DE2922665A1 - Verfaren zur herstellung einer monomode-lichtleitfaser mit elliptischem kernquerschnitt - Google Patents

Verfaren zur herstellung einer monomode-lichtleitfaser mit elliptischem kernquerschnitt

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Description

M.S.Maklad-14
Verfahren zur Herstellung einer Monomode-Lichtleitfaser mit elliptischem Kernquerschnitt
Bei der Verwendung von Monomode-Lichtleitfasern zur Informationsübertragung mit großer Bandbreite oder für Phasenmodulationsanwendungen ist es wünschenswert, die Polarisationsebene des polarisierten Lichtes beizubehalten oder das unpolarisierte Licht zu polarisieren. Eine Monomode-Paser
mit einem elliptischen Kernquerschnitt hält die Polarisations-■ ebene des eingestrahlten Lichtes konstant.
Dämpfungsarme optische Monomode-Fasern werden vorzugsweise bei speziellen Anwendungsfällen verwendet, beispielsweise bei Laserkreiseln, Detektoren für Unterwasser-Schallmeßsysteme, als Verbindungsleitungen, insbesondere als optische Faser-Verbindungsleitungen bei optischen Anordnungen, die linear polarisiertes Licht verwenden, und, als besonders wichtiger Anwendungsfall, bei Datenübertragungssystemen mit hoher Geschwindigkeit.
Auf dem Gebiet· der Lichtleitfasern ist es bekannt, daß für die oben aufgeführten Anwendungsfälle und andere Monomode-Fasern entweder erforderlich oder erwünscht sind. Es bestand bisher das Problem, ein Verfahren zur Herstellung einer dämpfungsarmen Monomode-Lichtleitfaser zu entwickeln, die entweder die Polarisation des polarisierten Lichtes aufrecht erhält oder durch ihre Geometrie eine Polarisation von unpolarisiertem Licht bewirkt.
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Auf diesem Gebiet wurden verschiedene Artikel veröffentlicht, die sich im allgemeinen auf die Auswirkung eines elliptischen Querschnitts des Faserkernes beziehen. -Es wurden die magnete—optischen Eigenschaften von optischen Fasern mit einem Brechungsindexgradienten untersucht, ferner die durch kleine elliptische Verformungen des Querschnitts bedingten Laufzeitverzerrungen bei optischen Glasfasern-Wellenleitern, außerdem die von der Länge abhängigen linearen und zirkularen Doppelbrechungseigenschaften von dämpfungsarmen Monomode-Glasfasern, außerdem der Einfluß eines Kernes mit nicht kreisförmigem Querschnitt auf das Polarisationsverhalten von Monomode-Fasern und schließlich die Polarisationseffekte in Monomode-Fasern geringerer Länge. Die Probleme sind in den folgenden Veröffentlichungen behandelt:
1. Harms, H., Papp, A., und Kempter, "Magneto-optical Properties of Index Gradient Optical Fibers". App.Optics, 15, 3 pp 799-801, 1976.
2. Schlosser, W.O., "Delay Distortion of Weakly Guiding
Optical Fibers Due to Elliptic Deformation of Boundary". B.S.T.J., 51, 2, pp 487-492, 1972.
3. Kapron, F. P., Bore Hi, N. F. und Keck, D.B. "Birefingence in Dielectric Optical Waveguides". IEEE Journal of Quantum Electronics QE-8, 2,
25. PP 222-225, 1972.
4. Ramaswamy, V. und W.G. French, "Influence of Noncircular Core on the Polarization Performance of Single Mode Fibres", Electronics Letters, 14, 5, pp 143-144, 1978.
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5. Ramaswamy, V., Standley, R,D., Sze, D., und French, W.G., "Polarization Effects in Short Length, Single Mode Fibers", B.S.T.J. 57, 3, pp 635-651, 1978.
Keine dieser Arbeiten enthält ein wirksames reproduzierbares Verfahren zur Herstellung von dämpfungsarmen polarisierenden Monomode-Lichtleitfasern. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Monomode-Lichtleitfaser anzugeben.
Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 angegebenen gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun zusammenfassend näher erläutert.
