DE2841909A1

DE2841909A1 - Verfahren zum herstellen eines optischen wellenleiters

Info

Publication number: DE2841909A1
Application number: DE19782841909
Authority: DE
Inventors: Suresh Thakordas Gulati; George Walter Scherer
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1977-09-29
Filing date: 1978-09-26
Publication date: 1979-04-05
Also published as: AT388725B; NL174137C; JPS6216904U; CA1117334A; GB2004863B; BR7805597A; FR2404864A1; FR2404864B1; IT1099618B; DE2841909B2; JPS5464134A; GB2004863A; NL174137B; ATA701778A; NL7809849A; IT7828261A0

Description

CORNING GLASS WORKS in Coming (New York, USA)

Verfahren zum Herstellen eines optischen Wellenleiters

Die Erfindung "bezieht sich auf optische Wellenleiter und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines Wellenleiters mit einem Brechungsindexgradienten und einer großen numerischen Apertur.

Wellenleiter, die sich zur Verwendung in optischen Nachrichtensystemen eignen, werden nachfolgend als "optische Wellenleiter" bezeichnet; sie bestehen normalerweise aus einem transparenten dielektrischen Material, wie Glas oder Kunststoff.

Wellenleiter mit einem Indexgradienten haben eine radial veränderliche Zusammensetzung und dementsprechend einen radial veränderlichen Brechungsindex. In solchen Wellenleitern wird das sich in axialer Richtung fortpflanzende Licht gebündelt. Diese Bündelwirkung äußert sich in einer großen numerischen Apertur. Verfahren zum Herstellen von Wellenleitern mit Indexgradienten sind in den US-PSen 5,823.995 und 3,826.560 beschrieben.

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Die US-PS 3,826.560 beschreibt ein Flammhydrolyse-Verfahren zum Herstellen eines Wellenleiter-Rohlings aus Glas, bei dem die Konzentration eines Dopungszusatzes zu einer glasbildenden Siliziumverbindung geändert wird, während der Rohling in radialer Richtung aus dem gedopten Glas aufgebaut wird. Die Änderung der Konzentration des Dopungszusatzes erfolgt entsprechend der gewünschten Änderung des Brechungsindex.

Optische Wellenleiter mit einer großen numerischen Apertur (von ungefähr 0,2 und mehr) haben einen stark ausgeprägten radialen Gradienten der Materialzusammensetzung, der zu inneren Spannungen im Wellenleiter führt. Diese inneren Spannungen beruhen auf der Änderung des Wärmedehnungskoeffizienten infolge der Änderung der Materialzusammensetzung in radialer Richtung.

Bei der Herstellung eines Wellenleiter-Rohlings aus Glas nach einem äußeren Dampfphasen-Oxydationsverfahren, wie sie in der US-PS 3₅826.560 beschrieben sind, ergibt sich nach dem Herausziehen des Ausgangsdornes aus dem Rohling ein kleines Loch in der Mitte des Rohlings. Die bei diesem Verfahren entstehenden inneren Spannungen nehmen an der Wandfläche des Loches den Höchstwert an.

Alle diese inneren Spannungen verursachen einen Bruch oder Fehler, wenn der Wellenleiter-Rohling gesintert und anschließend gekühlt wird.

Die Erfindung zielt deshalb darauf ab, optische Wellenleiter mit einem radialen Brechungsindexgradienten derart herzustellen, daß die inneren Spannungen,

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insbesondere die an der Innenfläche von rohrförmigen Wellenleiter-Rohlingen auftretenden Spannungen, vermindert werden. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, die Zusammensetzung eines optischen Wellenleiter— Rohlings so zu steuern, daß der innere Teil desselben "bei der Abkühlung unter Druckspannung gesetzt wird.

Erfindungsgemäß werden diese Ziele dadurch erreicht, daß der Wellenleiter-Rohling aus mehreren Bestandteilen aufgebaut wird, wobei die Konzentration eines dieser Bestandteile in radialer Richtung derart geändert wird, daß die gewünschte radiale Änderung des Brechungsindex zustandekommt, und gleichzeitig die Konzentration eines weiteren Bestandteiles in radialer Richtung derart geändert wird, daß die radiale Änderung cLes Wärmedehnungskoeffizienten, die durch die Konzentrationsänderung des ersten Bestandteiles bewirkt wird, kompensiert wird.

