DE2202787A1

DE2202787A1 - Lichtleitfaser

Info

Publication number: DE2202787A1
Application number: DE19722202787
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dipl-Phys Dr Rau
Original assignee: Heraeus Schott Quarzschmelze GmbH
Current assignee: Heraeus Schott Quarzschmelze GmbH
Priority date: 1972-01-21
Filing date: 1972-01-21
Publication date: 1973-07-26
Also published as: NL7300819A; JPS4883839A; CH580820A5; DE2202787B2; FR2168451A1; GB1382196A; FR2168451B1

Description

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Hanau, den 20. Jan. 1972
PA-Dr.Hn/ku

Heraeus-Schott Quarzschmelze GmbH, Hanau/Main

Patentanmeldung

"Lichtleitfaser"

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser mit einem Kern aus glasigem Werkstoff und mit einem den Kern umhüllenden, mit ihm verschmelzenden Mantel aus glasigem Werkstoff, wobei der Brechungsindex des Kernwerkstoffes größer ist als der Brechungsindex des Mantelwerkstoffes.

Lichtleitfasern mit einem glasigen Kern und einem glasigen Man tel, bei denen der Brechungsindex des Kerns größer ist als der des Mantels, sind bekannt. Als Kernwerkstoff werden Glas oder Quarzglas und als Mantelwerkstoff Glas benutzt. Das in den Kern der Lichtleitfaser eingeleitete Licht wird an der Grenzfläche Kern-Mantel durch Totalreflexion in den Kern reflektiert. Das eingeleitete Licht durchläuft optisch-geometrisch gesehen die Faser in Zickzack-Form. Kerndurchmesser im Bereich von etwa

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O_f5 bis 30 /um gewährleisten üblicherweise eine Weiterleitung
des eingeleiteten Lichtsignals ohne Phasenänderung, wenn sie
dabei der Gleichung

d Si. 2.405
Kern π

2 2
Kern " ⁿ Mantel

genügen, wobei λ die Wellenlänge des eingeleiteten Lichtes

ⁿKern ⁼ Brechungsindex des Kernmaterials
"Mantel ⁼ Brechungsindex des Mantelmaterials
und d_Kern = Kerndurchmesser ist.

Eine solche Weiterleitung von Lichtsignalen wird als "monomode" Weiterleitung bezeichnet. Die Lichtenergie wird dabei zum überwiegenden Teil im Kern transportiert, zum Teil aber auch in dem ihn umhüllenden Mantel, und zwar dort innerhalb einer zylinderförmigen Schicht. Diese zylinderförmige Mantelschicht grenzt an die Kernoberfläche an und ist bis zu 15 /um dick. Während nach
der klassischen Theorie der Totalreflexion die Lichtenergie
(Lichtvektor) in dieser zylinderförmigen Mantelschicht in einer Schichtdicke von einer Wellenlänge des eingeleiteten Lichts auf den Betrag 1/e abgefallen ist, muß man nach neuerer Theorie mit einem langsameren Abfall der Lichtenergie rechnen. Bei der Weiterleitung des in die Faser eingeleiteten Lichts ist daher der
in der zylinderförmigen Mantelschicht weitergeleitete Teil gegenüber dem im Kern weitergeleiteten Teil nicht vernachlässigbar, insbesondere dann nicht, wenn die Lichtsignal-Weiterleitung über weite Entfernungen erfolgt. Um eine möglichst ungeschwächte Weiterleitung von in die Lichtleitfaser eingeleiteten Lichtsignalen über weite Entfernungen zu erzielen, ist es somit erforderlich, Lichtverluste im Kern und im Mantel der Lichtleitfaser so gering wie möglich zu halten.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Lichtleitfaser der eingangs beschriebenen Gattung zur monomoden Weiterleitung von Lichtsignalen, bei der die Lichtverluste im Kern oder im Mantel möglichst klein sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kern oder der Mantel aus einem in wasser-, wasserstoff, und metallionenfreier Atmosphäre, insbesondere in reiner Stickstoff-, Sauerstoff- oder Edelgasatmosphäre, aus Siliziumhalogenid, vorzugsweise Siliziumtetrachlorid, hergestellten synthetischen Quarzglas besteht, das weniger als 5 ppm Metallionenverunreinigungen, weniger als 5 ppm OH-Ionen und weniger als 12 mit dem bloßen Auge sichtbare Streuzentren pro cm^ enthält.

In bevorzugter AusfUhrungsform weist die erfindungsgemäße Licht leitfaser einen Kern aus üblichem Quarzglas oder Glas mit einem SiO₂-Gehalt von mehr als 80 % auf. Dieser Kern ist von einem Mantel aus synthetischem Quarzglas mit den vorgenannten Eigenschaften eingehüllt. Diese synthetische Quarzglasschicht ist wenigstens 5 /um dick. Als Mantel ist vorteilhafterweise eine Kapillare aus dem synthetischen Quarzglas auf den Kern aufgeschmolzen. Es wurde festgestellt, daß sich bei einer so aufgebauten Lichtleitfaser durch Verwendung von "OH-freiem" Quarzglas oder Glas - das ist Quarzglas oder Glas, dessen OH-Gehalt aufgrund besonderer bekannter Behandlungen während seiner Herstellung und/oder Verformung auf Werte im Bereich von 5 bis 35 ppm OH-Ionen vermindert wurde - als Kernmaterial die Lichtverluste für durch diese Faser geleitete Lichtsignale noch vermindern lassen.

