DE3040188C2

DE3040188C2 - Optische Übertragungsfaser und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE3040188C2
Application number: DE3040188A
Authority: DE
Inventors: Takao Mito Ibaraki Edahiro; Shiro Kurosaki; Minoru Yokohama Kanagawa Watanabe
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1979-10-25
Filing date: 1980-10-24
Publication date: 1984-08-23
Also published as: GB2065633B; US4975102A; DE3040188A1; CA1136911A; GB2065633A

Description

bestehen.
2. Optische Übertragungsfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) mit hohem Brechungsindex aus GeO₂-SiO₂-GIaS oder Sb₂O_s-SiO₂-Glas, die Zwischenschicht (2) mit niedrigerem Brechungsindex als der Kern (1) aus F-SlO₂-GIaS, F-B₂O₁-SiO₂-GIaS oder F-F₂O^-SiO₂-GIaS und

die Umhüllung (3) mit höherem Brechungsindex als die Zwischenschicht (2) aus Quarzglas, mit AI₂Oi dotiertem Quarzglas, mit TlO₂ dotiertem Quarzglas, mit ZrO₂ dotiertem Quarzglas oder mit HfO. dotiertem Quarzglas

bestehen.

3. Verfahren zur Herstellung der optischen Übertragungsfaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter Anwendung des axialen-Dampfphasen-Abscheidungsverfahrens oder des außenseitigen Dampfphasen-Oxldatlonsverfahrens ein transparenter Glasstab aus einem auf SiO₂ basierenden Glas, das lediglich ein Dotierungsmittel aus der Gruppe GeO₂, As₂O,, Sb₂O₅, SnO₂, TlO₂, PbO und Bi₂O₃ enthMt, hergestellt wird,

der Glasstab mit geschmolzenem, auf SIO₂ basierendem Glas; -Jas F, B₂O₃ZF und/oder F/P₂O₅ enthalt, beschichtet wird unter Bildung eines überzogenen Glasstabes, und

der überzogene Glasstab mit geschmolzenem Quarzglas und/oder geschmolzenem Quarzglas, das mit Al₂O₃, TlO₂, ZrO₂ und/oder HfO₂ dotiert Ist, beschichtet wird unter Bildung eines beschichteten Glasstabes, der durch Schmelzspinnen In eine Faser überführt wird.

4. Verfahren zur Herstellung der optischen Übertragungsfaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die innere Oberfläche einer SlO₂-Glasröhre eine Schicht aus einem auf SiO₂ basierenden, mit F dotierten Glas, aus einem auf SlO₂ basierenden, mit F und B₂Oi dotierten Glas oder aus einem auf SlO₂ basierenden, mit F und P₂O₅ dotierten Glas aufgebracht wird,

innerhalb der SlO^-Glasröhre unter Anwendung des axialen Dampfphasen-Abscheidungsverfahrens oder des außenseitigen Dampfphasen-Oxldationsverfahrens ein transparenter Stab aus auf SlO₂ basierendem Glas, das lediglich ein Dotierungsmittel aus der Gruppe GeO₂, As₂Oi, Sb₂O₅, SnOj, TiO₂, PbO und Bl₂O₃ enthält, gebildet wird,

der Stab zusammengedrückt wird, um einen einheitlich zusammengesetzten Stab zu bilden, und auf die äußere Oberfläche des Stabes eine geschmolzene Schicht aus mit Al₂Oi, TiO₂, ZrO₂ oder HfO₂ dotiertem Quarzglas aufgebracht wird zur Herstellung einer transparenten Glasstab-Vorform, die durch Schmelzspinnen in eine Faser überführt wird.

Die Erfindung betrifft eine optische Übertragungsfaser, die einen Kern aus einem dotierten Glas mit hohem Brechungsindex, eine Zwischenschicht aus einem dotierten Glas, das einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern aufweist, und eine Umhüllung, die einen höheren Brechungsindex als die Zwischenschicht aufweist, enthält, sowie Verfahren zu ihrer Herstellung.

Bei der Entwicklung von verlustarmen optischen Fasern für die Verwendung In der Nachrichtenübermittlung sind In den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte erzielt worden. Auch hat die kommerzielle Herstellung solcher optischer Übertragungsfasern bereits begonnen. Als Lichtquellen werden Licht emittierende Dioden (LED) oder Laser-Dioden (LD) verwendet und die optischen Übertragungsfasern sind so konzipiert, daß sie eine verlustarme Übertragung über einen breiten Frequenzbereich gewährleisten.

Die bisher bekannten optischen Übertragungsfasern bestehen aus einem Kern mit einem Durchmesser von bis zu 50 um und einer Umhüllung, deren Brechungsindex um nur etwa 1% von demjenigen des Kerns abweicht.

