DE3132508C2

DE3132508C2 -

Info

Publication number: DE3132508C2
Application number: DE3132508A
Authority: DE
Inventors: Yoshida Kazuaki; Kunio Ichihara Chiba Jp Kokura; Seiji Shibuya; Hiroshi Tokio/Tokyo Jp Murata; Edahiro Ibaraki Jp Takao
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1980-08-22
Filing date: 1981-08-18
Publication date: 1992-07-09
Also published as: IT8149133A0; FR2488872A1; IT1171475B; JPS591221B2; NL8103898A; GB2084989A; JPS5742549A; CA1171744A; SE8104957L; US4421539A; GB2084989B; DE3132508A1; SE453826B; FR2488872B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaserform, bei dem auf einem rotierenden zylindrischen Glasstab durch Flammhydrolyse Glaspartikel abgeschieden, dabei ein von der Stabmittenachse radial nach außen fallendes Gradientenindexprofil erzeugt, die Partikel verglast und der erhaltene transparente Glasstab mit einem Schutzrohr aus Quarzglas überfangen wird.

Bei bekannten Verfahren dieser Art (DE-OS 29 19 619 und 29 06 523) wird einem oder mehreren, den rotierenden zylindrischen Glasstab beaufschlagenden Brennern zusammen mit Sauerstoff und Wasserstoff ein Gas zugeführt, das durch Flammhydrolyse Glaspartikel auf der Oberfläche des rotierenden Glasstabes abscheidet. Als Dotierungsmittel für die Veränderung des Brechungs-Indexes im Bereich der Oberfläche des Glasstabes werden bspw. Gase, wie GeCl₄, POCl₃, BBr₂ verwendet. Diese Gase reagieren in einem Oxidationsvorgang. Die nun SiO₂, GeO₂, P₂O₅ und/oder B₂O₃ enthaltenden Glaspartikel werden auf der Oberfläche des Glasstabes abgeschieden.

Im Anschluß an diese Behandlung wird der Glasstab in einer Heliumatmosphäre einer Wärmebehandlung unterzogen, damit sich der Brechungsindex von der Längsmittenachse des Stabes ausgehend zum Außenumfang hin allmählich verkleinert. Schließlich wird dann ein zylindrisches Quarzglasrohr, dessen Innendurchmesser geringfügig größer als der Außendurchmesser des Glasstabes ist, über diesen Glasstab geschoben. Das Quarzglasrohr wird dann erwärmt und dabei sein Durchmesser verringert, und auf diese Weise der Glasstab mit einem, fest auf seiner Oberfläche aufliegenden Quarzglasüberzug versehen.

Anstelle dieses Aufbringens eines Quarzglasrohres kann auch eine Schicht vorgegebener Dicke aus, in einer Oxidationsreaktion getrübtem Quarzglas auf den Glasstab aufgetragen werden. Diese getrübte Quarzglasschicht wird dann in einem weiteren Bearbeitungsgang so gesintert, daß transparentes Glas entsteht, mit der Folge, daß der Außenumfang des Glasstabes von dem Quarzglas abgedeckt wird.

Das auf die beschriebene eine oder andere Weise auf den Außenumfang des Glasstabes aufgebrachte Quarzglas dient einmal als mechanischer Schutz für den Kern der anschließend aus dem Glasstab durch Spinnen hergestellten Lichtleitfaser und weiter zur Sicherung der Übertragungseigenschaften dieser Lichtleitfaser.

Für die mit den beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellten Lichtleitfaservorformen gilt, daß die daraus entstehenden Lichtleitfasern im Kern einen Brechungsindex N(r) aufweisen, der so ausgelegt ist, daß die in die nachstehende Gleichung eingesetzte Größe α einen Wert von absolut "2" erreicht, um die Bandbreite der Lichtleitfaser zu vergrößern. Die Gleichung lautet:

In diese Gleichung eingesetzt bedeuten:

N₀ = Brechungsindex im Mittelteil des Kernes,
N = Brechungsindex der äußeren Umfangsfläche des Kernes,
a = Radius des Kernes. (N₀-N₁)/N₀,
r = Abstand von der Längsmittenachse.

