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Herstellung von Lichtleitfasern nach einem Flüssigphasen-Ab-
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scheidungsverfahren Zusatz zu VPA 76 P 7036 = P 26 14 631.6 Herstellung
von Lichtleitfasern nach einem FlUssigphasentAbscheidungs-Verfahren.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern.
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Für optische Nachrichtenübertragung werden als Ubertragungsmedium
dünne Glasfasern verwendet. Sie bestehen im allgemeinen aus einem Faserkern und
einem Fasermantel, wobei der Brechungsindex des Kerns größer ist als der des Mantels.
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Man kennt Lichtleitfasern mit Stufenindexprofil und Lichtleitfasern
mit Gradientenindexprofil. Stufenindexprofil bedeutet dabei, daß der Brechungsindex
an der Grenzfläche Kern-Mantel seinen Wert abrupt ändert, dabei hat der Kern einen
höheren Brechungsindex als der Mantel. Gradientenindexprofil bedeutet, daß die Lichtleitfaser
in der Nähe der Faserachse einen hohen Brechungsindex besitzt, der mit zunehmendem
Abstand von der Faserachse kontinuierlich abnimmt. Beide Fasertypen können noch
eine zusätzliche Kunststoffumhüllung besitzen, die insbesondere vor mechanischen
Schäden schützen soll.
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In derartigen Lichtleitfasern kann Licht über sehr weite Strecken
geführt werden.
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Für die Herstellung derartiger Fasern ist die Technik der chemischen
Dampfabscheidung bekannt, z.B. aus der Druckschrift J.B. Chesney, P.B. O'Connor,
F.V. Di Marcello, J.R. Simpson, P.D. Lazay, "Preparation of low loss optical fibers
using simultane-ous vapor phase deposition and fusion", 1Oth Int.
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Congress on Glass (1974), S. 6 - 40 bis 6 - 45.
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Für Fasern mit Stufenindexprofil ist auch die Doppeldtlsenmethode
bekannt, z.B. aus H.G. Unger, "Optische Nachrichtentechnik" 1976 Berlin, S. 39 und
40.
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In derälteren Anmeldung P 26 14 631 (= VPA 76 P 7036) wurde ein Verfahren
zur Herstellung von Lichtleitfasern beschrieben, bei dem ein rotierenderbeheizter
Schmelztiegel vorgesehen ist, in den nacheinander Glasmassen mit unterschiedlichen
Brechungsindices eingegeben werden. Durch die Rotationsbewegung des Tiegels werden
die Glasmassen an der Wandung des Tiegels hochgedrückt und bilden dort aufeinandergeschichtete
Glasfilme, wobei die an der Vandung befindliche Glasschicht durch die zuerst in
den Tiegel eingeführteGlasmasse gebildet wird, und wobei die innerste Glassdicht
durch die zuletzt in den Tiegel eingeführte Glasmasse gebildet wird. Es bildet sich
also an der Wandung des Schmelztiegels ein Glaszylinder, der aus mehreren Glasschichten
besteht. Diese Glasschichten können unterschiedliche Brechungsindices besitzen.
Dieser Glaszylinder kann direkt aus dem rotierenden Tiegel zu einer Glasfaser abgezogen
werden.
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Durch entsprechende Wahl der Brechungsindices der einzelnen Glassdichten
kann praktisch jeder gewünschte Verlauf des Brechungsindex innerhalb der späteren
Lichtleitfaser erzielt werden. Insbesondere lassen sich Fasern mit Stufenindexprofil
und mit Gradientenindexprofil herstellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, für dieses Herstellungsverfahren besonders
bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches erfindungsgemäß
die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 aufweist.
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Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig
und einfach zu handhaben. Außerdem ist vorteilhaft, daß die erzeugten Glasschichten
besonders rein herstellbar sind, so daß Lichtleitfasern mit außerordentlich geringer
Dämpfung gezogen werden können. Diese Fasern eignen sich vorteilhaft insbesondere
für die Nachrichtenübertragung über weite Entfernungen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden glasbildende Schichten
aus einer Flüssigphase auf der Innenwand eines rotierenden Schmelztiegels abgeschieden,
jede Schicht wird dann in einen Glasfilm umgewandelt, diese Umwandlung kann z.B.
durch thermische Zersetzung der Schichten erfolgen.
