DE2359657B2

DE2359657B2 - Verwendung von Gläsern im System SiO2 -PbO-Alakalimetalloxide für Lichtleitfasern mit niedrigen optischen Verlusten

Info

Publication number: DE2359657B2
Application number: DE2359657A
Authority: DE
Inventors: Marga 6500 Mainz Faulstich; Georg Krolla; Norbert Dipl.-Phys. Dr. Neuroth; Franz 6501 Drais Reitmayer
Original assignee: Jenaer Glaswerk Schott and Gen
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1973-11-30
Filing date: 1973-11-30
Publication date: 1979-01-25
Also published as: JPS558945B2; FR2252992B1; GB1477538A; FR2252992A1; US4099834A; DE2359657C3; JPS50160310A; DE2359657A1; NL7415623A

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Gläsern im System SiO₂- PbO-Alkalimetalloxide für Lichtleitfasern mit niedrigen optischen Verlusten unter 150 dB/km, hoher Transparenz, großer numerischer Apertur und hoher Biegezugfestigkeit.

Bei herkömmlichen optischen Systemen (Linsen, Objektive, Abschlußfenster) beträgt die Weglänge des Lichtstrahles meist nur einige Zentimeter.

Bei Lichtleitfasern treten bisher bereits Weglängen von 10 m auf. Bei Lichtleitfasern für Nachrichtenübertragung sind Weglängen bis zu Kilometern von Interesse.

Bei Durchstrahlungslängen von Kilomeiern soll die Intensität des Lichtstrahles am Ende der Faser noch ausreichend hoch sein; nach Durchlaufen einer 2 km langen Lichtleitfaser soll z. B. die Lichtintensität noch 1 % der Intensität am Eingang der Faser haben.

In der Nachrichtentechnik gibt man den Transmissionsverlust (= Dämpfung) in Dezibel pro km an. Diese Einheit wird aus einer Transmissionsmessung wie folgt berechnet:

Beträgt die Intensität des Lichtes in der Faser am Anfang/o und am Ende /«so ist deren Transmission &

Beträgt die Länge der Faser L km, dann errechnet sich der Verlust gemäß

D = — IgI/ //dB/km.

Der Gesamtlichtverlust des Glases setzt sich zusammen aus dem Absorptions- und Streuverlust.
Die Absorption des Glases wird verursacht durch
a) die Eigenabsorption der einzelnen Glaskomponenten

b) Verunreinigung durch färbende Oxide (Obergangselemente und OH-Ionen)

c) die Schmelzbedingungen, die z. B. den Oxidationsgrad beeinflussen.

■-, Die Streuung im Glas hängt ab von den Inhomogenitäten, die durch die MikroStruktur des Glases oder die Schmelzbedingungen verursacht sind.

In der Lichtleitfaser treten zusätzlich Streuverluste an den Verschmelz-Grenzflächeii zwischen Kern- und

ίο Mantelglas auf.

Unter den üblichen Schmelzbedingungen werden bei Einsatz von handelsüblichen Rohstoffen, wie sie für optische Gläser verwendet werden, im Spektralgebiet um A=850nm bestenfalls Verluste von 2000 bis 200 dB/km erreicht, bei SiO₂-GIaS von 50 bis 10 dB/km.

Zur Herstellung einer Lichtleitfaser sind zwei Gläser (für Kern und für Mantel) erforderlich, deren Brechzahl sich um ein oder einige Prozent unterscheidet Diese Glaskombination soll eine ummantelte Faser mit guter mechanischer Festigkeit ergeben, d. h. die Faser muß stark gekrümmt werden können, ohne daß Licht aus dem Faserkern austritt, und ohne daß sie bricht

In jüngester Zeit ist es gelungen, unter Einsatz von extrem reinen Rohstoffen und reinsten Schmelzbedin-

> > gungen SiO₂-GIaS herzustellen, das im Wellenlängenbereich um 850 nm Verluste von nur einigen dB/km hat Unter gleichen Reinstbedingungen wurden SiO₂-Alkalioxid-Kalziumoxidgläser mit Verlusten von —40 dB/km erhalten. (PINNOW, D. A., u.a.»FUNDA-