Optische Übertragungsfasern weisen verschiedene Vorteile auf, wie z. B. eine geringe Empfindlichkeit gegenüber äußerer lnfluenzwlrkung, eine hohe Flexibilität, ein geringes Gewicht und eine große Übertragungskapazität. Um diese Vorteile voll ausnutzen zu können, wird die Anwendung von optischen Übertragungsfasern auf Computer, Instrumentenausrüstungen, Kontrollsysteme und graphische Nachrichtenübertragungen ausgeweitet. Bei diesen Anwendungen Ist man bestrebt, die Kosten für die Herstellung eines Übertragungssystems, das eine

to Lichtquelle, optische Übertragungsfasern und einen Lichtenipfanger oder ein System umfaßt, das ein solches Übertragungssystem plus Abzweigungs- und Mehrfachanschlüsse beinhaltet, niedrig zu halten. In solchen Systemen werden als Lichtquelle kostensparende LED verwendet und innerhalb der Systeme werden geringe Übertragungsverluste dadurch er/ielt, daß die Oberiragungvcrluste auf die Kupplung der Lichtquelle und der optischen

Faser reduziert werden.

Selbstverständlich müssen die in solchen Systemen verwendeten Übertragungsfasern auch eini hohe Gebrauchsfestigkeit besitzen und eine weitere wichtige Forderung Ist die, daß sie geringe Übenragungsverluste aufweisen.

Aus der »Schoit-Information« 2/1976, Seiten 7, 8 und 17, sind bereits optische Übenragungsfasern bekannt. ^ die aus einem Kern aus einem dotierten Glas mit hohem Brechungsindex, einer Zwischenschicht aus einem dotierten Glas mit einem niedrigeren Brechungsindex als der Kern und einer Umhüllung aus einem Glas mit einem höheren Brechungsindex als die Zwischenschicht bestehen. Diese bekannten optischen Übertragungsfasern besitzen jedoch eine unzureichende mechanische Festigkeit und ihre Oberfläche ist nicht glatt genug, da sie sogenannte Griffice-Risse aufweisen. w

Aus der DE-AS 25 38 313 sind optische Übertragungsfasern bekannt, die aus drei Schichten bestehen, wobei der Kern aus mit Ti, Ge, Al oder Ga dotiertem SlO₂ und die Umhüllung aus F enthaltendem SiO₂ bestehen. Auch diese Fasern weisen eine unzureichende mechanische Festigkeit auf. Dies gilt auch für die aus den DE-OS 20 07 058, 29 19 080 und 29 06 523 bekannten optischen Übertragungsfasern, die aus Mehrkomponentengläsern aufgebaut sind. Diese bekannten optischen Übertragungfasern enthalten jedoch in der Umhüllung Alkalimetalle, i> so daß sie zusätzlich zu Ihrer unzureichenden mechanischen Festigkeit auch eine ungenügende Wasserbeständigkeit aufweisen, die ihre Verwendungsmöglichkelten In der Praxis stark einschränken.

Die bisher gebräuchlichen optischen Übertragungsfasern, die pro Kilometer einen Übertragungsverlsut von nicht mehr als 1OdB, einen Kerndurchmesser von etwa 100 \im und einen Brechungsindexunterschied zwischen dem Kern und dem Überzug von etwa 2% aufweisen, werden wie folgt hergestellt: ein Pulver eines Kernglases 2n (P₂Os-GeO₂-SiO₂) wird durch Flammenhydrolyse und unter Anwendung des außenseiligen Dampfphasenoxidationsverfahrens (OVPO) auf ein Trägerelemeni aufgetragen und das Kernglas wird mit einem Pulver eines Überzugsglases (B₂O)-SiO₂) beschichtet. Nach dem Entfernen des Trägerelements wird das Laminat gesintert unter Bildung einer Vorform, die zu Fasern versponnen wird.

Die bei diesem Verfahren erhaltenen Fasern bestehen aus einem Kern aus einem GeO₂-SlO₂- oder :? GeO₂-P₂O₅-SiO₂-GIaS mit einem Durchmesser von 100 pm und einem Überzug aus einem B₂0)-Si0_;-Glas, wobei die Gesamtfaser einen Durchmesser von 140 pm (Kerndurchmesser plus Durchmesser des Überzugs) aufweist und der Brechungsindex des Überzugs um etwa 2% von demjenigen des Kerns abweicht.