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Gemäß der Erfindung wird Glas also aus einer Flüssigphase abgeschieden.
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Im Sinne der Erfindung werden unter Glas auch glasartige Kunststoffe
verstanden. In diesem Fall werden in einem Lösungsmittel niedere Polymere bzw. Monomere
gelöst, die beim Verdampfen des Lösungsmittels zur Polymerisation gebracht werden,
z.B. durch Temperaturerhöhung, W-Bestrahlung oder -Bestrahlung.
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Aufgrund der Erfindung lassen sich also Glas- bzw. Kunststofflichtleitfasern
mit Stufenindex- bzw. Gradientenindexprofil herstellen.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Bei einem Ausführungsbeispiel besteht die Flüssigphase aus Lösungen,
in denen Verbindungen glasbildender Oxide der Elemente Se, Te, P, As, Si, Ge,Sn,
Pb, Ti, B, Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb enthalten sind. Aus diesen Lösungen
werden die glasbildenden Schichten abgeschieden, die dann durch thermische Zersetzung
in Glasfilme umgewandelt werden.
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Entsprechend der gewünschten Glaszusammensetzung soll die dabei zu
verwendende Lösung entsprechende Mengen der genannten Elemente enthalten, und zwar
a)
als reine Verbindungen mit niederen Mono- oder Dicarbonsäuren, wobei die Zahl der
Kohlenstoffatome in diesen Säuren nicht höher als 4 sein soll, oder b) als Metallhalogenide,
deren Anionen teilweise durch die unter a) genannten Säurereste substituiert sind,
oder c) als Metallhalogenide, deren Anionen teilweise durch die unter a) genannten
Säurereste und durch Hydroxyl- und/oder Alkoholatreste niederer Alkohole, d.h. höchstens
4 Kohlenstoffatome pro Molekül, substituiert sind.
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Äls Lösungsmittel für die Herstellung von Lösungen der untera) bis
c) genannten Verbindungen sollen die Ester niederer Alkohole mit niederen Karbonsäuren,
niedere Ketone und niedere Alkohole jeweils allein oder in Mischung miteinander
benutzt werden. Unter niedrig wird dabei verstanden, daß in einem Molekül höchstens
vier Kohlenstoffatome gebunden sind.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Figur erläutert. Diese Figur zeigt, wie in dem rotierenden Schmelztiegel Glas abgeschieden
wird.
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Gemäß dieser Figur ist ein rotierender Schmelztiegel 20 vorgesehen.
Dieser Schmelztiegel kann z.B. aus Platin oder Iridium bestehen. Es sind auch andere
Materialien möglich, jedoch ist erforderlich, daß die Tiegelmaterialien keine unerwünschten
Reaktionen mit den späteren Glasschmelzen eingehen. Der Schmelztiegel kann beheizt
werden, z.B. induktiv, dafür ist eine Induktionsspule 5 vorgesehen, Der Tiegel ist
mit einer Wärme -dämmung 21 umhüllt. Der Tiegel ist, wie aus der Figur ersichtlich,
rotierbar angeordnet.
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In diesen um seine Achse rotierenden Tiegel wird aus einem Vorratsbehälter
2 eine wie oben beschriebene Lösung gegen die Wandung des Tiegels geleitet. Durch
die Rotation des Tiegels bildet sich auf der gesamten Innenwand ein dünner Flüssigkeitsfilm,
dessen Dicke im wesentlichen durch die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels, dessen
Benetzbarkeit und durch die Viskosität
der Lösung bestimmt wird.
Die Menge der einfließenden Lösung wird über ein Dosierventil 3 reguliert.
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Aufgrund der Tiegelrotation bildet sich auf der Innenwand des Tiegels
ein Flüssigkeitsfilm gleichmäßiger Dicke.
