DE2300061A1 - Optische faser - Google Patents

Optische faser

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DE2300061A1 DE19732300061 DE2300061A DE2300061A1 DE 2300061 A1 DE2300061 A1 DE 2300061A1 DE 19732300061 DE19732300061 DE 19732300061 DE 2300061 A DE2300061 A DE 2300061A DE 2300061 A1 DE2300061 A1 DE 2300061A1
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Corning Glass Works
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Description

Anmelderin: Corning Glass Works
Corning, N. Y., USA
Optische Faser
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung "besonders als Wellenleiter geeigneter optischer Pasern.
Das Hauptpatent (Patentanmeldung P 21 22 895.5) "betrifft
ein Verfahren zur Herstellung optischer Fasern mit einem Mantel und einem Kern unterschiedlicher Brechung, in dem auf der Innenfläche eines Glasrohrs ein Film aus Kernglasmaterial mit einem von dem Glasrohr verschiedenen Brechungsindex aufgebracht, das Rohr auf eine zum Ausziehen geeignete Temperatur
erhitzt und sodann soweit ausgezogen wird, dass unter Verkleinerungdes Querschnitts der Kernglasfilm zusammenfällt und
eine Faser mit festem Querschnitt entsteht.
Hierdurch wird eine gegenüber den mit bisher bekannten Verfahren erzeugten Fasern das Licht mit weitgehend geringerer Stö-
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rung, Schwächung und Streuung übertragende Faser erhalten.
Der nach dem Verfahren aufgebrachte Überzug aus teurem optischen Glas grosser Reinheit muss verhältnismässig dick sein, um der laser die erforderliche mechanische Festigkeit zu •verleihen. Andererseits nimmt die Lichtintensität mit zunehmendem Radialabstand von der Mitte des Wellenleiters rasch ab. Aus rein optischen Gründen könnte der Überzug daher sehr viel dünner sein.
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung als Wellenleiter geeigneter optischer Fasern, das unter Beibehaltung der nach dem Hauptpatent erzielten Vorteile mit kleineren Mengen des optischen Überzugsmaterials auskommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass auf die Innenfläche des Glasrohrs zunächst ein erster Glasüberzug und sodann ein zweiter Überzug aus Glas mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem des ersten Überzugs aufgebracht wird, wobei nach Erhitzen und Ausziehen dieser zweite Überzug den Kern bildet.
Der erste Überzug bildet den Mantel mit den hierfür erforderlichen optischen und physikalischen Eigenschaften. Der zweite Überzug bildet den Kern mit den hierzu benötigten optischen
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und physikalischen Merkmalen. Das als Träger dienende Glasrohr z. B. aus in "bekannter Veise hergestelltem erschmolzenen Kieselsäureglas, kann hierbei die üblichen Verunreinigungen enthalten.
Die weitere Erläuterung erfolgt anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
die Figur 1 in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt eine erfindungsgemäss hergestellte, als Wellenleiter geeignete optische Faser;
die Figuren 2 und 3 die Faser im Querschnitt entlang den Schnittlinien 2-2 und 3-3 der Figur 1;
die Figur 4 als Schaubild die Lichtintensität (y-Achse) als Funktion der Radialentfernung von der Mittellinie.
Ein dickwandiges Bohr 10 dient als äusserer Träger mit der erforderlichen mechanischen Festigkeit. Da die Lichtintensität innerhalb des Rohrs bis praktisch Null abnehmen kann, braucht dieses nicht aus optisch reinem Material zu bestehen, kann vielmehr Luft—einschlüsse und Verunreinigungen enthalten und muss lediglich eine mit den aufzubringenden Überzügen für Kern und Mantel verträgliche Viskosität und Wärmedehnung besitzen.