Insbesondere wird erfindungsgemäß beim Aufbau des Wellenleiter-Rohlings die Konzentration eines oder mehrerer Dopungszusätze, z.B. von GeOp, in radialer Richtung geändert, um einen radial veränderlichen Brechungsindex zu erhalten, und zugleich auch die Konzentration eines weiteren DopungsZusatzes, vorzugsweise von B₂O^, in radialer Richtung geändert,

um die Änderung des Wärmedehnungskoeffizienten, welche durch die Konzentrationsänderung des ersten Dopungszusatzes verursacht wird, zu kompensieren.

Ferner wird erfindungsgemäß vorteilhaft ein weiterer Bestandteil, der praktisch keinen Einfluß auf den Brechungsindex ausübt, dem den Mantel des optischen Wellenleiters bildenden Glas zugesetzt, um den Wärme-

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dehnungskoeffizienten des Mantels so zu vergrößern, daß er ungefähr gleich dem resultierenden Wärmedehnungskoeffizienten des Wellenleiterkernes wird.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anlage zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 die Änderung der axialen Spannung in einem Rohling für einen optischen Wellenleiter in Abhängigkeit vom Radius,

Fig. 5 die Änderung der Spannung in Umfangsrichtung im gleichen Wellenleiter-Rohling in Abhängig-' keit vom Radius,

Fig. 4- die Verteilung der inneren Spannungen in axialer Richtung und in Umfangsrichtung in

einem ummantelten Wellenleiter-Rohling und

Fig. 5 die axialen Spannungen in Abhängigkeit vom

Wärmedehnungskoeffizienten des Wellenleitermantels.
(Die Dimension "KSI" in den Diagrammen bedeutet

"kilopounds pro square inch".)

Gemäß Fig. 1 wird nach dem Dampf phasen-Oxydat ions verfahren eine Schicht 10 aus Glas auf einen im wesentlichen zylindrischen Ausgangsdorn 11 mit Hilfe eines Brenners 12 aufgebracht. Dem Brenner 12 wird über eine Rohrleitung 13 brennbares Gas und Sauerstoff oder Luft von einer nicht dargestellten Quelle zugeführt. Dieses Gemisch wird verbrannt und erzeugt eine Flamme 14, die aus dem Brenner austritt.

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In Behältern 15» 16 und 17 werden entsprechende Mengen flüssiger Bestandteile 18, 19 "bzw. 20 aufbewahrt, aus denen schließlich die Glasschicht 10 erzeugt wird. Den Behältern wird über Leitungsrohre 21, 22 bzw. 23 ein geeignetes Trägergas, wie Sauerstoff od.dgl. zugeführt, das durch die Flüssigkeiten perlt. Dieses Trägergas wird von einer nicht dargestellten Quelle in vorgegebenen Mengen und unter vorgegebenen Drücken zugeführt. Die Strömung des Trägergases, welches in Blasenform durch den flüssigen Bestandteil 18 im Behälter 15 hindurchgeleitet wird, kann mittels eines Ventils 24- geregelt werden, wobei der Gasdurchsatz von einem Meßinstrument 25 angezeigt wird. Analog können die Strömungen der die flüssigen Bestandteile 19 und 20 in den Behältern 16 bzw. 17 in Blas_snform durchsetzenden Gase mit Hilfe von Ventilen 26 bzw. 27 geregelt werden, wobei der Gasdurchsatz wieder von Instrumenten 28 bzw. 29 angezeigt wird.

