DE2524335C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft optische Wellenleiter mit einem vom Kern zum Mantel abnehmenden Brechungsindex sowie das Verfahren zu deren Herstellung.

Aufgabe der Erfindung sind verbesserte optische Wellenleiter mit möglichst geringer Abschwächung, wobei Verunreinigungen im Glas möglichst vermindert und bei der Herstellung eine hohe Abscheidungsgeschwindigkeit zur leichteren und schnelleren Herstellung hochwertiger Wellenleiter führt.

Dies wird erreicht durch eine P₂O₅-Dotierung des Kerns und eine geringere oder fehlende P₂O₅-Konzentration im Mantel, wobei bei der Herstellung dieses Wellenleiters mit einem Kern aus Phosphorsilikatglas durch ein Glasrohr ein dampfförmiges Gemisch aus Silicium und Phosphor enthaltenden Verbindungen in einem sauerstoffhaltigen Gasstrom geleitet, das Glasrohr von außen erhitzt, die abgeschiedene Schicht aus Phosphorpentoxids- und Siliciumdioxid-Partikeln verglast, das Rohr zu einer stabförmigen Vorform kollabiert und diese zur Faser gezogen wird.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gezeigt.

Aus Mater. Res. Bul. V. 8, S. 144-151, April 1973, ist es bekannt, Borsilicatgläser für Lichtleiter zu verwenden. Aus den DE-OS 22 39 249, 20 04 955 und 21 22 895 ist die Herstellung optischer Wellenleiter durch Dotieren des Kerns bekannt, wobei auf der Innenfläche eines Glasrohres ein Film aus Kernglasmaterial mit einem von dem Glas verschiedenen Brechungsindex aufgebracht und das Rohr dann kollabieren gelassen wird. Aus der DE-OS 23 28 930 ist es bekannt, zwischen einem Kern mit hohem Brechungsindex und einem Mantel mit niederem Brechungsindex mindestens eine weitere Schicht anzuordnen, die den gleichen Brechungsindex wie der Rohrmantel jedoch eine höhere Durchlässigkeit oder einen höheren Brechungsindex als der Rohrmantel aufweist. Bei diesem bekannten Stand der Technik wird zur Dotierung des Kernes Titan, Zinn, Germanium und/oder Gallium (OS 22 39 249), zwei Alkaliionen unterschiedlicher Größe oder eine Kombination von Thalliumionen und Alkaliionen (DE-OS 20 04 955), Titan, Tantal, Zinn, Niob, Zirkon oder Aluminium als Kerndotiermaterial (DE-OS 21 22 895) oder es wird Silicium- und evtl. Titandioxid auf der Innenseite eines Quarzrohres abgeschieden.

Erfindungsgemäß wird dagegen ein Phosphorsilikatglas auf der inneren Oberfläche des Ausgangsrohres als späterer Kern gebildet, indem eine Mischung aus einer flüchtigen Phosphorverbindung und einer flüchtigen Siliciumverbindung, natürlich zusammen mit Sauerstoff, durch das Rohr geführt wird. Die Bildung eines derartigen Glases ist für optische Wellenleiter nicht nur neu sondern führt auch zu beträchtlichen Verbesserungen der Eigenschaften des Wellenleiters, was umso erstaunlicher ist, als man annahm, daß Phosphorsilikatglas mit Siliciumdioxid nicht verträglich sei.

Der Mantel des Wellenleiters kann reines Siliciumdioxid sein oder ein Glas mit hohem Siliciumdioxidgehalt oder Siliciumdioxid, das einen Mengenanteil an Phosphorpentoxid enthält, der geringer ist, als die Konzentration an Phosphorpentoxid.

Anstatt für den Mantel reines Siliciumdioxid oder ein Phosphorsilicatglas mit geringerer Konzentration an Phosphorpentoxid als in dem Kern zu verwenden, kann auch ein Borsilicatglas als Mantel benutzt werden.

Es kann auch eine abgestufte Änderung des Brechungsindex vom Kern zum Mantel vorgesehen sein, und eine solche abgestufte Änderung wird erzeugt, indem man eine entsprechende abgestufte Änderung in der Konzentration an Phosphorpentoxid vorsieht.

Zusätzlich zu Phosphorpentoxid, das im Kern vorliegt, kann eine weitere Komponente zugesetzt werden, beispielsweise das Oxid von Germanium oder ein dreiwertiges Oxid, das das Oxid von Aluminium, Bor oder Antimon sein kann.

