DE2632689A1

DE2632689A1 - Optischer wellenleiter

Info

Publication number: DE2632689A1
Application number: DE19762632689
Authority: DE
Inventors: Ishwar Dayal Aggarwal; Eric Nils Randall
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1975-09-08
Filing date: 1976-07-21
Publication date: 1977-03-17
Also published as: AT346103B; JPS57170836A; CA1268971A; FR2323161B1; FR2323161A1; US4339173A; JPS6124348B2; DE2660697C2; DE2632689C2; GB1521826A; HK56581A; JPS5233546A; ATA645876A

Description

Die Erfindung "betrifft als optische Wellenleiter geeignete Glasfasern, welche P₃O₅ und GeO₂ enthalten.

Pur die zukünftigen Nachrichtenübertragungssysteme sind wegen der steigenden Besetzung optische Wellenleiter im Prequenzbe-

reich von etwa 10 Hertz von steigendem Interesse. Sie 'bestehen grundsätzlich aus einem Kern und einem Mantel mit niedrigerem Brechungsindex, n^, als der des Kerns n,.

Beschichtete Pasern wurden, bereits zur Übertragung auf kürzere Strecken verwandt, deren numerische Öffnungsweite oder Apertur (NA) als Maß der lichtsammelnden Pähigkeit der Paser annähernd definiert werden kann als

NA = ^2ηΔ~ (1)

wobei η den durchschnittlichen Brechungsindex von Kern und Mantel und Δ die Brechungsdifferenz von Kern und Mantel "bezeichnet. In gewöhnlichen optischen Pasern wird Δ hoch gewählt, damit auch NA groß ist und die Paser eine möglichst große Menge des von der Lichtquelle ausgesendeten Lichts aufnimmt.

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Für die Nachrichtenübertragung sind diese Fasern ungeeignet, weil sie eine viel zu hohe Dämpfung infolge von Streuung und Absorption durch. Verunreinigungen aufweisen. Sie müssen daher aus sehr reinem Glas hergestellt werden. Dies kann z.B. durch Flammhydrolyse nach den US-PS 3,711,262, 3,737,292, 3,737,293, 3,826,560 (im letzteren Falle als Gradientenfaser) erfolgen.

Aus einer Reihe von Gründen wurde der Wert Λ in optischen Wellenleitern verhältnismäßig niedrig gehalten. Optische Wellenleiter mit niedrigen Verlusten bestehen meist aus sehr reinem Glas, insbesondere reiner Kieselsäure, versetzt mit einer die Brechungsdifferenz einstellenden Dotierung. Bei der Herstellung durch Flammhydrolyse wurden hierzu bisher meist mehrwertige Oxide verwandt, wie Titanoxid, Tantaloxid und dergleichen, das nach oben auf etwa 15 Gew. % begrenzt werden mußte, weil durch zu hohe Dotierung die an sich sehr geringe Dämpfung der Kieselsäure infolge von Absorption und innerer Streuung wieder verschlechtert wird.

Zwar kann der Brechungsindex des SiOp Glases auch durch Zusatz von Germaniumoxid erhöht werden, das gleichzeitig sehr geringe Absorption und innere Streuung verursacht. Versuche, größere Mengen von Germaniumoxid z.B. durch Flammhydrolyse einzuführen, blieben aber erfolglos, weil selbst bei großer Mengenzufuhr z.B. von Germaniumtetrachlorid in die zu hydrolisierende Mischung unweigerlich weniger als 1 Gew. % Germaniumoxid in dem Faserglas

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erschienen. Eine theoretische Erklärung kann in der hohen Flammentemperatur und der Ofentemperatur von 1750 - 1850 C gesucht werden, die das Germaniumoxid -verflüchtigen, anstatt es zu verglasen. Die verfügbaren Dampfdruckwerte bestätigen dies. Ein Weg zur Herstellung von Gläsern mit bis zu 100 % Germaniumoxid beschreibt die gleichlaufende Anmeldung P 2364803.5-45. Hiernach werden durch Plammhydrolyse die Oxidpartikel als poröse Vorform niedergeschlagen und zu einem unporösen festen Körper konsolidiert. Dabei darf die Temperatur 1600°G nicht überschreiten und soll während der Konsolidation in einem Bereich zwischen der Mindestkonsolidationstemperatur des Glases und 200⁰G über derselben liegen.

Wird nun die Verfahrenstemperatur unter der Verflüchtigungstemperatur von GeO₂ gehalten, so lassen sich optische Wellenleiterfasern mit einem mit Germaniumoxid dotierten Kern herstellen, jedoch bleibt die numerische Apertur auf höchstens 0,2 beschränkt, weil infolge der unterschiedlichen Eigenschaften von Kern und Mantel, insbesondere verschiedene Wärmedehnung und Erweichungstemperaturen, nur eine begrenzte Menge GeOp in den Faserkern eingebaut werden kann. Soll beispielsweise eine optische Wellenleiterfaser durch Flammhydrolyse hergestellt werden deren Kern 20 Gew. % GeO₂ und 80 % SiO₂ enthält, so beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kernglases etwa 19 x 10 /⁰C, während die Wärmedehnung des Mantels aus reiner Kieselsäure etwa 6 χ 10""'/⁰C beträgt. Der Dehnungsunterschied um 13 wird

j IStACH(SERSiCHT I

dann dazu führen, daß die Vorform aus niedergeschlagenen feinen Glaspartikeln (sog. "soot") während der Konsolidation reißt. Der Zusatz von etwa 13 - 18 % B„0^ zu dem SiO _? Hantelglas erhöht dessen Wärmedehnung auf einen innerhalb annelim-"barer Grenzen liegenden Wert, sodaß die Vorform nicht reißt. Eine unerwünschte Nebenfolge dieses B„CL· Zusatzes zum Mantelglas besteht aber in einer Senkung der Ziehtemperatur auf 50 - 210⁰C unter der des Kernglases (letzteres: etwa 1800⁰G). Bei einem derart großen Viskositätsunterschied wird die Regelung des Faserdurchmessers ein ernsthaftes Problem. Infolgedessen mußten optische Wellenleiter mit Germaniumoxid als Dotiermittel zur Erhöhung des Brechungsindex vergleichsweise kleine Δ Werte haben. Diese wiederum bedingen sehr viel kleinere numerische Aperturen als in gewöhnlichen optischen Fasern, nämlich etwa 0,15 - 0,2 gegenüber 0,6.

