DE3720029A1 - Verfahren zur herstellung von lichtleitfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern, bei dem auf der Innenwandung eines auf eine Temperatur zwischen 1100 und 1300°C erwärmten Glas­ rohrs und zugleich auf einem Glasstab, der im Inneren des Glasrohrs angeordnet ist, schichtweise Glas abgeschieden wird, indem ein reaktives Gasgemisch bei einem Druck zwischen 1 und 30 hPa durch das Glasrohr geleitet wird, während im Inneren des Glasrohrs ein Plasma zwischen zwei Umkehrpunkten hubweise hin- und herbewegt wird, wonach das Glasrohr, nachdem eine dem beabsichtigten Lichtleitfaser­ aufbau entsprechende Menge Glas abgeschieden worden ist, zum Kollabieren gebracht wird, um eine massive Vorform zu bilden, von der Lichtleitfasern gezogen werden.

Unter einem Glasrohr und einem Glasstab sind in diesem Zusammenhang ein Substratrohr oder Beschichtungsrohr und ein Stab zu verstehen, die entweder aus synthetisch herge­ stelltem oder aus aus Quarzkristallen durch Schmelzen hergestelltem amorphem Quarz (Schmelzkieselsäure, Quarz­ glas), der gegebenenfalls dotiert ist, bestehen, oder die sowohl aus synthetisch hergestelltem als auch aus aus Quarzkristallen durch Schmelzen hergestelltem amorphem Quarz (Schmelzkieselsäure, Quarzglas), der gegebenenfalls dotiert ist, bestehen. Das abgeschiedene Glas besteht aus synthetisch hergestelltem amorphem Quarz, der gegebenen­ falls dotiert ist.

Die Herstellung von Lichtleitfasern bzw. optischen Wellen­ leitern nach dem zuvor angegebenen Verfahren ist u.a. aus den US-PS Re 30 635 und 43 14 833 bekannt, wobei die Ver­ fahrensabwandlung, bei der die Glasabscheidung zugleich auf einem Glasstab erfolgt, der im Inneren des Glasrohrs angeordnet ist, aus der US-PS Re 30 635 bekannt ist. Die Herstellungsweise ohne diese Verfahrensabwandlung wird in der Praxis als "nichtisothermes Plasma-CVD-Verfahren" (nichtisothermes PCVD-Verfahren, wobei P = Plasma und CVD = Chemical Vapour Deposition = reaktive Abscheidung aus der Gasphase) bezeichnet. Bei diesem Verfahren werden aus der Gasphase Glasschichten direkt auf der Innenwandung des Glasrohrs abgeschieden (heterogene Reaktion). Hierbei wird die Bildung von Glasruß in der Gasphase vermieden; dies ist insbesondere in der US-PS 43 14 833 näher beschrieben.

Mit dem PCVD-Verfahren sind sowohl Gradientenindexfasern als auch Stufenindexfasern oder Fasern mit einem anderen Brechungsindexprofil herstellbar, wobei dem jeweiligen Faseraufbau entsprechende Mengen Glas abgeschieden werden.

Bei vielen Anwednungen von Lichtleitfasern, z.B. für die Verfahrensregelung, Meßtechnik, Datenübertragung, lokale Breitbandkommunikation und optische Signalsysteme, ist eine große numerische Apertur und ein großer Kern der Faser erwünscht, um große Lichtintensitäten übertragen zu können und um leicht und effektiv Licht in die Faser ein­ koppeln zu können. Bei relativ kurzen Übertragungsstrecken von unter einem Meter bis zu einigen hundert Metern kann dabei auf die extrem niedrigen Dämpfungswerte verzichtet werden, wie sie z.B. bei Lichtleitfasern für die optische Telekommunikation erforderlich sind. Für Lichtleitfasern mit großer numerischer Apertur wird ein lichtführender Kern mit einem Durchmesser von beispielsweise 80 bis 200 µm benötigt. Der Kern ist von einem Mantel umgeben, dessen Dicke mit 5 bis 10 µm sehr gering gewählt werden kann und dessen Brechungsindex niedriger ist als der des Kerns. Üblicherweise besteht der Mantel von Fasern mit großem Kern und hoher numerischer Apertur aus Kunst­ stoff oder aus Quarz mit einem Dotierungsmittel wie Fluor, das den Brechungsindex von SiO₂ erniedrigt. Beide Faser­ typen sind bekannt und auf dem Markt erhältlich, z.B. von der Firma Quartz & Silice Deutschland GmbH (Prospekte Fibropsil® Series QSF-W und QSF-AS-W). Die Lichtleit­ fasern werden so hergestellt, daß eine Quarzfaser als Kern mit einem Silikonharz als optischem Mantel beschichtet wird, oder daß ein Quarzstab mit Hilfe eines Hochdruck­ plasmas mit fluordotiertem Quarz außenbeschichtet wird, über den ein Quarz-Hüllrohr geschoben wird, woraus dann die Lichtleitfaser gezogen wird. Bei diesen Verfahren ist eine Verunreinigung mit Wasser und anderen Stoffen nur schwer zu vermeiden, was bei den Fasern zu hohen Dämpfun­ gen führt. Die Dämpfung wird verfahrensbedingt überwiegend am Ubergang vom Kern zum Mantel und durch Fehler im Mantel hervorgerufen. Letzteres gilt insbesondere für den opti­ schen Mantel aus Siliconharz.

