DE2440173C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Lichtleitfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren J^rur Herstellung von Lichtleitfasern mit einem vom Faserkern zum Faserrand sich verändernden Brechzahlverlauf.

Derartige Lichtleitfasern finden Anwendung als Übertragungsmedium in der optischen Nachrichtenübertragungstechnik. Urr, eine Übertragung von optischen Wellen in solchen Lichtleitfasern mit möglichst geringen Verlusten zu ermöglichen, muß sich die Brechzahl des Lichtleitfasermaterials in einer bestimmten Weise vom Faserkern zum Faserrand hin verändern. Eine Lichtleitfaser kann beispielsweise derart aufgebaut sein, daß auf einen Faserkern mit einer relativ hohen Brechzahl ein Mantelbereich mit einer niedrigeren Brechzahl folgt, wobei die Änderung der Brechzahl im Grenzbereich zwischen den beiden Bereichen nahezu abrupt erfolgt. Bei einer anderen Lichtleitfaser dagegen verringert sich die Brechzahl ausgehend von einem relativ hohen Wert im Faserinneren stetig bis zu einam niedrigeren Wert am Rand der Faser.

Zur Herstellung einer Lichtleitfaser mit abruptem Brechzahlverlauf ist es bereits bekannt (Applied Physics Letters Vol. 23, No. 6. 15. September 1973, Seiten 338 und 339) durch Innenbeschichtung eines Quarzrohrs zunächst einen Ausgangsstab herzustellen, der anschließend zu einer Lichtleitfaser ausgezogen wird. Ein

ίο Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es sich um einen diskontinuierlichen Herstellungsprozeß handelt, bei dem nicht Fasern von beliebiger Länge erzeugt werden können.

In einem weiteren Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser mit abruptem Brechzahlverlauf werden zwei unterschiedlicht Glaszusammensetzungen zunächst in zwei voneinander getrennten Tiegeln erhitzt (Zwei-Tiegel-Verfahren) und dann über eine Ziehdüse zu einer Faser ausgezogen (Opto-Electronics 5, 1973, Seiten 289 bis 29b). Dieses Verfahren ist wegen der Verwendung von zwei Schmelztiegeln aufwendig und vergrößert die Gefahr der Verunreinigung durch Tiegelmaterial.

Mit der weithin bekannten Stab-Rohr-Methode (N. S.

Ka pan y: Fiber Optics. New York l%7, Seite 114) kann nur eine Lichtleitfaser von begrenzter Länge hergestellt werden-, außerdem kann nicht ausgeschlossen werden, daß an der Grenzfläche zwischen Stab und Rohr Verunreinigungen und Lufteinschlüsse vorhanden

sind, die für die Übertragungseigenschaften der Lichtleitfaser abträglich sind.

■ Aus der DT-OS 19 51 901 ist ein weiteres Herstellungsverfahren für einen Lichtleiierglaskörper bekannt, bei dem eine Änderung des Brechungsindex quer zur Achse des Lichtleiterglaskörpers durch Verdampfen einer verdampfbaren Komponente erreicht wird. Dabei werden in Gas- bzw. Dampfform vorliegende Substanzen verwendet, die relativ große Absorptionsverluste verursachen. Das beschriebene Verfahren ist zudem so zeitraubend, daß eine wirtschaftliche Massenfertigung von Liehtleiiermaterial damit nicht möglich erscheint.

Der vorliegenden Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern mit einem vom Faserkern zum Faserrand sich verändernden Brechzahlverlauf anzugeben, das weniger aufwendig ist als bekannte Herstellungsverfahren und das weiterhin die Herstellung einer beliebig langen Lichtleitfaser in einem kontinuierlichen Herstellungsprozeß ermöglicht.