Optische Wellenleiter werden häufig verkabelt, um im Falle des Bruchs einer Faser Ausweichleitungen zu haben und eine größere Lichtmenge übertragen zu können. Die bei der Verkabelung oft entstehenden willkürlichen Biegungen der Fasern lassen sich durch die Gleichung darstellen

T= c a^2P (2)

T ΊΓ

worin c und ρ auf die Geometrie der willkürlichen Biegungen bezogene, sowie auf den Faserindexgradienten bezogene Werte darstellen und a der Radius des Faserkerns ist. Die Untersuchung

_ R —

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dieser &leic3xung (2) zeigt, daß der Verzerrungsverlust j* durch. Verringerung des Kernradius herabgesetzt werden kann. Ebenfalls möglich ist dies durch Erhöhung von Δ oder Verringerung Ton ρ und c durch geeignete Faserpackung. Erfinddungsgemäß wurde von dem Versuch ausgegangen, die Faserverluste infolge von willkürlichen Biegungen durch Steigerung von δ zu senken. Infolge des aus der Gleichung (1) ersichtlichen Verhältnisses haben solche Pasern gleichzeitig eine höhere numerische Apertur.

Erfindungsgemäß soll unter Vermeidung der geschilderten Nachteile eine optische Wellenleiterfaser mit hoher numerischer Apertur, mit ohne Rücksicht auf die Brechungsindexdifferenz verträglicher Wärmedehnung und Erweichungstemperatur von Kern und Mantel geschaffen werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen optischen Wellenleiter gelöst, dessen Kern Po°5 ^²¹^ ^&e0? ^{in einer} e*¹¹«²*¹ größeren Brechungsindex als der Mantel verleihenden Menge und nicht mehr als 10 Millionteile kationische Verunreinigungen in Fasern von Übergangsmetallen enthält.

Diese Lösung stellt auch gegenüber den in letzter Zeit bereits vorgeschlagenen Wellenleiterfasern mit Germaniumoxid als Dotiermittel zur Erhöhung der numerischen Apertur einen besonderen technischen Fortschritt dar. Durch die Seilweise Ersetzung von durch ^₂ ⁰R ^{wir<i die} Erweichungstemperatur ohne wesentliche

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j NACHeER£iCHT|

Veränderung der Wärmedehnung gesenkt. Je nach der Menge von P₂O₁- und GeOp in dem entstehenden Glas entsteht häufig eine Erhöhung des Brechungsindex im Vergleich zu GeOp-SiOp Gläsern mit gleicher SiOp Menge. Dies ist vorteilhaft, weil sich diese Wellenleiterfasern ohne die bisher auftretenden Schwierigkeiten mit hoher numerischer Apertur herstellen lassen. Durch Anpassung des GeOp : ^₂ ⁰R Verhältnisses in dem Kernglas kann die Erweichungstemperatur des Kernglases auf einen mit dem Mantel verträglichen Wert eingestellt werden. Gleichzeitig behalten die Fasern den Vorteil der großen Festigkeit der nur mit Germaniumoxid dotierten Fasern, der geringen Absorption des übertragenen Lichts. Ferner ist die bei mit Titanoxid dotierten Fasern erforderliche Wärmebehandlung nach dem Ausziehen unnötig.

In den Zeichnungen zeigen:

Die Figur 1 perspektivisch vergrößert einen optischen Wellenleiter, die Figur 2 den Querschnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der Figur 1, die Figur 3 ein Dreiphasendiagramm des Brechungsindex als Funktion der Po⁰·? - GeOp - SiO₂ Zusammensetzung, die Figur 4 als Schaubild den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei 25 - 200⁰C in Abhängigkeit vom Oxidgehalt in der Kieselsäure der beiden Systeme B₂O, - SiO_? und GeO₂ - SiO₂, die Figur 5 als Schaubild die Erweichungstemperatur als η = 10'' als Funktion des Anteils in Gew. % von GeO₂, ρ ο

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NACHiäEFÄICHT

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oder B₃O₅ für Gläser der Systeme GeO₂-SiO₂, P₃O₅ - SiO₂ und BpO^ - SiOp, und die Figur 6 als Schaubild den Brechungsindex als Funktion des GeOp Anteils in Gew. % für Gläser des Systems GeOp - SiO_?.

Die an einem Ausführungsbeispiel "beschriebene Erfindung ist gleichermaßen auf Einfachmoden- und Multimoden-Wellenleiter, sowie auf Wellenleiter mit konstantem oder Gradientenindex der Brechung anwendbar.

Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte optische Wellenleiter enthält erfindungsgemäß einen Mantel 12 aus sehr reinem Glas und einen Kern 14 aus sehr reinem Glas, das mit GeO₂ und P₂O₁- so stark dotiert ist, daß sein Brechungsindex höher wird als der des Mantels. In manchen Wellenleitern besteht der Mantel nicht aus einer besonderen Schicht mit unterschiedlichen Merkmalen gegenüber dem Kern und den benachbarten Schichten, Tgl. US-PS 3,647,406 und 3, 785,718, bei denen der Brechungsindex von einem hohen Wert im Kernbereich auf einen niedrigen Wert an der Faseroberflache allmählich abnimmt. Anstatt eines Mantels mit konstantem Brechungsindex kann dieser nach der Oberfläche zu allmählich abnehmen; u.U. kann der Mantel dann auch einen Bereich enthalten, dessen Brechungsindex höher ist als der der benachbarten Schicht mit kleinerem Radius, aber niedrigerem Brechungsindex als der Kern. Der Ausdruck Mantel wird daher hier in allgemeinerer Form als der Bereich der Faser mit unbedeutender Lichtfortpflanzung definiert und verwendet.

