DE2300013B2 - Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter - Google Patents

Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter

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Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus geschmolzener Kieselsäure und der Kern aus dotierter geschmolzener Kieselsäure besteht
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotiermittel eines oder mehrere der Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niobium, Zirkonium, Aluminium, Lanthan oder Germanium ist
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter, bestehend aus einem Mantel und einem Kern mit höherem Brechungsindex als dem des Mantels.
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 106—109 Hertz ist schon wieder überlastet, so daß an der Aufschließung des Bands von 109—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 Lichtleiter benötigt.
Hierfür sind optische Fasern mit einem Kern und einem diesen umgebenden Mantel mit jeweils verschiedenem Brechungsindex grundsätzlich geeignet, vgl. hierzu sowie hinsichtlich der Einzelheiten des Aufbaus und der Wirkungsweise optischer Wellenleiter die US-PS 31 57 726, DE-OS 21 22 896 sowie E. Snitzer in Journal of the Optical Society of America, Bd. 51, S. 491 -498 und N. S. Kapany, Fiber Optics, (1967).
Die Herstellung optischer Fasern erfolgt bisher in der Weise, daß ein Glasstab aus einem für den Faserkern geeigneten Glas in ein Glasrohr aus einem für den Fasermantel bestimmten Glas gesteckt und erhitzt wird, bis die Viskosität das Ziehen des Rohres mit dem eingesteckten Stabkern gestattet. Beim Ausziehen fällt das Rohr nach innen zusammen und verschmilzt mit dem Stabkern. Es kann dann noch weiter gezogen werden, bis der erforderliche kleinere Durchmesser erreicht ist. Für ein bestimmtes Durchmesserverhältnis werden Rohr und Stabkern meist mit verschiedener Geschwindigkeit gezogen. Es verbleibt aber ein im Verhältnis zum Mantel sehr starker Kern; das Verhältnis des Gesamtdurchmessers zum Kerndurchmesser beträgt in der Regel 8 :7.
Aus der DE-OS 21 22 895 ist es bekannt, Lichtleitfasern mit Kern und Mantel in der Weise herzustellen, daß man die mechanisch und flammpolierte Innenwand eines Glasrohres mit einem dünnen Film eines glasigen Werkstoffes beschichtet, der den Kern der Lichtleitfaser
ίο bildet
Das innen beschichtete Glasrohr wird dann bis auf Ziehtemperatur erhitzt und zur Lichtleitfaser ausgezogen. Als Rohrwerkstoff wird beispielsweise Quarzglas verwendet; die Innenbeschichtung besteht dabei aus einem Kieselsäureglas, das mit einem den Brechungsindex erhöhenden Oxid dotiert ist
Wesentlich ist dabei eine möglichst geringe Dämpfung der Lichtübertragung, geringe Dispersion sowie möglichst weitgehende Ausschaltung von Nebensprechstörungen durch benachbarte Fasern.
Bekannte optische Fasern erfüllen diese Anforderungen nur unvollkommen. Weitere Schwierigkeiten entstehen durch Luftblasen, Verunreinigungen und dergleichen besonders an der Grenzfläche von Kern und Mantel.
Erwünscht ist ferner eine möglichst genaue Einstellbarkeit der unterschiedlichen Brechungsindices von Kern und Mantel, bei möglichst gleicher Wärmeausdehnung und Viskosität
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von optischen Fasern für Wellenleiter mit möglichst geringer Lichtstreuung, Absorption, Störung, insbesondere an der Grenzfläche von Kern und Mantel zur Führung des übertragenen Lichtes in bestimmten vorgewählten Wellenformen, wobei eine Glasschicht hoher Reinheit aus dem Kernglasmaterial auf eine Grundlage niedergeschlagen und ein im wesentlichen zylindrischer Glaskörper mit glatter, sauberer Oberfläche aus dieser Glasschicht geformt wird.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
a) Niederschlagung von Glaspartikeln aus dem Mantelglasmaterial auf der Oberfläche des Glaskörpers mittels Flammhydrolyse,
b) Sintern der Glaspartikeln zum Mantel und
c) Ziehen des überzogenen Glaskörpers zu einem optischen Wellenleiter mit einem Verhältnis des Gesamtdurchmessers zum Kerndurchmesser von 1001 :1000 bis 1000:1.
Weitere günstige Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Es zeigt
die F i g. 1 schematisch die Aufbringung eines Überzugs auf einen Glaszylinder;
die Fig.2 eine erfindungsgemäß hergestellte optische Faser während des Ausziehens im Längsschnitt;
die F i g. 3 und 4 die Faser im Querschnitt entlang der Schnittlinie 3-3 und 4-4 der F i g. 2.
