DE3784476T2

DE3784476T2 - Optische faserdurchfuehrung.

Info

Publication number: DE3784476T2
Application number: DE19873784476
Authority: DE
Inventors: Kathleen Sue Abbott; Michael John Hodgson; Brian Michael Macdonald; David Robert Smith
Original assignee: BT&D Technologies Ltd
Current assignee: BT&D Technologies Ltd
Priority date: 1986-12-05
Filing date: 1987-12-03
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2007-12-04
Also published as: DE3784476D1; JPH01502138A; ES2039461T3; EP0274222A1; EP0274222B1; WO1988004437A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft die Durchführung optischer Fasern und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, die Durchführung in Gerätpackungen.

Beschreibung des Standes der Technik

Gerätpackungen, die ein optisches oder optoelektronisches Bauteil enthalten, haben eine Öffnung für die Durchführung der optischen Fasern, die Licht zu oder von der Packung leiten. Es war übliche Praxis, den Verbindungsteil der Fasern in einer Metallhülle zu hatten und die Hülle dann in der Öffnung zu montieren, wobei die Fasern in der Hülle durch ein Metallot oder Epoxyharz gehalten werden.
Wenn eine Faser in die Hülle einzulöten ist, muß man die Faser metallisieren, so daß das Metallot an der Faser haftet, und das zusätzliche Hantieren der empfindlichen Faser während des Metallisierungsverfahrens kann Schaden besonders am Ende der Faser verursachen, das manchmal bereits mit einer Linse versehen ist. Das Linsenbildungsverfahren kann nach der Metallisierung nicht leicht durchgeführt werden, weil die Nähe einer Metalloberfläche dazu neigt, die allgemein angewandte Bogenentladungstechnik zu stören. Auch kann Metallot kriechen, und dies kann zum Verlust der Ausrichtung der Faser zum optischen oder optoelektronischen Gerät führen, und im Laufe der Zeit kann es sogar ausreichend kriechen, um einen Verlust der hermetischen Abdichtung zwischen der Faser und der Hülle zu verursachen.
Andererseits gibt es, wenn das Epoxyharz zum Halten der optischen Fasern in ihrer Lage verwendet wird, eine langsame Entweichung von Gasen aus dem Harz (sogar nach Wärmebehandlung) und die Gase, die abgegeben werden, können für Bauteile innerhalb der Packung nachteilig sein. Ein weiteres Problem, das man sowohl mit Metallot als auch mit Epoxyharz antrifft, ist, daß die Faser nicht konzentrisch mit der Hülle sein kann und daher die genaue Lage der Faser nicht bekannt sein kann, so daß es, nachdem die Hülle einmal ausgerichtet ist, erforderlich ist, Kompensationsjustierungen vorzunehmen, um die Ausrichtung der optischen Faser zum opto-elektronischen oder optischen Bauteile in der Packung zu sichern.
JP-A-57-58371 offenbart eine Anordnung, bei der eine optische Faser hermetisch in einer zylindrischen Hülle abgedichtet wird, wobei die zylindrische Hülle aus einem Metallrohr, wie z. B. Kovar usw., besteht, das durch optisch transparentes Material, wie z. B. Weichglas usw., an einem Ende abgedichtet wird, das in das Innere einer Packung eingeführt wird, und das Rohr und die Packung durch Bleilötglas usw. abgedichtet werden.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf das Vorsehen einer solchen hermetischen Dichtung zwischen einer optischen Faser und einer Durchführungshülle unter Verwendung von Glaslötmasse.

Zusammenfassung der Erfindung

Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung eine optische Faserdurchführung vor, welche eine metallische Hülle, eine optische Faser in der Hülle und eine Glasdichtung zwischen der optischen Faser und der Hülle aufweist, wobei eine Faser/Glas-Abdichtgrenzfläche an der Faseroberfläche und eine Glas/Metall-Abdichtgrenzfläche an der inneren Oberfläche der Hülle gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Materialien und Dimensionen der Glasdichtung und der metallischen Hülle so ausgewählt sind, daß sie vorbestimmte thermische Ausdehnungseigenschaften haben, damit nach einer Erwärmung der Anordnung auf eine vorbestimmte Temperatur und folgendem Abkühlen zum Ausbilden der Abdichtgrenzflächen jegliche Restspannungen in der Glasdichtung in der radialen, der Umfangs- und axialen Richtung zum größten Teil kompressiv sind, wodurch die Neigung der Glasdichtung zur Rißausbreitung begrenzt wird.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Abdichten optischer Fasern in einer Durchführung vor, das das Durchfädeln einer optischen Faser durch eine Hülle, Anordnen einer ausreichenden Menge von Glaslötmasse mit einer tieferen Glasübergangstemperatur als die Faser an zumindest einem Abschnitt der Hülle und das Erwärmen der Glaslötmasse aufweist, so daß sie eine Glasdichtung bildet, welche eine Glas/Faser-Abdichtgrenzfläche an der Faseroberfläche und eine Glas/Metall-Grenzfläche an der Oberfläche der Hülle hat, dadurch gekennzeichnet, daß
die Materialien und Abmessungen der Glasdichtung und metallischen Hülle so ausgewählt werden, daß sie vorbestimmte thermische Ausdehnungseigenschaften haben, damit nach einer Erwärmung der Anordnung auf eine vorbestimmte Temperatur und nachfolgendem Abkühlen zum Ausbilden der Abdichtgrenzflächen jegliche Restspannungen in der Glasdichtung in der radialen, Umfangs- und axialen Richtung größtenteils kompressiv sind, wodurch die Neigung der Glasdichtung zur Ausbreitung von Rissen begrenzt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Fig. 3 eine Abänderung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 zeigt;
und die
Fig. 4 und 5 das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 vor bzw. während des Erwärmens zeigen;
Fig. 6 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Wärmeleitungsbauteils zeigt.

