DE2546162B1 - Lichtleitfaser mit Brechungsindexgradient zur Nachrichtenuebertragung - Google Patents

Lichtleitfaser mit Brechungsindexgradient zur Nachrichtenuebertragung

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DE2546162B1
DE2546162B1 DE2546162A DE2546162A DE2546162B1 DE 2546162 B1 DE2546162 B1 DE 2546162B1 DE 2546162 A DE2546162 A DE 2546162A DE 2546162 A DE2546162 A DE 2546162A DE 2546162 B1 DE2546162 B1 DE 2546162B1
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Description

Die Erfindung betrifft Lichtleitfasern zur Nachrichtenübertragung, die ein Gradientenprofil des Brechungsindex aufweisen.
Lichtleitfasern aus Glas für die Nachrichtentechnik müssen geringe Verluste an übertragener Energie und möglichst große Übertragungskapazität besitzen. Das wird durch besonders große Reinheit des Glases und durch ein definiertes Brechungsindex-Gradientenprofil, das annähernd parabolisch sein soll, erreicht.
Die heute bekannten Fasertypen für diesen Verwendungszweck besitzen zwar ausreichend niedrige optische Verluste, aber die genaue Einstellung des Gradientenprofils bereitet große Schwierigkeiten, insbesondere deshalb, weil schon 2% Abweichung vom Gradientenprofil, bezogen auf den an der jeweiligen Stelle theoretisch geforderten Brechungsindex, eine Signal-Dispersion von mehr als 100 ns des optischen Signals, welches in der 500 m langen Faser transportiert wird, hervorruft. (Signal-Dispersion wird hervorgerufen durch die ungenau optische Dimensionierung des Profils; sie hat nichts zu tun mit der Material-Dispersion.)
Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, Lichtleitfasern entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, die ein im wesentlichen kontinuierliches Brechungsindexprofil aufweisen.
Dieses Ziel wird erreicht mit Lichtleitfasern entsprechend dem Kennzeichen des Hauptanspruchs.
Vorzugsweise ist der Brechungsindex des im Hauptanspruch erwähnten Oxids größer als 1,660.
Der Diffusionskoeffizient des Kations dieses Oxids mit höherem Brechungsindex soll einen Wert von mehr als3 χ 10^8cm2/secin SiO)haben.
Die Fasern zeichnen sich durch eine große numerische Apertur von mehr als 0,55 aus.
Solche Lichtleitfasern haben wesentlich geringere Signal-Dispersion als normale Lichtleitfasern mit Gradientenprofil für die Nachrichtentechnik.
Die Herstellung der Fasern erfolgt wie nachstehend beschrieben:
Das Gasgemisch besteht aus relativ leicht verdampfbaren Komponenten wie Siliziumtetrachlorid oder Phosphortrichlorid. Diesem Gemisch wird die dritte Komponente mit hoher Brechkraft und großer Diffusionsgeschwindigkeit zugefügt.
ίο In F i g. 1 ist eine brauchbare Apparatur schematisch dargestellt. Das rotierende Rohr Γ wird in Pfeilrichtung von einem Gasgemisch durchströmt. Das Gasgemisch besteht aus den Komponenten A" und Y, sowie den Komponenten A bzw. .4 plus A plus B. Die Gase X. Y. A und B werden dadurch erzeugt, daß ein Sauerstoffstrom aus einer Gasflasche O2 über Regeleinheiten M durch die leicht verdampfenden Flüssigkeiten der Komponenten X. Y1 A und B durchgeblasen wird. Dieser Sauerstoffstrom reißt Moleküle der Komponenten X, Y.
A und B mit. Dadurch wird ein Gasstrom erzeugt, welcher im Bereich des Brenners B an der Rohrwandung nach bekannten Gaszersetzungsverfahren niedergeschlagen wird. Die freiwerdenden Anionen verlassen in Pfeilrichtung das Rohr. Die Kationen reagieren mit dem Sauerstoff.