Auch Lichtleitfasern, bei denen der Kern aus dem synthetischen Quarzglas mit den oben genannten Eigenschaften besteht, haben

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sich bewährt. Diese Fasern weisen einen auf den Kern aufgeschmolzenen Mantel aus Quarzglas oder Glas auf, das einen niedrigeren Brechungsindex als der Kernwerkstoff besitzt. Für einen Brechungsindex von n_ß *» 1,4588 für den Kernwerkstoff aus synthetischem Quarzglas ist als Mantelwerkstoff ein Quarzglas oder Glas zu verwenden, dessen Brechungsindex kleiner ist als dieser Wert.

Um zu vermeiden, daß von außen Falschlicht in die Lichtleitfaser gelangen kann, ist es vorteilhaft, den Mantel mit einer lichtabsorbierenden oder Licht nach außen reflektierenden Schicht zu umhüllen. Dies kann durch Aufbringen eines Farbanstriches, durch Aufschmelzen einer Kapillare aus einem lichtabsorbierenden Quarzglas oder Glas erfolgen oder man bringt auf die Mantel-Außenoberfläche einen Reflexionsbelag, beispielsweise einen Spiegelbelag, auf.

Die bisher verwendeten glasigen Werkstoffe zur Herstellung von Lichtleitfasern weisen bei einer Wellenlänge von 1,06 /U Lichtverluste in der Größenordnung von 10 bis 50 dB/km (Decibel pro km) auf, In der Masse gemessen. Bei erfindungsgemäßen Lichtleitfasern mit einem Kern oder Mantel aus synthetischem Quarzglas ergeben sich geringere Lichtverluste als bei bekannten Lichtleitfasern, was darauf zurückzuführen ist, daß das synthetische Quarzglas mit weniger als 5 ppm Metallionenverunreinigungen, weniger als 5 ppm OH-lonen und weniger als 12 mit dem bloßen Auge sichtbaren Streuzentren pro cm3 bei der Wellenlänge von 1,06 /U nur Lichtverluste mit einigen dB/km, beispielsweise 2,5 dB/km, in der Masse gemessen, besitzt.

Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Lichtleitfaser mit einem Kern aus Quarzglas oder Glas mit einem SiO₂-Gehalt von mehr als 60 % und mit einem Mantel aus synthetischem Quarzglas erfolgt beispielsweise wie nachstehend beschrieben:

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Ausgangsprodukte bilden ein Stab aus Quarzglas oder hochsilikatischem Glas mit kreisförmigem Querschnitt und einem Durchmesser von beispielsweise 5 mm sowie ein Kapillarrohr mit kreisförmigem Querschnitt aus synthetischem Quarzglas mit einem Innendurchmesser von beispielsweise 5,5 mm und einem Außendurchmesser im Bereich von 50 bis 80 mm. Es ist selbstverständlich darauf zu achten, daß die Oberfläche des Stabes und die Innenoberfläche des Kapillarrohres sauber und unbeschädigt sein müssen. Der den Kern der Faser bildende Stab wird in dem den Mantel der Faser bildenden Kapillarrohr koaxial angeordnet und die so gebildete Einheit in eine Glasdrehbank eingespannt. Die Einheit aus Stab und Kapillarrohr wird dann von außen mittels wasser- und wasserstofffreier Heizquellen stetig steigend bis auf eine Temperatur dicht unter dem Erweichungspunkt des Teils, der den niedrigsten Schmelzpunkt besitzt, erhitzt. Während dieser Erhitzung wird durch den beispielsweise 0,5 mm breiten Spalt zwischen Stab und Kapillarrohrinnenoberflache reinstes, partikelfreies Spülgas, wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff oder ein Edelgas oder eine Mischung aus solchen Spülgasen, hindurchgeleitet. Hierdurch werden alle während der Erhitzung abdampfenden Oberflächenverunreinigungen weggespült. Streuzentren bildende und damit Extinktion verursachende Verunreinigungen, wie Flecken, Punkte und Einschlüsse, zeigen als artfremde Stoffe ein vom Werkstoff des Stabes oder des Kapillarrohres unterschiedliches Emissionsverhalten. Sie sind mit dem bloßen Auge, besonders, wenn in einem abgedunkelten Raum gearbeitet wird, beim Abkühlen der Einheit gut zu erkennen. Den Spül- und damit Reinigungsvorgang kann man also leicht mit dem Auge kontrollieren dadurch, daß man die Beheizung der Einheit aus Stab und Kapillarrohr kurzzeitig unterbricht und den Abkühlvorgang der stark glühenden Einheit beobachtet. Das oben beschriebene Durchleiten von Spülgas durch den Spalt zwischen dem erhitzten Stab