Nähere Beschreibung der Erfindung

Gemäß Fig. 1 weist eine allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnete Durchführungsanordnung eine äußere metallische Hülle 1 auf, durch die eine optische Faser 2 aus Kieselerdeglas gefädelt ist. Die innere Oberfläche der Hülle 1 ist mit ,wenigstens einem Einwärtsvorsprung nahe einem Ende der Hülle versehen, der die Hülle einschnürt und der zweckmäßig durch Vertiefen der Hülle 1 von außen durch Eindrücken einer Spitze in die Hüllenwand zur Bildung einer Verformung ausgebildet werden kann. In der Zeichnung ist ein Paar von Vertiefungen 3 dargestellt. Die Faser 2 wird durch die Hülle 1 so eingefädelt, daß ihr Ende eine geringe Strecke jenseits des vertieften Endes der Hülle vorragt. Vor dem Einführen in die Hülle 1 werden von der Faser 2 jegliche Schutzüberzüge abgestreift, und das Ende kann, wenn erwünscht, zu einer Linse geformt werden. Die Hülle 1 wird dann über die Faser 2 geschoben, so daß eine kurze Länge eines inneren Schutzüberzugs, beispielsweise etwa 3 mm, in die Hülle 1 an dem von den Vertiefungen 3 entfernten Ende hineinreicht. Alternativ kann die Hülle 1 zunächst über der Faser 2 angebracht und vom Ende der Faser weggeschoben werden, wobei die Faser dann abgestreift und in ihre Endform gebracht wird und die Hülle 1 zurückgeschoben wird, um die in der Zeichnung veranschaulichte Lage anzunehmen.
Ein Abstandshalter 4, der aus einem ringförmigen Bauteil aus Messing, Kieselerdeglas oder anderem geeignetem Material besteht, wird auf die abgestreifte Faser 2 aufgefädelt und liegt an den Vertiefungen 3 zur gewollten Positionierung an, und angrenzend an den Abstandshalter 4 wird eine Vorform 5 aus Glaslötmasse ebenfalls auf der Faser 2 angeordnet. Während einer folgenden Wärmebehandlung wird die Glaslötmasse auf ihre Fließtemperatur erhitzt, so daß sie eine Dichtung zwischen der Faser 2 und der Hülle 1 bildet. In den in der Zeichnung veranschaulichten Lagen ergibt die Glaslötmasse auch eine Dichtung zum Abstandshalter 4 oder wenigstens eine Sperre des Abstandshalters. Jedoch ist es auch möglich, eine Dichtung ohne Verwendung eines Abstandshalters oder mit umgekehrten Lagen des Abstandshalters und der Vorform zu bilden. Im letzteren Fall kann, wenn der Abstandshalter 4 aus einem Material besteht, an dem die Glaslötmasse nicht haftet oder das beispielsweise mit Graphit überzogen ist, der Abstandshalter nach der Wärmebehandlung entfernt werden.
Wenn die Vorform 5 nahe den Vertiefungen 3 positioniert wird, bewirken die Vertiefungen eine Lageeinstellung der Vorform 5 und neigen auch dazu, die Glaslötmasse am Endbereich der Hülle 1 zu halten, wenn sie während der Erhitzung fließt. Es versteht sich, daß, während beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Vertiefungen 3 verwendet werden, um die Lage des Abstandshalters (oder der Vorform) festzulegen, auch andere Anordnungen verwendet werden können, um diese Bauteile zu positionieren. Die Verwendung eines Abstandshalters 4 sichert, daß die Faser 2 in einer festen räumlichen Anordnung innerhalb der Hülle 1 während des Fließstadiums der Glaslötmasse gehalten wird. Der Abstandshalter 4 dient also zur radialen Zentrierung der Faser 2 bezüglich des Innendurchmessers der Hülle 1 während des Fließstadiums der Lötmasse. In dieser Hinsicht ist es die Lage des Endes der Faser, die am wichtigsten ist, und daher kann es vorteilhaft sein, daß der Abstandshalter unmittelbar angrenzend an das Faserende ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein äußeres Wärmeleitungsbauteil 14 (Fig. 5) verwendet werden, wie hier noch später beschrieben wird.
Verschiedene Arten von Glas können für die Glaslötmasse verwendet werden. Allgemein ist es erwünscht, das Fließen bei einer der niedrigeren möglichen Temperaturen zu erreichen, um eine Faserversprödung zu vermeiden und, weil es andere Bestandteile (einschließlich Acrylüberzüge weiter längs der Faser) gibt, die keine hohen Temperaturen aushalten können. Um den Wärmeübergang längs der Faser und der Hülle zu minimieren, wird die Hülle vorzugsweise im Kontakt mit einem Kühlbauteil gehalten. Eine Glaslötmassevorform mit einer Fließtemperatur (d. h. Glasübergangstemperatur TG) im Bereich von 400ºC-480ºC wird zur Verwendung bei der Erfindung bevorzugt. Ein Fließen kann bei niedrigeren Temperaturen mit einigen Gläsern erreicht werden, doch wird die für ein ausreichendes Fließen benötigte Zeit länger.