Der Brenner B fährt am Rohr in Pfeilrichtung entlang und kehrt seine Wanderungsrichtung beim Erreichen des Rohrendes jeweils um. Bei einer Überquerung des Rohres wird eine Schicht von etwa 3 bis 5 μίτι erzeugt, wenn die Temperatur im Rohrinnern etwa 1550 bis 1600° C beträgt. Das ist mit einem Kieselglasrohr, welches auf einer normalen und handelsüblichen Glas-Gleichlaufdrehbank eingespannt ist, ohne Schwierigkeit zu erreichen. Die Brenner-Wanderungsgeschwindigkeit soll etwa 7 cm/min betragen, und die Brennerzonen sollen nicht breiter als 5 cm sein.
Werden Komponenten verwendet, die sich durch einen großen Brechungsindex und hohe Diffusionsgeschwindigkeit auszeichnen, jedoch zu ihrer Verdampfung Temperaturen bis über 1000rC benötigen, ist das Rohrleitungssystem mit einem Heizmantel zu umgeben. Dieses Heizmantelsystem wird benötigt für alle Komponenten, die bei Raumtemperatur noch kondensieren: so läßt sich durch einfache Beheizung des Gaszersetzungsgerätes über die jeweilige Verdampfungstemperatur die Kondensation vermeiden.
Die Komponenten mit hohem Brechungsindex und hohem Diffusionskoeffizienten werden additiv eingespeist.
Gegen Ende des Beschichtungsprozesses wird das Rohr durch Temperaturerhöhung in den Bereich von ISOO3C (bevorzugt 1810 bis 18950C) schrittweise kollabiert. Das Kollabieren erfolgt bei konstantem Durchfluß an reinem Sauerstoff in einer Menge von etwa 0,5 l/min. Dieses schrittweise Kollabieren wird so gestaltet, daß bei jedem Überfahren des Rohres mit dem Brenner eine zusätzliche Verengung des Rohres aufgrund der Oberflächenspannung und des Gasdrucks des Brenners erfolgt. Vor dem letzten Schritt, dem Beseitigen der letzten Innenhöhlung (Kapillare), wird der Sauerstoffstrom abgeschaltet. So entsteht ein Stab, der ein parabolisches Brechungsindexprofil besitzt.
Aus ihm kann nach bekannten Verfahren eine Faser gezogen werden. Das Brechungsindexprofi, des Stabes wird entsprechend der Verkleinerung des Außendurchmessers von Stab zu Faser beim Ausziehen proportional umgeformt.
Während des Erzeugens der Schicht kann z. B. wie
ORIGINAL INSPECTED
folgt vorgegangen werden: Ein mit 80ccm/min SiCU beladener Sauerstoffstrom von 270 ccm/min Sauerstoff wird molar, bezogen auf SiO2, bei jedem Brennerweg schrittweise durch GeCU ersetzt, und zwar so lange, bis 45 ccm/min GeCU durch einen Sauerstoffstrom von 500 ccm/min eingebracht werden. Gleichzeitig wird zusätzlicher Sauerstoff in einer Menge von 500 ccm/min kontinuierlich zugegeben. Erfindungsgemäß wird nun gleichzeitig mit Beginn der Germaniumchlorideinspeisung, die, bezogen auf das Verhältnis SiO2 zu GeOa, molar erfolgt, zusätzlich eine dritte Komponente linear oder schrittweise zusätzlich eingespeist. Diese Komponente zeichnet sich durch hohen Brechungsindex und großes Diffusionsvermögen aus. So kann beispielsweise SbCb in einer Konzentration bis 20 ccm/min, schrittweise gesteigert oder linear gleichmäßig erhöht, zusätzlich eingeführt werden. Es ist auch möglich, SiO2, eingeführt als SiCl4, um den entsprechenden Betrag an Sb2Oj, eingeführt als SbCb, zu verringern. Dieses Verfahren entspricht dem geradlinigen Durchfahren der Dreistoffsysteme, in diesem Fall des Dreistoffsystems aus SiO2, GeO2 und Sb2O3. Es wurde gefunden, daß ein linearer geradliniger Anstieg der Komponenten innerhalb der Schicht zu einem parabolischen Brechungsindexprofil in der Vorform, welche anschließend zur Faser aufgezogen werden kann, führt.