Vom PCVD-Verfahren ist bekannt, daß sehr niedrige Dämpfun­ gen erreicht werden können. Allerdings wachsen die Her­ stellungskosten bei diesem Verfahren mit der Menge des je Faserkilometer abzuscheidenden Glases an. Deshalb war es bisher nicht möglich, Fasern mit großem Kern und hoher numerischer Apertur besonders kostengünstig mit dem PCVD-Verfahren herzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Einsatz des PCVD-Verfah­ rens zur Herstellung von Lichtleitfasern mit großem Kern­ radius und großer numerischer Apertur wesentlich zu ver­ billigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art als Glasstab ein solcher mit kreisförmigem Querschnitt gewählt wird, daß der Glasstab derart angeordnet wird, daß seine Längs­ achse mit der Längsachse des Glasrohrs zusammenfällt, und daß das Glasrohr mit dem darin angeordneten Glasstab zum Kollabieren gebracht wird.

Die Möglichkeit, im Substratrohr mit Hilfe eines Mikro­ wellenresonators ein Niederdruckplasma zu erzeugen, wird durch die Anwesenheit eines Glasstabs im Rohr nicht beein­ trächtigt. Vielmehr findet eine Abscheidung von dotiertem oder undotiertem Quarzglas sowohl auf der Innenwand des Substratrohrs als auch auf dem Umfang des Stabes statt, der sich im Inneren des Rohres befindet.

Um die Abscheidung zu bewerkstelligen, wird ein reaktives Gasgemisch aus O₂, SiCl₄ und gasförmigen Dotierungsmitteln wie z.B. GeCl₄ oder C₂F₆ bei einem Druck zwischen 500 und 2500 Pa durch die Rohr-Stab-Kombination geleitet, während im glasfreien Innenraum zwischen dem Rohr und dem Stab ein Plasma zwischen zwei Umkehrpunkten periodisch hin und her bewegt wird. Die Rohr-Stab-Kombination wird während der Beschichtung auf eine Temperatur zwischen 1300 und 1600 K erhitzt.

Nachdem auf diese Art schichtweise Glas entsprechend dem beabsichtigten Lichtleitfaseraufbau abgeschieden worden ist, wird die Rohr-Stab-Kombination zu einer massiven Vor­ form kollabiert, von der eine Lichtleitfaser gezogen wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Fasern mit jedem gewünschten Verlauf des Brechungsindex entsprechend dem Verlauf beim eingesetzten Stab herstellbar, z.B. Gra­ dientenindex- und Stufenindexfasern mit radialsymme­ trischen Brechungsindexprofilen oder mit Profilen, die eine vorgegebene Winkelabhängigkeit des Brechungsindex besitzen.

Bei der Beschichtung wird auf der Innenwandung des Substratrohrs und auf dem Stab Glas mit einem Brechungs­ index abgeschieden, der geringer ist als der des Stabes. Das Glas des Stabes dient also als lichtführender Kern der Faser und das abgeschiedene Glas als optischer Mantel. Aus diesem Grunde sind vorzugsweise Stäbe aus einem Glas zu verwenden, die eine möglichst geringe optische Dämpfung aufweisen, d.h. Stäbe aus möglichst wasser- und verun­ reinigungsarmen Gläsern. Dabei kommen insbesondere sowohl undotierte als auch dotierte Quarzstäbe in Frage. Für das abzuscheidende Mantelglas kommt vorzugsweise fluordotier­ tes SiO₂ in Betracht mit Dotierungskonzentrationen von beispielsweise 0,5 bis 5,0 mol% Fluor, um eine Erniedri­ gung des Brechungsindex zwischen 0,2 und 1,2% gegenüber reinem SiO₂-Glas zu bewirken.

Für Lichtleitfasern mit großem Kerndurchmesser und großer numerischer Apertur werden folgende radiale Faserabmessun­ gen bevorzugt:

Faserdurchmesser:125 µm bis 270 µm Dicke des optischen Mantels:  5 µm bis 10 µm Kerndurchmesser: 80 µm bis 200 µm

Wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Substratrohre mit 12 bis 28 mm Innendurchmesser und 1,0 bis 2,0 mm Wand­ stärke verwendet werden, so sind je nach gewünschter Fasergeometrie Stabdurchmesser zwischen 8 mm und 24 mm auszuwählen.

