DE2313204A1 - Lichtfokussierende optische faser - Google Patents

Lichtfokussierende optische faser

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Description

Lichtfokussierende optische Faser
Die Erfindung "betrifft lichtfokussierende optische Fasern, die ganz "besonders als Wellenleiter geeignet sind, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Für bestimmte optische Anwendungszwecke, z. B. zur Verwendung als Wellenleiter und dergleichen, werden zylindrische Glaskörper oder Fasern benötigt, deren Brechungsindex in radialer Richtung verschieden ist. Hierzu muss die Zusammensetzung in Längsrichtung gleich, in radialer Richtung aber verschieden sein. Der Durchmesser ist dabei so gross, dass ein sich in Wellenform um die Längsachse fortpflanzender Lichtstrahl nicht auf die Grenzfläche von Glas und Umgebung auftrifft.
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Von der Nippon Selfoc Oompany wurde bereits versucht, lichtfokussierende Fasern durch eine Ionenaustauschbehandlung herzustellen. Infolge starker Verunreinigungen ist die Dämpfung aber zu stark. Auch ist die genaue Einstellung der Ionenaustauschtiefe nicht möglich, so dass sich ein genaues Gefälle der Zusammensetzung und des Brechungsindex nicht erzielen lässt.
Die Erfindung hat optische Fasern mit radial unterschiedlichem Brechungsindex zur Aufgabe, die sich durch niedrige Verunreinigungen und Gaseinschlüsse und geringe Dämpfung der Lichtfortpflanzung auszeichnen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass von einem gasförmigen Trägerstrom mitgeführte, dampfförmige Komponenten in je nach der gewünschten, unterschiedlichen Zusammensetzung verschiedenem Eomponentenverhältnis, in einer Flamme hydrolysiert werden und der jeweils erzeugte Buss unterschiedlicher Zusammensetzung auf einem rotierenden, langgestreckten Grundkörper als einheitliche Schicht niedergeschlagen wird.
Zur Theorie und Anwendung optischer Wellenleiter kann auf die folgende Literatur hingewiesen werden: "Geometrical Optics of Parabolic Index-Gradient Cylindrical Lenses" von F. P. Kapron in Journal of the Optical Society of
309842/0796 "5
America, Bd. 60, No. 11, S. 1433-14-36, November 1970;
US Patent No. 3,157,726; "Cylindrical Dielectric Waveguide
Mode" von E. Snitzer, Journal of the Optical Society of
America, Bd. 51, No. 5, S. 4-91-4-98, Mai 1961; und "Fiber
Optics Principles and Applications" von N. S. Kapany,
Academic Press, 1967-
Die Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Bußschicht mit radial unterschiedlicher Zusammensetzung auf einen Grundkörper;
die Figur 2 zeigt schematisch als Einzelheit Mittel zur Regulierung der Gasströmung für die Aufbringung;
die Figur 3 erläutert schematisch das Ausbohren des Grundkörpers;
die Figur 4 zeigt schematisch das Ausziehen des beschichteten Korpers zur Faser, während die Figuren 5 und. 6 den Schnitt entlang der Schnittlinie 5-5 bzw. 6-6 zeigen;
die Figur 7 zeigt teils schematisch und teils als Schaubild die radial unterschiedliche Zusammensetzung des beschichteten Körpers nach Ausbohren des Grundkörpers und die Figur 8 das
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Gleiche für einen erfindungsgemäss hergestellten Wellenleiter; für den Letzteren zeigt das Schaubild der Figur 9 die Brennweite.
Wie die Figur 1 zeigt, wird durch einen Flammhydrolysebrenner 14 eine Glasschicht 10 auf einen z. B. zylindrischen Grundkörper 12 aufgebracht. Gasförmiger Brennstoff und Sauerstoff oder Luft werden von einer nicht gezeigten Quelle durch das Rohr 16 in den Brenner geleitet und erzeugen dort die Flamme 18.
Für das aufzubringende Material enthalten die Behälter 20 und 22 Flüssigkeiten 24 und 26, die mit einem geeigneten Gas, z. B. über die Bohre 28, 30 zugeleitetem Sauerstoff durchperlt werden. Die Zufuhr erfolgt in bestimmten Mengen und Drücken über ein Ventil 32 bzw. 36 und den Durchsatzmesser 34 bzw. 38. Durch Heizer 40, 42 werden die Flüssigkeiten auf der gewünschten Temperatur gehalten. Beim Durchperlen werden verdampfte Teile der Flüssigkeit vom Gas durch das Rohr 46 mitgenommen und mit dem Gas vermischt. Die Mischung wird in der Flamme 18 zu Russ hydrolysiert, dessen Strom 48 auf den Grundkörper 12 gerichtet und auf dem rotierenden und verschobenen Körper zu einer gleichmässigen Schicht niedergeschlagen wird. Die Verschiebung ist nicht nötig, wenn mehrere Brenner 14 in einer Reihe oder radialem Abstand vorgesehen werden.
