DE2939659A1 - Multilayer glass optical waveguide fibres - where outer sheath with low coefft. of thermal expansion provides fibres with high tensile strength - Google Patents
Multilayer glass optical waveguide fibres - where outer sheath with low coefft. of thermal expansion provides fibres with high tensile strengthInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Method of making a multilayer
optischen G]asfaser-Wellenleiters Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen optischen Glasfaser-Wellenleiters mit einem Kern, einem Mantel und einer Außenhülle, die aufgrund ihres gegenüber dem Kern und dem Mantel unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten die Zugfestigkeit des Glasfaser-Wellenleiters erhöht, bei dem durch Innenbeschichtung eines Substrat-Glasrohrs und Kollabieren eine Vorform hergestellt wird, aus der der Glasfaser-Wellenleiter gezogen wird. prior art glass fiber waveguide The invention relates to a method of manufacturing a multilayer glass fiber optical waveguide with a core, a sheath and an outer shell that are due to their opposite the core and the jacket have different coefficients of thermal expansion, the tensile strength of the glass fiber waveguide increased by coating the inside of a substrate glass tube and collapsing a preform is made from which the fiber optic waveguide is pulled.
Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der DE-OS 24 19 786 und zählt auch durch die ältere Patentanmeldung DE-OS 28 26 010 zum Stand der Technik.Such a method is known from DE-OS 24 19 786 and counts also through the earlier patent application DE-OS 28 26 010 to the state of the art.
Beide Offenlegungsschriften geben die Lehre, ein Substrat-Glasrohr innen mit dem Kernmaterial und dem Material des daran angrenzenden Mantels zu beschichten (in umgekehrter Reihenfolge) . Die zur Erhöhung der Zugfestigkeit notwendige Außenhülle soll nach der DE-OS 24 19 786 dadurch entstehen, daß das innenbeschichtete Rohr in ein Rohr aus dem Material der Außenhülle gebracht wird, diese beiden Rohre miteinander verschmolzen und gemeinsam zur Faser ausgezogen werden.Both laid-open documents teach a substrate glass tube to coat the inside with the core material and the material of the jacket adjoining it (in reverse order) . The outer shell necessary to increase the tensile strength is to arise according to DE-OS 24 19 786 in that the internally coated pipe is brought into a tube made of the material of the outer shell, these two tubes together fused and drawn out together to form fibers.
Dagegen soll nach der DE-OS 28 26 010 die Außenhülle durch Abscheiden einer oder zweier Schichten auf der Außenfläche des kollabierten innenbeschichteten Substrat- Glasrohres erzeugt werden. Die so durch Innenbeschichtung eines Glasrohres, Kollabieren und Außenbeschichtung hergestellte Vorform wird anschließend zum Glasfaser-Wellenleiter ausgezogen.In contrast, according to DE-OS 28 26 010, the outer shell should be deposited by deposition one or two layers on the outer surface of the collapsed inner-coated Substrate Glass tube are generated. The so through internal coating A preform made of a glass tube, collapsing and external coating is then made pulled out to the fiber optic waveguide.
Die Außenhülle besteht entweder aus einer einzigen Schicht, deren Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger ist als der des Mantels, oder aus einer inneren Schicht mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer daran angrenzenden größeren Schicht mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten.The outer shell consists either of a single layer, whose Thermal expansion coefficient is lower than that of the jacket, or from an internal Layer with a lower coefficient of thermal expansion and one adjacent to it larger layer with a higher coefficient of thermal expansion.
Solche Außenhüllen haben folgende Bedeutung: Wenn eine Glasfaser in Richtung ihrer Längsachse einer Zugkraft ausgesetzt wird, dann erhöht sich die Spannung an der Faseroberfläche erheblich. Auch wenn Maßnahmen getroffen sind, die Glasfaseroberfläche von Staubteilchen und Feuchtigkeit freizuhalten, beispielsweise durch sofortige Aufbringung einer Kunststoffummantelung während der Herstellung, ist die Glasfaser üblicherweise etwas aufgerauht, und auf ihrer Oberfläche sind Mikrorisse vorhanden. Da sich die Glasfaser unter einer ständigen Spannung befindet, wachsen die Risse von außen nach innen weiter. In kurzer Zeit wird die gesamte Glasfaser erheblich geschwächt und kann nach einer relativ kurzen Lebensdauer, die für Zwecke der optischen Nachrichtenübertragung überhaupt nicht ausreichend ist, brechen. Die Anwesenheit von Wassermolekülen am äußeren Umfang der Glasfaser hegünstigt ebenfalls das Wachsen der Risse und erhöht somit die Möglichkeiten des zu frühen Ausfalls.Such outer sheaths have the following meaning: If a glass fiber in Is subjected to a tensile force in the direction of its longitudinal axis, the tension increases on the fiber surface considerably. Even if measures are taken, the fiberglass surface to keep them free of dust particles and moisture, for example by immediate Application of a plastic coating during manufacture is the glass fiber usually somewhat roughened and there are microcracks on their surface. Because the fiberglass is under constant tension, the cracks grow from the outside to the inside. In a short period of time, the total fiber becomes significant weakened and may after a relatively short life, which is for optical purposes Message transmission is not sufficient at all, break it. The presence of water molecules on the outer circumference of the glass fiber also promotes growth the cracks and thus increases the possibility of premature failure.
Eine bekannte Maßnahme zur Erhöhung der Stärke von Glasfasern für die optische Nachrichtenübertragung besteht darin, an der Manteloberfläche einen Oberflächendruck auszuüben. Eine derartige Technik ist beispielsweise aus einem Artikel von D.A.Krohn und A.R.Cooper bekannt, der in "Journal of the American Ceramic Society", Dezember 1969, Seiten 661-664 veröffentlicht ist. Dieser Artikel enthält theoretische und experimentelle Daten, die zeigen, daß, wenn ein Mantelglas mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der des Kernglases gewählt wird, und wenn die Glasumwandlungstemperatur des Kerns und des Mantels in geeigneter Weise beachtet werden, eine gute Wahrscheinlichkeit besteht, daß Druckspannungen entstehen können, die die Faserstärke erhöhen.A known measure to increase the strength of glass fibers for the optical communication consists of a To exert surface pressure. Such a technique is, for example, from one Article by D.A.Krohn and A.R.Cooper known in "Journal of the American Ceramic Society ", December 1969, pages 661-664. This article contains theoretical and experimental data showing that when using a cladding glass a lower coefficient of thermal expansion than that of the core glass is selected, and when the glass transition temperature of the core and the clad is appropriate must be observed, there is a good chance that compressive stresses will arise that increase the fiber strength.
Aus der US-PS 3 849 181 ist bekannt, daß bei bestimmten Arten von nichtoptischen Glasfaserstrukturen, beispielsweise bei hochfesten Fasern aus polykristallinen feuerfesten Oxiden zur Verwendung in Glasfaserprodukten dadurch verstärkt werden können, daß man auf die Oberfläche jeder Faser einen extrem dünnen Mantel aus einem glasigen Material aufbringt. Jedoch werden dort nicht die im Zusammenhang mit optischen Fasern bestehenden Probleme behandelt. Außerdem wird angegeben, daß für solche konstruktiv verwendeten Fasern der äußere Mantel dünner als 0,1 Su sein muß. Wie nachstehend noch verdeutlicht wird, wird ein derart extrem dünner Mantel nicht dazu geeignet sein, einer Faser für die optische Nachrichtenübertragung die notwendige Festigkeit zu geben.It is known from US Pat. No. 3,849,181 that in certain types of non-optical glass fiber structures, for example in the case of high-strength fibers made of polycrystalline refractory oxides for use in fiberglass products are thereby reinforced you can put an extremely thin cladding of one on the surface of each fiber applies vitreous material. However, there are not those related to optical Fibers dealt with existing problems. It is also stated that for such a constructive fibers used, the outer sheath must be thinner than 0.1 Su. As follows will be made clear, such an extremely thin jacket is not suitable be, a fiber for the optical communication transmission the necessary strength admit.
Aufgabe Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein anderes als das bekannte, eingangs genannte Verfahren anzugeben, mit dem ein Glasfaser-Lichtleiter hergestellt werden kann, dessen Außenhülle eine höhere Druckspannung als bei den nach den bekannten Verfahren hergestellten Glasfasern ausübt und somit eine größere axiale Zugfestigkeit und eine längere Lebensdauer der hergestellten Glasfaser gewährleistet.Task It is the task of the invention to provide another than the known, Specify the method mentioned at the beginning with which a glass fiber light guide is produced can be, whose outer shell has a higher compressive stress than that of the known Process produced glass fibers exerts and thus a greater axial tensile strength and ensures a longer service life of the fiberglass produced.
Lösung Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 angegeben qelöst.Solution The problem is solved as indicated in claim 1.
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further developments result from the subclaims.
Vorteile Nach dem neuen Verfahren läßt sich entweder eine Glasfaser mit einer einschichtigen Außenhülle herstellen, die eine Druckspannung von 345 N/mm² oder mehr ausübt, und es läßt sich eine Glasfaser mit einer zweischichtigen Außenhülle herstellen, die eine Druckspannung von 690 N/mm2 bewirkt.Advantages According to the new process, either a glass fiber with a single-layer outer shell that has a compressive stress of 345 N / mm² or more, and it can be a fiberglass with a two-layer outer sheath create a compressive stress of 690 N / mm2.