Es kann nicht nur eine hochbrechende und leichtdiffundierende Komponente verwendet werden, sondern auch eine Kombination von zwei und mehr Komponenten.
Als besonderer Vorteil hat sich erwiesen, daß man Komponentenkombinationen verwenden kann, die in glastechnischer Sicht geeignete Gläser ergeben. Bisherige Verfahren beschränkten-sich praktisch auf Einkomponentensysteme. Der Übergang auf Mehrkomponentensysteme bringt einen weiteren entscheidenden Vorteil: Bisher mußten sehr große Spannungsunterschiede innerhalb der Vorform in Kauf genommen werden. Diese Spannungsunterschiede führen zur Signal-Dispersion und zur Bruchanfälligkeit der Fasern. Durch geschickte Kombination der Komponenten läßt sich erreichen, daß diese Spannungsunterschiede in der Vorform entscheidend verringert werden.
Die Verwendung von Anionen wie Brom, Jod, Fluor u. a. ist ohne Schwierigkeit möglich. Sie können in die sonst oxidische Schicht eingebaut werden, erhöhen zusätzlich den Brechungsindex und verbessern die übrigen Eigenschaften der Faser.
In F i g. 2 sind nebeneinander die Konzentrationsänderungen in einer Schicht und in der daraus gezogenen Faser dargestellt. Während Teil A dieser F i g. 2 insbesondere das Kernmaterial K und die Konzentrationsänderung der Komponenten in der Schicht S zeigt, ist im Teil B das Brechungsindexprofil der Faser aufgezeichnet. Hier erkennt man insbesondere in der Kurve O, welche ohne die dritte Komponente mit hohem Brechungsindex und großer Diffusionsgeschwindigkeit gefahren wurde, die Ungleichmäßigkeiten des Brechungsindexprofils. In der Kurve P ist durch die besonders große Diffusionsneigung der zusätzlich eingeführten erfindungsgemäßen Komponente mit hohem Brechungsindex und großem Diffusionskoeffizienten jede unregelmäßige Abweichung vom parabolischen Profil ausgeglichen worden.
In der Tabelle 1 werden_ beispielhaft und ohne einschränkende Bedeutung einige der möglichen Komponenten angegeben. Neben den technologisch interessanten Werten der Schmelztemperatur und der Temperatur, bei der ein Dampfdruck von einer Atmosphäre erreicht wird, sind die aus diesen Komponenten erzeugten Oxide (in der Schicht vorliegend) aufgeführt, sowie deren Brechungsindizes. In der Tabelle 2 sind einige aus den Experimenten abgeschätzte Diffusionskoeffizienten für die Kationen der dritten Komponente angegeben. Es sei dabei für die Tabelle 2 darauf hingewiesen, daß nicht die Oxide, sondern Kationen diffundieren. Die Diffusionskoeffizienten wurden im Bereich um 10100C geschätzt.
Ebenso wie die Verwendung der anorganischen Komponenten, beispielsweise von Chloriden, Bromiden, Fluoriden, können auch Elemente, andere Salze, Komplexverbindungen, organische Komponenten und metallorganische Komponenten als dritte Komponente benutzt werden.
In einigen Fällen wurden auch Komponenten benutzt, die Sublimation zeigen.
Zusätzlicher Einbau anderer Anionen als Sauerstoff ist ohne weiteres möglich. Weitere Komponenten, auch organischer Art, sofern sie nicht durch Wassergehalt die Verluste in der Faser erhöhen, sind ebenfalls möglich. Diese Komponenten können den bisher ausschließlich verwendeten Komponenten Siliziumtetrachlorid, Germaniumtetrachlorid und Phosphortrichlorid zugesetzt werden.
