DE69027765T2

DE69027765T2 - Herstellungsverfahren für ein grundmaterial für optische fasern

Info

Publication number: DE69027765T2
Application number: DE69027765T
Authority: DE
Inventors: Tadao Arima; Kouji Okamura
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1990-10-31
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2010-11-01
Also published as: EP0451293A4; EP0451293B1; DE69030736T2; AU6631190A; EP0611732B1; EP0611731A2; US5711782A; CA2042593C; AU625144B2; DE69031571T2; DE69030736D1; EP0611732A3; EP0451293A1; WO1991006512A1; EP0611732A2; CA2042593A1; EP0611731A3; DE69031571D1; DE69027765D1; EP0611731B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform für eine optische Faser und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform für eine optische Faser, die sich zur Herstellung einer optischen Faser eignet, deren Kern mit einem Edelerdenelement (oder Ion) dotiert ist.
Lichtverstärker, in denen Lichtsignale direkt ohne eine Umwandlung in elektrische Signale verstärkt werden, sind in verschiedenen Forschungs- und Untersuchungseinrichtungen ausgiebig untersucht worden und man nimmt an, daß sie eine Schlüsseleinrichtung für zukünftige Lichtübertragungssysteme sind. Der Grund hierfür besteht darin, daß der Lichtverstärker in der Tat frei von irgendeiner Bitrate mit einem Vorteil der großen Kapazität ist und Information von einem Mehrfachkanal als ein ganzes verstärkt werden kann. Einer von derartigen Lichtverstärkern ist ein Lichtverstärker, der eine optische Faser verwendet, deren Kerne mit einem Edelerdenelement (oder Ion), beispielsweise Er, Nd, Yb oder dergleichen dotiert sind (was im folgenden Y einfach als "dotierte Faser" bezeichnet wird) und wobei Signallicht und Pumplicht in die dotierte Faser in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung eingeleitet wird. Der faseroptische Verstärker unter Verwendung der dotierten Faser besitzt Vorteile dahingehend, daß der Gewinn mit geringen Rauschanteilen nicht polarisationsabhängig ist und daß der Kopplungsverlust mit einem Übertragungspfad gering ist. Diese Art von faseroptischer Verstärker kann insbesondere in der folgenden Weise angewendet werden.
(a) Auf der Sendeseite wird der faseroptische Verstärker als ein Anheber für die optische Leistung verwendet, um einen möglichen Verlust zu kompensieren oder die Übertragungsleistung zu erhöhen.
(b) Auf der Empfangsseite wird der faseroptische Verstärker als ein optischer Vorverstärker verwendet, um die Empfangsempfindlichkeit zu verbessern.
(c) Der faseroptische Verstärker wird als ein Zwischenverstärker verwendet, um einen zuverlässigen Zwischenverstärker mit kleinen Abmessungen zu erhalten.
Mit Licht, dessen Wellenlänge in den Bereich von 0,8-1,6 µm liegt, sind Herstellungs- und Anwendungstechniken von optischen Fasern unter Verwendung von Quartzglas, die für eine Fernübertragung ausgelegt sind, bereitgestellt worden. Die optische Faser wird erhalten, indem eine Vorform für die optische Faser in der Form eines dicken Stabs gezogen wird. Die Vorform der optischen Faser sollte einen Zusammensetzungsgradienten entlang ihres Querschnitts aufweisen, der wie ausgelegt geeignet formuliert ist. Ein typisches und bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Vorform für eine optische Faser ist ein Verfahren, bei dem eine Glasverbindung, die aus einer chemischen Umwandlung von Reaktionsgasen gebildet ist, auf einer Quartzreaktionsröhre abgelagert wird, beispielsweise durch einem MCVD-Prozeß (modifizierte chemische Aufdampfung). In dem MCVD-Prozeß werden Reaktionsgase wie beispielsweise SiCl&sub4; und O&sub2; in die Quartzreaktionsröhre eingebracht und auf ein für die Reaktion erforderliches Niveau erwärmt. Während die Erwärmungszone oder der Querschnitt entlang der Länge der Quartzreaktionsröhre bewegt wird, wird eine frische Glasschicht auf der inneren Wandoberfläche der Röhre aufgebracht. Eine Anzahl von Schichten, beispielsweise 20-30 Schichten, werden wiederholt aufgebracht. Die Zusammensetzung der jeweiligen Schichten wird individuell gesteuert, so daß die Zusammensetzung einer aus der Vorform erhaltenen optischen Faser entlang des Querschnitts somit genau gesteuert werden kann. Nach Aufbringung der Schichten zu einem ausreichenden Ausmaß, wird die Quartzreaktionsröhre zusammenfaßt, um eine stabförmige Vorform für die optische Faser zu erhalten. Diese Vorform für eine optische Faser wird gezogen, um eine optische Faser zu erhalten.
