DE2364782A1 - Optischer wellenleiter - Google Patents

Optischer wellenleiter

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Description

Anmelderin: Corning Glass Works Corning, N. T., USA
Optischer Wellenleiter
Die Erfindung betrifft optische Wellenleiter mit einem Mantel aus sehr reinem Glas und einem Kern, aus Germaniumoxid enthaltendem Glas mit höherem Brechungsindex.
Optische Wellenleiter gewinnen in der Nachrichtentechnik infolge Überlastung der üblichen Frequenzbänder steigende Bedeutung. Für Aufbau, Funktion und technische und theoretische Grundlagen sei verwiesen aufs N. S. Kapany, Fiber Optics, Principles and Applications,
1967;
US-PS 3,157*726;
Snitzer, Journal of the Optical Society of America, Bd. 51,
Uo. 5, S. 491-498 (1961).
40982JÖ/0823
Sie werden meist durch Ausziehen von kern- und Mantelglas zu einer Faser hergestellt o Schwierig ist Tor allem die Herstellung des richtigen Dickenverhältnisses iron Kern -und Man-' tel, die Einstellung einer genauen Differenz des Brechungsindex Gleichmässigkeit und die Vermeidung von Streuungszentren durch Einschlüsse von Luft und Verunreinigungen insbesondere an der Keim-Mantel-G-renzf lache«,
Verschiedene Herstellungspreisen zur Arbeit in einfacher oder auch in mehreren Wellenformen, (modes) sind in den gleichlaufenden Anmeldungen (US SerQ Io„ 214,840; 36,26? und 239,4-96) z. Te mit eijaem Breehungsinaexgefälle beschrieben.,,
Bekannte Wellenleiter au'eh &i© verbessert© liasfolirung maea d@r US-PS 3,659»915? ©rf©rfi©sa ©ine aaeh-folgende Wärmebehandlung 9 um die Daapfuag herabzusetzen*, Sie' werd©a durch. Btrslilungseinfluss9 iasbesondere durch, ionisierende. Strahlung weniger gut leitando Das ist auek das Ergebnis der zur Einstellung der unterschiedlichen Brechuagsiadeces ©rforderlichei Dotienaittelgusätz® ο Ihr® aumeriseh.® Öffauag ist sehr geringe !"eraer erfordern sie bei Sinterung hohe Sinterteaperaturen, di© ©in.@n ©ntsprechenden AusrüstnmgsaufwancL -erforderlich ma»
Überrasch©aä,@rw©is© tmrd© gefundea, dass dies© Maehteile und
werden, daes ©in optischer
-3-
Wellenleiter die Mantel schicht aus Glas iiolier Heinlieit und den Kern aus hochreinem Germaniumoxid mit mehr als 15 Gew.% GeOp und nicht mehr als 10 Millionteilen Verunreinigungen in Form von Übergangsmetallen enthält.
Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemässen Wellenleiter schematisch-perspektivisch, die Fig. 2 diesen im Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1;
die Fig. 3 zeigt als Schautdld das Verhältnis des Brechungsindex zur Menge Germaniumoxid;
die Fig. 4 zeigt als Schaubild das Verhältnis der Sintertemperatur zur Germahiumoxidmenge; .
das Schaubild der Fig. 5 zeigt die Lichtdämpfung verschiedener Gläser "bei verschiedenen Frequenzen.
Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Wellenleiter 10 "besteht aus einem Mantel 12 und einem Kern 14, und zwar besteht der Mantel aus sehr reinem Glas und der Kern aus sehr reinem Germaniumoxid enthaltendem Glas mit höherem Brechungsindex als dem des Mantels. Geeignete Gläser sind z. B. in der gleichlaufenden Anmeldung P 23 64 803.5 beschrieben.
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-Mr-
23SA7S2
Zur Vermeidung ühermässiger Dämpfung dürfen die Verunreinigungen an Übergangsmetallen 10 Millionteile nicht überschreiten.
Bei Herstellung von Wellenleitern nach den oben erläuterten Verfahren aus Germaniumoxidgläsern stellte es sich heraus, dass das Glas ohne Büeksicht auf die Germaniumchloridmenge des Ansatzes stets weniger als 0,1 Gew.% GeOg enthielt mutliöh ist die Flammen- und Ofentemperatur von 1750 so hoch, dass das Germaniumoxid entweicht statt zu verglasen, was durch die Dampfdruckwerte bestätigt wird. Die gleichlaufende Anmeldung ermöglicht demgegenüber erstmalig die Herstellung sehr reiner, mehr als 15% GeO enthaltender Gläser.
