DE2824281A1 - Optischer wellenleiter und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR. ERNST STURM

DR. HORST REINHARD

DIPL.-ING. KARL-JÜRGEN KREUTZ

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Datum 1. Juni 1978 Dr.R.A.

Optischer Wellenleiter und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf optische Wellenleiter und betrifft insbesondere einen Schutzüberzug für solche Wellenleiter.

Die zunehmende Überlastung der bestehenden Nachrichtensystememacht die Entwicklung neuer Systeme hoher Kapazität unter Verwendung von optischen Wellenleitern erforderlich. Optische Wellenleiter werden bekanntlich aus einem durchsichtigen dielektrischen Material, wie Glas, hergestellt und bestehen aus einem zentralen Kern, der von einer Mantelschicht umgeben ist, deren Brechungsindex kleiner als jener des Kernes ist, wobei sich Licht

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entlang dem Wellenleiter fortpflanzen kann. Hinsichtlich der Theorie der optischen Wellenleiter sei beispielsweise auf die US-PS 3,157,726 und auf den Aufsatz "Cylindrical Dielectric Waveguide Mode", von E. Snitzer im "Journal of the Optical Society of America", Bd. 51, Seiten 491 - 498, verwiesen.

In neuerer Zeit sind optische Wellenleiter mit sehr geringer Dämpfung je Längeneinheit entwickelt worden. So ist beispielsweise in der US-PS 3,659,915 ein optischer Wellenleiter mit einer Mantelschicht aus reinem oder gedoptem synthetischen Kieselsäureglas (fused silica) und einem Kern aus gedoptem synthetischen Kieselsäureglas beschrieben. Auch optische Wellenleiter nach der US-PS 3,711,262 sind brauchbar.

Optische Wellenleiter erfordern für Verkabelungsarbeiten und für die Installation in Nachrichtensystemen eine hohe Festigkeit. Nun zeigen aber optische Wellenleiter häufig Risse oder sonstige Oberflächenfehler, die auf Mangel des Herstellungsverfahrens zurückgehen. Da fast alle Brüche von solchen Oberflächenfehlern ausgehen, wird durch jedes Verfahren, welches die Oberflächeneigenschaften von optischen Wellenleitern verbessert, auch deren Gesamtfestigkeit erhöht. Überdies begünstigt jedes Verfahren, welches das Entstehen von Oberflächenfehlern durch Abrieb verhin-

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dert, die Beibehaltung der ursprünglichen Festigkeit. Wellenleiter aus erschmolzenem Glas brechen leicht unter der Einwirkung mechanischer Spannungen, weil an den Oberflächenfehlern, etwa an den Enden von Rissen, eine sehr hohe Bespruchung auftritt, welche die innere Festigkeit des Materials übersteigt.

In der US-PS 3,962,515 ist ein Wellenleiter mit erhöhter Festigkeit beschrieben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Wellenleiter mit einem Kern und einer Mantelschicht, deren Brechungsindex von jenem des Kernes verschieden ist, mit einem Überzug aus metallischem Glas versehen. Dieser Überzug wird in Form einer Flüssigkeit aufgebracht, die sich bei Abkühlung auf Raumtemperatur verfestigt und dabei zusammenzieht, so daß der entstehende Überzug die Oberfläche des Wellenleiters unter Druck setzt. Wenn ein Wellenleiter auf diese Weise unter Druck gesetzt wird, wird er gegen Bruch erheblich verstärkt. Vor einem Bruch des Wellenleiters muß dann nämlich die Druckspannung überwunden werden, da der Wellenleiter erst bei Auftreten einer Zugspannung bricht.

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Metallische Gläser sind für solche Schutzüberzüge besonders geeignet, weil sie mit der bei der Herstellung der Wellenleiter erforderlichen hohen Abkühlgeschwindigkeit verträglich sind, weil sie eine gute Feuchtigkeitssperre bilden, weil sie eine hohe Streckgrenze haben und weil sie die erforderliche Zähigkeit aufweisen.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben. In diesen zeigen: Fig. 1 einen optischen Wellenleiter gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 die Anordnung zum Erwärmen und Ziehen des Wellenleiters während seiner Herstellung und Fig. 4 das Flüssigkeitsbad zum Aufbringen des metallischen Glasüberzugs.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte optische Wellenleiter hat einen Kern 10 und eine Mantelschicht 11. Für die Mantelschicht kann reines oder gedoptes synthetisches Kieselsäureglas verwendet werden, und für den Kern wird synthetisches Kieselsäureglas verwendet, das in dem erforderlichen Ausmaß mit Zusätzen gedopt ist, um seinen Brechungsindex im gewünschten Ausmaß größer als jenen der Mantelschicht zu machen.

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Gemäß der Erfindung ist der so gebildete optische Wellenleiter mit einem Überzug 12 aus metallischem Glas versehen.

Ein Wellenleiter mit einer Mantelschicht aus reinem synthetischen Kieselsäureglas und einem Kern aus gedoptem synthetischen Kieselsäureglas kann auf verschiedene Arten erzeugt werden.