Es ist ebenfalls möglich, dieses Verfahren zu verwenden, wenn zwischen dem Kieselglasrohr und der Schicht aus mindestens drei Komponenten eine zusätzliche Schicht mit besonders niedrigem Brechungsindex aufgrund der Borsäure-Anomalie, bestehend aus SiO2 und B2O3 verwendet wird.
Es wurde darüber hinaus gefunden, daß sich durch dieses Verfahren die Apertur erheblich verbessern läßt, so daß der Einstrahlungswinkel der Lichtleitfasern vergrößert wird. Das hat insbesondere den Vorteil, daß die Einstrahlung der Signale in die Lichtleitfaser erheblich vereinfacht und damit verbilligt wird.
Gleichzeitig wurde gefunden, daß durch Einführung einer dritten bzw. weiterer Komponenten in die Schicht und damit in den Kern der Glasfaser eine Stabilisation der Struktur erfolgt, wodurch die Materialdispersion erheblich verringert wird. Insbesondere im Rahmen der zukünftigen verstärkten Anforderungen an Lichtleitfasern aus Glas, bei denen Verluste und Signal-Dispersion des optischen Signales in den Hintergrund treten werden, weil man sie beherrscht, ist dieser Vorteil einer Verringerung der Material-Dispersion von besonderer Bedeutung.
Tabelle 1 .Schmelz Dampf Oxid und sein
Komponente temperatur druck \on Brechung sinde\
in 760 mm bei
C C
-64,5 45,9 AI2O3 1,65
AIB2H12 B2O3 1,64
97,5 256,3 AI2O3 1.65
AlBn 192,4 180,3 AI2O3 1,65
AlCb 96,6 275,0 Sb2O3 2,35
SbBn 73,4 219,0 Sb2Ü3 2,35
SbCh 167,0 401,0 Sb2Ü3 2.35
SbJi 656,0 1425,0 Sb2O3 2,35
Sb2Ü3 814,0 610,0 AS2O3 1,755
As -18,0 130,4 AS2O3 1,755
AsCh -5,9 56,3 AS2O3 1,755
AsF3
Fortsetzung
KoiiipoiieiiiL'
Komponente
AsFs
AS2O3
Ba
BeB2Hs
LiBr
LiCl
MgCb
MnCb
HgBr2
HgCl2
HgJ2
MoFe
PBn
KBr
KCl
BeCb
BeJ2
BiBn
BiCh
CdCb
CaBr2
CdJ2
CsBr
CsCl
GaCh
GeH4
GeBr4
PbBr2
PbCb
PbF2
RbBr
RbCl
SiF4
NaBr
NaCl
SnBr4
SnCk
TeCk
TeFe
Schmelztemperatur in C
Dampfdruck von 760 mm bei C
Oxid und sein Brechungsindex
Schnicly-
!cnipenunr
-79,8 312,8 850,0 123,0
402,0
547,0 614,0 651,0 712,0 650,0 237,0 277,0 259,0
17,0 -40,0 730,0 790,0 880,0 723,0 405,0 488,0 218,0 230,0 320,9 568,0 730,0 385,0
28,5 636,0 646,0
77,0 -165,0
26,1 373,0 501,0 855,0
38,5 682,0 715,0 -90,0 755,0 800,0
31,0
-30,2
224,0
-37,8
-52,8
457,2
1638,0
90,0
872,0
1310,0
1382,0
1107,0
1418.0
1190,0
319,0
304,0
354,0
36,0
175,3
1383,0
1407,0
1502,0
1324,0
487,0
487,0
461,0
441,0
765,0
967,0
812,0
796,0
690,0
1300,0
1300,0
200,0
-88,9
189,0
914,0
954,0
1293,0
679,0
1352,0
1381,0
-94,8
1392,0
1465,0
204,7
113,0
392,0
-38,6
As2Oi
As2O 3
BaO
BeO
B2Os
PbO
LbO
LbO
MgO
MgO
MnO2
HgO
HgO
HgO
MoOi
P2O5
K2O
K2O
K2O
K2O
BeO
BeO
Bi2Oj
BbO3
CdO
CdO
CaO
CdO
Cs2O
Cs2O
Cs2O
Ga2O
GeO2
GeO2
PbO
PbO
PbO
Rb2O
Rb2O
Rb2O
SiO2
Na2O
Na2O
SnO2
SnO2
TeO2
TeO2
1.755
1.755
1,98
1,73
1,64
2,61
1,644
1,644
1,736
1,736
2,16
2,55
2,55
2,55
1,68
1,509
1,608
1,608
1,608
1,608
1,73
1,73
1,91
1,91
2,49
2,49
1,838
2,49
1,64
1,64
1,64
1,90
1,650
1,650
2,61
2,61
2,61
1,642
1,642
1,642
1,544
1,595
1,595
2,045
2,045
2,09
2,09
Dampfdruck Mill 7b0 mm bei
Oxid und sein BrccIiüiiL-sindcv
TlBr
TlCl
TiCk
WFt.