Um den nachteiligen Effekt von Verunreinigungen im Glas zu vermindern ist es wünschenswert, daß die Ausgangsverbindungen in flüssiger Form vorliegen, so daß sie leicht beispielsweise durch Destillation gereinigt werden können. Zu geeigneten Ver­ bindungen gehören Siliciumtetrachlorid und Phosphortrichlorid oder Phosphoroxychlorid. Sauerstoff wird durch die zwei Flüssig­ keiten geperlt und die Sauerstoffströme, die mit Siliciumtetra­ chloriddampf und Phosphoroxychloriddampf beladen sind, werden dann gemischt und es kann noch mehr Sauerstoff zugefügt wer­ den, und zwar in einem solchen Verhältnis, daß sich die ge­ wünschten relativen Konzentrationen von Phosphorpentoxid und Siliciumdioxid im Glas ergeben. Der gemischte Dampf wird dann bei einer geeigneten erhöhten Temperatur oxidiert und gleich­ zeitig als verschmolzene Schicht von Phosphorsilikatglas auf der Innenfläche eines Siliciumdioxidrohres niedergeschlagen.

Das beschichtete Rohr wird dann kollabieren gelassen um einen Stab zu bilden, und der Stab wird dann zu einem Faden ausgezogen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, wie sie zur Herstellung eines optischen Wellenleiters gemäß der Erfindung verwen­ det wird, und

Fig. 2 zeigt den gebildeten optischen Wellenleiter.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur chemischen Dampfabschei­ dung geeigneter Materialien in einem Rohr aus Siliciumdioxid gezeigt. Die Ausgangsmaterialien für den Abscheidungsprozeß sind flüchtige Verbindungen der erforderlichen Bestandteile. Zweckmäßig werden Phosphoroxychlorid und Siliciumtetrachlorid benützt, und diese sind in den Gefäßen 1 und 2 enthalten. Wenn der Mantel ein Borsilikatglas umfaßt, wird auch ein ent­ sprechendes zusätzliches Gefäß vorgesehen, das Bortrichlorid enthält. Das Phosphoroxychlorid in Gefäß 1 kann destilliert werden, um seine Reinheit zu verbessern. Sauerstoff aus einem Vorrat 3 wird durch die entsprechenden Leitungen 4, 5 und 6 in einer Geschwindigkeit geführt, die durch Strömungsmesser 7, 8 und 9 in diesen Leitungen gesteuert wird. Der Sauerstoff trägt beim Durchtritt durch die Gefäße 1 und 2 Dämpfe von Phos­ phoroxychlorid bzw. Siliciumtetrachlorid mit sich, und die 2 Dampfströme werden vereinigt und erforderlichenfalls mit wei­ terem Sauerstoff aus der Leitung 6 verdünnt, und dann durch ein Glasabscheidungsrohr 10 geführt. Ein kurzer Ofen 11 wird relativ zum Rohr 10 bewegt und es erfolgt die Oxidation der Chloride unter Bildung der entsprechenden Oxide. Alternativ kann der Ofen 11 feststehen und das Siliciumdioxidrohr 10 durch den Ofen bewegt werden.

Die Oxidationsreaktion der Chloride von Silicium und Phosphor erfolgt spontan in der Gasphase bei der verhältnismäßig tiefen Temperatur von etwa 1300°C unter Bildung eines dichten Nebels von kleinen Glasteilchen. Zusätzlich, vorausgesetzt, daß die Viskosität des Glases durch Einbeziehung von ausreichend Phosphorpentoxid (oder einer anderen geeigneten Verbindung) ausreichend erniedrigt ist, schmelzen dann die Glasteilchen an den Wänden des Rohres unter Bildung einer klaren, ein­ heitlichen, homogenen Schicht von Phosphorsilikatglas. Somit kann eine hohe Abscheidungsgeschwindigkeit erzielt werden, da keine Gasverdünnungsmittel erforderlich sind, um die Reak­ tion zu verlangsamen, und die Glasabscheidung kann direkt auf den Wänden des Siliciumdioxidrohres erfolgen, das, wegen der verhältnismäßig tiefen Temperatur, keine Deformation erfährt.

Typische Betriebsbedingungen sind wie folgt: Für ein Silicium­ dioxidrohr mit einer lichten Weite von 10 mm werden die Strömungs­ geschwindigkeiten von Sauerstoff und Siliciumtetrachlorid­ dampf konstant bei 600 bzw. 35 ml/min gehalten, während die­ jenige von Phosphoroxychloriddampf über den Bereich von 1 bis 13 ml/min variiert wird. Bei einer Ofentemperatur zwischen 1250°C und 1550°C wird die Phosphorsilikatglasabscheidung auf der Innenwand abgeschieden, während das Rohr durch den Ofen geführt wird.