Es Ist allgemein üblich, die Brechungslndices des Kerns und des Überzugs durch Zumischen einer Dotierung, wie GeO₂, B₂O) oder P₂Os, zu SlO₂ zu steuern. Ein hoher Brechungsindex kann erhalten werden durch Verwen- 3<i dung von P₂O₅, GeO₂, Al₂Oi und TiO₂ als Dotierungsmittel, das einzige Oxid, das jedoch als Dotierungsmittel zur Erzielung eines niedrigeren Brechungsindex zur Verfügung steht. Ist B₂O). Das DoUerungsmittel wirkt sich aber auf die physikalischen Eigenschaften des Primärmaterials SiO₂ aus: es reduziert die Viskosität und steigert den thermischen Expansionskoeffizienten von reinem SiO_:-G!as, dem es zugesetzt wird. Deshalb nimmt dann, wenn der Kern In dem Bestreben, seinen Brechungsindex zu erhöhen, mit einer großen Menge GeO₂ oder P_:0₅ dotiert wird, die Viskosität des Kernglases ab und der thermische Expansionskoeffizient des Kernglases steigt. Da der Unterschied in der Restspannung zwischen dem Kern und dem Überzug auf ein Minimum reduziert werden muß, müssen die Viskosität und der thermische Expansionskoeffizient des Überzugs kontrolliert werden, um so die Veränderung auszugleichen, die auf die verringerte Viskosität und den erhöhten thermischen Expansionskoeffizienten des Kerns zurückzuführen ist. Daher wird dann, wenn der Kern mit etner großen -w Menge P₂O₅ oder GeO₂ dotiert wird, um den Brechungsindex des Kerns zu erhöhen, der Überzug gleichzeitig in entsprechender Weise mit einer großen Menge an B₂Oi dotiert, was jedoch zur Folge hat, daß durch die verminderte Viskosität und den erhöhten thermischen Expansionskoeffizienten eine optische Faser von geringer Festigkeit erhalten wird. Hinzu kommt, daß das B;Oi-SlO₂-Glas des äußeren Überzugs eine geringe Wasserbeständigkeit aufweist, so daß in einer nassen oder feuchten Umgebung große statische Ermüdungserscheinungen auftreten.

Wie bereits erwähnt. Ist B₂Oi das bisher einzige zur Verfügung stehende Oxid-Dotierungsmittel, mit dessen Hilfe der Brechungsindex herabgesetzt werüen kann. Daher enthalten die Überzüge sämtlicher herkömmlicher optischer Übertragungsfasern B₂Oi als DoUerungsmittel und diese weisen somit eine geringe Wasserbeständigkeit auf.

Es Ist auch nicht möglich, dieses Problem durch Umhüllen der Glasfaser mit einem wasserbeständigen Überzug zu lösen, da es bisher keine wasserbeständige Glaszusammensetzung gibt, deren Viskosität und thermischer Expansionskoeffizient mit denjenigen eines Weichkerns und eines Überzugs, der eine große Menge Dotlerungsmlttel enthält, übereinstimmen.

Aufgabe der Erfindung war es daher, eine optische Übertragungsfaser zu entwickeln, die nicht nur eine höhere Festigkeit als die bisher üblichen optischen Übertragungsfasern, sondern auch eine größere Wasserbeständigkeit sowie einen geringen Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Überzug (etwa K) aufweisen.

Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst werden kann, daß man bei einer optischen Übertragungsfaser des eingangs genannten Aufbaus die Dotierung auf ein Minimum reduziert, um die gewünschte Härte des Kerns und des Überzugs zu erhalten, das die Viskosität des Glases herabsetzende B_:0i als <*> Dotierungsmittel nicht verwendet, um eine Viskosität und einen thermischen Expansionskoeffizienten zu erhalten, die denjenigen von reinem SlO;-Glas so nahe wie möglich kommen, so daß Insgesamt eine optische Übertragungsfaser mit einem Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Überzug, von etwa 1%, einer höheren Festigkeit und einer größeren Wasserbeständigen erhalten wird.

Gegenstand der Erfindung Ist eine optische Übertragungsfaser, die einen Kern aus einem dotierten Glas mit <>5 hohem Brechungsindex, eine Zwischenschicht aus einem dotierten Glas, das einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern aufweis¹, und eine Umhüllung, die einen höheren Brechungsindex als die Zwischenschicht aufweist, enthält und Jiidurch gekennzeichnet. Ist, daß

1) der Kern aus einem auf SiO; basierenden Glas, das lediglich ein Doüerungsmitlel aus der Gruppe GeO;, AI;O., Sb₂O,, SnOj. TiO₃, PbO und Bl₂O, enthält,

2) die Zwischenschicht aus einem auf SiOj basierenden Glas, das F, B₂O,/F und/oder F/P₂O< enthält, und

3) die Umhüllung aus Quarzglas oder einem mit AI₂O₁, TlO₂, ZrO₂ und/oder HfO₂ dotierten Quarzglas oder aus einer Mischung aus Quarzglas und dem dotierten Quarzglas

bestehen.