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Das Verhältnis von P₂ ⁰R ^{zu Ge0} ₂ ^{wir<i so} gewählt, daß das Kernglas eine mit der des Mantelglases verträgliche Erweichungstemperatur bekommt. Wird zunächst ein Hohler Kern erzeugt, der dann beim Ausziehen zusammenfällt, so liegt die Erweichungstemperatur des Kernglases bis zu etwa 50 C niedriger als die des Mantelglases, damit das Kernglas leicht fließt und beim Ausziehen den Hohlraum ausfüllt.

Me Figur 3 erläutert einen weiteren Vorteil der teilweisen Ersetzung von GeO₂ durch P₂ ⁰R* ^^{s vmr}^-^e überraschend gefunden, duß dies zu einem höheren Brechungsindex führen kann, obwohl der Brechungsindex von ^₂ ⁰R ^nie(3-^rig^e:c als der von GeO₂ ist. Überdies ändert diese Ersetzung den Wärmeausdehnungskoeffizienten nur sehr wenig. Wie die Figur 3 zeigt, erfahren die Gläser mit weniger als 70 Gew. % SiO₂ eine merkliche Änderung des Brechnungsindex, wenn ein Teil des GeOp durch PpOp- ersetzt wird. Ferner ist für jeden im Bereich von 0-70 % liegenden SiOp Gehalt der Brechungsindex am größten, wenn die PpCV Menge etwa 40 - 60 % des gesamten Dotiergehalts (PpO₁- + GeOp) beträgt.

Eine teilweise Ersetzung kann selbst bei gleichem Brechungsindex vorteilhaft sein, tfeil P₂O₅ billiger als GeO₂ ist. ^Beispielsweise ist ein Glas aus 65,4% SiO₂, 7,4 % GeO₂ und 36,2 % PpO,_ mit dem Brechungsindex 1,5 wesentlich billiger als ein Glas aus 56,4 % SiO₂ und 43,6 % GeO₂, dessen Brechungsindex ebenfalls 1,5 beträgt.

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NACHCiSRElCHT

Die Tabelle I vergleicht verschiedene Glaseigenschaften des Systems GeOp - SiO₂ - JPpOc ^m^ denen des Systems GeOp - SiOp "bei jeweils gleichem SiOp Gehalt und erläutert damit einige Wirkungen der teilweisen Ersetzung von GeOp durch PoOp- in Germaniumoxidsilikatgläs ern

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Glas Zusammensetzung
in Gew. %

GeO₂ SiO₂

Tabelle I Eigenschaften des £o°5 - GeOp - SiOp Glases

Brechungs- Brechungs- Erweichungs- Kühltemperatur index η index η¹ Δη temperatur C C

AA
AB
AC

AE

"·"·» AF
AG
AH
AI
AJ
AK
AL

AM
AN

89,2
82,7
78,6

0
0
0

10,8 17,3 21,4

93.2 6,8

82.3 17,7

79.4 20,6

58.7 25,7 15,6 60,1 26,8 13,1

61.8 29,6 8,6

29.4 33,7 36,9

35.5 34,1 30,4 48,0 34,6 17,4 41,0 36,0 23,0 17,3 40,7 42,0

1,620 1,628 1,632 1,594 1,563 1,558 1,554 1,552 1,546 1,546 1.542 1,538

1,541 1,533

1,608 1,608 1,608

1,546 1,544 1,537 1,531 1.531 1,530

1,529 1,521

0,012	-	660
0,020	0,008	690
0,024	0,008	715
-	0,009	925
-	0,015	930
0,011	1040
0,008	817
0,012	822
0,012	875
890
863
830
843
900

556 571 632 618 613 603 759 721 652 678 776

to

CD

cn

Tabelle I (Fortsetzung)

	Glas	Zusammen setzung in Gew. % GeO₂ SiO₂	43,2	33,2	Brechungs index η	Brechungs index η¹	Δη	Erweichungs temperatur C	Kühltemperatur
	AO	23,6	45,4	24,2	1,533	1,518	0,015	-	762
	AP	30,4	45,5	17,9	1,528	1,515	0,013	878	725
	AQ	36,6	46,3 46,6	10,5 39,7	1,524	1,515	0,009	895	685
D9811	AE AS	43,1 13,7	51,7 52,8 53,2	35,7 39,6 28,2	1,520 1,520	1,513 1,513	0,007 0,007	996 900	639 709
CJ «η	AT AU AV	12,6 7,6 18,6	54,6	19,5	1,510 1,506 1,508	1,505 1,505 1,504	0,005 0,001 0,004	897 890 914	704 649 731
	AW	25,9	56,4	36,2	1,508	1,502	0,006	951	704
	AX	7,4	62,9	37,1	1,500	1,500	0,000	897	-
	AY	0	64,0	36,0	1,488	1,491	-0,003	932	691
	AZ	0	65,4	11,6	1,488	1,490	-0,002	932	-
	BA	23,0	66,4	33,6	1,490	1,489	0,001	1131	710
	BB	0		1,484	1,487	-0,003	968	611

I ab e 1 1 e I (Fortsetzung)

Glas Zusammensetzung
in Gew. %

Brechungs- Brechungsindex η index η'

Erweichungs- Kühltemperatur temperatur 0 0

GeO,

SiO,

C.

