DE2351354A1 - Verfahren zur herstellung eines lichtleiters - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines lichtleiters

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Description

Patentanwälte Dipl.-I^g. F Wf. j c km an ν,
Dipl.-Ing. Η.Ψειοιμανν, Dipl.-Phys. Dr. E. Fincke Dipl.-Ing. F. A.¥eickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
8 MÜNCHEN 86, DEN
POSTFACH 860 820
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22
Sumitomo Electric Industries, Ltd.
15» 5-chome, Kitahama, Higashi-ku
Osaka / Japan . ·
Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters. Ein nach der Erfindung hergestellter Lichtleiter besteht aus Quarzglas und hat eine dünne, zylindrische Schicht mit hohem Brechungsindex.
Ein nach der Erfindung hergestellter Lichtleiter besteht
aus einer Quarzglasfaser aus extrem stark lichtdurchlässigem Material mit einer dünnen, zylindrischen Schicht des
Materials, die um einige Prozent höher als die Quarzglasschicht zwischen ihrer Mitte und ihrem Umfang ist. Bei derartigen Lichtleitern tritt bekanntlich der größte !'eil der Energie des übertragenen Lichts in der dünnen, zylindrischen Schicht auf·
Die theoretische Analyse eines derartigen optischen.Lichtleiters ist in der technischen Schrift Nr. 852 mit dem Titel "Transmission Properties of the optical fiber having
thin cylindrical layer of a higher refractive index than
that of the fiber material" und in der technischen Schrift Nr. 995 mi"*; dem Titel "The Transmission properties of HE,.,.
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mode in the optical fiber which has a cylindrical thin layer of a higher refractive index than that of the fiber material" der Allgemeinen Konferenz des Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan, 1975» beschrieben.
Zur Herstellung eines Lichtleiters aus einer Quarzglasfaser mit einer darin vorhandenen dünnen, zylindrischen Schicht mit hohem Brechungsindex ist ein Verfahren bekannt, bei dem entweder ein transparenter Quarzglasstab in ein transparentes Quarzglasrohr eingesetzt wird, das eine zylindrische und gleichförmige Schicht mit hohem Brechungsindex an seiner Innenseite aufweist, oder ein transparenter Stab mit einer zylindrischen, gleichförmigen Schicht mit hohem Brechungsindex an seiner Außenfläche koaxial in ein transparentes Quarzglasrohr eingesetzt wird. Dabei werden die Enden beider Elemente auf ihren Schmelzpunkt erhitzt und mit konstanter Geschwindigkeit zu einer Faser gezogen.
Bei einem derart hergestellten Lichtleiter tritt jedoch ein unvermeidbarer Lichtverlust durch Streuung an der Innenoder Außenfläche der zylindrischen dünnen Schicht auf, der auf die Rauhigkeit der Grenzflächen der zylindrischen dünnen Schicht oder auf Luft und Fremdstoffe zurückzuführen ist, die gelegentlich zwischen der dünnen Schicht und dem Stab oder dem Rohr während der Herstellung verbleiben können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neues und verbessertes Herstellungsverfahren für einen Lichtleiter anzugeben, der möglichst geringe Übertragungsverluste durch Ver- · meidung der Streuungsverluste an den Grenzflächen gewährleistet.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß ein Stab aus Quarzglas mit einer Schicht aus reinem Quarzglas, dann mit einer dünnen Schicht aus rein dotiertem, ein oder mehrere Metalloxide enthaltenden Quarzglas und dann mit einer Schicht aus reinem Quarzglas versehen, geschmolzen und zu einer Lichtleitfaser gezogen wird.