Zur Lösung dieses Problems wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs vorgeschlagen, daß hochreines Siliziumdioxid zusammen mit einer als Dotierungssubstanz wirksamen, bei hohen Temperaturen leicht flüchtigen Glasbildnersubstanz in einem Schmelztiegel zu einer homogenen Schmelzmischung erhitzt wird, aus der unmittelbar Lichtleitfasern ausgezogen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet insbesondere den Vorteil, daß zur Herstellung der Lichtleitfasern eine verhälntismäßig einfache Apparatur verwendet wird, die die Kosten für die Faserherstellung wesentlich verringert. Durch das Vorhandensein nur eines einzigen Schmelztiegels verringert sich die Gefahr einer Verunreingiung des Lichtleitermaterials durch Tiegelbestandteile. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren ist nach der Erfindung eine kontinuierliche Herstellung nahezu beliebig langer Lichtleitfasern möglich.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Herstel-

lungsverfahren nüher erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird.

U, F i g. 1 ist ein mit 10 bezeichneter Schmelztiegel dargestellt, in dem Lichtleitermaterial zusammen mit mindestens einer leicht flüchtigen Daiierungssubsianz erhitzt wird, so daß eine möglichst homogene Schweizmischung 11 entsteht. Als Lichtleitermaterial wird vorzugsweise reinstes Siliziumdioxyd verwende'.; Lichtleiter aus diesem Material haben besonders gute Übcrtragungseipenschaften. Als leicht flüchtige Dotierungssubstanzen eignen sich beispielsweise die Oxyde von Lithium, Natrium, Kalium oder anderer Alkalimetalle sowie die Oxyde von Phosphor, Zinn, Blei, Zink, Wolfram. Molybdän, Germanium, Wismut oder Kadnii

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Die homogene Schmelzmischung wird über eine Düsenöffnung 12 am Boden des Schmelztiegels 10 in einem kontinuierlichen Verfahren zu einer Lichtleitfaser 14 ausgezogen. Unmittelbar nach Verlassen der Düsenöffnung 12 triit die leicht flüchtige Doticrungssubstanz aus vorwiegend oberflächennahen Bereichen der noch hoch erhitzten Lichtleitfaser 14 aus. Durch eine Verringerung der Konzentration der Dotierungssubstanz entsteht aber ein Bereich der Lichtleitfaser 14 mit einer geringeren Brechzahl.

Um eine zu schnelle Abkühlung der Lichtleitfaser zu verhindern, kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel (Fig. Ib) die Lichtleitfaser 14 nach dem Verlassen der Düsenöffnung am Boden des Schmelztiegels 10 noch streckenweise eine Ofenzone 15 durchlaufen, in der zusätzlich eine höhere Temperatur aufrecht erhalten wird, um das Austreten der flüchtigen Dotierungssubstanz aus oberflächennahen Bereichen der Lichtleitfaser 14 zu fördern.

Ist insbesondere die Ofenzone 15 derart ausgebildet. daß sie die Lichtleitraser 14 über eine längere Strecke koaxial mit geringem Abstand umfaßt, kann sich unter Umständen im Raum zwischen Lichtleitfaser 14 und Innenwandung des Ofens ein derart hoher Partialdruck der leicht flüchtigen Dotierungssubstanz einstellen, daß ein weiteres Austreten dieser Substanz aus später in die Ofenzone eintretenden Lichtleiterabschnitten behindert wird. Dies hätte aber eine ungleichförmige Ausbildung der Mantelzone der Lichtleitfaser zur Folge. Vorteilhaft kann dies auf einfache Weise dadurch verhindert werden, daß wie in Fig. Ib dargestellt, der Raum zwischen der Lichtleitfaser 14 und der Innenwandung der Ofenzone 15 von einem geeigneten Spülgas durchströmt wird.