Figurenbeschreibung Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, daß zur Herstellung einer verbesserten Vorform fiir die optische Glasfaser die Schicht des Kerns und die diesen umgebenden Schichten nacheinander, jedoch in umgekehrter Reihenfolge, innerhalb der Bohrung eines Substrat-Glasrohres aus Quarzglas nach der bekannten Technik der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) niedergeschlagen werden. Danach läßt man, wiederum durch eine bekannte Technik, das innenbeschichtete Substrat-Glasrohr unter stärkerer Wärmeeinwirkung kollabieren um eine feste Form zu erzeuqen, deren innerste Schicht nun einen festen Kern darstellt, und darauf wird die aus dem Substrat-Glasrohr entstandene Schicht im wesentlichen entfernt, wozu eines der an späterer Stelle beschriebenen Verfahren verwendet wird. Durch eine geeignete Beeinflussung der Zusammensetzung und der Dicke der Schichten und anderer Parameter ist es möglich, eine Vorform und eine sich daraus eraebende Glasfaser herzustellen, die eine dünne unter einem starken Druck stehende Außenhülle aufweist. Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.Description of the figures The method according to the invention consists in that in order to produce an improved preform for the optical glass fiber the layer of the core and the layers surrounding it one after the other, but in reverse Sequence within the bore of a substrate glass tube made of quartz glass the well-known technique of chemical vapor deposition (CVD) will. Then, again by a known technique, the internally coated Substrate glass tubes collapse around a solid shape under the influence of strong heat to produce, the innermost layer of which now represents a solid core, and on it the layer formed from the substrate glass tube is essentially removed, one of the methods described below is used for this. By a suitable influencing of the composition and the thickness of the layers and other parameters it is possible, a preform and a resulting glass fiber to produce, which has a thin outer shell under strong pressure. The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings, for example.
Es zeigen: Fig.1 den Querschnitt einer typischen bekannten optischen Glasfaser, Fig.2 eine vereinfachte graphische Darstellunq des Zusammenhangs zwischen der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Mantel und Kern und der Zugfestigkeit der Faser, Fig.3 den Querschnitt einer bekannten dreischichtiqen optischen Faser oder Vorform (nicht maßstabgetreu), die sich erfindungsgemäß so herstellen läßt, daß sie eine hohe Oberflächen-Druckspannung aufweist, Fig.4 den Querschnitt einer vierschichtigen optischen Faser oder Vorform (nicht maßstabsgetreu), die ebenfalls erfindungsgemäß so hergestellt werden kann, daß sie eine hohe Oberflächen-Druckspannung aufweist, Fig.5 eine Tabelle, welche für einige für die beiden äußersten Glasschichten der in Fix.4 gezeigten Struktur verwendbaren Gläser die typischen Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammen mit einigen Differenzen der Wärmeausdehnungskoeffizienten wiedergibt, Fig.6 und 7 Querschnitte (nicht maßstabsqetreu) von zwei Arten von optischen Vorformen, die mit der Technik der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase in Substrat-Glasrohren hergestellt worden sind, Fig.8a und 8b schematische Seitenansichten, die bestimmte Verfahrensschritte zeigen, die mit der Herstellung der in Fig.6 und 7 gezeigten Vorformen zusammenhängen, Fig.9 eine graphische Darstellung von bestimmten Dehnungs- und Druckkräften, die bei den verbesserten Fasern oder Vorformen nach den Figuren 3 und 4 als Funktionen der Dicke der äußeren Schicht auftreten, Fig.1O graphisch den Zusammenhang zwischen der Standzeit und der Zugspannung bei bestimmten Arten von Schichtaufbauten, die erfindungsgemäß hergestellt worden sind.They show: FIG. 1 the cross section of a typical known optical Glass fiber, FIG. 2 a simplified graphical representation of the relationship between the difference between the coefficients of thermal expansion of the sheath and core and the tensile strength of the fiber, FIG. 3 shows the cross section of a known three-layer optical fiber or preform (not true to scale) that can be produced according to the invention, that it has a high surface compressive stress, Fig.4 shows the cross section of a four-layer optical fiber or preform (not to scale) which is also according to the invention can be produced so that it has a high surface compressive stress having, Fig.5 a table which for some for the two the outermost glass layers of the structure shown in Fix.4 typical thermal expansion coefficients along with some differences in thermal expansion coefficients shows, Fig. 6 and 7 cross-sections (not to scale) of two types of optical Preforms made with the chemical vapor deposition technique in Substrate glass tubes have been produced, FIGS. 8a and 8b are schematic side views, which show certain process steps associated with the production of the in Fig. 6 and 7 related preforms, FIG. 9 a graphic representation of certain Stretching and compressive forces that are applied to the improved fibers or preforms FIGS. 3 and 4 appear as functions of the thickness of the outer layer, FIG graphically the relationship between the service life and the tensile stress at certain Types of layer structures produced according to the invention.
Fig.11 nraphiscll beispielsweise bestimmte Zusammenhänae zwischen Wärmeausdehnunqskoeffizienten und axialen Druckspannungen von optischen Glasfasern mit unterschiedlichen Dicken der äußersten Schicht und die Figuren 12 und 13 den Verlauf der Koeffizienten der linearen Ausdehnung als Funktion der chemischen Zusammensetzungen zweier Arten von Gläsern, die bei den erfindungsgemäß zusammengesetzten optischen Vorformen und optischen Glasfasern verwendet werden können.Fig. 11 shows, for example, certain relationships between Thermal expansion coefficients and axial compressive stresses of optical glass fibers with different thicknesses of the outermost layer and the characters 12 and 13 show the course of the coefficients of linear expansion as a function of chemical compositions of two types of glasses that are used in the invention composite optical preforms and glass optical fibers can be used can.
Die Fig.1 zeigt den Querschnitt einer bekannten typischen zweischichtigen Glasfaser 10, bei der der Kern 11 im allgemeinen aus dotiertem Quarzglas und der Mantel 12 im allgemeinen entweder aus Quarzglas, dotiert mit einem dem Brechungsindex herabsetzenden Dotierungsmittel oder aus reinem Quarzglas (SiO2) besteht. Wie aus dem angegebenen Artikel von Krohn und Cooper hervorgeht, kann die Zugfestigkeit der Faser dadurch verbessert werden, daß für die Mantelschicht 12 ein Glasmaterial verwendet wird, welches einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Glasmaterial des Kerns hat. Wie allgemein bekannt ist, hat die Mantelschicht außerdem einen geringeren Brechungsindex als der Kern 11, damit die erwünschten Lichtübertragungseigenschaften gegeben sind. Die Fig.2 zeigt einen typischen Zusammenhang A, nicht notwendigerweise irgendeinem bestimmten Maßstab entsprechend, zwischen der Differenz der Ausdehung der Schichten 11 und 12 und der sich ergebenden Erhöhung der Zugfestigkeit der zusammengesetzten Faser.The Fig.1 shows the cross section of a known typical two-layer Glass fiber 10, in which the core 11 is generally made of doped quartz glass and the Cladding 12 generally either made of quartz glass doped with a refractive index reducing dopant or pure quartz glass (SiO2). How out from the cited article by Krohn and Cooper, the tensile strength the fiber can be improved in that for the cladding layer 12 a glass material is used, which has a lower coefficient of thermal expansion than the glass material of the core has. As is well known, the cladding layer is also smaller Refractive index than the core 11, so that the desired light transmission properties given are. FIG. 2 shows a typical relationship A, not necessarily according to some particular measure, between the difference in extent of layers 11 and 12 and the resulting increase in tensile strength of the composite Fiber.
Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von reinem Siliziumdioxid relativ niedrig ist gemessen nämlich mit 5,5 bis 8,0 10 7 cm/0C, ist es etwas schwierig, geeignete Materialien für die äußere Schicht zu finden, die einen bedeutend niedrigeren Wärmeausdehnunuskoeffizienten haben, und ein solches Mterial auf die äußere Oberfläche der Quarzschicht aufzubrinqen. Fiq.3 zeigt einen dreischichtigen Faseraufbau, bei dem eine zusätzliche Schicht, die Außenhülle 13 mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als dem der Mantelschicht auf die Mantelschicht aufgebracht ist. Wenn die Außenhülle in geeigneter Weise aufgebracht ist, so kann diese dritte Schicht die Druckkräfte auf die Oberfläche der Mantelschicht, die eine größere Oberfläche pro Längeneinheit als der Kern allein hat, beträchtlich erhöhen. Jedoch, wie an späterer Stelle noch gezeigt wird, kommt es außerdem darauf an, für die Schichten geeignete Materialien auszuwählen, die die richtigen Glasumwandlungstemperaturen haben, damit die optimalen Zugfestigkeitseigenschaften erzielt werden können. Wie aus dem oben erwähnten Artikel von Krohn und Cooper hervorgeht, ist die Glasumwandlungstemperatur Tg, wie sie üblicherweise bezeichnet wird, diejenige Temperatur, bei der das Glasmaterial bei der Abkühlung von einem viskoelastischen Zustand in einen elastischen Zustand übergeht. Genauer wird Tg oft definiert als die Temperatur, bei der die Viskosität des sich abkühlenden geschmolzenen Glases den Wert 1013 Poise erreicht. Zwar schwankt für irgendein vorgegebenes Glas diese Temperatur etwas, abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit, jedoch ist diese Schwankung angesichts der weit schwankenden Temperaturen Tg, die in der Praxis tatsächlich aufgetreten sind, für die vorliegende Erfindung unbedeutend.Because the coefficient of thermal expansion of pure silicon dioxide is relative low is measured namely with 5.5 to 8.0 10 7 cm / 0C, it is a little difficult, suitable Find materials for the outer layer that one have significantly lower coefficients of thermal expansion, and such a material to be applied to the outer surface of the quartz layer. Fiq.3 shows a three-layer Fiber structure in which an additional layer, the outer shell 13 with a lower Thermal expansion coefficient than that of the cladding layer applied to the cladding layer is. If the outer shell is applied in a suitable manner, then this third Layer the compressive forces on the surface of the coat layer, which has a larger surface area per unit length than the core alone has. However, how on As will be shown later, it also depends on the layers select suitable materials that have the correct glass transition temperatures so that the optimal tensile strength properties can be achieved. As from the article by Krohn and Cooper mentioned above, is the glass transition temperature Tg, as it is commonly referred to, that temperature at which the glass material when cooling from a viscoelastic state to an elastic state transforms. More precisely, Tg is often defined as the temperature at which the viscosity of the cooling molten glass reaches the value 1013 poise. Although it fluctuates for any given glass this temperature somewhat, depending on the cooling rate, however, given the widely varying temperatures Tg that have actually occurred in practice are insignificant to the present invention.
