DE2605483A1

DE2605483A1 - Verfahren zur herstellung eines lichtleiters

Info

Publication number: DE2605483A1
Application number: DE19762605483
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Eickhoff; Oskar Dr Ing Krumpholz; Werner Dr Rer Nat Langheinrich; Stefan Dr Ing Maslowski; Hans-Petr Dr Phil Vollmer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-02-12
Filing date: 1976-02-12
Publication date: 1977-08-18

Description

"Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitersn
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters mit in radialer Richtung nach außen stetig abfallendem Brechzahlprofil, bei dem durch Zersetzung gasförmiger Verbindungen zunächst ein ein radiales Brechzahlprofil aufweisender Glaskörper gebildet und anschließend zu einem fadenförmigen Lichtleiter ausgezogen wird.
Lichtleiter werden als Übertragungsmedium in breitbandigen optischen Nachrichtenübertragungssystemen verwendet. Besonders günstige Übertragungseigenschaften zeigen Lichtleiter, die ein in radialer Richtung nach außen stetig abfallendes Brechzahlprofil aufweisen.
Zur Herstellung solcher Lichtleiter ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem durch Aufbringen einer Mehrzahl aufeinander folgender Schichten auf einen vorzugsweise kreiszylindorförmig ausgebildeten Trägerkörper aus Glas zunächst ein Glaskörper mit einem in radialer Richtung mehr oder weniger fein abgestuften Brechzahlprofil erzeugt wird.
Diese Schichten erhält man durch Zersetzung gasförmiger Verbindungen. Das stufenförmige Brechzahlprofil ergibt sich durch von Schicht zu Schicht unterschiedlicher Zusammensetzung der gasförmigen Verbindungen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist zunächst der relativ große Zeitaufwand zur Herstellung des beschichteten Glaskörpers, insbesondere bei einer Vielzahl von Schichten, der das Herstellungsverfahren erheblich verteuert.
Weiterhin von Nachteil für die Lichtübertragungseigenschaften eines aus einem solchen Glaskörper hergestellten Lichtleiters ist der nur annäherungsweise stetige Brechzahlverlauf, der auch bei einer Vielzahl von nacheinander aufgebrachten Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung stets noch ein deutlich ausgeprägtes Stufenprofil zeigt. Schließ2Lch führt die Verwendung eines homogenen Stabs als Trägerkörper für die Schichten zu einem ausgeprägten Plateau des Brechzahlverlaufs im Stabgebiet, was für die Lichtübertragungseigenschaften ebenfalls von Nachteil ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Herstellungsverfahren für Lichtleiter mit in radialer Richtung stetig abfallendem Brechzahlprofil anzugeben, das die Herstellung von Lichtleitern mit günstigeren Übertragungseigenschaften gestattet und das zusätzlich eine erhebliche Verringerung der Herstellungskosten ermöglicht.
Eine Lösung dieses Problems wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters der eingangs näher bezeichneten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Verfahrensschritte erreicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen oder Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen erläutert.
In der Zeichnung ist eine besonders zweckmäßige Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Mit 10 ist ein zweckmäßig als Kreiszylinder ausgebildeter Glasstab bezeichnet, der durch in der Zeichnung nicht angedeutete Mittel um seine Längsachse drehbar und entlang dieser verschiebbar angeordnet ist.
Die Zusammensetzung dieses Glasstabs 10 ist an sich nebensächlich, da er lediglich als Trägermittel für das aus der Gasphase absusch eidende Lichtleitermaterial dient. Insbesondere ist es nicht forderlich, daß das Material des Trägerstabs 10 so hervorragende optisch. Eigenschaft.n wie das Lichtleitermaterial hat.
Mit der Längsachse des Trägerstabs 10 fluchtend angeordnet zeigt die-Zeichnung mit 11, 12 bezeichnete Gaszuführungsrohre, die lediglich streckenweise koaxial zueinander verlaufend jedes für sich mit Vorratsgefäßen 15, 16 verbunden sind. Das den Zuleitungsrohren 11, 12 zugewandte Endstück des Trägerstabs 10 kann durch mindestens eine Wärmequelle auf eine relativ hohe Temperatur aufgeheizt werden0 Um Verunreinigungen des Lichtleitermaterials durch eine offen brennende Flamme zu verhindern, wird als solche Wärmequelle zweckmäßig ein elektrisch beheizter Ofen 17 verwendet, der das Endstück des Trägerstabs 10 ringförmig umgibt. Eine weitere Wärmequelle 18, für die zweckmäßig ein Kohlendioxidgas-Laser eingesetzt wird, ermöglicht eine gezielte Aufheizung der den Gaszuleitungsrohren zugewandten Stirnfläche des Trägerstabs. Eine dritte Wärmequelle 19 umfaßt die Zuleitungsrohre 11, 12 mindestens bis zu den Gasaustrittsöffnungen; sie kann jedoch auch so weit herabgezogen sein, daß der Raum zwischen den Gasaustrittsöffnungen der Zuleitungsrohre und der Stirnfläche des Stabes 10 durch sie aufheizbar ist. Diese Wärmequelle dient der Vorwärmung der Reaktionsgase. In der Zeichnung ist sie ebenfalls als elektrisch heizbarer Ofen dargestellt, Ebenso zweckmäßig ist jedoch auch eine Vorwärmung der Reaktionsgase mit Hocfurequenzenergie, Zur Übertragung des Lichtes über lange Strecken mit geringsten Verlusten muß das Material des Lichtleiters von hervorragender optischer Qualität sein. Besonders günstige Eigenschaften in dieser Hinsicht zeigt Quarzglas, das auf relativ einfache Weise in reinster Form aus einer gasförmigen oder leicht in einen solchen Aggregatzustand versetzbaren Verbindung des Siliciums herstellbar ist. Quarzglas schlägt sich beispielsweise auf einem Trägermaterial nieder, wenn eine Verbindung wie Siliciumtetrachlorid bei hoher Temperatur mit Sauerstoff umgesetzt wird.
