DE2741314B2 - Lichtleitfasern zur Nachrichtenübertragung mit hoher Strahlungsstabilität - Google Patents

Lichtleitfasern zur Nachrichtenübertragung mit hoher Strahlungsstabilität

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Description

Die Erfindung betrifft eine neue, Nachrichten übertragende Lichtleitfaser, die besonders strahlungsstabil ist
Nachrichtenfasern müssen sich durch niedrige Transmissionverluste von weniger als 20 dB/km, bevorzugt von weniger als 10 dB/km, und durch geringe Impulsdispersion von weniger als 6 ns/km, bevorzugt weniger als 4ns/km auszeichnen, wenn sie zur Übertragung von Informationen über mehr als 500 m mit ausreichender Bandbreite als 100 Megahertz geeignet sein sollen.
Der Einsatz von Nachrichtenfasern mit solchen ausgeprägten Eigenschaften wird jedoch unmöglich, wenn höhere Strahlungsdosen auf solche Fasern wirken.
Belastungen von 104 Rad machen den Gebrauch von solchen Fasern, obwohl sie eigentlich zur störungsfreien Übertragung besser geeignet wären als elektromagnetische oder elektrische Übertragungsstrecken, unmöglich. Das liegt insbesondere daran, daß solche Strahlungsbelastungen die normalerweise durch CVD-Techniken hergestellten Kernglas- und optisch isolierenden Borosilikatglaszonen besonders stark schädigen und so zu hohen Transmissionsverlusten, hervorgerufen durch die Bestrahlung, führen.
Ziel der Erfindung ist daher eine Nachrichtenfaser, die möglichst strahlungsstabil ist, insbesondere im infraroten Spektralbereich, in dem die für diesen Anwendungszweck verwendeten Lichtsender (Laser und LEDs) und Lichtempfänger arbeiten.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäB dadurch erreicht, daß sowohl dem Mehrkomponentenglas, welches in seinem Brechungsindex von außen nach innen ansteigend der lichtführenden Kern bildet, als auch der optischen Isolierzone aus Borosilikatglas, welche diesen Kern umgibt, eine genau festgelegte Menge an Sb2O3 beigemischt ist.
Der lichtführende Kern aus Mehrkomponentenglas und die optische Isolierzone mit besonders niedrigem Brechungsindex (kleiner als der von glasigem SiO2) aus Borosilikatglas, befinden sich gemeinsam in einem zusätzlichen SiO2-Glasmantel, der aus Herstellungsgründen für die Innenbeschichtung nach der CVD-Technik erforderlich ist.
Die Herstellung solcher zur Nachrichten-Übertragung geeigneter Fasern erfolgt meist durch Pyrolyse (unter Sauerstoffzugabe) von SiCU, BCl3, POCl3, GeCl4 und anderen Metallchloriden, vorzugsweise solchen, die bei Raumtemperatur flüssig sind. Auch die Zugabe von SbCU wurde schon vorgeschlagen, jedoch nur für das Kernmaterial, nicht zum Zweck der Stabilisierung, und im allgemeinen in hohen Mengen (DE-AS 25 46 162).
Es wurde nun gefunden, daß durch eine Zugabe von SbCl5 im CVD-Prozeß der Nachrichtenfaser-Herstellung in definierten Mengen der Art, daß sowohl das Mehrkomponentenglas des Kernes als auch das Borosilikatglas der optischen Isolierzone 0,002 bis 6Gew--% Sb2O3 enthalten, eine Stabilisierung gegen Bestrahlung bis über 104 Rad erzielt wird.
Besonders günstig ist ein Gehalt von 0,002 bis 2,9 Gew.-% Sb2O3 in beiden Gläsern.
Hervorzuheben ist, daß eine Stabilisierung des Mehrkomponentenglases, welches den lichtführenden Kern bildet, allein nicht ausreicht Obwohl die niedrig brechende, optische Isolierzone aus Borosilikatglas generell dazu gedacht ist vagabundierende Moden auszukoppeln und so zur Impulsdispersions-Verringes rung beizutragen, wurde gefunden, daß ein wesentlicher Unterschied darin besteht ob auch diese optische Isolierzone aus Borosilikatglas mit Sb2O3 stabilisiert ist oder nur das Kem-Mehrkomponentenglas. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Stabilisierung durch Antimonoxid ausreichen soll für Strahlungsintensitäten über 1 (P Rad.
Von besonderer Bedeutung ist darüber hinaus, daß das Mehrkomponentenglas der - Kernglaszone, dem späteren Faserkern, durch eine Pyrolyse unter Anwendung von O2 bei einer Temperatur von mindestens 18000C für jede Schicht einzeln erzeugt wird Die durch diese hohe Temperatur entstehenden Schwierigkeiten des Kollabierens während der Beschichtung werden dadurch überwunden, daß man speziell gearbeitete
jo Brenner benutzt, deren Heizzone möglichst schmal gehalten wird. Außerdem läßt sich durch entsprechende Auswahl der Rohre und genau angepaßte O2- Drücke den Schwierigkeiten entgegenwirken. Tatsächlich kollabiert das Rohr jedoch während der Ionenbeschichtung schon leicht.
