DE2623989B2 - Monomode-Lichtleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen dielektrischen Monomode-Lichtleiter mit geringer Dämpfung.

Unter einem Monomode-Lichtleiter versteht man einen Lichtleiter, in dem vorzugsweise nur eine einzige Wellenform oder »Mode« des elektrischen Feldes ausbreitungsfähig ist

Ein Lichtleiter mit derartigen Eigenschaften besteht üblicherweise aus einem Kembereich und einen diesen Kernbereich konzentrisch umgebenden Mantelbereich. Zwischen Kern- und Mantelbereich besteht ein Brechzahlunterschied, und zwar derart, daß der Mantelbereich eine geringere Brechzahl hat als der Kernbereich. Der Durchmesser des Kernbereichs eines solchen Monomode-Lichtleiters liegt etwa in der Größenordnung der zu übertragenden Lichtwellenlänge.

Als Grundmaterial für die Herstellung sowohl des Kern- als auch des Mantelbereichs eines solchen Lichtleiters wird wegen seiner hervorragenden optischen Eigenschaften bevorzugt Quarzglas verwendet. Der für die Lichtführungseigenschaften notwendige Brechzahlunterschied zwischen Kern- und Mantelbereich wird durch Hinzufügen geeigneter Dotierungsmittelsubstanzen eingestellt.

Es ist bereits ein Lichtleiter bekannt, dessen Kernbereich aus reinstem Quarzglas besteht. Da reines Quarzglas bekanntermaßen eine sehr niedrige Brechzahl hat, bereitet es Schwierigkeiten, einen Mantelbereich mit noch niedrigerer Brechzahl herzustellen. Die Auswahl an dafür geeigneten Dotierungsmittelsubstanzen ist gering. Meist werden für diesen Zweck Verbindungen der Elemente Bor oder Fluor verwendet. Die Herstellung eines solchen Lichtleiters ist relativ schwierig, weil für die Verarbeitung von reinem Quarzglas bekanntermaßen sehr hohe Temperaturen in der Größenordnung von 2000⁰C erforderlich sind.

Weiterhin ist ein Lichtleiter bekannt, bei dem entweder nur der Kernbereich oder der Kernbereich und in geringerem Maße der Mantelbereich eine gleichartige Dotierungssubstanz oder mehrere Dotierungssubstanzen enthalten. Durch die Dotierungsmittelanteile soll einerseits die für die Lichtführung erforderliche Brechzahldifferenz zwischen Kern- und Mantelbereich eingestellt werden; andererseits ergibt sich zusätzlich der Vorteil, daß solches Dotierungsmittel enthaltendes Quarzglas bei niedrigeren Temperaturen verarbeitbar ist als völlig reines Quarzglas. Als Dotierungsmittel werden dabei Substanzen verwendet, die zwar die Brechzahl des Quarzglases verändern, jedoch die Lichtübertragungseigenschaften des Quarzglases möglichst wenig in nachteiliger Weise beeinflussen. Insbesondere soll das Dotierungsmittel nicht zu einem Anstieg der Absorption führen. Wie aus den Druckschriften Proc. IEEE, vol. 62, pp. 1280—1281, Sept. 1974, und Electron. Lett, voL 10, pp. 289—290, July 25, 1974, bekannt ist, werden deshalb als Dotierungsmittel Sauerstoffverbindungen der Elemente Phosphor oder Germanium gewählt Diese Verbindungen sind bei hohen Temperaturen relativ leichtflüchtig, so daß sie bei der Herstellung der Lichtleiter, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird, relativ leicht verdampfen können. Dadurch verändert sich in unerwünschter Weise der über dem

-Ή Durchmesser des Lichtleiters aufgetragene Brechzahlverlauf.

Aus der DE-OS 25 24 335 ist ein Lichtleiter bekannt dessen Xernbereich ein erstes Dotierungsmittel enthält, welches die Brechzahl erhöht, und dessen Mantelbe-

-'"> reich das erste Dotierungsmittel in geringer Konzentration enthält und ggf. ein die Brechzahl erniedrigendes zweites Dotierungsmittel aufweist.

