DE2617096A1

DE2617096A1 - Multilayer optical waveguide - produced by flame hydrolysis of doped silicon compound on half substrate rod periphery and wire drawing

Info

Publication number: DE2617096A1
Application number: DE19762617096
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Rer Nat Langheinrich; Stefan Dr Ing Maslowski; Hans-Peter Dr Phil Vollmer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-04-17
Filing date: 1976-04-17
Publication date: 1977-11-03

Abstract

A multi-layer optical waveguide for use in broadband in formation transmission systems for light signals is produced by depositing the optically active layers on the surface of an optically inactive substrate such as a cylindrical rod. The optically active layers cover half of the rod periphery. In a final drawing operation, the cross-section is reduced and an optical light guide fibre is produced. This is a simple and inexpensive process for the mfr. of optical light guides with a very low attenuation. The plateau in the refractive index curve in the centre in the case of concentrically coated rods and the occurrence of a minimum in the case of internally coated tubes have been eliminated.

Description

"Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen "Method of making a multilayer

Wellenleiters" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen optischen Wellenleiters. Waveguide "The invention relates to a method of manufacture a multilayer optical waveguide.

Optische Wellenleiter werden in breitbandigen optischen Nachrichtenübertragungssgstemen als tbertragungsmedium zur Fortleitung von Lichtsignalen verwendet. Für eine t'bertragung der Lichtsignale über längere Strecken ohne zwischengeschaltete Verstärkerstufen ist eine geringe Übertragungsdämpfung dieser Wellenleiter Voraussetzung. Angestrebt werden bämpfungswerte von einigtndß/km.Optical waveguides are used in broadband optical communications transmission systems used as a transmission medium for the transmission of light signals. For a transmission the light signals over longer distances without intermediate amplifier stages A low transmission attenuation of these waveguides is a prerequisite. Aimed for attenuation values of some / km.

Zur Herstellung von Wellenleitern zur Lichtübertragung ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem ein vorzugsweise kreiszylinderförmiger Trägerstab auf seiner gesamten Mantelfläche mit einer oder mehreren Deckschichten beschichtet wird, so daß sich eine koaxiale Erhichtanordnung ergibt. Diese Anordnung wird unter Erhitzung webart ausgezogen, daß sich eine aus einem Kernbereich und einem oder mehreren Mantelbereicher. bestehende Lichtleitfaser ergibt. Zum Zwecke der Lichtführung hat der Kernbereich einen höheren Brechungsindex, während in den #antelbereichen der Brechungsindex in radialer Richtung nach außen abfällt.For the production of waveguides for light transmission is already a method is known in which a preferably circular cylindrical support rod coated on its entire surface with one or more top layers is, so that there is a coaxial Erhichtanordnung. This arrangement is under Heating weave pulled out that consists of a core area and an or several coat enrichers. existing optical fiber results. For the purpose of guiding the light the core area has a higher refractive index, while in the cladding areas the refractive index drops outward in the radial direction.

Ein solcher Verlauf des Brechungsindex wird durch Zusatz geeig neter Dotierungsmittelbestandteile eingestellt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist das Auftreten eines Plateaus in einer als Funktion des Durchmessers eines solchen Wellenleiters dargestellten Brechzahlkurve im Bereich des Kerngebiets des Welleleitrs, Dies ist auf die Verwendung eines homogen dotierten Stabs als Schichtträger zurückzuführen. Ein Wellenleiter mit einem solchen Verlauf der Brechzahlverteilung hat jedoch keine optimalen Lichtübertragungseigenschaften.Such a course of the refractive index becomes more suitable by adding Dopant components set. This is a disadvantage with this method Occurrence of a plateau in one as a function of the diameter of such a waveguide shown refractive index curve in the area of the core area of the waveguide, this is due to the use of a homogeneously doped rod as a layer support. However, a waveguide with such a course of the refractive index distribution has none optimal light transmission properties.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von optischen Wellenleitern geht andererseits von einem Rohr aus, auf dessen Innenwandung mindestens eine Schicht oder übereinander liegend mehrere Schichten aufgebracht werden. Durch Ausziehen fällt dieses Rohr zusammen, so daß wiederum ein Wellenleiter mit Kern- und Mantelbereichen entsteht. Der Kernbereich wird dabei aus der zuletzt auf der Innenwandung des Rohrs aufgebrachten Schicht gebildet.Another method of making optical waveguides on the other hand, it is based on a tube with at least one layer on its inner wall or several layers are applied one on top of the other. By undressing this tube collapses, so that in turn a waveguide with core and cladding areas arises. The core area is made from the last applied to the inner wall of the pipe Layer formed.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist das Verdampfen von Dotierungsmittelanteilen insbesondere aus der zuletzt auf der Innenwandung des Rohrs aufgebrachten Schicht während des bei hohen Temperaturen stattfindenden Auszieh- oder Kollapsiervorgangs.The disadvantage of this process is the evaporation of dopant components in particular from the layer last applied to the inner wall of the pipe during the high temperature extraction or collapsing process.

Das Verdampfen von Dotierungsmittel anteilen äußert sich durch das Auftreten eines relativen Minimums im zentralen Teil einer als Funktion des Durchmessers des Wellenleiters aufgetragenen Brechzahlkurve Auch solche Wellenleiter zeigen kein optimales Lichtübertragungsverhalten.The evaporation of dopants is expressed by the Occurrence of a relative minimum in the central part of a as a function of the diameter of the waveguide plotted refractive index curve Such waveguides also show no optimal light transmission behavior.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und preiswertes Verfahren zur Herstellung sehr dämpfungsarmer Lichtwellenleiter anzugeben, bei dem die Nachteile bekarmter Herstellungsverfahren vermieden werden. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst.The invention is based on the object of a simple and inexpensive Specify a method for the production of very low-attenuation optical waveguides, in which the disadvantages of known manufacturing processes are avoided. This problem becomes according to the invention by the method steps specified in the characterizing part of claim 1 solved.