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Soll der Russ mehr als zwei Komponenten enthalten, so werden entsprechend viele Flüssigkeitsbehälter vorgesehen, von denen einer oder mehrere auch ein Flüssigkeitsgemisch enthalten können.
Durch Temperaturregelung der flüssigen Komponenten mit "bekannten Dampfdrücken sowie Regelung des Durchsatzes und Drucks der Trägergase lassen sich genaue Dampfmengen für die Mitnahme und HydroIisierung einstellen. Auf diese Weise kann die Russzusammensetzung mit der gewünschten radialen Änderung des Niederschlags genau eingestellt werden.
Zur genauen Einstellung des in den Behälter 20 geleiteten Trägergases ist z. B. ein vom Motor 52 angetriebenes Ventil 52 mit einem Signalwandler 54- und einem entsprechend programmierten Regler 56 geeignet, oder es wird ein von einem Regler gesteuerter Nocken 58 vorgesehen, der den Ventilschaft 60 programmgemäss verstellt (s. Fig. 2). Für die Rotierung und gegebenenfalls auch die Längsverschiebung des Grundkörpers wird ebenfalls eine geeignete Regelanordnung vorgesehen.
Durch den Brenner wird nacheinander eine Schicht aus einzelnen Filmen aufgebaut; dabei kann bei entsprechend schneller Umdrehung des Grundkörpers, z. B. 200 UpM und gegebenenfalls langsamer Längsverschiebung, z. B. 50 cm/Min., trotz konti-
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nuierlieher Änderung der Zusammensetzung ζ. B. durch, die Uockenbetätigung, der einzelne Film iron gleicher Zusammensetzung sein. Die Zusammensetzung wird also bei rascher Aufbringung des einzelnen Russfilms vergleichsweise langsam geändert.
Da die Lichtabsorption der Schicht 10 möglichst gering sein soll, kommt als Material Glas optischer Qualität in Frage. Besonders günstig ist Schmelzkieselsäure, die zur Erzielung eines radial unterschiedlichen Brechungsindex mit einer den Index beeinflussenden radial unterschiedlichen Materialmenge dotiert wird. Hierzu sind zahlreiche Stoffe geeignet. Nur als Beispiel seien genannt die Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niobium, Zirkon, Aluminium, Lanthan, Germanium, Bor. Der Zusatz wird zweckmässig nur in der zur entsprechenden Einstellung des Brechungsindex gerade ausreichenden Dotiermenge beigesetzt, schon weil ein Übermass ja die Lichtdurchlässigkeit beeinträchtigt. Bei Herstellung von Wellenleitern bleibt die maximal zugesetzte Dotiermenge vorzugsweise unter etwa 25 Gew.% der Gesamtzusammensetzung an der geweiligen Stelle.
Die Gesamtdicke der Schicht bestimmt sich nach der niedergeschlagenen Russmenge, die über den Durchsatz und die N"iederschlagsdauer geregelt werden kann. Durch Sintern erhält man eine dichte, gleichmässige Schicht etwas geringerer Dicke.
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Bei ausreichender Temperatur wird der Buss gleich, beim Niederschlagen gesintert, andernfalls wird die Sinterung anschliessend durchgeführt.
Wie die Figur 3 zeigt, kann der Grundkörper 12 mit einem Diamantbohrer 62 herausgebohrt, mit Fluorwasserstoff ausgelaugt, oder auf andere Weise entfernt werden. Er kann, also von beliebiger Zusammensetzung sein und normale oder sogar übermässige Verunreinigungen oder Einschlüsse enthalten, sofern er nach Zusammensetzung und Wärmedehnung mit der Schicht 10 vereinbar ist; geeignet ist also z. B. auch Graphit.
Der Hohlkörper 64 wird gegebenenfalls durch Erhitzen im Ofen 66 auf die zum Ausziehen geeignete Temperatur bzw. Viskosität gebracht und dann zur Faser 68 ausgezogen, die z. B. als Wellenleiter mit ein- oder mehrfacher Fortpflanzungswellenform (mode) verwendet werden kann. Wie die Kurve 70 der Figur 7 zeigt, sind Zusammensetzung und Brechungsindex in radialer Richtung gesehen unterschiedlich.
