DE2919080B2 - Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser aus Kern und Mantel - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser aus Kern und Mantel

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    • Y10S65/16—Optical filament or fiber treatment with fluorine or incorporating fluorine in final product

Description

Die Li'findung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser zur Verwendung auf dem Gebiet optischer Nachriehtensysteine.
Gegenwärtig wird im allgemeinen zum Herstellen einer optischen Faser ein Verfahren angewendet, bei dem zuvor der Kern und der Mantel /u einer Einheit vereint werden und die Faser durch Erwärmen und Strecken der Einheii erhalten wird (DL-OS 2 3Ot)OIi). Dieses Verfahren hui jedoch den Nachteil, daß die Grenze lies Kern- und Manlelteils nicht exakt definiert ist und daß folglich die Totalreflexion beeinträchtigt wird. Gleich/eilig hat das Verfahren den Nachteil, daß ein Fehler im Brechungszahlprofi! im Bereich in der Nähe der Mitte des Kernteils auftritt.
Eine Verschlechterung tier Totalreflexion hat einen direkten nachteiligen Einfluß auf die Dämpfungscha· rakteristik der optischen Faser. Besonders stark beeinträchtigt wird die Kennlinie der l.ichtübertragung durch den Fehler in der Brechungszahl im Bereich in der Nähe der Mitte des Kernteils.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser /u schaffen, die einen definierten Reflcxionskoefl'izienten an der Grenze zwischen Kern- und Manieheil hat. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs I. Weitcrhildi'iigen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren gibt auch dL-Möglichkeit, das Verhältnis des Durchmessers von Kern und Mantel während des Herstellungsverfahrens zu regulieren.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in der zeigt
F i g. 1 die Verteilung der Brechungszahl einer optischen Faser zur Erläuterung eines Fehlers der nach einem bekannten Verfahren hergestellten optischen Faser,
Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ehe ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben wird, soll allgemein erklärt werden, welche Anforderungen an eine Glasfaseroptik der Frage FRage stehenden Art gestellt werden:
1.) Die Lichtdurchlässigkeit des Kernglases, welches als Lichtübertragungsweg benutzt wird, sollte außerordentlich groß sein.
2.) Um eine außerordentlich wirksame Totalreflexion an der Grenze zwischen dem Glaskern und dem Glasmantel zu gewährleisten, muß die Grenze exakt definiert sein.
3.) Die Brechzahlen des Glaskerns und de:·. Glasmantel (n I bzw. i)2) sollten folgende lledinguug erfüllen
•;,;■
m ■ 2,405,
darin sind
η I = Brechzahl des Kernglases,
i)2 = Brechzahl des Mantelglases,
a = Radius des Glaskerns,
λ = Optische Wellenlänge.
Insgesamt sind folgende Verfahren zum Herstellen einer Glasfaseroptik als Kombination aus Kernglas und Mantelglas bekannt.
1. Das Doppeltiegelverfahren
Das Kcrnglasmatcrial und das Mantelglasmaierial wird jeweils im inneren bzw. äußeren Tiegel eines in Doppelkamtnerkonstruktion ausgeführten Tiegels geschmolzen, und diese Materialien werden gleichzeitig aus dem feinen Loch am Boden ties Doppeltiegels gezogen und zur Faser geformt.
2. Stab· iin-Sehlauch-Verfahren
Das zuvor zu einem Stab geformte Kernglasmaterial wird in das zu einem Schlauch geformte Mantelglasmaterial eingeführt, und dann werden beide in Form eines integrierten massiven Stabes erwärmt und geschmolzen. Anschließend wird die Wärmequelle entfernt und der erhaltene Stab zu einem Draht gestreckt, wodurch die Faser erhalten werden kann.
3. Das chemische Dampfniederschlagsverfahren
In einem Quarzglasrohr (Reaktionsrohr), welches mit Hilfe einer Glasdrehbank gedreht und erhitzt wird, wird das Ausgangsgas thermisch oxidiert. Das erzeugte Produkt wird dann an der Innenfläche des Quarzglas rohres angeordnet und anschließend zu dem Glasmaterial geformt. Dadurch können wiederholt Dünnschichtfilme aus Mantelglas und Kernglas hergestellt werden.