Die Erfindung geht dabei Yon der Erkenntnis aus, daß der zur Erzielung optimaler Lichtübertragungseigenschaften eines Wellenleiters notwendige optisch wirksame Schichtaufbau eines mehrschichtigen Wellenleiters bereits in einer dem Ausziehvorgang vorangehenden Stufe des Herstellungsverfahrens vorhanden sein muß und daß dieser Schichtaufbau so abgesichert sein muß, daß während des Ausziehvorgangs infolge der dafür erforderlichen hohen Temperaturen keine nachteilige Veränderung der Brechzahlverteilung auftritt Zweckmäßige Ausführungsbeispiele sowie vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung und in den Unteransprüchen erläutert. Dabei zeigt: Figur 1: eine Stirnfläche eines ersten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wellenleiters in Form eines zylindrischen Substratkörpers mit zwei, Teilgebiete seiner Mantelfläche bedeckenden optisch wirksamen Schichten, Figur 2: eine Vorderansicht eines weiteren Wellenleiters mit einer dreischichtigen Lichtführung, Figur 3: eine Vorrichtung zur Abscheidung von optisch aktiven Schichten mittels eines Hydrolysebrenners, Figur 4: eine Vorrichtung zur pyrolytischen Abscheidung der optisch wirksamen Schichten unter Verwendung eines Lasers als Wärmequelle, Figur 5: ein weiteres nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Ausführungsbeispiel eines Wellenleiters mit zwei auf der Mantelfläche eines kreiszylinderförmigen Trägers einander gegenüberliegend aufgebrachten Schichtaufbauten von optischen wirksamen Schichten, Figur 6: Verfabrensschritte bei der Herstellung eines mehrschichtigen Wellenleiters auf einer ebenen Grundflache eines Substratkörpe-s, der durch Teilung eines kreiszylinderförmigen Trä#erstabs entlang seiner Längsachse hergestellt ', Figur 7: Verfahrensschritte zur Herstellung eines mehrschichtigen Wellenleiters auf eine mit einer Fase versehenen Substratkörper, Figur 8: die Vorderansicht eines beidseitig von Substratkörpermaterial eingeschlossenen mehrschichtigen Wellenleiters mit angedeuteter. Führungsstiften, Figur 9: eine erste Kurve, in der der Brechungsindex eines Wellenleiters als Funktion seiner Breite dargestellt ist, Figur 10: eine weitere Brechzahlkurve, Figur 11: eine Vorrichtung zur Herstellung jeweils einer Schicht des mehrschichtigen Wellenleiters in einem einzigen Arbeitsgang, Figur 12: den Schichtaufbau eines auf einer ebenen Substratfläche aufgebrachten Wellenleiters.The invention is based on the knowledge that to achieve Optically necessary optimal light transmission properties of a waveguide effective layer structure of a multilayer waveguide already in one of the Pulling process must be present in the previous stage of the manufacturing process and that this layer structure must be secured in such a way that during the pull-out process no disadvantageous change due to the high temperatures required for this the refractive index distribution occurs Appropriate exemplary embodiments and advantageous developments of the invention are detailed below Description and explained in the subclaims. It shows: FIG. 1: an end face a first waveguide produced by the method according to the invention in Shape of a cylindrical substrate body with two sub-areas of its outer surface covering optically effective layers, Figure 2: a front view of another Waveguide with a three-layer light guide, Figure 3: a device for the deposition of optically active layers by means of a hydrolysis burner, FIG 4: a device for the pyrolytic deposition of the optically effective layers using a laser as a heat source, FIG. 5: another according to the invention Method produced embodiment of a waveguide with two on the Outer surface of a circular cylindrical carrier applied opposite one another Layer structures of optically effective layers, Figure 6: Process steps in the production of a multilayer waveguide on a flat surface of a substrate body, which by dividing a circular cylinder-shaped carrier rod produced along its longitudinal axis, FIG. 7: Process steps for production a multilayer waveguide on a beveled substrate body, FIG. 8: the front view of a material enclosed on both sides by substrate body material multilayer waveguide with indicated. Guide pins, Figure 9: a first Curve in which the refractive index of a waveguide as a function of its width is shown, Figure 10: a further refractive index curve, Figure 11: a device for producing one layer of the multilayer waveguide in one single operation, Figure 12: the layer structure of a on a flat substrate surface applied waveguide.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten mehrschichtigen optischen Wellenleiters zeigt Figur 1 mit Blick auf die Stirnfläche des Wellenleiters. Er besteht aus einem kreiszylindrischen Substratkörper 10, auf dessen Mantelfläche zwei übereinanderliegende Schichten 11, 12 parallel zur Längsachse des Substratkörpers verlaufend so angeordnet sind, daß sie die Mantelfläche des Substratkörpers nur etwa auf der Hälfte seines Umfangs bedecken. bve Schichten 11, 12 sind symmetrisch zu einer den Durchmesser des Stabs 10 enthaltenden Schnittebene ausgebildet. Die die Punkte maximaler Schichtdicke verbindenden Linien liegen in dieser Schnittebene.A first embodiment of a according to the inventive method manufactured multilayer optical waveguide is shown in FIG. 1 with a view to the face of the waveguide. It consists of a circular cylindrical substrate body 10, on the outer surface of which two superposed layers 11, 12 are parallel are arranged to run to the longitudinal axis of the substrate body in such a way that they cover the lateral surface of the substrate body cover only about half of its circumference. bve layers 11, 12 are symmetrical to a section plane containing the diameter of the rod 10 educated. The lines connecting the points of maximum layer thickness lie in this cutting plane.

