DE2313204B2 - Verfahren zur herstellung optischer wellenleiter aus glas - Google Patents

Verfahren zur herstellung optischer wellenleiter aus glas

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DE2313204B2 DE19732313204 DE2313204A DE2313204B2 DE 2313204 B2 DE2313204 B2 DE 2313204B2 DE 19732313204 DE19732313204 DE 19732313204 DE 2313204 A DE2313204 A DE 2313204A DE 2313204 B2 DE2313204 B2 DE 2313204B2
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Description

Ill
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter aus Glas nach Art einer Gradientenfaser, mit einem in radialer Richtung weitgehend kontinuierlich variierenden Brechungsindex.
Die Patentanmeldung P 23 13 203.8-45 betrifft ein Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter aus Glas nach Art einer Gradientenfaser, bei dem auf einem Grundkörper stufenweise eine Schicht mit von Stufe zu Stufe verändertem Brechungsindex aufgebracht wird und der so entstandene Schichtkörper zum Wellenleiter ausgezogen wird.
Für eine gleichmäßige unc« genaue Fokussierung der Lichtstrahlen ist ein möglichst kontinuierlich variierendes Gefälle des Brechungsindex an sich vorteilhaft, wobei gleichzeitig Grenzflächen zwischen abgestuften einzelnen Schichten mit der Gefahr von Dämpfungsverlusten und Streuzentren verursachenden Verunreinigungen, Gaseinschlüssen und dergleichen noch besser vermieden werden können.
Die Erfindung hat ein diesen Anforderungen erfüllendes Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter aus Glas mit weitgehend kontinuierlich variierendem Brechungsindex zur Aufgabe.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren der Erfindung dadurch gelöst, daß, ausgehend von dem Verfahren des Hauptpatents, bei Durchführung der Schichtaufbringung im Wege der Flammhydrolyse (Anspruch 8) die Zusammensetzung der für die Hydrolyse zugeführten Gase kontinuierlich verändert wird.
Hierdurch wird eine praktisch kontinuierliche Veränderung des Brechungsindex der aufgebrachten Schicht erzielt.
Die Erfindung sei an Hand der Zeichnungen näher
erläutert. Die
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Schicht aus feinteiligen Glaspartikeln im Wege der Flammhydrolyse mit radial unterschiedlicher Zusammensetzung auf einen Grundkörper; die
Fig. 2 zeigt schematisch als Einzelheit Mittel zur Regulierung der Gasströmung für die Aufbringung; die
F i g. 3 erläutert schematisch das Ausbohren des Grundkörpers; die
F i g. 4 zeigt schematisch das Ausziehen des beschichteten Körpers zur Faser, während die
F i g. 5 und 6 den Schn'tt entlang der Schnittlinie 5-5
40
4") Phrenner 14 eine Glasschicht 10 aus feinteiligen ri<Artikeln auf einen z. B. zylindrischen Grundkörper ?2 auSracht. Gasförmiger Brennstoff und Sauerstoff oder Luft werden von einer nicht gezeigten Quelle durch das Rohr 16 in den Brenner geleitet und erzeugen d0Füiiedasmaufzubringende Material enthalten die Rehälter 20 und 22 Flüssigkeiten 24 und 26, die mit Pinem Geeigneten Gas, z. B. über die Rohre 28, 30 geTeitS Sauerstoff, durchperlt werden Die Zufuhr erfolgt in bestimmten Mengen und Drucken über ein ventil 32 bzw. 36 und den Durchsatzmesser 34 bzw. 38. niirch Heizer 40, 42 werden die Flüssigkeiten auf der gewünschten Temperatur gehalten Beim Durchperlen werden verdampfte Teile der Flüssigkeit vom Gas durch L· *ohr 46 mitgenommen und mit dem Gas vermischt. Die'Mischung wird in der Flamme 18 zu feinteiligen Glaspartikeln hydrolisiert, die als Strom 48 auf der, Grundkörper 12 gerichtet und auf dem rotierenden und verschobenen Körper zu einer gleichmäßigen Schicht niedergeschlagen werden. Die Verschiebung ,st nicht nötig wenn mehrere Brenner 14 in einer Reihe oder radialem Abstand vorgesehen werden
Soll die Schicht aus feinteiligen Glaspart.keln mehr als zwei Komponenten enthalten, so werden entsprechend viele Flüssigkeitsbehälter vorgesehen, von denen einer oder mehrere auch ein Flüssigkeitsgemisch
enthalten können .
Durch Temperaturregelung der flussigen Komponenten mit bekannten Dampfdrücken sowie Regelung des Durchsatzes und Druck der Trägergase lassen sich genaue Dampfmengen für die Mitnahme und Hydrolysierung einstellen. Auf diese Weise kann die Zusammensetzung der feinteiligen Giaspartikeln mit der gewünschter, radialen Änderung des Niederschlags genau eingestellt werden.
Zur genauen Einstellung des in den Behalter 20 geleiteten Trägergases ist z. B. ein vom Motor 52 angetriebenes Ventil 32 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 programmgemäß verstellt (s. F i g. 2). Für die Rotierung und gegebenenfalls auch die Längsversch.ebung des Grundkörpers wird ebenfalls eine geeignete Regelan-Ordnung vorgesehen. ,
