DE2064263C3

DE2064263C3 - Verfahren zur Herstellung von Lichtleitglasfasern mit parabolischer Verteilung des Brechungsindexes durch Ionenaustausch

Info

Publication number: DE2064263C3
Application number: DE2064263A
Authority: DE
Inventors: Ken Kawanishi Koizumi; Motoaki Takarazuka Yoshida
Original assignee: Nippon Selfoc Kk Tokio
Current assignee: Nippon Selfoc Kk Tokio
Priority date: 1969-12-30
Filing date: 1970-12-29
Publication date: 1980-10-30
Also published as: DE2064263A1; FR2072134A1; JPS4922465B1; DE2064263B2; GB1331514A; FR2072134B1; BE761093A; CA954696A; NL7018929A; US3822121A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitglasfasern mit parabolischer Verteilung des Brechungsindexes durch Ionenaustausch bei dem eine aus einem Kern und Mantel bestehende Glasfaser erwärmt wird, wobei aus dem Mantel in dem Kern Ionen mit einem kleineren Beitrag zum Brechungsindex diffundieren und aus dem Kern in den Mantel Ionen mit einem größeren Beitrag zum Brechungsindex diffundieren.

Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lichtleiterglasfaser ist in der DE-OS 1913 358 erläutert Danach stellt man eine bestimmte Konzentrationsverteilung von Abwandlungsoxiden innerhalb des Glases unter Ausnutzung der wechselweisen Wärmediffusion von Kationen ein. Im einzelnen nutzt man den Ionenaustausch zwischen dem Glas und einer Salzschmelze oder die wechselweise Diffusion von Kationen

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60 zwischen Gläsern unterschiedlicher Zusammensetzung aus.

Wenn man eine Glasfaser aas einem Kernteil und einer Mantelschicht jeweils verschiedener Zusammensetzung auf einer hohen Temperatur hält, tritt eine wechselweise Diffusion von Ionen durch die Grenzschicht zwischen dem Kernteil und der Mantelschicht auf. Damit sich jedoch eine der Lichtübertragung genügende Verteilung des Brechungsindex einstellt müssen wechselweise Ionen mit hohem Wert der Elektronenpolarisierbarkeit pro Einheitsvolumen, die in dem Kernteil vorhanden sind und damit einen hohen Beitrag zum Brechungsindex liefern, beispielsweise Thalliumionen einerseits und Ionen mit vergleichsweise niedrigem Wert der Elektronenpolarisierbarkeit innerhalb der Mantelschicht, also Ionen mit niedrigem Beitrag zum Brechungsindex, beispielsweise Li-, Na-, K-, Rb- und/oder Cs-lonen andererseits diffundieren. Diese Zusammenhänge sind in der DE-OS 19 13 358 dargelegt Wenn die Behandlungsbedingungen entsprechend ausgewählt werden, kann man eine parabolische Verteilung des Brechungsindex innerhalb einer Querschnittsebene in der Nähe der optischen Achse der Glasfaser im wesentlichen nach der folgenden Beziehung erhalten:

η = /Jo(I —afi)

mit JId s!s Brechungsindex auf der Mittelachse, η als Brechungsindex in einem radialen Abstand r von der Mittelachse und a als einer Konstanten. Eine Faser mit einer solchen Verteilung des Brechungsindex ist in weitem Umfang als Übertragungsstrecke in einem Laserübertragungssystem und als Linsenelement für optische Zwecke und zur Informationsverarbeitung brauchbar.

Wenn eine Salzschmelze oder eine andere Schmelze als Mittel für die Wärmebehandlung zur Einstellung der Verteilung des Brechungsindex in der Glasfaser benutzt wird, nutzt man die Vorteile einer einfachen Erhitzung der in der Schmelze aufgehängten Glasfaser und des Fehlens von Oberflächenstörungen infolge einer Berührung mit festen Körpern aus. Wenn man jedoch die Behandiungstemperatur zwecks Verkürzung der Behandlungsdauer auf einen Wert anhebt, wo die Viskosität des Glases 10⁹ Ns/m² erreicht kommt man in die Nähe des Erweichungspunktes, wo die Viskosität etwa 10⁷ Ns/m² hat Dabei wirkt auf die Glasfaser eine Sinkkraft oder eine Auftriebkraft jeweils abhängig von dem Unterschied der spezifischen Gewichte von Glasfaser und Schmelze. Infolgedessen verschlechtert sich die Brauchbarkeit der Glasfaser als Lichtleiter, weil sich eine allmähliche Änderung des Faserdurchmessers in Längsrichtung und eine Verformung des Querschnitts ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist eine solche Verfahrensführung, daß Verformungen und Verschlechterungen der Glasfaser bei der Wärmebehandlung nicht auftreten können. Die Behandlungsdauer soll möglichst kurz sein.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Glasfaser in einer Schmelze erwärmt wird, deren Temperatur auf einen Wert eingestellt wird, bei dem die Viskosität des Glases niedriger als 10⁹ Ns/m² ist, und daß die Dichte der Schmelze um weniger als 0,4 g/cm³ von der Dichte des Glases bei der Behandlungstemperatur abweicht.