Nachteilig macht sich jedoch noch eine nicht vermeidbare Diffusion des im Kernbereich enthaltenen

jo leichtflüchtigen Dotierungsmittels in den Mantelbereich bemerkbar. Dadurch wird nämlich das für die Lichtführung an sich angestrebte stufenförmig zwischen Kern- und Mantelbereich abfallende Brechzahlprofil abgeflacht In vielen Fällen kann so nur eine Monomode-Lichtleitung mit sehr hoher Dämpfung erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtleiter anzugeben, der nicht mit den vorstehend geschilderten Nachteilen behaftet ist und der infolge

4(i seiner Monomode-Lichtleitungseigenschaften zu einer sehr breitbandigen Übertragung optischer Signale geeignet ist

Ausgehend von einem dielektrischen Monomode-Lichtleiter mit aus Quarzglas und Dotierungsmittelan-

4> teilen bestehenden Kern- und Mantelbereichen, wobei Kern- und Mantelbereich ein erstes, die Brechzahl erhöhendes Dotierungsmittel wie z. B. Phosphor- oder Germaniumoxid enthalten, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste, die

w Brechzahl erhöhende Dotierungsmittel im Kern- und Mantelbereich in gleicher Konzentration vorliegt und daß ausschließlich der Mantelbereich des Lichtleiters zusätzlich als ein die Brechzahl erniedrigendes weiteres Dotierungsmittel Boroxid enthält

« Die Herstellung des erfindungsgemäßen Lichtleiters wird nachfolgend erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Dabei zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt eines innenbeschichteten Trägerrohrs,

t>o Fig.2 den Querschnitt einer daraus hergestellten Kern-Mantelfaser,

F i g. 3 eine Kurve, die das Dämpfungsverhalten als Funktion der Wellenlänge darstellt.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Lichtleiters

b5 erfolgt in einem an sich bekannten Verfahren in der Weise, daß zunächst eine sog. »preform« oder Vorform hergestellt wird, die aus einem Trägerrohr besteht, auf dessen Innenwandung Schichten aufgebracht sind. In

einem weiteren Schritt des Herstellungsverfahrens wird diese Vorform sodann erhitzt und zu einer Kern-Mantelfaser ausgezogen.

Ein Querschnitt durch eine derartige Vorform ist in F i g. 1 dargestellt Mit 10 ist dabei das eigentliche Trägerrohr bezeichnet, auf dessen Innenwandung übereinanderliegende Schichten U und 12 aufgebracht sind. Durch Erhitzen dieser Vorform und Ausziehen in einer Faserz'iehmaschine entsteht eine Kern-Mantelfaser, die in F i g. 2 im Querschnitt dargestellt ist. Beim Ausziehvorgang fällt die zuletzt auf der !nnenwandung des Trägerrohrs (Fig. 1) aufgebrachte Schicht 12 zusammen, so daß der mit 12' bezeichnete Kernbereich des Lichtleiters gebildet wird. Aus der Schicht U entsteht der den Kernbereich 12' konzentrisch umgebende Mantelbereich 11'. Die beim fertiggestellten Lichtleiter ebenfalls noch vorhandenen Bestandteile 10' Jes ursprünglichen Trägerrohrs 10, die Kern- und Mantelbereich des Lichtleiters ebenfalls konzentrisch umfassen, verleihen dem fertigen Lichtleiter im wesentlichen eine ausreichende mechanische Stabilität Für die eigentliche Lichtleitung sind dagegen Kernbereich 12* und Mantelbereich 11' des Lichtleiters maßgebend. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde folgendermaßen hergestellt Auf die Innenwandung eines als Trägerrohr verwendeten Quarzglasrohrs mit 11 mm Außendurchmesser und 1,5 mm Wandstärke wurden nach dem CVD-Verfahren (chemical vapor deposition) Schichten abgeschieden. Dazu wurden über ein Trägergas Reaktionsgase in das Rohrinnere geleitet, während ein das Trägerrohr lediglich stückweise koaxial umfassender Graphitofen entlang der Längsachse des Trägerrohrs hin- und hergeführt wurde und dabei das Rohrinnere auf die für die Reaktion erforderliche Temperatur eritzte. Als Trägergas wurde Sauerstoff verwendet, der mit den Reaktionsgasen Siliciumtetrachiorid (SiCU), Bortribromid (BBn) und Phosphoroxychlorid (POCI3) gesättigt wurde, indem er durch mit diesen Substanzen gefüllte Waschflaschen geleitet wurde. Die Waschflaschen waren bei etwa 16° C thermostatisiert. Die zunächt auf die Innenwandung des Trägerrohrs 10 aufgebrachte Schicht 11 (F i g. 1), die im fertiggestellten Lichtleiter die Mantelschicht 11' (F i g. 2) bildet, wurde durch sukzessives Aufbringen von zehn übereinanderliegenden Schichten hergestellt. Diese Schichten bestanden aus Quarzglas, dem Dotierungsmittelanteile beigefügt waren. Die Konzentration der jeweiligen Dotierungsmiltel wurde über die Durchflußmengen des durch die jeweiligen Waschflaschen hindurchtretenden Trägergases eingestellt. Durch die SiCU enthaltende Waschflasche wurde Sauerstoffgas in einer Menge von etwa 7,5 l/h hindurchgeleitet Durch die die erste Dotierungssubstanz BBn enthaltende Waschflasche wurde Trägergas in einer Menge von etwa 9,0 l/h hindurchgeleitet während durch die die zweite Dotierungssubstanz POCb enthaltende Waschflasche Trägergas mit einer Durchflußrate von etwa 1,8 l/h hindurchströmte. Nach insgesamt zehn Beschich· tungsgängen war die Schicht 11 (Fig. 1) fertiggestellt. Die Verbindung zu der ΒΒΓ3 enthaltenden Waschflasche wurde unterbrochen; die Durchflußrate des Trägergases durch die beiden anderen Waschflaschen wurde auf folgende Werte eingestellt: SiCU etwa 5,0 l/h; PoCl₃ etwa 1,2 l/h, so daß das bei der Beschichtung des Mantels vorliegende Verhältnis Trägergas SiCU/Trägergas POCL3 konstant blieb. Auf die zuvor aus zehn Teilschichten bestehende Schicht 11 wurde sodann in einem einzigen Durchgang eine einzige dünne Schicht 12 aus Kernmaterial aufgetragen, die lediglich eine Phosphorverbindung als Dotiermittel enthielt Das gleiche Dotiermittel war bereits in der den Mantelbereich des Lichtleiters bildenden Schicht 11 eingelagert. Zusätzlich und ausschließlich war in dieser Mantelschicht U, wie zuvor beschrieben, eine Borverbindung als Dotiermittel abgelagert worden.