Vor dem Aufbringen einer gleichmäßigen Schicht mit hohem Brechungsindex auf die Innenfläche eines zylindrischen Rohrs oder auf die Außenfläche eines Stabes werden die Oberflächen glatt und sauber poliert, dann wird auf der in Betracht kommenden Fläche eine gleichmäßige Schicht aus reinem Quarzglas gebildet und auf diese eine gleichmäßige Schicht mit hohem Brechungsindex aus reinem Quarzglas aufgebracht. Dann .wird eine gleichmäßige Schicht aus reinem Quarzglas auf die Schicht mit hohem Brechungsindex aufgebracht, um diese zu schützen. Der Stab und das Bohr werden nach dieser Behandlung koaxial angeordnet und auf die Schmelztemperatur erhitzt, wonach das Ziehen zu einer Faser mit zylindrischer gleichmäßiger Schicht mit hohem Brechungsindex erfolgt. Dieses Herstellungsverfahren eines Lichtleiters gewährleistet eine Entfernung von Rauhigkeiten an den Grenzflächen der zylindrischen Schicht mit hohem. Brechungsindex sowie von Luft und Fremdstoffen, die während des Herstellungsganges an den Grenzschichten auftreten können. Dadurch wird der Streuungsverlust weitestgehend reduziert, und die ObertragungsVerluste des Lichtleiters haben einen geringstmöglichen Wert,
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Figuren beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 die Darstellung eines Lichtleiters mit einer zylindrischen Schicht mit hohem Brechungsindex,
Pig. 2 und 3 Darstellungen eines Stabes und eines Rohrs aus Quarzglas zur Erläuterung eines Herstellungsganges nach der Erfindung,
Pig. M- einen Längsschnitt zur Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung,
Pig. 5 und 6 Darstellungen eines Stabes und eines Rohrs aus Quarzglas zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung und
Pig. 7 den Längsschnitt eines Materials zur Erklärung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
In Pig. 1 ist eine zylindrische Schicht 1 vorgesehen, deren Brechungsindex größer als derjenige eines den Lichtleiter bildenden Quarzglases 2 ist. Das Material 2 bildet den lichtdurchlässigen inneren Teil des Lichtleiters, das Material 5 den lichtdurchlässigen äußeren Teil· Die Herstellung eines Lichtleiters der in Pig. 1 gezeigten Art wird an Hand der Piguren beschrieben. Pig« 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines transparenten Stabes aus reinem Quarzglas, der mit drei dünnen Hüllschichten versehen ist, die von innen nach außen aus einem feinen Pulver reiner Silika, aus einem feinen Pulver rein dotierter Silika mit hohem Brechungsindex und aus einem feinen Pulver reiner Silika bestehen.
In Pig. 2 ist der transparente Stab mit 4-, die zylindrischen Schichten aus feinem Pulver reiner Silika mit 5 und 7 und eine zylindrische Schicht aus feinem Pulver rein dotierter Silika mit hohem Brechungsindex mit 6 bezeichnet.
Bei einem Herstellungsverfahren nach der Erfindung wird die Oberfläche des Stabes 4- glatt und sauber poliert, wozu eine
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optische Politur und eine Flammpolitur durchgeführt wird. Auf der polierten Oberfläche des Stabes 4 wird eine gleichmäßige dünne Schicht 5 aus feinem Pulver reiner Silika abgelagert, die durch Oxidation von Siliziumtetrachlorid bis zu einer Dicke von einigen Mikron bis zu einigen zehn Mikron aufgetragen wird. Dann wird"ein feines Pulver aus reiner Silika 6 in ähnlicher Weise aufgebracht, dieses Material enthält ein oder mehrere Metalloxide, beispielsweise TiOp mit einem Anteil von einigen Prozent.
Die Dicke der Schicht 6 beträgt gleichfalls einige Mikron bis zu einigen zehn Mikron.
Eine Schicht 7 aus feinem Pulver reiner Silika wird ferner in ähnlicher Weise wie die Schicht 5 aufgebracht, ihre Dicke ist gleichfalls der Schicht 5 angeglichen.
Nach diesem Verfahren erhält man einen Stab der in Fig. 2 gezeigten Art.