Die Dicke der Schichten fällt beidseitig der Schnittebene gleichmäßig ab. Die Schichten sind der Krümmung der Mantelfläche des Stabs 10 angepaßt; ihre Querschnittsfläche weist demzufolge eine sichelartige Form auf. Wegen der hervorragenden mechanischen und thermischen Eigenschaften wird als Material für den Tragerstab 10 zweckmäßig Quarzglas gewählt. An die optischen Sigenschaften dieses Materials werden dabei keine besonders hohen Anforderungen gestellt, weil dieses Trägermaterial im wesentlichen die Aufgabe hat, dem die Lichtsignale übertragenden mehrschichtigen Wellenleiter, der aus den Schichten 11 und 12 besteht, eine ausreichende mechanische Festigkeit zu verleihen.The thickness of the layers falls evenly on both sides of the cutting plane away. The layers are adapted to the curvature of the lateral surface of the rod 10; their The cross-sectional area accordingly has a sickle-like shape. Because of the excellent mechanical and thermal properties is used as the material for the support rod 10 expediently chosen quartz glass. The optical properties of this material The requirements are not particularly high, because this carrier material essentially has the task of the multi-layer transmitting the light signals Waveguide, which consists of layers 11 and 12, a sufficient mechanical To give strength.

Das Licht wird überwiegend in der mit 11 bezeichneten Schicht des Wellenleiters geführt. Diese Schicht muß demnach höchsten Anforderungen hinsichtlich geringer Absorption und Gleichmäßigkeit zur Vermeidung von Lichtstreuung entsprechen. Die lichtführenden Eigenschaften beruhen darauf, daß die Schicht 11 einen geringfügig höheren Brechzahlwert aufweist als die angrenzende Schicht 12 und das angrenzende Gebiet des Stabs 10. Das Grundmaterial der Schichten 11 und 12 besteht überwiegend aus reinstem Quarzglas. Wie nachfolgend noch näher erläutert, wird die erforderliche Brechzahldifferenz durch Zusatz geeigneter Dotierungssubstanzen in das Material der Schicht 11 erreicht.The light is predominantly in the layer labeled 11 of the Waveguide guided. This layer must therefore meet the highest requirements low absorption and evenness to avoid light scattering correspond. The light-guiding properties are based on the fact that the layer 11 has a slightly higher refractive index value than the adjacent layer 12 and the adjacent area of the rod 10. The base material of layers 11 and 11 12 consists mainly of the purest quartz glass. As explained in more detail below, the necessary refractive index difference is achieved by adding suitable doping substances into the material of layer 11.

Figur 2 zeigt die Stirnfläche eines weiteren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wellenleiters, der aus drei übereinanderliegenden Schichten besteht, die ebenfalls von einem kreiszylinderförmig ausgebildeten Stab 10 getragen werden. Auf die Mantelfläche des ebenfalls aus Quarzglas bestehenden Trägerstabs 10 wird zunächst zusätzlich eine weitere Schicht 13 aufgebracht, die aus reinstem Quarzglas besteht.Figure 2 shows the end face of another according to the invention Process manufactured waveguide, which consists of three superimposed layers consists, which is also carried by a rod 10 in the shape of a circular cylinder will. On the outer surface of the support rod, which is also made of quartz glass 10, a further layer 13 is first applied, which is made of the purest Quartz glass is made.

