DE2459153C3

DE2459153C3 - Process for the manufacture of optical fibers

Info

Publication number: DE2459153C3
Application number: DE19742459153
Authority: DE
Inventors: John Philip 7900 Ulm Dakin
Original assignee: Licentia Patent-Verwakungs GmbH, 6000 Frankfurt
Filing date: 1974-12-14
Publication date: 1977-09-15

Description

Für die optische Nachrichtenübertragung mit Führung der Lichtwellen entlang dielektrischer Leiter werden ummantelte Glasfasern mit möglichst geringen Übertragungsverlusten benötigt. Geringe Absorptionsverluste können durch hochreine Ausgangssubstanzen erreicht werden. Streuverluste lassen sich insbesondere dadurch reduzieren, daß die Grenzschicht zwischen Kern- und Mantelzone der Glasfaser möglichst ohne Oberflächenstörungen oder Gaseinschlüsse ausgebildetFor the optical transmission of messages with the guidance of light waves along dielectric conductors encased glass fibers with the lowest possible transmission losses are required. Low absorption losses can be achieved through highly pure starting substances can be achieved. Scattering losses can be reduced in particular that the boundary layer between Core and cladding zones of the glass fiber are designed without surface defects or gas inclusions as far as possible

Bei bekannten Verfahren zur Herstellung derartiger Lichtleiter wird im allgemeinen zunächst ein Ausgangsstab hergestellt, indem auf die Innenwandung eines Glashohlzylinders oder auf die Mantelfläche eines zylindrischen Glasstabes durch Flammhydrolyse oder Sputtern eine unterschiedlich dotierte Glasschicht aufgebracht wird (DT-OS 22 47 425 und DT-OS 23 00 013). Erst anschließend wird der Ausgangsstab nach Erhitzung zu einer Glasfaser von gewünschter Dicke ausgezogen. Derartige Verfahren sind besonders aufwendig, weil bis zum Erreichen des gewünschten Ausgangsprodukts eine relativ große Anzahl von Verfahrensschritten erforderlich is«.In known processes for producing such light guides, a starting rod is generally first used produced by placing on the inner wall of a hollow glass cylinder or on the outer surface of a cylindrical glass rod by flame hydrolysis or sputtering a differently doped glass layer is applied (DT-OS 22 47 425 and DT-OS 23 00 013). Only then is the starting bar after heating it is drawn into a glass fiber of the desired thickness. Such methods are special expensive, because until the desired starting product is reached, a relatively large number of Procedural steps is necessary «.

Weiterhin sind Verfahren zur Herstellung ummantelter Glasfasern bekannt, bei denen die Glasfaser aus zwei koaxial angeordneten Schmelztiegeln abgezogen wird, die mit unterschiedlichen Glaszusammensetzungen gefüllt sind. Hierbei besteht die Gefahr, daß Anteile des Tiegelmaterials in das Fasermaterial gelangen, was zur Folge hat, daß die Glasfaser zu hohe Absorptionsverluste zeigt.Furthermore, methods for producing coated glass fibers are known in which the glass fiber consists of two coaxially arranged crucibles with different glass compositions are filled. There is a risk that parts of the crucible material get into the fiber material, which leads to The result is that the glass fiber shows excessive absorption losses.

Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung einer aus Kern- und Mantelzone bestehenden Lichtleitfaser bekannt (GB-PS 13 40 849), bei dem in ein Rohr ständig feinkörniges oder pulverförmiges Kernbereichsmaterial eingefüllt und durch Erhitzen in einen schmelzflüssigen Zustand überführt wird. Aus dieser Schmelze entsteht beim Ausziehvorgang der Faserkern. Gegebenenfalls vorhandene leichtflüchtige Komponenten werden dabei als störend angesehen, weil sie die Homogenität derFurthermore, there is a method for producing an optical fiber consisting of a core and a cladding zone known (GB-PS 13 40 849), in which constantly in a pipe fine-grained or powdery core area material is filled and heated to a molten one State is transferred. The fiber core is created from this melt during the extraction process. Possibly existing volatile components are seen as disturbing because they reduce the homogeneity of the