In dem MCVD-Prozeß werden gewöhnlicherweise Reaktionssubstanzen verwendet, die bei Raumtemperatur vergast werden können. Beispielsweise wird SiCl&sub4; zum Erhalten von SiO&sub2; verwendet, was ein Hauptbestandteil der optischen Faser ist, und GeCl&sub4; zum Erhalten von GeO&sub2; wird verwendet, um einen Brechungsindex zu steuern.
Für die Herstellung von dotierten Fasern ist es nicht möglich, Reaktionssubstanzen aus Edelerdenelementen zu erhalten, die bei Raumtemperatur wie SiCl&sub4; und GeCl&sub4; vergast werden können. Deshalb kann eine praktisch zufriedenstellende Konzentration von dotierten Edelerdenelementen nur durch die MCVD-Technik erhalten werden. Demzufolge sind Verfahren zum Erreichen einer praktisch zufriedenstellenden Konzentration von Edelerdenelementen in der folgenden Weise vorgeschlagen worden.
Eine der bislang vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung von Vorformen für optische Fasern, die zur Herstellung von dotierten Fasern ausgelegt sind, ist ein Verfahren, bei dem bei Bildung eines Kernglases auf der inneren Oberfläche einer Quartzreaktionsröhre gemäß der MCVD-Technik, eine Verbindung eines Edelerdenelements, welches in einer Kammer aufgenommen ist, die an einem Ende der Quartzreaktionsröhre gebildet ist, mit einem Brenner erwärmt und vergast. Das Gas wird in die Quartzreaktionsröhre zusammen mit der Reaktionssubstanz, die bei Raumtemperatur vergast worden ist, eingeleitet und als ein Kemmaterial verwendet, wodurch ein Kernglas aufgebracht wird, welches mit einem Edelerdenelement dotiert ist. Ein anderes bislang vorgeschlagenes Verfahren zur Herstellung einer dotierten Faser ist eines, welches die folgenden Schritte umfaßt: (a) Aufbringen eines Kernglases in der Form von Ruß auf der inneren Oberfläche einer Quartzreaktionsröhre, so daß das Kernglas nicht verglast wird, (b) Eintauchen der Quartzreaktionsröhre, in der das rußartige Glas aufgebracht worden ist, in eine Lösung, die eine Verbindung aus einem Edel- oder Seltenerdenelement als ein Lösungsmittel enthält, wodurch die Lösung in dem rußartigen Kernglas getränkt wird, und (c) Trocknen der Lösung und Verschließen der Röhre.
Mit dem ersteren Verfahren ist der Dampfdruck der Edelerdenelementverbindung so gering, daß die Verbindung dazu neigt, zu sedimentieren und die Quartzreaktionsröhre eine unvermeidbare Temperaturverteilung entlang ihrer Länge aufweist. Demzufolge neigt die Konzentration des dotierten Edelerdenelements dazu, insbesondere entlang der Länge der Vorform für die optische Faser inhomogen zu werden. Zusätzlich ist es schwierig, genau die Konzentration des dotierten Edelerdenelements zu steuern.