Diese Schicnt füllt auf der flante]fläche des Trägerstabs 10 unvermeidbar vorhandene geringe Vertiefungen und Risse aus, so daß sich diese Oberflächenschäden nicht auf die Eigenschaften der lichtführenden Schicht 11 auswirken können. Die Schichten 11 und 12 wiederum entsprechen in ihrer Zusammensetzung denjenigen des Ausführungsbeispiels nach Figur 1.This Schicnt fills on the flant] surface of the support rod 10 inevitably existing small pits and cracks, so that this surface damage cannot affect the properties of the light-guiding layer 11. the Layers 11 and 12 in turn correspond in their composition to those of Embodiment according to Figure 1.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Wellenleiter lassen sich zweckmäßig durch Anwendung eines Flammhydrolyseverfahrens herstellen, das unter Bezug auf die schematische Darstellung in Figur 3 erläutert wird. Einem mit 14 bezeichneten Hydrolysebrenner wird eine hydrolysierbare gasförmige oder leicht in Gasform überführbare Verbindung des Siliziums, wie beispielsweise Siliziumtetrachlorid, zugeführt. Diese Verbindung wird in der Brennerflamme 15 bei hohen Temperaturen hydrolysiert und schlägt sich in Form einer aus reinstem Siliziumdioxid bestehenden Schicht 11 auf der Manteloberfläche eines kreiszylinderförmig ausgebildeten Trägerstabs 10' ab. Eine sich entlang der gesamten Länge des Trägerstabs 10 erstreckende Schicht wird, wie durch die dargestellten Pfeile angedeutet, entweder durch ein Hin- und Herbewegen des Hydrolysebrenners 14 oder durch eine entsprechende Bewegung des Trägerstabs 10' in Bezug auf eine feststehende Brennerflamme erreicht. Die zur Lichtführung erforderliche Dotierung der lichtleitenden Schicht 11 wird durch Hinzufügen einer geeigneten Verbindung eines Dotierungsmittels, beispielsweise Germaniumtetrachlorid, in den Brenner 14 erzeugt. Die der Brennerflamme 15 abgewandten Teile der Mantelfläche des Stabs 10' werden nicht beschichtet, so daß sich die in den Figuren 1 und 2 angedeutete sichelartige Form der Querschnittsfläche der Schichten 11, 12, 13 ergibt. Die kontinuierliche Verringerung der Dicke der vorgenannten Schichten in seitlicher Richtung trägt in vorteilhafter Weise zu einer Lichtführung bei.The waveguides shown in Figures 1 and 2 can expediently produce by using a flame hydrolysis process, which under Reference to the schematic representation is explained in FIG. A hydrolysis burner designated 14 becomes a hydrolyzable gaseous one or a compound of silicon that can easily be converted into gaseous form, such as, for example Silicon tetrachloride, fed. This connection is in the burner flame 15 at hydrolysed at high temperatures and is expressed in the form of one made of the purest silicon dioxide existing layer 11 on the jacket surface of a circular cylinder-shaped Support rods 10 '. One extending along the entire length of the support rod 10 Layer is, as indicated by the arrows shown, either by a Moving the hydrolysis burner 14 to and fro or by a corresponding movement of the support rod 10 'with respect to a fixed burner flame. The for Light guide required doping of the light-guiding layer 11 is made by adding a suitable compound of a dopant, for example germanium tetrachloride, generated in the burner 14. The parts of the jacket surface facing away from the burner flame 15 of the rod 10 'are not coated, so that those indicated in FIGS Crescent shape of the cross-sectional area of the layers 11, 12, 13 results. The continuous Reducing the thickness of the aforementioned layers in the lateral direction contributes in advantageously to a light guide.

Bei Anwendung eines Hydrolyseverfahrens zur Erzeugung der Wellenleiterschichten kann nicht ohne weiteres verhindert werden, daß Wasser in Form von Hydroxylgruppen in die Schichten eingebaut wird. Diese vergrößern jedoch insbesondere bei den für die Lichtübertragung interessanten Wellenlängenbereichen die Lichtabsorption. Dieser Nachteil kann durch Anwendung eines Pyrolyseverfahrens bei der Schichtherstellung vermieden werden, das an Hand der in Figur 4 gezeichneten schematischen Anordnung erläutert wird. Uber ein Zuführungsrohr 19 mit Büsenöffnung werden die zuvor bereits schon erwähnten Reaktionsgase zusammen mit Sauerstoff auf die Manteloberfläche des Substrstkörpers 10' geleitet. Diese Oberfläche wird in den Bereichen, in denen eine Schichtabscheidung erfolgen soll, durch fokussiertes Licht einer Laserlichtquelle 16, beispielsweise eines Kohlendioxidlasers, stark erhitzt. An-diesen stark erhitzten Stellen des Substrats reagieren die zugeführten Gase miteinander und führen zur Bildung entweder einer reinen Siliziumdioxidschicht oder einer Siliziumdioxidschicht mit einem Anteil von Dotierungsmittelsubstanzen Durch eine entsprechende lineare Bewegung des Trägerstabs 10' entlang siner Längsachse entsteht auf Teilbereichen seiner Manteloberfläche wieder eine in sich geschlossene Schicht 11. Nach Fertigstellung dieser Schicht 11 wird in analoger Weise die diese Schicht abdeckende Schicht 12 erzeugt Mit diesem Pyrolyseverfahren können besonders saubere Arbeitsbedingungen geschaffen werden, die zu Wellenleitern mit guter optischer Qualität führen. Nach Aufbringen der Schichten 11 und 12 bzw. 11 bis 13 auf der Oberfläche des Trägerkörpers 10' wird der Schichtaufbau an einem Ende beginnend in einer Faserziehmaschine stark erhitzt und unter Querschnittsreduzierung, bei der jedoch die Proportionen der Schichten untereinander im wesentlichen erhalten bleiben, zu einem fadenförmigen Gebilde ausgezogen.When using a hydrolysis process to produce the waveguide layers can not readily prevented that water in the form of hydroxyl groups in the layers is incorporated. However, these increase in particular for those for Light transmission interesting wavelength ranges the light absorption. This A disadvantage can arise from the use of a pyrolysis process in the production of the layers can be avoided using the schematic arrangement shown in FIG is explained. The previously already mentioned reaction gases together with oxygen on the jacket surface of the Substrate body 10 'passed. This surface is in the areas where a Layer deposition is to take place by means of focused light from a laser light source 16, for example a carbon dioxide laser, strongly heated. Strongly heated at these The supplied gases react with each other and lead to the substrate Formation of either a pure silicon dioxide layer or a silicon dioxide layer with a proportion of dopant substances by a corresponding linear Movement of the support rod 10 'along its longitudinal axis occurs in partial areas its jacket surface again a self-contained layer 11. After completion this layer 11 becomes the layer 12 covering this layer in an analogous manner With this pyrolysis process, particularly clean working conditions can be achieved which lead to waveguides with good optical quality. To Application of the layers 11 and 12 or 11 to 13 on the surface of the carrier body 10 'is the layer structure starting at one end in a fiber drawing machine strongly heated and with a reduction in cross-section, in which, however, the proportions of the layers are essentially retained, to form a thread-like structure Structure undressed.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der anhand der Figur 1 und Figur 2 beschriebenen Wellenleiter ist in Figur 5 dargestellt.An advantageous further development of the on the basis of FIG. 1 and FIG The waveguide described is shown in FIG.