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Das Rohr 10 kann ζ. B. aus einem festen Glasballen oder -stab ausgebohrt werden. Die Bohrfläche kann mechanisch, durch Wärmezufuhr (Feuerpolitur) oder mit Laserstrahlen poliert werden1; beispielsweise wird die rauhe' Bohrfläche zunächst mechanisch vorpoliert und anschliessend feuerpoliert. Vor und nach jeder Politur wird die *Oberflache'durch Waschen mit Flußsäure (Fluorwasserstoff) gereinigt.
Auf die polierte und gereinigte Fläche wird der erste Überzug 12 aus einem Glas mit den für die Mantelschicht der optischen Faser geeigneten physikalischen und optischen Eigenschaften wie Viskosität, Dehnung, Brechungsindex^ Reinheit aufgebracht, z. B. durch. Sputtern mit Radiofrequenz, Sintern der durch. Flammhydrolyse niedergeschlagenen Rußschicht, Niederschlag aus der Dampfphase, Aufbringen einer Glasfritte und dergleichen. Um einen Überzug mit geringerem Brechungsindex als der Kern zu erhalten, wird der Überzug z. B. weniger stark oder gar nicht dotiert. Zur Bildung des Kerns mit einem grösseren Brechungsindex als der Mantel wird eine zweite Glasschicht 14 aufgetragen, ebenfalls mit den erwähnten Aufbringungsmethoden.
Als Material kommt Glas mit möglichst geringer Lichtabsorption in Frage, z. B. grundsätzlich alle Gläser optischer Qualität. Besonders günstig ist geschmolzene Kieselsäure, sog. Kieselsäureglas. Günstig sind auch gleiche physikalische Eigenschaf-
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ten von Kern und Mantelglas. Kern und Mantel werden daher zweckmässig aus dem gleichen Glas hergestellt, jedoch wird das Kernglas mit einem seinen Brechungsindex leicht erhöhenden Material dotiert. Hierzu sind zahlreiche Dotierstoffe .geeignet, "beispielsweise die Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niobium, Zirkon, Aluminium, Lanthan, Germanium, Bor. Die Dotiermenge ist aus einer Reihe von Gründen möglichst klein zu halten. Eine zu hohe Steigerung des Brechungsindex 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.
Besonders günstig ist die Aufbringung einer oder beider Schichten durch Flammhydrolyse gem. dem USA Patent 2,272,3^-2 oder 2,326,059. Als Beispiel sei eine Abwandlung des Verfahrens gem. dem letztgenannten Patent zur Herstellung eines mit Titan dotierten Kieselsäurekörpers erläutert.
Durch einen.eine flüssige Mischung von etwa 53 Gew.% ^ und 4-7% TiCl^ mit einer Temperatur von 35° enthaltenden Behäl ter wird trockener Sauerstoff perlend geleitet. Die vom Sauer stoff aufgenommenen SiGl^ und TiOl2, Dämpfe werden beim Durchgang durch eine Gas-Sauerstoff-Flamme hydrolysiert und bilden
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russformige Glasteilchen aus sehr reinem SiOp in Form, eines ständigen Rußstroms, der auf ein offenes Ende des G-lasrohrs gerichtet wird. Durch Anlegen eines Teilvakuums wird die Rußschicht gleichmässiger. Entweder wird dann die erste Rußschicht durch Erhitzen gesintert oder es wird die zweite Schicht in der gleichen oder anderer Weise aufgebracht, bestehend z. B. aus 95% SiO2 und 5 Gew.% TiO2 1^ ^eide·"· Schichten werden gleichzeitig gesintert. Gegebenenfalls kann die Sinterung auch mit der Erwärmung auf Ausziehtemperatur (Einstellen der erforderlichen Viskosität) als ein Schritt verbunden werden, z. B. durch Erhitzen in dem Ofen 16. Das Rohr wird dann ausgezogen, bis die Längsöffnung 18 zusammenfällt • und die Schicht 14 als Kern 20 mit dem aus der Schicht 12 entstandenen Mantel 22 und dem dickeren Rohr 24 eine feste Einheit bildet. Durch weiteres Ziehen wird der Querschnitt verringert, bis eine als Wellenleiter geeignete Faser 26 entsteht (Fig. 3).