Die durch eine äußere Druckschicht hervorgerufene axiale Druckspannung ist sehr wichtig für Verhinderung oder Herabsetzung der Oberflächenspannung, wenn die zusammen- gesetzte Faser einer Zug- oder Biegebeanspruchung ausgesetzt wird. Dies vermindert wiederum die durch Oberflächenspannungen bedingte Korrosion und kann die Lebensdauer der Faser sehr wesentlich verlängern. Wenn beispielsweise die Oberflächen-Druckspannung auf eine optische Glasfaser 690 N/mm² beträgt, so wird die Faser theoretisch eine unbeschränkte Lebensdauer haben, soweit man nur die spannungsbedingte Beschädigung betrachtet, wenn die angelegten Spannungen unterhalb 690 N/mm² gehalten werden. Wenn andererseits die Zugspannung auf etwa 1035 N/mm2 ansteigt, dann nimmt für die gleiche Faser die Standzeit rapide um einen Faktor von ( - c) zu n ein Ermüdungsparameter ist, der typisch zwischen 15 und 25 bei einer Glasfaser mit einer Quarzoberfläche liegt.6s ist die Zugspannung und sc die Druckspannung, denen die Faser ausgesetzt ist.The axial compressive stress caused by an outer pressure layer is very important for preventing or reducing surface tension, though the together set fiber of a tensile or bending stress is exposed. This in turn reduces the surface tension caused Corrosion and can significantly extend the life of the fiber. For example, if the surface compressive stress on an optical glass fiber is 690 N / mm², see above The fiber will theoretically have an unlimited lifespan, as far as one can only the stress-induced damage is considered when the applied stresses are below 690 N / mm² can be maintained. On the other hand, when the tensile stress is about 1035 N / mm2 increases, the service life for the same fiber decreases rapidly by a factor from (- c) to n is a fatigue parameter that is typically between 15 and 25 for a Glass fiber with a quartz surface. 6s is the tensile stress and sc is the compressive stress, to which the fiber is exposed.
Somit würde in diesem Beispiel die Standzeit bedeutend vermindert werden. Durch Anwendung des nachstehend beshriebenen Herstellungsverfahrens und der verschiedenen betrachteten physikalischen Parameter ist es möglich, optische Fasern mit einer Oberflächen-Druckspannung der Größenordnung von 690 N/mm² oder höher zu erhalten.Thus, in this example, the service life would be significantly reduced will. Using the manufacturing process described below and of the various physical parameters considered, it is possible to optically Fibers with a surface compressive stress of the order of 690 N / mm² or get higher.
Die Figur 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer optischen Glasfaser 10 mit vier Schichten, wiederum nicht unbedingt maßstabsgetreu. Diese Faser und ihre Vorform kann bessere Zugfestigkeitseigenschaften als diejenige nach Fig.3 haben. Wie gezeigt, enthält die Faser 10 nicht nur den gewöhnlichen Kern 11 und Mantel 12, sondern auch eine zweitäußerste Schicht 14 aus Material mit einem relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Wie die Faser oder Vorform nach Fig.3,hat diese Faser auch eine äußerste Schicht 13 aus einem Material mit einem relativ niedrigen Ausdehnungskoeffizienten. Die beiden Schichten 13 und 14 bilden die sogenannte Außenhülle der Faser.Figure 4 shows another embodiment of an optical Fiberglass 10 with four layers, again not necessarily to scale. These Fiber and its preform can have better tensile properties than the one after Fig. 3 have. As shown, the fiber 10 does not only include the ordinary core 11 and jacket 12, but also a second outermost layer 14 of material with one relatively high coefficient of thermal expansion. Like the fiber or preform according to Fig.3 this fiber also has an outermost layer 13 of a material with a relatively low Expansion coefficient. The two layers 13 and 14 form the so-called outer sheath of the fiber.
Das Glas der Schicht 14 hat ebenso wie der Kern und die Mantelschicht einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine niedrigere Glasumwandlungstemperatur als das Glas der Schicht 13. Die Schicht 14 ist, obwohl nicht maßstabsgetreu dargestellt, vorzugsweise erheblich dicker als die Mantelschicht 12. Infolgedessen ist die Oberfläche pro Einheitslänge, die durch die Druckschicht 13 der fertigen vierschichtigen Faser umschlossen wird, beträchtlich größer als die Oberfläche pro Einheitslänge, die in der dreischichtigen Faser, die aus der Vorform nach Fig.3 gezogen wird, von der Schicht 13 umschlossen wird. Dies bedeutet, daß die vierschichtige Faser eine größere Oberflächen-Druckspannung haben kann, wodurch die Zugfestigkeit der Faser, ihre Dauerfestigkeit und ihre Lebensdauer verbessert wird.The glass of layer 14 as well as the core and cladding layer a higher coefficient of thermal expansion and a lower glass transition temperature than the glass of layer 13. Layer 14, although not drawn to scale, is preferably considerably thicker than the cladding layer 12. As a result, the surface is per unit length passed through the printing layer 13 of the finished four-layer fiber is enclosed, considerably larger than the surface area per unit length that in the three-layer fiber, which is drawn from the preform according to Figure 3, from the Layer 13 is enclosed. This means that the four-layer fiber has a larger one Surface compressive stress can have, increasing the tensile strength of the fiber, its Fatigue strength and its service life is improved.
Falls der Kern 11 von einer geeigneten Mantelschicht 12 mit gerinyerem Brechungsindex umgeben ist, so brauchen die äußeren Schichten 14 und 13 nicht im Hinblick auf ihre optischen Eigenschaften sondern nur auf ihre Wirksamkeit hinsichtlich der Erzeugung von Druckkräften auf die zusammengesetzte Faser oder Vorform ausgewählt werden.If the core 11 is covered by a suitable cladding layer 12 with less Refractive index is surrounded, so the outer layers 14 and 13 do not need in With regard to their optical properties but only with regard to their effectiveness the generation of compressive forces on the composite fiber or preform will.
Fig.5 ist eine Tabelle, die verschiedene Glasarten zeigt, clie beispielsweise fiir die zweitäußerste Schicht 14 und für die äußerste Schicht 13 in der Schichtanordnung nach Fig.4 verwendbar sind. Es sind dort typische Werte der Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammen mit Differenzen dieser Werte von ausgewählten Paaren von Gläsern aufgeführt, die für die Schichten 14 und 13 verwendet werden.Fig. 5 is a table showing various types of glass, for example for the second outermost layer 14 and for the outermost layer 13 in the layer arrangement can be used according to Fig.4. There are typical values of the coefficients of thermal expansion listed together with differences in these values from selected pairs of glasses, used for layers 14 and 13.
Im folgenden wird nun das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von hochzugfesten optischen Vorformen und optischen Fasern mit Hilfe der Technik der Glasrohr Innenbeschichtung beschrieben. Zu den verschiedenen Techniken der Innenbeschichtung, die natürlich möglich sind zur Herstellung optischer Glasfaser, gehört die Technik der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase ( Chemical Vapour Deposition = CVD) und ihre verschiedenen Abwandlungen. Beispiele verschiedener sogenannter CVD-Verfahren finden sich in den US-Patenten 3,982,916 und 4,009,014.In the following, the inventive method for production will now be described of high tensile strength optical preforms and optical fibers with the help of technology the inner coating of the glass tube is described. To the different techniques of interior coating, which are of course possible for the production of optical glass fibers, belongs to the technology chemical vapor deposition (CVD) and their various modifications. Examples of various so-called CVD processes can be found in U.S. Patents 3,982,916 and 4,009,014.
Sehr kurz läßt sich das CVD-Verfahren im Zusammenhang mit der typischen Innenbeschichtung wie folgt beschreiben: Ein hohles Rohr aus natürlichem oder synthetischem Quarzglas wird als Substratrohr in geeigneter Weise gehalten, beispielsweise in einer Glasdrehbank, und nachdem die Innenfläche des Substrat-Glasrohres flammenpoliert ist, werden die glasbildenden Materialien der verschiedenen Schichten nacheinander in das erhitzte Substrat-Glasrohr in Form von Halogenid-Dämpfen eingeleitet. Wenn eine Substanz wie z.B. Siliziumtetrachlorid in Sauerstoff mitgerissen und diese Mischung in das hohle Substrat-Glasrohr eingeführt wird, wobei genügend Wärme zugeführt wird, so wird eine Schicht innerhalb des Glasrohres niedergeschlagen, die im wesentlichen aus reinem Siliziumdioxid besteht. In der in Fig.6 gezeigten Schichtstruktur ist die aus dem Substrat -Glasrohr entstandene Schicht mit 34 und die niedergeschlagene Quarzglasschicht mit 33 bezeichnet. Da sie beide in diesem Beispiel aus Quarz bestehen können, sind sie nur durch einen gestrichelten Kreis voneinander unterschieden. Aus Kostengründen kann das Substratrohr 34 normalerweise von geringerer Qualität als die dünnere niedergeschlagene Schicht 33 sein,so daß diese als eine Ionenbarriere-Schicht dient, zur Verminderung der Verunreinigung der als nächste Schicht abzuscheidenden Mantelschicht. Die Dicke der Ionenbarriere-Schicht 33 läßt sich durch bekannte Maßnahmen leicht kontrollieren. Dazu gehören die Einstellung des Mischungsverhältnisses und die Kontrolle der relativen Bewegung des Substratrohres und der angelegten lokalisierten Wärnezone und deren Regelung.The CVD process can be very briefly described in connection with the typical Describe the inner coating as follows: A hollow tube made of natural or synthetic Quartz glass is held in a suitable manner as a substrate tube, for example in a glass lathe, and after flame polishing the inner surface of the substrate glass tube is, the glass-forming materials of the different layers are sequentially introduced into the heated substrate glass tube in the form of halide vapors. if a substance such as silicon tetrachloride is entrained in oxygen and this Mixture is introduced into the hollow substrate-glass tube, while sufficient heat is applied is, a layer is deposited within the glass tube, which is essentially consists of pure silicon dioxide. In the layer structure shown in Figure 6 is the layer formed from the substrate glass tube with 34 and the deposited one Quartz glass layer denoted by 33. Because they are both made of quartz in this example can, they are only indicated by a dashed line Circle from each other differentiated. For reasons of cost, the substrate tube 34 can normally be of lesser value Quality than the thinner deposited layer 33, so this as one The ion barrier layer serves to reduce the contamination of the next Layer to be deposited coat layer. The thickness of the ion barrier layer 33 can easily control yourself using known measures. This includes the setting the mixing ratio and the control of the relative movement of the substrate tube and the applied localized heat zone and its regulation.