Durch die Auswahl einer Schmelze entsprechenden spezifischen Gewichts gleich demjenigen der Glasfaser wirken auf die Glasfaser innerhalb des Behandlungsbades keine Sinkkräfte oder Auftriebskräfte, so daß eine

Verformung der Glasfasern nicht möglich ist Infolgedessen läßt sich die Behandlungstemperatur steigern, womit die Behandlungsdauer wesentlich verkürzt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden in Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, welche in schematischer Ansicht eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zeigt

Unter einer Glasfaser ist auch ein Glasstab größerer Dicke zu verstehen. Eine solche Glasfaser besteht aus zwei Glassorten, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Der Kernteil mit kreisförmigem oder nahezu kreisförmigem Querschnitt enthält Ionen wie Thalliumionen mit hohem Beitrag zum Brechungsindex. Die Mantelschicht, die den Kernteil umgibt, enthält Li-, Na-, K-, Rb- und/oder Cs-Ionen mit einem Beitrag zum Brechungsindex, der gegenüber dem Beitrag der Ionen im Kernteil geringer ist Die Grenzschicht zwischen Kernteil und Mantelschicht ist vollständig aufgeschmolzen. Der Kernteil kann ein Faserbündel sein, wo die Mantelschicht mit dem Kernteil völlig verschmolzen ist und die Zwischenräume zwischen den Fasern ausfüllt

Die spezifischen Gewichte von Glasfaser und Schmelze für die Wärmebehandlung sind im Idealfall gleich; ein Unterschied von 0,4 g/cm¹ oder weniger ist jedoch zulässig; man zieht einen Unterschied von 0,2 g/cm³ oder weniger vor. Das spezifische Gewicht ist auf die hohe Temperatur der Wärmebehandlung bezogen.

Die Schmelze bildet bei der Behandlungstemp-ratur eine stabile flüssige Phase; sie hat ein spezifisches Gewicht gleich demjenigen der Glasfaser und erodiert die Glasfaser nicht oder nur wenig. Normalerweise verwendet man für die Schmelze anorganische Salze oder ein Gemisch von solchen. Weiterhin kann man einfache Metalle, Metalloxide, beispielsweise Glase mit niedrigem Schmelzpunkt, benutzen. Wenn die genannte Mischung benutzt wird, läßt sich der Unterschied im spezifischen Gewicht zwischen Mischung und Glasfenster durch Einstellung des Mischungsverhältnisses der Mischungsbestandteile herabsetzen.

Vorzugsweise sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kernteil und Mantelschicht der Glasfaser möglichst gleich, damit eine Verschlechterung der Lichtleitereigenschaften durch innere Spannungen vermieden wird. Die beiden Gläser lassen sich so auswählen, daß der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten normalerweise kleiner als 50 χ 10-V⁰C ist

Ein Beispiel einer Glasfaser dieser Art hat einen Kernteil von 0,2 mm Durchmesser der Zusammensetzung in Mol-% von 3,3% Tl₂0,17,0% Na₂0,9,4% PbO und 70,3% SiO₂ mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 124 χ 10-V⁰C und eine Mantelschicht mit einem Außendurchmesser von 0,4 mm und einer Zusammensetzung von 3,5% K₂O, 17,0% Na₂O, 9,0% PbO und 70,5% SiO₂ mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 128 χ 10-VC.