Für die Verwendung als optischer Wellenleiter muss die Glasfaser eine ausreichende Lichtmenge übertragen; es darf also nicht zu viel Lichtenergie durch Abstrahlung von Lichtstreuungszentren oder Absorption verloren gehen. Erfindungsgemäss wird die Entstehung von LichtStreuungszentren infolge von Luftblasen oder Verunreinigungen an der Kern-Mantel-Grenzfläche weitgehend ausgeschlossen.
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Zur Streuung der Lichtfortpflanzung in einer oder mehreren bestimmten Wellenformen müssen der Kerndurchmesser und der Brechungsindex des Kerns und des Mantels durch die folgende Gleichung aufeinander abgestimmt werden:
H-
E = Grenzwert für die gewünschten Wellenformen (R = 2,405
"bei Fortpflanzung in der Wellenform HE.,,); a = Kernradius;
^- = Wellenlänge des übertragenen Lichts (Natriumlicht 5893 &); n-, = Brechungsindex des Kerns;
Ώρ = Brechungsindex des Mantels.
Die Werte für a, n-. und n? können z. B. folgendermassen ermittelt werden. Der Mantel besteht z. B. aus Kieselsäureglas, mit einem Brechungsindex von 1,4584- für Natriumlicht der Wellenlänge /t = 5893 £. Das Kernglas wird mit TiOp in solchem Verhältnis zu SiOp dotiert, dass der Brechungsindex 1,466 beträgt und nur die gewünschten Wellenformen fortgepflanzt werden. Aus der obigen Gleichung kann der entsprechende Kernradius errechnet werden.
Die Lichtabsorptionseigenschaften und die Lichtübertragung können in TiO? dotierten Kieselsäuregläsern durch Ausziehen
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der Wellenleiter in sauerstoffhaltiger Atmosphäre und Wärmebehandlung in Sauerstoff,, Stickstoff oder dergleichen noch verbessert werden. Der Wellenleiter wird hierbei mindestens 0,5 Min. auf 500 - 1100 erhitzt. Niedrigere Temperaturen erfordern längere Behandlung und umgekehrt.
Durch geeignete Wahl der Parameter kann die Lichtintensität von der Mitte ausgehend bereits in einer Entfernung kleiner als der Mantelradius Null sein; dadurch werden Nebensprechstörungen, Phasenverschiebungen und dergleichen vermieden. Andererseits kann der hierzu erforderliche Durchmesser von Kern und Mantel so klein sein, dass zur ausreichenden mechanischen Fe- " stigkeit ein dickeres Rohr 24- gewählt; werden muss, das erfindungsgemäss aber aus billigerem Glas "bestehen kann. In der Figur 4- bezeichnen r-, , τ~ und r^ die Eadien von Kern, Mantel und Aussenradius von Rohr 24. Die Lichtintensität liegt fast ganz im Kern und wird an der Peripherie des Mantels praktisch Null. Nur Kern und Mantel müssen aus dem teureren optischen Glas sehr grosser Reinheit gefertigt werden, während das dicke, die mechanische Festigkeit liefernde, für die Lichtfortpflanzung aber unerhebliche Aussenrohr zwar aus dem gleichen Grundglas, aber mit den normalen oder sogar höheren Verunreinigungen, Lufteinschlüssen und dergleichen bestehen kann.
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BEISPIEL·
Ein in "bekannter Weise hergestellter und die üblichen "Verunreinigungen enthaltender Kieselsaureglasstab hatte einen Durch messer von 3 cm und eine Länge von 12 cm. Aus diesem wurde entlang- seiner Längsachse ein Loch mit einem Durchmesser von 1,9 cm gebohrt. Die rauhe Bohrfläche wurde mechanisch vorpoliert und dann sehr glatt flammenpoliert. Vor und nach jeder Politur wurde mit Flußsäure gewaschen.
