DE2122896B2 - Optischer wellenleiter in form einer glasfaser - Google Patents
Optischer wellenleiter in form einer glasfaserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft optische Wellenleiter aus Glas in Form von Glasfasern.
Die Datenübertragung, z. B. auf dem Gebiet der Fernmeldetechnik, kämpft, seit längerem mit der
zunehmenden starken Besetzung und Überlastung der verfügbaren Frequenzbänder. Der seit kurzem erschlossene Frequenzbereich von lO'-lO9 Hertz ist schon
wieder überlastet, so daß an der Aufschließung des Bands von 10'-1012 Hertz gearbeitet wird. Ein
Bedürfnis nach weiteren Frequenzbereichen bis zum sichtbaren Lichtspektrum bei etwa 1015 Hertz ist bereits
abzusehen. Für das zukünftige optische Nachrichtensystem werden zuverlässige optische Wellenleiter benötigt.
Als optische Wellenleiter geeignete Fasern müssen eine Reihe besonders kritischer Anforderungen erfüllen,
die zu erreichen äußerst schwierig und problematisch ist (vgl. die allgemeinen Ausführungen zur spezifischen
Natur und Problematik optischer Wellenleiter bei N. S. K a ρ a η y, Fiber Optics - Principles and Applications
[1967} sowie in dem Aufsatz von E. S η i t ζ e r, Journal
of the Optical Society of America, Bd. 51, Nr. 5, und die US-PS 31 57 726).
Grundlegend wichtig ist die Lichtfortpflanzung, oft auf weite Strecken, ohne übermäßige Dämpfung,
Dispersion und Streuung. Eine Besonderheit dieser optischen Fasern liegt ferner in der Notwendigkeit einer
sorgfältigen und genauen Koordinierung wesentlicher physikalischer Merkmale und Parameter. Während in
gewöhnlichen optischen Fasern dem Erfordernis, das Licht weitgehend in der Faser zu halten, also möglichst
wenig entweichen zu lassen, schon durch eine möglichst große Brechungsindexdifferenz von Kern und Mantel
und gegebenenfalls eine lichtabsorbierende Mantelschicht genüge getan werden kann, gelten für optische
Wellenleiter weitaus komplexere Regeln, die beispiels-
weise eine besonders genaue gegenseitige Abstimmung des Kerndurchmessers, des Brechungsindex des Kerns
und des Brechungsindex des Mantels verlangen.
Erhebliche Schwierigkeiten entstehen durch die für optische Wellenleiter kennzeichnende Beschränkung
der Lichtfortpflanzung auf weniger als die GesEmtheit
der den Lichtstrahl aufbauenden Wellenformen oder Moden. Die Beschränkung auf eine Vielzahl, aber nicht
alle Moden geht oft bis zur Einschränkung auf nur wenige Moden oder sogar nur eine einzelne Mode, was
ίο u. U. besonders günstig sein kann. Wie K a ρ a η y
a.a.O. ausführt, verlangt diese Modenbeschränkung eine Koordinierung der Werte a = Radius des Faserkerns, J7i = Brechungsindex des Kerns und /I2 = Brechungsindex des Mantels dergestalt, daß bei abnehmen-
dem Kernradius a die Differenz n\ — /?2 größer ausgelegt
werden muß und umgekehrt. Schon bei Fasern mit sehr dünnem Kern ist die für optische Wellenleiterfasern
benötigte Brechungsdifferenz m - n2 sehr klein, z. B.
10~2 bei einem 1 μπι dicken Kern, dagegen nur \0~* bei
einem 1 mm dicken Fasernkern.