Die erfindungsgemäße optische Übertragungsfaser zeichnet sich aus durch eine ausgezeichnete Festigkeit und große Wasserbeständigkeit bei gleichzeitig geringen Übertragungsverlusten, wobei der Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Überzug nur etwa \% beträgt, !n der erfindungsgemäßen optischen Übertragungsfaser wird der Brechungsindex der Umhüllung so niedrig wie möglich gehalten, was durch Zugabe von Fluor erreicht wird. Dadurch wird die Erhöhung des Brechungsindex im Kern auf ein Minimum reduziert und es braucht nur ein einziges Dotierungsmittel dem Kern zugesetzt zu werden. Das zur Herstellung der äußeren Umhüllung der erfindungsgemäßen optischen Übertragungsfaser verwendete speziell dotierte Quarzglas schmilzt leicht, so daß es leicht versponnen werden kann, und es besitzt eine große Beständigkeit gegen Wasser. Durch das in der äußersten Schicht verwendete Doüerungsmütel wird der thermische Expansionskoeffizlent herabgesetzt und eine Restspannung auf der Oberfläche nach der Faserbildung erzeugt. Da nämlich die Dotierungsmittelmenge im Kern gering Ist, wird die auf der Oberfläche zurückbleibende Restspannung weniger auf den Kern übertragen, wenn die äußere Schicht aus Quarzglas besteht.

Eine besonders vorteilhafte optische Übertragungsfaser wird erhalten, wenn der Kern mit hohem Brechungsindex aus GeO;-SiO₂-Glas oder Sb₂O₅-SiO₂-GIaS, die Zwischenschicht mit niedrigerem Brechungsindex als der Kern aus F-SiO.-Glas, F-B₂O₁-SlO₂-GIaS oder F-P₂O₅-SlO₂-GUiS und die Umhüllung mit höherem Brechungsindex als die Zwischenschicht aus Quarzglas, mit AI₂O) dotiertem Quarzglas, mit TiO₂ dotiertem Quarzglas, mit ZrO₂ dotiertem Quarzglas oder mit HfO₂ dotiertem Quarzglas bestehen.

Die erfindungsgemäße optische Übertragungsfaser kann nach Verfahren hergestellt werden, die einen weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden:

a) Unter Anwendung des axialen Dampfphasen-Abscheidungsverfahrens (VAD) oder des außenseitigen Dampfphasen-Oxidationsverfahrens (OVPO) wird ein transparenter Glasstab aus einem auf SlO₂ basierenden Glas, das lediglich ein Dotierungsmittel aus der Gruppe GeO₂, As₂Oi, Sb₂O₅, SnO₂, TiO₂, PbO und Bl₂O, enthält, hergestellt,

der Glasstab wird mit geschmolzenem, auf SiO₂ basierendem Glas, das F, B₂O)/F und/oder F/P₂O₅ enthält, beschichtet unter Bildung eines überzogenen Glasstabes, und

der überzogene Glasstab wird mit geschmolzenem Quarzglas und/oder geschmolzenem Quarzglas, das mit Al₂O). TiO₂, ZrO₂ und/oder HfO₂ dotiert ist, beschichtet unter Bildung eines beschichteten Glasstabes, der durch Schmelzspinnen in eine Faser überführt wird;

b) auf die innere Oberfläche einer SiO₂-Glasröhre wird eine Schicht aus einem aui SiO₂ basierenden, mit F dotierten Glas, aus einem auf SlO₂ basierenden, mit F und B₂O, dotierten Glas oder aus einem auf SiO₂ basierenden, mit F und P₂O₅ dotierten Glas aufgebracht,

innerhalb der SlO₂-Glasröhre wird unter Anwendung des axialen Dampfphasen-Abscheldungsverfahrens (VAD)

■»υ oder des außenseitigen Dampfphasen-Oxidationsverfahrens (OVPO) ein transparenter Stab aus auf SiO₂ basierenden Glas, das ledglich ein Dotierungsmittel aus der Gruppe GeO₂, As₂O₁, Sb₂O₅, SnO₂, TiO₂, PbO und Bi₂O₁ enthält, gebildet,

der Stab wird zusammengedrückt, um einen einheitlich zusammengesetzten Stab zu bilden, und
auf die äußere Oberfläche des Stabes wird eine geschmolzene Schicht aus mit Al₂O₁, TiO₂, ZrO₂ oder HfO₂ dotiertem Quarzglas aufgebracht zur Herstellung einer transparenten Glasstab-Vorform, die durch Schmelzspinnen in eine optische Übenragungsfaser überführt wird.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen Querschnitt der erfindungsgemäßen optischen Übertragungsfaser und die Brechungsindexverteilung der Faser.
In der Zeichnung besieht der Kern U aus SlO₂-GIaS, das dem Kern eine ausreichende Härte verleiht und ein Dotierungsmittel aus der Gruppe GeO₂, As₂O₁, Sb₂O₅. SnO₂, TiO₂, PbO und Bi₂O) enthält, um einen hohen Brechungsindex zu erzeugen für beispielsweise GeO₂-SiO₂-, As₂O₁-SiO₂-, SnO₂-SiO₂-, Sb₂O₅-SiO₂-, TiO₂-SiO₂-, PbO-StO₂- und Bi₂O₁-SiO₂-Systeme. In der nachstehenden Tabelle I sind die Schmelzpunkte, die Viskosität und die thermischen Expansionskoeffizienten typischer Beispiele der obengenannten Systeme angegeben. Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, weisen diese Systeme niedrigere Schmelzpunkte, Viskositäten und thermische Expan-

