine Metallegierungs- )> schmelze 16 zur Aufnahme der Kationen der Abwandlungsoxide aus der Glasschmelze befindet sich innerhalb des Gefäßes 15.

Wenn während des Ausziehens einer Glasfaser 13 aus der Glasschmelze 10 eine Gleichspannung zwischen den Elektroden 11 und 12 anliegt, fließt ein Gleichstrom von der Anode 11 zur Kathode 12 durch die nach unten strömende Glasschmelze hindurch. Die Metallegierung 14 durchsetzt die poräse Anode 11 und gibt Kationen in die Glasschmelze mit einer höheren Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung in Lösung.

Aus der Glasschmelze werden Kationen der Abwandlungsoxide durch die Kathode 12 extrahiert und durchdringen den porösen Mantel. Sie lösen sich in der Metalllegierung 16. Die Glasschmelze zwischen den to Elektroden 11 und 12 kann erforderlichenfalls mittels eines nicht dargestellten auf der Außenseite der Elektrode 11 angebrachten Temperaturreglers auf einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes gehalten werden. v,

Die 2US der Legierungsschmelze 14 auf der Anodenseite in die Glasschmelze in Lösung gehenden Kationen sind so ausgewählt, daß sie den Brechungsindex vergrößern, wenn sie die Kationen der Abwandlungsoxide der Glasschmelze substituieren. Da die «< Konzentration der Kationen, die den Brechungsindex vergrößern, in der Nähe der Anode höher ist, hat die hergestellte Glasfaser 13 einen Brechungsindex mit einem Maximalwert im Zentrum und einer fortschreitenden Abnahme zur Außenfläche. ι-

Der poröse Mantel für Anode 11 und Kathode 12 besteht aus einem Stoff, der mit Glas nicht reagiert und außerdem von demselben nicht angegriffen wird, beispielsweise poröser Graphit und eine Platinplaltenzubereitung mit einer großen Anzahl von Durchbrüchen. Die Legierungsschmelze tritt durch die Durchbrüche des porösen Stoffes in Bereiche in der Nähe der Oberfläche der Elektrode. Die Legierungsschmelze befindet sich in Berührung mit der Glasschmelze in einem durch die Oberflächenspannung bedingten Gleichgewichtszustand. Deshalb gibt es kaum eine Möglichkeit, daß das Glas selbst in den Raum der Legierüfigsschmelze einströmen kann oder daß sich die Lcgierungsschmeize unmittelbar mit der Glasschmelze vermischt. Wenn auch im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels eine Legierungsschmelze 14 sowie eine Legierungsschmelze 16 für die Kationenquelle sowie für die Kationensenke beschrieben sind, kann man auch andere Stoffe benutzen wie Metallschmelzen oder eine Salzschmelze einer einzigen Verbindung. Im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels dienen die porösen Mäntel sei'usi als Elektroden ü und Yi. man kann jedoch die Elektroden U und 12 auch gesondert von den porösen Mänteln vorsehen, wie das Beispiel der F i g. 5 zeigt.

Außerdem kann man eine Glasfaser mit der genannten Verteilung des Brechungsindex herstellen, wenn die Elektroden 11 und 12 mit umgekehrter Polung als Kathode und Anode benutzt sind, indem man eine Glaszusammensetzung von vergleichsweise hohem Brechungsindex auswählt und Kationen zur Verkleinerung des L-rechungsindex bei Substitution von Kationen innerhalb des Glases von seilen der porösen Elektrode 12 in die Glasschmelze eintreten sowie Kationen innerhalb des Glases durch die Elektrode 11 auf der Kathodenseite in die Legierungsschmelze austreten läßt.