Schmelze beeinträchtigen. _;_Affect the melt. _; _

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung Legt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostensparendes Verfahren zur Herstellung von verlustarmen Lichtleitfasern anzugeben, das in einem einzigen Arbeitsgang die Herstellung von Kern-Mantel-Fasern mit einem im Vergleich zur Manteld.cke geringen Kerndurchmesser ermöglicht, und das die beispielsweise mit kontinuierlicher Mater.alzufuhrung verbundenen Verunreinigungsmögl.chkeiten vermeidet. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist ,ehr einfach und verursacht neben den Aufwendungen ür das Rohmaterial - Glasrohr und Dotiersubstanz nur sehr geringe Verfahrenskosten, so daß hochwertige, d h in diesem Fall sehr verlustarme Glasfasern, preisgünstig hergestellt werden können. Im Gegensatz zu bekannten Tiegelziehverfahren wird dabei eine Verunreinigung des Glasfasermaterials durch Material von Schmelztiegeln vermieden.The invention specified in claim 1 sets therefore the object of a simple and cost-saving process for the production of low-loss Optical fibers indicate that the production of core-sheath fibers in a single operation with one in comparison to the mantle corner allows small core diameter, and that the for example with continuous material supply associated contamination possibilities avoids. The production method according to the invention is rather simple and, in addition to the costs, causes For the raw material - glass tube and dopant only very low process costs, so that high-quality, that is, in this case, very low-loss glass fibers can be manufactured inexpensively. In contrast a known crucible pulling process is used Contamination of the fiberglass material by material from crucibles avoided.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung erläutert.The invention is explained below with reference to the drawing.

Fig 1 zeigt ein einseitig abgeschmolzenes Quarzelasrohr 1 mit darin befindlichem Dotiermaterial 2. Für das Rohr 1 wird vorzugsweise Quarz verwendet, weil nachgewiesen worden ist. daß dieses Material sehr geringe Absorptionsverluste hat.1 shows a quartz laser tube that has been melted off on one side 1 with doping material 2 located therein. For the tube 1, quartz is preferably used because has been proven. that this material has very low absorption losses.

Ziel des Verfahrens ist die Herstellung von Glasfasern zur Lichtleitung mit einer Kern- und einer Mantelzone von unterschiedlicher Brechzahl. Dazu w.rd, wie in Fig 2 schematisch dargestellt, das Rohr 1 mitsamt der eingefüllten Dotiersubstanz 2 mit dem zugeschmolzenen Ende voran in die Ofenzone 7 einer Ziehmaschine eingeführt Dort wird ein Teilstück des Rohrs auf eine Temperatur gebracht, die das Ausziehen einer Glasfaser 4 in der angedeuteten Richtung ermöglicht. Bei Erhitzung des Rohrs 1 in der Ofenzone 7 verdampft die Dotiersubstanz 2 und schlägt sich als mehr oder weniger dicke Schicht an kühleren Teilen der Rohrinnenwand nieder Anteile der Dotierungssubstanz dringen in eine dünne Schicht der Rohrwandung ein und verändern die Brechzahl des Rohrmaterials. Um eine Fuhrung der Lichtwellen in der Glasfaser zu ermöglichen, muß die Kernzone der Glasfaser eine geringfügig größere Brechzahl als die Mantelzone aufweisen. Aus der durch Einfluß der Dotiersubstanz veränderten Rohrinnenwand 3 entsteht beim Ausziehen der Glasfaser 4 deren Kernbereich 6 (F i g. 3). Die Mantelzone 5 der Glasfaser entsteht beim Ausziehen aus dem nicht durch das Dotiermaterial beeinflußten Material des Rohrs F i g 3 zeigt nicht maßstabsgerecht einen Querschnitt der Glasfaser 4 entlang der Linie A-A von Fig.2. Die Kernzone 6 ist aus der durch Dotiermatenal veränderten Rohrinnenwand 3 entstanden; die Mantelzone 5 der Faser 4 besteht dagegen aus reinem Quarzglas wie das Ausgangsrohr 1.The aim of the process is the production of glass fibers for guiding light with a core and a cladding zone with different refractive indices. For this purpose, as shown schematically in Fig. 2, the tube 1 together with the doped substance 2 with the melted end first is introduced into the furnace zone 7 of a drawing machine the indicated direction allows. When the tube 1 is heated in the furnace zone 7, the doping substance 2 evaporates and is deposited as a more or less thick layer on cooler parts of the inner wall of the tube. Parts of the doping substance penetrate a thin layer of the tube wall and change the refractive index of the tube material. In order to enable the light waves to be guided in the glass fiber, the core zone of the glass fiber must have a slightly higher refractive index than the cladding zone. When the glass fiber 4 is pulled out, the inner pipe wall 3, which has been modified by the influence of the doping substance, results in its core region 6 (FIG. 3). The cladding zone 5 of the glass fiber arises when it is pulled out of the material of the tube that is not influenced by the doping material. FIG. 3 shows, not to scale, a cross section of the glass fiber 4 along the line AA in FIG. The core zone 6 has arisen from the inner tube wall 3 that has been modified by doping material; the cladding zone 5 of the fiber 4, on the other hand, consists of pure quartz glass like the starting tube 1.