Die Wärmebehandlung für die Glaslötmasse besteht vorzugsweise im Erhitzen der in einer aufrechten Stellung gehaltenen Hülle 1, bis die Glaslötmasse in Dichtungskontakt mit der Faser und der Hülle fließt. Die Hülle muß nicht aufrecht gehalten werden, doch wird dies allgemein bevorzugt, um eine gleichmäßige Dichtung zu bilden. Man kann sich vorstellen, daß Glaslötmasse in die Hülle in einer anderen Form als einer Vorform eingeführt werden könnte, besonders wenn ein innerer Abstandshalter verwendet wird, da dieser auch eine Sperre innerhalb des Rohres bildet.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Abstandshalter durch ein äußeres Zentrierorgan ersetzt, und die Hülle wird abgeändert, um Abschnitte unterschiedlicher Durchmesser zu haben, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Ein detailliertes praktisches Zusammenbauverfahren einer Durchführung unter Verwendung eines äußeren Zentrierorgans wird nun anhand der Fig. 2 bis 5 beschrieben, wobei die Fig. 2 und 3 vollendete Abdichtungen zeigen und die Fig. 4 und 5 den Aufbau vor und während der Erhitzung zeigen.
Eine Länge einer Einzel- oder Vieltypfaser 2, die für die Durchführung zu verwenden ist, wird in mehreren Schritten vor der Bildung der gewünschten Abdichtung verarbeitet. Die Faser 2 kann zum Beispiel eine "9/125"-Einzeltypfaser sein, wobei die "9" den Durchmesser in um des reinen Glaskerns zur Übertragung von Licht angibt und die "125" den Durchmesser, ebenfalls in um, einer daran angrenzenden Plattierung zur Reflexion des Lichts angibt, das durch den Kern übertragen wird. Dieser Fasertyp hat auch einen inneren Silikon- oder Acrylatdämpfer über der Plattierungsschicht, der seinerseits mit einem äußeren Dämpfer aus Nylon oder Hytrel (Warenzeichen)-Polyesterelastomer überzogen ist. Der erste Verfahrensschritt ist, die äußere und innere Dämpferschicht abzustreifen, um eine bloße optische Faser mit ihrer Reflexionsplattierung freizulegen.
Diese bloße optische Faser wird in Trichlorethylen gereinigt und dann in einem elektrischen Entladungsbogen angeordnet und in einer gesteuerten Weise gezogen, um ein einstückiges linsenförmiges Ende zu bilden. Die mit Linse versehene optische Faser wird dann mit Methanol gereinigt und in der freien Atmosphäre trocknen gelassen.
Die metallische Hülle 1 ist mit zwei Innendurchmessern ausgebildet, nämlich einem weitem Durchmesserende 9, das weit genug ist, um über den äußeren Dämpfer der optischen Faser 2 geschoben zu werden, und einem engeren Innendurchmesserende 10, das mit innerhalb 25 um des Außendurchmessers der Vorform 5 ausgebildet ist, die im wesentlichen eine kurze Länge einer Kapillare ist. Die metallische Hülle 1 hat eine Ringwulst oder mehrere abschnittsweise Vertiefungen 3, die einstückig auf der Innenseite des kleinen Durchmesserteils der Hülle gebildet sind, auf der ein Ende der Glaskapillarenvorform 5 angeordnet ist. Vor dem Einführen der Faser und der Vorform wird die Hülle einige Minuten in Trichlorethylen gereinigt, durch Ultraschall zwei Minuten in seifigem Wasser bei 37ºC gereinigt, in entionisiertem Wasser gespült, in Methanol endgereinigt und mit Stickstoff trockengeblasen.
Die Glasvorformkapillare 5 besteht aus Bleiborat-Lotglas. Der Innendurchmesser der Kapillare wird innerhalb 25 um über dem Außendurchmesser der bloßen optischen Faser gebildet. Die Kapillare wird zur Entfernung von Paraffin poliert, einer Restverunreinigung, die auf der Kapillare während des Glassägevorgangs abgeschieden wird, der zum Schneiden der Kapillare auf die gewünschte Länge angewandt wird, und wird dann mit Methanol gereinigt und mit Stickstoff trockengeblasen.