Im Rahmen eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung nach Fig.5 läßt man die Glasschmelze 20 durch einen kegelförmigen Ringraum zwischen einer zentralen Anode 21 und einem porösen Mantel 22 nach unten strömen, der konzentrisch die Anode umgibt. Eine Glasfaser 23 wird durch eine Düse 24a ausgezogen. Die Anode 21 ist ein massiver Körper aus einem Metall oder einer Legierung, die im Sinne einer Vergrößerung des Brechungsindex des Glases wirksam sind, wenn aus der Anode 21 Kationen in die Glasschmelze in Lösung gehen und dabei Kationen innerhalb des Glases ersetzen. Der poröse Mantel 22 hat eine ähnliche Formgebung wie der poröse Mantel der Elektrode nach F i g. 4. Er ist am Unterende mit der Düse 24a im Fußteil des Gefäßes 24 verbunden. Eine Metallegierungsschmelze 25 befindet sich in dem Gefäß 24 und ist mit der Außenfläche des porösen Mantels 22 in Berührung. Innerhalb der Legierungsschmelze 25 befindet sich tine Kathode 26 in konzentrischer Anordnung jeweils in Abstand von dem porösen Mantel 22. Der poröse Mantel 22 braucht nicht elektrisch leitend zu sein. Bei der Herstellung der Glasfaser 23 aus der Glasschmelze 20 fließt ein Gleichstrom von der Anode 21 durch die Glasschmelze zur Kathode 26, wobei die Glasschmelze zwischen der Anode 21 und dem porösen Mantel 22 nach unten strömt Dabei werden dann Kationen von Abwandlungsoxiden aus der Glasschmelze in die Legierungsschmelze 25 übernommen.

Die Konzentration von Kationen, die sich in dem Glas von Seiten der Anode 21 gelöst haben, ist an Stellen in der Nähe der Anode höher. Infolgedessen hat die Glasfaser 23 eine Verteilung des Brechungsindex mit einem Höchstwert im Faserzentrum und einer fortschreitenden Abnahme zur Außenfläche. Das Ausfuhrungsbeispiel nach F i g. 5 kann in verschiedener Weise

abgewandelt werden^ Beispielsweise kann der poröse Mantel 22 dann, wenn er elektrisch leitend ist, als Kathode benutzt werden. Man kann auch eine andere Schmelze benutzen, beispielsweise eine Metallschmelze oder eine Salzschmelze aus einer einzigen Verbindung anstelle der Legierungsschmelze 25.

Wenn man eine Glaszusammensetzung mit vergleichsweise hohem Brechungsindex auswählt, kann man eine Glasfaser mit der genannten Verteilung des Brechungsindex erhalten, indem man eine Anode 21 ähnlich dem Beispiel der F i g* 4 als Kathode benutzt und als Anode einen Mantel aus einem Metall oder einer Legierung vorsieht, der Kationen in das Glas in Lösung gibt, die den Brechungsindex des Glases bei Übergang in die Glasschmelze herabsetzen. Es wird dann ein Gleichstrom in umgekehrter Richtung wie nach Fig. 5 durchgeleitet

Wenn auch im Rahmen der Ausführungsformen der Fig.4 und 5 die Glasschmelze nach unten fließt und nach unten zu einer Glasfaser ausgezogen wird, kann die Glasfaser auch durch Aufwärtsziehen erhalten werden. Im Rahmen der beiden beschriebenen Ausführungsbeispiele ist ein poröser Mantel auf der Kathodenseite benutzt, und die aus der Glasschmelze extrahierten Kationen werden in einer Schmelze wie einer Legierungsschmelze gelöst, die sich auf der Außenseite des porösen Mantels befindet. Man kann die gewünschte Verteilung des Brechungsindex auch ohne porösen Mantel erhallen, indem man nur auf der Kathodenseite ■ Kationen aus dem Glas in metallischer Form auszieht.

Abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Fig.6 und 7 beschrieben. Nach Fig.6 ist eine Metallegierungsschmelze 31 beispielsweise eine Legierung mit höherem spezifischem Gewicht als die Glasschmelze in einem Gefäß 30 gespeichert. Eine Glasschmelze 32 einer Zusammensetzung von 48 Gew.-% SiO₂,12 Gew.-% Na₂0,16 Gew.-% Tl₂O und 24 Gew.-% PbO sowie einer Temperatur von 80O⁰C befindet sich in dem gleichen Gefäß oberhalb der Legierungsschmelze 31. Aus dem Mittelteil der Glasschmelze 32 wird eine Glasfaser 33 nach oben gezogen und durch eine nichtdargestellte Aufnahmeeinrichtung aufgenommen. Ein Ringkörper 35 aus einer KNOj-SaIzschmelze ist infolge der Oberflächenspannung an einer Ringelektrode 34 gehalten und umgibt den Unterteil der Glasfaser 33 oberhalb der Glasschmelze 32.