Die flüssigen Bestandteile werden in den Behältern mit Hilfe von Heizkörpern auf der gewünschten Temperatur gehalten. Während die Trägergase in Blasenform durch die zugeordneten erwärmten flüssigen Bestandteile strömen, nehmen sie Dampf aus der betreffenden Flüssigkeit auf, und die beladenen Trägergase werden über eine Rohrleitung 30 abgesaugt. Das Dampf-Trägergas-Gemisch wird dem Brenner 12 zugeführt und in dessen Flamme 14 injiziert, in welcher es oxydiert wird und einen Rauch bildet. Dieser Rauch verläßt die Flamme 14 in einer gegen den Ausgangsdorn 11 gerichteten Strömung. Der Ausgangsdorn 11 wird in eine Drehbewegung versetzt, wie dies in der Zeichnung am halterseitigen Dornende durch Pfeile angedeutet worden ist. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Anlagerung von

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Eauch.teilch.en am Dorn 11 in Form einer Schicht 10 erhalten.

Selbstverständlich können auch, mehrere Brenner, die radial gegeneinander versetzt oder in einer Reihe angeordnet sind, am Ausgangsdorn 11 so angeordnet werden, daß eine in Längsrichtung des Dornes gleichmäßige Schicht 10 erzeugt werden kann, ohne daß dem Dorn eine axiale Bewegung erteilt werden muß; in diesem Fall braucht der Dorn 11 nur gedreht zu werden.

Die Behälter 15 bis 17 enthalten eine glasbildende Verbindung und zumindest zwei Dopungszusätze. Beispielsweise kann der Behälter 15 SiCl^, der Behälter 16 GeCl^ und der Behälter 17 BCl, enthalten. In der Flamme 14 entsteht dann ein Rauch, der von mit GeOp und BpCU gedopten Glasteilchen gebildet wird. Die Ventile 24 und 26 werden, wie in der US-PS 3,826.560 beschrieben, so geregelt, daß die Rauchteilchen einen Wellenleiter-Rohling mit einem parabolischen Verlauf des Indexgradienten bilden, und gleichzeitig wird erfindungsgemäß das Ventil 27 so gesteuert, daß eine veränderliche Menge des zweiten Dopungszusatzes in die Trägergasströmung eingeführt wird. Im betrachteten Beispiel wird die entstehende GeOp-Menge mittels des Ventils 26 so geregelt, daß sie mit zunehmender Dicke der Schicht abnimmt und sich in der Schicht ein in radialer Richtung parabolisch abnehmender Brechungsindex ergibt. Gleichzeitig wird der Zusatz von BpO, durch entsprechende Steuerung des Ventils 27 erhöht. BpCU hat praktisch keinen Einfluß auf den Brechungsindex (genau genommen vermindert BpO, den Brechungsindex sehr gering mit zunehmender Konzentration). Hingegen hat BpO-, die Wirkung, den Wärme—

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dehnungskoeffizienten mit zunehmender Konzentration zu erhöhen. Durch Änderung der Konzentration von BpO^ in radialer Richtung kann daher die radiale Änderung des Värmedehnungskoeffizienten kompensiert v/erden, die sonst durch die Abnahme der Konzentration von GeOp entstünde. Durch gegenseitige Abstimmung der Zusätze an Germanium- und Boroxyd im Rohling können somit die inneren Spannungen, insbesondere an der Innenwandfläche eines rohrförmigen Rohlings, weitgehend herabgesetzt werden. Die vorstehend beschriebene Verfahrensweise wird gewöhnlich als äußere Dampfphasen-Oxydation bezeichnet.

Nach dem Aufbau des Rohlings mit dem Indexgradienten wird eine Mantelschicht aufgebracht. Auch das Aufbringen der Mantelschicht erfolgt gewöhnlich durch äußere Dampfphasen-Oxydation, wie sie anhand von Fig. erläutert worden ist. TJm die Re st spannungen im Rohling noch weiter zu vermindern oder vollständig zu beseitigen, werden die Konzentrationen der Bestandteile, welche die Mantelschicht bilden, in besonderer Weise aufeinander abgestimmt. Die Menge an Boroxyd, welche der Mantelschicht zugeführt wird, wird nämlich mit Hilfe des Ventils 27 so geregelt, daß der Wärme dehnungskoeffizient des Mantels bei der Verfestigungstemperatur etwas höher als der resultierende Wärmedehnungskoeffizient des Kernes mit dem Indexgradienten ausfällt. Auf diese Weise ergeben sich infolge der stärkeren Schrumpfung des Mantels im Kern Druckspannungen, welche vorher an der Innenwandfläche des Rohlings vorhandene Zugspannungen ganz oder weitgehend aufheben. Im Mantel selbst tritt dann zwar eine schwache Zugspannung auf, doch kann der Mantel dieser schwachen Zugspannung ohne Gefahr des Auftretens von Fehlern im

