DE2818036A1

DE2818036A1 - Gegen werkstoffermuedung geschuetzter lichtleiter

Info

Publication number: DE2818036A1
Application number: DE19782818036
Authority: DE
Inventors: Carles Kuen Kao
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1977-04-29
Filing date: 1978-04-25
Publication date: 1978-11-09
Also published as: NL7804449A; GB1592234A; AU3539878A; FR2389147A1

Description

C.K.Kao-23

Gegen Werkstoffermüdung geschützter Lichtleiter

Die Erfindung betrifft einen gegen Werkstoffermüdung geschützten Lichtleiter für die optische Nachrichtenübertragung.

Es ist festgestellt worden, daß Lichtleiter für die optische Nachrichtenübertragung, die ursprünglich eine hohe Zugfestigkeit besaßen, zerbrachen, wenn sie eine längere Zeit einer Zugspannung ausgesetzt wurden. Die Ursache für ein solches Verhalten ist eine Werkstoffermüdung. Unebenheiten in der Glasoberfläche sind die Ursache für Mikrorisse, welche zum Brechen des Lichtleiters bei einer Zugspannung führen, welche niedriger als die ursprüngliche Zugfestigkeit des Lichtleiters ist. Die Ermüdungsbrüche sind auf OH-Reaktionen zurückzuführen, die im Glas stattfinden, wenn Wassermoleküle in die auf der Glasoberfläche vorhandenen Mikrorisse eindringen.

Das überziehen der Lichtleiter mit unterschiedlichen Kunststoffen vermindert die durch Werkstoffermüdung entstehenden Fehler etwas. Bei einer längeren Betriebsdauer jedoch, verliert der Kunststoff seine Eigenschaft als Feuchtigkeitssperre oder, bei einigen Kunststoffarten, ist er selbst eine Feuchtigkeitsquelle .

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, einen Lichtleiter für. die optische Nachrichtenübertragung

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zu schaffen, dessen Oberfläche gegen die Berührung mit Feuchtigkeit geschützt ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Lichtleiters mit einer nichtmetallischen, wasserundurchlässigen Schutzschicht überzogen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Ansprüchen bis 4 enthalten, welche nachstehend anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert sind.
Es zeigen:

Fig.1 eine Kennlinie, welche die Standzeit einer Quarzfaser in Abhängigkeit vom pH-Wert auf der Faseroberfläche wiedergibt,

Fig.2 den Querschnitt eines Lichtleiters mit der erfindungsgemäßen Schutzschicht,

Fig.3 den Querschnitt des Lichtleiters gemäß Fig.2 mit einer zusätzlichen Kunststoffhülle,

Fig.4 den Querschnitt der Lichtleiter-Vorform, und

Fig.5 eine - teilweise im Längsschnitt gezeigte - Vorrichtung zum Herstellen der Schutzschicht.

Fig.1 zeigt die Abhängigkeit der effektiven Zugfestigkeit einer Quarzfaser - ausgedrückt als Standzeit bis zum Bruch unter einer gleichbleibenden Belastung von 500 kg/mm in Abhängigkeit vom pH-Wert der Faseroberfläche, die sich in einer

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gesättigten Atmosphäre befindet. Die Kennlinie verdeutlicht, daß sich die·Standzeit fortschreitend erhöht, wenn der pH-Wert gegen O geht oder einen negativen Wert annimmt. Punkt B der Kennlinie ist die Standzeit einer Quarzfaser in Luft, welche eine relative Feuchtigkeit von 50 % besitzt. Punkt A der Kennlinie ist die Standzeit einer Quarzfaser in Wasser mit einem pH-Wert von 7.

Punkt C ist die Standzeit einer Quarzfaser in Teilvakuum (2x10 Torr), damit die Wasserkonzentration auf einem niedrigen Wert bleibt. Punkt D ist die Standzeit einer Quarzfaser, die gemäß der Erfindung mit einer Schutzschicht aus Siliziumnitrid versehen ist. Die erhöhte Standzeit ist ein Beweis dafür, daß die Zugfestigkeit einer Faser, welche einer dauernden Zugbeanspruchung unterworfen ist, wesentlich erhöht werden kann, wenn Wasser wirksam von deren Oberfläche ferngehalten ist.

Fig.2 zeigt einen Lichtleiter 10 für die optische Nachrichtenübertragung, der einen Kern 11 im wesentlichen aus dotiertem Quarz und eine Hülle 12 aus dotiertem Quarz besitzt, über Kern 11 und Hülle 12 besitzt der Lichtleiter 10 einen Schutzüberzug 13 aus Siliziumnitrid. Der Siliziumnitridüberzug 13 schützt die Lichtleiteroberfläche vor Feuchtigkeit. Siliziumnitrid besitzt Eigenschaften, die eine sehr gute Verträglichkeit mit Quarz gewährleisten und bereits sehr geringe Schichtdicken - so wurde festgestellt - sind für Wasser vollständig undurchdringlich. Es wird eine solche Schichtdicke für die Schutz-

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schicht 13 gewählt, daß die Wasserdurchlässigkeit gleich O ist. Eine Schichtdicke von 1 μ ist bereits ausreichend, weil üblicherweise nur ein paar Hundert Ä benötigt werden, damit eine Gleichmäßigkeit zwischen den Siliziumnitridmolekülen erzielt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig.2 beträgt die Schichtdicke etwa 1 000 Ä.

