DE2302556A1

DE2302556A1 - Verfahren zur herstellung von glasfasern zur lichtleitung

Info

Publication number: DE2302556A1
Application number: DE19732302556
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Phys Dr R Boerner; Oskar Dr Ing Krumpholz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-01-19
Filing date: 1973-01-19
Publication date: 1974-07-25

Description

"Verfahren zur Herstellung von Glasfasern zur Lichtleitung" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Glasfasern zur Lichtleitung, die aus einem Glaskern und mindestens einem Glasmantel bestehen, wobei der Glaskern - -einen anderen Brechungsindex aufweist als der Glasmantel, bei dem ausgehend von einem Glasaufbau aus mindestens zwei konzentrisch zueinander angeordneten, vorzugsweise unterschiedlich dotierten Quarzgläsern, die Glasfasern zur Lichtmindestens at leitung durch einen Ziehvorgang aus de bis zum Transformationspunkt erhitzten Glasaufbau gewonnen werden.
Derartige Glasfasern erlangen zunehmende Bedeutung als Vber-.
tragungsmedium in breitbandigen optischen Nachrichtenübertragwngssystemen bei denen durch Lichtsender erzeugte Lichtsignale unbeeinflußt durch wechselnde atmosphärische Ausbreitungsbedingungen über größere Entfernungen an Lichtempfänger übertragen werden sollen.
Für diesen Zweck besonders geeignet sind Glasfasern, in denen nur eine einzige Wellenform (Mode)tbeispielsweise der HE11 - Mode, ausbreitungsfähig ist. Bei diesen Glasfasern beträgt der Durchmesser des Glaskerns nur wenige Wellenlängen des zu übertragenden Lichtes.
Zur Herstellung von Glasfasern zur Lichtleitung mit einem Glaskern und einem Glasmantel von unterschiedlichem Brechungsindex sind schon einige Verfahren bekannt.
In einem in der DOS 1 913 358 beschriebenen Verfahren wird beispielsweise ein stabförmiger Glasaufbau einer ersten Glaszusammensetzung, worunter auch eine Art der Dotierung verstanden werden kann, in einen rohrförmigen Glas aufbau einer zweiten Glaszusammensetzung gesteckt und mit Hilfe einer Heizeinrichtung innigst mit diesem verschmolzen. Der Verbundaufbau wird dann durch einen Walzvorgang gereckt, bis der gewünschte Glas aufbau erreicht istb aus der gleichen DOS ist ein weiteres Verfahren zur erstellung von Glasfasern zur Lichtleitung bekannt, bei de die in getrennten Schmelzgefäßen durch Ritzeeinwirkung erweichten Gläser einer Doppeldüse zugeführt werden, aus der die Glasfaser abgezogen wird.
Auch aus der DOS 2 122 896 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters in Form einer Glasfaser bekannt, wobei wiederum ein Glasrohr und ein Glasstab getrennt hergestellt und sodann zu einem Wellenleiter aus Kern und Mantelglas vereinigt werden, indem der Glas stab in das Rohr gesteckt, beide erhit@t und zusammen ausgezogen werden, bis das Rohr um den Stab zusammenfällt und mit diesem verschmilzt.
In der gleichen Offenlegungsschrift wird ein weiteres Verfahren zur Rerstellung von Glasfasern zur Lichtleitung angegeben, wobei durch Aufbringen eines dotierten Eieselsäurefilas auf die Innenwand eines Kieselsäureglasrohrs, Erhitzen zwecks 3ildung eines Glasfilms und anschließendes Ausziehen das Rohr zu einer Glasfaser mit Mantel und Kern umgewandelt wird. Der Xern wird dabei von dem vor dem Erhitzen auf die Innenwand des Rohres aufgebrachten dotierten Kieselsäurefilm gebildet.
Weiterhin ist aus der DOS 1 955 119 ein Verfahren zur --erstellung eines Glas-Lichtleiterbauelementes, insbesondere eines aus Alkaliglas bestehenden Lichtleiterbauelementes, beka=it, bei dem das Lichtleiterbauelement einen Iorenaustauschprozeß ausgesetzt wird, der bei erhöhter Temperatur entweder in einer speziellen -Gasatmosphäre oder in einer Salzschmelze stattfindet, in die das Licbtleiterbauele=ent eingebracht wird.
Auch aus der DOS 1933 124 ist ein ähnliches Verfahren bekennt; zur Herstellung eines Lichtleitelementes wird ein langgestreckter Glaskörper in ein erhitztes Salzbad getaucht. In einem Diffusionsprozeß wandern geelgnete Eationen aus dem Salzbad in den Glaskörper.