Beispielsweise kann ein Stab aus einem synthetischen Kieselsäureglas, die in dem zur gewünschten Erhöhung des Brechungsindex über den für reines synthetisches Kieselsäureglas geltenden Wert erforderlichen Ausmaß gedopt ist, in ein Röhrchen aus reinem synthetischen Kieselsäureglas eingeführt werden und die Temperatur dieser Kombination aus Stab und Röhrchen so erhöht werden, daß die Kombination eine für einen Ziehvorgang ausreichende Viskosität annimmt. Sodann wird die Kombination aus Stab und Röhrchen einem Ziehvorgang unterworfen, bis das Röhrchen zur Anlage an dem Stab kommt und mit diesem verschmilzt und schließlich der Querschnitt der verschmolzenen Kombination auf den gewünschten Wert vermindert worden ist.

Es kann aber auch das in der US-PS 3,711,262 beschriebene Verfahren angewendet werden, nach dem zunächst an der Innenwandung eines Röhrchens aus reinem synthetischen Kieselsäureglas ein Film aus gedoptem synthetischen Kie-

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selsäureglas gebildet wird und hierauf das Röhrchen samt Film einem Ziehvorgang unterworfen wird, um den Röhrchenquerschnitt zu vermindern und den Film aus gedoptem synthe tischen Kieselsäureglas in einen Kern mit Vollquerschnitt und dem gewünschten Durchmesser zu verformen.

Fig. 3 erläutert ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters mit einem metallischen Schutzüberzug gemäß der Erfindung.

Ein dickwandiges Röhrchen 13 aus für die Mantelschicht geeignetem Glas trägt an seiner Innenseite einen dünnen Film 14 aus einem für den Kern geeigneten Glas und an seiner Außenseite einen Überzug 15 aus metallischem Glas, der einer hohen Temperatur ausgesetzt und dadurch verflüssigt wird.

Das dickwandige Rohr 13 wird in einem Ringofen 16 erwärmt, bis es selbst und der Film 14 eine für das Ziehen hinreichend niedrige Viskosität annehmen. Sodann wird die Einheit einem Ziehvorgang unterworfen, bei dem der axiale Hohlraum 17 kollabiert bzw. vom Kernglasmaterial des Filmes 14 ausgefüllt wird und sich eine Glasfaser mit einem Vollkern 10 ergibt, der von einer Mantelschicht 11 und überdies von einem Schutzüberzug 12 umgeben ist.

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Fig. 4 stellt ein flüssiges Bad 18 für das Aufbringen eines Überzugs 12 aus metallischem Glas auf einen Wellenleiter dar. Durch das flüssige Bad 18 mit der für den Schutzüberzug gewünschten Zusammensetzung wird ein Wellenleiter mit dem Kern 10 und der Mantelschicht 11 hindurchgezogen.

Die für den Kern und die Mantelschicht von optischen Wellenleitern brauchbaren Gläser sind in den bereits zitierten Patentschriften angegeben. Der Schutzüberzug 12 besteht aus einem Glas mit einer anderen chemischen Zusammensetzung und hat einen größeren Wärmedehnungskoeffizienten als das Glas der Mantelschicht 11. Wenn sich das Röhrchen während der Fertigstellung des Wellenleiters abkühlt, wird infolge der unterschiedlichen Kontraktion von Schutzüberzug und Mantelschicht die Mantyelschicht unter Druck gesetzt, wogegen im metallischen Glasüberzug eine Zugspannung auftritt. Ein solcher Überzug dehnt sich bei Abrieb erst, sobald die wirksame Zugspannung die Streckgrenze überschreitet. Das Material des Überzugs muß sorgfältig so ausgewählt werden, daß die Oberfläche der Mantelschicht unter Druck gesetzt wird und der Überzug selbst nicht spröd und bruchgefährdet ist.

Metallische Gläser sind gut für den Überzug geeignet, weil sie sich bei der Verfestigung durch Abkühlung auf Raum-

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temperatur zusammenziehen. Ferner haben metallische Gläser im plastischen Zustand auch gute Fließeigenschaften, und überdies gehören sie zu den Materialien mit den höchsten Streckgrenze-Werten. Einige metallische Gläser haben Streckgrenzen bis zu 1050 kp/cm .

Im allgemeinen werden einfache metallische Gläser aus einem Edelmetall (oder einem Übergangsmetall) und einem Metalloid (B,C,Si, N, P, Ge, Sb) hergestellt. Die Einverleibung zahlreicher Bestandteile beider Arten in eine Glassorte ergibt besondere Vorteile.

Ein Beispiel für ein brauchbares metallisches Glas ist die Zusammensetzung ^Ni ₃6^Fe32^Cr14^P12^B6 (^nerS^{estellt von} der Fa. Allied Chemical Company). Zu den brauchbaren metallischen Glassorten zählen auch ^Fego3^Pi63^C39^{B und} Fe-JVi-JP., „B„ (hergestellt von der Fa. Allied Chemical Company) sowie Pd₇₇Au₅Si₁₈ und Pd₇₇Ag₅Si₁₈, Pd₇₇Cu₅Si₁₈.