Das Rohr 10 wird einige Male durch den Ofen 11 geführt und bei jedem Durchgang wird eine Glasschicht auf der Innenfläche des Rohres 10 abgeschieden. Die Mengenanteile der Bestandteile wer­ den variiert, nachdem eine geeignete Anzahl von Schichten ab­ geschieden ist, um das erforderliche Glas für den Mantel bzw. für den Kern, je nach Wunsch, zu erzeugen. Für einen optischen Wellenleiter mit abgestuftem Brechungsindex wird eine abgestufte Veränderung in den Mengenverhältnissen der Bestandteile zwischen den geeigneten Schichten vorgenommen.

Die Abscheidungszeit jeder Schicht beträgt etwa 8 Minuten für eine typische Länge des Rohres 10 von 50 cm, und die Phosphorpentoxidkonzentration liegt zwischen 4 und 40 Gew.-%, je nach der Strömungsgeschwindigkeit des Phosphoroxychlorids. Mit diesen Strömungsverhältnissen und Temperaturen ist die Menge des Abfalls am Rohrende, der aus dem hinteren Ende des Rohres 10 austritt, gering. Der Brechungsindex aufeinanderfol­ gender Schichten von jeweils etwa 12 µm Dicke kann exakt gesteuert werden und es kann ein weiter Bereich von Profilen von einem einheitlichen bis zu einem abgestuften Brechungs­ index erzeugt werden.

Um einen Mantel aus einem Borsilikatglas zu bilden, wird eine Apparatur ähnlich der in Fig. 1 gezeigten verwendet, bei der jedoch zusätzlich ein Einlaß für Bortrichloridgas vorgesehen ist. Die Strömungsgeschwindigkeiten für Bortrichlorid und Siliciumtetrachlorid sind im typischen Fall 8 bzw. 35 ml/min zusammen mit 450 ml/min an Sauerstoff. Die ersten drei Schichten haben konstante Zusammensetzung, während die nächsten drei ge­ bildet werden, indem die Strömungsgeschwindigkeit von Bortri­ chlorid in Stufen bis auf 0 abgesenkt wird. Die Menge an Phos­ phoroxychlorid wird dann allmählich von 0 auf 9 ml pro Minute über die nächsten 14 Lagen erhöht, was somit insgesamt 20 Schich­ ten ergibt. Während in dem so gebildeten anfänglichen Rohr die aufeinanderfolgenden Abscheidungen von Phosphorsilikatglas deut­ lich differenziert sind, erfolgt ein gewisses Maß an Diffusion während des anschließenden Kollabierens des Rohres und des Fadenziehens, was den Konzentrationsgradienten glättet. Dadurch wird ein Faden gebildet, der einen Kern mit abgestuftem Index in einem Borsilikatmantel aufweist.

Das Kollabieren des mit Schichten versehenen Trägerrohres 10 zu einem Stabrohling wird bewirkt, indem das Rohr 10 gedreht und sorgfältig in einer Knallgasflamme erhitzt wird, die ent­ lang der Länge des Rohres geführt wird und die das Rohr auf genügend hohe Temperatur aufheizt um sein Zusammenfallen zu bewirken.

Wenn man das Rohr kollabieren läßt ist es wichtig, seine runde Form beizubehalten, da ein Abweichen davon den runden Querschnitt des endgültig gezogenen Fadens beeinflussen und somit seine optischen Leitungseigenschaften nachteilig beein­ flussen könnte. Um den kreisförmigen Querschnitt des zusammen­ fallenden Rohres aufrecht zu erhalten wird ein kleiner Über­ druck im Rohr beim Kollabieren desselben aufrechterhalten. Die Größe dieses Druckes ist eine Funktion des Durchmessers des Mittelloches (also des Innendurchmessers des Rohres). Zu­ sätzlich wird zur Aufrechterhaltung des kreisförmigen Quer­ schnittes nach dem Verschließen des Mittelloches eine Kühl­ zone entlang dem kollabierten Rohr unmittelbar hinter der Erhitzungszone geführt.