Die Strahlungsbelastung wird bei allen hier erwähnten Angaben über einen weiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums gestreut, so wie es bei Kernreaktionen üblich ist, mit Bestrahlungsdauern unter 24 h, bevorzugt unter 2 h gewertet, weil längere Summierung von Bestrahlung, d. h. Langzeitbestrahlungen zur Erhöhung der Strahlungsdosen in Ermangelung genügend starker Strahlungsquellen dem Glas Ausheilungsprozesse erlauben und das Ergebnis verschlechtern.
Insbesondere sind kurzzeitige hohe Strahlungsdosen in diesem Zusammenhang von Interesse; dafür geeignete Fasern sind für Langzeitbestrahlungen zusätzlich geeignet.
Fi g. 1 zeigt die Transmission in dB/km, aufgetragen gegen die Wellenlänge, für eine stabilisierte und für eine nicht-slabilisierte Faser, wobei in der stabilisierten Faser der Kern mit 0,119Gew.-% Sb2O3 und die optische Isolierung mit 0,009 Gew.-% Sb2O3 stabilisiert wurden. Der Kern besteht aus einzelnen Schichten (43 Stück), deren Zusammensetzung schrittweise und linear, ausgehend von 2Gew.-% SiO2, ~ 10Gew.-% GeO2 und 18Gew.-% P2O5, auf eine ungefähre Zusammensetzung in der Faserebene von ~ 52Gew.-% SiO2, 40Gew.% GeO2 und 8Gew.-%
wi P2O5 (beide Angaben ohne die Sb2Oj-Menge), verändert wurde (Kurve 1 gilt für die unbestrahlte, Kurve 2 für die bestrahlte Faser). Diese Faser erhielt eine optische Isolierzone aus Borosilikatglas mit einer ungefähren Zusammensetzung von ~ 9)% SiO2 und ~ 9% B2O3,
hr> die wiederum ohne die Sb2O3-Stabilisierungsmenge angegeben ist (Kurven 1 und 2).
Darüber hinaus enthält die Fig. 1 als Kurve 3 die unbestrahlte und als Kurve 4 die bestrahlte Fasertrans-
mission einer anderen Faser, die sich dadurch von der erstgenannten Faser unterscheidet, daß nur der Faserkern, nicht aber die optische Isolierschicht durch Zugabe von SbA stabilisiert wurde. Die Zusammensetzung der beiden Fasern unterscheidet sich im übrigen nur unwesentlich (technologisch bedingte Zusammensetzungs-Schwankungen im Gehalt an P2Os, d. h. im Strom des POCI3 von der Pyrolyse, < 2%). Hier zeigt sich deutlich, weiche Verbesserung die zusätzliche Stabilisierung der optischen Isolierung, d. h. der Borosilikatrone bringt, vor aliem im infraroten Spektralbereich über 800 nm, in dem die Sender (LEDs und Laser) und Empfänger heute arbeiten.
Die Kurve 5 in Fig. 1 gibt die Werte für eine dritte unbestrahlte und nicht stabilisierte Faser wieder, die sich im übrigen nur im Rahmen der technologischen Reproduzierbarkeit von den anderen beiden Fasern dieser Abbildung unterscheidet Ihre Transmission nach Bestrahlung mit 104 Rad ist als Kurve 6 wiedergegeben.
Fig. 2 zeigt eine Elektronen-Rückstrej-Auf nähme (LiF-Kristall, Sb-L01) für Antimon in einer anderen Faser, in der der Gehalt an Sb2O3 von etwa 0,2 (außen) auf etwa 0,9Gew.-% (innen) zum Kern der Faser ansteigend eingebaut wurde. Diese Aufnahme soll die Qualität der Analysenmethode für Antimon beschreiben.
Die nachstehenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern. Für die Herstellung der Faser:ί gelten die gleichen Bedingungen, wie sie in der DE-AS 25 46 162 beschrieben sind.