Es können auch andere Metalle verwendet werden, um die Fasern zu überziehen und unter Druck zu setzen. Zahlreiche

5 ο dieser Metalle müssen um etwa 10 C/sec abgekühlt werden, um metallische Gläser zu bilden. Bei der Herstellung von optischen Wellenleitern wird die sich in Längsrichtung

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bewegende heiße Glasfaser von etwa 20.00 C längs einer Strecke in der Größenordnung von 2 cm oder weniger auf Raumtemperatur abgekühlt. Bei einer typischen Ziehgeschwindigkeit von 2 m/sec entspricht dies einer Abkiihl zeit von 10 see. Die Abkühlgeschwindigkeit ist dann, wie erforderlich, in der Größenordnung von 10 °C/sec.

Ein weiterer Vorteil der metallischen Gläser ist ihre hohe Streckgrenze. Wenn sich das metallische Glas zusammenzieht, wird es unter Zugspannung gesetzt, während es gleichzeitig auf die Glasfaser einen Druck ausübt. Die Zugspannung kann natürlich nicht die Streckgrenze des Überzugs überschreiten; deshalb ermöglicht gerade die hohe Streckgrenze des metallischen Glases das Auftreten einer hohen Zugspannung im Überzug und damit das Entstehen eines starken Druckes in der Faser.

Die hohe Streckgrenze und Zähigkeit von metallischen Gläsern verleihen somit den Überzügen besonders günstige Eigenschaften für den geschilderten Gebrauchszweck. Die optischen Fasern werden nach ihrer Herstellung an sich auf eine Weise gehandhabt, bei welcher Bruchgefahr besteht. Durch die erfindungsgemäßen Überzüge wird diese Bruchgefahr jedoch wesentlich gemildert.

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Ein weiterer Vorteil der metallischen Glasüberzüge liegt in ihrer Sperrwirkung gegenüber Feuchtigkeit. Optische Fasern, die nach ihrer Installation einer Langzeitbeanspruchung und Feuchtigkeitseinwirkung unterliegen, können verzögerte Brucherscheinungen zeigen. Diese beruhen auf der Einwirkung der Feuchtigkeit auf Fehlerstellen an der Wellenleiteroberfläche, z.B. auf Risse, die ein Wachsen der Risse oder sonstige Fehler zur Folge hat. Sobald die Risse oder sonstigenFehler ein Ausmaß annehmen, bei dem Brucßgefahr besteht, tritt schon bei normaler Handhabung der Wellenleiter leicht ein Bruch auf. Ein Überzug, der das Vordringen von Feuchtigkeit zu Fehlerstellen an der Wellenleiteroberfläche verhindert, bringt daher einen erheblichen Vorteil.

Verschiedene metallische Gläser und deren Eigenschaften sind in folgenden Aufsätzen genauer beschrieben:

J.J. Gilman, "Physics Today", Mai 1975, Seite 46;

H. Jones in "Reports on Progress In Physics", 36, 1425 (1973)

M. Dutoit & H.S. Chen in "Applied Physics Letters", 23, 357 (1973;

H.S. Chen und CE. Miller in "Review Of Scientific Instruments", 41, 1237 (1970).

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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen im Rahmen der Erfindung natürlich noch verschiedene Abwandlungen zu.

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Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE

1. Optischer Wellenleiter mit einem Kern und einer Mantelschicht, die unterschiedliche Brechungsindices aufweisen,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Mantelschicht von einem Überzug aus metallischem Glas umgeben ist.

2. Wellenleiter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Überzug in Umfangsrichtung unter Zugspannung steht und auf die Mantelschicht einen Druck ausübt.

3. Wellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das metallische Glas aus der Gruppe F

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^C39^Ü< > ^Fe40^Ni40^P14^LV' ^pd77^Au5^Si18> ^Pd77^AS₅ ^Si18 Pd₇₇Cu-Si₁₈ ausgewählt ist.

4. Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Glas die Zusammensetzung Ni__cFe„_o-^Cr14^P12^BG ^hat·

5. Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Glas mindestens ein Edelmetall oder ein Übergangsmetall und mindestens ein Metalloid enthält.

6. Verfahren zum Herstellen eines \/ellenleiters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überzug aus flüssigem metallischem Glas an der Mantelschicht des Wellenleiters bis zur Verfestigung abgekühlt wird, so daß er sich zusammenzieht und dadurch die Mantelschicht unter Druck setzt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Glas in flüssiger Form auf die Man-

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telschicht des Wellenleiters aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß an der Innenseite eines Glasröhrchens ein Film aus
Kernglas gebildet wird, das einen anderen Brechungsindex als das Glasröhrchen hat, worauf diese Einheit auf Ziehtemperatur erhitzt wird und ihr Querschnitt durch Ziehen vermindert wird, bis das Röhrchen kollabiert und der
Film aus Kernglas einen Kern mit Vollquerschnitt bildet»

9. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß an der Außenseite des Glasröhrchens vor dem Erhitzen und Ziehen der Einheit auch ein Film aus metallischem
Glas gebildet wird, der beim nachfolgenden Erhitzen verflüssigt wird.

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INSPECTED