Das Verfahren besteht darin, zunächst ein hohles Quarzglasrohr von Verunreinigungen zu befreien, die sowohl auf der Innenseite des Rohres als auch auf der Außenseite des Rohres vorhanden sein können. Das Rohr wird darauf innen und außen flammenpoliert, während seine Bohrung unter überdruck steht, um die Bohrung des Rohres zu glätten und Feuchtigkeit davon zu entfernen. Dies geschieht·dadurch, daß man das Rohr in eine rotierende Drehbank einspannt, während man es innen und außen bei einem innerhalb des Rohres herrschenden Überdruck flammenpoliert. Während das Rohr gedreht wird, wird eine Trennschicht aus Silizium-Dioxid auf der Innenwand niedergeschlagen,, indem man eine Mischung aus trockenem Siliziumtetrachlorid (SiCl.) und Sauerstoff (0_) durch das Glasrohr strömen läßt, während man das Glasrohr mit einem entlangfahrenden Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner erhitzt,
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derart, daß ein glasiger Film als Trennschicht auf der Innenwand des Glasrohres entsteht. Die Trennschicht ist beispielsweise etwa 2 pm dick und wächst mit der Geschwindigkeit von etwa 1 um pro Durchgang.
Nachdem die Trennschicht aus reinem Silizium-Dioxid (SiO-) niedergeschlagen worden ist, wird eine Mantelschicht aus Borsilikat^Glas dotiert mit Phosphorpentoxid (P2 0S^ aufgebracht. Dies geschieht in ungefähr 50 Durchgängen, so daß eine Mantelschicht der Dicke von etwa einem Millimeter aus 50 einzelnen Schichten entsteht. Darauf wird das Kernglasmaterial wie später im einzelnen beschrieben wird, aufgebracht. Während dieser Zeit, die mit dem Einspannen des Glasrohres in die Drehbank beginnt, wird der Niederschlag des Kernglasmaterials aufgebracht, das Glasrohr von der Drehbank gedreht und die Flamme oder eine andere Wärmequelle vom einen Ende des Glasrohres zum anderen Ende bewegt.
Mit dem nächsten Schritt beginnt ein neues Kollabierungsverfahren zur Herstellung einer Vorform, die dazu verwendet werden kann, eine Monomode-Lichtleitfaser mit einem elliptischen Kernquerschnitt zu erzeugen. Zunächst wird der Innenraum des Glasrohres teilweise evakuiert und die Drehung der Drehbank angehalten. Die eine Seite des Glasrohres wird der Wärme ausgesetzt, beispielsweise der Wärme einer Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme, so daß die Wärme auf den Bereich zwischen der Wärmequelle und der ihr am nächsten befindlichen Außenseite des beschichteten Glasrohres konzentriert ist. Die Wärmequelle ist so ausgebildet, daß der ihr am nächsten gelegene Bereich des beschichteten Glasrohres die Kollabierungstemperatur erreicht, und dieser Bereich bewegt sich jeweils mit der Flamme oder der anderen Wärmequelle longitudinal längs des Glasrohres mit einer.Geschwindigkeit, die
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ein teilweises Kollabieren der einen Seite des beschichteten Glasrohres ermöglicht. Die Flamme wird dabei so lange hin- und herbewegt,bis entlang der ganzen einen Seite des beschichteten Glasrohres die erwünschte Kollabierung stattgefunden hat. In diesem Stadium wird das beschichtete Glasrohr.um 180° gedreht und die gegenüberliegende Seite der Wirkung der Wärmequelle ausgesetzt, damit der erwünschte Grad der teilweisen Kollabierung erreicht wird.
Nachdem beide Seiten des beschichteten Glasrohres teilweise kollabiert sind, wird die Drehbank wieder eingeschaltet, uitt das teilweise kollabierte Glasrohr zu drehen. Dadurch wird die Hitze dem gesamten Umfang des Glasrohres zugeführt, so daß eine feste Vorform der Lichtleitfaser entsteht, die einen zylindrischen Querschnitt mit einem elliptischen Kernquerschnitt hat. Vorzugsweise werden die Bedingungen der teilweisen Kollabierung zusammen mit der Zusammensetzung der Schichten für Kern und Mantel so gewählt, daß ein Monomode-Kern mit im wesentlichen elliptischem Querschnitt entsteht, bei dem das Verhältnis der größeren zur kleineren Achse etwa 2 zu 1 beträgt.