Einander gegenüberliegend auf der Mantelfläche des Trägerstabs 10 und die Mantelfläche jeweils etwa zur Hälfte bedeckend sind zwei Jeweils einen Wellenleiter bildende Schichtstrukturen aufgebracht. Diese Anordnung ergibt demnach eine zweikanalige tibertragungsatrecke. Eine unterschiedliche Ausdehnung von Trägerstab 10 und Schichtstruktur bei Temperaturänderungen kann sich bei einer solchen Anordnung in weit geringerem Maße auswirken als bei einseitiger Beschichtung des Trägerstabs.Opposite to one another on the lateral surface of the support rod 10 and each covering approximately half of the lateral surface are two waveguides each forming layer structures applied. This arrangement therefore results in a two-channel arrangement transmission route. A different expansion of the support rod 10 and the layer structure with such an arrangement, changes in temperature can be much less Dimensions than with one-sided coating of the support rod.

Die Herstellung der Schichten erfolgt in der zuvor schon beschriebenen Weise. Nach Fertigstellung des ersten Schichtaufbaus wird der Trägerstab 10 zum Aufbringen der zweiten Schichtstruktur um 1800 um seine Längsachse gedreht. Noch zwtckmäßiger ist es jedoch, beide Schichtstrukturen gleichzeitig aufzubringen.The layers are produced in the manner already described above Way. After completion of the first layer structure, the support rod 10 is for Application of the second layer structure rotated by 1800 about its longitudinal axis. Yet It is more useful, however, to apply both layer structures at the same time.

Dies erfordert eine entsprechende Ausgestaltung der Beschichtungsvorrichtung.This requires a corresponding design of the coating device.

Unter Bezug auf Figur 6 werden Verfahrensschritte zur Herstellung eines weiteren Wellenleiters beschrieben, dessen lichtleitende Schichten besonders gut geschützt angeordnet sind.With reference to FIG. 6, process steps for production of another waveguide described, its light-guiding layers in particular are arranged well protected.

Aus einem in Kreiszylinderform vorliegenden Trägerstab 70 werden durch Auftrennung entlang der Längsachse zwei Halbzylinder 70', 70'' hergestellt. Die durch das Auftrennen entstandene Oberfläche des einen Halbzylinders dient als Substratfläche für einen mehrschichtigen Wellenleiter 71. Dessen Herstellung wird weiter unten noch ausführlich beschrieben. Nach Fertigstellung der Schichtstruktur 71 werden die Halbzylinder 70', 70 " wieder so zusammengefügt, daß sie die Schichtstruktur 71 zwischen sich einschließen (Figur 6e, Figur 6d). Die endgültige Form des Wellenleiters entsteht wiederum durch Erhitzen und Ausziehen. Mit dem größten Teil ihrer Oberfläche grenzt die Schichtstruktur 71 an die sie einschliessenden Halbzylinder 70', 70''. Dadurch ist sie hervorragend gegen schädigende Einflüsse geschützt.From a support rod 70 in the form of a circular cylinder will two half-cylinders 70 ', 70 "are produced by splitting along the longitudinal axis. The surface of one half cylinder created by the separation serves as a Substrate surface for a multilayer waveguide 71. The manufacture of which is described in detail below. After completion of the layer structure 71, the half-cylinders 70 ', 70 "are reassembled so that they form the layer structure 71 enclose between them (Figure 6e, Figure 6d). The final shape of the waveguide is again produced by heating and drawing out. With most of its surface area the layer structure 71 adjoins the semi-cylinders 70 ′, 70 ″ enclosing it. As a result, it is extremely well protected against damaging influences.

In Figur 7 sind Verfahrensschritte zur Herstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines optischen Wellenleiters dargestellt, die im wesentlichen jenen von Figur 6 entsprechen.In Figure 7 are process steps for the production of a further Embodiment of an optical waveguide shown, the essentially correspond to those of FIG.

Zusätzlich werden jedoch die sich durch das Auftrennen eines Zylinders ergebenden Kanten der Halbzylinder angefast. Durch die Fasen 72 bilden sich nach Zusammenfügung beider Zylinderhälften im Mantel des Zylinders parallel zu seiner Längsachse verlaufende, einander gegenüberliegende Rillen 73, 73', in denen zumindest im Bereich eiar Endstücks solcher Wellenleiter kreiszylindrisch ausgebildete Stäbe 74 (Figur 8), beispielsweise durch Kleben befestigt werden können.In addition, however, the opening of a cylinder resulting edges of the half cylinder beveled. The chamfers 72 reproduce themselves Assembly of both cylinder halves in the jacket of the cylinder parallel to his Grooves 73, 73 'running longitudinally opposite one another and in which at least in the area of the end piece of such waveguides, rods formed as circular cylinders 74 (Figure 8), for example, can be attached by gluing.

Diese Stäbe erleichtern das Ausrichten der Wellenleiter beim Ankoppeln. Gleichzeitig bilden sie eine Sicherung gegen Verdrehen der gekoppelten Wellenleiterendstücke.These rods make it easier to align the waveguides when coupling. At the same time, they form a safeguard against twisting of the coupled waveguide end pieces.