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Rohling standhalten, weil er eine Oberfläche hoher Qualität aufweist. Ferner kann diese Zugspannung im Mantel durch geeignete Bemessung des Zusatzes an Boroxyd unter einer Sicherheitsgrenze gehalten werden.

Die Art und Weise, wie die Konzentrationen der einzelnen Bestandteile geändert werden müssen, um die inneren Spannungen zu beheben, wird aus der nachfolgenden Analyse und aus Beispielen leichter verständlich.

Die thermisch-elastischen Eigenschaften des Kernes mit dem Indexgradienten stehen mit dem Profil der Zusammensetzung in folgender Beziehung.

^as ^=αο ^{+ α}1 ^{X + a}2 ^{Y + a}3 ²^ ^{+ α}4 ^{χ2 + a}5 ^χ2 ^) T = T + T₁ X + T₂ Y + T^ XY + T. X² + T₅ Y² (2)

E = E_Q + E X + E₂ Y + E₅ XY + E^ X² + E₅ Y² (3)

In diesen Gleichungen ist α der Wärmedehnungskoeffizient bei der Verfestigungstemperatur, T die Verfestigungstemperatur, E der Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur und X und Y sind Gewichtsprozente von zwei verschiedenen Oxyden; diese Gewichtsprozente ändern sich in Abhängigkeit vom Radius wie folgt gemäß einem parabolischen Verlauf:

2 2

^u ' d^ - vr

wobei a der Radius des axialen Loches im Rohling und d der Außenradius des Kernes mit dem Indexgradienten ist.

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Setzt man die Gleichungen (4-) und (5) in die Gleichungen (1) bis (3) ein und vernachlässigt man gemischte Terme und Terme zweiter Ordnung, so ergeben sich die parabolischen Änderungen des Wärmedehnungskoeffizienten, der Verfestigungstemperatur und des Elastizitätsmoduls in Abhängigkeit von der Radialkoordinate r wie folgt:

CX₃ (r) - α, - (O₁ - OC₀) (J^) (6)

2 2 T_s (r) = T₁ - (T₁ - T_o) () (7) -

CL ~ 3.

^{x x} ° d^ - 3^d

In diesen Gleichungen bedeuten die Indices i und o, daß die betreffenden Werte bei r = a bzw. r = d gelten.

Für die Zwecke der Analyse der Restspannungen empfiehlt es sich, die Gleichungen (6) bis (8) über den Kern mit dem Indexgradienten zu integrieren, um einen Mittelwert der betreffenden Größe zu erhalten. Verfährt man auf diese Weise und bezeichnet man den betreffenden Mittelwert mit einem Querstrich, so ergeben sich folgende bemerkenswert einfache Ausdrücke:

α =4 (α. + α )

S C. X O

T = ^ (^T-i ^{+ τ}«) (1°)

S C-. 1 O

Ji = TT V-Ci^ + JCj- J

Betrachtet man den Kern mit dem Indexgradienten als einen hohlen Kreiszylinder mit einer mittleren Verfestigungstemperatur von Ψ , einem mittleren Elastizitätsmodul E" und einer Poisson-Zahl V , so ergeben sich

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die Restspannungen in Umfangsrichtung und in axialer Richtung, welche die stärksten Spannungen sind, beim Abkühlen von der Verfestxgungstemperatur auf Raumtemperatur wie folgt:

% (x¹) = p- () j «ς 3?dr + Γ" a_Q rdr -

(1-/) r^ L d ^d~sT ^Ja ^b '- ^S

rr

Ja «_sr²j (12)

Γ Ρ rA 7

worin T_ß die Raumtemperatur bedeutet. Die vorstehenden Ausführungen sind genauer in dem Buch "Theory of Elasticity" von S. P. Timoshenko, 2. Ausgabe, McGraw Hill, New York (195Ό, enthalten.

Durch Einsetzen der Gleichung (6) in die Gleichungen (12) und (13) und nachfolgende Integration erhält man die gewünschten Ausdrücke für die Restspannungen infolge der parabolischen Änderung des Wärmedehnungskoeffizienten in dem Kern mit dem Indexgradienten wie folgt:

T? (nt nt \ f*ff\ rn^f"OO OO OTT

. - T²J ₍₁₄₎

(d²-_a2) L 4 r

(α,-α ) (To-Tp) r ,2

C1»

Hieraus ergibt sich ferner:
a_Q (a) - σ_ζ (a) =, (16)

(d) - σ_ζ (d) - -

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Dies "bedeutet, daß die in TJmfangsriclitung und in axialer Richtung verlaufenden Spannungen an der Wandfläche des Loches und an der Außenfläche des Kernes mit dem Indexgradienten gleich groß sind, was eine unmittelbare Folge der parabolischen Änderung des Wärmedehnungskoeffizienten ist. Es ist auch zu beachten, daß die Gleichungen (16) und (17) die Maximalwerte der Zug- und Druckspannungen im Kern mit dem Indexgradienten angeben.

-10 Die Analyse der Spannungen in einem Kern mit einem Indexgradienten, der von einem Mantel mit konstanter Zusammensetzung umgeben ist, wird durch lineare Superposition der vorstehenden Lösung und der zusätzlichen Spannungen erhalten, die von dem Mantelglas konstanter Zusammensetzung verursacht werden. Der Wärmedehnungskoeffizient, die Verfestigungstemperatur, der Elastizitätsmodul und der Außendurchmesser des Mantels seien mit α . T . E und e bezeichnet. Der Rohling (ohne Mantel) sei als ein Kern mit den mittleren Parametern ä , T und E" behandelt, welche durch die Gleichungen (9) bis (11) gegeben sind. Es sei ferner angenommen, daß die Poisson-Zahlen V für das Kern- und Mantelglas gleich groß sind. Mit diesen Annahmen sind die Spannungen in Umfangsrichtung und in axialer Richtung, also die größten Spannungen, die durch Abkühlung des Rohlings auf Raumtemperatur entstehen, gegeben durch:

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^ßEc ⁽ V¹R) ^V

16 -

s c

mß

(18)

Kern

(19)

und

5 a = -^y ζ

V22 1-2 V+ % + mß (1-2V-+ %) d^ d^

e² a²

(1+ßm) 1-2Γ+ ^ + mß (1-2V+ —, d^ d^£

■ Mantel

(20)

(21),

worin und

m = E

ß =

Die vorstellende Theorie ist genauer in dem Buch "The Theory of Stresses in Two-Component Glass-to-Metal Tube Seals" von H. Rawson, J. Sei. Ins tr., Band 26 (194-9), behandelt. Es ist zu beachten, daß die Spannung in axialer Richtung unabhängig vom Radius r, die Spannung in Umf angsrichtung hingegen abhängig vom Radius r ist. Die radiale Spannung im Kern ist eine Zugspannung, deren Betrag in der Größenordnung der Umfangsspannung liegt. Die axiale Spannung ist die größte Spannung.

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Der Kern befindet sich somit in einem dreiachsigen Spannungszustand, ausgenommen natürlich an seiner Innenwandfläche, d.h. an der Wandfläche des Loches, wo die radiale Spannung verschwindet.

Die resultierenden Spannungen im Kern sind durch die Summe der Gleichungen (14) und (18) und der Gleichungen (15) und (19) gegeben. Analog ergibt sich die resultierende Spannung im Hantel durch die Summe der Gleichungen (14) und (20) und der Gleichungen (15) und_ (21). Aus den Gleichungen (18) bis (21) folgt unmittelbar, daß durch geeignete Wahl der Zusammensetzung des Mantelglases der Wärmedehnungskoeffizient α größer oder kleiner als ÖL gemacht werden kann, so daß die zusätzlichen Spannungen, die durch die Gleichungen

(18) und (19) angegeben werden, die durch die Gleichungen (14) und (15) angegebenen Spannungen kompensieren können. Als Ergebnis wird ein Rohling mit geringen inneren Spannungen erhalten, bei dem keine oder doch nur geringe Gefahr des Auftretens von Fehlern infolge innerer Spannungszustände besteht.

Zur weiteren Erläuterung seien nun zwei Ausführungsbeispiele gegeben. Zunächst sei ein Kern mit einem Indexgradienten betrachtet, dessen mittlere Parameter die folgenden Werte haben:

ÖL * 14,4 χ 10"⁷ /⁰C

"T * 805° C
s

E ^ 8,4 χ 10⁶ psi = 0,59 x 10⁶ kp/cm² = 58 x 10⁹ Pa V^ 0,2

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Die Fig. 2 und 3 stellen die Änderungen der Spannungen in axialer Richtung und in Umf angsrichtung [^Gleichungen (14) und (15)J in Abhängigkeit vom Radius r des Rohlings für einen Kern mit den vorstehend angegebenen Parameterwerten und für drei verschiedene Zusammensetzungen des Mantelglases dar. Wenn die Differenz der Wärmedehnungskoeffizienten (α. - ot ) und die Verfestigungstemperatur ¥_ abnehmen, so nehmen auch die Maximalwerte der Spannungen in axialer Richtung und in Umf angsrichtung an der Wandfläche des Loches im Rohling ab. Dies stellt eine wirksame Technik zur Verminderung der inneren Spannungszustände dar.

Als zweites Beispiel sei ein Rohling mit einem Indexgradienten und einem Mantel konstanter Zusammensetzung betrachtet. Die Eigenschaften von Kern und Mantel seien durch die folgenden mittleren Parameterwerte angegeben:

ä_s ü 9,5 χ 10"⁷ / ⁰C
T_s Oi 795° c

E = E * 9,6 χ 10⁶ psi = 0,67 x 10⁶ kp/cm² = 66 χ 10⁹Pa V^* 0,19

α * 3 x ΊΟ"⁷ / ⁰C

τ ^ 925° C

Die den Gleichungen (14), (15) und (18) bis (21) entsprechenden axialen Spannungen und Umfangsspannungen sind als Funktion des Radius r in Fig. 4- dar ge stellt Die Übereinstimmung zwischen der hier angegebenen

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Näherungslösung (voll ausgezogenen Linie) und der durch, genaue Analyse erhaltenen Lösung (durchbrochene Linie) ist außerordentlich gut. Der große Betrag der axialen Spannung an der Wandfläche des Loches ist zu "beachten- Eine derart hohe Spannung kann "bei Oberflächenfehlern in der Lochwand zur Uribrauchbarkeit des Rohlings führen. Da α 4. cc ist, ist der Einfluß des Mantels auf die restlichen inneren Spannungen äußerst ungünstig.

Es sei nun angenommen, daß. die inneren Spannungen im Kern durch Vergrößerung von α , also durch entsprechende Wahl der Zusammensetzung des Mantelglases, vermindert werden soll. 3?ig. 5 zeigt die Abhängigkeit der axialen Zugspannung an der Wandfläche des Loches vom Wärmedehnungskoeffizienten des Mantels. Es ist erkennbar, daß die Spannungen im Kern durch geringfügige Änderungen des Wärmedehnungskoeffizienten des Mantels stark beeinflußt bzw. vermindert werden können. Auch die axialen Spannungen im Mantel können auf diese Weise sehr niedrig gehalten werden. Wenn die Änderung der Zusammensetzung die Verfestigungstemperatur des Mantels herabsetzt, so nehmen auch die inneren Spannungen entsprechend ab.

Ein Rohling, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebaut wurde, enthielt 25 % GeO₂ und 2 % B₂O₅ an

der Dornoberfläche und 0 % GeO₀ und 16 % B₀O-, an seinem Außenmantel. Die Konzentrationen dieser Oxyde hatten in radialer Richtung einen parabolischen Verlauf. Rohlinge dieser Art wurden im polarisierten Licht untersucht, um ein Maß für die restlichen inneren Spannungen zu gewinnen. Die axiale Spannung an der Oberfläche des Dornes wurde mit 2430 psi = 17Ο kp/cm = 16.7 x 1O^V Pa gemessen. Analog wurde die Spannung

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in Umfangsrichtung (unter Verwendung einer aus dem Rohling ausgeschnittenen Scheibe) mit 3900 psi =

/2 3

273 kp/cm = 26,8 χ ΛΟ^ Pa gemessen. Bisher hatten Rohlinge mit großer numerischer Apertur Restspannungen von mehr als 9000 psi = 630 kp/cm² = 61,8 χ 10^ Pa.

Dies beweist, daß die erfindungsgemäßen Änderungen in der Zusammensetzung die schädlichen Zugspannungen vermindern, wodurch solche Rohlinge die späteren Behandlungen der Konsolidation und Ätzung "besser überstehen können.

Aus dem "beschriebenen Rohling wurden optische Wellenleiter gezogen, wobei sich trotz der starken Änderung der Viskosität infolge der radial veränderlichen Zusammensetzung günstige Zieheigenschaften ergaben. Die gemessenen Werte der numerischen Apertur (90 %) betrugen 0,194- und 0,191.

Im vorstehend beschriebenen Beispiel hatten sowohl GeOp als auch BpO₃, in Abhängigkeit vom Radius r eine parabolische Verteilung. Es ist auch möglich, die Konzentration von GeÜ2 nach einem parabolischen Verlauf veränderlich zu machen und die Konzentration von BpO, in solcher Weise, daß der Wärmedehnungskoeffizient im gesamten Rohling konstant bleibt. Allgemein wird die radiale Änderung der Konzentration von GeOp, symbolisiert durch G(r), entsprechend den optischen Erfordernissen gewählt; sodann wird die radiale Konzentrationsänderung von BpO^, symbolisiert durch B(r), so gewählt, daß der Wärmedehnungskoeffizient konstant bleibt. Bekanntlich steht der Wärmedehnungs— koeffizient zu den Konzentrationen der beiden Bestandteile in folgender Beziehung

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X = a_Q + &_Λ B + a₂ G + a,B² + a^G² (22),

worin B die Konzentration von BpO,,, G die Konzentration von GeOp bedeuten und die Konstanten a , a- ... R₂, empirisch ermittelt werden können.

Es sei ein parabolischer radialer Verlauf der Konzentration von GeOp angenommen, nämlich:

G(P) - G_o r-l-(r/r_c)^a] (23), _

worin G die maximale Konzentration von GeO~ und α der Profilparameter ist, der typisch etwa 2,2 "betragen kann.

Die radiale Änderung der Konzentration von BpO., ist dann gegeben durch:

1/2 B(p) = -&_Λ + [a² - 4a₃ (a_Q+a₂G(r) + a^ G²(r) - X_Q)1

(24),

worin X der Wärmedehnungskoeffizient im gesamten Rohling ist.

Die vorstehend erläuterte Technik zur Verminderung unerwünschter Restspannungen an der Wandfläche des Loches durch entsprechende Wahl der Konzentrationen der Dopungszusätze ist in gleicher Weise auf einen Rohling anwendbar, der nach dem in der US-PS 3>711.262 beschriebenen, sog. inneren Verfahren hergestellt worden ist. Wenn der nach diesem Verfahren hergestellte Rohling nach dem Sintern und der Konsolidation in der Mitte ein Loch aufweist, so können durch Anwendung der Erfindung die gleichen Vorteile erzielt werden, die vorstehend für einen nach dem sog. äußeren Verfahren erzeugten

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Rohling angegeben worden sind. Auen Verfahren," bei denen chemische Dämpfe niedergeschlagen werden, sind im Rahmen der Erfindung anwendbar.

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

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Claims

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26. September 1978 CORNING GLASS WORKS in Corning (New York, USA)

Patentansprüche:

\Λΐ Verfahren zum Herstellen eines optischen Wellen-

leiters mit einem radialen Brechungsindexgradienten, dadurch, gekennzeichnet, daß der Wellenleiter-Rohling aus mehreren Bestandteilen aufgebaut wird, wobei die Konzentration eines dieser Bestandteile in radialer Richtung derart geändert wird, daß die gewünschte radiale Änderung des Brechungsindex zustandekommt, und gleichzeitig die Konzentration eines weite-■ ren Bestandteiles in radialer Richtung derart geändert wird, daß die radiale Änderung des Wärmedehnungskoeffizienten, die durch die Konzentrat ions änderung des ersten Bestandteiles bewirkt wird, kompensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein rohrförmiger Glasteil durch äußere Dampfphasen-Oxydation erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vorgegebene Mengen der erwähnten Bestandteile in Dampfform in ein Trägergas eingebracht werden, daß die Dämpfe sodann in einer Flamme oxydiert werden, um einen Rauch mit vorgegebener

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Zusammensetzling zu erhalten, und daß dieser Rauch, an der äußeren Umfangsfläche eines um seine Längsachse in Drehung versetzten Ausgangsdornes angelagert wird, wobei die Mengen von wenigstens zwei der in das Trägergas eingebrachten Bestandteile geändert werden, um die Konzentrationen des ersten und zweiten Bestandteiles in radialer Richtung des rohrförmigen Glasteiles zu ändern.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bestandteil ein Dopungszusatz ist, der "bei zunehmender Konzentration eine Abnahme des Brechungsindex und eine Abnahme des Wärmedehnungs— koeffizienten des Glases bewirkt, während der zweite Bestandteil ein Dopungszusatz ist, der bei zunehmender Konzentration eine Zunahme des Wärmedehnungskoeffizienten des Glases bewirkt, aber praktisch keinen Einfluß auf dessen Brechungsindex hat.
M-. Verfahren nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet, daß als erster Bestandteil GeOp verwendet wird.
5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter Bestandteil-BpO-, verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein rohrförmi-

ger Kern mit einem Glasmantel versehen wird, dessen Brechungsindex kleiner als der des Kernes ist, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Glasmantel bestimmten Zusammensetzung ein Bestandteil beigemischt wird, der praktisch keine Vergrößerung des Brechungsindex bewirkt, aber den Wärmedehnungskoeffizienten des Mantels ungefähr auf den Wert des resultierenden Wärmedehnungskoeffizienten des Kernes erhöht.

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7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß der Zusammensetzung für den Glasmantel BpO-, beigemischt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Wärmedehnungskoeffizient ä gegeben ist durch

⁵S - 2 ^(ai ^{+ a}o⁾ '

worin α. der Wärmedehnungskoeffizient beim Innenradius des rohrförmigen Glasteiles und α der Wärmedehnungskoeffizient beim Außenradius des rohrförmigen Glasteiles ist.
9- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß eine radiale Änderung des Brechungsindex mit parabolischem Verlauf bewirkt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen des ersten und des zweiten Bestandteiles entsprechend einem parabolischen Verlauf geändert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des ersten Bestandteiles parabolisch und die Konzentration des zweiten Bestandteiles derart geändert wird, daß der Wärmedehnungskoeffizient im gesamten rohrförmigen Glasteil konstant bleibt.

.12. Verfahren zum Herstellen eines optischen Wellenleiters, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohrförmiger Glasteil gebildet wird, daß auf diesen rohr-

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förmigen Glasteil ein Mantel aus Glas aufgebracht wird und daß der Glaszusammensetzung für den Mantel ein Bestandteil beigemischt wird, der im wesentlichen keinen Einfluß auf den Brechungsindex hat, aber den Wärmedehnungskoeffizienten des Mantels ungefähr auf den Wärmedehnungskoeffizienten des rohrförmigen Glasteiles erhöht.

13· "Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaszusarnmensetzung für den Mantel . -^pO* beigemischt wird.

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