P₀O,

BC
BD
BE
BP
BG
BH
BI
BJ
BK
BL
BM

22,9 66,7 9,4 1,488 15,0 66,7 18,3 1,490 7,7 67,7 24,6 1,490 13,2 81,6
7,2 82,9
84,8
91,4

O
100,0

5,2 9,9

11,3
5,1

0 90,6
0 94,0
0 100,0

0 0

1,471 1,470

3,9 1,475 3,5 1,464 9,4 1,464 6,0 1,460 0 1,458

100,0 1,507

1,608 1,485
1,487
1,485
1,471
1,470
1,470
1,464

0,005	1158
0,003	1055
0,005	996
0,000	-
0,000	1270
0,005	1402
0,000	1268
-	1330
M	1403
•Μ	1585

867

731 708 690

853

937

888

938

1050

526

Die Zusammensetzungen, der Tabelle I wurden in zwei verschiedenen Weisen hergestellt. Die G-läser AA Ms BE, BM und BN wurden nach gewöhnlichen Schmelzverfahren durch Erschmelzen der Ansätze in 500 ecm Platintiegeln während 6-10 Stunden im Elektro-Ofen bei 165O⁰C, Anlassen während 3 Stunden im Tiegel und Kühlen mit Ofenges'chwindigkeit auf Zimmertemperatur hergestellt. Aus dem Tiegel wurden G-laskerne herausgebohrt und Proben für die Yiskositäts- und Dehnungsmessungen bereitet.

Die über 80 % SiO₂ enthaltenden Glaser Bi¹ - BL wurden durch Flammhydrolyse aus Phosphortrichlorid, G-ermaniumtetrachlorid und Siliziumtetrachlorid hergestellt. Die Rohlinge der nieder- '; geschlagenen Glaspartikel wurden konsolidiert und Prbben heraus-* geschnitten, geschliffen und poliert. ; ■ :

Zur Auswertung des Einflusses der Po^r für GeOp Teilersetzung auf den Brechungsindex wurden die Brechungsindices n¹ der entsprechenden Gläser des GeOp - SiOp Systems mit der gleichen Menge an SiO₂ ebenfalls in der Tabelle aufgeführt, wobei die "Veränderung des Brechungsindex infolge von P₂Op- Ersetzung mit /in bezeichnet ist. Die Messungen wurden an der Natrium-D-Linie durchgeführt. ;

Wie ersichtlich, ist δ η für alle Germaniumoxid enthaltenden Gläser positiv. Da der Brechungsindex vom ^₂O₁- ^^las niedriger als der vom GeO₂ Glas ist, deutet ein positiver Wert an darauf hin, daß die Steigerung nicht allein auf der idealen Mischung der beiden

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ORIGINAL IMSPEGTED

Stoffe beruht. Es wird vermutet , daß die Steigerung auf einer Änderung der Koordinationszahl einiger Ge Atome von 4 zu 6 beruht. Phosphorpentoxid bestellt in der Form von PjO₁₀ Molekülen, welche durch schwache van der Wals Kräfte miteinander verbundden sind. Das P*G..q KoIeMiI besteht aus vier gleichen ÜJetraedern mit den Phosphoratomen im Mittelpunkt. Sie sind so miteinander verbunden, daß jeder Tetraeder ein Sauerstoffatom ohne BrüekenMldungen enthält, wodurch möglicherweise die Koordinationszahl der Germaniumatome verändert und damit der Brechungsindex erhöht wird. Der Brechungsindex von reinem SiO_? Glas, GeO₂ Glas und P₃O₅ Glas ist jeweils 1,458, 1,608 und 1,507. Binäre Gläser der Tabelle I ohne SiO₂, wie z.B. die Gläser AA bis AC haben einen erheblich höheren Brechungsindex als ein PpOt- Glas oder ein GeO« Glas, was als Stütze der obigen Theorie angesehen werden, kann. Der Wert ^n dieser Gläser steigt dabei mit zunehmendem P₀Or- Gehalt.

Wie die Gläser BE bis BI zeigen, steigt & η mit zunehmendem SiOp Gehalt. Dies mag; auf der geringeren Anzahl der für den Wechsel der Koordinationszahl zur Verfügung stehenden Germaniumatome beruhen. Obwohl aber die Änderung von δ η für diese viel SiO₂ enthaltenden Gläser kleiner ist, wird sie in GeO₂ enthaltenden Gläsern nicht negativ. Da der Brechungsindex von P₂O₅ - SiO₂ Gläsern, z.B. den Gläsern AY, AZ und BB niedriger als der entsprechender GeO₂ - SiO₂ Gläser ist, folgt, daß der Zusatz von P₂O₅ zu GeO₂ - SiO₂ Gläsern den Brechungsindex selbst bei geringem GeÖ« Gehalt steigert.«

- 15 -

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Die" Messungen der Wärmedehnung wurden mit einem Differentialdilatometer bei Erhitzungsgeschwindigkeiten von 6OO°C/Std. durchgeführt. Der lineare Ausdehnungskoeffizient wurde für den Bereich von 25 - 300⁰G errechnet. Für jedes Dreikomponentenglas der Tabelle I wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient gemessen und mit dem entsprechenden GeOp - SiO^ Glas mit-gleichem Kieselsäuregehalt verglichen. In jedem Vergleichs fall war die Änderung des Dehnungskoeffizienten kleiner als - 5 χ 10" , das ist geringer als der experimentelle Fehler bei diesen Messungen. Die Ersetzung von P₂O,- ^für GeO₂ hat also keine nennenswerte Veränderung des Ausdehnungskoeffizienten zur Folge.