Die Abwesenheit fremder Verunreinigungen ist für die Herstellung der Abdichtung wichtig. Wenn irgendwelche organischen Stoffe anwesend sind, die eine Phasenänderung bei erhöhten Temperaturen während der Abdichtung durchlaufen könnten, wie das erwähnte Paraffin, könnte das im Glaskapillarenmaterial vorhandene Blei reduziert und zur Ausscheidung gebracht werden und die Bildung einer annehmbaren Dichtung verhindern.
Das linsenförmige Ende der bloßen optischen Faser wird in das Weitdurchmesserende 9 der metallischen Hülle 1 eingeführt, bis die Linse 0,020 inches vom Kleindurchmesserende 10 der Hülle vorragt. Das Weitdurchmesserende der Hülle wird dann bei 13 zum äußeren Dämpfer der optischen Faser durch Verformung der Hülle in Umfangsrichtung gekröpft. Dies legt die axiale Beziehung der metallischen Hülle 1 und der bloßen optischen Faser 2 fest. Dann wird die Glaskapillare 5 über die optische Faserlinse und in die metallische Hülle 1 geschoben, bis sie an den Vertiefungen 3 anliegt. Vor der Erhitzung wird ein axial erstreckter Positionierungskragen - oder - Randteil 22 eines Wärmeleitungsbauteils 14 über das verringerte Durchmesserende 10 der Faserdurchführungsanordnung 100 eingefügt. Wie hier noch erläutert wird, dient das Wärmeleitungsbauteil 14 zum Vorsehen einer gleichmäßigen Heizung der Glasvorform 5. Außerdem kann, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, das Wärmeleitungsbauteil 14 mit einem geschlossenen Ende 24 daran ausgebildet werden. Die Innenoberfläche 26 des geschlossenen Endes 24 kann mit einer Zentriervertiefung 28 versehen werden, die zur Aufnahme des vorragenden linsenförmigen Endes der Faser 2 geeignet ist. Ein ringförmiger Ring 30 ragt axial von der Innenoberfläche des geschlossenen Ende 24 des Bauteils 14 vor.
Der Ring 33 liegt an der Innenoberfläche des verringerten Durchmesserendes 10 der Hülle 1 an, wobei der Randteil 22 die Außenoberfläche desselben Endes der Hülle 1 umgibt. Das Wärmeleitungsbauteil 14 kann dazu dienen, die Faser radial bezüglich des Innendurchmessers der metallischen Hülle 1 zu zentrieren. Es versteht sich jedoch, daß der Ring 30 weggelassen werden kann, in welchem Fall der Randteil 22, der gegen die äußere Oberfläche der Hülle 1 anliegt, dazu dient, die Faser 2 bezüglich der äußeren Oberfläche zu zentrieren.
Fig. 5 veranschaulicht die optische Faserdurchführungsanordnung 100, wie sie während des Erhitzungsvorgangs der Glaskapillare aussehen würde. Die Vertiefung 28 des geschlossenen Endes des Bauteils 14 kann mit einer feuchten Graphitbeschichtung 15 geschmiert werden, um zu verhindern, daß die erweichte Glaskapillare sie während des Erhitzungszyklus benetzt. Sie wird dann vorsichtig über die Linse und auf die metallische Hülle 1 geschoben, um die Linse relativ zur Mittelachse der metallischen Hülle 1 zu zentrieren, wobei die zentrierende Wulst in dieser Lage bleibt, bis die Glaskapillare nach dem Erhitzungsvorgang abgekühlt und erhärtet ist.
Die Zentrierwulst besteht aus Kovar, das einen verhältnismäßig niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizient hat, und die Hülle dehnt sich, wenn die optische Faserdurchführungsanordnung erhitzt wird, mehr als die Kovarwulst aus und führt zu einer dichten Passung zwischen der Hülle und der Wulst. Dies fördert den Zentriervorgang durch Verringerung des Spalteffekts zwischen der Zentrierwulst und der metallischen Hülle.
Der Ofen besteht aus einem keramischen Rohr 16 und hat ein elektrisches Heizelement 17 in der Form eines Nichrome R - Widerstandsdrahtes.
Die Hauptfunktion des Wärmeleitungsbauteils 14 ist es, die Wärme gleichmäßig vom Heizelement in das verringerte Durchmesserende 10 der Anordnung 100 zu übertragen. Dies minimiert Wärmegradienten innerhalb der Vorform 5, die sich durch Winden des Drahtes ergeben und führt zu einer wirksameren Erhitzung der Vorform 5.
Fig. 6 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel des Wärmeleitungsbauteils 14, bei dem der geschlossene Endteil entfallen ist. Der Randteil 22 umgibt die äußere Oberfläche der Hülle 1, wie vorher erläutert. Es versteht sich von selbst, daß bei Verwendung dieses Ausführungsbeispiels des Wärmeleitungsbauteils 14 die Zentrierung der Faser 2 bezüglich der Hülle 1 unter Verwendung des Abstandshalters 4 erfolgen muß, wie zuvor erläutert.