Das Rohr kann zweckmäßig unter Druck gesetzt werden, indem der Auslaß des Gasstroms zur Luft durch eine verengte Öffnung erfolgt. Der Gasstrom kann die ursprünglichen Reaktionsbestand­ teile enthalten, nämlich Sauerstoff, der Siliciumtetrachlorid­ dämpfe und Phosphoroxychloriddämpfe mit sich führt. Ein Strom mit einem hohen Gehalt an Phosphoroxychlorid vermindert Ver­ luste des flüchtigeren Phosphorpentoxids. Das Rohr ist an einem Ende mit der Eingangsseite der Öffnung verbunden und das andere Ende ist verschlossen. Diese Methode hat den Vorteil, daß der Innendruck sich nicht merklich ändert, wenn das Gas im Rohr erhitzt wird und sich ausdehnt. Die Erhitzungszone wird mit einer geeigneten Geschwindigkeit vom verschlossenen Ende her am Rohr entlang geführt. Die Kühlzone umfaßt eine Anordnung von Düsen, die unmittelbar hinter dem Gasbrenner angeordnet sind und mit Druckluft gespeist werden, um einen Luftstrom auf das erhitzte und kollabierte Rohr zu richten. Die Steuerung der Luftströme ergibt eine gewisse Kontrolle über das Kollabieren des Rohres und der Luftstrom kann zweckmäßig so eingestellt werden, daß der Punkt des Kollabierens sehr nahe an der Region des Kühlluftstroms erfolgt. Durch diese Maßnahme kann der Erffekt des unter Drucksetzens von innen her bis zum letztmöglichen Moment, wenn das Mittelloch verschwindet und das Glas sofort gekühlt wird, während es noch eine voll­ kommen kreisförmige Form hat, erhalten werden. Die Heiz- und Kühlzonen können entlang des Rohres mehrere Male durchlaufen werden, um es in Stufen zum Kollabieren zu bringen.

Eine Alternativmethode des Kollabierens des Rohres besteht darin, es durch eine erhitzte Düse zu führen. Die Größe der Düse kann so sein, daß das Rohrloch vollständig unter Bildung eines Stabes verschlossen wird oder derart, daß ein kleines Loch in der Mitte des Rohres zurückbleibt. Das Loch wird dann während des Fadenzieharbeitsganges beseitigt. Eine weitere Methode des Kollabierens des Rohres besteht darin, eine heiße Zone entlang des Rohres zu führen und es zu drehen, während ein Graphitwerkzeug gegen seine Seite angelegt wird, und das Werkzeug hinter der Heizzone langsam am Rohr entlang zu führen.

Nachdem ein Stab aus dem kollabierten Rohr gebildet ist, wird er in einer Fadenziehmaschine zu einem Faden ausgezogen. Ein 50 cm Stab, der aus einem Rohr 10 von entsprechender Länge erhalten ist, kann zu einem Faden von 1,2 km Fadenlänge ausge­ zogen werden.

Die Zugabe von Phosphorpentoxid zu Siliciumdioxid hat eine ausgeprägte Wirkung auf gewisse physikalische Eigenschaften des erhaltenen Phosphorsilikatglases, was den Mengenanteil an Phosphorpentoxid begrenzt, der zugegeben werden kann, obwohl ein möglichst hoher Mengenanteil erwünscht ist, um die erfor­ derlichen optischen Eigenschaften zu erzielen. Eine physika­ lische Eigenschaft, die beeinflußt wird, ist der Ausdehnungs­ koeffizient. Der Ausdehnungskoeffizient von reinem Silicium­ dioxid ist viel geringer als der von Phosphorpentoxid, so daß bei Erhöhung des Anteils an Phosphorpentoxid in einem Phosphor­ silikatglas eine entsprechende Zunahme im Ausdehnungskoeffizient und ein zunehmend größerer Unterschied zwischen dem Silicium­ dioxidmantel und dem Phosphorsilikatkern eintritt. Im Zusammenhang mit der etwas geringeren Festigkeit von Phosphorsilikatglas kann ein spontanes Zerspringen des Kerns erfolgen, wenn der Mengenanteil an Phosphorpentoxid zu hoch ist. Andere physikalische Eigenschaften, die beeinflußt werden, sind die Viskosität und die Flüchtigkeit, was Probleme bei der Herstellung eines optischen Wellenleiters zur Folge haben kann.

Um das physikalische Zueinanderpassen von Kern und Mantel zu verbessern, kann eine weitere Komponente zugefügt werden, die das Oxid von Germanium, oder ein dreiwertiges Oxid, nämlich eines oder mehrere der Oxide von Bor, Aluminium, Anti­ mon, Arsen oder Wismut umfaßt.

Die zusätzliche Komponente kann in den Glaskern eingebracht werden, indem der Dampf einer flüchtigen Verbindung des ge­ wählten Elementes dem Gasstrom zugefügt wird, welcher den Dampf der geeigneten flüchtigen Verbindungen von Silicium und Phosphor enthält und der Dampf an der Innenoberfläche eines Siliciumdioxidrohres wie oben beschrieben, abgeschieden wird.

