DE2855550C2

DE2855550C2 - Verfahren und dessen Anwendung zur Herstellung einer Glasfaser mit einem abgestuften Brechungsindexprofil

Info

Publication number: DE2855550C2
Application number: DE2855550A
Authority: DE
Inventors: Henricus Matheus Jacobus Marie Eindhoven Van Ass
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-01-06
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1984-06-14
Also published as: CA1114613A; GB2011881B; SE7900045L; IT7919040A0; US4242117A; SE440075B; NL7800157A; AU4299278A; BE873309A; DE2855550A1; JPS54101924A; FR2415083A1; IT1166558B; GB2011881A; FR2415083B1; AU529474B2

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und dessen Anwendung zur Herstellung einer Glasfaser mit einem abgestuften Brechungsindexprofil mittels eines Diffusionsvorganges zwischen einer Kernglas- und einer Mantelglaszusammensetzung, wobei diese Zusammensetzungen in bezug auf die Art des Kations voneinander verschieden sind.

Welter bezieht sich die Erfindung auf die Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung einer Faser mit einem abgestuften Brechungsindexprofil.

Zur Herstellung derartiger Fasern werden nach einem in der US-PS 39 41474 beschriebenen Verfahren zwei Glaszusammensetzungen, die in bezug auf die Art des Kations voneinander verschieden sind, in einem Doppeltiegel mit koaxialen Ausströmungsöffnungen In den Böden eines Innen- und eines Außentiegels geschmolzen. Das Kernglas der Faser weist die höheren und das Mantelglas die niedrigeren Brechungsindlces auf. Wenn keine Diffusion auftreten würde, würde ei.Te Faser mit einem schrittförmlgen Brechungsindexprofil entstehen. Abhängig von der Temperatur, die In dem Gebiet vorherrscht, in dem die Gläser aneinander grenzen, von der Verweilzeit des Glases in dieser Zone, von dem Diffusionsverhalten der Kationenbestandteile der beiden Gläser und von ihrem Beitrag zu den Brechungsindices wird das schrittförmige Brechungsindexprofil zu einem abgestuften Profil ausdlffundleren. Ein derartiges Profil ist erwünscht, well dadurch die Impulsstreuung In Mehrmodenfasern herabgesetzt wird. Berechnungen haben gezeigt, daß dieses Profil annähernd parabolisch sein muß, um eine minimale Modenstreuung zu ergeben.

Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens zum Erhalten eines Faserprofils ist, daß die Form des Berechnungsindexprofils, das endgültig nach diffusion erhalten wird. In zu geringem Maße dem gewünschten parabolischen Verlauf entspricht. Es Ist bekannt, daß die Form eines Profils, das durch Diffusion mit einem von der Lage unabhängigen Diffusionskoeffizienten erhalten wird, durch einen sich mit zunehmenden Radius langsam ändernden Konzentrationsabfall (einen sogenannten Diffusionsschwein gekennzeichnet wird. Es ist zwar möglich, die Profilform etwas dadurch zu korrigieren, daß man die Diffusion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel welter oder weniger weit fortschreiten läßt, fes aber der Nachteil der Abweichung von der parabolischen Form des Profils, vor allem am Ende, kann dadurch nicht eliminiert werden. Die einzige Möglichkeit scheint darin zu bestehen, nach einem anderen Diffusionsverhalten zu suchen, bei dem die Diffusion wegen der Abhängigkeit von Konzentration und/orter Temperatur wohl von der Lage abhängig 1st und dadurch auf die gewünschte Welse verlauft. Die Glaszusammensetzungen, die für die Herstellung von Fasern nach dem Doppeltiegelverfahren verwendet werden, bestehen aus vier oder mehr Bestandteilen und müssen eine Mehrzahl physikalischer Anforderungen erfüllen, um mit Erfolg zu Fasern verarbeitet werden zu können. Es beansprucht viel Zeit, auf empirischem Wege nach Zusammensetzungen zu suchen, die allen Anforderungen, einschließlich des gewünschten Diffusionsverhaltens, entsprechen; außerdem steht der Erfolg einer solchen Suche nichi von vornherein fest.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, nach dem es auf einfache Weise möglich ist, ein In bezug auf das gegenseitige Diffusionsverhalten ungeeignetes Paar von Glaszusammensetzungen derart zu modifizieren, daß ein Paar von Glaszusammensetzungen erhalten wird, das eine derartige gegenseitige Diffusion aufweist, daß annähernd ein parabolischer Verlauf des Brechungszahlprofils erzielt wird.

Das Verfahren zur Herstellung einer Glasfaser mit einem abgestuften Brechungsindexprofil mittels eines Diffusionsvorgangs zwischen einer Kernglas- und einer Mantelglaszusammensetzung, wobei diese Zusammensetzungen In bezug auf die Art des Kations voneinander verschieden sind, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Kernzusammensetzung eine derartige Konzentration des Kations der Mantelzusammensetzung zugesetzt wird, daß infolge des dadurch abgeänderten gegenseitigen Diffusionsverhaltens der beiden Alkallionen der parabolische Verlauf des Brechungsindexprofils möglichst gut angenähert wird.