ZnCb
ZrCk
ZrBr4
Tabelle 2
Oxid
AbO3
SbiO3
BaO
BeO
BbO3
CdO
CaO
Cs2O
Ga2O
PbO
Li2O
MgO
MnO2
HgO
M003
K2O
Rb2O
Na2O
SnO2
TeO2
TiO2
TbO
WO3
ZnO
ZrO2
460,0 430,0 -30,0 -0,5 283.0 437.0 450.0
819,0 807.0 136,0 17,3 732,0
TbO Tl2O TiO2 WOs ZnO ZrO2 ZrO2
2.13
2.13
2,759
2.52
2.029
2.20
2.20
Relative Diff.-Koeffizienten des Kations1)
cm2/sec
"7
6.3 ■ 10~5
8 · 10~6
2.4 · ΙΟ"5
2.5 · 10~3
2.6 · 10~4 2 ■ 10"4 1,9- ΙΟ
1 ■10"5 4 · ΙΟ"3
1.2 · ΙΟ"4
9.4 ■ 10 ~3
9 · 10~7 6 · 10~7 4 · 10^6
5.3 · 10 "7
6.5 ■ 10 -2
"4 ~6
7 ■ ΙΟ
1.6 · 10
4 ■ΙΟ"8
1.7 · 10"4 2,4 · 10~5 1,6 ■ 10~3 1,4 · 10 -A 1,3 · 10-5 3 ·10^7
') Die Bestimmung der relativen Diffusionsgeschwindigkeit erfolgte durch analytische Untersuchungen und Mikrosondenprofile, soweit möglich. Die Angabe der relativen Diffusionskoeffizienten bezieht sich dabei nur auf die beschriebenen Versuchsbedingungen und ist nicht mit den bekannten Interdiffusions- und Diffusionskoeffizienten zu vergleichen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Lichtleitfaser zur Nachrichtenübertragung, mit Gradientenprofil des Brechwertes, bestehend aus einem kollabierten Kieselglasrohr, in welches vor dem Kollabieren nach bekannten Gaszersetzungsverfahren eine Schicht auf die Rohrinnenwand aufgebracht wurde, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht aus mindestens drei Komponenten besteht, deren Konzentration sich innerhalb der Schicht ändert, und von denen eine, umgewandelt in das entsprechende Oxid, einen höheren Brechungsindex als die anderen Komponenten besitzt, und daß das Kation dieser Komponente mit höherem Brechungsindex eine höhere Diffusionsfähigkeit als die anderen Komponenten aufweist.
2. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Oxids dieser Komponente größer als 1,660 ist.
3. Lichtleitfaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kation dieser Komponente mit höherem Brechungsindex und mit besonders hoher Diffusionsfähigkeit einen Diffusionskoeffizienten in SiOj von mehr als 3 χ 10"8cm2/sec aufweist.
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