DE2628560A1

DE2628560A1 - Verfahren zur herstellung optischer fasern aus glas

Info

Publication number: DE2628560A1
Application number: DE19762628560
Authority: DE
Inventors: John Irven
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1975-07-04
Filing date: 1976-06-25
Publication date: 1977-01-27
Also published as: CH601811A5; AU503209B2; NL7606749A; ES449517A1; FR2316198A1; GB1550820A; FR2316198B1; AU1543976A; IT1064094B

Description

Patentanwalt
Dipl.-Phys. Leo Thul
Postfach 300 929
7000 Stuttgart-Feuerbach

J. Irven 9

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, New York

Verfahren zur Herstellung optischer Fasern aus Glas

Die Priorität der Anmeldung 28396/75 vom 4. Juli 1975 in Großbritannien wird beansprucht.

Die Erfindung betrifft die Herstellung von optischen Fasern aus Glas.

Ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung einer mehrteiligen Glasfaser mit niedrigem Verlust erfordert das Ziehen der Faser aus einem doppelten Schmelztiegel, dessen innerer Tiegel mit dem Kernglas beladen ist und dessen äußerer Tiegel mit dem Hüllglas gefüllt ist. Die Verunreinigung der Schmelzen ist üblicherweise der Faktor, der die optimale Durchlässigkeit der nach diesem

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21. Juni 1976 Dr.Rl/sp

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Verfahren hergestellten Faser beschränkt. Wegen des hohen Schmelzpunktes von Siliciumdioxid (Quarz) eignet sich dieses Verfahren auch nicht zur Herstellung einer Faser aus Quarz. Zur Herstellung einer Faser aus geschmolzenem SiO- wird ein anderes Verfahren offenbart, welches die Ablagerung von Dampf aus dotiertem SiO- in der Bohrung einer Röhre aus geschmolzenem SiO- zum Inhalt hat. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, daß das Kernglas in Situ hergestellt wird und in weitgehend reiner Form erzeugt werden kann. Es hat jedoch den Nachteil, daß die numerische öffnung und das Verhältnis von Kern zu Hülle bei der resultierenden Faser im Vergleich mit einer mehrteiligen Glasfaser, die durch das erstgenannte Verfahren erhalten wird, beschränkt ist. Der Hauptgrund hierfür liegt darin, daß die Dotierkonzentration für die abgeschiedene Schicht im Vergleich zur Dicke dieser beschränkt werden muß, um eine zu große Fehlabweichung in der thermischen Expansion zwischen dem dotierten Material der abgeschiedenen Schicht und der darunterliegenden Quarzröhre zu vermeiden. Reines geschmolzenes Siliciumdioxid besitzt eine verhältnismäßig geringe thermische Expansion im Vergleich zu den meisten anderen Glassystemen und eine zu große Abweichung schafft Probleme hinsichtlich des Zerbrechens.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern aus Glas geschaffen, bei dem die Führungsschicht oder die Schichten der Faser, welche die optische Energie leiten, durch eine chemische Dampfablagerung in der Bohrung eines selbsttragenden röhrenförmigen mehrteiligen Glassubstrates abgeschieden wird, das anschließend nach dem Zusammenfallen zu einer Faser ausgezogen wird.

Vorzugsweise wird das selbsttragende röhrenförmige Substrat aus Borsilikatglas mit hohem Quarzanteil und einer Erweichungstemperatur von 1200 bis 1300 ⁰C hergestellt, da dieses die Abscheidung

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der Ablagerungsschicht durch eine von vielen möglichen Oxydationsreaktionen gestattet. Charakteristischerweise enthalten diese Gläser mit hohem Quarzgehalt ca. 96 % SiO₂ und können dadurch hergestellt werden, daß ein Borsilikatglas von niedrigem Erweichungspunkt und einem von Anfang an hohen SiO_?-Gehalt einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um eine Phasentrennung in zwei kontinuierliche Phasen zu bewirken, von denen die eine einen hohen Erweichungspunkt aufweist und reich an SiO„ ist, und von denen die andere einen tieferen Erweichungspunkt besitzt und reich an Natriumborat ist. Die zweite Phase wird abgetrennt und der Rückstand zur Konsolidierung wärmebehandelt. Das nach diesem Verfahren hergestellte Glas besitzt einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Quarz. Durch Dotieren des oben genannten Rückstandes kann der Ausdehnungskoeffizient verstärkt werden, wobei man allerdings eine verringerte Erweichungstemperatur in Kauf nehmen muß. Der Rückstand ist porös und da er ein Salz ist, insbesondere ein Carbonat oder Nitrat, kann man ihn aus der Lösung auskristallisieren lassen. Die Verfestigungsbehandlung wandelt zuerst dieses Salz in ein Oxid um, das sich dann in das Glas einarbeiten läßt.