Bekannte Wellenleiter aus reinem Kieselsäureglas hatten den Nachteil, dass nicht mehr als 15% Dotiermittel zugesetzt werden konnten, weil zuviel Lichtenergie absorbiert und im Glasinneren gestreut wird. Demgegenüber ist die Streuung, und JLb^ sorption in reinem Germaniumoxid sehr gering.
Erfindungsgemäss kann der Kern aus Germaniumoxid enthaltendem Glas hergestellt werden, wobei der Brechungsindex von GeO gegenüber seiner reinen Form erhöht oder herabgesetzt werden kann. Auch reines Germaniumoxid ist als Kern geeignet.
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Der Mantel kann ganz oder teilweise aus Germaniumoxid oder Kieselsäureglas, d. h. rein oder gemischt, oder dergleichen bestehen, wobei der Brechungsindex im Hinblick auf die gewünschte numerische öffnung eingestellt wird. Die Brechungsindeces von Kern und Mantel werden mit dem Kerndurchmesser koordiniert, um die Fortpflanzung der gewünschten einzelnen oder mehreren Moden zu erlauben. So kann beispielsweise der Kern aus 100% reinem Germaniumoxidglas bestehen, während der Mantel aus Germaniumoxid und Schmelzkieselsäure besteht; der Zusatz von Kieselsäure senkt den Brechungsindex. Auch der Kern kann aus GeOp (mehr als 15%) und SiOg bestehen, wobei der Mantel dann etwas weniger, aber immer noch über 15% GeOg enthält, so dass der Kern einen höheren Brechungsindex hat als der Mantel. Als weiteres Beispiel kann der Kern aus Germaniumoxid enthaltendem Glas, der Mantel aus anderem optischen Glas, wie Kieselsäure bestehen. Auch hier hat der Kern einen höheren Brechungsindex als der Mantel. Weitere Kombinationen sind möglich.
Durch Zusätze wie Titanoxid kann der Brechungsindex gegenüber 100% reinem GeOg Glas erhöht werden; z. B. besteht der Kern aus einem mindestens 85% GeOg enthaltendem Glas. Der Mantel kann dann aus Germaniumoxid-Titanoxidglas mit bis zu 15% Titanoxid bzw. weniger als im Kern bestehen. Der Kern hat dann einen höheren Brechungsindex als der Mantel. Fig. 3 erläutert das "Verhältnis von Brechungsindex zu GeOg Gehalt.
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Die Fig» 4 zeigt die Herstellbarkeit von Glas mit melir als 1596 Germaniumoxid; das Schaubild zeigt die Sintertemperatur für verschiedenen GeO« Gehalt. Bei mehr als 15% GeO^ liegt die Sintertemperatur unter ca. 1350°; bei diesen Temperaturen verglast das Germaniumoxid anstatt abzudampfen, wie in der gleichlaufenden Anmeldung näher ausgeführt ist.
Zur weiteren Erläuterung diene das folgende Beispiel.
GeCl* wird mit einer Temperatur von 45° durch trockenes Stickstoffträgergas mit einem Durchsatz von 1235 ccm/Min. und SiGl^ mit einer Temperatur von 20° mit trockenem Sauerstoff als Träger mit einem Durchsatz von 920 ccm/Min. in die Flamme eines mit Naturgas und Sauerstoff (4900 bzw. 4550 ccm/Min.) gespeisten Ofens geleitet. Der entstehende Kuss wird auf einen 6 inch langen, 3/16 inch im Durchmesser betragenden Schmelzkieselsäurestab, welcher mit 60 UpM rotiert und 12 inch/Min. hin und her bewegt wird, niedergeschlagen, bis ein Durchmesser von 1 5/8 inch erreicht ist. Er wird sodann bei 1350° in Helium gesintert. Die konsolidierte Form hat eine Länge von 1 . inch und einen Durchmesser von 5 1/2 inch.
Aus dem Sinterling werden Stäbe mit 1/4 inch Durchmesser herausgebohrt, geschliffen und poliert, je ein Stab an einen Handgriff angeschmolzen, durch Flammhydrolyse ohne GeCl^ eine
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Kieselsäurerußschicht aufgebracht und wie zuvor gesintert. Der Sinterling wird dann auf 1900° erhitzt und in Sauerstoff zur Wellenleiterfaser ausgezogen, z. B. auf einen Aussendurchmesser von 5,6 mil und eine Manteldicke von 37 /U. Der Kern enthält 25% GeO2 und 75% SiO2. Die numerische öffnung beträgt 0,25- Die Dämpf ungsSpektren sind durch die Kennlinie A der Fig. 5 angegeben.