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Als Beispiel soll ein als lichtfokussierender Wellenleiter geeigneter Gegenstand mit radial unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt werden. Seine kennzeichnenden Parameter können nun durch die Gleichung η = η sech |Sr bestimmt werden, in der η der Brechungsindex an einem Punkt im Gegenstand mit dem Radius r, η der Brechungsindex im Mittelpunkt des Gegenstandes und F die Brennweite ist. Der Brechungsindex innerhalb eines Kreiszylinders ist lediglich eine Funktion des Radius an diesem Punkt. Die auf den Zylinder fallenden und parallel zu seiner Längsachse wandernden Lichtstrahlen werden in einer der Brennweite entsprechenden Entfernung entlang seiner Längsausdehnung gebündelt. Das folgende Beispiel erläutert die Bestimmung und Koordinierung der Werte nach der •obigen Gleichung.
Es soll eine lichtfokussierende Wellenleiterfaser aus dotierter Schmelzkieselsäure mit einem Durchmesser von 5 mil, einem Brechungsindex am Mittelpunkt von η von annähernd 1,4662 und einem Brechungsindex η am Umfang des Wellenleiters von 1,4584 hergestellt werden. (Der Brechungsindex für reine Schmelzkieselsäure für Natriumlicht der Wellenlänge 5893 Ä wird allgemein mit 1,4584 angenommen). Nach der obigen Gleichung ist dann die Brennweite F einer solchen lichtfokussierenden Faser 2,75 mm. Das ist in der Figur 8 für einen lichtfokussierenden Wellenleiter 74 mit radial unterschiedlichem Brechungsindex
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anhand der Kurve 76 gezeigt. Der Brechungsindex variiert gemäss dieser Kurve nach der Formel -Uw. Die Brennweite F des Wellenleiters 74- ist in der Figur 9 dargestellt.
Obgleich der Durchmesser des Körpers 64· wesentlich grosser als der des aus ihm hergestellten Wellenleiters 74· ist und dem letzteren die Mittelbohrung 72 fehlt, ist der radial variierende Brechungsindex dennoch im wesentlichen der Gleiche, Infolgedessen ist die Kurve 70 der Fig. 7 der Kurve 76 der Fig. 8 im wesentlichen gleich, nur dass der Scheitelpunkt der Kurve 70 an den beiden Rändern der Mittelbohrung 72 liegt. Wie weiter oben erläutert, fällt diese Mittelbohrung beim Ausziehen zusammen, so dass der Brechungsindex an der Peripherie zum Brechungsindex im Mittelpunkt der Wellenleiterfaser wird.
Zur weiteren Erläuterung sei noch ein nicht beschränkendes Beispiel angeführt. Ein Grundkörper aus Schmelzquarz mit einem Durchmesser von 1/8 Inch und einer Länge von 10 Inch wird an einem geeigneten Handgriff befestigt. Flüssiges SiOl2, wird in einem ersten Behälter auf einer Temperatur von 200C
und flüssiges TiCl^ in einem zweiten Behälter auf einer Temperatur von 88° gehalten. Der Dampfdruck jeder dieser Flüssigkeiten beträgt bei den angegebenen Temperaturen 190 mm Hg.