Die F i g. 1 veranschaulicht als Beispiel die Aufbringung des Überzugs tO auf den Glaszylinder 12 mit einem Flammhydrolysebrenner 14, in dessen Flamme 16 eine Gas-Dampfmischung hydrolysiert und eine Schicht aus rußförmigen Glasteilchen 18 erzeugt wird. Der Zylinder 12 bildet den Kern mit einem größeren und der Überzug 10 den Mantel mit einem vergleichsweise kleineren
Brechungsindex, was für die Arbeitsweise der Erfindung wesentlich ist
AJs Glasmaterial ist mittels Flammhydrolyse gewonnene Kieselsäure, sogenanntes Kieselsäureglas besonders geeignet. Günstig sind auch gleiche physikalische Eigenschaften von Kern und Mantelglas. Kern und Mantel werden daher zweckmäßig aus dem gleichen Glas hergestellt, jedoch wird das Kemglas mit einem seinen Brechungsindex leicht erhöhenden Material dotiert. Hierzu sind zahlreiche Dotierstoffe geeignet, beispielsweise die Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niobium, Zirkonium, Aluminium, Lanthan oder Germanium. Die Dotiermenge ist aus einer Reihe von Gründen möglichst klein zu halten. Eine zu hohe Steigerung des Brechungsindexes macht aus noch zu erläuternden Gründen eine Verkleinerung des möglichen Kerndurchmessers notwendig. Zuviel Dotiermaterial erhöht auch die Verluste bei der Lichtübertragung. Die Dotiermenge wird daher vorzugsweise unter etwa 15 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung gehalten.
Der Glaszylinder kann z. B. durch Flammhydrolyse gemäß der US-PS 22 72 342 oder der US-PS 23 26 059 hergestellt werden. Als Beispiel sei eine Abwandlung des Verfahrens gemäß der letztgenannten Patentschrift zur Herstellung eines mit Titan dotierten Kieselsäureballens erläutert
Durch einen eine flüssige Mischung von etwa 53 Gew.-% SiCl4 und 47% TiCU mit einer Temperatur von 35° enthaltenden Behälter wird trockener Sauerstoff perlend geleitet Die vom Sauerstoff aufgenommenen SiCU- und TiCU-Dämpfe werden beim Durchgang durch eine Gas-Sauerstoff-Flamme hydrolysiert und bilden rußförmige Glasteilchen aus annähernd 95 Gew.-% SiO2 und 5 Gew.-% TiO2.
Der aus der Flamme tretende fortlaufende Strom aus rußförmigen Glasteilchen wird z. B. auf einer erhitzten Grundlage niedergeschlagen und sintert dabei sogleich; anderenfalls muß er gesondert gesintert werden. Die Größe des entstehenden Glasballens hängt von der niedergeschlagenen Glasmenge und diese wiederum von der Durchsatzgeschwindigkeit und der Niederschlagszeit ab.
Aus dem Glasballen kann nun ein Zylinder 12 ausgebohrt werden. Die Außenfläche des Zylinders muß sorgfältig poliert und gereinigt werden, um später unerwünschte lichtstreuende Unregelmäßigkeiten und Verunreinigungen der Oberfläche zu entfernen. Die Oberfläche kann mechanisch, durch Wärmezufuhr (Feuerpolitur) oder mit Laserstrahlen poliert werden; beispielsweise wird die rauhe Bohrfläche zunächst mechanisch vorpoliert und anschließend feuerpoliert Vor und nach jeder Politur muß die Oberfläche durch Waschen mit Flußsäure gereinigt werden.
Auf die polierte und gereinigte Fläche wird der Überzug 10 aus einem Glas mit den geeigneten Eigenschaften, insbesondere Viskosität Wärmeausdehnung und Brechungsindex durch Flammhydrolyse aufgetragen. Der Zylinder 12 rotiert dabei wie in F i g. 1 gezeigt Um einen Überzug mit geringerem Brechungsindex als dem des Kerns zu erhalten, wird der Überzug z. B. weniger stark oder gfir nicht dotiert.
Für die Verwendung i*ls optischer Wellenleiter muß die Glasfaser eine ausreichende Lichtmenge übertragen; es darf also nich' zu Viel Lichtenergie durch Abstrahlung von Lichtst^euui'ijszentren oder Absorption verloren gehen. Erfii'jungsgemäß wird die Entstehung von Lichtstreuuflgszentren infolge von Luftblasen oder Verunreinigungen an der Kern-Mantel-
Grenzfläche weitgehend ausgeschlossen. Zur Festlegung der Lichtioripflanzung in einer oder
mehreren bestimmten Wellenformen müssen der
Kerndurchmesser und der Brechungsindex des Kerns
und des Mantels durch die folgende Gleichung aufeinander abgestimmt werden:
worin
R
Grenzwert für die gewünschten Wellenformen (R = 2,405 bei Fortpflanzung in der Wellenform )
a — Kernradius;
λ = Wellenlänge des übertragenen Lichts (Natrium
licht = 5893 A);
πι = Brechungsindex des Kerns;
/J2 = Brechungsindex des Mantels.