Als Dotiersubstanz eignen sich Alkalimetalloxide sowie Alkalikarbonate und -nitrate. Weiterhin geeignet sind Sauerstoffverbindungen von Germanium, Zink, Zinn Molybdän und Wolfram. Als besorders vorteilhaftes Dotiermaterial hat sich eine bei Erhitzung leicht flüchtige Substanz, wie z. B. Phosphorpentoxid, erwiesen Bei Erhitzung des Rohrs 1 in der Ofenzone 7 schlagt sich diese Substanz als besonders dünne gleichmäßige Schicht 2' auf der Innenwand des Rohrs 1 nieder. Bei Verwendung dieser Dotiersubstanz konnten sehr dämpfungsarme Multimode- und Monomodeglasfasern hergestellt werden.
Durch Vermeidung eines Schmelztiegels bestehtAlkali metal oxides and alkali carbonates and nitrates are suitable as doping substances. Oxygen compounds of germanium, zinc, tin, molybdenum and tungsten are also suitable. As besorders advantageous doping material has a highly volatile substance when heated, such. B. Phosphorus pentoxide, proven When the tube 1 is heated in the furnace zone 7, this substance is deposited as a particularly thin, even layer 2 'on the inner wall of the tube 1. Using this dopant, it was possible to produce multimode and single-mode glass fibers with very little attenuation.
By avoiding a melting pot there is

keine Gefahr, daß die Glasfaser durch Tiegelmaterial verunreinigt wird. Darüber hinaus kann der Herstellungsvorgang in einem Schutzgefäß, gegebenenfalls auch noch in einer Schutzgasatmosphäre stattfinden.no risk of the glass fiber being contaminated by crucible material. In addition, the manufacturing process take place in a protective vessel, possibly also in a protective gas atmosphere.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens liegt darin, daß die Dotierungssubstanz, die in feinkörniger oder pulvriger Form in das Glasrohr eingefüllt wire-, durchaus nicht von extrem hoher Reinheit sein muß. Es ist bekannt, daß insbesondere Spuren von Übergangsmetallen große Absorptionsverluste im sichtbaren oder dem anschließenden infraroten Teil des Spektrums verursachen, wenn sie in einer Glasfaser vorhanden sind. Bisher mußte also darauf geachtet werden, daß insbesondere diese Übergangsmetalle nicht in der Dotierungssubstanz vorhanden waren, was sehr große Sorgfalt und Kosten verursachte. Infolge der Tatsache, daß die Sauerstoffverbindungen derartiger Übergangsmetalle nicht sehr leicht flüchtig sind, wird beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erreicht, daß durch eine wiederholte Verdampfung der Dotierungssubstanz während des Ziehvorgangs, d. h. eine wiederholte Sublimation und Kondensation der Dotierungssubstanz an der Rohrinnenwand ein besonders großer Reinigungseffekt erzielt wird. Um eine Glasfaser mit besonders niedrigen Dämpfungsverlusten herzustellen, ist es demnach lediglich notwendig.Another advantage of the manufacturing process according to the invention is that the doping substance which is filled into the glass tube in fine-grained or powdery form does not at all need to be of extremely high purity. It is known that traces of transition metals in particular cause large absorption losses in the visible or the subsequent infrared part of the spectrum when they are present in a glass fiber. So far, care had to be taken to ensure that these transition metals in particular were not present in the doping substance, which resulted in great care and expense. As a result of the fact that the oxygen compounds of such transition metals are not very volatile, the production method according to the invention achieves a particularly high cleaning effect through repeated evaporation of the doping substance during the drawing process, i.e. repeated sublimation and condensation of the doping substance on the inner wall of the pipe. In order to produce a glass fiber with particularly low attenuation losses, it is therefore only necessary.