Diese bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von Glasfasern zur Lichtleitung weisen schwerwiegende Nachteile auf. In den zuvor beschriebenen Verfahren, die zur Herstellung einer Glasfaser von heterogenem Material ausgehen, bei denen also beispielsweise ein Glasrohr mit einem andersartig dotierten Glas stab oder ein Glasrohr mit andersartig dotierter Innenwandung zu einer Glasfaser zusammengeschmolzen werden, sind starke Verunreinigungen des Faserkerns und des tbergangsgebietes zwischen Kern und Mantel der Glasfaser nicht zu vermeiden.
Erfahrungsgemäß werden während des Schmelzvorgangs zur Vereinigung der heterogenen Komponenten Fremdsubstanzen in den Glasaufbau eingeschlossen, die vorher an den freiliegenden Oberflächen hafteten und auch durch sorgfältige und aufwendige Reinigungsmethoden nicht beseitigt werden konnten.
Auch der Einschluß kleiner Luftbläschen während des Schmelzvorgangs ist nicht auszuschließen, Diese Verunreinigungen und Störungen des GlasaufbauBverschlechtern die optischen Eigenschaften der Glasfaser und tra-und Streuung gen insbesondere zu einer starken Absorption des durch derartige Glasfasern geleiteten Lichtes bei.
Auch bei dem Verfahren, bei dem unterschiedliche Glasarten vor dem Ausziehen zur Glasfaser mittels einer Doppeldüse in voneinander getrennten Schmelzgefäßen erhitzt werden1 ist eine Verunreinigung des Schmelzflusses vor allem durch Material des Schmelzgefäßes selbst nicht ausgeschlossen.
Die zweite Art der vorstehend beschriebenen Verfahren, bei denen zur Herstellung von Glasfasern zur Lichtleitung von einem homogenen Glasmaterial ausgegangen wird, das dann in einem Salzbad - oder in einer Gasatmosphäre bei erhöhten Temperaturen einer lonenaustauschreaktion ausgesetzt wird, bietet auch Nachteile, die abgesehen von den recht aufwendigen Herstellungsbedingungen vor allem darin bestehen, daß diese Austauschreaktion nur in einer relativ dünnen Mantelschicht des Glasaufbaus stattfindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Glasfasern zur Lichtleitung anzugeben, die aus einem Glaskern und einem Glasmantel bestehen, wobei der Kern einen anderen Brechungsindex aufweist als der Glasmantel und die bei der Ubertragung von Lichtsignalen zu geringeren Verlusten führen als nach bisher bekannten Verfahren hergestellte Glasfasern zur Lichtleitung.
Dabei sollen die Nachteile schon bekannter Verfahren zur Herstellung von Glasfasern, insbesondere die während des Herstellungsgangs auftretenden Veruneinigungen und Störungen des Glasaufbaus weitgehend vermieden werden.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,. daß zur Herstellung des Glasaufbaus auf die Innenwandung eines Quarzglasrohrszunächst ein erster, aus undotiertem bzw. gering dotiertem Quarzglas bestehender Glasfilm aufgebracht wird, und daß sodann auf diesen ersten Glasfilm mindestens ein weiterer, aus davon abweichend dotiertem Quarzglas bestehender Glasfilm aufgebracht wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei diesem Herstellungsverfahren,die eigentlich lichtführende Grenzfläche der Glasfaser, das heißt die Grenzfläche zwischen dem Glaskern und dem ersten Mantelglas, die beim Ziehvorgang aus dem zweiten bzw. ersten auf die Innenwandung eines Quarzglasrohr aufgebrachten Quarzglasfilm entstehen, keiner Bearbeitung unterzogen werden muß. Wenn zudem das Aufbringen der Quarzglasfilme in einem abgeschlossenen Reaktionsraum erfolgt, kann die spätere Grenzfläche zwischen Kernglas und Mantelglas kaum durch Verunreinigungen beeinträchigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der Zeichnung mit den Figuren 1, 2, 3, 4, und 5 näher erläutert.
Dabei zeigt Figur 1 den Längsschnitt eines aus einem Quarzglasrohr bestehenden Glasaufbaus vor dem Ausziehen zur Glasfaser, auf dessen Innenwandung erfindungsgemäß mindestens zwei weitere Quarzglasschichten aufgebracht sind Figur 2 einen Querschnitt des in Figur 1 dargestellten Glasaufbaus

Figur 3

den radialen Brechzahlverlauf von mit nach dem

Figur 4

erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Glas-

faserarten.