Vorzugsweise wird die Einheit auf eine Temperatur von angenähert 90ºC über der Glasübergangstemperatur der Vorform vier Minuten erhitzt und dann abkühlen gelassen.
Verschiedene Glaslötmassen können unterschiedliche Erhitzungsbedingungen erfordern, jedoch wird die Einheit allgemein keinen Temperaturen oberhalb von 600ºC ausgesetzt, weil das linsenförmige Ende der optischen Faser zur Rißbildung oder zum Abbrechen aufgrund der Faserversprödung neigt.
Die Kovar-Zentrierwulst wird dann entfernt und zur Wiederverwendung gereinigt, und etwaiger auf dem Linsenende der Durchführung verbliebener Restgraphit wird mit Methanol entfernt.
Die Durchführung wird dann auf hermetische Dichtheit unter Verwendung von Helium überprüft. Eine Dichtung wird als hermetisch betrachtet, wenn der erfaßte Leckdurchsatz 10&supmin;&sup8; Atmosphären·cm³/s Helium, MIL SPEC 883, nicht übersteigt. Die Durchführung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, ist nun vollständig. Ein alternatives Ausführungsbeispiel dieser Durchführung, Fig. 3, wäre, den leeren Raum innerhalb der Metallhülle unter Verwendung eines Epoxyharzes 18 wieder aufzufüllen. Dieses Harz könnte in die Metallhülle nach Abdichtung und Überprüfung der hermetischen Abdichtung unter Verwendung eines kleinen Einlaßlochs 19 eingespritzt werden. Der Zweck des Zusatzes dieses Materials wäre, den Teil der bloßen optischen Faser vom abgestreiften Ende des inneren und äußerem Dämpfers zur Glaskapillarendichtung baulich abzustützen.
Die für die Metallhülle und die Glaskapillare verwendeten Materialien werden derart gewählt, daß ihre Wärmeeigenschaften, wie z. B. ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihre Abmessung, so gewählt werden, daß die Spannungen in der Glaskapillare größtenteils kompressiv sind. Eine theoretische Analyse kann verwendet werden, um mehrere Materialkandidaten für die Hülle und die Kapillare bei einer gegebenen Gruppe geometrischer Parameter auszuwerten, und die Ergebnisse können verwendet werden, solche Kombinationen anzuzeigen, die eher Zug- als Druckspannungen aufweisen. Eine solche Analyse wird unten gegeben. Es ist zu bemerken, daß es einige Annäherungen gibt, die die Analyse eher zu einer Richtlinie als genau machen.
Die Dichtung besteht aus drei koaxialen Zylindern mit unterschiedlichen Eigenschaften. Man bezeichnet die bloße optische Faser als Bereich 1, die Glaskapillarendichtung als Bereich 2 und die Metallhülle als Bereich 3; den äußeren Radius der optischen Faser (als dem inneren Radius der Glaskapillarendichtung gleich genommen) mit r&sub1;, den äußeren Radius der Glaskapillarendichtung (als dem inneren Radius der Metallhülle gleich genommen) mit r&sub2; und den äußeren Radius der Metallhülle mir r&sub3;.
Jeder Bereich hat seine eigene Gruppe physikalischer Eigenschaften: Elastizitätsmodul E, Kontraktionskoeffizient ν und Wärmeausdehnungskoeffizient α. Jeder Bereich hat auch seine eigene Gruppe physikalischer Abmessungen. Die gewählten Abmessungen sind für die beabsichtigte Verwendung der Durchführung typisch. TABELLE I Bei Berechnungen verwendete Eigenschaften (r&sub1; = 62,5 Mikrometer; r&sub2; = 200 Mikrometer, r&sub3; = 300 Mikrometer) Bereich Ausd.-Koeff. 1. Optische Faser Kieselerde 2. Glaskapillare 3. Metallhülle Kovar®Legierung 52-Legierung 1010 Stahl 304L Rostfreier Stahl Ausd.-Koeff. = Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient PR = Kontraktionskoeffizient (ν) (geschätzter Wert) E = Elastizitätsmodul (geschätzter Wert) TG = Glasübergangstemperatur "OI" = von Owens-Illinois, Inc. erhältliche Produkte, "Schott" = Schott Glaswerke, Marinz, Bundesrepublik Deutschland Kovar® = Warenzeichen von Westinghouse Electric Corp. für ein legiertes Metall mit 17% Kobalt, 29% Nickel, 0,2% Silika, 0,3% Mangan, 0,2% Kohlenstoff, Rest Eisen "52-Legierung" = eine Metallegierung aus 51% Nickel und 49% Eisen "1010" = 0,1% Kohlenstoffstahl "304L" = ein schweißbarer rostfreier Stahl, 19% Chrom, 10% Nickel, Rest Eisen.
