DE2843333C2

DE2843333C2 - Lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE2843333C2
Application number: DE19782843333
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl.-Chem. Dr.rer.nat. 8000 München Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-10-04
Filing date: 1978-10-04
Publication date: 1983-09-22
Also published as: DE2843333A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter aus einer extinktionsarmen Faser mit in radialer Richtung kontinuierlich abnehmender Brechzahl (Gradientenfaser).

Ein bekanntes Verfahren zum Herstellen von Gradientenfasern ist das Doppeltiegel-Verfahren, bei dem aus einem mit einem hochtransparenten Material z. B. Bleisilikatglas gefüllten ersten Tiegel mittels einer ersten Düse ein Faserkern ausgezogen wird. In einem zweiten Tiegel befindet sich eine andere Materialschmelze (z. B. Glas niedrigerer Brechzahl), um die Faser bereits während des Ausziehens mittels einer

konzentrischen Ringdüse mit einem Mantel zu umgeben. Durch Interdiffusion des Kernglases und des Mantelglases ergibt sich ein kontinuierlicher Obergang der Materialzusammensetzung und der Brechzahl Das Verfahren kann zur Produktion großeF Fasennengen verwendet werden, jedoch finden sich häufig Verunreinigungen, die von den Tiegeln in die Faser eingeschleppt werden und zu Lichtverlusten führen. Das Verfahren ist auf die Herstellung von Multikomponenten-GIasfasern mit rasch diffundierenden Glasbestandteilen beschränkt

Häufig wird auch das CVD (Chemical Vapour Deposition)-Verfahren angewendet, bei dem ein Quarzglasrohr auf der Innenseite mit synthetischen, durch

Gasphasenreaktion gewonnenen Glas beschichtet wird und das mehrfach beschichtete Rohr zu einer Faser ausgezogen wird. Als reaktionsfähiges Gl?.- ivird häufig eine Mischung von SiCU, GeCU und O₂ verwendet, die zu SiO₂-GeOrGIaS reagiert Die GeO₂-Zugabe bewirkt eine Brechzahlerhöhung des abgeschiedenen Glases gegenüber dem Quarzglasrohr, wodurch die Lichtwellenleitung in der Faser gewährleistet wird. Man erhält also eine Faser mit radialer Schichtung. 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, einen neuen Typ von Gradientenfasern zur Verfügung zu stellen, der einfach herzustellen ist und bei dem die Gefahr von Verunreinigungen und von Brechzahlprofilschwankungen verringert ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Lichtwellenleiter, bei dem in einem homogenen Fasermaterial ein Gas mit einem dem angestrebten Brechzahlprofil entsprechenden Konzentrationsverlauf gelöst ist.
Als ein bevorzugtes Fasermaterial sei Quarzglas betrachtet. Im Glasnetzwerk sind freie Gitterplätze enthalten, in die Gasmoleküle eingebaut werden können. Entsprechend der Lorenz-Lorentz'schen Gleichung

-ψ

kann die Brechzahl η berechnet werden, wenn in das SiO₂-Gitter (Ni und äi seien die Teiyhendichte und die

Polarisierbarkeit von SiO₂) polarisierbare Moleküle (Teilchendichte N₂, Polarisierbarkeit λ₂) eingebaut werden. So ergibt sich z. B. für Quarzglas («ι = 2,952 A³) und Argon (a₂ = 1,443 A³) bei einer Konzentration von 2 Mol-% Argon eine Brechzahl n=> 1,4633 gegenüber der

Brechzahl des Quarzglases von 1,4585. Die numerische Apertur einer entsprechenden, ummantelten Faser

beträgt dann 0,12. Bei 1 Mol-% Argon beträgt die numerische Apertur 0,08.

Die Löslichkeit vieler ein- und zweiatomiger Gase,

z. B. Edelgase, H₂, Oj oder Nj, in Glas wächst bis zu hohen Drücken linear mit dem Gasdruck und führt bei Drücken über etwa 1 kb zu einer Sättigung. Der Löslichkeitskoeffizient QIC₁ (das Verhältnis der gelösten Gaskonzentration C, zur Konzentration Q in der Gasatmosphäre) wurde experimentell zu 0,024 (Helium) bzw. 0,019 (Neon) bzw. 0,03 (Wasserstoff) bzw. 0,0! (Argon oder Sauerstoff) bestimmt.