Auf die Politurfläche wurde eine aus nahezu 100% reiner Kiesel säure bestehende, 2800 /um dicke Rußschicht durch Flammhydrolyse aufgetragen, bei 1450° zu einer 650 /um dicken Schicht aus annähernd 94,75% Kieselsäure und ^>,2^>% Titanoxid aufgebracht und ebenfalls bei 1450°,zu einer 7 /um dicken Schicht gesintert.
Tn Sauerstoff wurde weiter auf etwa 1.900° erhitzt; bei dieser Temperatur war die Viskosität richtig zum Ausziehen. Das Rohr wurde dann zu einer festen Faser mit einem Durchmesser von 150 ,um gezogen. Der Kern hatte dann einen Durchmesser von 4- /Ui und einen Brechungsindex von 1,466, der Mantel einen Durchmesser von 40 yUm und einen Brechungsindex von 1,4584. Zum Abschluss wurde die Faser etwa 3 Std. in Sauerstoff bei 8;>0" nachbehandeln. Die optische Faser war als Wellenleiter zur Fortpflanzung in der Wellenform HE,-, ohne zu starke Dämpfung, Schwächung und Streuung geeignet.
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Claims (10)

23000B1 Pat ent; ans prüche
1. Verfahren zur Herstellung optischer Fasern mit einem Mantel und einem Kern unterschiedlicher Brechung, in dem auf der Innenfläche eines Glasrohrs ein Film aus Kernglasmaterial mit einem von dem Glasrohr verschiedenen Brechungsindex aufgebracht, das Rohr auf eine zum Ausziehen geeignete Temperatur erhitzt und sodann soweit ausgezogen wird, dass unter Verkleinerung des Querschnitts der Kernglasfilm zusammenfällt und eine Faser mit festem Querschnitt entsteht, gemäss dem Patent (Patentanmeldung P 21 22 895·5), dadurch gekennzeichnet, dass auf die Innenfläche des Glasrohrs zunächst ein erster Glasüberzug und sodann ein zweiter Überzug aus Glas mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem des ersten Überzugs aufgebracht wird, wobei nach Erhitzen und Ausziehen dieser zweite Überzug den Kern bildet.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überzug in Form einer Glasrußschicht durch Flammenhydrolyse aufgebracht und gesintert wird.
3. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch der zweite Überzug durch Flammenhydrolyse aufgebracht und beide ZTisammen fesintert werden.
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3098 30/08 41)
4. Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass unter einmaligem Erhitzen die Überzüge gesintert werden und das Rohr ausgezogen wird.
5. Verfahren gemäss Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Schichten durch Sputtern mit Radiofrequenz, durch Niederschlag aus der Dampfphase oder als Glasfr itte aufgebracht werden.
6. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überzug aus Kieselsäureglas besteht und der zweite Überzug Kieselsäureglas enthält, das mit einem oder mehreren der Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niobium, Zirkon, Aluminium, Lanthan, Germanium oder Bor dotiert ist.
7. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 oder 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Paser in einer Sauerstoffatmosphäre ausgezogen oder/und nach dem Ausziehen in einer solchen Atmosphäre warm nachbehandelt wird.
8. Verfahren gemäss irgend einem der Ansprüche 1—7, dadurch pekermzeichnet, dass das Glasrohr aus einem Glasballen ausgebohrt, mechanisch vorpoliert und flammenpoliert wird.
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30983 0/0845
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9» Verfahren gemäss Anspruch. 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überzug aus Kieselsäureglas und der zweite Überzug aus Kieselsäureglas dotiert mit nicht mehr als 15 Gew.% Titanoxid besteht.
10. Verwendung der nach den Ansprüchen 1-9 hergestellten optischen i"asern als Wellenleiter.
30983 0/Ü84h
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