Der Zweischicht-Verbundzylinder wurde von G. E. Redstone und J. E. Stanworth (J. Soc. Glass Technol., 29 [132] 48-76, 1945) analysiert, und der verallgemeinerte Vielschichtzylinder wurde von A. Varshneya ("Treatise on Materials Science and Technology, Vol. 22, Glass III", Seiten 241-306, Herausg. M. Tomozawa und R.H. Doremus, Academic Press, NY, 1982) abgehandelt. Die Lösung wird folgendermaßen erhalten:
Die Bestandteilsgleichungen bezüglich Belastung zu Spannung für ein elastisches Material in polaren Koordinaten (S.P. Timoshenko und J.N. Goodier, Theory of Elasticity, Seite 444, 3d Ed. McGraw-Hill Book Co., NY, 1970) sind:
worin &epsi;r, &epsi;R, &epsi;z die radiale bzw. umfängliche (oder Ringe bzw. axiale Spannung sind; σr, σR, σz die zugehörigen Belastungen sind; E der Elastizitätsmodul ist; ν der Kontraktionskoeffizient ist; und Sf die freie Spannung ist,
&epsi;f = αΔT (4)
worin α der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient ist und LT die Temperaturänderung (negativ, wenn Abkühlung) ist. Die Spannungen werden als radiale Verschiebung u entsprechend
definiert, worin r die radiale Koordinate ist. Unter Verwendung der Gleichungen (1)-(6) kann gezeigt werden, daß die Belastungsverteilung in einem Zylinder die Form hat:
worin An, Bn und Cn Konstanten sind. Eine unterschiedliche Gruppe gilt für jeden vorher definierten Bereich: n = 1, 2 und 3. Die Belastungen müssen bei r = O endlich sein, und daher implizieren die Gleichungen (7) und (8), daß B&sub1; Null sein muß. Dies läßt acht Konstanten, die unter Verwendung der folgenden Grenzbedingungen zu bestimmen sind:
1) die Verschiebungen müssen sich an den Grenzen der Bereiche (es gibt keine Trennung oder gegenseitiges Eindringen der Schichten) gleichen, d. h.
2) Die radialen Belastungen müssen sich an den Grenzen der Bereiche gleichen, um ein Gleichgewicht der Kräfte zu bewahren
3) Es kann keine resultierende Kraft über dem Ende des Zylinders geben, da eine resultierende Kraft Beschleunigung verursachen würde
4) Ähnlich kann es keine resultierende Kraft senkrecht zur seitlichen Oberfläche geben
5) Die axialen Spannungen müssen sich gleichen, da die Bereiche nicht hintereinander gleiten können
Diese Bedingungen ergeben acht Gleichungen, die die Werte der acht Konstanten An, Bn und Cn festlegen. Die Bedingungen können als acht gleichzeitige lineare Gleichungen ausgedrückt werden, die nach Auswahl bekannter Werte für En, νn und &epsi;fn numerisch unter Verwendung eines Computers gelöst werden können.
Diese Analyse nimmt an, daß die Materialien elastisch sind, während die heiße Glaskapillare tatsächlich viskoelastisch ist (G. W. Schrerer, Relaxations in Glass and Composites, John Wiley & Sons, NY, 1986). Daher sollten diese Ergebnisse nicht als genau, sondern als Schätzwerte betrachtet werden (und sind als solche wahrscheinlich ausreichend sicher), woraus die folgenden Richtlinien für die Materialwahl auf Basis der physikalischen Abmessungen für diese Bauteile, wie vorabdargelegt, erhalten werden können.
Die Tabelle II zeigt die Belastungen an der Faser/Glas- Grenzfläche für verschiedene Kapillaren- und Hüllenmaterialien. TABELLE II Berechnete Belastungen (1 · 10³ PSI) an der Faser-Glaskapillaren-Grenzfläche Glas Metall Kovar 52-Legierung 304L Rostfreistahl Schott Positive Werte geben Zug, negative Kompressionen (1 · 10³ PSI) an
Von den oben aufgeführten Kombinationen führen drei Paare von Glasvorform- und Hüllenmaterialien zu einem Aufbau, bei dem alle drei Belastungskomponenten im Kompressionsbereich sind, nämlich 1) OI ESG 1015-Glaskapillare und 1010-Stahlhülle; 2) OI ESG 1015-Glas und Rostfreistahlhülle; und 3) Schottglas und Rostfreistahlhülle. Die zweite der drei oben erwähnten Kombinationen ist die bevorzugte Kombination von Materialien für die in TABELLE I angegebenen physikalischen Abmessungen. Rostfreier Stahl wird wegen der Leichtigkeit der Schweißbarkeit bevorzugt, die er dem Aufbau der Durchführungseinheit verleiht.