Der nächste Schritt besteht darin, aus der Vorform in bekannter Weise die Faser zu ziehen, die dann eine Monomode-Faser mit elliptischem Kernquerschnitt ist.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 den Querschnitt eines beschichteten Glasrohres, von dem das Verfahren gemäß dieser Erfindung ausgeht,
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Fig.2 den Querschnitt eines beschichteten Glasrohres, dessen eine Seite einer Wärmequelle ausgesetzt ist, die auf dieser Seite eine teilweise Kollabierung bewirkt,
Fig.3 den Querschnitt des beschichteten Glasrohres,
dessen andere Seite auf die Kollabierungstemperatur erhitzt worden ist,
Fig.4 den Querschnitt der durch die Kollabierung erzeugten zylindrischen Vorform und ·
· Fig.5 einen ähnlichen Querschnitt wie Fig.4 mit
dem Unterschied, daß hier eine Monomode-Faser mit einem elliptischen Kernquerschnitt dargestellt ist.
Die Fig.1 zeigt ein Zwischenprodukt, das durch Behandlung eines hohlen Glasrohres 10 entstanden ist, dessen Innenseite mit einer Trennschicht 12 aus nahezu reinem Silizium-Dioxid überzogen worden ist. Die Trennschicht 12 ist verhältnismäßig dünn und ist deshalb als eine einzige Linie dargestellt. Selbstverständlich erheben die Zeichnungen keinen Anspruch darauf maßstabsgerecht zu sein, da sie lediglich dazu dienen sollen, die Merkmale der Erfindung zu zeigen. Nach dem Aufbringen der Trennschicht 12., die eine glasige dünne Schicht aus beispielsweise Siliziumdioxid ist, wird eine verhältnismäßig dicke Mantelschicht 14 durch das als modifiziertes Niederschlagsverfahren aus einer chemischen Dampfphasenreaktion (MCVD) bekannte Verfahren auf die Trennschicht 12 aufgebracht. Als Material
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für die Mantelschicht wird ein Borsilikat-Glas bevorzugt, das mit Phosphorpentoxid (P2 0S^ dotiert ist. Beim MCVD-Verfahren zum Aufbringen der Mantelschicht wird das Glasrohr gedreht und außen eine Wärmequelle oder Flamme entlang geführt, die heiß genug ist, damit die dampfförmigen reagierenden Materialien das erwünschte Mantelmaterial als eine glasige Schicht 14 entstehen lassen. Nach Bildung der Mantelschicht 14 wird die Kernglasschicht in ähnlicher Weise auf der Innenseite der Bohrung 20 auf der Oberfläche der Mantelschicht 14 niedergeschlagen. Das entstehende Produkt ist ein mehrfach beschichtetes Glasrohr 10 mit einer Trennschicht 12, einer Mantelschicht 14 und einer Kernschicht 16 auf der Innenwand der Bohrung 20.
Fig.2 zeigt den neuen Kollabierungsschritt, der dazu dient, eine Vorform 26 einer Lichtleitfaser mit einem elliptischen Kernquerschnitt 25 (Fig.4) herzustellen. Bei Fig.2 erzeugt eine Düse 22 eines Wasserstoff-Sauerstoff-Brenners (nicht gezeigt) eine Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme 24, die auf eine Seite des in Fig.1 gezeigten beschichteten Glasrohres gerichtet ist. Die normale Drehung des beschichteten Glasrohres durch die (nicht gezeigte) Drehbank wird angehalten, so daß das in Fig.1 gezeigte Glasrohr dabei nicht mehr rotiert. Normalerweise wird nämlich während des verwendeten Dampfniederschlags-Verfahrens zur Bildung der Trennschicht 12, der Mantelschicht 14 und der Kernschicht 16 das Glasrohr von der Drehbank mit einer konstanten Geschwindigkeit gedreht, damit der Niederschlag der verschiedenen Schichten in der Bohrung gleichmäßig erfolgt. In ähnlicher Weise wird während des Be-Schichtungsverfahrens eine Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme oder eine andere Wärmequelle auf das Glasrohr gerichtet,
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so daß dessen gesamte Außenfläche so sehr der Wärme ausgesetzt ist, daß die im Dampfzustand vorliegenden Reaktionsmittel innerhalb der Bohrung reagieren und eine Schicht aus glasigem Material für jede der Schichten 12, 14 und 16 bilden.