Fig. J zeigt eine perspektivische Darstellung eines transparenten Rohrs desselben Materials wie der Stab 4, bei dem eine Schicht auf die Innenfläche aufgebracht ist. Das transparente Rohr ist mit 8 bezeichnet, sein Innendurchmesser und seine Dicke werden in bezug auf die Abmessungen eines Stabes der in Fig. 2 gezeigten Art bestimmt, so daß die Lichtleitfaser durch Ziehen des Stabes und des Rohrs im nachfolgenden Verfahren entsprechende Querschnit'tsabmessungen erhält. Mit 9 ist eine Schicht aus feinem Pulver reiner Silika bezeichnet, die in ähnlicher Weise wie die Schicht 5 hergestellt wird, die in Fig. 2 gezeigt ist.
Beim nachfolgenden Verfahren v/erden der in Fig. 2 gezeigte Stab und das in Fig. 3 gezeigte Rohr auf eine Temperatur von ca. 1500° C erhitzt, um die feinen .Quarzpulverschich-
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ten 5, 6, 7 und 9 in einer sauerstoff reichen Atmosphäre zu sintern.
Nach Fig. 4- wird dann der Quarzglasstab 4- koaxial in das Quarz glasrohr 8 eingesetzt, diese Anordnung wird in einen Hochtemperaturofen eingegebene Sie wird auf eine !Temperatur von ca. 1900° C erhitzt und dann zu einer !faser gezogen. Dieser Vorgang wird auch mit Spinnen bezeichnet, durch ihn ergibt sich eine Lichtleitfaser gewünschter Größe und Form.
Fig. 4- zeigt einen Längsschnitt des Stabes 4- und des Eohrs während des Ziehens bei hoher Temperatur. Dabei sind dieselben Bezugszeichen wie in 2?ig. 1, 2 und 5 verwendet.
Der auf diese Weise hergestellte Lichtleiter hat eine Form, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wobei die Brechungsxndis es ntLi n5» n6» D7> n8 und 11Q iur äie Teile 4·, 5, 6, 7* 8 und vorliegen. Dabei gilt
Dadurch bildet die Schicht 6 aus reiner Silika mit ein oder zwei Metalloxiden eine zylindrische, dünne Schicht 1 mit einem Brechungsindex ng, der um mehrex^e Prozent höher als der Brechungsindex n^ oder andere V/erte im Inneren des Lichtleiters ist.
Dann werden die Schicht 5 aus reiner Silika und der Stab 4-aus Quarzglas zu einem Körper vereinigt und in den transparenten Stab 2 an der Innenseite der Schicht 1 verwandelt, während die Schichten 7 und 9 aus reiner Silika und das Rohr 8 aus Quarzglas zu einem Körper vereinigt und in das transparente Rohr 5 außerhalb der Schicht 1 verwandelt werden.
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Wenn bei einem Herstellungsverfahren nach der Erfindung die Zugabe von TiOp zu dem reinen Silikapulver der Schicht 6 genau auf die- erforderliche Menge eingestellt wird., erhält man einen Lichtleiter mit einer zylindrischen Schicht 1 mit idealem Brechungsindex n^·
Die Dicke der Schicht 6 des Lichtleiters hat einen Wert entsprechend einigen bis zu einigen zehn Wellenlängen des zu übertragenden Lichts.
Bei dem Herstellungsverfahren des Lichtleiters ist eine Schicht 9 an der Innenfläche des Rohrs 8 nicht erforderlich, wenn, die Dicke der Schicht 7 auf dem Stab 4- einen größeren Wert hat. Man kann denselben Lichtleiter aus einem Stab herstellen, der mit einer Schicht 7 aus Quarzglas versehen ist, die genau so dick wie das Rohr 8 ist.
Ein Lichtleiter aus einem zylindrischen Film kann gleichfalls in ähnlicher Weise wie bereits beschrieben, nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden, das an Hand der Fig. 5 bis 7 beschrieben wird. Bei diesem Verfahren v/erden eine dünne zylindrische Schicht 11 aus feinem Pulver reiner Silika, eine dünne zylindrische Schicht 12 aus einem feinen Pulver reiner Silika mit einem Oxid wie z.B. TiOo u&ä- eine dünne zylindrische Schicht 13 aus einem feinen Pulver reiner Silika nacheinander auf die Innenfläche des Rohrs 10 aus Quarzglas aufgebracht. Die so aufgebrachten· Schichten 11, 12 und 13 werden in derselben Weise wie die Schichten 5, 6 und 7 gebildet, die auf die Oberfläche des Stabes 4-aufgebracht sind. In ähnlicher Weise wird eine Schicht 15 aus feinem Pulver reiner Silika auf der Außenfläche des Stabes Ί4- erzeugt, der in Fig. 6 gezeigt ist.