Es sollte aus dem Vorhergehenden bemerkt werden, daß eine geeignete Abdichtungsgrenzfläche zwischen der Hülle und der Vorform gebildet werden kann, ob nun das zur Bildung der Hülle verwendete Material durch das Glas der Vorform benetzbar ist oder nicht. Die 1010-Hülle ist durch das Glas benetzbar. Die rostfreie Stahlhülle ist es nicht. Unter "Dichtungsgrenzfläche" wird verstanden, daß eine hermetische Abdichtung zwischen zwei Bauteilen mit einem Stabilitätsleckdurchsatz von weniger als 10&supmin;&sup8; Atmosphären·cm³/s Helium gebildet wird. Die Gleichungen wurden weiter verwendet, um den Minimumrichtlinienwert des Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Metallhülle bei den angegebenen Abmessungen zum Erhalten einer Kompressionsringbelastung mit OI ESG 1015 zu bestimmen, und das Ergebnis war 1,30·10&supmin;&sup5;/ºC. Dieser Wärmeausdehnungskoeffizient zeigt die Eignung vieler Kupferlegierungen sowie einiger Rostfreistahlzusammensetzungen.
Alles Vorstehende, das ist zu betonen, gilt nur für die oben erläuterten physikalischen Abmessungen. Die Analyse zeigt auch, daß eine Änderung der Abmessung der Metallhülle zu einer gegebenen Kombination von Hülle und Glaskapillare führen kann, die die gewünschten kompressiven Belastungen zeigt. Beispielsweise veranschaulichen die Tabellen III und IV die Ergebnisse für eine rostfreie Stahlhülle und PP-100-Glas, wenn der innere Radius r&sub2; und der äußere Radius r&sub3; der Hülle variiert werden. TABELLE III Glas PP-100 Metallhülle rostfreier Stahl r&sub1; = 62,5 Mikrometer; r&sub3; = 300 Mikrometer Positive Werte zeigen Zug, negative Kompressionen (1 · 10³ PSI) TABELLE IV r&sub1; = 62,5 Mikrometer; r&sub3; = 400 Mikrometer Positive Werte zeigen Zug, negative Kompressionen (1 · 10³ PSI)
Wie aus der TABELLE III ersichtlich ist, nimmt durch Verringerung von r&sub2; von 200 um auf 175 um die Zug-Ring- Belastung σR (von 2400 PSI auf 300 PSI) ab. Der Vorteil hiervon ist zweifach: 1) Zugbelastungen, die einen Anstieg der Neigung der Glaskapillare zur Bildung und nachfolgenden Ausbreitung von Rissen beeinflussen, sind merklich beseitigt; 2) die Verfahrenstemperatur (90ºC plus Glasübergangstemperatur TG) wird von 498ºC für ESG 1015-Glas auf 395ºC für PP-100 (siehe TABELLE I) verringert, was die Neigung einer Faserversprödung bei erhöhter Temperatur verringert. Aufgrund der Annäherungen, die die Analyse zu einer Richtlinie statt einer genauen Regel machen, sollte der Begriff "zum größten Teil kompressiv", wie hierin verwendet, wenn er sich auf die Restspannungen bezieht, so aufgefaßt werden, daß er auch solche Belastungen umfaßt, die in den Tabellen als etwas auf der Zugspannungsseite erscheinen. Zum Beispiel wird, wie unter Bezugnahme auf TABELLE III ersichtlich ist, für r&sub2;= 175 um der Wert von σR als etwas auf der Zugspannungsseite (300 PSI Belastung) gezeigt, und trotzdem wird eine annehmbare Dichtung erzeugt. Weiter wird, wie anhand der TABELLE IV ersichtlich ist, wenn r&sub2; gleich 225 um ist und σR als etwas auf der Zugspannungsseite gezeigt wird (100 PSI Belastung), dennoch eine annehmbare Dichtung erhältlich sein. Als Ergebnis wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Dichtung zur Verfügung gestellt, bei der die Neigung zur Rißausbreitung begrenzt wird. Der gleiche physikalische Mechanismus wird auch für geeignet gehalten, die Bildung von Rissen zu vermeiden. Es wird bemerkt, daß die Anwesenheit einer Goldbeschichtung auf der Metallhülle die Verfahrenstemperatur etwas steigern kann.
Der Hauptvorteil des Merkmals, die Glaskapillare völlig im Kompressionszustand zu haben, ist, daß die Bildung von Dichtungsrissen aufgrund von Zugspannungen minimiert wird.
Dies beseitigt die Notwendigkeit, sich mit einer Vorhersage der Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Glasrissen bei dieser Anwendungsart zu befassen, unabhängig davon, ob sie axial, umfänglich oder radial sind. Das Ergebnis ist eine optische Faserdurchführung festen Aufbaus mit ausgezeichneten hermetischen Langzeiteigenschaften.