Diese Schichten werden dann uls integrierter Stab zu einer Vorform verarbeitet. Diese Vorform wird durch Verwendung einer Wärmequelle zu einem Draht gedehnt und dann zur Faser geformt.
Bei allen obengenannten bekannten Verfahren wird die Faser dadurch erhalten, daß zunächst der Kernteil und der Mantelteil zu einem integrierten Körper verarbeitet werden, der dann erwärmt uiid in die Form eines Drahtes gestreckt wird. Ein solches Verfahren hat deshalb den Nachteil, daß die Grenzschicht zwischen Kern und Mantel nicht exakt definiert ist, wodurch sich ein schleehlererTotalreflexionskoeffizient ergibt.
Außerdem wird bei dem als Kollapsverfahren bezeichneten Verfahren, nämlich dein chemischen Dampfniederschlagsverfahren, bei dem das Glasrohr gefüllt und zu einem massiven Stab geformt wird, das Glasrohr auf Temperaturen bis zu 20000C erhitzt. Dabei verdampft nicht nui Si(Jj1 sondern auch der Zusatzstoff zum Steuern der Brechzahl, der als Dotiersubstanz bezeichnet wird und aus GeOi, PjOi usw. besteht. Dies Verfahren hat noch einen weiteren Nachteil, denn, da die Dotiersubstanz, z. B. GeOj, leichter verdampft als SiOj, verringert sich die Konzentration des Zusatzstoffes (in d.esem Fall GeOj) zum F.rhöhen der Brechzahl bei einer sehr dünnen Schicht auf der Glasoberflüehe, die spüler den Kerntcil bildet, so daß ein Defekt im Brechzahlprofil im Bereich in der Nähe der Mitte des Kernteils erzeugt wird und gleichzeitig die Verteilung der Brechzahl gestört wird, was zu einer Verfo; ming führt. Dieser Zustand ist in Fig. I dargestellt. In dieser Figur bedeutet die horizontale Achse die Radiusrichtung der Faser, dio vertikale Achse die Brech/ahi, während der Kerntril mit 1 und der Mantelteil mil 2 bezeichnet ist. Diese Figur ist eine graphische Darstellung der Brechzahl, der Defekt der Verteilung der Brechzahl ist durch A angedeutet.
Der Kerndurchmesser einer einzelnen Faser insbesondere beträgt nur einige Mikrometer, so daß tue Erzeugung des Fehlers im Brech/.ahlprofil im Bereich in der Nähe der Mille des Kernteils einen deutlichen schädlichen Einfluß auf die Charakteristik der I.ichtübertragung hat.
Die Erfindung ist darauf gerichtet, die obenerwähnten Nachteile auszuschalten und bidet ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser von hoher Qualität, bei der die Grenze zwischen dem Kernteil und dem Mantelteil exakt definiert und außerdem der Fehler im Brechzahlprofil ausgeschotet ist.
Ferner muß das Kernmaterial den geringstmöglichen Lichtverlust bieten i>iid sollte auch den geringstmöglichen Grund für eine Verschlechterung des optischen Absorptionsvermögens und der Streiiverlustcharaktcristik haben. Andererseits besteht keine Notwendigkeit, dem Mantelmaterial im Vergleich zum Verfahren für die Herstellung des Glaskerns so viel Aufmerksamkeit zu schenken, da das Mantelinateiial keinen so großen nachteiligen Einfluß auf die Lichtübertragungseigenschaft hat.
Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser zu schaffet:, die unter dem obengenannten Gesichtspunkt sehr wirksam ist.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
F i g. 2 zeigt ein Aiisführungsbeispiei einer Vorrichtung für das erfindiingsgemiiße Verfahren. Die Zeichnung zeigt das Kernausgangsmaicrial 21. eine Zufuhrvorrichtung 22 für das Kernausgangsm.iterial. einen Hochfreciuenz-Indukiiunsofen 2?. einen ringförmigen Sauerstoff-Wasserstoff-Brenner 24, ein Trägergas 25. eine Gasphasenerzeugereinheit 26, einen Elektroofen 27, eine Polymerisatüberzugsvorrichiung 28 (zum Auftragen des primären Überzugs), einen Elektroofen 29, eine Faserextraktionsvorrichtung 30. Die aus der Faserextraktionsvorrichtung 30 gezogene Faser wird anschließend auf eine Trommel aufgewickelt.
Als Ausgangsmaterial für den Kern wird handelsübliches Quarzglas von hoher Reinheit verwendet. Der Gmnd für die Verwendung eines Quarzglases von hoher Reinheit besieht darin, daß viele Arten von Dotiersuh stanzen und eine übergroße Menge der Dotiersubstan/ zu einer Erhöhung des Lichtübertragungsverlustes (Absorptionsverlustes) führen und leicht einen Fehler in der Verteilung der Brechzahl hervorrufen, der aus der Verdampfung und Wärmediffusion der Dotiersubstan/ resultiert und zu einer ungenauen Definition der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel führt. Ein Quarzglas von hoher Reinheit ist zweckmäßig, da es keine Dotiersubstanz enthält.
Im Verlaufe des Herstellungsverfahrens werden nacheinander die folgenden Schritte durchgeführt: Die Außenseite des Ouarzglasstabes von hoher Reinheit wird mechanisch poliert (spitzenlose Polierung), und dann wird die Oberfläche mit einem Säuregcmisrh gewaschen, welches Fluorwasserstoffsäure enthäl·. Danach wird die Oberfläche durch eine Feuerpolierbe handlung gesäubert und geglättet und erneut mn Fluorwasserstoffsäure gewaschen. Auf diese Weise kann ein Quarzglasstab von hoher Reinheit aus dem Kernausgangsmaterial 21 mit einem Außendurchmesser von 10 mm und einer Länge von 500 mm hergestellt werden. Dieser wird anschließend durch Verwendung des Hochfrequenz-Induktionsofens 23 zu einem Faser kern mit einem Außendurchniesser von 100 μηι verarbeitet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Hochfrequenz-Induktionsofen 23 verwendet; aber es ist klar daß der gleiche Zweck auch dann erreicht werden kann, wenn eine Wärmequelle verwendet wird, die das Glasmaterial bis zu der zum Expandieren desselben ausreichenden Viskosität erwärmen kann, z. B. ein Elektroofen, Laser, Gasbrenner usw.
Als Oberflächenbehandlung für die Außenseite des Quarzglasstabes, der als Kernmaterial verwendet wird können auch andere Verfahren als die genannte Behandlung hinzugefügt werden, und das Verfahren kann vereinfacht werden.
Ferner wird gemäß dem hier beschriebenen Ausfüli rungsbeispiel ein reines Quarzglas als Kernmateri.il verwendet, welches das beste Beispiel darstellt. Wenn es die Steuerung der Brechzahl, des Wärmedehtuingskoef fizienten und des Erweichungspunktes erfordert, kann gegebenenfalls ein Glasmaterial der Quarze mit löslichem Oxid als Zusatzstoff verwendet werden, der mindestens ein Oxid enthält, darunter Oxide von Germanium, Phosphor, Zinn, Niobium, Zirkonium. Lanthan, Fluor, Bor, Arsen, Magnesium, Kalzium. Titan, Gallium, Aluminium, Antimon, Tellur, Natrium, Lithium, Kalium und Blei. Der Gehalt an Zusatzstoff sollte 0,1% wesentlich übersteigen. Es kann auch ein Mehrelcment-Glasmaterial verwendet werden, welches aus einer Kombination aus mindestens einem Element unter den obengenannten Oxiden besteht.