Ferner dürfen an den Grenzflächen von Kern und Mantei mit derart geringer, aber notwendiger Brechungsdifferenz keine nennenswerten Lichtstreuzentren, z. B. infolge von gasförmigen Einschlüssen,
aber scharfe Brechungsgrenze von Kern und Mantel
verwischen und das fortgepflanzte Licht unerwünscht
streuen.
bekannt, welche aus feinteiliger Kieselsäure und einem oder mehreren Oxiden von seltenen Erden bestehen, die
gegebenenfalls auch in Faserform für den beabsichtigten Einsatz als Lymineszenzgerät vorliegen können,
wobei die Oxide bestimmter seltener Erden wie
Europium und Terbium den Lumineszenzeffekt stark
erhöhen. Diese Gläser · sind für den* Einsatz als Lumineszenzgeräte zugeschnitten und als optische
Wellenleiter nicht als solche geeignet. Die besonaeic für
Wellenleiter geltende Problematik ist nicht beriicksich
tigt und nicht erkannt.
Die DT-OS 19 13 358 betrifft optische Wellenleiter
und ihre Herstellung, wobei Unterschiede im Brechungsindex eines Glaskörpers durch im Wege des
differentiellen lonenaustausches erzielte Konzentra
tionsänderungen bestimmter Kationenarten bewirkt
werden sollen. Wie die Erfahrung lehrt, sind Ionenaustauschprozesse aber nicht so fein steuerbar, daß die aus
den obenerwähnten Gründen kritische und scharfe Grenze im Brechungsindex bei oft kleinster Sndexdiffe
renz mit der erforderlichen Genauigkeit einstellbar und
beherrschbar ist. Ferner kann die für die Lichtfortpflanzung auf größure Strecken wesentliche geringe
Dämpfung, Streuung und Dispersion nicht erreicht werden.
6s Die Erfindung hat optische Wellenleiter in Form von Glasfasern zur Aufgabe, welche mit weitgehend
herabgedrückter Dämpfung, Dispersion und Streuung arbeiten und eine genaue Einstellung der Brechungsin-
dexdifferenz von Kern und Mantel gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Wellenleiter in Form einer Glasfaser, bestehend aus
einem Mantel und einem Kern mit höherem Brechungsindex als der Mantel, gelöst, in welchem Kern und
Mantel aus reinem Kieselsäureglas (SiO2 mit höchstens 5 Gew.-% Wasserstoff und höchstens 0,1 Gew.-%
Verunreinigungen) besteht und zur Einsteilung der Brechungsdifferenz zwischen Mantel und Kern das Glas
des Kerns und wahlweise auch das Glas des Mantels ein Dotierungsmittel enthalten.
Obwohl ein Kieselsäureglas infolge seiner großen Härte und schweren Bearbeitbarkeit an sich weniger
günstig als andere Gläser erscheinen sollte, ist gerade ein solches, sehr reines, nämlich nicht mehr als 0,1
Gew,-% Verunreinigungen und nicht mehr als 5 Gew.-% Wasserstoff enthaltendes Glas für die aus den
oben erläuterten Gründen notwendige präzise Einstellung kleiner Brechungsindexdifferenzen, niedrige
Dämpfung, Dispersion und Streuung in hohem Maße günstig und fortschrittlich.
Weitere günstige Ausbildungen des Erfindungsgegenstandes
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Unteransprüchen.
In der Zeichnung zeigen die
F i g. 1 und 2 perspektivisch bzw. im Querschnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der F i g. 1 einen optischen
Wellenleiter. Die
F i g. 3 zeigt als Schaubild den Einfluß verschiedener Dotiermittel auf den Brechungsindex.
Nach einer am leichtesten herzustellenden Ausbildung ist nur der Kern 30 des Wellenleiters 10 mit
Dotiermaterial versehen, während der Mantel 20 aus reinem Kieselsäureglas, nämlich einem Glas aus reiner
Kieselsäure ohne andere Bestandteile als SiO2, außer bis
zu 0,1 Gew.-% Verunreinigungen oder bis zu 5 Gew.-% Wasserstoff, besteht. Die Menge des Dotiermittels wird
hierbei so sorgfältig dosiert, daß die erforderliche, präzise Differenz des Brechungsindex von Kern und
Mantel erzielt wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind sowohl Kern als auch Mantel dotiert, und zwar mit dem gleichen
Dotiermittel, aber in genau dosierten, verschiedenen Mengen, z. B. größerer Menge im Kern als im Mantel.