Die Schichtstruktur 71 des Wellenleiters (Figur 6; Figur 7) besteht aus mindestens einer Schicht mit einem höheren Brechungsindex als jener des Substratmaterials, auf dem sie aufgebracht ist. Beispielsweise könnte in einem Querschnitt des Wellenleiters der als Funktion seiner Breite aufgetragene Brechungsindex die aus Figur 9 ersichtliche Gestalt haben, also ein stufenförmiges Profil aufweisen, mit n1 als Brechungsindex des Substratmaterials und n2 als Brechungsindex der darauf aufgebrachten Schicht.The layer structure 71 of the waveguide (FIG. 6; FIG. 7) consists of at least one layer with a higher refractive index than that of the substrate material, on which it is applied. For example, in a cross section of the waveguide the refractive index plotted as a function of its width is that evident from FIG Have a shape, i.e. have a stepped profile, with n1 as the refractive index of the substrate material and n2 as the refractive index of the layer applied thereon.

Für die Lichtübertragung besonders zweckmäßig ist Jedoch ein in Figur 10 dargestelltes Brechungsindexprofil, das in einem Querschnitt des Wellenleiters ausgehend von einem Maximalwert in der Mitte beidseitig zum Rand des Wellenleiters stetig abfällt, Ein solches Brechungsindexprofil erzeugt man zweckmäßig, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, auf einem Substratkörper mit ebener Oberfläche, vorzugsweise der in Figur 6b oder Figur 7b dargestellten Art,durch pyrolytische Abscheidung von Schichtmaterial aus gasförmigen Verbindungen. Dazu kann wiederum die bereits schon in Figur 4 skizierte Anordnung verwendet werden.However, one in FIG. 1 is particularly useful for light transmission 10 shown refractive index profile in a cross section of the waveguide starting from a maximum value in the middle on both sides to the edge of the waveguide falls steadily. Such a refractive index profile is expediently generated as follows will be explained in more detail, on a substrate body with a flat surface, preferably of the type shown in Figure 6b or Figure 7b, by pyrolytic deposition of Layer material made of gaseous compounds. This can in turn the the arrangement already sketched in FIG. 4 can be used.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde ein mehrschichtiger optischer Wellenleiter wie folgt hergestellt. Ein kreiszylindrischer Quarzstab von etwa 6mm Durchmesser wurde mit einer ca.According to the method of the invention, a multilayer optical Waveguide made as follows. A circular cylindrical quartz rod of about 6mm The diameter was approx.

0,3 mm breiten Diamantsäge durch einen in Längsrichtung geführten Schnitt in zwei Halbzylinder aufgeteilt. Die Schnittkanten an beiden Halbzylindern wurden mit einer Fase versehen. Daraufhin wurden die Schnittflächen sorgfältig gereinigt und poliert.0.3 mm wide diamond saw through a longitudinally guided Section divided into two half cylinders. The cut edges on both half cylinders were provided with a bevel. The cut surfaces were then carefully cleaned and polished.

Einer der Halbzylinder wurde als Substratträger für den Schichtaufbau des mehrschichtigen Wellenleiters ausgewählt. Die zur Beschichtung zur Verfügung stehende ebene Oberfläche hatte eine Breite von etwa 4mm Eine erste auf das Quarzsubstrat 70 " aufgebrachte Schicht 60 bestand aus hochreinem Quarzglas mit einem den Brechungsindex erniedrigenden Dotiermittelzusatz von Boroxid. In einer Beschichtungsvorrichtung, die in Figur 4 skizziert ist, wurde die Gesamtbreite der zu beschichtenden Fläche des Substratträgers 70'' zur Bildung dieser Schicht mit etwa zehn übereinanderliegenden Bahnen beschichtet.One of the half cylinders was used as a substrate support for the layer structure of the multilayer waveguide is selected. The ones available for coating standing flat surface had a width of about 4mm A first on the quartz substrate 70 "applied layer 60 consisted of high-purity quartz glass with a refractive index lowering dopant addition of boron oxide. In a coating device, which is sketched in Figure 4, became the total width of the surface to be coated of the substrate carrier 70 ″ to form this layer with about ten superimposed Coated webs.