Beispiel 1
In eine Gleichlaufdrehbank wird ein Quarzrohr mit den Abmessungen 1000 mm Länge, 14 mm Außendurchmesser und 1,2 mm Wandstärke eingespannt und an ein Gaserzeugungssystem angeschlossen. Während 500 ml/min nachgereinigter und durch Molsieb nachgetrockneter O2 (Qualität 4,5), durch das sich mit 100 Upm drehende Rohr fließt, wird das Quarzrohr mit einem Knallgasbrenner, dessen Flamme mit 2 m/min über das Rohr streicht, auf 2050° C vorgeglüht. Anschließend werden 30 Schichten eines niederbrechenden Glases, bestehend aus 30 Gew.-% B2O3, 1 Gew.-% Sb2O3 und 69 Gew.-% SiO2 bei 2050 bis 185O0C an der Rohrinnenwandung durch pyrolytische Zersetzung von BCl3, SbCIs und SiCU/OrAerosolen abgeschieden. Danach wird der BCI3-Strom unterbrochen und mit dem Aufbau des lichtleitenden Kernmaterials begonnen. Durch die auf 50° C temperierten Gaserzeugungsgefäße fließt 107 ml/min O2 durch SiCI4, 50 ml/min O2 durch POCl3, 12 ml/min O2 durch GeCU und 2,5 ml/min O2 durch SbCl5. Die Aerosole werden im Rohr bei 2O7O°C pyrolytisch zersetzt, und die Schicht wird auf der Innenwandung des Rohres glasig aufgeschmolzen. Während des Aufbaus der 70 Kernschichten wird linear die O2-Menge, die durch die GeCU- und SbCI5-Gefäße fließt, auf 98 ml/min O2 bei GeCU und 51 ml/min O2 bei SbCIs erhöht Dadurch steigt der Brechungsindex von 1,527 in der ersten glasigen Schicht während des Kernaufbaues auf 1487 an, während die Konzentration von Sb2O3 im Glas von 0,02 auf 1,5 Gew.-% ansteigt Nach dem Kernaufbau wird das Rohr schrittweise durch Erhöhung der Temperatur auf 23000C zum Stab kollabiert der einen Außendurchmesser von 8 mm, IU einen Kerndurchmesser von 43 mm und eine nutzbare Länge von 530 mm hat
Beispiel 2
Ein Quarzrohr mit den Abmessungen 1250 mm Länge, 20 mm Außendurchmesser und 2,0 mm Wandstärke wird mit einer 10%igen Flußsäurelösung p. a. ausgespült mit destilliertem H2O und destilliertem CH3OH nachgespült und mit getrocknetem N2 getrocknet Dieses Rohr wird in eine Gleichlaufdrehbank eingespannt an die Gaserzeugungsapparatur angeschJossen und mit 57 Upm gedreht Durch einen Sauerstoff/Propan-Brenner mit einem Vorschub von 1,3 m/min wird das Rohr auf 21000C vorgeglüln. Dabei fließt durch das Rohr 400 ml/min O2 (Qualität 4,5),
2> 100 ml/min N2(Qualität 5,0) und 50 ml/mip He (Qualität 6,0). Die Gase werden vorher durch ein Milipore-Filter mit einer Teflonmembrane geschickt Danach werden bei 2100°C 10 Schichten SiO2 und Sb2O3 aufgebrannt Dazu wird 100 ml/min O2 durch auf 300C temperiertes
jo SiCU und auf 8O0C temperiertes SbCIs geleitet und das Aerosol im Rohr pyrolytisch zersetzt Anschließend wird dazu 75 ml/min POCl3-Aerosol hinzudosiert. Außerdem werden von jetzt an 50 ml/min O2 durch SbCU, das auf 93° C temperiert ist geleitet und zudosiert.
)5 Aus dem beladenen Gasstrom werden bei 20100C die Oxide abgeschieden und glasig auf der Rohrinnenwand aufgeschmolzen. Während des weiteren Aufbaus der Kerngradienten wird die O2-Menge, die durch das SbCIs fließt, parabolisch innerhalb von 53 Schichten auf
4(i 390 ml/min O2 gesteigert Dabei steigt der Gehalt an SbCI5 von 0,2 auf 2,9 Gew.-% an. Der Brechungsindex steigt von 1,518 auf 1,531 an. Nach Beendigung des Kernaufbaues werden die Komponenten bei jedem Kollabierschritt, bei dem das Rohr durch Verminderung
4ϊ des Brennervorschubes bis auf 22500C erhitzt wird, in seinem Außendurchmesser auf die Hälfte reduziert. Das zu Preform kollabierte Rohr hat einen Außendurchmesser von 10 mm und einen Kerndurchmesser von 3,2 mm. Die nutzbare Länge beträgt 690 mm.
r)ii Nach diesen Beispielen lassen sich Lichtleitfasern für die Nachrichten-Übertragung fertigen, die mehr als 103 Rad Kurzzeit-Dosierung standhalten, ohne ihre Transmission im infraroten Stektralbereich stark zu vermindern.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Nachrichtenübertragende Lichtleitfaser mit einem Kern aus Mehrkomponenteuglas und einem Mantel aus SiOrGlas, wobei zwischen Kern und Mantel eine Borosilikatglaszone angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Mehrkomponentenglas als auch die Borosilikatglaszone durch einen Gehalt von Sb2O3 gegen Strahlung stabilisiert ist
2. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Sb2Oa zwischen 0,002 und 6 Gew.-% liegt
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