Schließlich können auch verschiedene Dotiermittel ^5
verwendet werden, wobei die Menge u. U. gleich sein kann, sofern der erforderliche Brechungsunterschied
erzeugt wird. Infolge der größeren Maße des Mantels kann die Dotiermenge in diesem u. U. auch erheblich
größer sein als im Kern. ·
Diese Ausgestaltungen sind oft dann besonders günstig, wenn eine gute Übereinstimmung physikalischer
Eigenschaften, wie Anlaß- oder oberer Spannungspunkt, Wärmedehnung, Viskosität usw., erforderlich
ist. Nieist erleich'tert eine solche Übereinstimmung die Herstellung ganz wesentlich, insbesondere die sonst
beim Ausziehen auftretenden Probleme wie Entglasung, zu starke innere Spannung, zu großer Viskositätsunterschied.
Vorzugsweise beträgt das Dotiermittel daher nicht mehr als 15% des Glases. Besonders günstig ist die
durch die Dotierung genau einstellbare, sehr geringe Differenz der Brechungsindizes von Kern und Mantel
des Wellenleiters. Der Kerndurchmesser kann entsprechend größer ausgeführt werden, was die Herstellung
erleichtert. Da Kieselsäureglas mit großer Reinheit herstellbar ist, kann durch genaue Dosierung des
Dotiermittels eine sehr präzise Differenz erreicht wi»rrlpn
Eine wesentliche Verbesserung wird durch die günstigen Eigenschaften des reinen Kieselspureglases
erzielt, wie geringe Absorption und geringe Streuung von Lichtenergie, Fehlen von Übergangsmetalloxiden,
Farbstoffen usw. Die Streuung wird auch durch den Einbau der Dotiermittel nicht wesentlich verstärkt.
Die große Härte von Kieselsäureglas und die hohe Temperaturfestigkeit sind weitere Vorteile.
Zahlreiche Dotiermittel sind als Zusatz in kleinsten Mengen zur Einstellung des Brechungsindex geeignet
Für die Auswahl des Dotiermittels kommt es dabei wesentlich darauf an, ob dessen Diffusion erforderlich
oder unerwünscht ist Mitunter wird der Kern mit verkleinertem Durchmesser ausgezogen und durch
Diffusion des Dotiermaterials auf die erforderliche Stärke gebracht Geeignet sind hierfür Dotiermittel, die
Alkaliionen enthalten; Caesium und Rubidium sind besonders günstig.
In den meisten Fällen soll das Dotiermittel dagegen nichl in das Kieselsäureglas diffundieren, insbesondere
nicht aus dem Kern in das Mantelglas, und zwar weder bei der Herstellung noch beim späteren Gebrauch. Eine
Erhöhung des Kerndurchmessers durch Diffusion würde die Selektivität des Wellenleiters· für bestimmte
Wellenformen unerwünscht ändern. Geeignete Dotiermittel mit minimaler Diffusion sind z. B. die mehrwertigen
Metalloxide, wie die Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niobium, ΖΌ-kon, Ytterbium, Lanthan oder Aluminium.
Durch Zusatz eines oder mehrerer dieser Oxide wird der Brechungsindex des Glases in geregelter Weise
erhöht. Meist besteht ein lineares Verhältnis zwischen der Menge des Zusatzes und sowohl dem absoluten
Brechungsindex als auch der Differenz oder Zunahme, vgl. die F i g. 3, in der der Oxidzusatz in Gew.-% auf der
Waagerechten und der Brechungsindex auf der Senkrechten abgetragen ist. Der Bruch in der Kennlinie
für TiO2 und Ta2O5 beruht vermutlich auf Strukturänderungen
im Glas. Aus dem Schaubild der F i g. 3 läßt sich die jeweils erforderliche Menge des Zusatzes ohne
weiteres errechnen.