Als weiteres Beispiel GeCl^ mit 4-5° durch Stickstoff als Träger mit 1200 ccm/Min. in den mit Naturgas und Sauerstoff mit 4800 ccm/Min. gespeisten Brenner geleitet. Der Euss wird auf einen 5 inch langen, 5 Μ im Durchmesser betragenden Trägerstab aus 100% reinem Germaniumoxidglas aufgebracht. .Träger und Euss haben dann ähnliche Wärmedehnung. Der Träger kann verunreinigt sein, da er nicht Teil des Wellenleiters wird. Er wird mit 60 UpM rotiert und 12 inch/Min. hin und her bewegt. Der Euss wird niedergeschlagen, bis ein dichter, poröser Körper mit 1 inch Durchmesser entstanden ist. Er wird bei ca. 950° in Helium gesintert, wobei er mit einem Vorschub von 1/4· inch pro Min. eingeführt wird. Nach Konsolidierung betragen Durchmesser 3/4- inch und Länge 4- 1/2 inch. Aus ihm werden Stäbe mit 0,2 inch Durchmesser herausgebohrt, geschliffen und poliert und an einen Handgriff aus Glas mit etwa 77 χ 10"V°G Dehnung angeschmolzen. Sodann wird durch Flammhydrolyse Euss aus 75% GeO2
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und 25% SiOp aufgebracht, wozu der Flamme GeGl^ mit 45° und Stickstoff, 4720 ccm/Min. und SiOl^, 20°, Sauerstoffträger, 920 ccm/Min. zugeführt werden. Der Körper wird dann bei 1100° in Helium durch Einführen mit einem Vorschub von 1/4 inch/Min. zum Glas konsolidiert. Dies den Mantel bildende Glas hat einen Brechungsindex 1,55» also kleiner als der des Kerns (1,61).
Der Sinterling wird abschliessend auf I3OO0 und in Sauerstoff zur Wellenleiterfaser ausgezogen, z. B. auf 5»6 mil Aussendurchmesser, 37 /u. Manteldicke. Der Kern besteht aus 100% GeO2, der Mantel aus 75% GeO2, 25% SiOg. Die numerische öffnung beträgt 0,34. Die Dämpfungsspektren entsprechen der Kernlinie A der Fig. 5.
Als weiteres Beispiel sei die Herstellung mit einem Kern mit unterschiedlichem Brechungsindex erläutert.
Ein Grundkörper aus normal erschmolzenem GeOp-SiOp Glas, der auch Verunreinigungen aufweisen kann, wurde in einer Länge von 5 inch und einem Durchmesser von 5 nm hergestellt und an einen Handgriff angeschmolzen. Ein erster Behälter enthielt flüssiges GeGl^ bei 4-5°, ein weiterer flüssiges SiGl^, bei 20°. Trockener Stickstoff wurde durch das GeOl^, trockener Sauerstoff durch das SiGl^, geleitet (Durchsatz 4720 bzw. 920 ecm/ Min.), und die Dämpfe dem Brenner zugeführt. Der Buss enthielt
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75% GeO2 und 25% SiO2 und hatte den Breö hungsindex 1,55 für 5893 Ä Wellenlänge. Der Grundkörper wurde bei der Niederschlagung wie oben erläutert bewegt. Durch allmähliche ■Verlangsamung des StickstoffStroms nimmt der GeO2 Gehalt der Rußschicht allmählich ab. Der abschliessende Durchsatz beträgt 1590 ccm/Min. für Stickstoff-GeO2 und 920 ccm/ttin. für Sauerstoff SiCl^. Die Herstellung für einen 5 inch langen, 1 inch im Durchmesser betragenden Körper betrug etwa 5 Std. Die Eußschicht wird dann bei 1250° in Helium im Induktionsofen bei einem Vorschub von etwa 1/4 inch/Min. gesintert, geschliffen und poliert; der Aussendurchmesser betrug, schliesslich etwa 1/2 inch.
Wie im vorigen Beispiel wird dann' Russ aus 40% GeO2 und 60% SiO2 (Durchsatz für GeOl^ Stickstoff 1235 ccm/Min., für SiCl^ Sauerstoff 920 ccm/Min.) aufgebracht. Der Körper wird dann bei I3OO0 in Helium (Vorschub 1/4 inch/Min.) gesintert. Dies zweite, den Mantel bildende Glas hat einen kleineren Brechungsindex als das erste, den Kern bildende Glas (1,495 statt 1,51)· Der Grundkörper wird vor oder nach der zweiten Sinterung herausgebohrt, der Körper in Säure gewaschen, in der Flamme poliert und gewaschen. Das Rohr wird dann im Induktionsofen in Sauerstoff bei etwa 1600° gezogen, wobei die Bohrung zusammenfällt. Der endgültige Durchmesser beträgt z. B. 5 mil, die Manteldicke 20 /U. Die Brennweite dieses Wellenleiters beträgt etwa 340 /u.