-^S5 sionskoeffizienten auf als andere Glassysteme.

Tabelle I

SiO₂

TiO₂-	GeO₂-	As₂O₃-	SnOi-	Sb₂Os-	B₂Oi-	P₂O
SiO₂	SiO₂	SiO₂	SiO₂"	SiO:	SiO₂	SiO

Menge des Dotierungs- 10% 10% 10% 10% 10% 10% 10%

mittels (Gew.-%)

Brechungsindex 1,458 1,490 1,473 - 1,475 1.478 1,457 1,464

Schmelzpunkt (° C) 1713 1690 1650 1550 1670 1600 1410 1400

Viskosität hart hart hart äußerst hart äußerst weich weich

hart hart

Thermischer Expan- 5,5 x 10⁷ 1,2x10' I₁IxIO⁷ - 1,3 x 10⁷

sionskoeffizient _]?

Es gibt zwar auch noch andere Dotierungsmittel, die einen hohen Brechungsindex ergeben können, nämlich Al₂O₃ und Ga₂Oj, diese kristallisieren jedoch aus, wenn sie In großen Mengen eingesetzt werden, so daß eine Versteinerung des Glases auftritt.

Die Schicht 12 der In der belllegenden Zeichnung dargestellten erfindungsgemäßen optischen Ubertragungsfaser besteht aus SlO₂-GIaS, das mit einer geringen Menge F oder F/B₂Oi dotiert ist. Die Glaszusammensetzung des mit F dotierten SlO₂-Glases Ist so, daß ein Teil des Sauerstoffs durch F ersetzt ist, um einen Brechungsindex zu schaffen, der niedriger Ist als der von reinem SiO₂. Dabei sind die physikalischen Konstanten (d. h. der Schmelzpunkt, die Viskosität und der thermische Expansionskoeffizient) des mil F dotierten SiO₂-Glases praktisch die gleiche wie diejenigen von reinem SlO₂. Eine Kombination der beiden Dotierungsmittel F und B₂O₃ liefert ebenfalls eine Glaszusammensetzung mit den gewünschten physikalischen Konstanten. Gewünschtenfalls kann das B₂O₃ darin auch durch P₂O₅ ersetzt werden. Da P₂O₅ einen leicht erhnhten Brechungsindex ergibt. Ist die Verwendung von B₂O₃ als Dotierungsmittel zur Herstellung eines niedrigeren Brechungsindex bevorzugt. Der Vorteil der Verwendung von P₂O₅ besteht jedoch darin, daß eine geringe Menge an P₂O₅ den Erweichungspunkt des Glases um einen größeren Betrag herabsetzt als B₂O₁. so daß die Herstellung einer Vorform und die .w Zieharbeit dadurch erleichtert werden.

Die Zusammensetzung des Umhüllungsglascs wird durch die Weichheil des Kerns und der Zwischenschicht bestimmt. Wenn die Zusammensetzung des Kerns und der Zwischenschicht nahezu reinem SiO₂ gleich kommt, kann die Umhüllung ebenfalls aus SiO₂ bestehen. 1st jedoch der Kern oder die Zwischenschicht eher weich, muß ein Dotierungsmittel verwendet werden, um eine Umhüllung zu erhalten, deren Viskosität im wesentll- -> chen gleich der des Kerns oder der Zwischenschicht ist. In diesem Falle wird der Brechungsindex der Umhüllung bei einem Wert gehalten, der höher als der der Zwischenschicht ist, wohingegen der thermische Expansionskoeffizient der Umhüllung bei einem Wert gehalten wird, welcher geringfügig niedriger ist als der der Zwischenschicht. Auf diese Weise liefern der Kern, die Zwischenschicht und die Umhüllung während des Schmelzens eine einander gleichkommende Viskositätsfestigkeit, so daß ein erleichtertes Spinnen erreicht wird. Das Umhüllungsglas wird während des Schmelzens ausreichend weich, um eine glatte Oberfläche zu liefern, wohingegen der thermische Expansionskoeffizient des Umhüllungsglases so klein Ist, daß, wenn das Laminat des Kernes, der Zwischenschicht und der Umhüllung zu Fasern versponnen wird, sich auf der Oberfläche eine restliche Druckspannung entwickelt und die Faser mechanisch stark und wenig empfindlich gegenüber Ermüdungsbruch ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Unterschied im Brechungsindex zwischen dem Kern und der Zwischenschicht in aureichendem Maße gesteigert werden kann, vorausgesetzt, daß der Brechungsindex der Umhüllung nicht kleiner Ist als der der Zwischenschicht.