Wird nur eine Schicht abgelagert, so ist dies eine Schicht mit hohem Brechungsindex, die das Kernmaterial der fertigen optischen Faser bildet, während das Substrat die Hülle mit dem niedrigeren Brechungsindex erzeugt. Für gewöhnlich zieht man es jedoch vor, eine erste Hüllschicht mit niedrigem Brechungsindex abzuscheiden und dann die Schicht des Kernglases. Ein Grund hierfür liegt darin, daß die abgeschiedene Hüllschicht gewöhnlich mit geringeren optischen Verlusten hergestellt werden kann als das Substratmaterial. Ein zweiter Grund ist der, daß die Hüllschicht aus einem Material hergestellt werden kann, das einen geringeren Brechungsindex besitzt als das Substratmaterial und in manchen Fällen kann dies die Herstellung einer Faser mit einer höheren numerischen öffnung ermöglichen.

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In der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, die den Querschnitt durch das Substrat nach Ablagerung von zwei Schichten in der Bohrung zeigt.

In einer bevorzugten Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung wird ein ca. 100 cm langes Rohr 1 mit einer Bohrung von 10 mm als Substrat benutzt, auf dem aus der Gasphase zwei Schichten 2 und 3 abgeschieden werden. Das Rohr, das aus dem verfestigten ausgelaugten Glas mit hohem Quarzanteil hergestellt ist, wird zunächst auf ca. 1000 ⁰C erhitzt, um noch irgendwelche Reste an flüchtigen Stoffen auszutreiben. Dann wird die Schicht 2 aus Glas mit niedrigerem Brechungsindex, aber weitgehend übereinstimmenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Bohrung abgeschieden. Die gewählte Ablagerungsreaktion ist eine thermisch induzierte Oxydationsreaktion, bei der Wasserstoff und seine Verbindungen ausgeschlossen sind, so daß die Bildung von -OH-Gruppen in der abgeschiedenen Schicht vermieden wird, da diese bei einer Vielzahl von Anwendungen im Hinblick auf die optischen Absorptionsbande, die sie erzeugen, unerwünscht sind. Getrennte Gasströme von trockenem Sauerstoff läßt man durch Siliciumtetrachlorxd, Bortribromid und Arsentrichlorid mit Durchströmungsraten von 100 ml/min, 50 ml/min und 10 ml/min bei Raumtemperatur hindurchperlen. Die Gasströme werden gemischt und passieren dann das Ablagerungsrohr, wo sie unter Bildung einer glasartigen Ablagerung von Quarz, dotiert mit Oxiden von Bor und Arsen, reagieren. Diese Reaktion ist auf die heiße Zone eines kurzen Ofens beschränkt, der das Rohr umgibt und langsam wiederholt über die ganze Länge des Rohres bewegt wird, um eine einheitliche Beschichtung zu gewährleisten. Diese Reaktion kann durch Aufheizen des Rohres auf eine Temperatur von 1000 bis 1200 ⁰C bewirkt werden. Sobald sich eine ausreichende Stärke aufgebaut hat, charakteristischerweise von ca. 100 μπι, wird die Schicht 3 mit höherem Bre-

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chungsindex unter Anwendung ähnlicher Temperaturen durch eine ähnliche Reaktion abgeschieden. Bei dieser zweiten Reaktion sind zwei weitere Gasströme von trockenem Sauerstoff erforderlich, einer mit einer Durchströmungsrate von 10 ml/min durch Phosphoroxidchlorid und der andere mit einer Rate von 50 ml/min durch Germaniumtetrachlorid. Das Germaniumtetrachlorid wird auf Raumtemperatur gehalten, das Phosphoroxidchlorid wird jedoch vorzugsweise auf 50 ⁰C erwärmt. Die Durchströmungsraten durch Siliciumtetrachlorid und Arsentrichlorid bleiben unverändert, die bei Bortribromid wird auf 20 ml/min verringert. Die Bildung der Schicht 3, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizient hat, der im wesentlichen mit der darunterliegenden Schicht 2 übereinstimmt, ist beendet, wenn die Stärke der Schicht zwischen 100 und 200 μΐη liegt.