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In einem derartigen Wellenleiter mit einem Brechungsindexgefälle kann der Mantel die gleiche Zusammensetzung an der Oberfläche des Kerns.haben, also z. B. 50% GeO2 und 50% SiOp.
Optische Wellenleiter nach dieser Erfindung zeichnen sich durch sehr niedrige Dämpfung aus.
Die Fig. 5 zeigt als Schaubild die Dämpfung verschiedener Gläser für verschiedene Wellenlängen. Das Germaniumoxid enthaltende Glas der Kennlinie A hat über den gesamten, brauchbaren Wellenlängenbereich eine sehr geringe Dämpfung. Die hieraus gefertigten Wellenleiter haben bei verschiedenen Wellenlängen eine Dämpfung von etwa 6 db/km,. während die Dämpfung eines bekannten Wellenleiters aus dotierter Schmelzkieselsäure gemäss der Kennlinie B 200 db/km ist. Diese bekannten Wellenleiter erfordern eine nachträgliche Wärmebehandlung um die verbesserten Eigenschaften der Kennlinie C zu erhalten, wobei die Dämpfung aber immer noch über 10 db/km liegt. Die erfindungsgemäss ohne nachfolgende Wärmebehandlung hergestellten Wellenleiter sind also wesentlich besser.
Weiterhin sind die erfindungsgemässen Wellenleiter gegenüber Neutronen- und Gamma-Strahlung praktisch unempfindlich, während bekannte Wellenleiter unbrauchbar werden. Die Tabelle erläutert dies für eine Bestrahlung bekannter Wellenleiter
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aus Schmelzkieselsäure A und erfindungsgemässer Wellenleiter B mit 14- kev Neutronen einer Dosis von 1,3 χ 10 * Neutronen
pro qcm und mit Gammastrahlen einer Dosis von 3200 Ead.
TABELLE I
optischer Wellenlänge Anfangs- Enddämpfung
Wellen- . ο dämpfung in db/km
leiter in Ain
A 8200 30 2220
B 8200 5 60
Wie weiter oben ausgeführt, können bekannte Wellenleiter nur gering dotiert werden. Die erfindungsgemässen Wellenleiter
können dagegen in ihrer Zusammensetzung wesentlich freier gestaltet werden, vgl. Fig. 3 und 4-" der GeOp Gehalt kann zwischen 15 und 100% liegen.
Die numerische öffnung bekannter Wellenleiter ist sehr niedrig, die der erfindungsgemässen Wellenleiter dagegen sehr viel höher.
Wie die Fig. 4- zeigt, liegt die Sintertemperatur für die erfindungsgemässen Wellenleiter sehr viel niedriger, die Herstellung ist also einfacher. Ein weiterer, sehr wesentlicher Vorteil ist die erhöhte Festigkeit. So besteht beispielsweise im Wellenleiter mit einem Mantel mit höherem Kiesel Säuregehalt zwecks Erzielung des Unterschieds der Brechungsindeces von
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Kern und Mantel infolge der unterschiedlichen Wärmedehnung im Mantel eine Kompressions spannung; da Glas bekanntlich gegen Kompressionsbelastung sehr viel widerstandsfähiger als gegen Zugbelastung ist, sind diese Wellenleiter daher sehr viel fester als bekannte Wellenleiter.
Im übrigen ist ein solcher Wellenleiter sowohl für die Übertragung in nur einer Wellenform (mode) oder auch in mehreren modes geeignet.
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Claims (6)

  1. Patent anspruche
    Optischer Wellenleiter mit einem Glasmantel und einem Kern aus Glas mit höherem Brechungsindex als dem des Mantels, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelschicht aus Glas hoher Reinheit und der Kern aus hochreinem Germaniumoxid mit mehr als 15 Gew.% GeO2 und nicht mehr als 10 Millionteilen Verunreinigungen in Form von Übergangsmetallen besteht.
  2. 2. Wellenleiter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Kern und vorzugsweise auch der Mantel durch Flammhydrolyse hergestellt werden.
  3. 3- Wellenleiter gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus praktisch reinem GeO2 besteht.
  4. 4. Wellenleiter gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus Glas enthaltend mehr als 15 bis zu 100% GeO2 und 0 bis weniger als 85% SiO2, oder 85 - 100% GeO2 und 0 - 15% TiO2 besteht.
  5. 5. Wellenleiter gemäss irgend einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern einen konstanten Brechungsindex oder ein Brechungsindexgefälle aufweist.
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  6. 6. Wellenleiter gemäss irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Hantelschicht bildende Glas Germaniumoxid enthält oder aus reinem Germaniumoxid, aus reiner Schmelzkieselsäure oder dotierter Schmelzkieselsäure besteht.
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    Leerseite
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