Als Trägergas benutzter Sauerstoff perlte durch Siliziumtetrachlorid (diol4) bzw. Bortribromid (BBr3) enthaltende Wazhflaschen, die auf etwa 1600 thermostatisiert waren. Entsprechend dem gewünschten Dotierungsmittelanteil in der Schicht wurden die Gase anschließend gemischt und über ein in einer Düse endendes Zuleitungsrohr auf das zu beschichtende Substrat geleitet, welches durch einen entsprechend fokussierten Laserstrahl in seiner gesamten Breite auf die für den Pyrolysevorgang erforderliche hohe Temperatur erhitzt wurde. Das zu beschichtende Substrat wurde unter der feststehenden Gaszuleitungsdüse und der feststehenden Laserfokussierungsoptik mit einer Geschwindigkeit von etwa 25mm/sec. hindurchbewegt. Nach völliger Beschichtung der Substratoberfläche mit dieser ersten Schicht wurde die Laserstrahlung nunmehr so fokussiert, daß durch die auf die Substratoberfläche auftreffende Laserstrahlung etwa nur ein Achtel der zur Beschichtung zur Verfügung stehende Breite auf die für die Pyrolyse erforderliche Temperatur aufgeheizt werden konnte. Am Rand der Beschichtungsfläche beginnend wurde eine erste Bahn 61 (Figur 12) mit iz wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie die darunterliegende erste Schicht 60 aufgebracht. Parallel zu dieser ersten Bahn 61 verlaufend und die darunterliegende Schicht 60 immer weiter abdeckend wurden sodann nebeneinanderliegend sechs Bahnen aus einem Material mit anderer Zusammensetzung hergestellt. Neben der Grundsubstanz Siliziumdioxid enthielten die Bahnen eine Sauerstoffverbindung des Phosphors. Dies wurde auf einfache Weise dadurch erreicht, daß dem Trägergas statt des Bortribromids die Verbindung Phosphoroxichlorid (POCl) zugesetzt wurde.Oxygen used as a carrier gas pearled through silicon tetrachloride Wazh bottles containing (diol4) or boron tribromide (BBr3), which are thermostated to around 1600 was. Corresponding to the desired dopant content in the layer the gases are then mixed and passed through a nozzle ending Supply pipe guided onto the substrate to be coated, which is then appropriately focused Laser beam across its entire width to that required for the pyrolysis process has been heated to a high temperature. The substrate to be coated was under the fixed Gas supply nozzle and the fixed laser focusing optics at one speed of about 25mm / sec. moved through. After the substrate surface has been completely coated With this first layer, the laser radiation was now so focused that through the laser radiation hitting the substrate surface is only about one eighth of the available for coating to the width required for pyrolysis Temperature could be heated. Beginning at the edge of the coating area a first web 61 (Figure 12) having essentially the same composition as the underlying first layer 60 is applied. Parallel to this first train 61 running and the underlying layer 60 became more and more covering then, next to each other, six strips made of a material with a different composition manufactured. In addition to the basic substance silicon dioxide, the tracks also contained an oxygen compound of phosphorus. This was achieved in a simple manner in that the carrier gas instead of boron tribromide, the compound phosphorus oxychloride (POCl) was added.

Nach Fertigstellung dieser sechs Phosphoroxid enthaltenden Bahnen 62 wurde eine diese Bahnen 62 seitlich begrenzende weitere Bahn 61' aufgebracht, die die darunterliegende Schicht 60 nun vollständig bedeckte und die wiederum eine Sauerstoffverbindung des Bors als Dotierungsmittelanteil enthielt. Bei Abscheiden dieser die erste Schicht 60 bedeckenden Bahnen 61, 62, 61' wurde das Substrat 70 " mit einer Geschwindigkeit von etwa 100mm/sec. unter der Gaszuführungsdüse und der Fokussierungsoptik für den Laserstrahl hindurchbewegt.After completing these six phosphorous oxide-containing webs 62 became one of these tracks 62 laterally delimiting further track 61 'applied, which now completely covered the underlying layer 60 and which in turn contained an oxygen compound of boron as a dopant component. When these webs 61, 62, 61 'covering the first layer 60 were deposited the substrate 70 "at a speed of about 100mm / sec. under the gas supply nozzle and the focusing optics for the laser beam moved through.

Der zuvor beschriebene Beschichtungszyklus wurde etwa dreißigmal wiederholt. Daraufhin wurde der Laserstrahl wiederum so fokussiert, daß er die gesamte zu beschichtende Breite der zuvor auf dem Substrat 70 " zuletzt erzeugten Schicht gleichmäßig auf die für die Reaktion erforderliche Temperatur aufheizte. Vbereinanderliegend wurden sodann zehn Schichten mit einer der zuerst aufgebrachten Schicht 60 entsprechenden Materialzusammensetzung niedergeschlagen. Die Gesamtdicke der vorstehend beschriebenen Schichtstruktur betrug etwa 0,5mm. Nach Fertigstellung des Schichtaufbaus wurde die zweite Zylinderhälfte 70' mit ihrer durch den Trennvorgang erzeugten ebenen Fläche auf die zuletzt auf dem Substrat 70 " abgeschiedene Schicht der Schichtenfolge gelegt. Es entstand dabei ein im wesentlichen kreiszylinderförmiges Gebilde, bestehend aus zwei Zylinderhä)ften 70', 70 " , die einen aus einer Anzahl von Schichten bestehenden Schichtaufbau zwischen sich einschlossen.The coating cycle described above was repeated about thirty times. The laser beam was then focused again so that it covered the entire area to be coated Width of the layer previously produced last on the substrate 70 ″ evenly heated up the temperature required for the reaction. Were superimposed then ten layers with one corresponding to the layer 60 applied first Material composition down. The total thickness of those described above Layer structure was about 0.5mm. After completion of the layer structure was the second cylinder half 70 'with its plane generated by the cutting process Surface on the layer of the layer sequence that was last deposited on the substrate 70 ″ placed. A substantially circular cylindrical structure was created, consisting of two cylinder halves 70 ', 70 ", one consisting of a number of layers Layer structure enclosed between them.