Demgemäß wird in den Vorratsgefäßen 15 und 16 enthaltenes Silimit einem Sauerstoff enthaltenden Trägergas ciumtetrachlorid Aber die koaxial angeordneten Zuleitungsrohre 11 und 12 auf die Stirnfläche des erhitzten Trägerstabs 10 geleitet und dort zu reinstem Quarzglas umgestzt.
Zur Weiterleitung des Lichts benötigt ein Lichtleiter ein bestimmtes Brechzahlprofil, beispielsweise ein in radialer Richtung nach außen abfallendes Brechzahlprofil, das durch entsprechende Materialzusammensetzung des Lichtleiters herstellbar ist. Dazu sind in den Vorratsgefäßen 15, 16 zusätzliche Dotierungssubstanzen enthalten, die in analoger Weise wie das Siliciumtetrachlorid zu Oxiden umgesetzt werden und eine in radialer Richtung unterschiedliche Materialzusammensetzung bewirken. Zweckmäßig ist im Vorratsgefäß 16 eine Phosphor enthaltende Verbindung vorhanden, die im zentralen Teil des auf dem Trägerstab 10 entstehenden Glasaufbaus zu einer Erhöhung der Brechzahl führt. Das Vorratsgefäß 15 dagegen enthält zweckmäßig zusätzlich eine Borverbindung, die in einem weiter außen liegenden Mantelbereich des Glasaufbaus zu einer Senkung der Brechzahl führt. Die durch die koaxial angeordneten Zuleitungsrohre 11, 12 entsprechend geführten Gasströme unterschiedlicher Zusammensetzung treffen auf die hocherhitzte Stirnfläche des Trägerstabs 10 auf, werden dort umgesetzt und bilden in einem einzigen Prozeßschritt einen Glasaufbau mit in radialer Richtung unterschiedlicher Zuscnmensetzung. Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Zonenbildung wird dabei der Trägerkörper 10 zweckmäßig um seine Längsachse gedreht. Nach Maßgabe der erreichbaren Aufwachsrate wird der Trägerstab 10 zusätzlich in Richtung seiner Längsachse derart von den Zuleitungsrohren fortbewegt, daß der Abstand zwischen seiner jeweiligen Stirnfläche und den Austrittsöffnungen der Zuleitungsrohre konstant bleibt.
Abweichend zu bekannten Verfahren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auf vorteilhafte Weise in lediglich einem zeitsparenden Prozeßschritt die Herstellung eines stetig abfallenden Brechzahlprofils in einem Glaskörper. Ein daraus hergestellter Lichtleiter, der durch Ausziehen aus einem solchen Glaskörper entsteht und demzufolge dessen Brechzahlprofil in maßstabgerechter Verkleinerung enthält, zeigt besonders günstige Lichtübertragungs eigenschaften.
Das Entstehen eines stetigen Brechzahlprofils kann mit Diffusiansvorgängen in den Grenzgebieten der koaxial ausströmenden Gaszusammensetzungen erklärt werden. Der spezielle Verlauf des Brechzahlprofils ist auf einfache Weise durch den jeweiligen Dotierungsmittelanteil in den Vorratsgefäßen und die Art der Gasströmungen beeinflußbar. Eine weitere vorteilhafte Einwirkungsmöglichkeit auf die Zusammensetzung des auf die jeweilige Stirnfläche des Trägerstabs 10 abgeschiedenen Lichtleitermaterials bietet sich durch die gezielte zusätzliche Erhitzung dieser Stirnfläche mittels einer weiteren Wärmequelle 18.
Zweckmäßig wird dazu ein Laser,insbesondere einEohlendioxidgas-Laser, verwendet, dessen Strahlung von Quarzglas relativ stark absorbiert wird, so daß durch die Strahlung lediglich oberflächennahe Bereiche aufgeheizt werden.
Infolge der Rotation des Trägerstabs 10 liegen die auf diese Weise zusätzlich aufgeheizten Bereiche der jeweiligen Stirnfläche des Glasaufbaus rotationssymmetrisch zur Drehachse des Trägerstabs 10.
Es liegt selbstverständlich im Rahmen fachmännischer Erfahrungen, durch Anordnung geeigneter Ablenkspiegel die Stirnfläche des Glasaufbaus auch rotations symmetri s ch mit der Laserstrahlung auszuleuchten; dabei ist es dann nicht notwendig, den Trägerstab 10 zusätzlich in Umdrehungen zu versetzen.
Bei der Reaktion auf der Stirnfläche des Trägerstabs nicht umgesetzte Gasanteile werden zweckmäßig durch eine Saugvorrichtung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, abgeführt.
Unter Umständen erweist es sich weiterhin als zweckmäßig, die den Glas aufbau tragende Stirnfläche des Trägerkörpers nicht als zur Längsachse senkrecht stehende Begrenzungsfläche, sondern als zur Längsachse symmetrisch liegende Berandungsfläche eines rotationssymmetrischen Körpers, beispielsweise eines Kegels, eines Kegelstumpfs oder eines Paraboloids auszubilden.
Nach Herstellung eines beliebig langen Stücks eines Glaskörpers mit in radialer Richtung unterschiedlicher Zusammensetzung nach den vorstehend erläuterten Verfahrensschritten wird der GlaskörFer erhitzt und zu einem fadenrömigen Lichtleiter mit in radialer Richtung stetig abfallendem Brechzahlverlauf ausgezogen.
Gegebenenfalls kann dieser Ausziehvorgang sich kontinuierlich an den zuvor beschriebenen Aufwachsvorgang anschließen, indem beispielsweise der Ofen 17 selbst oder ein weiterer nicht dargestellter Ofen den Glasaufbau auf eine zum Ausziehen ausreichende Temperatur aufheizt.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellte Anordnung dahingeiiend weiterzubilden, daß eine größere Anzahl von koaxial angeordneten Gaszuführungsrohren vorgesehen wird, die wiederum mit entsprechenden Vorratsgefäßen verbunden sind. Auf diese Weise lassen sich beliebig ausgebildete Brechzahlprofile in einem Glasaufbau erzeugen.
Weiterhin kann der Glasauxbau zusätzlich in einem Quarzglasrohr angeordnet und zusammen mit diesem zu einer besonders widerstandsfähigen Faser ausgezogen werden.