Figur 5

In Figur 1 ist im Längsschnitt und in Figur 2 im Querschnitt ein Quarzglasrohr 1 dargestellt, auf dessen Innenwandung erfindungsgemäß mindestens zwei weitere unterschiedliche dotierte Quarzglasschichten 2 und 3 aufgebracht sind. An das Quarzglasrohr 1 werden keine besonders hohen Anforderungen hinsichtlich seiner optischen Eigenschaften gestellt. Unter Umständen sind schon Quarzrohre brauchbar, wie sie für zahlreiche Anwendungen in der Technik, beispielsweise im chemischen Apparatebau, handelsüblich sind. Dies ist deshalb möglich, weil der aus diesem Quarzglasrohr 1 im späteren Ziehvorgang entstehende zweite Mantelbereich der Glasfaser kaum noch zur Lichtleitung beiträgt. Das Licht pflanzt sich überwiegend im Kernglasbereich und in einem ersten Mantelglåsbereich der Glasfaser fort, die beim Ziehvorgang aus dem auf der Innenwandung des Quarzglasrohrs 1 aufgebrachten Schichten 3 bzw. 2 entstehen. Bei bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von Glasfasern zur Lichtleitung, bei denen beispielsweise nur eine einzige Quarzglasschicht auf die Innenwandung eines Quarzglasrohrs aufgebracht wurde, mußten besonders an die Beschaffenheit der Innenwandung des Quarzglasrohrs hohe Anforderungen gestellt werden. Vorhandene Unebenheiten sowie Verunreinigungen, die auch mit großem Aufwand kaum ganz zu vermeiden waren, führten unvermeidlich zu hohen Lichtverlusten bei der Ausbreitung des Lichtes in der daraus gezogenen Glasfaser.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die Beschaffenheit der Innenwandung des Quarzglasrohrs 1 von geringerer Bedeutung für die Qualität der späteren Glasfaser zur Lichtleitung.
Es kommt hier nur auf eine gute Qualität der Grenzfläche zwischen den auf die Innenwandung des Quarzglasrohrs 1 aufgebrachten Schichten aus Quarzglas 2 und 3 an. Wenn die Quarzglasschichten 2 und 3 in einem von der Umgebung abgeschlossenen Reaktionsraum aufgebracht werden, lassen sich auf einfache Weise Verunreinigungen je der Art vermeiden. Das Quarzglasrohr 1 selbst, das sich zum Aufbringen der QuarzglasscPchten 2 und 3 in einem geheitzen Ofen befindet, kann als dieser Reaktions- s raum angesehen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf das Aufbringen von nur zwei Quarzglasschichten beschränkt. Es können an sich beliebig viele Glasfilme auf die Innenwandung eines Rohrs aufgebracht werden. Dabei können die einzelnen Glasfilme eine sehr voneinander abweichende Dotierung mit Fremdstoffen zur Erzielung eines bestimmten Brechungsindex haben. Die einzelnen nacheinander aufgebrachten Glasfilme können sich aber auch nur geringfügig in ihrem Dotierungsgrad unterscheiden, sodaß sich bei der späteren Glasfaser ein nahezu stetiger Uebergang des Brechungsindex in radialer Richtung ergibt.
Beispielsweise lassen sich so auch sogenannte Mononode-Glasfasern herstellen, bei denen nur eine einzige Wellenform (Mode) ausbreitungsfähig ist. Sie haben einen Eernglasdurchmesser, der in der GröBenordnung weniger Lichtwellenlängen liegt. Ein für sie charakteristisches Brechzahlprofil ist in Figur 3 abgebildet. Dargestellt ist, wie auch in den folgenden Figur 4 und Figur -5 der Brechungsindex n in Abhängigkeit vom Radius r der Glasfaser. in der Fasermitte ist r gleich Null. Bei diesen Monomode-Glasfasern fällt der Brechungsindex n in der Umgebung des Radius rk des Kernbereichs sehr schnell von einem hohen Wert'auf'einen niedrigeren Wert ab. Ein derartiger Verlauf des Brechungsindex ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren derart zu erreichen, daß für den nach Figur 1 zuerst auf die Innenwandung des Quarzglasrohrs 1 aufgebrachten Glasfilm 2 ein gering dotiertes Glas verwendet wird. Für die danach aufgebrachte Schicht 3 ist entsprechend hoch dotiertes Glas zu verwenden.
Sogenannte Gradientenfasern, deren Brechzahlverlauf in Figur 4 dargestellt ist, lassen sich dadurch herstellen, daß relativ viele Schichten auf die Rohrinnenwand aufgebracht werden. Dabei muß die zuerst aufgebrachte Schicht einen relativ niedrigen Brechungsindex haben. Die nachfolgend aufgebrachten Schichten sollen einen geringfugig höheren Brechunsindey aufweisen als die jeweils zuvor aufgebrachte Schicht. Den höchstenjBrechungsindex soll die zuletzt aufgebrachte Schicht haben.
Es lassen sich weiterhin auch Glasfasern herstellen, die einen in Figur 5 dargestellten Brechzahlverlauf zeigen.
,Bei denen also der Glasfaserkern einen niedrigen Bre-chungsindex hat, und bei denen dann in einem Abstand r1 von der Fasermitte der Brechungsindex zu einem hohen Wert ansteigt, um mit zunehmendem Radius r wieder abzusinken. Erreicht wird ein derartiger Verlauf des Brechungsindex dadurch, daß als erste Schicht auf die Rohrinnenwand ein Glas mit relativ niedriger Dotierung aufgebracht wird. Die sodann aufgetragene Schicht besteht aus höher dotiertem Glas. Die zuletzt aufgetragene Schicht schließlich ist nur geringfügig dotiert.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zur Herstellung von Glasfasern zur Lichtleitun, die aus einem Glaskern und mindestens einem Glasmantel bestehen, wobei der Glaskern einen anderen Brechungsindex aufweist als der Glasmantel, bei dem ausgehend von einem Glasaufbau aus mindestens zwei konzentrisch zueinander angeordneten, vorzugsweise unterschiedlich dotierten Quarzglasern, die Glasfasern zur Lichtleitung durch einen /mindestens Ziehvorgang aus dem / bis zum Transformationspunkt erhitzten Glasaufbau gewonnen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Glasaufbaus auf die Innenwandung eines Quarzglasrohrs (1) zunächst ein erster, aus dotierten bzw. gering dotiertem Quarzglas bestehender Glasfilm (2) aufgebracht wird, und daß sodann auf diesen ersten Glasfilm mindestens ein weiterer, aus davon abweichend dotiertem Quarzglas bestehender Glasfilm aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Glasaufbaus technische Quarzrohre verwendet werden.