(VergL: N. S. Capany, Fiber Optics, 1967, S. 49 - 58.)
Die Werte für a, Πι und /J2 können z. B. folgendermaßen ermittelt werden. Der Mantel besteht z. B. aus Kieselsäureglas, mit einem Brechungsindex von 1,4584
für Natriumlicht der Wellenlänge λ - 5893 A. Das Kernglas wird mit TiO2 in solchem Verhältnis zu SiOi dotiert, daß der Brechungsindex 1,466 beträgt und nur die gewünschten Wellenformen fortgepflanzt werden. Aus der obigen Gleichung kann der entsprechende
Kernradius a errechnet werden.
Die Lichtabsorptionseigenschaften und die Lichtübertragung können in TiO2 dotierten Kieselsäuregläsern durch Ausziehen der Wellenleiter in sauerstoffhaltiger Atmosphäre und Wärmebehandlung in Sauerstoff
3b oder Stickstoff noch verbessert werden. Der Wellenleiter wird hierbei z. B. in Sauerstoff während mindestens 0,5 Min. auf 500- 1100° erhitzt Niedrigere Temperaturen erfordern längere Behandlung und umgekehrt.
Zum Ausziehen des überzogenen Glaszylinders 24 wird dieser in einem Ofen 20 (Fig.2) auf eine die ausreichende Viskosität erzeugende Temperatur erhitzt und dann zur Faser 22 ausgezogen (vgl. F i g. 3 und 4). Das Verhältnis des Gesamtdurchmessers zum Kerndurchmesser eines zur Übertragung des Lichtes in mehreren, bestimmten Wellenformen geeigneten Wellenleiters liegt vorzugsweise im Bereich von 1001 :1000 bis 10 :1 und zur Übertragung in nur einer Wellenform im Bereich von 10 :1 bis 1000 :1.
Beispiel I
Aus einem 2,6 Gew.-% TiO2 und 97,4 Gew.-% SiO2 enthaltenden Glasballen wurde ein Glaszylinder von 10 cm Länge und 12,7 mm Durchmesser betragender ausgebohrt Die Außenfläche wurde mechanisch vorpoliert und in der Flamme nachpoliert und vor und nach jeder Politur mit Flußsäure gewaschen. Dann wurde eine 5,9 mm dicke Schicht aus Kieselsäureiuß aufgebracht Der beschichtete Körper wurde langsam in einen Ofen mit einer heißesten Zone von 2000° C abgesenkt, der Ruß gesintert und der Körper zur Faser ausgezogen. Die Atmosphäre enthielt bei dieser Behandlung einen hohen Prozentsatz Sauerstoff. Der
fe5 hergestellte Wellenleiter hatte einen KerndurchmeSser von ca. 50 μηι und einen Gesamtdurchmesser von ca. 80 μηι und war zur Übertragung des Lichts in mehreren Wellenformen geeignet.
Das folgende weitere Beispiel erläutert die Herstellung eines Wellenleiters zur Übertragung des Lichts in nur einer Wellenform.
Beispiel II
Aus einem etwa 1 Gew.-% TiO2 und 99 Gew.-% SiO2 enthaltenden Glasballen wurde ein zylindrischer Glasstab mit einem Durchmesser von 0,127 mm ausgebohrt, auf geeignete Längen, z.B. von 10 und 15cm zugeschnitten und an einem Tragstab befestigt. Auf seine Oberfläche wurde eine KieselsäureruBschicht bis zu einer Gesamtdicke von etwa 5 cm aufgetragen. Dieser Körper wurde in einen Ofen gebracht, dort die Überzugsschicht gesintert und in einer Sauerstoffatmo-
r> sphäre kontinuierlich zu einer Glasfaser mit einem Gesamtdurchmesser von 0,0127 mm ausgezogen. Der Kerndurchmesser des Wellenleiters war 6 μΐη. Die Brechungsindizes von Kern und Mantel erzeugten einen Wert R von weniger als 2,405 für Licht mit einer
κι Wellenlänge von λ = 0,6328 μηι.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter, bestehend aus einem Mantel und einem Kern mit höherem Brechungsindex aus dem des Mantels, wobei eine Glasschicht hoher Reinheit aus dem Kernglasmaterial auf einer Grundlage niedergeschlagen und ein im wesentlichen zylindrischer Glaskörper mit glatter, sauberer Oberfläche aus dieser Glasschicht geformt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
a) Niederschlagung von Glaspartikelu aus dem Mantelglasmaterial auf der Oberfläche des Glaskörpers mittels Flammhydrolyse,
b) Sintern der Glaspartikeln zum Mantel und
c) Ziehen des überzogenen Glaskörpers zu einem optischen Wellenleiter mit einem Verhältnis des Gesamtdurchmessers zum Kerndurchinesser von 1001 :1000bis 1000 :1.
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