Für die richtige Einstellung der Größe α des Brechungsindexes für den Kern der Lichtleitfaser auf den Wert "2" mußten dann in entsprechend richtiger Weise ausgewählt werden: Die relative Zuordnung der Brenner zueinander, die Mengen der den Brennern zugeführten Gase, der relative Abstand zwischen den Brennern und dem Glasstab sowie die Temperatur der Flammen der jeweiligen Brenner. Es ist nicht einfach, alle diese Größen auf die jeweils zutreffenden Werte einzustellen, und da Brenneröffnungen relativ schnell ausbrennen, ist es praktisch nicht möglich, die Größe α über die gesamte Kernlänge in der Radialrichtung genau auf den Wert "2" einzustellen, was immer dann, wenn die Brenner ausgewechselt, d. h. durch neue ersetzt werden, alle Größen auf die dabei geänderten neuen Werte eingestellt werden müssen. Praktisch weicht deshalb der eingestellte Wert für die Größe α immer von "2" ab. Dies hat zur Folge, daß ein Glasstab, bei dem in der Längsmittenachse die Größe α auf etwa "2" eingestellt ist, die Größe α im Umfangsbereich der Brechungsindex-Verteilung mehr oder weniger stark von "2" abweicht, und zwar in einem konischen Verlauf des die Brechungsindex-Verteilung wiedergebenden Gradientenindexprofils.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese gattungsgemäßen Verfahren so zu verbessern, daß deren Nachteile beseitigt und die bei der Durchführung der Verfahren auftretenden Schwierigkeiten vermieden werden und eine genaue und konstante Einstellung der gewünschten Werte der Brechungsindex-Verteilung erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß vor dem Aufbringen des Quarzglas-Schutzmantels von dem äußeren Umfang des Niederschlages durch spanende Bearbeitung oder durch Ätzen eine Schicht, deren Stärke in Abhängigkeit von der Brechungsindex-Verteilung des Gradientenprofils zwischen 0,03 und 0,15% beträgt, abgetragen wird. Wie die Erfindung weiter vorsieht, kann anschließend der Außenumfang des Glasstabes nach dessen spanender Bearbeitung bzw. nach dem Ätzen flammpoliert werden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung der Flammhydrolyse in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine andere Vorrichtung zur Durchführung der Flammhydrolyse,

Fig. 3 die Brechungsindex-Verteilung in den bei Anwendung der in Fig. 1 oder 2 dargestellten Vorrichtung nach den gattungsgemäßen Verfahren hergestellten Glasstäben in Form eines Gradientenindexprofils,

Fig. 4 die Brechungsindex-Verteilung in dem bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Glasstab in Form eines Gradientenindexprofils, und

Fig. 5 die Brenneröffnung der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Brenner.

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, wird auf einen das Ausgangsmaterial darstellenden Glasstab 4, der sich um die strichpunktiert dargestellte Längsmittenachse O in Richtung des eingezeichneten Pfeiles dreht, mit Hilfe zweier Brenner 1 und 2 oder (Fig. 2) eines einzigen Brenners 7 ein, in unterbrochenen Linien angedeuteter Gasstrom erzeugt, der auf die bereits erläuterte Weise Glaspartikel auf dem Ausgangsmaterial abscheidet. die zu der Form des Glasstabes 6 führen.

Wie aus Fig. 3 zu ersehen, entspricht die Brechungsindex-Verteilung in dem nach dem gattungsgemäßen Verfahren hergestellten Glasstab von dessen Längsmittenachse ausgehend bis in die Nähe des äußeren Umfangs dem idealen Gradientenindexprofil, dagegen weist sie im Umfangsbereich selbst eine trichterförmig nach außen gerichtete Abweichung auf, die nicht mehr der idealen in unterbrochenen Linien angedeuteten Brechungsindex-Verteilung entspricht. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der äußere Umfangsteil des Glasstabes der den großen Unterschied zwischen der tatsächlichen Brechungsindex-Verteilung und der idealen Brechungsindex-Verteilung verursacht, entfernt und zwar entweder durch spanende Bearbeitung oder chemische Behandlung, wie dies in Fig. 4 wiedergegeben ist. Der äußere Umfangsabschnitt des Glasstabes wird in einer Stärke von 30 µm und mehr abgeschnitten oder abgeschält, wobei der Glasstab einen Außendurchmesser von etwa 20 mm aufweist. Vorzugsweise sind wegen des Brechungsindexes von 1,458 des später aufzubringenden Quarzglaswerkstoffes 0,15% des äußeren Umfangsabschnitts abzunehmen, verglichen mit dem Brechungsindex von geschmolzenem Quarz, vorzugsweise weniger als 0,1% oder mehr als 0,03%.

Ist die Stärke des abgetragenen äußeren Umfangsabschnitts kleiner als der oben angeführte Wert, dann bleibt dem äußeren Umfangsabschnitt der große Unterschied zwischen der vorhandenen und der idealen Brechungsindex-Verteilung bestehen. Ist der abgetragene äußere Umfangsabschnitt jedoch stärker als der genannte Wert, dann entsteht dadurch eine große Differenz zwischen dem Brechungsindex der äußeren Umfangsschicht des abgetragenen Glasstabes und dem Brechungsindex der später aufgetragenen Quarzglas-Schutzschicht. Dies führt zu einer starken Diskontinuität in der Brechungsindex-Verteilung.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