Die Tabelle I verzeichnet auch die Erweichungstemperatur, das ist die einer Glasviskosität von 10 * Poise entsprechende Temperatur. Die teilweise Ersetzung von GeOp durch P₂Oc verursacht also eine Erweichungstemperatur, die niedriger als für die entsprechenden GeO₂ - SiO₂ Gläser ist. Ebenfalls angegeben ist die Kühltemperatur (annealing point), das ist die einer Glasviskosität von 10 ^J entsprechende Temperatur. Sie steigt mit zunehmendem P₂Oc Gehalt, also umgekehrt wie im Falle der Erweichungstemperatur. Möglicherweise erhält das Glas bei den niedrigen Temperaturen im Kühlbereich infolge der Änderung der Koordinationszahl einiger Ge Atome von 4 auf 6 eine starre Struktur. Bei den höheren Temperaturen im Erweichungsbereich werden diese Bindungen gelöst und verursachen

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damit eine niedrigere Viskosität. Die Erweichungstemperatur ist von Bedeutung, weil die Fasern bei einer ihr entsprechenden Viskosität gezogen werden. Der Ziehvorgang wird leichter, wenn die Erweichungstemperaturen von Kern und Mantel gut aufeinander abgestimmt sind, bzw. einander entsprechen, wobei vorzugsweise das Kernglas eine etwa 1 - 4-mal niedrigere Viskosität bei der Ziehtemperatur hat als das Mantelglas. Infolge der erläuterten Glaseigenschaften des GeOp - SiO₂ - P₂O₁- Systems können aus solchen Gläsern Wellenleiter leichter hergestellt werden und haben eine höhere numerische.Apertur als bekannte Wellenleit er.

Der Mantel besteht meist aus sehr reinem optischen Glas wie Kieselsäure oder einem Kieselsäure enthaltenden Glas. Der Kern enthält ein sehr reines optisches Glas mit einer zur Einstellung der gewünschten numerischen Apertur (NA) über den Brechungsindex erzeugenden Dotierung von GeO₂ und P₂O₁-, deren relative Anteile so gewählt werden, daß die Erweichungstemperaturen von Kern und Mantel vereinbar sind. Dabei wurde gefunden, daß zur Vermeidung übermäßiger Lichtdämpfung das Kernglas des erfindungsgemäßen Wellenleiters eine 10 Millionteile Übergangsmetalle ausmachende Verunreinigungshöhe nicht überschreiten soll. Das bevorzugte Mantelmaterial besteht aus Silikatglas mit einem die Wärmedehnung mit der des Kerns vereinbar gestaltenden B„0^ Menge. Die Wärmedehnung des Kerns kann der des Mantels gleich sein, übersteigt sie aber vorzugsweise nur bis zu ca. 5 x 10"'/⁰C,

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•um im Mantel eine f as erv er stärkende Kompressionskraft zu erzeugen. Sie kann aber die Manteldehnung auch noch um 15 χ 10" /⁰C übersteigen.

Zur Auslegung der erfindungsgemäßen Wellenleiterfaser wird zunächst die erforderliche numerische Apertur der Faser bestimmt. Bei bekanntem Mantelmaterial ist auch dessen Brechungsindex n_? bekannt. Es besteht der Mantel z.B. aus SiOp dotiert mit BpO₇., so wird n_? mit 1,458 (dem Brechungsindex von Kieselsäure).

Unter Anwendung der bekannten Verhältnisgleichung

- n\ (3)

kann der Brechungsindex n^ des Kerns errechnet werden. Die gesamte Dotiermenge GeO _? + PpOp- wird aus der Figur 3 ermittelt. Ist z.B. n. = 1,48, so enthält das Kernglas etwa 74 % SiOp und

26 % GeO₀ + P₀O₁-.
2 2 5

Da bei gleichem Kieselsäuregehalt ein GeO₂ - SiOp Glas im wesentlichen die gleiche Dehnung wie ein GeO₂ - SiO₂ - P₂O₁- Glas hat, kann an Hand der Figur 4 die zur Anpassung der Manteldennung an die des Kerns erforderliche B₂O₅ Menge bestimmt werden. Hat z.B. ein etwa 30 % Dotiermittel (GeO₂ + P₂ ⁰K) enthaltendes Kernglas einen Dehnungskoeffizient von etwa 25 x 10 /⁰G, so entspricht dies einem Mantelglas aus 21 % B₂O., und 79 %

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Da der Dehnungskoeffizient des Kerns bis zu 5 höher als der des Mantels sein kann, so kann dieser 16 - 21 % BpO^ enthalten, was einem Dehnungsbereich von 20 - 25 x 10 /⁰C entspricht.

Die Erweichungstemperatur des Mantelglases kann von der Kennlinie 60 der Figur 5 abgelesen werden. Infolge der hohen Erweichungstemperaturen von Germaniumoxid - Silikatgläsern (Kennlinie 62) ist ein solches Kernglas bei den Faserziehtemperaturen härter als das Mantelglas. Die Kennlinie 64 zeigt demgegenüber die wesentlich niedrigeren Erweichungstemperaturen von I"pO|- - SiOp Giäsern. Hierfür konnte keine Wechselwirkung von PpOc ^¹¹^· G"^eOp f^es"tS^es'*^;ell"t werden. Da ferner die Kennlinie 62 linear verläuft, kann die Erweichungstemperatur T. des Drei komponent englas es xPpOpj-yGeOp-zSiOp'
aus

T_tg = I₁ - yS (4)

berechnet werden, wobei T* die aus der Kennlinie 64 der Figur 6 bestimmte Erweichungstemperatur des binären Glases xPpOj-»(y+z) SiOp und S die für die prozentualen Zusätze von GeOp eintretende Abnahme der Erweichungstemperatur des binären Glases GeOp - SiOp, ermittelt nach der Kennlinie 62 als 4,52, bezeichnet. Wie oben erwähnt ist die Dotiermittelmenge ( χ + y) die zur Einstellung des Brechungsindex n^ erforderliche Menge. So können versuchsweise verschiedene Werte χ angenommen werden, bis die gewünschte Erweichungstemperatur erreicht wird. Noch einfacher ist die

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- 19 - j NACHGEREtCHTl

unmittelbare Ablesung der Temperatur T, aus einem dreidimensionalen SchauMld der Erweichungstemperatur.