Ein auf SiO₂-basierendes Glas, das AI₂O₁, TiO₂, ZrO₂ und/oder HfO₂ enthält, kann In vorteilhafter Weise als Zusammensetzung verwendet werden, welche wasserbeständig ist und die oben aufgeführten Anforderungen hinsichtlich Viskosität, Brechungsindex und thermischem Expansionskoeffizient erfüllt. Die Umhüllung kann mit einer lichtabsorbierenden Funktion ausgestattet werden, indem beispielsweise eine geringe Menge eines ubergangsmetaiis, wie etwa Fe₂O₃, eingearbeitet wird. Die Umhüllung kann aus einer inneren SiOj-Giasschicht und einer äußeren, auf SiO₂-basierenden Glasschicht, welche Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ und/oder HfO₂ enthält, bestehen. Ein Beispiel einer Faserzusammensetzung, welche die In der Figur gezeigten Brechungsindexverteilung aufweist, aus einem Kern 11, der zusammengesetzt ist aus einem mit 10 Gew.-% GeO₂ dotierten SiO₂-GIaS, einer Zwischenschicht 12, die zusammengesetzt Ist aus einem mit 3 Gew.-% F dotierten, auf SiO₂-basierenden Glas und aus einer Umhüllung 13, die zusammengesetzt 1st aus einem mit 3 Gew.-% TiO₂ dotierten, auf SiO₂-basierenden Glas.

Nachstehend werden zwei typische Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Faser beschrieben, jedoch kann die erfindungsgemäße Faser auch nach anderen Verfahren hergestellt werden. Zuerst wird ein Glas für den Bereich mit hohem Brechungsindex wie folgt hergestellt: Ein Halogenid, wie etwa SiCl₄ oder GeCl₄, ein Hydrid, wie etwa SiH₄ oder GeH₄ oder eine organische Verbindung, wie etwa Si(OC₂H₅) ₄ oder Ge(OC₂Hs)₄ wird als Dampf in eine H₂-O₂-Flamme oder C_mH_n-O₂-Flamme eingeführt, um eine Reaktion hervorzurufen, bei der fein verteiltes GeO₂-SiO₂-GIaS gebildet wird, welches axial auf einem Dorn aus Sillciumdioxid-Glas (VAD-Verfahren) oder radial auf einem mit Kohlepulver beschichteten Dorn (OVPO-Verfahren) gezüchtet wird, wobei fein verteiltes Glas erhalten wird. Die nach dem VAD-Verfahren hergestellten Glaspartikel werden als solche gesintert und zusammengedrückt, um einen transparenten GeOr-SiO₂-Glasstab zu bilden. Das Ausgangsmaterial wird von den Glaspartikeln, die nach dem OVPO-Verfahren hergestellt worden sind, entfernt, bevor die Partikel

gesintert und zusammengedrückt werden, um einen transparenten GeO₂-SiO₂-Glasstab zu bilden. Der so hergestellte Glasstab wird wahlweise geschliffen und poliert, um einen fehlerfreien Zylinder zu erzeugen, welcher bevor er den darauffolgenden Verarbeitungsstufen ausgesetzt wird, mit Fluorwasserstoffsäure, Salzsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure oder Schwefelsäure gewaschen wird. In der nächsten Stufe wird H₂O, HCl, Cl₂, HF oder F₂-GaS oder eine gasförmige fluorhalttge Verbindung, wie etwa SF,,, CF₄ oder CC₂F₂ zusammen mit wahlweise Helium oder Sauerstoffgas In eine Hochfrequenz-Plasmaflamme eingeführt, um eine Plasmaflamme zu erzeugen, welcher der rotierende Glasstab ausgesetzt wird, um durch longitudlnales Bewegen der Flamme über dem Glasstab [äußeres Plasma-Abscheldungsverfahren (POD)] eine Flammenpolierung auszuführen. Anschließend, wenn SlF₄, SF₁,, CF₄ oder CCl₂F₂ zusammen mit Sauerstoffgas eingeführt wurde, wird ein Halogenid, wie etwa SiCl₄ oder ein Hydrid, wie etwa SlH₄ oder eine organische Verbindung, wie etwa Sl (OC₂Hj)₄ In gasförmigem Zustand als ein SiO₂-bildendes Material In eine Hochfrequenz-Plasmaflamme eingeführt, um ein mit F dotiertes SiO₂-Glas mit niederem Brechungsindex zu bilden. Das erhaltene Glas wird In geschmolzenem Zustand auf der Peripherie des Glasstabes, welcher als Bereich mit hohem Brechungsindex dient, gezüchtet. Ein mit P₂O₅ als auch mit F dotiertes SlO₂-GIaS kann sowohl durch Zuführen des Gases, das als ein SiO₂blldendes Material dient als auch des Gases eines Halogenide, wie etwa BCI, oder BF₁, eines Hydrids, wie etwa B₂H₁, oder einer organischen Verbindung, wie etwa Si (OCH-,)«, hergestellt werden. Zur Herstellung von mit P₂O, als auch mit F dotiertem SlO₂-GIaS kann sowohl das Gas, welches als SlO₂-bildendes Material dient als auch das Gas eines Halogenide, wie etwa POCl₅ oder PF₁, eines Hydrids, wie etwa PH, oder einer organischen Verbindung, wie etwa P (OCHj)₅, eingeführt werden.