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und dem Kapillarrohr wird so lange fortgesetzt, bis nur noch weniger als 6 Streuzentren pro cm² an der Grenzfläche Stab/ Kapillarrohr, d. h. an der Innenoberfläche des Kapillarrohres bzw. der Außenoberfläche des Stabes, beobachtet werden. Danach wird im Spalt zwischen Stab und Kapillarrohr eine Spülgasatmo- . Sphäre aufrechterhalten, deren Druck kleiner als Atmosphärendruck ist, und die erhitzte Einheit von einem Ende her fortschreitend so stark erhitzt, daß Kapillarrohr und Stab miteinander verschmelzen. Das so gewonnene Produkt kann dann in einem oder mehreren Arbeitsgängen in üblicher Weise zu einer Lichtleitfaser mit einem Kerndurchmesser im Bereich von 0,5 bis 30 /um ausgezogen werden.

Bewährt hat es sich, das Produkt zu einem Stab von beispielsweise. 5 mm Durchmesser auszuziehen und diesem Stab in der vorbeschriebenen Weise wiederum ein Kapillarrohr aus synthetischem Quarzglas aufzuschmelzen und erst dann aus diesem zylinderförmigen Produkt die Lichtleitfaser auf den gewünschten Kerndurchmesser im Bereich von 0,5 bis 30 /um auszuziehen.

Die so hergestellte Lichtleitfaser kann nun noch mit einer lichtabsorbierenden Schicht oder einer Licht nach außen reflektierenden Schicht versehen werden, um das Eindringen von Falschlicht von außen in die Faser zu vermeiden. Zu diesem Zweck kann die ausgezogene Lichtleitfaser durch ein Farbstoffbad hindurchgezogen werden. Eine reflektierende Schicht anstelle der Farbstoffschicht kann beispielsweise durch Aufdampfen eines Metalls erzeugt werden.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Lichtleitfasern in Ansicht dargestellt.

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Figur 1 zeigt eine Lichtleitfaser mit einem Kern 1 aus OH-freie Glas mit einem Siliziumgehalt von Über 80 %. Dieser Kern ist umhüllt von einem Mantel 2 aus synthetischem Quarzglas, welches weniger als 5 ppm Metallionenverunreinigungen, weniger als 5 ppm OH-Ionen und weniger als 12 mit dem bloßen Auge sichtbare Streuzentren pro cm^ enthält.

Figur 2 zeigt eine Lichtleitfaser. Im Gegensatz zu Figur 1 besteht bei dieser Faser der Kern 3 aus synthetischem Quarzglas mit den vorgenannten Eigenschaften. Dieser Kern ist umhüllt von einem Mantel 4 aus Glas.

Figur 3 stellt eine Faser gemäß Figur 1 dar. Der Mantel 2 ist umhüllt von einer lichtabsorbierenden Schicht 5, beispielsweise einer auf den Mantel aufgebrachten Farbstoff schicht.

Figur 4 zeigt eine Lichtleitfaser gemäß Figur 2. Ihr Mantel 4 ist mit einem reflektierenden Belag 6 versehen, so daß von außen auf die Faser auftreffendes Licht (Pfeil 7) wieder nach außen reflektiert wird und nicht in das Innere der Faser gelangen kann.

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Claims

Patentansprüche

j 1J Lichtleitfaser zur monomoden Weiterleitung von Lichtsignalen, bestehend aus einem Kern aus glasigem Werkstoff und einem den Kern umhüllenden, mit ihm verschmolzenen Mantel aus glasigem Werkstoff, wobei der Brechungsindex des Kernwerkstoffes größer ist als der Brechungsindex des Mantelwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern oder der Mantel aus einem in wasser-, wasserstoff- und metallionenfreier Atmosphäre, insbesondere in reiner Stickstoff-, Sauerstoff- oder Edelgasatmosphäre, aus Siliziumhalogenid, vorzugsweise Siliziumtetrachlorid, hergestellten synthetischen Quarzglas besteht, das weniger als 5 ppm Metallionenverunreinigungen, weniger als 5 ppm OH-Ionen und weniger als 12 mit dem bloßen Auge sichtbare Streuzentren pro cm^ enthält.
2. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus Quarzglas oder. Glas mit einem SiOp-Gehalt von mehr als 80 % besteht und der diesen Kern einhüllende Mantel eine wenigstens 5 /um dicke Schicht aus synthetischem Quarzglas aufweist, die sich unmittelbar an die Kernoberfläche anschließt.
3. Lichtleitfaser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einer auf den Kern aufgeschmolzenen Kapillare aus synthetischem Quarzglas besteht.
4. Lichtleitfaser nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus ⁿÖH-freiem^M Quarzglas oder Glas besteht.

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5. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus synthetischem Quarzglas und der auf diesen Kern aufgeschmolzene Mantel aus Quarzglas oder Glas besteht, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das synthetische Quarzglas.
6. Lichtleitfaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie weniger als 6 Streuzentrer pro cm² an der Grenzfläche Kern-Mantel aufweist.
7. Lichtleitfaser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel von einer lichtabsorbierenden oder einer Licht nach außen reflektierenden Schicht umhüllt ist.

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