«) MENTAL OPTICAL ATTENUATION LIMITS IN THE LIQUID AND CLASSY STATE WITH APPLICATION TO FIBER OPTICAL WAVEGUIDE MATERIALS«, Appl. Phys. Lett. 22,1973,527.) Reines Quarzglas hat eine sehr niedrige Brechzahl

π und eine niedrige thermische Ausdehnung. Um Lichtleitfasern herzustellen, muß man es mit Oxiden dotieren, welche die Brechzahl erhöhen, und dieses Material für den Faserkern verwenden. Dieses Faserherstellungsverfahren hat zwei Nachteile:

1. Mar. kann meistens nur geringe Brechzahlunterschiede erzielen, wenn zusätzlich die optischen Verluste klein sein sollen;

2. Man muß zum Schmelzen des reinen und des dotierten Quarzglases sehr hohe Temperaturen anwenden.

Aus den vorstehend genannten SiO2-Alkalioxid-Kalziumoxidgläsern von höchster Reinheit könnten zwar Lichtleitfasern hergestellt werden, bei ihnen wäre jedoch der Bereich der Brechzahldifferenzen zwischen

>o Kern- und Mantelglas und damit die numerische Apertur der Faser begrenzt

Ziel der vorliegenden Erfindung sind Lichtleitfasern, bei deren Herstellung keine Reinstbedingungen eingehalten werden müssen, und die insbesondere die

Vi folgenden Eigenschaften aufweisen:

a) extrem niedrige optische Verluste

b) hohe Biegefestigkeit

c) breiter Brechwertbereich

d) niedrige Herstellungstemperaturen.

bo Dieses Ziel wird erreicht durch Verwendung von Gläsern der folgenden Zusammensetzung:

SiO₂	65-75Mol.-%
Alkalimetalloxide	4-17Mol.-°/o
PbO	16-25 Mol.-%,

wobei das Mol-Verhältnis S1O2: PbO zwischen 2,5 und 4,0 liegt.
Gläser mit derartigen Zusammensetzungen sind zwar

3 4

bekannt, beispielsweise aus der US-PS 12 95 299, der Gläser mit den folgenden Zusammensetzungsbereichen

DE-AS 10 89 525, der DE-OS 15 96 908 und aus »Silicate verwendet werden:

Industries« 1952, S. 321 bis 324, jedoch mußte die ■

Eignung solcher Gläser für Lichtleitfasern außerordent- Oxide in Mol-%

Hch überraschen, da bekannt war, daß gerade PbO die

optischen Verluste stark erhöht (Glastechn. Berichte 35 SiO₂ 65-75

[1962) S 36-Schott-Informationsblatt Nr. 3201 d [1972], K₂O 4-17

S. 9). Cs₂O 0-5

Besonders geringe Transmissionsveriuste zeigen PbO 16-25

solche Gläser, die wenig oder gar kein Na₂O, dafür aber ι ο

K₂O und/oder Cs₂O enthalten. in Gew.-%

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Gläser haben

eine geringe Konzentration an Färb- und Streuzentren SiO₂ 38-48

und zeigen deshalb geringe optische Verluste im K₂O 4-13

kurzwelligen infraroten Spektralbereich. r, Cs₂O 0-10

Abb.l gibt die Abhängigkeit der optischen Verluste PbO 42-55 bei der Wellenlänge A=850nm vom K₂O-Gehalt in

MoL-% wieder. Der Verlust beträgt bei einem wobei das Verhältnis SiO₂: PbO in MoL-% 2,5 bis 4,0

K₂O-GeIIaIt zwischen 4 und 17 MoL-% < 150 dB/km. betragen soll (Abb. 2).

Es wurde gefunden, daß die niedrigslen optischen 20 Die folgenden Tabellen zeigen 12 Beispiele für

Veriuste (bis etwa 80 dB/km) erzielt werden, wenn erfindungsgemäß verwendbare Zusammensetzungen.