Wenn diese Glasfaser in einem Wärmeübertragungsmittel wie ΚΝΟϊ-Salz wärmcb^handelt wird, damit die Glasfaser fokussierende eigenschaften erhält, mußte man nach dem Stand der Technik die Wärmebehandlung etwa 36 h lang bei einer Temperatur von 460⁰C oder weniger ausführen, damit eine Verformung der in der Schmelze hängenden Glasfaser ausgeschlossen ist Bei 460° C hat der Mittelteil eine Viskosität von 1O⁹NsAn², die Mantelschicht eine Viskosität von 10⁹⁶Ns/m². Die Wärmebehandlungsdauer läßt sich zwar durch Anhebung der Temperatur verkürzen, beispielsweise auf 3 h bei 500⁰C, doch ergibt sich dann eine Differenz der Durchmesser von etwa 0,1 mm/m der Faserlänge in Form einer Verjüngung, in Abhängigkeit von der Art der Aufhängung der Faser. Wenn die Glasfaser in HorizontaJlage behandelt wird, treten eine Verformung des Faserquerschnitts und andere unerwünschte Wirkungen auf, wodurch die Fokussierungseigenschaften der Faser beeinträchtigt werden. Bei 500⁰C

ίο ist die Viskosität des Kernteils ΙΟ⁷* Ns/cra², diejenige der Mantelschicht ΙΟ⁸-² Ns/cm². Bei dieser Temperatur ist das spezifische Gewicht der Glasfaser 3,2 g/cm³, dasjenige des KNO₃-Salzes 1,7 g/cm³, so daß der Unterschied zwischen den spezifischen Gewichten

is J,5 g/cm³ausmacht

Wenn man dagegen nach der Erfindung eine Salzmischung aus beispielsweise 25 Mol-% PbSO₄, 37 Mol-% U₂SO₄,26 Mol-% Na₂SO₄ und 12 Mol-% K₂SO₄ mit einem spezifischen Gewicht von 3,1 g/cm³ als Wärmeübertragungsmedium für die Wärmebehandlung der Glasfaser benutzt, tritt keine Verjüngung derselben auf, auch wenn die Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb 600⁰C erfolgt, infolgedessen kann man fokussierende Lichtleiter-Glasfasern mit einer Behandlungsdauer von 4 min bei einer Temperatur von 650⁰C bzw. mit einer Behandlungsdauer von 0,8 min bei einer Temperatur von 800° C herstellen. Die Viskositäten des Kernteils und der Mantelschicht sind jeweils 10⁴⁰NsZCm² und 10⁵·² Ns/cm² bei 650'C bzw.

H) 10³·³ Ns/cm² und 10³-⁵ Ns/cm² bei 800° C.

Die zur Einstellung der Fokussierungseigenschaften einer Glasfaser der obigen Zusammensetzung mit einem Außendurchmesser von 1,0 mm und einem Kerndurchmesser von 0,5 mm erforderlichen Zeitdauern sind bei Tauchung in der genannten Salzmischung bei einer Temperatur von 65O⁰C 25 min, bei einer Temperatur von 800⁰C 5 min.

Unter Anwendung der Erfindung kann man die Faser auf einer Arbeitstemperatur halten, bei der die Viskosität der Glasfaser 10³ Ns/cm² erreicht oder sogar auf einer noch höheren Temperatur, ohne daß eine Verformung der Faser erfolgt

Die Erfindung läßt somit eine wesentliche Verkürzung der Wärmebehandlungsdauer zu, was überrasehend vorteilhaft ist Denn die Wärmebehandlungsdauer wird auf ¹Ao bis Vioo der Wärmebehandlungsdauer nach dem bekannten Verfahren verkürzt

Wenn ein fokussierender Glaskörper mit großem Durchmesser, beispielsweise mit einem Kernteil von 3 mm Durchmesser behandelt werden soll, ergibt sich nach dem Stand der Technik eine Behandlungsdauer von 2000 h, was unzweckmäßig groß ist Das Verfahren nach der Erfindung kommt demgegenüber mit einer Behandlungsdauer von 15 h aus.