ein hochreines Quarzglasrohr zu verwenden. Die Dotierungssubstanz wird durch die bereits schon erwähnten Sublimations- und Kondensationsschritte während des Ziehprozesses gereinigt. Das Anfangsstück der Glasfaser, das noch mit relativ verunreinigter Dotierungssubstanz hergestellt worden ist, kann später von der fertiggestellten Glasfaser abgetrennt werden.to use a high purity quartz glass tube. The dopant is already through the mentioned sublimation and condensation steps cleaned during the drawing process. The beginning piece of fiberglass that is still relatively contaminated Dopant has been produced can later be separated from the finished fiberglass.

Für den Fall, daß die Kernzone der Glasfaser einen wesentlich geringeren Durchmesser auiweisen soll als die Mantelzone, beispielsweise bei sogenannten Monomode-Glasfasern, kann in einer Weiterbildung der Erfindung eine weitere Ersparnis dadurch erreicht werden, daß lediglich ein relativ dünnes qualitativ hochwertiges Quarzglasrohr innerhalb eines dickeren Rohres geringerer Qualität angeordnet wird. Nach einseitigem Abschmelzen der Rohrkombination wird wiederum die Dotierungssubstanz in das innere hochwertige Quarzglasrohr eingefüllt. Beim Ziehvorgang wird im wesentlichen das dünnere, hochwertige Quarzglasrohr, das durch die Dotierungssubstanz in seinem Lichtbrechungsverhalten in gewünschter Weise verändert worden ist, zu der Kernzone der Glasfaser ausgezogen, während aus dem dickeren äußeren Rohr von geringerer Qualität die Mantelzone der Glasfaser entsteht.In the event that the core zone of the glass fiber should have a significantly smaller diameter than the cladding zone, for example in the case of so-called single-mode glass fibers, can in a further development of the Invention further savings can be achieved in that only a relatively thin qualitative high quality quartz glass tube is arranged within a thicker tube of lower quality. To One-sided melting of the tube combination will turn the dopant into the interior high quality quartz glass tube filled. The drawing process essentially uses the thinner, high quality Quartz glass tube, which by the doping substance in its light refraction behavior in the desired way has been modified, drawn to the core zone of the fiberglass, while from the thicker outer tube the cladding zone of the glass fiber is of lower quality.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Process for the production of optical fibers with a core and a cladding zone of different refractive index, in which a tube made of quartz glass contains a powdery one or fine-grained dopant is filled in and the tube is then drawn out to form the fiber, characterized in that the doping substance is a material which is highly volatile when heated is used, which when the tube is heated completely evaporates and takes the form of a thin Layer precipitates at least on a portion of the inner wall of the pipe. '

2. The method according to claim 1, characterized in that that phosphorus pentoxide is used as a volatile dopant.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the first tube (1) together with the doping substance contained therein

is arranged in a carrier tube made of quartz glass of lower quality, and that this tube combination is drawn together to form a fiber.

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