Besonders vorteilhaft kann die Lichtleitfaser 14 auch durch die von einem Laser ausgesandte Strahlung auf einer für den Austritt der leicht flüchtigen Dotierungssubstanz geeigneten Temperatur gehalten werden. Bekanntlich hat das für die Lichtleiter verwendete Material ein von der Wellenlänge der auftreffenden Strahlung abhängiges Absorptionsvermögen. Je nach Wellenlänge der vom Laser ausgesandten Strahlung werden mehr oder weniger oberflächennahe Bereiche der Lichtleitfaser auf die geeignete Temperatur erhitzt, wodurch der Brechungsindexverlauf in gewünschter ^₀ Weise beeinflußt werden kann. Eine geeignete Vorrichtung zur Erhitzung einer Lichtleitfaser mittels der von einem Laser ausgesandten Strahlung ist in Fig. Ic dargestellt. Von einem Laser 16 ausgesandte Strahlung 17 wird an einem um 45° gegen die Längsachse des <,₅ Lichtleiters 14 geneigten Planspiegel 18 um 90° abgelenkt und trifft auf einen vorzugsweise parabolisch geformten Fokussierungsspiegel 19, der die Laserstrah-

45 lung auf einen Bereich 20 der Lichtleitfaser 14 fokussiert. Die Lichtleitfaser 14 wird in Richtung des dargestellten Pfeils durch im Planspiegel 18 und im parabolisch geformten Fokussierungsspiegel 19 angebrachten öffnungen hindurchbewegt. Um eine ungleichmäßige Erwärmung der Lichtleitfaser durch unmittelbar aus dem Laser 16 austretende .Strahlung in der Nachbarschaft des Umlenkspiegels 18 zu verhindern, kann im Strahlenverlauf zwischen dem Laser 16 und der Lichtleitfaser 14 eine die Lichtleitfaser 14 abschattende Blende angeordnet werden. Neben der Möglichkeit ganz bestimmte Tiefenschichten der Lichtleitfaser gezitlt zu erwärmen bietet die Erhitzung mittels Laserstrahlen noch den Vorteil, daß die Wärmezufuhr nahezu ohne Zeitverzug geregelt werden kann.

Durch geeignete Wahl der Dotierungssubstanz können die Materialeigenschaften von Dotierungssubstanz und Lichtleitermaterial so aufeinander abgestimmt werden, daß die Dotierungssubstanz schneller oder langsamer in das Lichtleitermaterial diffundiert. Auf diese Weise ist es möglich, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Lichtleitfasern mit einem nahezu beliebigen Verlauf der Brechzahl herzustellen. Dies wird unter Bezug auf F i g. 2 erläutert. Sofern die verwendete Dotierungssubstanz nur eine relativ geringe Diffusionskonstante hat, entsteht ein Brechzahlverlauf der in Kurve «7 dargestellten Art. In F i g. 2 ist die Brechzahl als Funktion des Faserhalbmessers dargestellt, wobei der Punkt O auf der Abszisse der Faserlängsachse entspricht. Der Wert Ni der Brechzahl entspricht einer homogenen Zusammensetzung von Lichtleitermaterial und Dotierungssubstanz.

Ein Brechzahlverlauf gemäß der Kurve a entsteht also bei Verwendung einer Dotierungssubstanz mit relativ geringer Diffusionskonstante. Diese Kurve entspricht einem nahezu abruptem Brechzahlübergang zwischen einem Kernbereich von relativ hoher Brechzahl und einem Mantelbereich der Faser mit niedriger Brechzahl. Er entsteht dadurch, daß nach Verlassen der Düsenöffnung 12 (Fig. 1) die flüchtige Dotierungssubstanz vorwiegend aus oberflächennahen Bereichen der noch auf einer hohen Temperatur befindlichen Lichtleitfaser 14 austritt, was dort zu einer geringeren Konzentration der Dotierungssubstanz führt, die wiederum mit einer Erniedrigung der Brechzahl verbunden ist. Wegen der relativ geringen Diffusionskonstante des Dotierungsmaterials kann bis zum Erkalten der Faser 14 dieser Konzentrationsunterschied zum Innern der Faser durch Diffusion von Dotierungsmaterial aus dem Innern der Faser nicht mehr ausgeglichen werden, so daß der dargestellte Brechzahlverlauf entsteht.