Die als nächste Schicht niederzuschlagende Schicht ist diejenige, die die Mantelschicht 32 in Fig.6 ergeben wird. Wenn Bortrichlorid und Siliziumtetrachlorid durch Sauerstoff als Trägergas transportiert werden, so kann eine Schicht aus Borosilikatglas als Mantelschicht niedergeschlagen werden. Schließlich kann eine dritte ringförmige Schicht aus Germanosilikatglas niedergeschlagen werden, die den Kern 31 in Fig.6 bildet. Zu diesem Zweck enthalten die anströmenden chemischen Dämpfe Germaniumtetrachlorid und Siliziumtetrachlorid-Dämpfe in Sauerstoff, möglicherweise mit etwas zusätzlichem Phosphoroxidchloriddampf.The layer to be deposited as the next layer is that which will result in the cladding layer 32 in Figure 6. When boron trichloride and silicon tetrachloride be transported by oxygen as a carrier gas, a layer made of borosilicate glass be deposited as a coat layer. Finally, a third can be annular Layer of germanosilicate glass are deposited, which the core 31 in Fig.6 forms. For this purpose, the incoming chemical vapors contain germanium tetrachloride and silicon tetrachloride vapors in oxygen, possibly with something extra Phosphorus oxide chloride vapor.
Der letzte Verfahrensschritt zur Herstellung der in Fig.12 gezeigten Schichtstruktur besteht darin, die Temperatur der auf das Substrat-Glasrohr und dessen konzentrische innere Schichten wirksamen Wärmequelle so weit zu erhöhen, daß das Glasrohr unter der Oberin flächenspannung eine feste Vorform von geringerem Außendurchmesser kollabiert. Wenn man jedoch zu der erfindungsgemäß einer Faser herzustellenden Vorf77m<(whoher Zugfestigkeit gelangen will, so muß man die in Fig.6 gezeigte Struktur weiter bearbeiten, um das meiste oder das ganze ursprüngliche Substratmaterial 24 zu entfernen.The last step in the process to produce the one shown in Fig.12 Layer structure consists in the temperature of the substrate and glass tube to increase its concentric inner layers effective heat source so far, that the glass tube under the Oberin surface tension a solid preform of lesser Collapsed outside diameter. However, if you go to the invention one Fiber fabric to be produced <(if you want to achieve tensile strength, you have to further edit the structure shown in Figure 6 to get most or all of the original To remove substrate material 24.
Das Verfahren der gerade beschriebenen Herstellung mittels der Technik der CVD-Innenbeschichtung vermeidet Verluste aufgrund von Absorption und Verunreinigungen, die ansonsten mit großer Wahrscheinlichkeit aufgrund von Hydroxylverbindungen und Verunreinigung durch Ubergangsmetalle auftreten.The method of manufacturing just described by means of the technique the CVD inner coating avoids losses due to absorption and impurities, which are otherwise very likely due to hydroxyl compounds and Transition metal contamination may occur.
Zur Verwendung bei diesem Verfahren sind verschiedene geeignete Wärmequellen bekannt, so z.B. Wasserstoff-Sauerstoff-Flammen, Plasmabrenner und C02-Laser hoher Leistung; diese Wärmequellen sind hier nicht gezeigt.Various suitable heat sources are suitable for use in this process known, e.g. hydrogen-oxygen flames, plasma torches and C02 lasers higher Power; these heat sources are not shown here.
Es ist wichtig, daß die verschiedenen niedergeschlagenen Glasschichten in ihrem Radius und in ihrer Schichtdicke gleichmäßig sind. Bei einer optischen Vorform mit einer Struktur, wie in Fig.6 gezeigt, sind die Schichtradien und Schichtdicken beispielsweise dargestellt und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Wenn jedoch die Vorform zur optischen Faser ausgezogen wird, ist die äußere Schicht gewöhnlich viel dünner als bei der Art von Faser mit der in Fig.3 gezeigten Struktur. Es ist typisch, daß bei einer 125 ou dicken Faser, die durch dieses Innenbeschichtungsverfahren hergestellt ist, die Außenschicht in ihrer Dicke in der Größenordnung von 25 ú liegt. Wie bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fasern mit den Strukturen nach Fig.3 und 4 angedeutet, muß die äußere Schicht viel dünner sein, damit die großen Druckkräfte entstehen, die für die erfindungsgemäß hergestellten verbesserten Fasern charakteristisch sind.It is important that the different layers of glass are deposited are uniform in their radius and in their layer thickness. With an optical Preform with a structure as shown in Fig. 6 are the layer radii and layer thicknesses for example shown and not necessarily to scale. But when When the preform is drawn into optical fiber, the outer layer is usually much thinner than the type of fiber with the structure shown in Figure 3. It is typically that with a 125 ou thick fiber produced by this inner coating process is made, the thickness of the outer layer is of the order of 25 µ. As already in connection with the description of the fibers with the structures after 3 and 4 indicated, the outer layer must be much thinner so that the huge Compressive forces arise for the improved fibers produced according to the invention are characteristic.
Beispielsweise muß sie eine Dicke von 1 bis 10 p haben, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 5 p. Dies gilt auch dann, wenn alle die anderen wichtigen Parameter sorgfältig ausgewählt sind, wozu die Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Glasumwandlungstemporaturen, wie zuvor beschrieben, gehören. Daher besteht die Notwendigkeit der weiteren Bearbeitung der gezeigten Struktur vor dem Faserziehen, wie kurz beschrieben wird.For example, it must have a thickness of 1 to 10 µm, preferably ranging from 1 to 5 p. This is true even if all the other important parameters are carefully selected, including the coefficient of thermal expansion and the glass transition temperatures, as previously described. Therefore, there is a need for further processing of the structure shown prior to fiber drawing, as will be briefly described.
Ein ähnliches Problem besteht bei der Herstellung einer vierschichtigen Vorform durch dieses Verfahren der CVD-Innenbeschichtung. Dies zeigt die in Fig.7 dargestellte Faserschichtstruktur. Diese Figur zeigt eine kollabierte Vorform oder die sich daraus ergebende Faser mit den gleichen Schichten wie in Fig.6, jedoch mit einer Zwischenschicht 35. Bis auf die wesentlich größere Dicke der Außenschicht 33-34 in Fig.7, entspricht diese Struktur im allgemeinen der in Fig.4 gezeigten. Wiederum muß, auch wenn die Schichtmaterialien und physikalischen Parameter sorgfältig proportioniert sind in Übereinstimmung mit den zuvor beschriebenen Prinzipien die Dicke der äußeren Schicht 33-34 verkleinert werden, um die ganzen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erzielen.There is a similar problem with making a four-layer one Preform by this process of CVD inner coating. This shows the in Fig.7 fiber layer structure shown. This figure shows a collapsed preform or the resulting fiber with the same layers as in Figure 6, however with an intermediate layer 35. Except for the much greater thickness of the outer layer 33-34 in Fig.7, this structure generally corresponds to that shown in Fig.4. Again, must be careful with the layer materials and physical parameters are proportioned in accordance with the principles previously described Thickness of the outer layer 33-34 can be reduced in order to take full advantage of the invention Process to achieve.
Das Ziel der weiteren Bearbeitung der Vorformen mit dem Aufbau der in Fig.12 oder 13 gezeigten Art besteht darin, das meiste, und vorzugsweise fast alles der Schicht 34 aus dem ursprünglichen Substrat-Material zu entfernen und lediglich die dünne Ionenbarriere-Schicht 33 aus Quarz als äußere Druckschicht bestehen zu lassen. Dazu gibt es verschiedene zusätzliche Verfahrensschritte, wie nun im Zusamenhanct mit den Figuren 8t und RB beschricbon wird.The goal of further processing the preforms with the construction of the The type shown in Fig.12 or 13 is most, and preferably almost to remove all of layer 34 from the original substrate material and only the thin ion barrier layer 33 consist of quartz as the outer printing layer permit. With it you'll get various additional process steps, as will now be described in connection with Figures 8t and RB.
Bei dem in Fig.8A gezeigten Verfahren wird der durch Innenbeschichtung und Kollabieren hergestellte Schichtaufbau nach Fig.6 oder 7 in eine normale Glasdrehbank einqespannt und sorgfältig ausgerichtet. Wenn diese Vorform rotiert, wie schematisch durch den gestrichelten Kreis 41 angedeutet ist, so wird das Material der Substratschicht 34, das zu entfernen ist, mittels einer Präzisionsschleifscheibe 42 abgeschliffen, welche während ihrer Drehung gegen die Vorform, die schematisch mit 43 und 44 angedeutet ist, entlang einer zur Achse der Vorform parallelen Achse hin und herbewegt wird. Nachdem eine gewünschte Dicke abgeschliffen ist, wird die Vorform gereiniqt und geätzt, um jegliche Poliermasse zu entfernen. Eine gute abschließende Behandlung der Vorformoberfläche kann darauf durch Flammenpolieren vorgenommen werden. Bei Vorformen, die mit diesem Verfahren des Abschleifens und Polierens bearbeitet worden sind, wurde festgestellt, daß (]ie Druckspannuna in der äußeren Schicht von einem niedrigen Wert von ein paar N/mm2 auf eine weitaus höhere Druckspannung der Größenordnung von 345 N/mm2 oder mehr erhöht werden kann.In the process shown in FIG. 8A, the internal coating and collapsing produced layer structure according to Figure 6 or 7 in a normal glass lathe clamped and carefully aligned. When this preform rotates, how schematically is indicated by the dashed circle 41, the material of the substrate layer 34, which is to be removed, abraded by means of a precision grinding wheel 42, which is indicated schematically with 43 and 44 during its rotation against the preform is reciprocated along an axis parallel to the axis of the preform. After a desired thickness is ground off, the preform is cleaned and etched to remove any polishing compound. A good final treatment the preform surface can then be made by flame polishing. at Preforms machined using this method of grinding and polishing it was found that the compressive stress in the outer layer of a low value of a few N / mm2 to a much higher compressive stress of the order of magnitude can be increased by 345 N / mm2 or more.