Während der Brechungsindex bei über 70 % SiOp verhältnismäßig konstant bleibt, ist er für PpOp- und GeO₂ Anteile bei weniger als 70 % SiO₂ nicht linear, Figur 3, sodaß bei Auswahl eines Kerns aus dem letztgenannten Bereich zur Ermittlung optimaler Werte für Brechungsindex, Dehnung und Erweichungstemperatur von Kern und Mantel Versuche durchgeführt werden müssen.

Infolge der hohen erforderlichen Reinheit des Kernglases wird der auszuziehende Körper zweckmäßig durch Flainmhydrolyse hergestellt, entsprechend US-PS 3,711,262, 3,737,292, 3,737,293, 3,826,560. Infolge der Flüchtigkeit von GeO₂ und P₃O₅ sollten die in der oben erwähnten Anmeldung P 23 64 803.5 erläuterten Maßregeln beim Niederschlag der feinen Glaspartikel (soot) und der Konsolidation beachtet werden. Eine Glasschicht aus GeO₂ und P₂O₅ soll in der Weise erzeugt werden, daß zunächst durch Niederschlag von Oxidpartikeln eine poröse Vorform gebildet, und diese dann zu einem festen, unporösen Körper konsolidiert wird. Die Temperatur der die Flamme und der die Vorform umgebenden Atmosphäre soll so niedrig sein, daß das Glas beim Niederschlag aus der Flamme zunächst in feinteiliger Partikelform (soot) bleibt, also noch nicht konsolidiert ist. Ferner soll die Konsolidationstemperatur etwa 1600⁰C nicht übersteigen und in einem Bereich zwischen der Mindestkonsolidationstemperatur des jeweiligen Glases und etwa 200⁰C darüber gehalten werden.

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_ 20 - I NACH'3£:REiCHT

Der Träger wird entfernt, und die verbleibende hohle Vorform bis nahe an die Erweichungstemperatur und eine zum Ausziehen geeignete Viskosität erhitzt, dann ausgezogen, sodaß der Hohlraum zusammenfällt und eine feste Faser entsteht, bis der gewünschte Querschnitt erreicht ist.

Meist sollen die Fasern bei Wellenlängen von 450 - 1350 mn verwendet werden. Die Fasern können erfindungsgemäß mit Dämpfung s wer ten von weniger als 100 dB/lim bei 800 - 900 nm hergestellt werden, sind also zur Verwendung als Lichtleiter in Fachrichtensystemen geeignet.

Die Auslegung eines erfindungsgemäßen Wellenleiters und Vorteile gegenüber bekannten GeOp - SiOp Leitern seien am folgenden Beispiel erläutert.

Je nach der verwendeten Lichtquelle und der Art der Biegungen der herzustellenden Faser wird eine geeignete numerische Apertur ausgewählt, z.B. 0,24. Als Mantel soll ein Borsilikat mit dem Brechungsindex 1,458 dienen. Aus der Gleichung (3) wird der Brechungsindex n., des Kerns mit 1,477 errechnet. Die Nachteile einer aus Germaniumoxidsilikat herzustellenden Faser werden aus Folgendem deutlich. Aus der Figur 6 folgt, daß das Kernglas des GeOp - SiOp Glases 23 % GeO₂ enthalten muß, damit der Brechungsindex 1,477 wird. Nach Figur 4 ist der Dehnungskoeffizient eines solchen Glases etwa 20 χ 10 /⁰C. Wegen der

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Delmungsdifferenz sollte der Mantel dann nicht aus reinem SiOp bestehen, weil der Körper "bei der Konsolidation zu leicht reißt, Tielmehr ein Borsilikatglas mit in etwa entsprechender Dehnung gewählt werden. Nach Figur 4 hat ein Mantelglas aus 12 % B₂O₅ und 88 % SiO₂ die Dehnung 17 x 10"⁷/°C. Da die Kerndehnung um 3 x 10 /⁰C größer als die Manteldehnung ist, erfährt der Mantel eine Kompressionskraft und die Paser wird verstärkt, lach Figur 5 ist für diese Kombination die Erweichungstemperatur von Kern und Mantel 1485 "bzw. 131O⁰C. Die Differenz von 175°C bedeutet Schwierigkeiten beim Ausziehen, z.B. kann der Hohlraum nicht geschlossen werden. Hierzu sollte der Kern eine tiefere Erweichungstemperatur als der Mantel haben, sodaß bei der Ziehtemperatur die Kernviskosität etwa 1-4 niedriger als die Mantelviskosität ist.

Eine bekannte Maßnahme zur Senkung der Erweichungstemperatur des Kerns besteht in einem B₂O., Zusatz zum Kernglas, der nicht den Brechungsindex aber die Wärmedehnung erhöht. Zum Ausgleich muß dem Mantel mehr B₂O^₅ zugesetzt werden, wodurch wiederum die Schwierigkeit der unterschiedlichen Viskosität entsteht. Erforderlich ist also ein Zusatz, welcher den Brechungsindex erhöhen und die Viskosität senken kann, ohne zu einer Erhöhung des Wärmedehnungskoeffizienten zu führen. Diese Schwierigkeit wird durch die teilweise Ersetzung von GeOp durch ^₂ ⁰R behoben; welche die Erweichungstemperatur des Kerns erniedrigt, ohne den Brechungsindex zu verringern. Bei 0 - 30 % Dotierung ist die