Zur Bildung eines Glases, das als Umhüllung dient, wird das Gas, welches als SlO₂-bildendes Material dient, In kontrollierter Menge und das Gas, welches als Dotierung dient, wie etwa TlCI₄, AlCl₃, ZrCl₄ oder HfCl₄, in kontrollierter Menge zugeführt. In diesem Falle wird die Zuführung der gasförmigen F-enthaltenden Verbindung gestoppt und, wenn eine Co-Dotlerung mit F und B₂O, in einer vorangehenden Stufe ausgeführt wurde, wird die Zuführung des Dotierungsgases ebenso gestoppt. Das so hergestellte SlO₂-GIaS, das eine Dotierung, die etwa TlO₂ enthält, wird In geschmolzenem Zustand auf der Peripherie der Schicht mit niederem Brechungsindex gezüchtet. Auf diese Weise wird eine Vorform, welche den Kern, der mit dem Überzug und der Umhüllung in dieser Reihenfolge überschichtet Ist, umfaßt, hergestellt. Dieses Verfahren erfordert eine vorsichtige Temperaturkontrolle, um die Bildung von Keimen oder Blasen Infolge überschüssigen Erhltzens des Kerns zu vermelden. Wird festgestellt, daß sich ein Keim oder eine Blase In dem Kern, der mit einem Überzug überschichtet ist, entwickelt, muß einige geringe Menge an B₂O, als Co-Dotlerung verwendet werden, um bei relativ niederer Temperatur geschmolzenes Glas zu erzeugen, ebenso Ist es notwendig, eine erhöhte Menge an Dotierung in dem Material für die Umhüllung zu verwenden, um wiederum bei relativ niederer Temperatur geschmolzenes Glas zu erzeugen.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen optischen Faser ist nachstehend beschrieben: Zuerst wird eine Slliciumdloxid-Glasröhre mit Gasen versehen, welche als Material für Glas dienen (die gleichen, wie oben beschrieben) und von außen (modifiziertes CVD-Verfahren) oder von innen (Plasma-CVD-Verfahren) erhitzt, um eine Reaktion zu verursachen, bei der eine Abscheidung von entweder F-SiO₂, F-B₂O)-SlO₂ oder F-P₂O₅-SiO₂-GIaS auf der inneren Wand der Röhre gebildet wird. Ein Glasstab, der als Bereich mit hohem Brechungsindex dient und dieselbe Zusammensetzung hat, wie oben definiert, wird In die Röhre eingesetzt, die wiederum auf einer Glasdrehbank befestigt ist und von außen erhitzt wird, um den Einsatz zusammenzudrücken zur Herstellung eines integral zusammengesetzten Glasstabes. Falls erwünscht, kann eine zur obenbeschriebenen Identische Technik verwendet werden, um den Stab mit SiO₂-GIaS, das entweder Al₂O,, TlO₂, ZrO₂ oder HfO₂ enthält, zu beschichten, wobei eine Vorform eines transparenten Glasstabes erhalten wird. Diese Vorform wird dann durch Schmelzspinnen in Fasern überführt.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen optischen Faser beschrieben. Vier Vorformen wurden nach den OVPO-Verfahren, dem VAD-Verfahren und dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Jede Vorform wurde zu Fasern versponnen, unmittelbar danach wurde die Faser mit einem Silikonharz einer Dicke von 150 μηι grundiert und mit einem Polyamid durch Extrusion beschichtet, um einen Gesamtdurchmesser von 0,9 mm zu liefern. Der Aufbau, die Übertragungscharakteristika und die Festigkeit jeder der hergestellten Fasern sind In der nachstehenden Tabelle II gezeigt.