Das Salz des Ringkörpers 35 enthält eine Kationenart zur Herabsetzung des Brechungsindex des Glases, wenn K⁺-Ionen in dem Glas gelöst sind und die Tl⁺-Ionen innerhalb desselben substituieren. Die Glasschmelze 32 hat eine Zusammensetzung mit einem vergleichsweise hohen Brechungsindex.

Wenn ein Gleichstrom von 1OA zwischen der Elektrode 34 als Anode und der Legierungsschmelze 31 als Kathode durch die Glasschmelze 32 geleitet wird, gehen Kationen aus der Salzschmelze des Ringkörpers 35 in die Glasschmelze 32 in Lösung, und hauptsächlich Kationen der Abwandlungsoxide gehen von Seiten der Glasschmelze 32 in der Legierungsschmelze 31 über. Infolgedessen nimmt innerhalb der Glasschmelze 32 die Konzentration der Kationen, die aus der Salzschmelze des Ringkörpiers 35 in das Glas in Lösung gegangen sind, fortschreitend von der mit dem Ringkörper 35 in Berührung befindlichen Oberfläche in das Glasinnere ab; die Konzentration der ursprünglich in dem Glas enthaltenen Kationen steigt fortschreitend in gleicher Richtung an. Die Mantelteile der Glasfaser 33 werden aus Bereichen der Glasschmelze 32 gebildet, die sich in der Nähe der mit der Salzschmelze des Ringkörpers35 in Berührung befindlichen Oberfläche befunden haben. Infolgedessen erhält man eine Glasfaser 33 der obengenannten gewünschten Verteilung des Brechungsindex.

Die Fi g. 7 betrifft ein Ausführungsbeispiel mit einem Gefäß 40, das zentral in der Fußwandung eine Ausziehdüse 41 besitzt, die mit ihrem entgegen der Ausziehrichtung gelegenen Oberteil in das Innere des Gefäßes hineinragt. Das Gefäß 40 enthält auf der innenfläche des Bodenteils eine Legierungsschmelze 42, die den hineinragenden Teil der Düse 41 umgibt; diese Legierungsschmelze hat ein höheres spezifisches Gewicht als die Glasschmelze 43, die auf der Legierungsschmelze 42 in Berührung mit derselben liegt. Eine Glasfaser 44 wird aus der Glasschmelze 43 durch die Düse 41 nach unten ausgezogen. Die Legierungsschmelze 42 enthält einen Stoff zur Herabsetzung des Brechungsindex des Glases bei Auflösung in der Glasschmelze 43 und bei Substitution der Kationen innerhalb des Glases. Oberhalb der Glasschmelze 43 befindet sich eine Legierungsschmelze 46, die durch die Oberflächenspannung an einer Elektrode 45 gehalten ist.

Wenn zwischen der Legierungsschmelze 42 als Anode und der Elektrode 45 als Kathode ein Gleichstrom durch die Glasschmelze 43 fließt, gehen Kationen der genannten Art in die Glasschmelze 43 aus der Legierungsschmelze 42 in Lösung, während Kationen der Abwandlungsoxide aus der Glasschmelze 43 in die Legierungsschmelze 46 übergehen. Damit nimmt die Konzentration der Kationen, die aus der Legierungsschmelze in das Glas übergegangen sind, fortschreitend in dem Abstand ab. Die Konzentration der zunächst in dem Glas enthaltenen Kationen steigt innerhalb der Glasschmelze 43 fortschreitend von der in der Legierungsschmelze 42 in Berührung befindlichen Oberfläche zum Glasinnern hin an. Der Teil der nach unten ausgezogenen Glasfaser 44 in der Nähe der Außenfläche wird aus dem Teil der Glasschmelze 43 in der Nähe der Kontaktfläche mit der Legierungsschmelze 42 gebildet. Infolgedessen hat die Glasfaser die oben beschriebene Verteilung des Brechungsindex.