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Die Beschichtung der Innenwand des Tiegels durch die Lösung wird besonders
gleichmäßig, wenn ein Lösungsüberschuß in den Tiegel eingeführt wird, dieser Überschuß
fließt durch Löcher 22 im Tiegelboden ab und wird in einem Auffanggefäß 4 gesammelt
und kann ggf. wieder verwendet werden.
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Sobald auf der Innenwand des Tiegels eine hinreichend dicke glasbildende
Schicht abgeschieden ist, wird das Dosierventil 3 geschlossen. Nun erfolgt die thermische
Zersetzung der glasbildenden Schicht auf der Innenwand des Tiegels, dabei bildet
sich ein Glasfilm.
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Dazu kann der Tiegel in einer Vakuumkammer angeordnet sein, dies Kammer
kann nun kurzzeitig evakuiert werden, um das in der abgeschiedenen Schicht verbliebene
Lösungsmittel zu verdampfen.
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Nun wird diese Schicht mittels der Induktionsspule 5 erhitzt und damit
thermisch zersetzt.
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Es ist auch möglich, nach dem Schließen des Dosierventils 3 Sauerstoff
durch den-Tiegel zu blasen, damit wird das in der Schicht verbliebene Lösungsmittel
oxidiert und aus der Schicht entfernt.- Danach erfolgt wiederum die thermische Zersetzung
der Schicht.
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Für diese thermische Zersetzung dient die Induktionsspule 5, die die
Tiegelwand erhitzt und damit die Schicht zur Zersetzung bringt. Die Temperatur bei
dieser thermischen Zersetzung ist so zu wählen, daß auf der Innenwand des Tiegels
glasige blasenfreie Glasfilme entstehen.
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Es ist zweckmäßig, wenn der Tiegel während der thermischen Zersetzung
rotiert, damit ist sicher gewährleistet, daß die-glas-
bildende
Schicht überall ihre gleichmäßige Dicke behält.
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Der beschriebene Beschichtungsprozeß kann in mehrfachen Arbeits-Zyklen
wiederholt werden, damit können Glasfilme beliebiger Dicke bzw. Mehrfachglasfilme
mit verschiedenartigen Einzelglasfilmen hergestellt werden.
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Sollen Glasfilme aus Mehrkomponentenglas hergestellt werden, so sind
für jede Komponente einzelne Behälter 6, 7 vorgesehen (in der Figur sind nur zwei
solche Behälter gezeichnet), diese Behälter nehmen Lösungen für die einzelnen Glaskomponenten
auf. Uber Dosierventile 8, 9 werden diese Lösungen in den Vorratsbehälter 2 geleitet
und dort, ggf. mit einem Rührer, homogenisiert. Anschließend wird die so hergestellte
Mehrkomponentenlösung in den Tiegel eingeführt,wie es oben bereits beschrieben wurde.
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Sollen beispielsweise Lichtleitfasern mit parabolischem Verlauf des
Brechungsindex hergestellt werden, so werden nacheinander verschiedenartige glasbildende
Schichten abgeschieden, die zu Glasfilmen thermisch zersetzt werden. Dazu werden
zur Bildung jeder Schicht im Vorratsbehälter 2 Lösungen unterschiedlicher Zusammensetzung
hergestellt. Dementsprechend werden aus den Behältern 6, 7 unterschiedliche Mengen
der Lösungen für die Einzelkomponenten in den Vorratsbehälter 2 eingeführt.
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Dabei ist es möglich, die genaue KonzentrationseinsteIlung der Lösung
im Vorratsbehälter 2 über einen Programmgeber, der die Dosierventile 8, 9 steuert,
automatisch einzustellen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wurde die Flüssigphase zur Beschichtung
des Tiegels wie folgt hergestellt: 0,6 Mol Essigsäure werden in 60 ml Essigester
gelöst, zu dieser Lösung werden in einem Rundkolben, der einen Rückflußkühler besitzt,
0,15 Mol SiC14 gegeben. Diese Mischung wird etwa 6 Stunden lang zum Sieden erhitzt.