Ein Vorteil der Einarbeitung von Oxiden von Bor, Arsen und Phosphor in die abgelagerten Schichten besteht darin, daß diese Oxide dazu beitragen, sowohl die Oxydationsreaktionstemperatur zu reduzieren wie auch die Temperatur, bei der das Reaktionsprodukt eher als eine glasige als eine teilchenförmige Schicht abgelagert wird.

Nach Abscheidung der zwei Schichten wird das Rohr aus der Vorrichtung entfernt und auf einer Drehvorrichtung befestigt. Es wird dann in Rotation versetzt, während eine heiße Zone, die durch eine Flamme oder einen Ofen erzeugt wird, dem Rohr entlang wandert und dafür sorgt, daß die Bohrung zusammenfällt. Die daraus resultierende Vorstufe einer optischen Faser wird dann aus der Drehvorrichtung entfernt und in ein Ziehgerät gebracht, in dem sie zu einer Faser ausgezogen wird.

Es ist zu erkennen, daß die Erfindung nicht nur auf die herkömmliche Kern/Hülle-Ausbildung von optischen Fasern anwendbar ist,

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sondern auch auf besondere Ausbildungsformen, wie z. B. die optischen Hohlleiterkonfigurationen von optischen Fasern des W- und O-Typs und Formen mit stetigem Verl aif der Brechungsindizes. Im Falle der Herstellung einer Faser mit stetigem Verlauf des Brechungsindexes werden die Mengenverhältnisse der Reagenzien zwischen jeder Traverse geändert, während das Material abgelagert wird, das zur Ausbildung eines Brechungsindexprofiles mit radial stetigem Verlauf erforderlich ist.

7 Patentansprüche
1 Blatt Zeichnung
mit 1 Figur

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Claims

J. Irven 9 Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser aus Glas, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht oder die Schichten der Faser, welche die optische Energie weiterleiten, durch eine chemische Dampfabscheidung in der Bohrung eines selbsttragenden röhrenförmigen Mehrkomponentenglassubstrats erzeugt werden, das anschließend nach dem Zusammenfallen zu einer Faser ausgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das röhrenförmige Substrat nach einem Verfahren hergestellt wird, welches die folgenden Schritte beinhaltet: Behandlung von Borsilikatglas mit ursprünglich hohem Siliciumdioxidgehalt zur Erzielung einer Phasentrennung in zwei kontinuierliche Phasen, wobei die erste Phase einen hohen Erweichungspunkt besitzt und reich an Siliciumdioxid ist und die zweite Phase einen niedrigeren Erweichungspunkt aufweist und reich an Natriumborat ist, Entfernen der zweiten Phase und Hitzebehandlung der verbleibenden ersten Phase zu deren Verfestigung.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Entfernung der zweiten Phase und vor der Hitzebehandlung ein Salz in den in der ersten Phase ausgebildeten Poren auskristallisieren gelassen wird, das durch die nachfolgende Hitzebehandlung in ein Oxid verwandelt und danach in das Material des röhrenförmigen Substrates eingebaut wird.

4. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folge von Schichten in der Bohrung abgelagert wird, deren Zusammensetzung einen stetigen Verlauf

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besitzt, so daß die ausgezogene Faser eine Gradientenfaser ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die abgelagerte Schicht oder die abgelagerten Schichten dergestalt sind, daß die ausgezogene Faser eine Faser mit Stufen im Brechungsindex ist.

6. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablagerungsreaktion zur Erzeugung von mindestens einer der Schichten eine Cxydationsreaktion ist, bei der Wasserstoff und wasserstoffenthaltende Verbindungen ausgeschlossen sind.

7. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablagerungsreaktion eine Reaktion zur Erzeugung von Siliciumdioxid ist, das mit einem oder mehreren Oxiden der Elemente wie Bor, Arsen, Phosphor und Germanium dotiert ist.

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