Gute Lichtübertragungseigenschaften wurden erreicht mit einer Konzentration an Phosphor- oder Germaniumoxid im Kern- und Mantelbereich zwischen 0,2 und maximal 2 Gewichtsprozent Die Konzentration des weiteren Dotiermittels Boroxid (B2O3) im Mantelbereich des Lichtleiters ist so zu wählen, daß sich der für die Monomode-Lichtleitung erforderliche Brechungsindexunterschied zum Kernbereich ergibt.

Im vorerwähnten Beispiel waren dafür etwa 16 Gewichtsprozent Boroxid notwendig.

In einer Faserziehmaschine wurde das beschichtete Trägerrohr erhitzt und zu einer Lichtleitfaser von etwa 120 Mikrometer 0 ausgezogen.

Die an einem solchen Lichtleiter ermittelten Dämpfungswerte sind als Funktion der Wellenlänge in F i g. 3 dargestellt (Kurve B) Es konnten niedrige Dämpfungswerte über einen relativ breiten Längenbereich gemessen werden, der auch die für die optische Nachrichtenübertragung interessierenden Wellenlängen einschloß. Zum Vergleich ist in Kurve A der Dämpfungsverlauf eines weiteren Lichtleiters dargestellt, der im wesentlichen nach dem gleichen Verfahren wie der erfindungsgemäße Lichtleiter hergestellt worden war, bei dem jedoch der Kernbereich ausschließlich eine Phosphorverbindung und der Mantelbereich ausschließlich eine Borverbindung als Dotierungsmittel enthielt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Dielektrischer Monomode-Lichtleiter mit aus Quarzglas und Dotierungsmittelanteilen bestehenden Kern- und Mantelbereichen, wobei Kern- und Mantelbereich ein erstes, die Brechzahl erhöhendes Dotierungsmittel wie z. B. Phosphor- oder Germaniumoxid enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, die Brechzahl erhöhende Dotierungsmittel im Kern- und Mantelbereich in gleicher Konzentration vorliegt und daß ausschließlich der Mantelbereich des Lichtleiters zusätzlich als ein die Brechzahl erniedrigendes weiteres Dotierungsmittel Boroxid enthält.

2. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß Kern- und Mantelbereich Phosphoroder Germaniumoxid als erstes Dotiermittel enthalten.

3. Lichtleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Konzentratton des im Kern- und Mantelbereich enthaltenen ersten Dotiermittels zwischen OJ und 2 Gewichtsprozent liegt