Die Gesamtzahl der im Quarzglas verfügbaren

Zwischengitterplätze kann bei diesen Gasen zu 1 bis 3 χ 10²¹ cm-³ angegeben werden. Dies entspricht einer Löcherkonzentration von 4 bis 12 Mol-%, d.h. pro SKVFormeleinheit stehen 1/15 bis 1/7 freie Gitterplätze zur Verfügung. Experimentell konnte bei 850 Atmosphären eine Wasserstoff-Molekülkonzentration von 6XlO²⁰Cm-³ (entsprechend 2,6 Mol-%) und eine Neon-Atomkonzentration von 3,5XlO²⁰ cm~³ (entsprechend 1,6 Mol-%) im Quarzglas gefunden werden. Für Argon wurde in Quarzglas bei 2 kb und 650⁰G etwa 1 Mol-% und in einem Glas der Zusammensetzung K₂O - 4 SiO₂ bei 10 kb und 800⁰C etwa 7 Mol-% Löslichkeit gefunden.

Daraus ergibt sich die Möglichkeit un Faserkern durch Lösen erheblicher Gasmengen die Brechzahl gegenüber einem Fasermantel, in dem keine Gase gelöst sind, zu erhöhen. Hierfür kommen nicht nur die bereits erwähnten Gase in Frage, die physikalisch gelöst werden, vielmehr können auch Gase wie Wasserstoff, Fluorwasserstoff- Chlorwasserstoff, Halogene, Wasser und Ammoniak einschließlich der korrespondierenden deuterierten Verbindungen verwendet werden, deren Löslichkeit teilweise auf reversiblen chemischen Vorgängen beruht Auch Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid bei hohen Temperaturen sind geeignet

Der Lichtwellenleiter gemäß der Erfindung kann hergestellt werden, indem aus einem mit den genannten Gasen gesättigten Fasermaterial eine Faser gezogen wird und anschließend in den Randbereichen der gezogenen Faser die Gaskonzentration gesenkt wird. Man kann aber ajch den gesättigten Faserkern herstellen, indem das Fasermaterial v- Ihrend oder nach dem Ziehen mit Gas gesättigt j^ird. Zum Einstellen des Konzentrationsprofils kann man sich iibei vorteilhaft der Diffusionsvorgänge bedienen, die stark druck- und temperaturabhängig sind. So beträgt der Diffusionskoeffizient von Neon in Quarzglas bei 1000⁰C den relativ hohen Wert von 2,5xlO-⁶ cm² (Argon: 1,4 χ 10-°cm² see-') und bei 25°C nur noch 5xlO-'²cm²see-' (Argon: 5XlO-²⁵Cm²SeC-'). Für 1 μπι Diffusionsstrecke sind demnach für Argon bei 1000⁰C etwa 1 see erforderlich, bei 25°C jedoch etwa 10⁸ Jahre. Aus einer mit dem Gas gesättigten Faser kann demnach bei hohen Temperaturen durch Ausdiffundieren aus den Randbereichen der Faser die Gaskonzentration im Fasermantel während der Herstellung erniedrigt werden, das dadurch erreichte Konzentrationsprofil bleibt aber nach Abkühlung der Faser auf Normaltemperaturen über lange Zeiten hinweg bestehen. Da durch die gelösten Gase der Binnendruck im Fasermaterial erheblich ansteigt, ist es vorteilhaft, während des Ausdiffundierens und Abkühlens einen hohen Außendruck aufrechtzuerhalten, um eine Bläschenbildung zu vermeiden.

Auch das Einbringen der Gase in das Fasermaterial kann vorteilhaft durch Diffusion erfolgen, wobei das Fasermaterial in einer Hochdruckatmosphäre des Gases bei Temperaturen knapp unterhalb der Erweichungstemperatur des Fasermaterials mit dem Gas angereichert wird. Die Anreicherung kann entspre- so chend den verwendeten Drücken und Diffusionsdauern bis nahe an die Sättigung getrieben werden. Besonders j-_; vorteilhaft ist es dabei, wenn beim Ausdiffundieren die (V während der Anreicherung verwendete Hochdruckatmosphäre des diffusionsfähigen Gases durch eine Schutzgasatmosphäre aus einem schlechter diffundierenden Gas ausgetauscht wird.