Oxide	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
SiO₂	71,0	72,5	71,19	69,40	70,5	67,91	66,87	74,83	66,5	70,1	69,0	71,2
Na₂O	-	-	-	-	-	-	-	-	-	2,4	1,6	-
K₂O	5,0	6,5	7,70	7,87	9,0	10,96	10,13	4,74	11,5	5,7	6,8	5,0
Cs₂O	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	2,7
PbO	24,0	21,0	21,10	22,72	20,5	21,13	23,00	20,43	22,0	21,8	22,6	21,2
SiO₂ PbO	2,96	3,45	3,37	3,06	3,42	3,28	2,90	3,66	3,02	3,22	3,05	3,37
dB/km bei	107	102	84	80	87	93	107	145	96	130	HO	128
A850nm
	1,6477	1,6283	1,6347	1,6478	1,6293	1,6322	1,64911	1,6170	1,6450	1,6398	1,6461	1,63310
a ■ 10⁷/'C	79,6	81	88.3	85,7	89,5	95,7		70,1	104,9	89	93	82,1
20-3O0°C
Tg⁰C	466	475	466	462	468	460		484	439	448	443	472
EW "C		650	631	629	632	625		674		614	604

a ■ 10⁷/"C = Ausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20-300 C.

Tg "C = Transformationstemperatur.

EW "C = Temperatur bei 10⁷" Poise.

Gew.-%

Oxide 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

SiO₂ 42,2 45,10 43,6 41,60 43,84 41,50 39,60 47,3 45,8 43,4 41,8 41,85

Na₂O --------- 1,5 1,0 -

K₂O 4,7 6,34 7,4 7,40 8,80 10,50 9,40 4,7 11,1 4,7 6,4 4,61

Cs₂O ------_-___ 744

PbO 53,1 48,56 48,0 50,60 47,36 48,00 50,60 48,0 43,1 50,4 50,8 46,10

Die Herstellung dieser Gläser erfolgt unter Einsatz sehend, da bei den bekannten SiOrRiO-CaO-Gläsern handelsüblicher optischer Rohstoffe und erfordert keine an die Rohstoffe extreme Reinheitsforderungen gestellt Reinstschmelzbedingungen. Dies ist besonders iiberra- werden müssen, um zu vergleichbaren dB/km-Verlusten

zu kommen. Die Verluste (dB/km) bei einer Wellenlänge um 850 nm der erfindungsgemäß zu verwendenden Gläser können bei Einsatz von Reinstrohstoffen und Schmelzen unter Reinstschmelzbedingungen auf 5 20 dB/km reduziert werden.

Der H2O-Gehalt der Gläser soll vorzugsweise unter 10 ppm liegen.

Die erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile von Fasern aus SiO₂-R2O-PbO-Gläsern sind folgende:
1. Mit diesen Gläsern können Glaskombinationen für ummantelte Lichtleitfasern hergestellt werden, die stark gekrümmt werden können, ohne daß Licht aus den Fasern austritt.

2. Die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten kann so eingestellt werden, daß sich im Mantelglas Druckspannungen ergeben, so daß die Faser stark gekrümmt werden kann, ohne zu zerbrechen.

3. Die Brechzahldifferenz zwischen Kern- und Mantelglas kann relativ groß gehalten werden, so daß große Werte für die numerische Apertur der Faser (gekennzeichnet durch die Beziehung sin Mo=]//3i² — ft²) erhalten werden.

4. Die Schmelztemperaturen dieser Gläser und die Faserziehtemperaturen sind erheblich niedriger als z. B. bei Quarzglas.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung von Gläsern mit der Zusammensetzung

SiO₂

Alkalimetalloxide

PbO

65—75 MoL-%

4-17MoL-%

16-25 MoL-%

für Lichtleitfasern mit niedrigen optischen Verlusten

< 150 dB/km, hoher numerischer Apertur und hoher Biegefestigkeit, bei denen das Mol-Verhältnis SiO₂: PbO=2^ bis 4,0 beträgt

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gläser aus

SiO₂ 65-75 Mol.-% = 38-46 Gew.-%

K₂O 4-17MoL-% = 4-i3Gew.-%

Cs₂O O- 4MoL-%= 0- 8Gew.-%

PbO 16 - 25 Mol.-% =42-55 Gew.-%

bestehen.

3. Verwendung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß der H₂O-Gehalt der Gläser

< 10 ppm beträgt.