Wenn die Stromrichtung durch die Glasschmelze 42 und 43 gemäß den Beispielen der Fig.6 und 7 umgekehrt wird, so daß eine Substitution der Kationen des Glases durch Kationen aus der anodenseitigen Legierungsschmelze erfolgt, und wenn Kationen zur Vergrößerung des Brechungsindex in die Glasschmelze in Lösung gehen sowie Kationen des Glases in die icathodenseitige Legierungsschmelze übernommen werder. nimmt die Konzentration der in dem Glas gelösten Ionen aus der Legierung fortschreitend ab und die Konzentration der zunächst in dem Glas enthaltenen Kationen steigt entsprechend innerhalb des Glases von derjenigen Oberfläche aus an, die mit der anodenseitigen Legierungsschmelze in Berührung steht In diesem Fall enthält das den Mittelteil der Glasfaser 43 oder 44 bildende Glas eine vergleichsweise hohe Glasmenge, die zunächst in Oberflächennähe in Berührung mit der anodenseitigen Legierungsschmelze war. Infolgedessen erhält man eine Glasfaser mit der gewünschten Verteilung des Brechungsindex.

Im Rahmen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele der F i g. 4,5,6 und 7 werden Kationen von der Anodenseite in die Glasschmelze in Lösung gegeben. Man kann auch eine Glasfaser mit der gewünschten Verteilung des Brechungsindex herstellen, indem man

einen Gleichstrom durch die Glasschmelze ohne äußere Zufuhr von Kationen hindurchleitet, damit sich innerhalb der Glasschmelze eine Konzentrationsverteilung der Abwandiungsoxide und anderer Oxide mit vergleichsweise geringer Bindungsfestigkeit einstellt.

Bei der AusführUttgsförm iiäch Fig. 8 hat das Gefäß 30 eine kegelförmige Fußwandung, die in eine Düse 50a konvergiert, aus der die Glasschmelze zu einer Faser 52 ausgezogen wird. Die kegelförmige Fußwandung ist im Oberteil mit einer ringförmigen oder kegelsturnpfförmigen Anode 53 ausgestattet und besteht aus einem porösen Stoff, beispielsweise einem Platinblech mit zahlreichen Durchbrechungen. Am Unterende sitzt eine ebenfalls kegelstumpfförmige Kathode 54. Anode 53 und Kathode 54 bilden Teile der kegelförmigen Fußwandung des Gefäßes 50 und dienen zur Durchleitung eines Gleichstromes durch die Glasschmelze 51. Die Stromdichte des zwischen Anode 53 und Kathode 54 innerhalb der Glasschmelze 51 fließenden Gleichstromes hat Lt. Be

atr>U Λ***· InnAniunn^tinfT Ant* jTlafXfla«. ~«

uns des Gefäßes

50 ihren höchsten Wert und nimmt gegen den Mittelteil der Glasschmelze 51 hin fortschreitend ab. Innerhalb der Glasschmelze sammeln sich jeweils Kationen und Anionen der Glasabwandlungsoxide an den kathoden- und anodenseitigen Enden der Stromfäden des Gleichstromes.

Da die Stromstärke in der Nähe der Gefäßwandung hoch ist, werden die Ionen in diesem Wandungsbereich sehr stark in Richtung der Anode bzw. der Kathode angezogen, wogegen mit abnehmender Stromdichte gegen den Mittelteil der Glasschmelze 51 hin, der Trennungsgrad für Ionen längs der Stromfäden herabgesetzt ist Infolgedessen nimmt die Konzentration der Glasabwandlungsoxide vom Mittelteil gegen die Außenfläche der Glasschmelze 51 hin ab. Dadurch stellt sich eine Konzentrationsverteilung der Abwandiungsoxide in radialer Richtung innerhalb der erhaltenen Glasfaser 52 mit einer Abnahme vom Mittelteil zur Außenfläche der Faser ein.