Man kann einen Lichtwellenleiter nach der Erfindung aber auch auf andere Weise herstellen. So kann vorteilhaft ein Glasrohr innen mit dem polarisierbaren, löslichen Gas gefüllt werden und das gefüllte Rohr anschließend zu einer Faser ausgezogen werden. Während des Ausziehens diffundiert das Gas der Rohrfüllung an der Rohrinnenseite in das Fasermaterial, ohne daß eine gleichmäßige Gaskonzentration bis an die Rohraußenwand entstehen würde. Die aus dem Rohr ausgezogene Faser enthält dann nur im Kern eine hone Gaskonzentration, während der Mantel praktisch gasfrei ist

Auf diese Weise können Lichtwellenleiter üblicher Dicke, z.B. 50 bis 500 μ Durchmesser, hergestellt werden, die hinsichtlich ihres Brechzahlprofils und der numerischen Apertur mit Lichtwellenleitern, die auf herkömmliche Weise erzeugt werden, vergleichbar sind. Da diese Fasern aus einem homogenen hochtransparenten (extinktionsarmen) Material hergestellt sind und die Brechzahländerung lediglich durch die Konzentrationsänderung des gelösten Gases hervorgerufen wird, besteht bei diesen Fasern nur eine geringe Gefahr von Verunreinigungen undJE^rechzahlschwankungen, wie sie z. B. beim Doppeltiegel-Verfahren '-auftreten. Das Herstellungsverfahren erfordert ferner nur einen geringen Aufwand und kann z. B. beim Ausziehen eines Rohres kontinuierlich mit hohen Arbeitsgeschwindigkeiten erfolgen.

Anhand zweier Ausführungsbeispiele wird das Wesen der Erfindung näher erläutert

Eine auf herkömmliche Weise hergestellte Quarzglasfaser mit etwa 100 μ Durchmesser wird in einem Autoklaven einer Argonatmosphäre von etwa 1000 bar bei 900⁰C über eine Stunde ausgesetzt Dabei können Argonkonzentrationen von etwa 1 Mol-% erreicht werden. Durch Erhöhung des Druckes (2 bis 3 kb) und längere Diffusionsdauern sind auch höhere Argonkonzentrationen (z. B. 2 Mol-%) erreichbar. Anschließend wird im Autoklaven die Argonatmosphäre durch eine Krypton-Atmosphäre gleichen Druckes und gleicher Temperatur ersetzt Nach 20 Minuten wird der Autoklav abgekühlt und die fertige Faser entnommen.

Die Diffusion von Krypton verläuft wesentlich langsamer als bei Argon. Daher ist in der Krypton-Atmosphäre das Argon ads den Randbereichen der Faser ausdiffundiert, während nur geringe Kryptonmengen eindiffundiert sind, so daß das gewünschte Konzentrationsprofil und somit das erforderliche Brechzahlprofil hergestellt ist. Die geringe Eindiffusion von Krypton bewirkt dabei zusätzlich eine erwünschte Erhöhung der Zugfestigkeit der Faser.

In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Quarzrohr mit 8 mm Innendurchmesser und 10 mm Außendurchmesser bei einem Druck von einigen kb und Temperaturen zwischen 8U0 und 900⁰C mit Argon gefüllt. Anschließend wird das Rohr auf bekannte Weise zur Faser ausgezogen. Während des Ziehens diffundiert das Argon in die Innenbereiche des Rohres und es entsteht in der gezogenen Faser ein mit Argon angereichter Kern, während die äußeren Bereiche praktisch gasfrei sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtwellenleiter aus einer extinktionsarmen Faser mit in radialer Richtung kontinuierlich abnehmender Brechzahl, dadurch gekennzeichnet, daß in einem homogenen Fasermaterial ein Gas mit einem dem angestrebten Brechzahlprofil entsprechenden Konzentrationsverlauf gelöst ist

2. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial Quarzglas ist.

3. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein Edelgas, Stickstoff oder Sauerstoff ist.

4. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Wasserstoff, Fluorwasserstoff, Chlorwasserstoff, ein Halogen, Wasser, Ammoniak oder eine entsprechende deuterierte Verbindung ist.

5. Ljchtwellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Kohlenmonoxid oder Stickstoffmonoxid ist

6. Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem extinktionsarmen Fasermaterial eine Faser gezogen wird, daß das Fasermaterial vor, während oder nach dem Ziehen mit dem Gas angereichert wird, und daß die Gaskonzentration in den Randbereichen der gezogenen Faser durch Ausdiffundieren des Gases bei hohen Temperaturen und hohen Drucken gesenkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anreicherung des Fasermaterials das Gas aus einer Hochdruckatmosphäre bei Temperaturen knapp unterhalb der Erweichungstemperatur des Fasermaterials eindiffundiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausdiffundieren in einer Schutzgasatmosphäre aus einem schlechter diffundierenden Gas durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als eindiffundierendes Gas Argon und als Schutzgas Krypton verwendet wird.

10. Verfahren zum Herstellen eines Lichtwellenleiters nach einem der Ansprüche 1 bis 5; dadurch gekennzeichnet, daß ein Quarzglasrohr innen mit dem Gas gefüllt und das gefüllte Rohr zu einer Faser ausgezogen wird.