3. Verfahren nach den hnsprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Quarzglasfilm (2) in einer derartigen Dicke auf die Innenwandung des Quarzglasrohrs (1) aufgebracht wird, daß in der Glasfaser im Bereich der Grenzfläche zwischen diesem ersten Quarzglasfilm (2) and den Quarzglasrohr (1) nur ein geringer Lichtanteil geführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Dotierung der auf die Innenwand des Quarzglasrohr (1) aufgebrachten Quarzglasfilme ein beliebiges Brechzahlprofil der Glasfasern erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste auf die Rohrinnenwand aufgebrachte Glasfilm (2) gering dotiert ist, und daß der weitere Glasfilm (3) höher dotiert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der erste auf die Innenwandung des Quarzglasrohrs (1) aufgebrachte Quarzglasfilm (2) aus gering dotiertem Glas besteht, und daß der zweite Quarzglasfilm (3) sowie weitere Quarzglasfilme aus Jeweils höher dotiertem Glas bestehen.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der zuerst aufgebrachte Quarzglasfilm (2) gering dotiert ist, ein weiterer Quarzglasfilm (3) höher dotiert ist, und ein weiterer auf diesen Quarzglasfilm (3) aufgebrachter Quarzglasfilm wiederum gering dotiert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Aufbringens der Quarzglasfilme auf die Innenwand des Quarzglasrohres (1) dieses quarzrohr senkrecht angeordnet ist.

9. Verfahren nach den Ansprd'chen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzglasrohr um seine Längsachse rotiert.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Aufbringen der Quarzglasfilme auf die Innenwandung des Quarzglasrohrs (1) dieses Quarzglasrohr (1) zumindest teilweise abgeätzt wird.