Bei Gläsern wie Silikatgläsern und Boratgläsern bedingt eine Konzentrationszunahme eines Abwandiungsoxides einen Anstieg des Brechungsindex. Wenn ein solches Glas für die Glasschmelze 51 benutzt wird, weist die erhaltene Glasfaser 52 eine fortschreitende Konzentrationsabnahme der Abwandlungsoxide von der Fasermitte zur Außenfläche auf, so daß man die gewünschte Verteilung des Brechungsindex erhält

Auf der Außenseite der Kathode 54 befindet sich ein Gefäß 55 zur Aufnahme einer Legierungsschmelze 56, weiche zur Lösung von Metallen aus Kationen der Abwandlungsoxide nach Extraktion aus der Glasschmelze 51 dient Die Anionen sammeln sich als Gas, hauptsächlich Sauerstoff, an der Anode 53. Deshalb ist eine Ringleitung 57 auf der Außenseite der Anode 53 angeordnet, die einen dichten Abschluß des Gefäßes 50 bildet Diese Ringleitung wird über eine Anschlußleitung 57a evakuiert, damit das gebildete Gas entfernt wird

Die Lage der Elektroden ist nicht unbedingt an die Wandung des Gefäßes 50 gebunden. Die Elektroden können sich auch innerhalb der Glasschmelze 51 befinden. Indem man beispielsweise mehrere Ringelektroden konzentrisch innerhalb der Glasschmelze auf der Innenseite der Gefäßwandung anordnet, so daß das Glas durch die Zwischenräume zwischen den Ringelektroden strömen muß, und indem man einen höheren Stroir. zwischen den Elektroden in der Nähe der Gefäßwandung fließen läßt, läßt sich eine fortschreitende Konzentrationsabnahme der Abwandlungsoxide und anderen Oxiden mit vergleichsweise geringer Bindungsfestigkeit innerhalb der Glasschmelze in Richtung der Gefäßwandung einstellen.

Die Erfindung läßt sich auch bei Lichtleiterglasfasern anderer Art anwenden. Man kann beispielsweise bei einer schichtartigen Glasfaser einen Gleichstrom senkrecht zur Grenzfläche zwischen der Mantelschicht Und dem Kernteil der Glasfaser durchleiten, solange sich die Glasfaser auf einer hohen Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes befindet, damit die Abwandlungsoxide im Bereich der Grenzfläche zwischen dem Kernteil und der Mantelschicht wandern und damit die Konzentrationsänderung der Abwandlungsoxide geglättet verläuft. Dadurch kann man eine Glasfaser der gewünschten Verteilung des Brechungsindex erhalten, wo derselbe vom Faserzentrum fortschreitend ir. Richtung der Außenfläche abnimmt.
Die Glaszusammensetzung ist durch die Erfindung

11ι:i:i

nium ciiigcs^iii ajifii, man nanu onniaigiasci, DUl ülgiaser, Phosphatgläser und andere Oxidgläser verwenden.

Ein Kationenaustausch in einem Glas unter Substitution von Kationen mit vergleichsweise niedrigem Wert des genannten Verhältnisses durch Kationen mit hohem Wert dieses Verhältnisses beispielsweise Tl+ -Ionen ergibt eine Zunahme des Brechungsindex des Glases. Umgekehrt führt die Substitution von Kationen mit großem Wert dieses Verhältnisses durch Kationen mit niedrigem Wert beispielsweise Na⁺-Ionen zu einer Verringerung des Brechungsindex des Glases. Man kann verschiedene Arten von Kationenquellen in fester Metallform und Metallegierungsform, in Metallegierungsschmelzform, in Metallschmelzenform und in Salzschmelzenform zur Lieferung der in der Glasschmelze von der Anodenseite in Lösung gehenden Kationen vorsehen; als besonders günstig haben sich Kationen in flüssigem Zustand hinsichtlich einer gleichmäßigen Zufuhr von Ionen in die Glasschmelze erwiesen.