Fig.3 zeigt den mit einer Schutzschicht aus Siliziumnitrid versehenen Lichtleiter 10 aus Fig.2, bestehend aus einem Kern 11, einer Hülle 12, der Siliziumnitridschutzschicht 13 und einer äußeren Kunststoffhülle 14. Ihre Aufgabe ist es, die Gesamtfestigkeit des Lichtleiters 10 zu verbessern.

Üblicherweise wird für die Herstellung eines Lichtleiters gemäß Fig.2 und 3 eine Lichtleitervorform benötigt. Die in Fig.4 gezeigte Vorform 15 enthält den Kernwerkstoff 11' und den Hüllenwerkstoff 12', aus denen nach dem Ausziehen zum Lichtleiter Kern 11 und Hülle 12 entstehen.

Die Siliziumnitridschutzschicht wird in folgender Weise erzeugt: Die Lichtleitervorform 15 wird erhitzt und zu einem Lichtleiter gezogen. Dabei wird der Lichtleiter im gleichen Herstellungsschritt sogleich durch eine Siliziumnitrid-Beschichtungsvorrichtung geführt, so daß die Siliziumnitrid-Schutzschicht 13 auf der Lichtleiteroberfläche erzeugt wird, wenn sie noch heiß vom Ziehen ist, so daß sich auf der heißen Lichtleiteroberfläche keine Wassermoleküle niederschlagen können.

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Fig.5 zeigt eine oberhalb einer Heizvorrichtung 16 angeordnete Lichtleitervorform 15, von der ein Stück des gezogenen Lichtleiters 15' durch die Beschichtungskammer 17 geführt wird. Die Beschichtungskammer 17 ist vollständig verschlossen und besitzt einen Einlaß 18 für die Zuführung des Siliziumnitrid enthaltenden Stoffes und den Auslaß 19. Die Beschichtungskammer 17 ist von mehreren Induktionsspulen 22 umgeben, die - wie angedeutet - ein Hochfrequenzplasma 20 erzeugen. Die Abscheidung von Siliziumnitrid mittels Hochfrequenzplasma wird bevorzugt, weil dabei kontinuierlich wasserdichter Siliziumnitridwerkstoff entsteht. Der mit Siliziumnitrid beschichtete Lichtleiter 10 tritt am unteren Ende aus der Beschichtungskammer heraus.

Obwohl die Beschichtung mit Siliziumnitrid vorstehend im '^ Zusammenhang mit Hochfrequenzplasma 20 und Siliziumnitrid in molekularer Form beschrieben wurde, sind auch andere gleichwertige Verfahren der Siliziumnitridbeschichtung anwendbar. Ein anderes Verfahren kann sich beispielsweise der Reaktion zwischen der äußeren Quarzschicht des Lichtleiters und einer Stickstoffmischung bedienen, um in der Quarzoberfläche eine sehr dünne Siliziumnitridumwandlungsschicht zu erzeugen.

Andere Werkstoffe, mit denen auch wasserundurchdringliche Schichten erzeugt werden können, sind Magnesium-, Kalzium- und Quarzfluorid. Weitere Verfahren zur Erzeugung dieser Schichten sind das Aufdampfen im Vakuum und mittels Glimmentladung.

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Obwohl Magnesium-, Kalzium- und Quarzfluorid als wasserdichte Schichten besonders wirkungsvoll sind, können auch Schichten aus anderen elektrisch nicht leitenden Werkstoffen verwendet werden. Diese Bedingung ist besonders dann wichtig, wenn die Lichtleiter in Sicherheitszonen eingesetzt werden sollen. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn die optische Nachrichtenübertragung in militärischen Einrichtungen angewandt wird, wenn die Entdeckung durch hochfrequente Fernmessung, wie Radar, unterbunden werden soll.

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Claims

Patentanwalt
Dipl.-Phys.Leo Thul
Kurze Str.7
7 Stuttgart 30

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INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Ansprüche

Gegen Werkstoffermüdung geschützter Lichtleiter für die optische Nachrichtenübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Lichtleiters mit einer nichtmetallischen, wasserundurchlässigen Schutzschicht überzogen ist.
2. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Siliziumnitrid besteht.
3. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem Magnesium-, Kalzium- oder Siliziumfluorid besteht.
4. Lichtleiter nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter mit einer Kunststoffhülle versehen ist.

Bö/Sch
18.4.1978

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