Wird dagegen eine Dotierungssubstanz mit einer relativ großen Diffusionskonstante ausgewählt, entsteht ein Brechzahlverlauf der in Kurve c dargestellten Art. Auch hierbei tritt die flüchtige Dotierungssubstanz wiederum aus vorwiegend oberllächennahen Bereichen der Lichtleitfaser 14 aus, wenn diese die Düsenöffnung 12 des Schmelztiegels 10 verläßt. Infolge der relativ großen Diffusionskonstante der Dotierungssubstanz wird jedoch bis zum Erkalten der Faser aus dem Faserinnern Dotierungsmaterial in die an Dotierungssubstanz verarmten Außenbereiche der Faser diffundieren. Auf diese Weise kann gemäß Kurve c ein kontinuierlicher Brechungsindexübergang zwischen Faserkern und Fasermantel erreicht werden. Kurve b zeigt einen Verlauf der Brechzahl, der entsteht, wenn die Diffusionskonstante des verwendeten Dotierungsmaterials einen miitieren Wert aufweist.

Nach dem erfindungsgemäßcn Verfahren lassen sich Lichtleiter von nahezu beliebiger Länge in einem kontinuierlichen Prozeß herstellen. Selbstverständlich muß dafür gesorgt werden, daß dem Schmelztiegel ausreichende Mengen von Lichtleitermaterial und Dotierungssubstanz zugeführt werden, wenn die Lichtleitfaser ausgezogen wird. Einige besonders günstige Methoden zur Beschickung des Schmelztiegels sind in Fig.3 dargestellt. Gemäß Fig.3a kann die im Schmelztiegel 10 befindliche Glasschmelze 11 durch eine pulverförmige Mischung von Lichtleitcrmatcrial und Doticrungssubstanz ergänzt werden. Weiterhin ist es möglich die Glasschmelze dadurch zu ergänzen, daß dem Schmelztiegel ein beispielsweise zylindrisch geformter Stab 22 zugeführt wird, der aus Lichtleitcrmatcrial mit einem geeigneten Gehalt an Doticrungssubstanzen besteht (F ig. 3b).

In an sich bekannter Weise kann, wie in F i g. Jt dargestellt, die Glasschmelze im Schmelztiegel 10 uucl" durch Glasmaterial in Form von Kugeln 23 crgän/.i werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

'b Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Lichtleitfasern mit einem vom Faserkern zum Faserrand sich verändernden Brechzahlverlauf, welcher durch Entweichen einer Dotierungssubstanz aus dem Lichtleitermaterial erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß hochreines Siliziumdioxid zusammen mit einer als Dotierung;;· si¹! 'anz wirksamen, bei hohen Temperaturen leicht flüchtigen Glasbildnersubstanz in einem Schmelztiegel zu einer homogenen Schmelzmischung erhitzt wird, aus der unmittelbar Lichtleitfasern ausgezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (14) nach Austritt aus der Düsenöffnung (12) des Schmelztiegels (10) streckenweise durch eine zusätzliche Wärmequelle aufgeheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Wärmequelle ein Ofen

(15) verwendet wird, der ein Teilstück der Lichtleitfaser (14) koaxial umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Wärmequelle ein Laser

(16) verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als flüchtige Dotierungssubstanz ein Oxid eines Alkalimetall··, verwendet wird.

6. Verfahren nach \nspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als flüchtige Dotierungssubstanz ein Oxid der Elemente Phosphor, Zinn, Blei, Zink, Wolfram, Molybdän, Germanium, Wismut oder Kadmium verwendet wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen in der Mitte durchbohrten, vorzugsweise um einen Winkel von 45° gegen die Längsachse der Lichtleitfaser (14) geneigten Planspiegel (18), der die vom Laser (16) ausgesandte Strahlung (17) in eine parallel zur Faserlängsachse verlaufende Richtung umlenkt, sowie einen ebenfalls in der Mitte durchbohrten, vorzugsweise parabolisch geformten Spiegel (19), der die vom Planspiegel (18) auf ihn abgelenkte Laserstrahlung auf einen Bereich (20) der Lichtleitfaser (14) fokussiert.