Claims

Patentansprüche 1. Veriahren zur Herstellung eines Lichtleiters mit in radialer Richtung nach außen stetig abfallendem Brechzahlprofil, bei dem durch ersetzung gasförmiger Verbindungen zunächst ein ein radiales Brechzahlprofil aufweisender Glaskörper aus Lichtleitermaterial gebildet und dieser anschließend zu einem fadenförmigen Lichtleiter ausgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zw Bildung eines Glaskörpers mit radialem Brechzahlprofil auf eine Stirnfläche eines Glasstabs, die durch mindestens eine Wärmequelle auf eine hohe Temperatur aufgeheizt ist, mindestens zwei koaxiale Gasströme gasförmiger Verbindungen unterschiedlicher Zusammensetzung geleitet werden, und daß nach Maßgabe der Aufwachsrateeiner sich durch Zersetzung der gasförmigen Verbindungen bildenden Schicht des Lichtleitermaterials der Glasstab derart entlang seiner Längsachse fortbewegt wird, daß der Abstand zwischen der jeweiligen Stirnfläche und den Austrittsöffnungen der Gaszuleitungsrohre konstant bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Stirnfläche des Glaskörpers durch eine weitere Wärmequelle zusätzlich gezielt aufgeheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Wärmequelle ein Laser, insbesondere ein Kohlendioxidgas-Laser verwendet wird, dessen Ausgangsstrahlung auf zusätzlich aufzuheizende Bereiche der Stirnfläche des Glaskörpers gelenkt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasstab während des Aufwachsvorganges um seine Längsachse rotiert.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glasstab verwendet wird, dessen Stirnfläche als zur Längsachse des Stabs symmetrisch liegende Berandungsfläche eines rotationssymmetrischen Körpers ausgebildet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgase vor dem Auftreffen auf die Stirnfläche des Glaskörpers vorgewärmt werden,
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmung mittels HF-Energie durchgeführt wird.