Nach der Erfindung kann somit eine Glasfaser mit der gewünschten Verteilung des Brechungsindex in vergleichsweise kurzer Behandlungszeit hergestellt werden. Außerdem kann man eine Glasfaser kontinuierlich ziehen und dieselbe kontinuierlich durch ein Schmelzbad eines Wärmeübertragungsmittels führen, womit sich eine Lichtleitglasfaser sehr großer Länge mit der gewünschten Verteilung des Brechungsindex leicht herstellen läßt Andererseits kann die gezogene Glasfaser selbstverständlich zunächst auf eine Trommel

es aufgewickelt und erst danach durch ein Schmelzbad mit einer Geschwindigkeit geführt werden, die von der Ziehgeschwindigkeit zur Erzeugung der Glasfaser verschieden ist

Ein Verfahren zum Ziehen einer Glasfaser der genannten Art wird dadurch verwirklicht, daß Glasschmelzen in verschiedenen Kammern eines Doppelbehälters aufbewahrt werden und daß eine Glasfaser durch eine Doppeldüse gezogen wird. Ein Glasstab der beschriebenen Zusammensetzung wird mit einem

Außendurchmesser von 20 mm und einem Kernteil von 10 mm Durchmesser auf eine Temperatur zwischen 650 und 750⁰C erhitzt und zu einer Glasfaser mit einem Außendurchmesser von 1,0 mm oder 0,4 mm gezogen. Die in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Ziehgeschwindigkeiten erweisen sich als brauchbar.

Tabelle 1

Temp.
( C)

Ziehgeschwindigkeit (cm/min)

1,0 mm
Außendurchmesser 0,4 mm
Außendurchmesser

650
750

150-300
200-350

300- 900
600-1300

Die gezogene Glasfaser wird dann im wesentlichen in horizontaler Richtung in eingetauchtem Zustand durch eine Salzschmelze geführt. Die erforderliche Eintauchlänge der Salzschmelze, die in diesem Fall als Wärmeübertragungsmittel dient, wird entsprechend den Ziehgeschwindigkeiten der Tabelle 1, gemäß den Angaben der Tabelle 2 festgelegt, wobei die erforderliche Behandlungsdauer in Rechnung gestellt ist.

Tabelle 2

Ziehgeschwindig- keit für die Faser	Länge des Salzbades (m) Glasfaser Außendurchmesser 1,0 mm	800 C Behandlung	Glasfaser Außendurchmesser	0,4 mm
(cm/min)	650 C" Behandlung	7,5	650 C" Behandlung	800 C Behandlung
150	38	15
300	75	-	12	2,4
450	-	-	18	3,6
600	-	-	24	4,8
750	-	-	30	6,0
900	-	36	7,2

Gemäß den Werten der Tabelle 2 kann man eine fokussierende Lichtleitglasfaser kontinuierlich herstellen, indem Ziehgeschwindigkeit und Behandlungstemperatur entsprechend gewählt werden und ein Wärmebehandlungsofen für das Salzbad einer Länge von etwa 10 m für eine Glasfaser von 1,0 mm Außendurchmesser und von etwa 3 m für eine Glasfaser von 0,4 mm Außendurchmesser benutzt wird.

Die Erfindun** wird anhand eines Ausfuhmn^sbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert

Ein Glasstab aus einem Kemteil von 10 mm Durchmesser der Zusammensetzung in Mol-% von 33% Tl₂O, 17,0% Na₂O, 9,4% PbO und 703% SiO₂ sowie einem Mantelteil mit einem Außendurchmesser von 20 mm der Zusammensetzung in Mol-% von 34% K₂0,17,0% Na₂0,9,0% PbO und 703% SiO₂ wird durch Miteinanderverschmelzen des Kernteils und der Mantelschicht, die genau konzentrisch in Kreisquerschnitten gehalten sind, vorbereitet Dieser Glasstab 1 wird mit einer Geschwindigkeit von 0,24 cm/min mittels einer Vorschubeinrichtung 9 durch einen Heizofen 3 auf einer Temperatur von 650° C geschoben. Mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 600 cm/min wird mit Hilfe von Ziehrollen 6 kontinuierlich eine Glasfaser mit 0,4 mm Außendurchmesser und 0,2 mm Durchmesser des Kernteils gezogen.

Die gezogene Glasfaser 2 wird mit Hilfe von Leitrollen 10,7,11 in einen Heizofen 4 eingeführt damit eine Wärmediffusion erfolgen kann. Der Heizofen 4 enthält ein Bad einer Salzschmelze 5 der Zusammensetzung in Mol-% von 25% PbSO₄, 37% Li₂SO₄, 26% Na₂SO₄, 12% K₂SO₄. Durch eine nicht dargestellte Heizeinrichtung wird innerhalb des Heizofens 4 eine Temperatur von etwa 800° C aufrechterhalten. Die Glasfaser 2 hat beirr. Durchgang durch diese Salzschmelze eine Viskosität von etwa 10³³ Ns/cm² und ein spezifisches Gewicht von etwa 3,2 g/cm³. Das spezifische Gewicht der Salzschmelze beträgt bei 800° C etwa 3,1 g/cm³, so daß der Unterschied der spezifischen Gewichte etwa 0,1 g/cm³ ausmacht