Bei dem in Fig.2 gezeigten Verfahrensschritt wird nun die Drehbewegung des Glasrohres 10 gestoppt und in seiner Bohrung ein teilweises Vakuum erzeugt. Gleichzeitig wird die Wärme von allen Seiten entfernt bis auf eine Seite des in Fig.1 gezeigten Glasrohres. Die Längsbewegung der Düse 22 wird kurzzeitig angehalten, bis die in Fig.1 gezeigte Anordnung an ihrer der Flamme 24 zugewandten Seite eine Temperatur erreicht, bei der die erwünschte Kollabierung erfolgen kann. In diesem Stadium nimmt die nach Fig.1 zusammengesetzte Anordnung aufgrund der Oberflächenspannung und der Eigenschaften der Mantel- und Kernschicht in dem Bereich oder dem Punkt, der der Wärmequelle oder Flamme 24 ausgesetzt ist, die in Fig.2 gezeigte abgeflachte Form an. Zu diesem Zeitpunkt wird die Düse 22 entlang der Außenseite des Glasrohres bewegt, so daß dieses entlang seiner ganzen Länge gleichmäßig kollabiert. Wenn nun die Kollabierung dieser einen Seite des Glasrohres stattgefunden hat, wird das Glasrohr 10 um 180° gedreht, und die gleiche Düse 22 mit der Flamme 24 wird auf die gegenüberliegende Seite des Glasrohres gerichtet. Es kann auch eine andere, ähnliche Düse 22 mit einer Flamme 24 gezündet und auf die gegenüberliegende Seite des in Fig.2 gezeigten Rohres gerichtet werden. In jedem Falle wird das Glasrohr mit den Innenschichten an der Seite, die derjenigen, an der es bereits teilweise kollabiert ist,
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gegenüberliegt erhitzt,· bis der Kollabierungszustand erreicht ist, und von diesem Zeitpunkt an wird die Wärmequelle oder Flamme 24 entlang dem Glasrohr geführt, wie in Fig.3 gezeigt, so daß diese gegenüberliegende Seite des Glasrohres 10 mit seinen Innenschichten 12, und 16 gleichmäßig kollabiert. Es ist auch eine Anordnung möglich, bei der beide Seiten des Glasrohres gleichzeitig teilweise kollabieren.
Das Ergebnis der in Fig.2 und 3 (nicht maßstabsgetreu) gezeigten Verfahrensschritte besteht darin, daß in dem Hohlraum oder der Bohrung 20 des Glasrohres eine wesentliche öffnung zurückbleibt, und daß die verschiedenen Schichten eine elliptische Form erhalten, wobei mindestens die Kernschicht 16 einen elliptischen Querschnitt aufweist, bei dem das Verhältnis der größeren zur kleineren Achse etwa 2:1 beträgt.
Nach den in Fig.2 und 3 gezeigten Verfahrensschritten wird das Glasrohr, das die in Fig.3 gezeigte Form hat, derart kollabiert, daß die Bohrung 20 verschwindet und eine zylinderförmige feste Vorform 26 entsteht, die in Fig.4 gezeigt ist und einen im wesentlichen elliptischen Kernquerschnitt 25 hat. Zu dieser Kollabierung, die die Vorform 26 ergibt, wird das Glasrohr mit der in Fig.3 gezeigten Form in einer Drehbank rotiert und einer Wärmequelle ausgesetzt, die sich entlang dem rotierenden Glasrohr bewegt, so'daß die zylinderförmige Vorform 26 entsteht.
