DE3443414A1

DE3443414A1 - Glasmaterial fuer optische fasern im infrarotbereich

Info

Publication number: DE3443414A1
Application number: DE19843443414
Authority: DE
Inventors: Toshio Hachioji Katsuyama; Hiroyoshi Saitama Matsumura; Shin Iruma Satoh
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1983-11-28
Filing date: 1984-11-28
Publication date: 1985-06-05
Also published as: GB2150928B; US4612294A; JPS60118651A; GB2150928A; GB8429504D0; JPH0420861B2

Description

Glasmaterial für optische Pasern im Infrarotbereich

Die Erfindung betrifft ein Chalcogenidglasmaterial für optische Fasern zur Übertragung von Infrarotstrahlen, insbesondere von Strahlen mit einer Wellenlänge von 10,6 μπι.

Optische Fasern sind bisher aus Materialien auf Silikatglas-bzw. Quarzglasgrundlage hergestellt worden. Silikatglas hat den Nachteil, Licht mit einer Wellenlänge bis zu ungefähr 2 um zu übertragen, jedoch Strahlen mit einer größeren Wellenlänge aufgrund der Gitterschwingung in erheblichem Umfange zu absorbieren. Daher können herkömmliche optische Fasern aus Silikatglas z. B. nicht einen Strahl mit einer Wellenlänge von 10,6 pm übertragen, welcher dem Strahl eines CC^-Laserstrahls entspricht, der in der Laserchirurgie oder beim Laserschweißen benutzt wird. Daher sind in der Vergangenheit in erheblichem Umfange Untersuchungen durchgeführt worden, nach einem Material, welches Strahlen mit einer Wellenlänge im Bereich von 2 um bis 2 0 um überträgt. Demzufolge wurde Chalcogenidglas als ■„ ieIversprechendes nützliches Material in diesem Wellenlängenbereich gefunden. Unter den Chalcogenidglassorten hat das Glas auf Selengrundlage seine Gitterschwingungsabsorption im langwelligen Bereich oberhalb von 20 um und kann daher den CC^- Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 10,6 μπι übertragen. Bei Prüfung der otpischen Absorptionseigenschaften eines Germanium (Ge)-Selen (Se)-Glases als typische Form eines

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Glases auf Selengrundlage stellt man fest, daß, wie in Fig.

1 gezeigt, eine starke Absorption bei einer Wellenlänge von 12,8 um aufgrund der Schwingung der Ge-O-Bindung, welche durch die Verunreinigung mit Sauerstoff gebildet wird, besteht. Der Ausläufer dieser Schwingungsabsorption er-

^ streckt sich bis zu einer Wellenlänge von 10,6 um. Aufgrund dieser Absorption wird die Temperatur des Ge-Se-Glases erhöht, was zu einem abrupten Absorptionsanstieg durch freie Elektronen führt. Demzufolge haben die optischen Fasern, welche aus einem solchen Glasmaterial bestehen, den wesentlichen Nachteil eines großen Absorptionsverlustes, so daß dieses Material in der Praxis nicht verwendet wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Chalcogenidglaszusammensetzung zu schaffen, welche die oben erwähnte Unzulänglichkeiten des herkömmlichen Chalcogenidglasmaterials wie z. B. Verunreinigungen, insbesondere eine Verunreinigung mit Sauerstoff vermeidet und welche bei der Herstellung verlustarmer optischer Fasern zur Übertragung von Infrarotstrahlen verwendet werden kann.

Dies wird bei optischen Fasern im Infrarotbereich erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Glasmaterial 2 ppm oder mehr und 100 ppm oder weniger mindestens eines Materials aus der Gruppe von Aluminium (Al), Gallium (Ga) und Indium (In) enthält, um den Absorptions verlust aufgrund der Ge-O-Bindung zu verringern, welche die Übertragungseigenschaften des CO₂-Laserstrahls bei 10,6 pm nachteilig beeinflußt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm der Lichtübertragungseigenschaften eines Ge(30 Mol-%)-Se(70 Mol-%) Chalcogenidglases,

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Fig. 2 ein Diagramm, in welchem der Unterschied des Lichtübertragungsgrades zwischen einem Chalcogenidglas mit Aluminium und ohne Aluminium

dargestellt ist, und
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Fig. 3 ein Diagramm, in welchem die Abhängigkeit der Absorption bei 10,8 um aufgrund der Schwingung der Ge-O-Bindung vom Aluminiumgehalt dargestellt ist.

^ Es wurden Untersuchungen durchgeführt in Bezug auf die Beziehung zwischen der Absorption aufgrund der Ge-O-Bindung in Ge-Se-Glas und der dem Glas zugefügten Menge an Al, Ga oder In. In Fig. 2 sind die z. B. für Aluminium erhaltenen Ergebnisse dargestellt. In der Glaszusammensetzung lag ein Molarverhältnis Ge:Se = 20:80 vor. In Fig. 2, in welcher die Beziehung zwischen dem Übertragungsgrad und der Wellenlänge dargestellt ist, bezieht sich die Kurve 1 auf Glas ohne Aluminium und die Kurve 2 auf Glas mit einem Aluminiumanteil von 10 ppm, wobei der maximale Übertragungsgrad aufgrund der Oberflächenreflektion ungefähr 70 % beträgt. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird die Absorption bei 12,8 um aufgrund der Schwinung der Ge-O-Bindung durch das Hinzufügen von Aluminium erheblich verringert. Diese Tatsache macht deutlich, daß ein Chalcogenidglas mit Aluminium wirksam zur Übertragung des CX^-Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 10,6 um mit minimalem Verlust eingesetzt werden kann.