Durch den Brenner wird eine Schicht aus feinteiligen Glaspartikeln aufgebaut, die bei geeigneter Koordinierung der Zusammensetzungsänderungsgeschwindigkeit und der Umdrehungs- und Verschiebegeschw.ndigkeiten eine praktisch kontinuierliche Veränderung im Brechungsindex ergibt.
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
W)
h)
sind zahlreiche Stoffe geeignet. Nur als Beispiel seien genannt die Oxide von Titan, Tantal. Zinn, Niobium, Zirkon, Aluminium, Lanthan, Germanium. Der Zusatz wird zweckmäßig nur in der /.ur 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.-o/o der Gesamtzusammensetzung an der jeweiligen Stelle.
Die Gesamtdicke der Schicht bestimmt sich nach der niedergeschlagenen Menge feinteiliger Glaspartikeln, die über den Durchsatz und die Niederschlagsdauer geregelt werden kann. Durch Sintern erhält man eine dichte, gleichmäßige Schicht etwas geringerer Dicke. Bei ausreichender Temperatur werden die feinteiligen Glaspartikeln gleich beim Niederschlagen gesintert, andernfalls wird die Sinterung anschließend durchgeführt.
Wie die Fig. 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 einer oder mehrerer Wellenmoden verwendet werden kann. Wie die Kurve 70 der F i g. 7 zeigt, sind Zusammensetzung und Brechungsindex in radialer Richtung gesehen unterschiedlich.
Als Beispiel soll ein als lichtfokussierender Wellenleiter geeigneter Gegenstand mit radial unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt werden. Seine kennzeichnenden Parameter können nun durch die Gleichung
n, = /7o sech i,y bestimmt werden, in der nr der Brechungsindex an seinem Punkt im Gegenstand mit dem Radius r, noder Brechungsindex im Mittelpunkt des Gegenstandes und Fdie 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 0,127 mm, einem Brechungsindex am Mittelpunkt von n0 von annähernd 1,4662 und einem Brechungsindex nr 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 F i g. 8 für einen lichtfokussierenden Wellenleiter 74 mit radial unterschiedlichem Brechungsindex anhand der Kurve 76 gezeigt. Der Brechungsindex variiert gemäß dieser Kurve nach der Formel
2F
Die Brennweite F de.i
Weilenleiters 74 ist in der F i g. 9 dargestellt.
Obgleich der Durchmesser des Körpers 64 wesentlich größer 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 F i g. 7 der Kurve 76 der F i g. 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 Schmeizquarz mit einem Durchmesser von 3,2 mm und einer Länge von 25 cm wird an einem geeigneten Handgriff befestigt. Flüssiges SiCl4 wird in einem ersten Behälter auf einer Temperatur von 200C und flüssiges TiCU in einem zweiten Behälter auf einer Temperatur von 830C gehalten. Der Dampfdruck jeder dieser Flüssigkeiten beträgt bei den angegebenen Temperaturen 190 mm Hg.
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 SiCU und mit neccm/Min. durch das flüssige TiCU durchgeführt. Unter diesen Bedingungen enthalten die vom Sauerstoff mitgeführten Dämpfe 2,3 Mol% TiCU und 97,7 Mol% SiCU- Dies ergibt nach Hydrolyse in der Flamme eine Zusammensetzung der feinteiligen Glaspartikeln von 3 Gew.-% TiO2 und 97 Gew.-% SiO2 mit einem Brechungsindex von 1,4662 für Licht mit einer Wellenlänge von 5893 A. Die feinteiligen Glaspartikeln werden als eine Schicht auf einem Grundkörper niedergeschlagen, der rotiert und seitlich verschoben wird. Mit einem nockenbetriebenen Regelventil wird der Sauerstoffdurchsatz durch das flüssige TiCU entsprechend verringert. Die Herstellungsdauer eines 20 cm langen Körpers mit 5 cm Durchmesser und radial variierender Zusammensetzung beträgt so etwa l'/2 Stunden. Anschließend wird die Schicht in einem Induktionsofen mit einer Sauerstoffatmosphäre bei 1500°C 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 4,445 cm. Dieser Körper wird dann in einen Induktionsofen gebracht und in Sauerstoff bei
, 20000C gezogen. Dabei verringert 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 ι von 0,127 mm 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.
Hierzu 3 Bkitt Zcichnunuen

Claims (1)

Patentansprüche: ellenlei-
1. Verfahren zur Herstellung optisch, ter aus Glas nach Art einer Gradientenfaser bei dem auf einem Grundkörper stufenwe.se eine Schicht mit von Stufe zu Stufe verändertem Brechungsindex aufgebracht wird und der so entstandene Schicht körper zum Wellenleiter ausgezogen wird nach Patentanmeldung P 23 13 203.8-45 und wobei die Aufbringung der Schicht im Wege der namjnhydrolyse vorgenommen wird, dadurch 8ε^ηη ζ e i c h π e t. daß die Zusammensetzung der fur die Hydrolyse zugeführten Cse kontinuierlich verändert wird.
F-1 7 St teils schematich und teils als Schaubild A- ridial unterschiedliche Zusammensetzung des Seschichteterί Körpers nach Ausbohren des Grundkör-
^F^S 'das gleiche für einen erfindungsgemäß η Wellenleiter; für den letzteren zeigt das
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