Damit die im Zusammenhang mit Fig.8A beschriebenen Verfahrensschritte der Behandlung der Vorform erfolgreich durchqeführt werden können, kommt es darauf an, daß die rohe Vorform während der Kollabierung sorgfältig kontrolliert wird, um sicherzustellen, daß die Schichten konzentrisch sind und die Vorform in axialer Richtung gerade ist. Wenn im wesentlichen das ganze ursprüngliche Substrat-Material 34 entfernt werden kann, so wird aus der sehr dünnen Ionenbarriere-Schicht 33, die zuvor aufgeschmolzen worden ist, tatsächlich die äußere Quarzschicht, die den hohen Druck ausübt. Mit dieser Technik werden auch jegliche Risse und Fehler, die in dem Substrat-Glasrohr entstehen können, unwirksam gemacht.Thus the method steps described in connection with FIG. 8A the treatment of the preform can be carried out successfully, it depends indicates that the raw preform is carefully controlled during the collapse, to ensure that the layers are concentric and the preform is axial Direction is straight. if essentially the whole of the original Substrate material 34 can be removed, so becomes the very thin ion barrier layer 33, which has previously been melted, is actually the outer quartz layer that exerts the high pressure. This technique also eliminates any cracks and defects, which can arise in the substrate glass tube, rendered ineffective.
Ein anderes Verfahren zur Entfernung der unerTviinschten Substrat-Schicht 34 ist schematisch in Fig.8B gezeigt.Another method for removing the unwanted substrate layer 34 is shown schematically in Figure 8B.
Nachdem die rohe Vorform, wie zuvor beschrieben, in geeigneter Weise in die Glasdrehbank eingespannt ist, kann ein CO2- Gaslaser 45 mit hoher Leistung dazu verwendet werden, das unerwünschte Substratmaterial abzutragen. Wie in Fix.89 schematisch angedeutet, kann der Laserstrahl 46 in gewöhnlicher Weise mit einem Metallspiegel 47 reflektiert und mit einer Linse 48 aus Germaniumdioxid fokussiert werden. Durch nichtgezeigte, jedoch durch den gestrichelten Pfeil 49 angedeutete Mittel wird der Laserstrahl entlang einer Achse parallel zur Achse der sich drehenden Vorform hin und herbewegt. Die zur Materialabtragung mit einem Laser erforderlichen genauen Einstellmittel sind dem Fachmann bekannt und müssen hier nicht weiter erläutert werden.After the raw preform, as previously described, in a suitable manner is clamped in the glass lathe, a CO2 gas laser 45 with high power can be used to remove the undesired substrate material. As in Fix 89 indicated schematically, the laser beam 46 can in the usual way with a Metal mirror 47 is reflected and focused with a lens 48 made of germanium dioxide will. By not shown, but indicated by the dashed arrow 49 Mean is the laser beam along an axis parallel to the axis of the rotating Preform moved back and forth. The ones required for removing material with a laser precise setting means are known to the person skilled in the art and need not be explained further here will.
Wenn das Verfahren nach Fig.8A oder 8B auf die in Fig.6 gezeigte Vorform angewendet wird, so ist experimentell herausgefunden worden, daß der Oberflächendruck auf einen 2 Wert von etwa 690 N/mm2 erhöht werden kann. Es ist auch theoretisch möglich, noch höhere Druckkräfte in der Oberfläche der Vorform zu erzeugen, wie bekannt ist, wenn diese Druckspannungen aufrecht erhalten werden, wenn die Vorform später zur zusammengesetzten optischen Glasfaser ausgezogen und mit einem Kunststoffmantel überzogen wird.If the method according to Fig.8A or 8B is applied to the preform shown in Fig.6 is applied, it has been experimentally found that the surface pressure can be increased to a value of about 690 N / mm2. It's theoretical too possible to generate even higher compressive forces in the surface of the preform, such as is known if these compressive stresses are maintained when the The preform is later drawn out into the composite optical fiber and with a Plastic sheath is coated.
Es können natürlich auch Kombinationen der in Fig.8A und 8B gezeigten Verfahrensschritte verwendet werden, ebenso wie ein chemisches Ätzen zur Unterstützung der anfänglichen Entfernung des Substratmaterials 34, mit dem Ziel, das unerwünschte Material so genau und schnell wie möglich zu entfernen.Combinations of those shown in FIGS. 8A and 8B can of course also be used Process steps are used, as well as chemical etching to assist the initial removal of the substrate material 34 with the aim of removing the undesired Remove material as accurately and quickly as possible.
Somit wurde gezeigt, daß optische Vorformen und Fasern hoher Qualität hergestellt werden können, die eine bedeutend größere Zugfestigkeit und längere Lebensdauer haben, vorausgesetzt, daß außerdem auf die Glaszusammensetzungen und Dotierungsmittel, die relativen Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Glasumwandlungstemperaturen sorgfältig geachtet wird. Bei der dreischichtigen Struktur nach Fig.3 und bei der aus der Struktur nach Fig.12 hergestellten fertigen Struktur bestehen die folgenden physikalischen Zusammenhänge: (1) Die für den Kern und den Mantel verwendeten Glaszusammensetzungen, die zusammen dem inneren Teil der Vorform oder Faser bilden, müssen hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten und relativ niedrige Glasumwandlungstemperaturen haben.Thus, optical preforms and fibers have been shown to be of high quality can be produced that have a significantly greater tensile strength and longer Have service life, provided that in addition to the glass compositions and Dopants, the relative coefficients of thermal expansion and the glass transition temperatures is carefully observed. In the three-layer structure according to Figure 3 and in the The finished structure made from the structure of Fig. 12 consists of the following physical relationships: (1) The glass compositions used for the core and cladding, which together form the inner part of the preform or fiber must have high coefficients of thermal expansion and have relatively low glass transition temperatures.
(2) Zusätzlich müssen sie Dotierungsmittel enthalten, die so gewählt sind, daß sich die erwünschten optischen Eigenschaften für den Kern und Mantel ergeben, d.h.(2) In addition, they must contain dopants selected in this way are that the desired optical properties result for the core and cladding, i.e.
ein niedrigerer Brechungsindex für den Mantel als für den Kern. In anderen Worten: die relativen Brechungsindizes müssen so gewählt sein, daß die geforderte numerische Apertur und die akzeptierbaren optischen Streuverluste erreichbar sind, welche die entstehende Faser haben soll. a lower index of refraction for the cladding than for the core. In In other words: the relative refractive indices must be chosen so that the required numerical aperture and the acceptable optical scattering losses can be achieved, which the resulting fiber should have.
(3) Üblicherweise sind diese Forderungen, wie gezeigt wurde, nicht miteinander unvereinbar. Beispielsweise kann der Kern aus einem mit 20 % Germaniumdioxid (GeO2) dotierten Quarzglas bestehen, wogegen die Mantelschicht aus einem mit 4 % Boroxid (B203) dotierten Quarzglas bestehen kann. Alternativ dazu, kann der Mantel eine Borosilikatschicht sein, die 40 % Germaniumdioxid und 15 % Boroxid enthält. Solche Zusammensetzungen haben einen gemittelten Wärmeausdehnungskoeffizienten, der wesentlich höher liegt als der von reinem Siliziumdioxid, d.h. sogar um eine oder 2 Größenordnungen höher. Sie haben außerdem eine wesentlich niedrigere Glasumwandlungstemperatur nämlich im Bereich von 6000 bis 7500 C im Vergleich zu etwa 12000 C bei reinem Siliziumdioxid.(3) Usually, as has been shown, these requirements are not incompatible with each other. For example, the core can be made from a 20% germanium dioxide (GeO2) doped quartz glass, whereas the cladding layer consists of a 4% Boron oxide (B203) doped quartz glass can exist. Alternatively, the coat can be a borosilicate layer containing 40% germanium dioxide and 15% boron oxide. Such compositions have an average coefficient of thermal expansion, which is significantly higher than that of pure silicon dioxide, i.e. even by one or 2 orders of magnitude higher. They also have a much lower glass transition temperature namely in the range from 6000 to 7500 C compared to about 12000 C for pure silicon dioxide.
(4) Die äußere Druckschicht, die im wesentlichen aus reinem Siliziumdioxid besteht, hat einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine viel höhere Glasumwandlungstemperatur Tg, wie gefordert.(4) The outer printing layer, which is essentially made of pure silicon dioxide exists, has a relatively low coefficient of thermal expansion and a lot higher glass transition temperature Tg, as required.
Bei dem vierschichtigen Aufbau nach Fig.4 und bei der fertiggestellten Struktur aus dem in Fig.7 gezeigten Schichtaufbau, sind die wichtigen physikalischen Beziehungen im wesentlichen die gleichen wie bisher auch für die dreischichtige Struktur aufgeführt zuzüglich der folgenden Zusammenhänge: (5) Die zusätzliche Schicht 14 in Fig.4 oder die Schicht 35 in Fig.7 sollte einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine relativ niedrige Glasumwandlungstemperatur Tg haben. In the four-layer structure according to Figure 4 and in the completed Structure from the layer structure shown in Fig.7, are the important physical ones Relationships essentially the same as before also for them three-tier structure listed plus the following relationships: (5) The additional layer 14 in Fig.4 or the layer 35 in Fig.7 should be a relative high coefficient of thermal expansion and a relatively low glass transition temperature Have tg.
Beispielsweise kann eine Glaszusammensetzung aus 40 z GeO2/SiO2 für diese Schicht verwendet werden. For example, a glass composition of 40 z GeO2 / SiO2 for this layer can be used.
Um diese erwünschten physikalischen Parameter zu erreichen, können auch andere Mischungen von GeO2, B203 und SiO2 verwendet werden. In order to achieve these desired physical parameters, you can other mixtures of GeO2, B203 and SiO2 can also be used.
(6) Die Glasumwandlungstemperatur Tg der Zwischenschicht mit dem großen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist nicht kritisch, aber es gibt eine praktische Grenze, die ihre Glasumwandlungstemperatur Tg nach unten beschränkt. Die Schmelzpunkte der drei inneren Schichten dürfen nicht so niedrig sein, daß sie eine vorzeitige Verformung der Vorform während der Kollabierung bewirken. Dadurch wird der zulässige prozentuale Anteil von B203 in irgendeiner Borosilikatschicht auf einen Wert von unter 50 % begrenzt.(6) The glass transition temperature Tg of the intermediate layer with the large one The coefficient of thermal expansion is not critical, but there is a practical limit which limits its glass transition temperature Tg downwards. The melting points of the three inner layers must not be so low that they cause premature deformation effect of the preform during the collapse. This will make the allowable percentage Share of B203 in any borosilicate layer to a value of less than 50% limited.