Mit Hilfe des Rohr/Stab-Verfahrens können Vorformen mit im Vergleich zum Stand der Technik großer Geschwindigkeit hergestellt werden: je nach den gewünschten Faser-/ Mantel-/Kerndurchmessern ergibt sich eine effektive Abscheideeffizienz, die, bezogen auf eine Abscheide­ geschwindigkeit von 1g/Minute einer Faserproduktionsrate zwischen 70 m/Minute und 350 m/Minute entspricht. Das bedeutet eine Wirkungsgraderhöhung um einen Faktor 3 bis 11 gegenüber Verfahren ohne Stab, bei denen auch das Kern­ material abgeschieden wird. Die Effizienzerhöhung ist natürlich umso größer, je größer das Kern- zu Mantel­ durchmesserverhältnis der Faser gewählt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Brechungsindex­ profil einer Lichtleitfaser.

Im Ausführungsbeispiel wurden mit dem PCVD-Verfahren Vor­ formen mit einem Stufenindexprofil hergestellt. Die Resonatorgeschwindigkeit betrug 12 cm/s auf einer Hublänge von 80 cm. An den Endpunkten wurde der Resonator über eine Länge von etwa 1 cm auf die Geschwindigkeit Null verzögert und in umgekehrter Richtung wieder auf 12 cm/s beschleu­ nigt. Das Verhältnis des O₂-Flusses zum Chloridfluß (SiCl₄ und GeCl4) betrug 5:1. Der Druck während der Abscheidung wurde auf 1800 Pa geregelt und die Substrattemperatur betrug 1500 K. Die Vorformen wurden nach der Abscheidung kollabiert und bezüglich der Geometrie des abgeschiedenen Materials und der Brechungsindexdifferenz zwischen dem abgeschiedenen Material und dem SiO₂-Substratrohr ver­ messen.

Die PVCD-Abscheidung wurde bei einem totalen Fluß von 1100 sccm, einer Mikrowellenleistung von 800 W und einer Abscheiderate von 0,5 g/Minute mit einem Substratrohr von 15 mm Innendurchmesser und einem undotierten Quarzstab von 9 mm Durchmesser durchgeführt. Dabei bedeutet sccm Kubik­ zentimeter pro Minute, bezogen auf Standardbedingungen (273 K, 1013 hPa). Der SiCl₄-Fluß betrug 187 sccm und als Dotierungsmittel wurde C₂F₆ zugegeben. Die Abscheidezeit betrug 58 Minuten.

Nach dem Kollabieren entstand eine Vorform mit einem Durchmesser von 14 mm und einer Dicke des F-dotierten optischen Mantels von 0,56 mm. Die Vermessung der Vorform mit dem PlOl-Vorformanalysator (Firma York Technology) lieferte das in der Fig. dargestellte Brechungsindex­ profil, wobei r = Radius in mm und Δn = Differenz zwischen dem Brechungsindex der Vorform und 1,458 (Brechungsindex von Quarz). Der Brechungsindex des abge­ schiedenen F-dotierten SiD₂-Glases ist um etwa 0,015 niedriger als der Brechungsindex des Stabes und des Substratrohrglases. An den Grenzflächen zwischen Stab und Beschichtung und zwischen Substratrohrglas und Beschich­ tung traten keine störenden Einflüsse auf (wie z.B. Blasenbildung).

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern, bei dem auf der Innenwandung eines auf eine Temperatur zwischen 1100 und 1300°C erwärmten Glasrohrs und zugleich auf einem Glasstab, der im Inneren des Glasrohrs angeord­ net ist, schichtweise Glas abgeschieden wird, indem ein reaktives Gasgemisch bei einem Druck zwischen 1 und 30 hPa durch das Glasrohr geleitet wird, während im Inneren des Glasrohrs ein Plasma zwischen zwei Umkehrpunkten hubweise hin- und herbewegt wird, wonach das Glasrohr, nachdem eine dem beabsichtigten Lichtleitfaseraufbau entsprechende Menge Glas abgeschieden worden ist, zum Kollabieren gebracht wird, um eine massive Vorform zu bilden, von der Lichtleitfasern gezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Glasstab ein solcher mit kreisförmigem Querschnitt gewählt wird, daß der Glasstab derart angeordnet wird, daß seine Längsachse mit der Längsachse des Glasrohrs zusammenfällt, und daß das Glas­ rohr mit dem darin angeordneten Glasstab zum Kollabieren gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Glasstab ein solcher mit einem Verlauf des Brechungsindex, der dem gewünschten Verlauf des Brechungsindex in der Lichtleitfaser ent­ spricht, gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas in einer Zusammen­ setzung, die der des gewünschten optischen Mantels ent­ spricht, abgeschieden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß fluordotiertes Glas abge­ schieden wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Glas mit Dotierungskonzentra­ tionen von 0,5 bis 5,0 mol% Fluor abgeschieden wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Glasrohr ein solches mit einem Innendurchmesser von 12 bis 28 mm und einer Wand­ stärke von 1,0 bis 2,0 mm und als Glasstab ein solcher mit einem Durchmesser von 8 bis 24 mm gewählt werden.