Claims

1. Optische Faserdurchführung (100), welche eine metallische Hülle (1), eine optische Faser (2) in der Hülle (1) und eine Glasdichtung (5) zwischen der optischen Faser (2) und der Hülle (1) aufweist, wobei eine Faser/Glas-Abdichtschnittstelle (5) an der Faseroberfläche und eine Glas/Metall-Abdichtschnittstelle an der inneren Oberfläche der Hülle (1) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

die Materialien und Dimensionen der Glasdichtung (5) und der metallischen Hülle (1) so ausgewählt sind, daß sie vorbestimmte thermische Ausdehnungseigenschaften haben, damit nach einer Erwärmung der Anordnung (100) auf eine vorbestimmte Temperatur und folgendem Abkühlen zum Ausbilden der Abdichtschnittstellen jegliche Restspannungen in der Glasdichtung (5) in der radialen, der Umfangs- und axialen Richtung zum größten Teil kompressiv sind, wodurch die Neigung der Glasdichtung (5) zur Rißausbreitung begrenzt wird.

2. Optische Faserdurchführung (100) nach Anspruch 1, welche einen internen Abstandshalter (4) beinhaltet zum Aufrechterhalten einer festen räumlichen Beziehung zwischen der Faser (2) und der Hülle (1).

3. Optische Faserdurchführung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Faser (2) ein als eine Linse ausgebildetes Ende hat und innerhalb der metallischen Hülle (1) konzentrisch angeordnet ist.

4. Optische Faserdurchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die metallische Hülle (1) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von zumindest 12·10&supmin;&sup6; proºC hat.

5. Optische Faserdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die Faser (2) Siliciumdioxid aufweist.

6. Optische Faserdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welcher die Faser (2) Fluorid aufweist.

7. Verfahren zum Bilden einer optischen Faserdurchführung, welches die folgenden Schritte aufweist: Durchfädeln einer optischen Faser (2) durch eine Hülle (1), Anordnen einer ausreichenden Menge von Glaslötmasse (5) mit einer tieferen Glasübergangstemperatur als die Faser (2) an zumindest einem Abschnitt der Hülle (1) und Erwärmen der Glaslotmasse (5), so daß sie eine Glasdichtung (5) bildet, welche eine Glasfaser-Abdichtschnittstelle (5) an der Faseroberflache und eine Glas/Metall-Schnittstelle an der Oberfläche der Hülle (1) hat, dadurch gekennzeichnet, daß

die Materialien und Dimensionen der Glasdichtung (5) und metallischen Hülle (1) so ausgewählt werden, daß sie vorbestimmte thermische Ausdehnungseigenschaften haben, damit nach einer Erwärmung der Anordnung (100) auf eine vorbestimmte Temperatur und nachfolgendem Abkühlen zum Ausbilden der Abdichtschnittstellen jegliche Restspannungen in der Glasdichtung (5) in der radialen, Umfangs- und axialen Richtung größtenteils kompressiv sind, wodurch die Neigung der Glasdichtung (5) zur Ausbreitung von Rissen begrenzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, welches den Schritt des Positionierens der Faser an einem Abstandshalter aufweist, um eine feste räumliche Beziehung zwischen der Faser (2) und der Hülle (1) aufrechtzuerhalten, während die Glasdichtung (5) gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der Abstandshalter (4) ein auf die Faser (2) gefädeltes Element aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, welches den Schritt aufweist, das Faserende in einem Zentrierkaliber zu positionieren und das Ende der Hülle (1) nahe dem Ende innerhalb eines Kreisringes an dem Kaliber zu Positionieren, welcher einen niedrigeren thermischen Expansionskoeffizienten als die Hülle (1) hat, so daß während dem Erwärmen sich die Hülle (1) ausreichend ausdehnt, um den Freiraum entlang des Umfanges zwischen der Hülle (1) und dem Kreisring zu verringern und damit jegliche Exzentrizität zwischen dem Kreisring und der Hülle (1) minimiert wird, indem man eine radiale Bewegung der Hülle (1) innerhalb des Kreisrings zuläßt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Glaslötmasse in die Anordnung (100) als ein Glaskapillarelement (5) eingeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 7, welches die weiteren Schritte aufweist:

a) Abstreifen einer vorbestimmten Länge der inneren und äußeren Faserhüllenschicht von einer optischen Faser (2), um einen abgestreiften mit Faserhülle versehenen Abschnitt daran auszubilden;

b) Positionieren eines Glaskapillarelementes um die Faser (2) und innerhalb der Hülle (1), so daß die Glaskapillare (5) an einer Verengung (3) in der Hülle (1) anliegt und das Ende der Faser (2) um einen vorbestirnten Abstand über das Ende der Hülle (1) hinaus übersteht;

c) Überziehen einer in einer Zentrierperle ausgebildeten zentralen Vertiefung mit einem Gleitmittel, wobei die Zentrierperle einen darin ausgebildeten Positionierkragen hat;

d) Plazieren der Zentrierperle über das vorstehende Ende der Faser (2), so daß sich der Positionierkragen nach unten und über die metallische Hülle (1) erstreckt; und

e) Erwärmen der Anordnungsform durch die vorhergehenden Schritte a) bis d) auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des Glaskapillarelementes (5) für ungefähr 4 Min., ohne daß 600ºC überschritten werden, und daraufhin Abkühlen der Anordnung (100).

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Anordnung (100) auf eine Temperatur ungefähr 90ºC oberhalb der Glasübergangstemperatur erwärmt wird.

14. Verfahren zum Ausbilden einer optischen Faserdurchführungsanordnung nach Anspruch 7, welches weiterhin die folgenden Schritte aufweist:

a) Abstreifen einer vorbestimmten Länge der inneren und äußeren Faserhüllenschicht von einer optischen Faser (2);

b) Einführen der Faser (2) in eine metallische Hülle (1) und Zentrieren der Faser (2) mit Bezug dazu;

c) Positionieren eines Glaskapillarelementes (5) um die Faser (2) herum und innerhalb der Hülle (1), so daß das Ende der Faser (2) um einen vorbestimmten Abstand über das Ende der Hülle (1) übersteht; und

d) Erwärmen der durch die vorhergehenden Schritte a) bis c) ausgebildeten Anordnung auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des Glaskapillarelementes für 4 Min., ohne daß man 500ºC überschreitet.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, in welchem die Faser (2) Siliciumdioxid aufweist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei welchem die Faser (2) Fluorid aufweist.