In Fig. 3 sind die Ergebnisse der quantitativen Untersuchungen in Bezug auf die Beziehung zwischen der Absorption aufgrund der Schwingung der Ge-O-Bi.ldung und der der Glaszusammensetzung hinzugefügten Aluminiummenge dargestellt, wobei Ge:Se = 20:80 (Molverhältnis) ist. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, nimmt die Absorption mit steigendem Aluminiumgehalt des Chalcogenidglases bis zu einem Anteil von 2 ppm ab und bleibt dann konstant. Dies zeigt, daß ein Aluminiumanteil von 2 ppm oder mehr erforderlich ist, um die Absorption zu minimieren. Die untere Grenze an Alumi-

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''"" f" '" '" ^: 34434ΊΑ niumgehalt wurde daher auf 2 ppm festgelegt. Andererseits wurde feetgestel 1t, daß die Anwesenheit von mehr als ppm Aluminium eine nachteilige Wirkung auf die Glasherstellung aufgrund der Reaktion zwischen dem Aluminium und dem Silikatglas während der Glasherstellung ausübt. Der Bereich wirksamer Aluminiummengen liegt daher zwischen 2 und ppm. Dieser wirksame Bereich wurde als allgemein gültig für Gläser auf Selengrundlage gefunden (Ge-As-Se-Glas oder Ge-Sb-Se-Glas). Ungefähr der gleiche Bereich wurde für andere Metalle, z. B. Gallium und Indium gefunden.

Beispiel 1

Als Ausgangsmaterialien wurden Blockgermanium mit einem Reinheitsgrad von 99,99999999 % und Selen-Granalien mit einem Reinheitsgrad von 99,999 % verwendet. Diese Materialien wurden derart ausgewogen, daß sich ein Mole-Verhältnis von Ge:Se von 20:80 ergab, und mit 10 ppm Aluminium mit einem Reinheitsgrad von 99,999 % in einer Silikatglasampulle bei einem Vakuum von 10~⁵ Torr zusammengeschmolzen. Die abgedichtete Ampulle wurde in einem vibrierenden Elektroofen bei 800⁰C für 38 Stunden gerührt bzw. bewegt und dann luftgekühlt, um einen Glasblock von 100 g zu ergeben. Der resultierende Block wurde zu einem Stab von 10 mm Durchmesser χ 10 cm Länge verarbeitet mit Hilfe einer Schleifmaschine und der Stab wurde durch ein Werkzeug bzw. Ziehstein zu einer unplattierten optischen Faser von 1 mm Durchmesser χ 5 m Länge gezogen. Als Lichtübertragungsverlust bei einer Wellenlänge von 10,6 um wurde ein Wert von 3 dB/m festgestellt, was eine erhebliche Verringerung des Verlustes im Gegensatz zu 10 dB/m des aluminiumfreien Bezugsglases anzeigt.

Beispiel 2

Es wurde eine optische Faser in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 hergestellt unter Verwendung der gleichen Ge-Se-

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Zusammensetzung, ausgenommen, daß anstelle von Aluminium ppm Gallium hinzugefügt wurde. Die resultierende optische Faser zeigte bei 10,6 pm einen Übertragungsverlust von 4 dB/m, was eine erhebliche Verringerung des Verlustes im Vergleich zu 10 dB/m des galliumfreien Bezugsglases anzeigt.

Beispiel 3

Es wurde eine optische Faser in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 unter Verwendung der gleichen Ge-Se-Glaszusammensetzung hergestellt, ausgenommen, daß anstelle von Aluminium 30 ppm Indium hinzugefügt wurde. Die resultierende optische Faser zeigte bei 10,6 um einen Übertragungsverlust von 3,5 dB/m, was eine erhebliche Verringerung des Verlustes im Vergleich zu 10 db/m des indiumfreien Bezugsglases anzeigt.

Wie aus den obigen Beispielen hervorgeht, zeigt das erfindungsgemäße Glasmaterial für optische Fasern für Infrarotstrahlen, welches ein Chalcogenidglas auf Selengrundlage mit 2 bis 100 ppm Aluminium, Gallium und/oder Indium ist, eine erhebliche Verringerung in der Verschlechterung der Lichtübertragungseigenschaften, welche durch die Verunreinigung mit Sauerstoff erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung ist in großem Umfange an das optische Energie verwendende technische Gebiet anpassbar wie z. B. Laserbearbeitung oder Laserchirurgie, wodurch in erheblichem Umfang zur Verbesserung dieser Techniken beigetragen wird.

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Claims

Patentansprüche

Glasmaterial für optische Fasern im Infrarotbereich, gekennzeichnet durch ein Chalcogenidglas auf Selengrundlage mit 2 ppm bis 100 ppm mindestens eines Materials aus der Gruppe Aluminium, Gallium und Indium.
2.

Glasmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Chalcogenidglases auf Selengrundlage Selen und Germanium enthält.
3.

Glasmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Chalcogenidglases auf Selengrundlage Germanium, Arsen und Selen enthält.
4.

Glasmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Chalcogenidglases auf Selengrundlage Germanium, Antimon und Selen enthält.
5.

Glasmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinheitsgrad von Aluminium,

Gallium oder Indium gleich oder größer als 99,999 % ist.

Glasmaterial nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinheitsgrad von Germanium und Selen gleich oder größer als 99,999 % ist.

Glasmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinheitsgrad von Arsen gleich oder größer als 99,999 %

Glasmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinheitsgrad von Antimon gleich oder größer als 99,999 % ist.

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