Die relativen Dicken von Kern, Mantel und irgendeiner Zwischenschicht sind so lange nicht kritisch, wie die optischen Forderungen erfüllt werden. Beispielsweise können in einer Faser die Schichtradien für den Kern 25u, für den Mantel 30 u und für die Zwischenschicht 59 u betragen. Mit einer äußeren Druckschicht aus Siliziumdioxid mit der Dicke zwischen 1 und 5 F sollten Oberflächendrücke in der Größenordnung'von 345 bis 690 N/mm2 erreichbar sein. The relative thicknesses of the core, cladding, and any intermediate layer are not critical as long as the optical requirements are met. For example the layer radii for the core 25u, for the cladding 30 u and for the intermediate layer 59 u. With an outer pressure layer made of silicon dioxide with a thickness between 1 and 5 F, surface pressures should be of the order of magnitude 345 to 690 N / mm2 can be achieved.
Die Dicke der Mantelschicht kann auch vergrößert werden, ohne die optischen Eigenschaften der Lichtausbreitung bedeutend zu beeinflussen. Dies bedeutet einen Vorteil der Erfindung, insofern als durch eine Erhöhung des Radius des Faserbereichs mit dem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der niedrigen Umwandlungstemperatur der Oberflächendruck bei einer vorgegebenen Dicke des Faserbereichs mit dem niedrigen Wärmeausdehnunqskoeffizienten und der hohen Glaswird umwandlungstemperatur erhöh>~Abhängig von der Art der erwünschten Lichtübertragung kann die Mantelschicht der fertigen Faser eine Dicke bis zu 20 oder 30 >a haben.The thickness of the cladding layer can also be increased without the to significantly influence the optical properties of light propagation. this means an advantage of the invention in that it increases the radius of the fiber area with the high coefficient of thermal expansion and the low transformation temperature the surface pressure at a given thickness of the fiber region with the low Thermal expansion coefficient and the high glass transition temperature is increased> ~ Dependent the type of light transmission desired, the cladding layer of the finished Fiber thickness up to 20 or 30> a.
Es wird nun eine Abwandlung des oben angegebenen Verfahrens beschrieben, bei der das Material des Substrat-Glasrohrs auf eine andere als bisher gezeigte Art entfernt wird.A modification of the method given above will now be described, in which the material of the substrate glass tube on a different than previously shown Kind is removed.
Wenn man die oben beschriebene Technik des Abschleifens oder Abtragens durch einen Laserstrahl zur gleichmäßigen Entfernung des Substrat-Materials anwendet, so ergeben sich Schwierigkeiten, wenn die kollabierte Vorform nicht vollkommen gerade ist oder wenn der Kern und die verschiedenen Schichten nicht genau konzentrisch sind.Using the technique of sanding or abrading described above using a laser beam to evenly remove the substrate material, difficulties arise if the collapsed preform is not perfectly straight is or when the core and the various layers are not exactly concentric are.
Außerdem muß die erwünschte äußere Schicht der fertiggestellten Vorform und Faser eine Dicke von nur wenigen y haben, damit die notwendige große Druckspannung entsteht. Zur Erreichung einer maximalen Druckspannung in der äußeren Schicht 33 einer fertiggestellten Vorform oder Faser sollte das Substrat-Material 34 so vollständig wie möglich entfernt werden, und die Schicht 33 sollte eine gleichmäßige endgültige radiale Dicke im Bereich von 1 bis 10 p, vorzugsweise nicht mehr als 5 p und besser noch 2 bis 3 P bei der fertigen Faser haben. Wenn die Substratschicht 34 physikalisch entfernt wird durch Abschleifen oder durch Abtragen mittels eines Lasers, so wurde festgestellt, daß es damit schwierig ist, solche optimalen dünnen Schichtstärken der Schicht 33 zu erreichen, wenn die kollabierte Vorform auch nur leicht ungerade ist oder wenn der Kern und die umliegenden Schichten nicht genau konzentrisch sind. In diesem Falle ist es wahrscheinlich, daß etwas von der Substrat-Schicht 34 zurückbleibt, oder daß einige Teile der dünnen Schicht 33 entfernt werden. Dadurch werden die Größe und die Gleichmäßigkeit der erwünschten Druck spannung der Oberfläche nachteilig verändert. In jedem Falle läßt sich die optimale gleichmäßige radiale Dicke von 2 bis 3 P der äußeren Schicht 13 (Fig.3, Fig.4) einer fertigen Faser nur sehr schwer erreichen.In addition, the desired outer layer of the finished preform must be obtained and fibers have a thickness of only a few y, so that the necessary high compressive stress arises. To achieve a maximum compressive stress in the outer layer 33 of a finished preform or fiber, the substrate material 34 should be as complete be removed as possible, and the layer 33 should be a uniform final radial thickness in the range of 1 to 10 microns, preferably no more than 5 microns and better still have 2 to 3 P on the finished fiber. When the substrate layer 34 is physically is removed by grinding or by ablating with a laser, so was found that it is difficult to such optimal thin To achieve layer thicknesses of layer 33, if only the collapsed preform is slightly odd or if the core and surrounding layers are not accurate are concentric. In this case some of the substrate layer is likely to be lost 34 remains, or that some parts of the thin layer 33 are removed. Through this the size and evenness of the desired pressure on the surface adversely changed. In any case, the optimal uniform radial Thickness of 2 to 3 P of the outer layer 13 (Fig.3, Fig.4) of a finished fiber only very difficult to achieve.
Wie nun im einzelnen beschrieben wird, wird die Fertigstellung der Vorform nicht durch irgendeine Nichtlinearität oder durch eine mangelnde Konzentrizität ihres Kerns und der umliegenden Schichten beeinträchtigt. Daher kann die Schicht 13 der fertigen Faser in jedem Falle dünn genüg, nämlich 2 bis 3 p dünn hergestellt werden.As will now be described in detail, the completion of the Preform not by any non-linearity or by a lack of concentricity its core and the surrounding layers are impaired. Hence the layer 13 of the finished fiber is thin enough in any case, namely 2 to 3 p thin will.
Bisher wurde angegeben, daß die Schicht 13 im wesentlichen die gleiche Glas zusammensetzung haben soll wie die Substrat-Glasschicht, d.h. undotiertes Siliziumdioxid, jedoch vorzugsweise eine höhere Reinheit. Wenn diese beiden Schichten also zusammengeschmolzen werden, so verhalten sie sich im wesentlichen wie eine einzige Schicht, so weit es die Verfahrensschritte des physikalischen Abschleifens oder Abtragens betrifft. Bei den im folgenden beschriebenen dazu alternativen Verfahrensschritten ist eine viel feinere Kontrolle der Abtragung des Substrat-Materials möglich, indem leicht unterschiedliche Glas zusammensetzungen für die Schichten 34 und 33 verwendet werden. Solche leicht unterschiedlichen Glas zusammensetzungen haben unterschiedliche Atzgeschwindigkeiten, wenn die in Fig.6 gezeigte Struktur in ein handelsübliches Glas-Atzmittel wie z.B. eine Flußsäure-Lösung eingetaucht wird. Man kann wie bisher auch für die niedergeschlagene Druckschicht 13 im wesentlichen reines Siliziumdioxid verwenden, jedoch dann ein Substrat-Glas aus einem dotierten Silizium-Dioxid-Material mit einer wesentlich größeren Ätzgeschwindigkeit.So far it has been indicated that layer 13 is essentially the same Glass should have the same composition as the substrate glass layer, i.e. undoped silicon dioxide, however, preferably a higher purity. So when these two layers melted together so they essentially behave like a single layer so far it concerns the process steps of physical grinding or removal. In the process steps described below, an alternative to this Much finer control of the removal of the substrate material is possible by easily different glass compositions for the layers 34 and 33 can be used. Such slightly different glass compositions have different compositions Etching speeds, when the structure shown in Fig. 6 is embedded in a commercially available glass etchant such as e.g. a hydrofluoric acid solution is immersed. You can, as before, also for the dejected Printing layer 13 use essentially pure silicon dioxide, but then one Substrate glass made of a doped silicon dioxide material with a substantially greater etching speed.
Es wurde festgestellt, daß das unter der Handelsbezeichnung "VYCOR" bekannte Silikatglas für diesen Zweck gut geeignet ist. Diese Glaszusammensetzungen, die in der Glasindustrie in breitem Umfang verwendet wird, ist bei der Firma Corning Glass Works, Corning, New York erhältlich und ist ein Natrium-Borosilikat-Glas bestehend aus 96 bis 97 % Siliziumdioxid mit einer 3 bis 4- prozentigen Mischung von Boroxid und Natriumoxid, d.h. 1 bis 2 % Boroxid und der Rest Natriumoxid. Es ist bekannt, daß dieses Natrium-Borosilikatglas etwas weicher als reines Quarzglas ist, und daß es in Fluorwasserstoffsäure etwa die dreifache Ätzgeschwindigkeit als reines Quarzglas hat. Die Ätzgeschwindigkeiten können natürlich bis zu einem gewissen Grad vergrößert oder verkleinert werden, indem man die Konzentration und Temperatur des Ätzmittels ändert. Es können auch andere Gläser, die dem Glas "VYCOR" ähnlich sind, durch Einfügung geeigneter Modifikatoren hergestellt werden, um die Ätzgeschwindigkeit gegenüber Quarzgläsern zu vergrößern. Ein wesentliches Merkmal der hier beschriebenen Abwandlung des Herstellungsverfahrens besteht darin, für das Substratrohr ein geeignetes Glas, beispielsweise "VYCOR" oder ein ähnliches Glas auszuwählen, das gegenüber reinem Quarzglas oder einem anderen für die dünne Druckschicht geeigneten Glas eine höhere Ätzgeschwindigkeit hat.It was found that the under the trade name "VYCOR" known silicate glass is well suited for this purpose. These glass compositions, which is widely used in the glass industry is from Corning Glass Works, Corning, New York and is composed of a sodium borosilicate glass from 96 to 97% silicon dioxide with a 3 to 4 percent mixture of boron oxide and sodium oxide, i.e. 1 to 2% boron oxide and the remainder sodium oxide. It is known, that this sodium borosilicate glass is somewhat softer than pure quartz glass, and that in hydrofluoric acid it is about three times the etching speed than pure quartz glass Has. The etching speeds can of course be increased to a certain extent or be scaled down by changing the concentration and temperature of the etchant changes. Other glasses that are similar to the "VYCOR" glass can also be inserted by inserting them Appropriate modifiers can be made as opposed to the etching rate Magnify quartz glasses. An essential feature of the modification described here of the manufacturing process consists in choosing a suitable glass for the substrate tube, For example, select "VYCOR" or a similar glass that is opposite to pure Quartz glass or another glass suitable for the thin printing layer a higher one Has etching speed.