Alternativ kann eine Schicht eines zweikomponentigen Phosphor­ silikatglases auf der Innenfläche eines hohlen Rohres gebildet werden, wie oben beschrieben, und die dritte Komponente bei erhöhter Temperatur in die Schicht aus dem Rohrinneren ein­ diffundiert werden. Die Diffusionsquelle kann entweder ein Dampf, eine Flüssigkeit oder ein Festkörper sein, und die Diffusionsstufe kann entweder vor oder nach dem Kollabieren des Rohres oder nach dem teilweisen Kollabieren, so daß ein kleines Loch in der Mitte verbleibt, beendet werden. Es kann eine getrennte Diffusionsstufe in Fällen, wo das Rohr einer hohen Temperatur unterworfen wird, notwendig sein, oder alternativ kann die Diffusion nach dem Kollabieren des Rohres und beim Ausziehen desselben zu einem Faden erfolgen, wenn die hohe Temperatur und die daraus folgende geringe Viskosität ausreichen, um gleichzeitig das Ausziehen und die Diffusion zu gestatten.

Ein Beispiel eines typischen Fadens, der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, ist in Fig. 2 im Querschnitt gezeigt. Der Faden hat einen Mittelkern 31, der aus Phosphorsilikatglas gebildet ist, und wenn nach und nach eine Änderung in der Sauerstoffmenge erfolgt ist, welche durch das Gefäß 1 für Phosphoroxychlorid geperlt wurde, dann hat der Kern 31 einen abgestuften Brechungsindex. Um den Kern 31 herum ist eine Hülle 32 aus Borsilikatglas vorhanden. Der äußerste kreisförmige Ring 33 ist aus dem ursprünglichen Siliciumdioxidträgerrohr 10 gebildet und spielt bei den op­ tischen Eigenschaften des Fadens keine Rolle, wirkt jedoch als mechanische Unterlage und mechanischer Schutz. Messungen der Schwächung (Dämpfung) bei optischen Fäden der in Fig. 2 gezeigten Art ergeben, daß über eine Wellenlänge von 0,75 bis 1,25 µm der Verlust nur 3 dB/km beträgt und über diesen Bereich konstant ist. Der Gehalt an Hydroxylverunreinigungen in dem Faden ist extrem gering, und es wird angenommen, daß dies auf die stark hygroskopische Natur von Phosphorpentoxid zurückzuführen ist. Somit wird jedes restliche Wasser in der Zersetzungsvorrichtung beim Kontakt in nicht flüchtige Phos­ phorsäure überführt und nicht in die Abscheidungszone getragen.

Claims (14)

1. Optischer Wellenleiter mit einem vom Kern zum Mantel abnehmenden Brechungsindex, gekennzeichnet durch eine P₂O₅-Dotierung des Kerns und eine geringere oder fehlende P₂O₅-Konzentration im Mantel.

2. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Mantel aus reinem Siliziumdioxid oder einem Glas mit hohem Siliziumdioxidgehalt.

3. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch einen Mantel aus Borsilikatglas.

4. Optischer Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Dotierung des Kernes, die wenigstens eines der Elemente Bor, Aluminium oder Antimon umfaßt.

5. Optischer Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Kern, der Germaniumdioxid enthält.

6. Optischer Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine radial vom Kern zum Mantel abgestufte Änderung der Konzentration an Phosphorpentoxid und damit des Brechungsindex.

7. Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters nach Anspruch 1 mit einem Kern aus Phosphorsilikatglas, bei dem durch ein Glasrohr ein dampfförmiges Gemisch aus Silizium und Phosphor enthaltenden Verbindungen in einem sauerstoffhaltigen Gasstrom geleitet, das Glasrohr von außen erhitzt, die abgeschiedene Schicht aus Phosphorpent­ oxid- und Siliziumdioxid-Partikeln verglast, das Rohr zu einer stabförmigen Vorform kollabiert und diese zur Faser gezogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Si-Verbindung Siliziumtetrachlorid und als P-Verbindung Phosphortrichlorid oder Phosphoroxychlorid verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas durch Gefäße geperlt wird, welche die jeweiligen Verbindungen in flüssiger Form enthalten und danach die dampfbeladenen Sauerstoffströme miteinander vermischt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ausbildung des Mantels eine Schicht aus Borsilikatglas abgeschieden wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasstrom Bortrichlorid zugesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Kollabieren die stabförmige Vorform in einer Ziehvorrichtung zur Faser gezogen wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Kollabieren die Heizzone in Längsrichtung relativ zum Rohr bewegt und direkt dahinter gekühlt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Kollabierens ein Überdruck im Rohr aufrechterhalten wird.