Die verschiedenen Schichten 10, 12, 14 und 16 hätten natürlich in den Fig.2, 3, 4 und 5 schraffiert dargestellt werden können, jedoch erschien dies zum Zwecke der Erläuterung nicht nötig. Es kommt nur darauf an, zu verstehen, daß die Vorform 26, die in Fig.4 gezeigt ist,
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aus einer äußeren konzentrischen durch das Glasrohr gebildeten Schicht, einer Trennschicht, die durch die Linie oder den konzentrischen Kreis dargestellt ist, und aus der Mantelschicht 14 besteht, die den Kern 25 mit elliptischem Querschnitt umgibt.
Nach der Fertigstellung der Vorform 26 wird die bekannte Faserziehtechnik dazu verwendet, aus der Vorform eine Lichtleitfaser 28 mit einem elliptischen Kernquerschnitt zu ziehen. Wiederum ist darauf hinzuweisen, daß die Fig.5 nicht maßstabsgetreu ist und nur dazu dient, die relative Änderung des Querschnitts der Vorform 26 und die fertige Faser 28 zu zeigen.
Es wird nun ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben, nämlich ein Verfahren zur Herstellung einer ^ Monomode-Lichtleitfaser mit einem elliptischen Kernquerschnitt 30, die geeignet ist, die Polarisationsebene von eingestrahltem polarisiertem Licht aufrechtzuerhalten oder die Polarisation von eingestrahltem und polarisiertem Licht zu bewirken.
Es wird ein Rohr 10 aus geschmolzener Kieselsäure ausgewählt, das einen Außendurchmesser von 15 mm und einen Innendurchmesser von 13 mm und eine Länge von 20 Zoll hat. Das Glasrohr 10 wird für das Niederschlagsverfahren vorbereitet, indem es mit einer Mischung im Mischungsverhältnis von 50 zu 50 aus Flußsäure und Salpetersäure ausgeätzt wird, um restliche Verunreinigungen zu beseitigen. Zur Beseitigung der Verunreinigungen wird weiterhin das Glasrohr mit Methanol gereinigt, und das gereinigte Glasrohr darauf in trockenem Sauerstoffgas getrocknet. Danach wird das Glasrohr 10 in der Drehbank befestigt und gedreht.
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Das Glasrohr 10 und seine Bohrung 20 werden sowohl innerhalb der Bohrung und an der Außenfläche des Glasrohres flammenpoliert, wobei das innere des Glasrohres unter einem Überdruck gehalten wird, um die Bohrung des Rohres zu glätten und zu trocknen, damit jegliche restliche Feuchtigkeit oder OH-Gruppen verschwinden .
Während die Drehbewegung des Glasrohres aufrechterhalten wird, wird eine Mischung aus trockenem SiCl4 und 0„ in die Bohrung 20 eingeleitet,während entlang dem Rohr eine heiße Zone bewegt wird, die die Wasserstoff-Sauer stoff -Fl amme sein kann, die so gerichtet ist, daß sie den Umfang des Glasrohres 10 vollständig erfaßt. Die Wärme der Wärmequelle bewirkt, daß aus der Reaktion der dampfförmigen Reaktionsmittel an Ort und Stelle nahezu reines SiO3 als dünne Trennschicht 12 niedergeschlagen wird. In diesem Beispiel wurde mit 2 Durchgängen der Wärmequelle eine 2 um dicke Trennschicht 12 auf dem Glasrohr 10 niedergeschlagen.
Der nächste Schritt besteht darin, eine 1 mm dicke Schicht aus Borsilikatglas dotiert mit Phosphorpentoxid als Mantelschicht niederzuschlagen. In diesem Beispiel erreichten 50 Durchgänge der Wärmequelle, der Wasserstoff-Sauerstoff -Flamme, dazu aus, eine etwa 1 mm dicke Mantelschicht zu erzeugen. Nach der Bildung der Mantelschicht mit dem MCVD-Verfahren oder irgendeinem anderen geeigneten Verfahren wird die Kernschicht aus mit Germaniumdioxid dotiertem Siliziumdioxid mit einer Schichtdicke von weniger als 1 μχα niedergeschlagen. In diesem Beispiel wurde die
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Kernschicht 16 mit 1o Durchgängen der heißen Zone erzeugt.