Wie aus Fig. 7 hervorgeht, v/erden das Rohr 10 und der Stab
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14- in einem Ofen zur Sinterung der Schichten erhitzt. Dann werden das so behandelte Rohr 10 und der Stab 14 koaxial angeordnet und auf eine hohe Temperatur bei 1900° G erhitzt, wonach sie zu einer Faser gezogen werden, die einen Lichtleiter mit den Querschnittsteilen 1,2 und 3 bildet, die in Fig. 1 gezeigt sind. Die Lichtübertragungseigenschaften eines auf diese Weise hergestellten Lichtleiters können verbessert werden, indem er einer geeigneten Wärmebehandlung ausgesetzt wird. Beispielsweise kann eine so hergestellte Paser auf ca. 800° C einige Stunden lang erwärmt werden, ihre Oberfläche kann durch Ätzen und Polieren mit HF-Säure gereinigt werden, wodurch der 3?aser auch eine Stabilität verliehen- wird.
Als ein Metalloxid in dem feinen Pulver rein dotierter. Silika für die Schicht 6 oder 12 können Tantaloxid, Zinnoxid, Nioboxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Ytterbiumoxid, Lanthanoxid, Oäsiumoxid, Rubidiumoxid, Germaniumoxid usw, gleichfalls verwendet werden, um den mit TiOp angestrebten Zweck zu erreichen.
Bei einem Herstellungsverfahren nach der Erfindung werden die dünnen Schichten aus reiner Silika zwischen die Schicht aus rein dotierter Silika mit hohem Brechungsindex und den Stab oder das Rohr aus Quarzglas gebracht und so zu einem Körper mit dem Stab oder Rohr während des Ziehverfahrens verschmolzen und integriert, daß die Innen- und Außenflächen der Schicht mit hohem Brechungsindex durch die Schichten aus, reiner Silika extrem glatt und sauber werden, auch wenn Einbuchtungen und Erhöhungen an den Flachen des Stabes und des Rohrs durch das Polieren nicht ausreichend entfernt wurden.
Die Rauhigkeit der Oberfläche des Stabes und des Rohrs wird
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also durch die Zwischenschichten aus reiner Silika "beseitigt, so daß man dadurch eine glatte Oberfläche des Stabes und des Rohrs erhält. Ein genaues Polieren dieser Flächen ist deshalb nicht erforderlich.
Durch die Erfindung wird es "möglich, ohne Schwierigkeiten einen Lichtleiter'herzustellen, der sehr geringe Übertragungsverluste hat, da eine nur geringfügige Streuung an den Grenzflächen einer zylindrischen dünnen Schicht mit hohem Brechungsindex auftritt.
Das Herstellungsverfahren nach der Erfindung ist auf viele Arten von Lichtleitern anwendbar. Man kann beispielsweise leicht einen Verbundliehtleiter herstellen, bei dem ein Rohr aus Quarzglas mit einer Schicht aus reinem Quarzglas und einer Schicht aus rein dotiertem Quarzglas mit einem oder zwei Metalloxiden an der Innenfläche des Rohrs vorgesehen ist. Die Schichten sind nacheinander auf die Innenfläche des Rohrs aufgebracht, diese Anordnung wird verschmolzen und zu einer Lichtleitfaser gezogen. Man kann auch einen Verbundliehtleiter herstellen, bei dem ein Rohr aus Quarzglas mit einer Schicht aus feinem Quarzglaspulver und einer Schicht aus feinem, rein dotiertem Silikapulver mit einem oder mehr Metalloxiden auf die Innenfläche aufgebracht ist, diese Anordnung wird in einer sauerstoffreichen Atmosphäre gesintert und verschmolzen sowie zu einer Easer gezogen.