Damit eine Erweichung und Verformung der Glasfaser ausgeschaltet ist, solange dieselbe nicht in die Salzschmelze eintaucht hält man in der Salzschmelze

ω zweckmäßigerweise eine Temperaturverteilung in

Längsrichtung aufrecht, so daß das Eingangs- und Ausgangsende des Bades niedrigere Temperaturen

haben.

Wenn sich die Glasfaser 2 durch die Salzschmelze 5

auf einer Weglänge von etwa 5 m in einer Zeitdauer von etwa 1 min bewegt, erfolgt eine gegenseitige Wärmediffusion durch die Grenzfläche zwischen den Kernteil und der Mantelschicht, und zwar hauptsächlich zwischen

Ionen innerhalb des Kernteils, die einen hohen Beitrag zum Brechungsindex liefern, nämlich Thalliumionen, und Ionen innerhalb der Mantelschicht die einen niedrigen Beitrag zum Brechungsindex liefern, nämlich Kalium- und Natriumionen. >

Die Glasfaser wird dann aus dem Heizofen 4 über Führungs- und Abzugsrollen 12, 13, 14, 15 und 8 herausgeführt, sodann gekühlt und schlieBlich auf eine nicht dargestellte Trommel aufgewickelt.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung war eine in erfolgreiche Herstellung von Glasfasern ohne Fehler wie eine unerwünschte Verformung der Fasern möglich. Im einzelnen erhält man Lichtleiterfasern großer Länge mit fokussierenden Eigenschaften und einem Gradienten des Brechungsindex, der in der Nähe der optischen ι >

Achse innerhalb achssenkrechter Ebenen eine fortschreitende Abnahme vom Zentrum zur Umfangsfläche im wesentlichen in quadratischer Abhängigkeit mit dem Abstand vom Zentrum verläuft, wobei der Wert a in der oben angegebenen Gleichung 0,63 mm-² in der Nähe des Faserzentrums beträgt, nämlich innerhalb eines zentralen Kreises von 20 μηι Durchmesser.

In der Oberfläche der Glasfaser erfolgt ein Ionenaustausch zwischen den Alkaliionen der Mantelschicht und den Alkaliionen der Salzmischung. Normalerweise dringen die Alkaliionen der Salzmischung nicht in den Kernteil in einem solchen Ausmaß ein, das die Verteilung des Brechungsindex innerhalb der Faser nachteilig beeinflussen würde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Lichtleitglasfasern mit parabolischer Verteilung des Brechungsindexes durch Ionenaustausch, bei dem eine aus einen? Kern und Mantel bestehende Glasfaser erwärmt wird, wobei aus dem Mantel in den Kern Ionen mit einem kleineren Beitrag zum Brechungsindex diffundieren und aus dem Kern in den Mantel Ionen to mit einem größeren Beitrag zum Brechungsindex diffundieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser in einer Schmelze erwärmt wird, deren Temperatur auf einen Wert eingestellt wird, bei dem die Viskosität des Glases niedriger als is 10⁹NsZm², und daß die Dichte der Schmelze um weniger als 0,4 g/cm³ von der Dichte des Glases bei der Behandlungstemperatur abweicht

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Schmelze um weniger als 0,2 g/cm³ von der Dichte des Glases bei der Behandlungstemperatur abweicht

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmelze ein oder mehrere anorganische Metallsalze, Metalle und/oder Metalloxide in einer stabilen flüssigen Phase, die nicht oder wenig erodierend auf die Glasfaser wirkt, angewandt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Schmelze auf einen Wert eingestellt wird, bei dsm Viskosität des Glases niedriger als 10³ Ns/m² ist

5. Verfahren nach einen; der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird, wobei gleichzeitig die Glasfaser gezogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser r.ach dem Rohrstabziehverfahren gezogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Glasfaser auf einer Doppeldüse gezogen wird, deren Innendüse eine Glasschmelze mit Ionen höheren Beitrags zum Brechungsindex und deren äußerer Ringdüse eine Glasschmelze mit Ionen kleineren Beitrags zum Brechungsindex zugeführt wird.