Auf einem Glasstab mit einer Länge von 80 cm und einer Dicke von 50 mm sind mit der Vorrichtung nach Fig. 2 durch Flammhydrolyse Glaspartikel abgeschieden worden. Der bei diesem Verfahren verwendete Brenner hatte ein fünffach unterteiltes Brennerrohr (Fig. 5). Über die jeweiligen einzelnen Brennerrohröffnungen wurden vom Mittelrohr zu den Außenrohren hin Gasgemische aus SiCl₄ und GeCl₄ sowie SiCl₄- H₂-, Ar- und O₂-Gase zugeführt. Sodann wurde der derart behandelte Glasstab in einen Zylinderofen eingesetzt und durch diesen mit einer Geschwindigkeit von 200 mm/h bei einer Temperatur von 1500°C hindurchgeführt. In dem Ofen herrschte eine Helium-Atmosphäre, die 4% SOCl₂ enthielt. Anschließend wurde der äußere Umfangsabschnitt des Glasstabes gleichmäßig abgetragen und dabei seine Dicke um 50 µm verringert. Der Brechungsindex der äußeren Umfangsfläche des Glasstabes vergrößerte sich dabei um 0,08% gegenüber dem der Quarzschmelze. Dann wurde der äußere Umfang des Glasstabes durch Flammpolieren behandelt und schließlich ein Quarzglasschutzrohr über den Glasstab gezogen, erwärmt und dabei auf einen kleineren Durchmesser gebracht. Die auf diese Weise hergestellte Lichtleitfaservorform wurde in üblicher Weise zu einer Lichtleitfaser mit einem Außendurchmesser von 125 µm und einem Kerndurchmesser von 50 µm heiß versponnen. Diese Lichtleitfaser wies bei Licht eine Wellenlänge von 1,31 µm, einen Übertragungsverlust von 0,8 dB/km und eine Bandbreite von 6,7 GHzkm auf.

Zum Vergleich wurde mit Ausnahme des Abtragens 50 µm des äußeren Umfangsabschnitts des Glasstabes unter den gleichen Bedingungen eine andere Lichtleitfaser hergestellt. Diese wies mit einem Übertragungsverlust von 1,2 dB/km und einer Bandbreite von 0,8 GHzkm schlechtere optische Eigenschaften auf als die Lichtleitfaser, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte.

Ein nach dem vorstehenden erläuterten Verfahren hergestellter Glasstab wurde 40 min in konzentrierte Flußsäure getaucht, um den äußeren Umfangsabschnitt des Glasstabes aufzulösen und zu entfernen. Dabei wurde der äußere Umfangsabschnitt in einer Stärke von 40 µm abgenommen. Der Brechungsindex der so behandelten äußeren Umfangsfläche des Glasstabes vergrößerte sich dabei um 0,05% gegenüber dem der Quarzschmelze (1,458).

Anschließend wurde wie beim vorhergehenden Beispiel ein Quarz-Schutzrohr über den Glasstab gezogen und erwärmt mit der Folge, daß die hergestellte Lichtleitfaser einen Übertragungsverlust von 0,81 dB/km und eine Bandbreite von 4,3 GHzkm aufwies.

Noch vor dem Aufbringen des Quarzglas-Schutzrohres wurde der Glasstab zur Reinigung seiner äußeren Umfangsfläche 10 min in Flußsäure getaucht.

Zum Vergleich wurde ein unter den gleichen Bedingungen hergestellter Glasstab zur Reinigung der äußeren Umfangsfläche 10 min in konzentrierte Flußsäure getaucht. Vom äußeren Umfangsabschnitt dieses Glasstabes wurde dann Material einer Dicke von 10 µm aufgelöst und entfernt. Auf den so behandelten Glasstab wurde, wie schon beschrieben, ein Quarzglas-Schutzrohr gezogen und damit eine Lichtleitfaser geschaffen, die bei Licht einer Wellenlänge von 1,31 einen Übertragungsverlust von 0,98 dB/km und eine Bandbreite von 0,95 GHzkm aufwies, also schlechtere Werte als die einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Lichtleitfaser.

Wurde der äußere Umfangsabschnitt eines unter Anwendung des an erster Stelle beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellten Glasstabes bis zu einer Stärke von 0,17% abgetragen und aus der so hergestellten Vorform eine Lichtleitfaser hergestellte, dann wiesen die optischen Eigenschaften dieser Lichtleitfaser gegenüber jenen einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Lichtleitfaser bedeutend schlechtere Werte, nämlich bei Licht einer Wellenlänge von 1,31 µm, einen Übertragungsverlust von 0,83 dB/km und eine Bandbreite von 0,9 GHzkm auf.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaservorform, bei dem auf einem rotierenden zylindrischen Glasstab durch Flammhydrolyse Glaspartikel abgeschieden, dabei ein von der Stabmittenachse radial nach außen fallendes Gradientenindexprofil erzeugt, die Partikel verglast und der erhaltene transparente Glasstab mit einem Schutzrohr aus Quarzglas überfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des Quarzglas-Schutzmantels von dem äußeren Umfang des Niederschlages durch spanende Bearbeitung oder durch Ätzen eine Schicht, deren Stärke, in Abhängigkeit von der Brechungs-Index-Verteilung des Gradientenprofils zwischen 0,03 und 0,15% beträgt, abgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang des Glasstabes nach dessen spanender Bearbeitung bzw. nach dem Ätzen flammpoliert wird.