Auf eier Außenfläche des entstandenen Faserkerns mil einem Außendurchmesser von 100 μηι wird anschließend durch Feuerhydrolyse feinkörniges, mit \rsen dotiertes Siliziumdioxid in einer Dicke von ca.
50 μιτι geformt und anschließend im Elektroofen 27 erhitzt und gesintert, um das Glas zu bilden, welches mit dem Kernteil integriert ist. Die integrierte f-'aser hai im wesentlichen einen Kerndurchmesser von 85 (im und eine Manteldicke von ca. 25 μηι.
Der im Verfahren der Feuerhydrolyse bei diesem Ausführungsbeispiel erzeugte Mantel wird gemäß folgendem Verfahren hergestellt: Der als Trägergas 25 wirkende trockene Sauerstoff wird in eine Sprudelvorrichtung eingeführt, die Siliziumtetrachlorid (SiCU) enthält und auf einer Temperatur von 300C gehalten wird, und ferner in eine Sprudelvorrichtung eingeleitet, die Bortribromid (BBr3) enthält und auf einer Temperatur von 30'C gehalten wird. Die von diesem Sauerstoff erfaßten Dämpfe aus SiCU und BBrj werden vermischt, und dabei wird die Menge des Sauerstoffs so eingestellt, daß sich eine Menge an BBr3 von 7,1 Gew.-% ergibt.
Anschließend wird das vom Sauerstoff erfaßte Dampfgemisch aus SiCU und BBr3 dem Sauerstoff-Wasserstoff-Flammenbrenner zugeführt und darin einer Hydrolyse unterworfen. Dadurch wird auf der Oberfläche des Kerns Oxid, nämlich SiO2 in einer Menge von ca. 86 Gew.-o/o und das feingranulierte Oxid (Glaskörnchen) mit einer Zusammensetzung von B2O3 von ca. 14 Gew.-% niedergeschlagen. Dies Oxid wird dem unmittelbar darunter angeordneten Elektroofen 29 zugeführt und auf ca. 13500C erhitzt und zu Glas gesintert. Auf diese Weise wird die Mantelglasschicht geformt.
Das oben beschriebene Verfahren zum Herstellen der Fasermantelschicht mit Hilfe der Feuerhydrolyse ist ein Beispiel für Dampfniederschlagsverfahren, bei denen der Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner verwendet wird. Es ist auch möglich andere Dampfniederschiagsverfahren anzuwenden, beispielsweise eine Wärmequelle, wie einen Elektroofen und einen Plasmabrenner anzuwenden.
Ferner wird bei dem oben beschriebenen Beispiel das Verfahren zum Niederschlag des Oxids und das zum Herstellen des gesinterten Glases getrennt vorgenommen. Wenn gewünscht, kann jedoch auch kontinuierlich ein Überzug geschaffen werden, wobei das Glas direkt auf der Kernfläche im Dampfniederschlagsverfahren unter Anwendung einer Wärmequelle erzeugt wird.
Als weiteres Verfahren zum Herstellen der Mantelschicht kann auch das Glasmaterial für den Mantel in einem einfach oder mehrfach aufgebauten Topf geschmolzen werden und die Kernfaser dann dem geschmolzenen Glas hinzugefügt werden, wodurch sich die Mantelschicht herstellen läßt.
Außerdem kann die Mantelschicht auf verschiedene andere Weise zusätzlich zu den genannten Verfahren hergestellt werden, nämlich durch
— ein Verfahren, bei dem feine Glaskörnchen für den Mantel, die in einem Lösungsmittel suspendiert sind. auf den Kern im Sprühverfahren oder Bürstenauftragsverfahren aufgebracht werden (nach dem Erwärmen und Schmelzen entsteht dann die Mantelschicht),
— ein Verfahren, bei dem feine Glaskörnchen für den Mantel im Rauchverfahren (Dampfbadverfahren) auf den Kern aufgetragen werden (durch Erhitzen und Schmelzen wird dann der Mantel erzeugt),
— ein Verfahren, bei dem feine Glaskörnchen für den Mantel, die in einem Elektrolyten suspendiert sind, auf den Kern aufgetragen werden und die Mantelschicht durch Erhitzen und Schmelzen (Plattierverfahren) erzeugt wird.