Nachdem nun das in Fig.1 gezeigte beschichtete Glasrohr hergestellt ist, erfolgt die zweistufige teilweise Kollabierung des Glasrohres, wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt. Darauf wird die Kollabierung zur festen Vorform 26, die in Fig.4 gezeigt ist, mit der bekannten Technik durchgeführt. Es ist klar, daß das Glasrohr in der Form nach Fig.3 bei der Drehung und unter dem Einfluß der Wärme auf den Umfang bei der Drehung, wobei sich die Wärmequelle längs dem Glasrohr entlangbewegt, von der im wesentlichen elliptischen Form nach Fig.3 in die in Flg.4 gezeigte zylindrische Form der Vorform 26 übergeht. Dieser Übergang beruht hauptsächlich auf der Oberflächenspannung, die die Bohrung 20 in die feste Form wie in Fig.4 gezeigt, kollabieren läßt. Der letzte Schritt des Ziehens der Lichtleitfaser 28 mit ihrem elliptischen Kernquerschnitt 30, die in Fig.5 gezeigt ist, geschieht mit der bekannten und bewährten Technik.
Die zur Faser 28 gezogene Vorform behält ihre zylindrische Form bei elliptischem Kernquerschnitt 30. Die Monomode-Lichtleitfaser hatte eine Dämpfung bei O,63;im von 8,13 dB/km. Wenn polarisiertes oder unpolarisiertes Licht in die Faser eingestrahlt wurde, so wurde am Ende der Glasfaser polarisiertes Licht festgestellt. Das Leistungsverhältnis des Lichts, das entlang der größeren Achse polarisiert war, und des Lichts,das entlang der kleineren Achse polarisiert war, betrug 20 dB.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß die größere Oberfläche der Faser 28 eine oder mehrere Schutz- oder Versbärkungsschichten aufweisen kann, die während oder nach dem Ziehen der Faser aufgebracht werden können.
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L e e r s e i t

Claims (4)

  1. Dipl.-Phys. Leo Th ul **«·«.
    Kurze Str.8
    7 Stuttgart 30 ·' '. . ."
    M.S.Maklad-14
    INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK
    Patentansprüche
    V.
    Verfahren zur Herstellung einer Monomode-Lichtleitfaser mit einem im wesentlichen elliptischen Querschnitt des Kernes, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Glasrohr (10) mit dem Glasmaterial des Mantels (12, 14) und dann mit dem Glasmaterial des Kernes (16) innen beschichtet wird (Fig.1), daß darauf das beschichtete Glasrohr auf einer Längsseite so weit erhitzt wird, daß auf dieser Seite eine teilweise Kollabierung stattfindet (Fig.2), daß darauf die gegenüberliegende Längsseite des beschichteten Glasrohrs so weit erhitzt wird, daß auf dieser Seite eine teilweise Kollabierung stattfindet (Fig.3) und daß darauf das teilweise kollabierte beschichtete Glasrohr derart kollabiert wird, daß eine Vorform mit im wesentlichen zylindrischem Querschnitt bei im. wesentlichen elliptischem Querschnitt des Kernes entsteht, und daß schließlich die Vorform erhitzt und zum Lichtwellenleiter mit elliptischem Kernquerschnitt ausgezogen wird.
    Kg/Sch
    31.05.1979
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  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elliptische Querschnitt des Kernes der Vorform ein Ellipsenachsenverhältnis von etwa 2:1 hat.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elliptische Querschnitt des Kernes des Lichtwellenleiters ein Ellipsenachsenverhältnis von etwa 2:1 hat.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des teilweisen seitlichen Kollabierera an der Bohrung des beschichteten Glasrohrs ein teilweises Vakuum erzeugt wird.
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DE19792922665 1978-06-09 1979-06-02 Verfaren zur herstellung einer monomode-lichtleitfaser mit elliptischem kernquerschnitt Granted DE2922665A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

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