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durch. GeOp und P₂Of- bewirkte Änderung des Brechungsindex im wesentlichen linear und für "beide etwa gleich. Eine teilweise Ersetzung von GeOp durch P₂O₁- -^Bt, bei gleichem SiOp Gehalt, den Brechungsindex daher im wesentlichen unbeeinflußt, ein Glas aus 23 % GeO₂ + P₂°5» ^?9 ^ ^Si02 ^{hat daiier im} wesentlichen den gleichen Brechungsindex und die gleiche Erweichungstemperatur wie ein Glas aus 25 % GeO₂, 77 % SiO₂. Ein versuchsweises Vorgehen kann erforderlich sein, wenn nach Figur 5 und Gleichung (4-) ein Dreikomp onent enkernglas mit annehmbarer Erweichungstemperatur ausgewählt wird; beispielsweise wird zunächst ein Glas der Zusammensetzung 5 % P₂Oj-, ^⁸ ^ GeO₂, 77 % SiOp angenommen . Hach Kennlinie 64 der Figur 5 ist die Erweichungstemperatur eines Glases aus 5 % ^?®^* ^ ^ SiO₂ 1430⁰G. Die nach Gleichung (4) errechnete Erweichungstemperatur des angenommenen Glases ist 1348,64⁰G, denn bei 18 % GeO₂ ist yS = 18 χ 4,52. Die Differenz zum Mantel ist 38⁰C, das angenommene Glas also noch nicht geeignet. Als nächstes wird daher ein Glas mit mehr P₂O₅, z.B. 10 % P₂O₅, 13 % GeO₂, 77 % SiO₂ angenommen. Nach Gleichung (4) und Figur 5 (64) ist seine Erweichungstemperatur 1262 C, also 48 G niedriger als der Mantel, und geeignet, weil dann der Hohlraum beim Ausziehen zusammenfällt.

Da Kern und Mantel für optische Wellenleiter aus sehr reinem Glas bestehen müssen, wird ein Kern mit weniger als 10 Millionteilen kationischer Verunreinigungen durch Flammhydrolyse hergestellt, nachdem die erforderlichen Durchführungsbedingungen

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in bekannter Weise ermittelt wurden. Infolge der Flüchtigkeit von GeO₀ und P₀O₁- wird eine kleinere als die theoretische errechnete Menge niedergeschlagen. Die Durchsätze der Trägergase durch die flüssigen Bestandteile des Ansatzes müssen daher entsprechend empirisch ermittelt werden. Der weiteren Erläuterung dienen die folgenden Beispiele.

Beispiel 1

Ein Rohling mit Kern und Mantel wurde ähnlich dem Verfahren nach der US-PS 3,737,292 hergestellt.

Dämpfe von GeCl. und SiCl. wurden bei 32⁰C in einen mit trockenen Sauerstoff als Trägergas mit 0,4 l/Min, bzw. 2 l/Min gespeisten Flammhydrolysebrenner geleitet. Ebenfalls in die Flamme geleitet wurden PCI., Dämpfe in mit 0,5 l/Min, fließendem trockenem Stickstoff als Träger. Naturgas und Sauerstoff wurden in die Flamme mit 8 bzw. 8,5 l/Min, geleitet. Die feinen Glaspartikel (soot) wurden auf einem Borsilikatglasträgerstab mit dem Durchmesser 0,635 cm als Kern niedergeschlagen, bis ein Durchmesser von 3,81 cm erreicht war, die Gaszufuhr durch das GeCl,, PCI,, unterbrochen, und zusammen mit den weiter fließenden SiCl. Dämpfen BCl., in den Brenner geleitet, und die B₂O- - SiO₂ Glaspartikel (soot) als Mantel bis zu einer Dicke von etwa 10 cm niedergeschlagen, der Rohling abgekühlt, und der Trägerstab entfernt (herausgezogen). Der Rohling wurde dann bei 135O⁰C in

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Helium gesintert "bzw. konsolidiert. Er hatte dann einen Durchmesser von 2,54 cm und eine Länge von ca. 11 cm. Dieser wurde auf 1600⁰C erhitzt und zur Wellenleiterfaser ausgezogen, z.J3. auf einen äußeren Durchmesser τοπ. 125/um und eine Manteldicke -von 50 /um, NA 0,155, Verluste 9,6 dB/km bei 820 mn; die Zusammensetzung des Kerns war 5 % P₂O₁-, ^ ^ GeO₂, 89 % SiO₂, die des Mantels 5 % B₂O₅, 95 % SiO₂.

Beispiel 2

Ein Glaspartikel (soot) Rohling wurde nach Beispiel 1 hergestellt, aber im Kern ohne Kieselsäure. POOL, und GeGl, auf 35°G "bzw. 32⁰C wurden mit Sauerstoff durchperlt, und mit 5 l/Min, bzw. 1 l/Min, in den brenner geleitet, und das Kernmaterial auf einem 2,7 cm dicken Träger bis zu einer Dicke von 3,8 cm niedergeschlagen. Dann wurden für den Mantel SiCl, auf 32°0 mit Sauerstoff durchperlt, mit BOl₅ auf 30⁰C in den Brenner geleitet. Der Sauerstoffdurchsatζ war 2 l/Min, durch das SiCl., 0,73 l/Min., durch das BCl₅, 0,73 l/Min., und die Partikel (soot) wurden bis zu einer Dicke von etwa 10 cm niedergeschlagen. Der Rohling wurde gekühlt und der Trägerstab entfernt, der Rohling dann bei 55O⁰C in Helium gesintert, dann auf 65O⁰C erhitzt und in Sauerstoff zur Paser gezogen. Zusammensetzung des Kerns 50 % P₂ ⁰C, 50 % GeO₂, Mantel 50 % SiO₂, 50 % B₂O₅, MA 0,77, also höher als bei 100 % GeO₂ oder PpOj- im Kern.