— ein Verfahren, bei dem GlasMückchen, die als Mantclmatcrial anbringbar sind, mil Hilfe eines Hoch freqiicnz-Zcrstäubungsverf ahrens, welches auch auf das Zerstäubungsziel angewendet wird, am Kern zum Haften gebracht werden (durch Erhitzen und Schmelzen wird dann die Mantelschicht geschaffen),
— ein Verfahren, bei dem das Gemisch aus GlasformuikI Überzugsmaterial, welches in einem organischen Haizlösungsmittel suspendiert ist. niedergeschlagen wird, wobei dann die Mantelschicht durch Erhitzen und Schmelzen entsteht.
Die Zusammensetzung des Glasmaterials für den Mantel wird bestimmt durch die Zusammensetzung des Kernmaterials. Wie jedoch auf der Hand liegt, ist es, wenn nötig, auch möglich, den Gehalt an und/oder die Zusammensetzung des Zusatzstoffes im Vergleich zur Zusammensetzung des Glasmaterials für den Kern zu ändern, um die Brechzahl einzustellen, und wenn nötig den Wärmedehnungskoeffizienten und Erweichungspunkt.
Nach der Schaffung des Mantels kann, wenn nötig, ein Polymerisat, z. B. ein Harz der Fluorgruppe (KYNAR) oder ein Silikonharz als Überzug aufgebracht werden, um die Erzeugung geringfügiger Fehler zu vermeiden und die mechsnische Stärke aufrechtzuerhalten bzw. eine Verschlechterung derselben zu verhindern.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar das Kemausgangsmaierial 41, eine Zufuhrvorrichtung 42 für das Kernausgangsmaterial, einen Hochfrequenz-Induktionsofen 43, einen ringförmigen Sauerstoff-Wasserstoff-Brenner 44, ein Trägergas 45, eine Dampfniederschlagseinheit 46, einen Elektroofen 47, das Glas für den Mantel 48, einen Elektroofen 49, einen Schmelztiegel 50 für das Mantelglas, eine Polymerisatüberzugsvorrichtung 51 (für den primären Überzug), einen Elektroofen 52, eine Faserextraktionsvorrichtung 53 und eine Aufnahmevorrichtung 54.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Kernausgangsmaterial 41 eine Glasstange von hoher Reinheit der SiO2-GeO2-Gruppe verwendet, deren Brechzahl 1,490 beträgt, während ihr Wärmedehnungskoeffizient ca. 32 · 10-7/°C ist. Das Kernausgangsmaterial 41 wird einer ausreichenden Oberflächenbehandlung und Reinigung unterworfen und dann zu einem Glasstab von hoher Reinheit mit einem Außendurchmesser von 10 μηι und einer Länge von 500 mm verarbeitet. Der Glasstab wird dann erhitzt und bei einer Temperatur von ca. 165O0C im Hochfrequenz-Induktionsofen gestreckt und zu der bloßen Faser lediglich des Kernteils mit einem Außendurchmesser von ΙΙΟμπι verarbeitet. Anschließend wird wie bei dem anhand von Fig.? erläuterten Ausführungsbeispiel feines körnchenförmiges Oxid der SiO2-GeO2-Gruppe auf der Oberfläche der bloßen Faser des Kernteils durch ein Feuerhydrolyseverfahren unter Verwendung des ringförmigen Sauerstoff-Wasserstoff-Brenners 44 niedergeschlagen. Dies Oxid wird anschließend in dem unmittelbar an der Unterseite angeordneten Elektroofen 47 auf eine Temperatur von ca. 1400°C erhitzt und dann unter Erzeugung der Mantelglasschicht zu Glas gesintert. Hierdurch entsteht eine Faser mit einem Außendurchmesser von 145 μπι und einem Kerndurchmesser von 92 μπι, bei der der Mantel mit dem Kernteil integriert ist Die Zusammensetzung des Glases für die Mantelschicht besteht aus dem SiO2-GeO2-GIaS. welches eine Brechzahl von 1,478 und einen Wärmedeh-
nungskoeffizienten von 25 · 10 7/°C hat. Anschließend erfolgt eine Beschichtung mit einer Glasschicht durch das feine Loch am Boden des Mantelglasschmelztiegels 50. Auf diese Weise wird das Endprodukt, nämlich eine Faser mit einem Außendurchmesser von 148 μιη und einem Kerndurchmesser von 83 μηι erhalten, die zwei Arten von Mantelglasschichten aufweist.