Diese Stab anordnung wurde anschließend in einer Faserziehmaschine erhitzt und zu einem optischen Wellenleiter von etwa 120 Mikrometer Durchmesser ausgezogen. In einem in der Querschnittsfläche eines solchen Lichtleiters liegenden Koordinatensystem erstreckte der Phosphor enthaltende innere Bereich des Schichtaufbaus sich in der einen Achsenrichtung über etwa 60 Mikrometer und in der anderen Achsenrichtung über etwa 6 Mikrometer Umgeben war dieser phosphordotierte Bereich von einem ebenfalls durch Aufwachsen hergestellten, bordotierten Mantelbereich, der an seiner dicksten Stelle etwa 10 Mikrometer und an seiner dünnsten Stelle etwa 2 Mikrometer maß. Einen zusätzlichen Schutz für diese optisch wirksame Struktur boten die aus den ZyliSErhälften 70', 70'' entstandenen Mantelbereiche XIa Figur 11 ist dargestellt, wie die anhand von Figur 4 schon beschriebene Beschichtungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine rationellere Lichtleiterfertigung vorteilhaft ausgebildet werden kann.This rod arrangement was then in a fiber drawing machine heated and formed into an optical waveguide approximately 120 micrometers in diameter moved out. In one lying in the cross-sectional area of such a light guide The coordinate system extended the phosphorus-containing inner area of the layer structure about 60 microns in one axial direction and over about 60 micrometers in the other axial direction Surrounding this phosphorus-doped area was about 6 micrometers as well Boron-doped cladding area produced by growth, which is at its thickest Measured about 10 microns in place and about 2 microns at its thinnest point. A The two halves of the cylinder offered additional protection for this visually effective structure 70 ', 70' 'resulting cladding areas XIa FIG. 11 is shown like the one based on Coating device already described by FIG. 4 for carrying out the inventive method Method for a more efficient light guide production are advantageously designed can.

Statt einer einzigen Gaszuführungsdüse 19 (Figur 4) werden nebeneinanderliegend mehrere Düsen 75 vorgesehen, in Figur 11 sind vier dargestellt, die jeweils über einen eigenen Zuführungsanschiuß mit Beschichtungsgas beschickbar sind. Jeder Düse kann so ein anderes Gasgemisch zugeführt werden. Auf diese Weise kann auf der Oberfläche eines Substrats 10 in einem Arbeitsgang eine Schicht 76 mit von der Breite b abhängiger unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt werden.Instead of a single gas supply nozzle 19 (Figure 4) are adjacent several nozzles 75 are provided, in Figure 11 four are shown, each over their own supply connection can be charged with coating gas. Every nozzle a different gas mixture can be fed in this way. That way can be on the surface of a substrate 10, in one operation, a layer 76 with a dependent on the width b different composition can be produced.

Die Substratoberfläche wird dabei zweckmäßig in -inem sich über ihre gesamte Breite erstreckenden Bereich 79 auf die für die pyrolytische Abscheidung erforderliche Temperatur aufgeheizt. Dies wird zweckmäßig dadurch erreicht, deß die Laserstrahlung 78 durch eine mit 77 bezeichnete Zyliriderlinse oder einem Zylinderspiegel auf diesen Bereich fokussiert wird.The substrate surface is expedient in -inem about their entire width extending area 79 to that for the pyrolytic deposition required temperature heated. This is expediently achieved by deß the laser radiation 78 through a cylinder lens designated 77 or a cylinder mirror is focused on this area.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n 5 p rii c h e ö Process for the production of a multilayer optical waveguide, characterized in that by applying optically effective layers on a surface of an optically inactive substrate body First a preform is produced, which is then reduced in cross-section is pulled out to a thread-like light guide.

2. The method according to claim 1, characterized in that the substrate body a circular cylinder-shaped rod is used, and that the optically effective Layer structure consists of at least two superimposed layers that Running parallel to the longitudinal axis of the rod, the jacket surface of the rod is only approximately cover on half of its circumference.

3. The method according to claim 28, characterized in that the optically effective layer structure is formed from three superimposed layers.

4. Process according to claims 1 to 3, characterized in that the layers symmetrical to a cutting plane containing the diameter of the rod be formed that the lines connecting the points of maximum layer thickness in this Cutting plane lie, and that the thickness of the layers on both sides the cutting plane slopes down evenly.

5. The method according to claims 1, 3 and 4, characterized in that that opposite one another on the outer surface of the rod, two layer structures are generated, each of the lateral surface of the rod only about half of the Cover perimeter.

6. The method according to claim 2, characterized in that the substrate body a rod made of quartz glass is used that the first applied thereon Layer consists of a quartz glass containing dopant components, and that the second layer covering the first layer consists in turn of pure quartz glass.

7. The method according to claim 3, characterized in that the substrate body a rod made of quartz glass is used that the on its outer surface applied first layer of the multilayer waveguide made of pure quartz glass consists in that the second layer covering this first layer consists of a dopant component containing quartz glass, and that in turn as the third layer of the waveguide pure quartz glass is used.

8 Method of manufacturing a multilayer optical waveguide according to claim 1, characterized by the following process steps: a circular cylinder formed quartz glass rod is separated along its longitudinal axis in such a way that two identically designed half-cylinders are created, which form the separating surfaces of the two half-cylinders Edging edges are chamfered, the separating surfaces of both half cylinders are polished and cleaned on the flat parting surface of one of the half cylinders a multilayer optical waveguide is applied, with its flat separating surface the second half cylinder is placed on the top layer of the optical waveguide placed in such a way that both half-cylinders enclose the layer structure between them, the assembly is heated to a temperature suitable for drawing out and becomes a thin thread pulled out.

9. The method according to claim 8, characterized in that on the flat substrate surface of a first half cylinder made of quartz glass (70 ") a first quartz glass layer is applied, which is homogeneously distributed over the refractive index reducing dopant contains further layers on top of this layer are applied, which consist of quartz glass, which shares from the edge to the center one or more dopant substances are added in such a way that the refractive index from the edge of these layers to their center rises that this layer structure is covered with a layer that consists of pure quartz glass, the one the Refractive index reducing dopant is added.

10. The method according to claim 9, characterized in that as a the refractive index reducing dopant is an oxygen compound of the Boron, and that as a refractive index increasing dopant an oxygen compound of phosphorus is used.