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Beispiel 3

Nach. Beispiel 1 wurden zwei Partikel (soot) Schichten auf einen 0,63 cm dicken Trägerstab aufgebracht, unter Verwendung von POCl₃ bei 35°G, GeCl. bei 32⁰C, SiCl. bei 32⁰C,

BCl, bei 25°C. Pur die erste Schicht wurden POCl-. GeCl, 3 3 4

und SiCl, mit Durchsätzen von jeweils 3,1, 0,3 und 1 l/Min, durchperlt und die Dämpfe in die Plamme geleitet. Nach Erreichen einer Schichtdicke von 3,8 cm wurde der Gasfluß durch POCl, und GeCl. unterbrochen, der Sauerstoffdurchsatz durch SiCl. auf 2 l/Min, erhöht, und BCl₃ mit 0,3 l/Min, in die Plamme geleitet. Die Partikel wurden bis zu einer Schichtdicke von 10 cm niedergeschlagen, der Rohling gekühlt, der Träger entfernt, der Rohling bei 1000⁰C in Helium gesintert und bei 1150⁰C in Sauerstoff zur Paser gezogen. NA = 0,30 %, Zusammensetzung des Kerns 12 % GeOp, 22 % ^₂ ⁰S> ^6 ^ SiO₂; des Mantels 20 % B₃O₅, 80 % SiO₂.

Beispiel 4

Das Beispiel beschreibt die Herstellung eines Wellenleiters mit Gradientenbrechungsindex. Plüssiges GeCl., SiCl. und

POCl^ wurden in getrennten Behältern auf einer Temperatur

/bzw. 32_O

von 32 C'bzw. 35 C gehalten, mit trockenem Sauerstoff;"durchperlt und die mitgenommenen Dämpfe in einen Brenner geleitet. Bei Durchsätzen des durchperlenden Sauerstoffs von 3,1 bzw. 0,3

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NAC: «..^REICHT

Z532689

"bzw. 2 l/Min, wurden die mitgenommenen Dämpfe in der llamme hydrolysiert und oxidiert und ergaben Partikel (Ruß) von 22 % PpOp-, 12 % GeOp, 66 % SiO _? und wurden auf einem rotierenden und hin- und her bewegten Borsilikatglasrohr mit dem äußeren Durchmesser von 6 mm niedergeschlagen, wobei der Sauerstoffdurchsatz durch das flüssige GeCl. und POCl^ kontinuierlich verringert wurde, sodaß die Etiederschlagsschicht einen radial abnehmenden Gehalt an GeO _? und PpOc erhielt. Zur Regelung des Sauerstoffdurchsatzes wird z.B. ein entsprechend ausgebildeter Nocken, zur Regelung der flüssigen Komponenten z.B. die Vorrichtung nach der US-PS 3,826,560 verwendet. Es wird ein Rohling mit einer Länge von ca 15 cm, einem Durchmesser von 3,81 cm und radial unterschiedlicher Zusammensetzung in etwa 2 Std. Niederschlagsdauer erhalten, der das Kernmaterial für den optischen Wellenleiter mit einem bei 589,3 um. gemessenen achsialen Brechungsindex von 1,49 enthält. Wenn der Außenbereich dieser ersten Schicht erreicht wird, wird der Gasstrom durch das POCl-, und GeCl, unterbrochen, und 0,3 l/Min. BCl., in die Flamme geleitet, 2 l/Min. Sauerstoff durch SiCl- beibehalten. Die Niederschlagsschicht enthält 20 % B₂O.,, 80 % SiOp und bildet nach Konsolidierung eine Mantelglas schicht, Brechungsindex 1,458. Hat die Schicht ca. 7 cm Dicke erreicht, so wird sie auf Zimmertemperatur abgekühlt, der Trägerstab entfernt und der Rohling in Helium bei 1000⁰C gesintert, in einen Induktionsofen gebracht, und in Sauerstoff bei 1150⁰C gezogen, wobei unter Querschnittsverringerung der mittlere Hohlraum zusammenfällt, bis der Wellenleiterquerschnitt erreicht ist. Ein solcher Wellenleiter kann bis auf 0,127 mm äußerer Durchmesser gezogen werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Optische Paser mit einem Kern und Mantel aus senr reinem Glas, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ^pO₁- und p in einer einen größeren Brechungsindex als der Mantel verleihenden Menge und nicht mehr als 10 Millionteile kationische Verunreinigungen in Fasern von Übergangsmetallen enthält.

2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

Kern im wesentlichen aus P₀O₁- und GeO₀ besteht.

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3. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel eine ihm einen Wärmeausdehnungskoeffizient verleihende BpO₅ Menge enthält, welcher nur 0 - 3 x 10"'/⁰G kleiner als der des Kerns ist.

4. Faser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweichungstemperatur des Ker
als die des Mantelglases ist.

Erweichungstemperatur des Kernglases nur "bis zu 50° kleiner

5. Optische Faser nach Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernglas auch SiO₂ enthält, wobei die Senkung der Erweichungstemperatur durch Einstellung des P₂O₅ Gehaltes erfolgt.

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6. Optische Faser nach Ansprüchen 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die P₂O₁- Menge im Kernglas 40 - 60 Gew. %
der Gesamtmenge ^₂ ⁰R ^{+ &θ0}? beträgt.

7. Optische Faser nach Ansprüchen 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdämpfung bei Wellenlängen von 800 900 nm weniger als 100 dB/Ion und vorzugsweise weniger als 10 dB/lern beträgt.

8. Optische Faser nach irgendeinem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern einen konstanten oder abgestuft variierenden Brechungsindex aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung optischer Fasern, bei dem eine Glasschicht auf einen zylindrischen Träger aufgebracht, der Träger entfernt, der verbleibende Hohlkörper erhitzt und ausgezogen wird, bis eine beschichtete Faser mit festem
Querschnitt entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasschicht eine ihr eine Erweichungstemperatur verleihende PpO(-Menge zugesetzt wird, welche nur 0 - 50 C niedriger ist, als die einer zweiten Glasschicht.

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