Wird z. B. eine Brechungsindexdifferenz zwischen Kern und Mantel aus Kieselsäureglas (i,4584) von
0,0164 gewünscht, so muß die Brechung des Kerns 1,4748 betragen, und die Zusammensetzung für ZrO2 als
Dotiermittel beträgt annähernd 5,4% ZrO2 und 94,6% S1O2; sollen sowohl der Kern als auch der Mantel dotiert
werden, so ist die Zusammensetzung 98% SiO2 und 2% ZrO2 für den Mantel, 92,6% SiO2 und 7,4% ZrO2 für den
Kern.
Für einen Zusatz aus 5% Al2O3 zu 95% SiO2 im
Mantel wäre der Brechungsindex 1,4633, und der des Kerns müßte auf 1,4797 eingestellt werden, was einen zu
hohen Al2O3-Zusatz bedingen würde. Die Differenz läßt
sich hier aber durch 93,7% SiO2 und 6,3% TiO2
erreichen.
Der zulässige Zusatz wird in der Regel nur durch die ohne spätere Kristallbildung schmelz- und lösbare
Menge begrenzt
Aluminiumoxid kann z. B. bis zu 40%, andere Oxide bis zu 25%, TiO2 bis zu 20% und ZrO2 und Nb2Os bis zu
5% beigegeben werden. Soll eine gute Übereinstimmung anderer physikalischer Merkmale erzielt werden,
so wird das Dotiermittel zweckmäßig unter 15% gehalten.
Die Herstellung des Wellenleiters kann auf verschiedene Weise erfolgen. Nach einem Verfahren werden ein
Glasrohr und ein Glass1 ab getrennt hergestellt und sodann zu einem Wellenleiter aus Kern und Mantelglas
vereinigt, indem der Glasstab in das Rohr gesteckt,
beide erhitzt und zusammen ausgezogen werden, bis das Rohr um den Stab zusammenfällt und mit diesem
verschmilzt Die hierzu erforderlichen Gläser können in bekannter Weise durch Erschmelzen eines Ansatzes aus S
Kieselsäure und Dotiermittel oder nach dem Flammhydrolyseverfahren gemäß US-PS 23 26 059 oder nach
einem Gelierverfahren hergestellt werden Da die Gläser aber sehr feuerfest (refraktär) sind und die für
optische Wellenleiter erforderliche Homogenität auf to diese Weise nur schwer zu erreichen ist, wird ein
modifiziertes Flammhydrolyseverfahren bevorzugt
Nach diesem Verfahren wird eine geeignete Mischung hydrolysierbarer Verbindungen von Silizium und
Dotiermittel in Dampfform von einem trockenen Trägergas, z. B. Sauerstoff, durch einen Brenner geführt
und dabei durch Flammhydrolyse oxidiert. Die Oxide schmelzen in der Flamme und werden als Glas auf
einem Dorn oder dergleichen niedergeschlagen, bis ein
größerer Glasklumpen entsteht Dieser kann nach to Entnahme zur Inspektion auf Zimmertemperatur
gekühlt oder in einen Ofen gebracht und angelassen, d h. auf den Anlaß- oder oberen Spannungspunkt
gekühlt sowie anschließend zurechtgeschnitten und weiter bearbeitet oder ausgezogen werden.
Hierfür sind alle hydrolysierbaren Siliziumverbindungen und Dotiermittel geeignet Ein flüssiger Ansatz ist
möglich, wenn die Verbindungen in Mischung verträglich sind und geeignete Dampfdrücke haben. Andernfalls werden sie getrennt verdampft und im erforderli-
chen Verhältnis, gegebenenfalls unter Erhitze;) zwecks Vermeidung von Kondensation, zusammengeführt.
Bevorzugt werden die leicht zugänglichen und billigen Metallchloride, deren Nebenprodukte auch gut
zu kontrollieren sind. Andere hydrolysierbare Verbin- 3s
düngen sind aber ebenfalls geeignet, wie z. B. die übrigen Haiide und organometallische Verbindungen.
Als Trägergas sind alle mit den Dämpfen nicht reagierenden Gase geeignet, wie z. B. Stickstoff, aber
auch Sauerstoff, Naturgas usw. Für die Flammhydrolyse wird günstigerweise ein Sauerstoffbrenner und als
Trägergas Sauerstoff oder Naturgas verwendet. Das Trägergas muß trocken sein, um eine vorzeitige
Hydrolyse der Dämpfe und ein Verstopfen von Leitungen usw. zu vermeiden.
