DE2359657C3 - Verwendung von Gläsern im System SiO↓2↓-PbO-K↓2↓O für Lichtleitfasern mit niedrigen optischen Verlusten - Google Patents
Verwendung von Gläsern im System SiO↓2↓-PbO-K↓2↓O für Lichtleitfasern mit niedrigen optischen VerlustenInfo
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Abstract
Es handelt sich um Glaeser mit folgenden Eigenschaften: - Extrem niedrige optische Verluste; - hohe Biegezugfestigkeit; - breiter Brechwertbereich; - niedrige Herstellungstemperaturen. Ihre Zusammensetzung ist Kiesels ure 65-75 Mol.-%, Alkalioxid 4-17 Mol.-%, Bleioxid 16-25 Mol.-%, wobei das Mol-Verhaeltnis Kieselsaeure zu Bleioxid zwischen 2,5 und 4,0 liegt. Besonders geringe Transmissionsverluste zeigen die Glaeser die wenig oder gar kein Natriumoxid, dafuer aber Kaliumoxid und/ oder Caesiumoxid enthalten.Weiterhin haben sie eine geringe Konzentration an Farb- und Streuzentren und zeigen deshalb geringe optische Verluste im kurzwelligen infraroten Spektralbereich.
Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Gläsern im System SiOrPbO-K2O 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 in auf. Bei Lichtleitfasern für Nachrichtenübertragung
sind Weglängen bis zu Kilometern von Interesse.
Bei Durchstrahlungslängen von Kilometern 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 /„und am Ende /„so ist deren Transmission ·&
1O
Beträgt die Länge der Faser L km, dann errechnet
sich der Verlust gemäß
Der Gesamtlichtverlust des Glases setzt sich zusammen aus dem Absorptions- und Streuverlust.
a) die Eigenabsorption der einzelnen Glaskomponenten
b) Verunreinigung durch färbende Oxide (Obergangselemente
und OH-Ionen)
c) die Schmelzbedingungen, die z. B. den Oxidationsgrad beeinflussen.
täten, die durch die MikroStruktur des Glases oder die
Schmelzbedingungen verursacht sind.
In der Lichtleitfaser treten zusätzlich Streuverluste an den Verschmelz-Grenzflächen zwischen Kern- und
Mantelglas auf.
Unter den üblichen Schmelzbedingungen werden bei Einsatz von handelsüblichen Rohstoffen, wie sie für
optische Gläser verwendet werden, im Sjxektralgebiet
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 Schmelzbedingungen
SiO2-GIaS herzustellen, das im Wellenlängenbereich
um 850 nm Verluste von nur einigen dB/km hat Unter gleichen Reinstbedingungen wurden SiO^Alkalioxid-Kalziumoxidgläser
mit Verlusten von —40 dB/km erhalten. (PINNOW, D.A,u.a.»FUNDAMENTAL
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 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. Man 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
so anwenden.
Aus den vorstehend genannten SiOrAlkalioxid-Kalziumoxidgläsern
von höchster Reinheit könnten zwar Lichtleitfasern hergestellt werden, bei ihnen wäre
jedoch der Bereich der Brechzahldifferenzen zwischen 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 folgenden Eigenschaften aufweisen:
a) extrem niedrige optische Verluste
b) hohe Biegefestigkeit
c) breiter Brechwertbereich
d) niedrige Herstellungstemperaturen.
Dieses Ziel wird erreicht durch Verwendung von Gläsern der folgenden Zusammensetzung:
Gew.-%
| Oxide | 1 | 2 | 3 |
| SiO2 K2O PbO Mol-% |
41,5 10,5 48,0 |
473 4,7 48,0 |
45,8 11,1 43,1 |
| Oxide | 1 | 2 | 3 |
SiO2
K2O
PbO
K2O
PbO
6731
1036
21,13
1036
21,13
7433
4,74
20,43
Gläser mit ähnlichen Zusammensetzungen sind zwar bekannt, beispielsweise aus der US-PS 12 95 299, der
DE-AS 10 89 525, der DE-OS15 96 908 und aus »Silicate
Industriees« 192ß, S. 321 bis 324, jedoch mußte die
Eignung solcher Giäser für Lichtleitfasern außerordentlich
überraschen, da bekannt war, daß gerade PbO die optischen Verluste stark erhöht (Glastechn. Berichte 35
[1962) S. 36; Schott-Informaüonsblatt Nr. 3201 d [1972], S. 9).