Tabelle II

Probe Nr.

Glas

Größe An
(_μπι0) (%)

Herstell. Verfahren

Übertra- Durch- Bruchfegungsverlust schnittliche stigkeit λ =0,85 μΐη
(dB/km)

Bruchfestigkeit (kg/Filament)

nach Eintauchen in Wasser

100 Std.)

1) Kern: 32 Gew.-% GeO₂-SiO₂ 100

Überzug: 20 Gew.-% B₂O₃-SiO₂ 140

⁶⁵ 2) Kern: 28 Gew.-%GeO₂/ 100

6 Gew.-% P₂O₅-SiO₂

Überzug: 22 Gew.-% B₂O₃-SiO₂ 140

2,0

1,9

OVPO

VAD

5,5

5,0

Tabelle 11 (Fortsetzung)

Probe Nr.

Glas

Größe Δη (μΓΠ 0) (%)

Herstell.
Verfuhren

Überlra- Durch- Bruchlegungsverlust schnittliche stigkeit λ = 0,85 μΐη
(dB/km)

Bruchfestigkeit
(kg/Filament)

nach Eintauchen in Wasser

100 Std.)

3)	Kern:	a) b)	10	Gew.-% GeO₂-SiO₂	100	VAD
	Überzug	2,5	Gew.-% F-SiO₂	135 2,0	POD 4,0
	Umhül lung	5	Gew.-% TiO₂-SiO₂	140	POD
4)	Kern:	12	GeO₂-SiO₂	90
	Überzug	2,5 2	Gew.-% F/ Gew.-% P₂O₅-SiO₂	100 2,1	modifiziert 3,5
	Umhül lung	5	SiO₂ TiO₂-SiO₂	140 145	CVD POD
»X« bedeutet: »O« bedeutet:	schwach gut

7,0

6,5

Wie die Tabelle II zeigt, ergibt die erfindungsgemäße Faser (3) oder (4) pro Kilometer (/. = 0,85 μηι) einen Übertragungsverlust von nur 4,0 dB und besitzt eine durchschnittliche Bruchfestigkeit In der Höhe von 6,0 kg pro.Filament. Weiterhin 1st hervorzuheben, daß die erfindungsgemäße Faser eine bedeutend erhöhte Bruchfestigkeit in Wasser besitzt als die Vergleichsfasern (1) und (2).

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer optischen Faser können wie folgt zusammengefaßt werden.

(1) Es wird eine Faser zur Verfügung gestellt, die einen Kern von angemessener Größe aufweist, dessen Brechungsindex sich von dem des Überzuges sehr untersclieidet und dessen physikalische Eigenschaften sich denen des Überzuges und der Umhüllung angleichen.

(2) Das Verhältnis von Dotierungsmitteln zu SiO₂-GIaS In dem Kern beträgt weniger als die Hälfte von dem, wie herkömmlich erforderlich. Die hergestellte Faser zeigt einen geringen Verlust aufgrund von Rayleigh-Streuung und somit geringen Übertragungsverlusi.

(3) Das Glas aus dem die Umhüllung hergestellt wird, wird bei Spinntemperatur weich und liefert eine glatte Oberfläche. Die erhaltene Faser zeigt auf der Oberfläche restliche Druckspannung, um so eine hohe Festigkeit zu schaffen.

(4) Mit der Umhüllung, die aus SiO₂, ZrO₂-SlO₂, Al₂O₁-SiO,, TiO₂-SiO: oder HfO₂-SiO₂ hergestellt Ist. besitzt die Faser eine sehr wasserbeständige Oberfläche.

(5) Die verringerte Anwendung einer Dotierung, wie etwa GeO₂, B₂Oi oder PjO₅ hat eine Kostenreduzierung zur Folge.

Hierzu 1 Blatt Zeichnung

Claims

Patentansprüche:

1. Optische Über.ragungsfaser, enthaltend einen Kern aus einem dotierten Glas mit hohem Brechungsindex, eine Zwischenschicht aus einem dotierten Glas, das einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern aufweist, und eine Umhüllung, die einen höheren Brechungsindex als die Zwischenschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

1) der Kern aus einem auf SiO₂ basierenden Glas, das lediglich ein Dotierungsmittel aus der Gruppe GeO₂, As₂Oj, Sb₂O₅, SnO₂, TlO₂, PbO und Bi₂O₃ enthält,

ίο 2) die Zwischenschicht aus einem auf SlO₂ basierenden Glas, das F, B₂O₃/F und/oder F/P₂O_S enthält, und 3) die Umhüllung aus Quarglas oder einem mit Al₂O₃, TlO₂, ZrO₂ und/oder HfO₂ dotierten Quarzglas oder aus einer Mischung aus Quarzglas und dem dotierten Quarzglas