Die Herstellung des Wellenleiters kann auch nach dem Verfahren der DT-OS 21 22 895 vorgenommen
werden, d. h. durch Aufbringen eines dotierten Kieselsäurefilms auf die Innenwand eines Kieselsäureglasrohrs, Erhitzen zwecks Bildung einer Materialschichi
bzw. eines Glasfilms, und Ausziehen zu einer festen Faser, deren Kern durch die Materialschicht bzw. den
Film gebildet wird. Das Glasrohr wird dabei in der oben erläuterten Weise hergestellt und die Schicht aus
feinteiligen Glaspartikeln [englischer Fachausdruck »soot of glass« (Glasruß)] durch Flammhydrolyse auf die
Innenwand des Rohrs bis zur gewünschten Dicke aufgebracht, anschließend das Rohr zur Verglasung der
aufgebrachten Schicht erhitzt und erweicht, bis es zu einem festen Stab oder einer festen Faser zusammenfällt Der erweichte Glasstab kann dann zur gewünschten Größe ausgezogen werden.
Die Lichtübertragung von Wellenleitern mit Titanoxyiddotierung kann durch Ausziehen in Sauerstoff und
anschließende Wärmebehandlung, z.B. Erhitzen auf 500-10000C für mindestens 30 Minuten Sauerstoff
verbessert werden. Die Dauer der Wärmebehandlung ist dabei um so kürzer, je höher die Temperatur ist
Als Beispiel eines erfirtdungsgemäßen Wellenleiters
wurde ein mit Titanoxid dotierter, 1,5—2 μΐη starker
Kieselsäurefilm auf die Innenwand eines Rohrs aus reinem Kieselsäureglas mit einem Außendurchmesser
von 1,9 cm und einer lichten Weite von 0,6 cm
aufgetragen (Zusammensetzung des Films 94,75% Kieselsäureglas, 5,25% Titanoxid). Das Rohr wurde in
Sauerstoff erhitzt bis das Material gezogen werden konnte (bei ca. 19000C). Das Rohr wurde ausgezogen,
bis ein fester Stab mit dem Film als Kern und dem Rohr
als Mantel entstand. 'Der feste Stab wurde weiter bis auf einen Durchmesser von etwa ΙΟΟμίτι gezogen. Der
Kern hatte nun einen Durchmesser von etwa 3 μπι. Sein
Brechungsindex war etwa 1,466, während der Brechungsindex des Mantels annähernd 1,4584 betrug.
Zuletzt wurde der fertig gezogene Stab bzw. die Faser drei Stunden bei 8000C in Sauerstoff warm behandelt
Claims (8)
1. Optischer Wellenleiter in Form einer Glasfaser, bestehend aus einem Mantel und einem Kern mit
höherem Brechungsindex als der Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß Kern und
Mantel aus reinem Kieselsäureglas (SiO2 mit
höchstens 5 Gew.-% Wasserstoff und höchstens 0,1 Gew.-% Verunreinigungen) besteht und daß zur
Einstellung der Brechungsdifferenz zwischen Mantel und Kern das Glas des Kerns und wahlweise auch
das Glas des Mantels ein Dotierungsmittel enthalten.
2. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmittel aus einem
mehrwertigen Metalloxid besteht.
3. Wellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid wenigstens aus einem
der Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niobium, Zirkonium, Ytterbium, Lanthan und Aluminium
besteht.
4. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmittel Alkaliionen
enthält.
5. Wellenleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmittel Caesium-
und/oder Rubidiumionen enthält.
6. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß Kern und Mantel
Dotierungsmittel der gleichen Art enthalten.
7. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus wenigstens 85 Gew.-% Kieselsäureglas und bis zu 15
Gew.-% Dotierungsmittel besteht.
8. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus 94,75 Gew.-% Kieselsäureglas und 5,25 Gew.-% Titanoxid besteht.
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