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Giäser haben eine geringe Konzentration an Färb- und Streuzentren
und zeigen deshalb geringe optische Verluste im kurzwelligen infraroten Spektralbereich.
Die folgenden Tabellen zeigen die drei erfindungsgemaß
verwendbaren Zusammensetzungen.
Moi-%
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 ^ 20 dB/km reduziert werden.
Der H2O-GeIIaIt der Gläser soll vorzugsweise unter
ppm liegen.
Die erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile von Fasern aus den genannten SiO2-K2O-PbO-Gläsern sind
folgende:
1. Mit diesen Gläsern können Glaskombinationen für 66,50 ummantelte Lichtleitfasern hergestellt werden, die
11,50 stark gekrümmt werden können, ohne daß Licht
22,00 15 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 Manteigias
kann relativ groß gehauen werden, so daß große Werte für die numerische Apertur der Faser
(gekennzeichnet durch die Beziehung sin oto*°in\2—Λ22) erhalten werden.
4. Die Schmelztemperaturen dieser Gläser und die Faserziehtemperaturen sind erheblich niedriger als
z. B. bei Quarzglas.
| Oxide | 1 | 6731 | 2 | 74,83 | 2 | 3 | 66,5 | 96 | 1,6450 | J5 |
| SiO2 | 1036 | 4,74 | IU | 104,9 | ||||||
| K2O | 21,13 | 20,43 | 22,0 | |||||||
| PbO | 3.28 | 3,66 | 3,02 | 439 | ||||||
| SiO2 | 40 | |||||||||
| PbO | 93 | 145 | ||||||||
| dB//km be | ||||||||||
| λ 850 nm | 1,6322 | 1,6170 | ||||||||
| nd | 95,7 | 70,1 | ||||||||
| λ ■ 10V0C | 45 | |||||||||
| 20-3000C | 460 | 484 | 3 | |||||||
| Tg0C | 625 | 674 | ||||||||
| EW0C | Ausdehnungskoeffizient im | |||||||||
| a ■ 107/°C | Temperaturbereich von 20—300°G | 50 | ||||||||
| 20-300° C | — Transformationstemperatur. | |||||||||
| Tg°C | - Temperatur bei 107·65 Poise. | |||||||||
| EW "C | ||||||||||
| Gew.-% | 1 | 55 | ||||||||
| Oxide |
SiO2
K2O
PbO
K2O
PbO
41,50
10,50
48,00
10,50
48,00
473
4,7
48,0
45,8 11.1 43,1
60
Die Herstellung dieser Gläser erfolgt unter Einsatz handelsüblicher optischer Rohstoffe und erfordert keine
Reinstschmelzbedingungen. Dies ist besonders überraschend, da bei den bekannten SiO2-R2O-CaO-GIaSCm
an die Rohstoffe extreme Reinheitsforderungen gestellt werden müssen, um zu vergleichbaren dB/km-Verlusten
65
Claims (2)
1. Verwendung von Gläsern mit der Zusammensetzung
Gew.-%
K2O
PbO
Mol-%
104
48,0
4,7
48,0
11,1
43,1
K2O
PbO
10,96
21,13
4,74
20,43
1140
22,00
für Lichtleitfasern mit niedrigen optischen Verlusten
< 150 dB/km, hoher numerischer Apertur und hoher Biegefestigkeit
2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der H2O-Gehalt der Gläser
< 10 ppm beträgt
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8227 | New person/name/address of the applicant |
Free format text: SCHOTT GLASWERKE, 6500 MAINZ, DE |
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| 8281 | Inventor (new situation) |
Free format text: FAULSTICH, MARGA, 6500 MAINZ, DE REITMAYER, FRANZ, 6501 DRAIS, DE NEUROTH, NORBERT, DIPL.-PHYS. DR.KROLLA, GEORG, 6500 MAINZ, DE |
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| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |