DE2843276B1

DE2843276B1 - Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters

Info

Publication number: DE2843276B1
Application number: DE2843276A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl-Chem Dr Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-10-04
Filing date: 1978-10-04
Publication date: 1979-09-13
Also published as: JPS6234694B2; US4294514A; DE2843276C2; JPS5551729A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters aus einer extinktionsarmen Faser mit in radialer Richtung abnehmender Brechzahl, bei dem zunächst eine Faser gezogen und anschließend durch eine Nachbehandlung das Brechzahlprofil eingestellt wird. Solche Lichtwellenleiter ermöglichen eine verlustarme Führung des Lichts in der Faser.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 24 40173 bekannt Dabei wird das Fasermaterial zusammen mit einer leicht flüchtigen Dotierungssubstanz in einem Schmelztiegel erhitzt, so daß eine möglichst homogene Schmelzmischung entsteht, die über eine Düse zur Faser gezogen wird. Dabei tritt vorwiegend aus oberflächennahen Bereichen die Dotierungssubstanz aus. Dadurch ändert sich radial von innen nach außen die chemische Zusammensetzung der Faser und damit der Brechungsindex.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Herstellen von Lichtwellenleitern (Lichtleitfasern), deren Brechzahl zum Rand hin kontinuierlich abnimmt (Gradientenfaser), ist das Doppeltiegel-Verfahren, bei dem aus einem mit einem nochtransparenten Material (z.B. Bleisilikatglas) gefüllten ersten Tiegel mittels einer ersten Düse ein Faserkern ausgezogen wird, der bereits während des Ausziehens von einem zweiten Tiegel aus mittels einer Ringdüse mit einem Mantel eines anderen Materials (z.B. Glas niedrigerer Brechzahl) umgeben wird. Durch Interdiffusion des Kernglases und des Mantelglases ergibt sich eine Struktur, bei der die Brechzahl kontinuierlich von der Brechzahl des so Kernglases zur Brechzahl des Mantelglases hin abnimmt

Diese bekannten Verfahren können kontinuierlich zur Produktion großer Fasermengen verwendet werden, jedoch finden sich häufig Verunreinigungen, die von den Tiegeln in die Faser eingeschleppt werden und zu Lichtverlusten führen. Diese Verfahren sind auf die Herstellung von Multikomponenten-Glasfasern mit rasch diffundierenden Glasbestandteilen beschränkt

Häufig wird auch das CVD (Chemical-Vapur-Deposition)-Verfahren angewendet, bei dem ein Quarzglasrohr auf der Innenseite mit synthetischem, durch Gasphasenreaktion gewonnenem Glas beschichtet wird und das mehrfach beschichtete Rohr zu einer Faser ausgezogen wird. Als reaktionsfähiges Gas wird häufig eine Mischung von SiCU, GeCU und O₂ verwendet, die zu SiO2-GeO2-Glas reagiert Man erhält dadurch, eine ,inhomogene Faser, deren Fasermaterial innen eine andere chemische Zusammensetzung als außen und dadurch die gewünschte Brechzahländerung aufweist. Diese Fasern besitzen zwar im allgemeinen gute Übertragungseigenschaften für Lichtsignale, jedoch ist es nachteilig, daß das Verfahren intermittierend betrieben wird und daher sowohl zu periodischen als auch zu unregelmäßigen Brechzahlprofilschwankungen führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues und einfaches Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters zur Verfügung zu stellen, bei dem die Gefahr sowohl von Verunreinigungen als auch von Brechzahlprofilschwankungen verringert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, zunächst die Faser aus einem einheitlichen Fasermaterial zu ziehen, die Randbereiche der gezogenen Faser bei Temperaturen knapp unterhalb der Erweichungstemperatur des Fasermaterials und bei hohen Drucken mit einem im Fasermaterial löslichen Gas zu sättigen, anschließend die Faser kurzzeitig über die Erweichungstemperatur zu erhitzen und anschließend das Gas aus den Randbereichen auszudiffundieren.

In die z.B. in einem Quarzglas vorhandenen Zwischengitterplätze können viele ein- und zweiatomige Gase ζ. Β. Edelgase, H₂,0₂ oder N₂ eingebaut werden, wobei die Löslichkeit dieser Gase bis zu hohen Drucken linear mit dem Gasdruck wächst und bei Drucken über etwa 1 kbar zu einer Sättigung führt Der Löslichkeitskoeffizient CJCg, d.H. das Verhältnis der gelösten Gaskonzentration Q zur Konzentration C_g in der Gasatmosphäre wurde z.B. zu 0,024 (Helium), 0,019 (Neon), 0,03 (Wasserstoff), 0,01 (Argon oder Sauerstoff) bestimmt, wobei die Gesamtzahl der im Quarzglas verfügbaren Zwischengitterplätze für diese Gase zu 1 bis 3 χ 10²¹ cm~³ angegeben werden kann. Dies entspricht einer Löcherkonzentration von 4 bis 12 MoL-⁰/), d. h. pro SiO₂-Formeleinheit stehen Vis bis V7 freie Gitterplätze zur Verfügung. Experimentell konnte bei 850 bar eine Wasserstoff-Molekülkonzentration von 6 χ 10²⁰ cm~³ (entsprechend 2,6 Mol-%) und eine Neon-Atomkonzentration von 3,5 χ 10²⁰Cm-³ (entsprechend 1,6 Mol-%) im Quarzglas gefunden werden. In Quarzglas konnte ferner bei 2 kbar und 65O⁰C etwa 1 Mol.-°/o Argon und in einem Glas der Zusammensetzung K₂O · 4SiO₂ bei 10 kbar und 800° C etwa 7 Mol.-°/o Argon gelöst werden.

Diese Konzentrationen führen zu einer erheblichen Druckerhöhung im Glas. Werden daher bei Temperaturen unterhalb des Erweichungspunktes in einer Faser aus Glas oder einem glasähnlichen, verlustarmen (extinktionsarmen) Material die Randbereiche mit derartigen Gasen gesättigt (z.B. durch Diffusion aus einer entsprechenden Gasatmosphäre bei hohem Druck und hoher Temperatur), so entsteht ein erheblicher radialer Druckanstieg in der Faser. Bei einer anschließenden Erhitzung der Faser über den Erweichungspunkt gleichen sich diese Druckunterschiede aus, wobei es im Faserinnern zu einem Anstieg der Dichte kommt. Werden nun bei niedrigeren Temperaturen die Gase aus den Randbereichen entfernt, z.B. durch Diffusion im Vakuum, so weist das verbleibende Fasermaterial in den Innenbereichen der Faser eine höhere Dichte auf als in den Außenbereichen, was zu der für die Lichtwellenleitung angestrebten radialen Abnahme der Brechzahl führt

Das Prinzip der Einstellung der Brechzahl über die Dichte ist zwar bereits aus der DE-OS 25 03598 bekannt, jedoch wird dabei lediglich die Dichte im

ORIGINAL INSPECTED

Fasermantel eines aus Faserkern und Fasermantel aufgebauten Lichtwellenleiters geändert, so daß der fertige Lichtwellenleiter an der Grenzfläche zwischen Faserkern und Fasermantel einen Brechzahlsprung aufweist Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren wird dazu durch einen Auslagungsprozeß oder etwas ähnliches im Mantel eine schaumartige oder schwammige Glasstruktur ausgebildet

Außer den bereits erwähnten Gasen, die physikalisch im Glas gelöst sind, können aber auch Gase verwendet werden, deren Löslichkeit auf reversiblen chemischen Vorgängen beruht, z. B. Wasserstoff bei Temperaturen über 500⁰C, Fluorwasserstoff, Chlorwasserstoff, Halogene, Wasser, Ammoniak, einschließlich der entsprechenden deuterierten Verbindungen, sowie Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid bei hohen Temperaturen. Einen besonders starken Brechzahlabfall erhält man, wenn die Gase in den Faser-Randbereichen bis zur Sättigung gelöst werden, es können aber auch geringere Löslichkeiten verwendet werden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels sei die Erfindung näher erläutert

Auf herkömmliche Weise wird aus Quarzglas eine Faser von etwa 100 μπι Dicke ausgezogen. In einer Argon-Atmosphäre von etwa 1 bis 3 kbar. vorzugsweise etwa 1 kbar, und einer Temperatur von etwa 900° C wird etwa 20 min. lang die Quarzglasfaser einer Hochdruckimprägnierung unterworfen. Anschließend wird über die Erweichungstemperatur, z. B. auf 1200⁰C kurzzeitig erhitzt. Zur Vermeidung von Blasen wird auch bei dieser kurzzeitigen Erhitzung der erhöhte Druck aufrechterhalten. Dies kann in einem Autoklaven geschehen. Anschließend wird der Autoklav auf Temperaturen unter den Erweichungspunkt (z.B. 800⁰C) abgekühlt und mit einem Schutzgas gefüllt

Noch zeitsparender ist es, wenn die Hochdruckimprägnierung bereits während dem Ziehen der Faser erfolgt, das jedoch einen erhöhten Herstellungsaufwand bedeutet

Auf diese Weise gelingt es, eine Einmaterialfaser mit einer Randzone verringerter Dichte und somit geringerer Brechzahl herzustellen. Die Gefahr von Verunreinigungen und Homogenitätsschwankungen kann dabei praktisch vermieden werden.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters aus einer extinktionsarmen Faser mit in radialer Richtung abnehmender Brechzahl, bei dem zunächst eine Faser gezogen und anschließend durch eine Nachbehandlung das Brechzahlprofil eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser aus einem einheitlichen Fasermaterial gezogen, die Randbereiche der Faser bei Temperaturen unterhalb des Erweichungspunktes und bei hohen Drucken mit einem im Fasermaterial löslichen, bei hohen Drucken diffusionsfähigen Gas gesättigt, die Faser über den Erweichungspunkt erhitzt und schließlich bei tieferen Temperaturen das in den Randbereichen gelöste Gas ausdiffundiert wird.