Die Dicke der Glasmantelschicht kann je nach den Oxidniederschlagsbedingungen auf der Oberfläche der blanken Kernfaser geändert werden (Dampfniederschlagsbedingung, Brennerstruktur und Größe usw.); aber sie hängt größtenteils von der Viskosität des Glases und der Spinngeschwindigkeit ab. Es ist auch möglich, die Dicke der Mantelglasschicht je nach den spezifizierten Abmessungen zu steuern.
Wie bereits erwähnt, ist es möglich bei der Erzeugung der Glasmantelschicht das gleiche Verfahren mehrmals (mindestens noch einmal) zu wiederholen und unter Kombination unterschiedlicher Verfahren eine mehrfache Wiederholung vorzunehmen. Es kann auch eine Glasfaseroptik durch mehrfachen Auftrag von Glasschichten mit unterschiedlicher Brechzahl in jeder Schicht erzeugt werden, die eine Fasercharakteristik mit abgestuftem Index hat.
Ferner kann man dies Verfahren wegen dem Bestreben, daß der Kernteil, jedesmal wenn die Mantelglaslage beschichtet wird, allmählich erhitzt und gestreckt wird, als ein Verfahren bezeichnen, welches gerade geeignet ist, um eine einzelne Faser mit kleinem Kerndurchmesser und dickem Mantel und Glasschichten herzustellen.
Die gemäß F i g. 3 erhaltene Glasfaseroptik hat einen Übertragungsverlust von 7,8 dB/km bei einer numerischen Apertur NA von 0,19 und einer Lichtwellenlänge von 0,83 μπι. Die durch Auftrag des Silikonharzes erhaltene beschichtete Glasfaseroptik hat einen Außendurchmesser von 252 μηι, und ihre Zugfestigkeit beträgt ca. 4,7 kg/Faser.
Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren /um Herstellen einer optischen Faser, bei dem eine lose Faser des Kernteils durch Erwarmen und Strecken des Ausgangsmaterials für den Kern hergestellt wird und der Kern mit einem Mantel beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet," daß der gestreckte Kern durch Dampfniederschlag mit einem feinen körnchenförniigen Oxid für die Bildung eines Mantels aus Glas beschichtet wird und daß die Glasmuntelschieht erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle zum Erwärmen und Strecken des Ausgangsmaterials für den Kern ein Elektroofen, ein Hochfrequenz-Induktionsofen, Laser oder ein Gasbrenner verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch '., dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Kern und den Mantel ein Quarzglas von hoher Reinheit verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Kern und für den Mantel ein schmelzbares oxidhaltiges Glas verwendet wird, welches mindestens eins der Oxide von Germanium, Phosphor, Zinn, Niobium, Zirkon, Lanthanum, Fluor, Bor, Arsen, Magnesium. Kalzium, Titan, Gallium, Aluminium, Antimon, Tellur, Natrium, Lithium, Kalium und Blei enthalt und in einer Menge von mehr als 0,1% verwendet wird.
). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Glasmaterial für die Mantelschicht ein Material verwendet wird, welches eine niedrige Brechzahl und einen niedrigen Wärmedehmingskoeffizienten im Vergleich zum Glas für den Krrn, eine geringere Viskosität als das Glas für den Kern und eine ausgezeichnete Affinität zum Kein hat.
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