Nachdem sie abgekühlt ist, wird unter Durchleiten eines trockenen Stromes eines
gereinigten Inertgases, z.B.
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Argon oder Sauerstoff, aus der Mischung eine weiße Kristallmasse abgeschieden.
Nach dem Abscheiden wird die übrige Reaktionslösung abgegossen. Die Kristallmasse
wird in einem Gemisch von
40 ml C2H50H und 60 ml CH3COOC2H5 gelöst.
Diese Lösung kann zum Gebrauch noch verdünnt werden, z.B. mit dem Gemisch aus C2H50H
und CH3COOC2H5, mit reinem C2H5OH, mit reinem CHDCOOC2H5 25 oder mit anderen niederen
Alkoholen oder Estern, die höchstens 4 Kohlenstoffatome pro Molekül besitzen.
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Diese Lösung kann nun in den Vorratsbehälter 2 gegeben werden und
danach in den Tiegel eingeführt werden. Die aus dieser Lösung auf dem Glasrohr abgeschiedenen
Schichten bilden bei der thermischen Zersetzung hochreine, klareSi02-Schichten.
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Um den Brechungsindex der gebildeten Glas schichten variieren zu können,
können dieser Lösung Zusatzlösungen zugesetzt werden.
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die z.B. Blei in einer Verbindung enthalten, die in der Flüssigphase
löslich ist und bei der thermischen Zersetzung in Bleioxid (PbO) übergeführt wird.
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Diese Lösungen mit variablem Bleigehalt werden nun in die Behälter
6 und 7 eingefüllt. Durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse dieser Lösungen
mit der Flüssigphase im Vorratsbehälter 2 kann ein vorgegebener Anteil an PbO in
der herzustellenden Glasschicht eingestellt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht also an der Innenwand
des Tiegels ein Glashohlzylinder, der ggf. aus vielen Schichten mit verschiedenen
Brechungsindices besteht.
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Bei der thermischen Zersetzung der einzelnen Schichten kann durch
entsprechend lange Heizzeiten erreicht werden, daß durch Diffusion an den Grenzflächen
zwischen den einzelnen Schichten anstatt einer abrupten Brechungsindexänderung ein
kontinuierlicher Verlauf des Brechungsindex erreicht wird.
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Das Ziehen der Glasfaser kann in der folgenden Weise geschehen: Der
Schmelztiegel wird zur Rotation gebracht und auf eine Temperatur erhitzt, bei der
Glasfasern gezogen werdenkönnen.
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Aufgrund der Rotation des Tiegels verändern die einzelnen, nunmehr
aufgeschmolzenen Glas schichten des aufgeschmolzenen Glaszylinders ihre Lage nicht.
Nun kann direkt aus dem rotierenden
Tiegel mittels eines Ziehdorns
eine Glasfaser herausgezogen werden.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Schmelztiegel auf den Kopf
zu stellen, und dann vom Tiegelrand her eine schmale ringförmige Zone zu erhitzen.
Beim Erreichen der Ziehtemperatur wird dann kontinuierlich eine Faser abgezogen.
Durch eine kontinulierliche Bewegung der Heizzone am Tiegel entlang wird nacheinander
die gesamte Glasmasse auf Ziehtemperatur gebracht, so daß sie zur Faser abgezogen
werden kann.
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Die weitere Verarbeitung der Faser erfolgt in bekannter Weise, z.B.
ist es zweckmäßig, die Faser noch mit einem zusätzlichen Kunststoffmantel zu versehen.
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Vorteilhafterweise kann dieser Kunststoffmantel durch Abscheidung
aus einer Flüssigphase, wie es eingangs für die Glasfaserherstellung beschrieben
wurde, erfolgen. Dazu wird die Faser durch ein Bad gezogen, welches niEdere Polymere
bzw.
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Monomere in einem Lösungsmittel enthält, die abgeschiedenen Polymere
bzw. Monomere werden dann zur Polymerisation gebracht.
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7 Patentansprüche 1 Figur