Dadurch ist die Beziehung zwischen der Substratschicht 34 und der Druckschicht 33 bei der teilweise fertigen Vorform nach Fig.6 bestimmt.Thereby the relationship between the substrate layer 34 and the Printing layer 33 determined in the partially finished preform according to Figure 6.
Um die Ätzdauer abzukürzen, wenn die in Fig.6 oder die in Fig.7 gezeigte Vorform abschließend bearbeitet wird, kann zunächst ein wesentlicher Teil des überschüssigen Substratmaterials durch mechanisches Abschleifen oder Abtragen durch einen Laserstrahl wie oben beschrieben entfernt werden, jedoch ist dieser Schritt nicht wesentlich.In order to shorten the etching time, if the one shown in FIG. 6 or that shown in FIG The preform is finally processed, a substantial part of the excess can initially Substrate material by mechanical grinding or ablation with a laser beam can be removed as described above, but this step is not essential.
Der abschließend stattfindende Ätzvorgang läßt sich leicht mit Genauigkeit kontrollieren, indem man die Konzentration des Ätzmittels reguliert, ebenso die Temperatur und die Eintauchzeit. Vorzugsweise wird das Ätzmittel in an sich bekannter Weise magnetisch umgerührt, um ein gleichmäßiges Ätzen zu erreichen. Die Ätzdauer wird abhängig von der Dicke der Substratschicht eingestellt, so daß die ganze Substratschicht entfernt wird und nur die Druckschicht 13 als die äußere Schicht der fertigen Vorform zurückbleibt. Einzelheiten des Ätzvorgang sind an sich bekannt und brauchen hier nicht weiter beschrieben zu werden. Da das weichere Substratglas weitaus schneller als die darunterliegende Schicht weggeätzt wird, kann der Ätzvorgang leicht mit einer angemessenen Zeittoleranz gestoppt werden, bevor die dünne Schicht 13 angegriffen wird. Als Beispiel zeigt die nachstehende Tabelle 1 einige Glaszusammensetzungen, die für den beschriebenen Ätzvorgang geeignet sind, zusammen mit kurzen Angaben der erwünschten physikalischen Eigenschaften jedes Glases: Tabelle I Schicht Nr. Glaszusammensetzungen Relative Physikalische Eigenschaften 31 Quarzglas mit 20% GeO2 Geeigneter Brechungs-(wahlweise mit Spuren von index für Fasernkern Bor oder Phosphor) Relativ hoher Wärmeausdehnungskoeffizient Relativ niedrige Glasumwandlungstemperatur T g 32 4% Borosilikatglass (oder Geeigneter Brechungsindex wahlweise Mischung aus 40% für Fasermantel Germaniumsilikatglas und Relativ hoher Wärme-15 % Borosilikatglas) ausdehnungskoeffizient ausdehnungskoeffizient Relativ niedrige Glasumwandlungstemperatur Tg 35(nur bei 40% Germaniumsilikatglas Relativ hoher Wärme-Fig.7) (oder wahlweise Mischungen ausdehnungskoeffizient von Germano- und BorosilikatRelativ gläsern) umwandlungstemperatur Glas-9 Tg 33 Reines geschmolzenes Quarz- Relativ niedriger glas (Si02) Wärmekoeffizient Relativ hohe Glasumwandlungstemperatur T g Relativ geringe Ätzgeschwindigkeit 34 VYCOR-Glas oder ähnliches Relativ hohe Ätzgeschwindigkeit in Flußsäure Wie zuvor erwähnt, können die genauen Abmessungen der Kernschicht und der verschiedenen Schichten beträchtlich schwanken, abhängig von dem jeweiligen Zweck, für den die fertige Faser vorgesehen ist und abhängig davon, ob es eine Monomode oder Multimode-Lichtleitfaser sein soll.The subsequent etching process can be easily performed with accuracy control by regulating the concentration of the etchant, as well as the Temperature and immersion time. The etchant is preferably known per se Wise magnetically stirred in order to achieve an even etching. The etching time is set depending on the thickness of the substrate layer so that the whole substrate layer is removed and only the printing layer 13 as the outer layer of the finished preform remains behind. Details of the etching process are known per se and need here not to be further described. Because the softer substrate glass is much faster as the underlying layer is etched away, the etching process can easily be carried out with be stopped within a reasonable time tolerance before the thin layer 13 is attacked will. As an example, Table 1 below shows some glass compositions, which are suitable for the described etching process, together with brief information the desired physical properties of each glass: Tabel I Layer No. Glass Composition Relative Physical Properties 31 Quartz glass with 20% GeO2 Suitable refraction (optionally with traces of index for fiber core Boron or phosphorus) Relatively high coefficient of thermal expansion Relatively low glass transition temperature T g 32 4% borosilicate glass (or suitable refractive index, optionally a mixture of 40% for fiber cladding germanium silicate glass and relatively high heat-15% borosilicate glass) expansion coefficient expansion coefficient Relatively low glass transition temperature Tg 35 (only with 40% germanium silicate glass, relatively high heat - Fig. 7) (or optionally Mixtures of expansion coefficients of germano- and borosilicate (relative glasses) transformation temperature Glass-9 Tg 33 Pure fused quartz- Relatively low glass (Si02) thermal coefficient Relatively high glass transition temperature T g Relatively low etching rate 34 VYCOR glass or similar. Relatively high etching speed in hydrofluoric acid As before Mentioned can be the exact dimensions of the core layer and the various layers vary considerably depending on the particular purpose for which the finished fiber is used is provided and depending on whether it is a single mode or multimode optical fiber should be.
Lediglich zur Erläuterung gibt die untenstehende Tabelle II einige beispielhafte Abmessungen von fertigen Multimode-Glasfasern, die aus den von den Schichtaufbauten nach Fig.6 und 7 fertiggestellten Vorformen gezogen werden können. Zu beachten ist, daß in jedem Falle die äußere Schicht hoher Druckspannung eine fast optimale Dicke von 2 bis 3 ,u hat, wie sie mit dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren leicht erreichbar ist.Table II below gives some for explanation purposes only exemplary dimensions of finished multimode optical fibers, which are made from the Layer structures according to Fig. 6 and 7 completed preforms can be drawn. It should be noted that in each case the outer layer is a high compressive stress has almost optimal thickness of 2 to 3, u, as with the manufacturing process described above is easily accessible.
Tabelle II Faserschicht Aus Vorform Dicke in um Addierter Durchschicht messer in um A. Fertige dreischichtige Faser (aus Fig.6) Kern 31 50 (Durchm.) 50 Mantel 32 15 80 äußere Druckschicht 33 2-3 84-86 B. Fertige vierschichtige Faser (aus Fig.7) Kern 31 50 (Durchm.) 50 Mantel 32 15 80 Zwischenschicht 35 30 140 äußere Druckschicht 33 2-3 144-146 Es ist somit ersichtlich, daß durch eine geeignete Materialauswahl für die Schichten 13 und 14 und das bevorzugte Ätzverfahren verschiedene Vorteile gegenüber anderen Verfahren entstehen. Zu diesen Vorteilen gehören: (1) Es ist zwar wünschenswert, daß das Substrat-Glasrohr eine Präzisionsbohrung hat, jedoch muß seine Wandstärke nicht besonders genau sein. Table II Fiber Layer From Preform Thickness in µm Added Through Layer knife in um A. Finished three-layer fiber (from Fig. 6) core 31 50 (diameter) 50 Jacket 32 15 80 outer print layer 33 2-3 84-86 B. Finished four-layer fiber (from Fig. 7) core 31 50 (diameter) 50 cladding 32 15 80 intermediate layer 35 30 140 outer Printing layer 33 2-3 144-146 It can thus be seen that by a suitable choice of material various advantages for layers 13 and 14 and the preferred etching process over other Procedures arise. These benefits include: (1) It is desirable that the substrate glass tube have a precision bore has, however, its wall thickness does not have to be particularly precise.
(2) Falls das überschüssige Material des Substrat-Glasrohres zunächst durch Abschleifen oder eine andere physikalische Methode entfernt wird, so ist dieser Verfahrensschritt überhaupt nicht kritisch, da damit das Substrat-Material nicht bis zu der dünnen Druckschicht, die zurückbleiben soll, abgetragen werden muß. (2) If the excess material of the substrate glass tube first is removed by grinding or some other physical method, this is it Process step not critical at all, since it does not affect the substrate material until the thin layer of pressure that is to remain has to be removed.
(3) Bei den beschriebenen Verfahren der selektiven Ätzung besteht keine Gefahr , daß das Ätzmittel in die dünne Druckschicht eindringt und diese zerstört. (3) In the described method of selective etching there is no risk of the etchant penetrating the thin printing layer and destroying it.
(4) Im Falle, daß die teilweise fertige Vorform leicht unrund ist, beispielsweise aufgrund einer nicht gleichmäßigen Kollabierung, so kann das Verfahren der selektiven Ätzung trotzdem benutzt werden, um eine hoch zugfeste Vorform und eine daraus entstehende optische Glasfaser mit einer äußeren Druckschicht gleichmäßiger Dicke herzustellen. (4) In the event that the partially finished preform is slightly out of round, for example, due to non-uniform collapse, the method may the selective etching can still be used to create a high tensile strength preform and a resulting optical glass fiber with an outer pressure layer more uniform To manufacture thickness.