Obgleich die erforderlichen Eigenschaften der Quelle der Kationen, die in dem Glas gelöst werden sollen, in Abhängigkeit von der Glaszusammensetring, dem gewünschten Gradienten des Brechungsindex und der Behandlungstemperatur verschieden sind, sind unter den flüssigen Stoffen besonders Legierungsschmelzen geeignet, da man die Legierungen unter Berücksichtigung der genannten Kenngrößen durch nahezu beliebige Kombinationen verschiedener Metalle auswählen kann. Die Kationen in der Glasschmelze werden an der Kathode in Metallform ausgezogen. Wenn eine Metallschmelze oder eine Legierungsschmelze in flüssigem Zustand zur Auflösung des extrahierten Metalls benutzt ist kann man leicht und vorteilhafterweise eine Legierung mit diesem Metall erhalten. Eine Salzschmelze als Kationenquelle ist insoweit vorteilhaft als sie leicht durch den porösen Stoff hindurchdringt

Die Stärke des durch die Glasschmelze in den beschriebenen Ausführungsbeispielen geleiteten Gleichstromes wird sehr stark von solchen Größen wie dem Durchmesser der herzustellenden Glasfaser, der Faserausziehgeschwindigkeit dem gewünschten Gradienten des Brechungsindex, der Glaszusammensetzung, der Art der für den Ionenaustausch bestimmten Kationen, der Glasviskosität im Verarbeitungszustand und der Form des Gerätes beeinflußt Die optimale Stromstärke ist dabei von Fall zu Fall verschieden. Wenn eine Metallschmelze oder eine Legierungsschmelze benutzt wird, ist die Anwendung einer

nichtexydierenden Atmosphäre innerhalb der Gasphase vorzuziehen, die mit der Metallschmelze oder der Legierungsschmelze in Berührung ist, damit keine Oxydation dieser Metall- oder Legierungsschmelze erfolgt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitergradientenglasfaser durch Ionenaustausch, dadurch ί gekennzeichnet, daß die Faser aus einer Schmelze gezogen wird, in der mittels mindestens zweier Gleichstromelektroden der Ionenaustausch durchgeführt wird, wobei kathodenseitig der Glasschmelze Kationen entzogen werden. ι ο

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß anodenseitig der Schmelze Kationen zugegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kationen anodenseitig von einer festen Elektrode oder einer Salzschmelze oder einer Metallschmelze abgegeben werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kationen kathodenseitig von einer Metallschmelze oder einer Salzschmelze aufgenommen werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Fläch ciricFü ucF AiiSpniCiic ϊ uiS τ, uäuUfCn

gekennzeichnet daß oberhalb einer Ziehdüse (15a) innerhalb der Glasschmelze eine konische Elektrode :?■; (14) konzentrisch von einer Elektrode (12) umgeben ist (F ig. 4 und 5).

6. Vorrichtung nach Ansprurh 5, dadurch gekennzeichnet daß mindestens eine der Elektroden als massiver Elektrodenkörper ausgebildet ist (F i g. 5). j< >

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode einen porösen Ma *el umfaßt, der eine Metallschmelze, eine Legierungsschmelze odpr eine Salzschmelze abschließt (F i g. 4). r>

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Gefäßes (30 bzw. 40) einerseits eine plattenförmige Schmelze (31 bzw. 46) als eine Elektrode und andererseits eine 4<> ringförmig ausgebildete Schmelze (35, 42) als die andere Elektrode angeordnet sind, zwischen denen sich eine Glasschmelze (32 bzw. 43) befindet, und daß die zentrale Öffnung der ringförmigen Schmelze (35} als Ziehdüse vorgesehen ist (F i g. 6 und 7).

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gefäß (50) einen kegelförmigen, in eine Ziehdüse (50a) übergehenden Mantel aufweist, der zwei poröse Ringe (53, 54) als to Elektroden aufweist.