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Durch beide Flüssigkeiten wird nun trockener Sauerstoff geperlt, der die Dämpfe aufnimmt. Diese Durchperlung wird mit einem Sauerstoffdurchsatz von 5000 ccm/Min. durch das flüssige SiGl^ und mit 118 ccm/Min. durch das flüssige TiOl^ durchgeführt. Unter diesen Bedingungen enthalten die vom Sauerstoff mitgeführten Dämpfe 2,3 Mol.% TiOI4 und 97,7 Mo1% SiCl^. Dies ergibt nach Hydrolyse in der Flamme eine Russzusammensetzung von 3 Gew.% TiOp und 97 Gew.% SiO2 mit einem Brechungsindex von 1,4662 für Licht mit einer Wellenlänge von 5893 -2. Der Russ wird als eine Schicht auf einem Grundkörper niedergeschlagen, der rotiert und seitlich verschoben wird. Mit einem nockenbetriebenen Regelventil wird der Sauerstoffdurchsatz durch dagrilüssige TiCl^ entsprechend verringert. Die Herstellungsdauer eines 8 Inch langen Körpers mit 2 Inch Durchmesser und radial variierender Zusammensetzung beträgt so etwa 1.1/2 Std. Anschliessend wird die Rußschicht in einem Induktionsofen mit einer Sauerstoffatmosphäre bei 1500° gesintert; Der Grundkörper aus Schmelzquarz wird vor oder nach dem Sintern herausgebohrt, z. B. mit einem Diamantbohrer oder herausgeätzt. Das rohrförmige Werkstück wird dann in 50%iger Flußsäure gewaschen, in der Flamme poliert und erneut gewaschen. Der Aussendurchmesser des gesinterten Körpers beträgt etwa I.3/4 Inch. Dieser Körper wird dann in einen Induktionsofen gebracht und in Sauerstoff bei 2000° gezogen. Dabei ver-
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ringert sich der Durchmesser und die Mittelbohrung fällt zusammen. Der Körper wird weiter ausgezogen, "bis der endgültige Durchmesser der Wellenleiterfaser erreicht ist. Für einen typischen Wellenleiter mit einem Aussendurchmesser von 5 ail beträgt die Brennweite etwa 2,75 mm.
Das Verhältnis der Zusammensetzungsänderung zu der Änderung des Brechungsindex ist in der Regel wie auch im obigen Beispiel im wesentlichen linear. Das Verhältnis kann aber auch ein anderes sein. Dies hängt mindestens zum Teil von dem verwendeten Material ab.
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Claims (14)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mit einer in radialer Richtung unterschiedlichen Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass von einem gasförmigen Trägerstrom mitgeführte, dampfförmige Komponenten in je nach der gewünschten, unterschiedlichen Zusammensetzung verschiedenen Komponentenverhältnis in einer Flamme hydrolysiert werden und der jeweils erzeugte Russ unterschiedlicher Zusammensetzung auf einem rotierenden, langgestreckten Grundkörper als einheitliche Schicht niedergeschlagen wird.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
•der Gegenstand durchsichtig ist und die unterschiedliche Zu-
flr
sammönsetzung einen gemäss der Gleichung η = η sech -pfgr in radialer Richtung unterschiedlichen Brechungsindex ergibt, worin η bzw. η der Brechungsindex im Mittelpunkt bzw. an einem beliebigen Punkt im Abstand r vom Mittelpunkt des Gegenstands und P die Brennweite des Gegenstands bezeichnet.
3· Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aus einem festen Zylinder bestehende Grundkörper herausgebohrt und die Bohrfläche mechanisch vorpoliert und mit der Flamme nachpoliert wird.
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4. Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrflächen nach jeder Politur mit Fluorwasserstoff gewaschen werden.
5. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus einem Hohlzylinder besteht, auf dessen Innen- oder Aussenfläche die Rußschicht niedergeschlagen wird.
6. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Russ aus zunächst anfangs mit wenigstens einem der Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niobium, Zirkon, Aluminium, Lanthan, Germanium oder Bor dotierter Schmelzkieselsäure besteht.
7- Verfahren gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Russ mit höchstens 25 Gew.% Titanoxid dotiert ist.
8. Verfahren gemäss irgendeinem der Ansprüche 1-7? dadurch gekennzeichnet, dass der Russ gesintert wird.
9. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Entfernung des Grundkörpers der Körper unter Erhitzen auf die erforderliche Temperatur zu einer Faser mit durchgehend festem Querschnitt ausgezogen wird.
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10. Verfahren gemäss Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, dass der Körper während der gleichen Erhitzung gesintert und ausgezogen wird.
11. Verfahren gemäss Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper in einer im wesentlichen aus Sauerstoff bestehenden Atmosphäre ausgezogen wird.
12. Verfahren gemäss irgend einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einer lichtfokussierenden Wellenleiterfaser besteht.
13· Verfahren gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper vor dem Ausziehen gesintert wird.
14. Lichfokussierende optische Faser zur Verwendung als Wellenleiter und dergleichen, gekennzeichnet durch eine in radialer Richtung einen variierenden Brechungsindex ergebende unterschiedliche Zusammensetzung.
309842/0796
/S"
Llohtfokuaaitrend· optisch· r*««r *ur Verwendung «I· Wtlleal«lt«r und d«rgl«ieii«n, gtktnni·lehnet dureh «in· Ia redl»l«r Hichtrung ·1η·η T»rii*r*nd»n Br*chung»ixidtx er^ebend* unt#r-■ohi»dlich·
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