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Claims (13)

P a t e η t a η s ρ r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stab aus Quarzglas mit einer Schicht aus reinem Quarzglas, dann mit einer dünnen Schicht aus rein dotiertem, ein oder mehrere Metalloxide enthaltendem Quarzglas und dann mit einer Schicht aus reinem Quarzglas versehen, geschmolzen und zu einer Lichtleitfaser gezogen wird·
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Schichten versehene Quarzglasstab koaxial in einem Quarzglasrohr angeordnet wird, an dessen Innenfläche eine Schicht aus reinem Quarzglas vorgesehen ist, und daß die so gebildete Anordnung verschmolzen zu einer Lichtleitfaser gezogen wird·
3. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr aus Quarzglas mit einer Schicht aus reinem Quarzglas, dann mit einer dünnen Schicht aus rein dotiertem, ein oder mehrere Metalloxide enthaltendem Quarzglas und dann mit einer Schicht aus reinem Quarzglas an seiner Innenfläche versehen, geschmolzen und zu einer Lichtleitfaser gezogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr verwendet wird, das an seiner Innenseite mit einer reinen Quarzglasschicht, einer darauf angeordneten rein dotierten Quarzglasschicht mit einem oder mehr Metalloxiden und einer darauf angeordneten reinen Quarzglasschicht versehen ist.
5. . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Schichten versehene Quarzglasstab in einem Rohr
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aus Quarzglas angeordnet wird und daß diese Anordnung verschmolzen und zu einer Faser gezogen wird.
6. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters, dadurch gekennzeichnet, daß ein Quarzglasstab in ein Quarzglasrohr eingesetzt v/ird, das an seiner Innenseite mit einer Schicht aus reinem Quarzglas, einer darauf angeordneten dünnen, rein dotierten Quarzglasschicht mit einem oder mehr Metalloxiden und einer darauf angeordneten reinen Quarzglasschicht versehen ist, und daß diese Anordnung verschmolzen und zu einer Faser versponnen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Quarzglasstab verwendet wird, der mit einer Schicht aus feinem Pulver reiner Silika, einer darauf angeordneten dünnen Schicht aus feinem Pulver rein dotierter Silika mit einem oder,mehr Metalloxiden und einer darauf angeordneten Schicht aus feinem Pulver reiner Silika versehen ist, und daß diese Anordnung in einer sauerstoffreichen Atmosphäre gesintert wird·
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr aus Quarzglas verwendet wird, das an seiner Innenseite mit einer Schicht aus feinem Pulver reiner Silika, einer darauf angeordneten Schicht aus feinem Pulver rein dotierter Silika mit einem oder mehr Metalloxiden und einer darauf angeordneten Schicht aus feinem Pulver reiner Silika versehen ist, und daß die damit gebil*° dete Anordnung in einer sauerstoffreichen Atmosphäre gesin·= tert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Inspriiehe $ da·= durch gekennzeichnet 5 daß ein Quarz glas stab verwendet %d.rd? der mit einer Schicht aus einem feinen Pulver reiner Silika
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an seiner Außenfläche versehen und in einer sauerstoffreichen Atmosphäre gesintert ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gezogene Lichtleitfaser in einer Sauerstoffreichen Atmosphäre einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gezogene Lichtleitfaser durch Einwirkung von HF-Säure geätzt und poliert wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr aus Quarzglas mit einer an seiner Innenseite vorgesehenen Schicht aus reinem Quarzglas und einer darauf angeordneten Schicht aus rein dotiertem Quarzglas mit einem oder mehr Metalloxiden geschmolzen und zu einer Lichtleitfaser gezogen wird.
13. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr aus Quarzglas mit einer an seiner Innenseite vorgesehenen feinen Pulverschicht aus reinem Quarzglas und einer darauf angeordneten Schicht aus rein dotiertem Quarzglas mit einem oder mehr Metalloxiden in einer sauerstoffreichen Atmosphäre geschmolzen und zu einer Lichtleitfaser gezogen wird.
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