Im folgenden wird noch auf einige Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der verwendeten Glasmaterialien und denen der hergestellten Glasfasern eingegangen.Some of the relationships between the properties are discussed below of the glass materials used and those of the glass fibers produced.
Die Fig.9 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen den Druck- und Zugkräften, die an der Grenzfläche 15 des in Fig.4 gezeigten Faseraufbaus bestehen, als Funktion der Dicke der äußeren Schicht. Die Druckkraft auf die Außenfläche der Schicht 13 verläuft wie gezeigt exponentiell als Funktion der Dicke der äußeren Schicht (Kurve 16) und wird in ihrem Wert asymptoiischbei der Grenzfläche 15.The Fig.9 shows graphically the relationship between the pressure and Tensile forces at the interface 15 of the in 4 shown fiber structure exist as a function of the thickness of the outer layer. The compressive force on the outer surface of the layer 13 extends exponentially as shown as a function of the thickness of the outer Layer (curve 16) and its value becomes asymptotic at the interface 15.
Um die tatsächliche Erhöhung der Zugfestigkeit bei optischen Fasern mit Außenschichten mit den Schichten 14 und 13 von Fig.4 zu bestimmen, ist die Standzeit als Funktion der auf die zusammengesetzte Faser ausgeübten Zugspannung in Fig.1O schematisch dargestellt für drei Kurven mit jeweils einer anderen Differenz der Wärmeausdehnung zwischen den Materialien der Schichten 14 und 13. Die Kurve A zeigt schematisch daß, wenn ein relativ kleiner Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schichten 14 und 13 besteht, die Faser in einer kurzen Zeit bei einer vorgegebenen daran wirksamen Zugspannung ausfallen wird. Bei einer größeren Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten könnte die Faser nach der allgemein durch die Kurve B dargestellten Art und Weise ausfallen und bei einer noch größeren Differenz nach der durch die Kurve C gezeigten Art. Es sei bemerkt, daß die Kurven der Fig.10 rein beispielsweise dargestellt und nicht auf irgendeinen bestimmten Maßstab bezogen sind.To actually increase the tensile strength of optical fibers To determine with outer layers with layers 14 and 13 of Figure 4 is the service life as a function of the tension exerted on the composite fiber in Fig. 10 shown schematically for three curves, each with a different difference in Thermal expansion between the materials of layers 14 and 13. Curve A shows schematically that if there is a relatively small difference between the coefficients of thermal expansion of layers 14 and 13, the fiber is made in a short time at a given time effective tensile stress will fail. If there is a greater difference in the coefficient of thermal expansion could the fiber in the manner shown generally by curve B. fail and, if the difference is still greater, according to that shown by curve C. Art. It should be noted that the curves of Fig.10 are shown purely by way of example and are not related to any particular standard.
Außerdem sind sie nicht notwendigerweise für jeden Fall linear.In addition, they are not necessarily linear for every case.
Die in Fig.5 aufgeführten Glasmaterialien werden für die Schichten 14 und 13 in Fig.4 bevorzugt wegen der leichten Herstellungskosten, die bei einer Glas-auf-Glas-Beschichtung bei optischen Fasern entstehen. Außerdem wurde festgestellt, daß der Oberflächendruck wesentlich erhöht werden kann, wenn man die Dicke der relativ dünnen Außenschicht kontrolliert und wenn man eine zweitäußerste Schicht aufbringt, die einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine niedrigere Glasumwandlungstemperatur als die entsprechenden Parameter der äußersten Schicht hat.The glass materials listed in Fig.5 are used for the layers 14 and 13 in Figure 4 preferred because of the easy manufacturing costs, which in a Glass-on-glass coatings are created in optical fibers. It was also found that the surface pressure can be increased significantly if the thickness of the relative thin outer layer controls and if you have a second extreme Applying a layer that has a higher coefficient of thermal expansion and a lower one Glass transition temperature as the corresponding parameters of the outermost layer Has.
Wenn man Siliziumdioxid für die äußere Schicht auswählt, so kann man den Oberflächendruck für einen Bereich von Wärmeausdehnungskoeffizienten des inneren Bereichs berechnen, welcher von der Siliziumdioxidschicht umschlossen ist. Die Fig.11 zeigt die Ergebnisse eines solchen Satzes von Berechnungen. Die Figur zeigt den Verlauf der axialen Druckspannung als Funktion des gewichteten Durchschnitts der Wärmeausdehnungskoeffizienten der den inneren Bereich bildenden Materialien für vier unterschiedliche Dicken der äußeren Schicht, die zwischen 1 und 10 pm liegen. Es läßt sich ablesen, daß bei einem vorgegebenen Wärmeausdehnungskoeffizienten die axiale Druckspannung in der Faser schneller ansteigt, wenn man die Dicke der äußeren Schicht vermindert.If you choose silicon dioxide for the outer layer, you can the surface pressure for a range of internal thermal expansion coefficients Calculate the area which is enclosed by the silicon dioxide layer. The Fig.11 shows the results of such a set of calculations. The figure shows the Course of the axial compressive stress as a function of the weighted average of the Coefficients of thermal expansion of the materials forming the inner area for four different thicknesses of the outer layer, which are between 1 and 10 μm. It can be seen that for a given coefficient of thermal expansion the axial compressive stress in the fiber increases faster when you consider the thickness of the outer Layer diminished.
Bei den zuvor beschriebenen optischen Glasfasern werden sowohl die Brechungsindizes als auch Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns 11 und des Mantels 12 durch die Wahl der Glaszusammensetzung bestimmt. Beispielsweise kann bei typischen kommerziell hergestellten optischen Glasfasern der Kern aus einer Glaszusammensetzung von GeO2/SiO2 und der Mantel aus einer Glaszuammensetzung von B203/Si02 bestehen. Typische Kurven der Wärmeausdehnungskoeffizienten als Funktion der Glas zusammensetzungen sind in den Figuren 12 und 13 für diese beiden Glassorten gezeigt.In the case of the optical glass fibers described above, both the Refractive indices and coefficients of thermal expansion of the core 11 and the cladding 12 determined by the choice of glass composition. For example, with typical commercially produced glass optical fibers the core of a glass composition of GeO2 / SiO2 and the cladding consists of a glass composition of B203 / Si02. Typical curves of the coefficient of thermal expansion as a function of the glass compositions are shown in Figures 12 and 13 for these two types of glass.
Mischungen können ebenso verwendet werden.Mixtures can also be used.
Bis hierher wurde die Beschreibung zum großen Teil darauf abgestellt, daß es wichtig ist, geeignete Materialzusammen- setzungen für den Glaskern, den Mantel und die äußere Schicht oder Schichten auszuwählen und auf die relative Dicke der Schichten zu achten, damit in der dünnen äußeren Schicht eine große Druckspannung entsteht.So far, the description has largely been based on that it is important to setting for the Glass core, the cladding and the outer layer or layers to select and click on the relative thickness of the layers must be observed, so that there is one in the thin outer layer great compressive stress arises.
Es wurden außerdem die bekannten Tatsachen betont, daß der Kern und der Mantel die angemessenen Brechungsindizes haben müssen, damit die fertige Faser die hochwertigen optischen Übertragungseigenschaften hat.It also emphasized the known facts that the core and the cladding must have the appropriate indices of refraction for the finished fiber has the high-quality optical transmission properties.
Jedoch gibt es außerdem noch einen zusätzlichen Parameter, der auch noch beachtet werden sollte, nämlich die Beziehung zwischen den Glasumwandlungstemperaturen T g des Kerns und der verschiedenen Schichten. Es wurde festgestellt, daß eine maximale Zugfestigkeit erreicht werden kann, wenn man eine dünne äußere Druckschicht aus Siliziumdioxid verwendet, die nicht nur einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der innere Teil der Faser hat, sondern auch eine wesentlich höhere Glasumwandlungstemperatur Tg Außerdem sollte die äußere Schicht aus Siliziumdioxid vorzugsweise eine wesentlich höhere Glasumwandlungstemperatur Tg haben als der Durchschnitt der Glasumwandlungstemperaturen des Kerns und der den inneren Teil der zusammengesetzten Faser bildenden Schichten. Ebenso wie die Brechungsindizes und die Wärmeausdehnungskoeffizienten sind auch die Glasumwandlungstemperaturen Tg Funktionen der Glaszusammensetzungen.However, there is also an additional parameter that is also should also be noted, namely the relationship between the glass transition temperatures T g of the core and the various layers. It was found that a maximum Tensile strength can be achieved if you put a thin outer layer of pressure on it Silicon dioxide is used, which not only has a lower coefficient of thermal expansion than the inner part of the fiber, but also has a much higher glass transition temperature Tg In addition, the outer layer of silicon dioxide should preferably be a substantial one have higher glass transition temperatures Tg than the average of the glass transition temperatures of the core and the layers forming the inner part of the composite fiber. Just like the refractive indices and the coefficients of thermal expansion are also the glass transition temperatures Tg functions of the glass compositions.
Abschließend sei noch kurz ein prinzipiell anderes Herstellungsverfahren einer zugfesten optischen Glasfaser erwähnt. Dieses besteht darin, daß auf dem Ende eines rotierenden Dorns bekannterweise ein Kernglasstab mit den geforderten physikalischen Eigenschaften gebildet wird, wobei der Dorn axial langsam bewegt wird. Gleichzeitiq werden auf den entstehenden Stab aus dem Kernmaterial die verschiedenen konzentrischen Schichten durch ähnliche Verfahren der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase in einer kontrollierten Reihenfolge aufgebracht. Der beschichtete Stab wird darauf gesintert, so daß er eine feste, bereits mit einer Druckschicht versehene optische Vorform ergibt, aus der dann die zugfeste optische Glasfaser gezogen werden kann.Finally, a fundamentally different manufacturing process should be briefly mentioned a tensile optical glass fiber mentioned. This is that on the end of a rotating mandrel is known to have a core glass rod with the required physical properties Properties is formed, wherein the mandrel is moved slowly axially. Simultaneously will on the resulting rod from the core material the various concentric Layers by similar chemical vapor deposition processes applied in a controlled order. The coated rod is on top sintered, so that it is a solid, already provided with a printing layer optical Preform results from which the tensile optical glass fiber can then be drawn.
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