Die Erfindung benutzt den an sich bekannten sogenannten »mixed alkali«-Effekt, der z. B. In einem Aufsatz von J. P. Lacharme mit dem Titel »Mecanisme de diffusion des ions Na* et K* dans des verres mixtes de silicates« In »Silicates industrlels« 1976-3, S. 169 bis 175 beschrieben ist. In einem gemischten Alkall-Sllikatglas sind, wie gefunden wurde, die Diffusionskonstanten beweglicher Na*- und KMonen von dem Konzentrationsverhältnis der Alkaliionen abhängig.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Fi g. 1, 2 und 3 der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 1st etne graphische Darstellung, in der log D (D = die Diffusionskonstante) und n_D (der Brechungsindex für Licht der Wellenlänge, die der D-Linle In dem Na-Spektrum entspricht) als Funktion von χ einer Reihe alkallhaltiger Gläser aufgetragen sind, von denen die Fraktion χ K₂O und (1-x) Na₂O ist.

Für Ionenaustauschvorgänge, wie die Diffusion, die in dem Doppeltiegelverfahren auftritt, sind die fett gezeichneten Teile der Geraden entscheidend. Das Ion mit der kleinsten Beweglichkeit bildet den begrenzenden Faktor.

Das Kern-Mantel-Gebilde mit beliebig gewählten Zusammensetzungen A und C weist einen gegenseitigen Brechungsindexunterschied Δ η, auf. Da während des Diffusionsvorgangs die Elektroneutralität aufrechterhalten werden muß, gilt, daß für jedes Na*-Ion, das von dem Kern her die Grenzfläche überschreitet, ein K*-lon aus dem Mantel In entgegengesetzter Richtung durch die Grenzfläche in den Kern hineindiffundieren muß. Die hat u. a. zur Folge, daß die Zusammensetzung an der Grenzfläche annähernd in der Mitte zwischen den Zusammensetzungen des Kern- und des Mantelglases liegt (Zusammensetzung Gi). Die Eindringtiefe, die die K*-

Ionen in das Na⁺-reiche Kernglas nach einer gewissen Diffusionszeit erreicht haben, wird größtenteils durch den Wert von D_K, d, h. die Diffusionskonstanis für die KMonen in der Zusammensetzung A, bestimmt. Die K.*- lonen durchlaufen auf ihrem Wege durch die Grenzflä- -, ehe zu ihrer endgültigen Lage zwar alle Zusammensetzungen, die zwischen Gi und A liegen, aber die Schicht mit der Zusammensetzung A bildet den größten Diffusionswiderstand und ihr Einfluß wird daher vorherrschend sein. Aus ähnlichen Gründen wird die Eindring- m tiefe der Na^-Ionen in den Mantel im wesentlichen durch den Wert von D_Na in der Zusammensetzung C bestimmt.

Aus Fig. 1 läßt sich ablesen, daß D_K in der Zusammensetzung A erheblich kleiner als D_Na in der Zusammensetzung C ist, was bedeutet, daß K⁺ in den Kern träger eindringt als Na⁺ in den Mantel. Dies hat zur Folge, daß ein asymmetrisches Brechungsindexprofil mit einer verhältnismäßig scharfen Spitze im Kern und rn.t langen Schweifen fm Mantel erhalten wird (Fig. 2). Das Profil weicht sehr stark von einem parabolischen Profil ab.

Für das Paar von Zusammensetzungen B, E (B für das Kernglas und E für das Mantelglas), zwischen denen ein Brechungsindexunterschied Δ /I₂ besteht, werden die Eindringtiefen in den Kern und den Mantel durch D_K in B bzw. D_Vo in E bestimmt. Der Wert vor. D_K ist nun erheblieh größer als der von D_Na geworden, wodurch ein Brechungsindexprofil mit einer stärker abgerundeten Spitze und nur einem kurzen Schweif im Mantel erhalten wird. Dies ergibt eine sehr gute Annäherung an ein parabolisches Profil. Das Brechungsindexprofil zwischen jn dem Kern- und dem Mantelglas ist nahezu dasselbe (Δ /ι, ~ Δ /I₂). Die Zusammensetzung an der Grenzfläche ist in diesem Falle G₂.

Ein Brechungsindexprofil nach Fig. 2 wird mit z.B. dem folgenden Paar von Zusammensetzungen (Angaben in Mol-%) erhalten:

Kern Mantel

SiO₂	43,95	48,45
GeO;	29	28,5
AI₂O,	2	-
CaO	10	8
Na₂O	15	-
K₂O	-	15
As₂O,	0,05	0,05

SiO₂	43,95	48,45
GeO₂	29	28,5
Al₂Os	2	-
CaO	10	8
Na₂O	14	_
K;0	1	15
As₂O,	0,05	0,05

Das Profil nach Fig. 3 wird mit dem folgenden Paar von Zusammensetzungen (Angaben in Mol-%) erhalten:

Kern Maniel

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Glasfaser mit einem abgestuften Brechungsindexprofil mittels eines Diffusionsvorganges zwischen einer Kernglas- und einer Mantelglaszusammensetzung, wobei diese Zusammensetzungen in bezug auf die Art des Kations voneinander verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernzusammensetzung eine derartige Konzentration des Kations der Mantelzusammensetzung zugesetzt wird, daß infolge des dadurch abgeänderten gegenseitigen Diffusionsverhaltens der beiden Kationen der parabolische Verlauf des Brechungsindexprofils möglichst gut angenähert wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstellung einer Faser mit einem abgestuften B rechungsi ndexprof11.