Mit dem letzteren Verfahren ist es erforderlich, daß nach Aufbringung des rußartigen Kernglases auf die innere Oberfläche der auf einer Drehbank angebrachten Quartzreaktionsröhre, die Quartzreaktionsröhre einmal von der Drehbank entfernt und die Lösung eingetaucht wird. Danach wird die Quartzreaktionsröhre wieder auf der Drehbank eingerichtet und einem Verschließschritt und dergleichen unterzogen, mit wesentlichen Nachteilen dahingehend, daß das Verfahren komplizierte Betriebsvorgänge erfordert, wobei es wahrscheinlich ist, daß Defekte erzeugt werden. Wenn bewirkt wird, daß die Konzentrationsverteilung eines Edelerdenelements entlang der radialen Richtung der Vorform der optischen Faser erzeugt wird, ist es erforderlich, die Quartzreaktionsröhre mehrere Male in die Lösung einzutauchen. Die obigen Nachteile sind kritisch.
In dem letzteren Verfahren kann die Menge der imprägnierten Lösung in dem rußartigen Kernglas sich in Abhängigkeit von den Bedingungen des rußartigen Kernglases einschließlich einer Korngröße verändern, was zu dem Problem führt, daß eine hochgenaue Steuerung der Konzentration des dotierten Edelerdenelements schwierig ist. Wenn die Dotierungskonzentration des Edelerdenelements streut, wird auch die Verstärkung und eine optimale Pumplichtwellenlänge in dem faseroptischen Verstärker, der aus der dotierten Faser gebildet ist, gestreut. Dies ist der Grund dafür, daß die Konzentration des dotierten Edelerdenelements mit hoher Genauigkeit gesteuert werden muß.
Das Modenfeld eines sich ausbreitenden Lichts einer optischen Faser weist eine sogenannte Gauss-Verteilung auf, bei der die Amplitude des elektrischen Felds an dem Mittenabschnitt des Kerns hoch ist. Demzufolge wird die beste Verstärkungscharakteristik nicht notwendigerweise erhalten, wenn die Verteilung der Dotierungskonzentration des Edelerdenelements entlang der radialen Richtung des Kerns konstant ist. Eine geeignete Steuerung der Konzentrationsverteilung des Edelerdenelements kann ermöglichen, eine optische Verstärkung in einer effizienten Weise zu erhalten. In diesem Sinn sollte die Konzentrationsverteilung des Edelerdenelements entlang der radialen Richtung des Kerns perfekt in einer beliebigen Weise eingestellt werden.
Die EP-A-0 311 942 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Vorform einer optischen Faser, umfassend unter anderem die folgenden Schritte:
Bilden eines rußartigen Kernglases durch Erwärmen eines kleinen Pulvers eines Oxidglases, welches durch eine Dampfphasenreaktion in einer Quartzreaktionsröhre aufgebracht ist;
Einbringen einer Lösung, die eine Verbindung eines Edelerdenelements als ein Lösungsmittel enthält, in die Quartzreaktionsröhre, wodurch der Lösung ermöglicht wird, in dem rußartigen Kernglas imprägniert zu werden;
Verdampfen eines Lösungsmittels in der Lösung, die in die Quartzreaktionsröhre eingebracht ist;
Erwärmen des Lösungsmittel-enthaltenden rußartigen Kernglases, bis das Glas verglast ist; und
Erwärmen der Quartzreaktionsröhre zum Zusammenlegen.
Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform einer optischen Faser bereitzustellen, bei dem eine Dotierungskonzentration eines Edelerdenelements entlang der Länge einer Vorform einer optischen Faser nicht-gleichmäßig ist.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Vorform einer optischen Faser bereitzustellen, welches keinen komplizierten Betrieb aufweist und bei dem es unwahrscheinlich ist, daß Defekte erzeugt werden.
Eine dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Prozeß zum Herstellen einer Vorform einer optischen Faser bereitzustellen, bei dem eine Konzentration eines dotierten Edelerdenelements mit hoher Genauigkeit gesteuert werden kann.
Eine vierte Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Vorform einer optischen Faser bereitzustellen, bei dem eine Verteilung der Konzentration eines Edelerdenelements entlang einer radialen Richtung eines Kerns beliebig eingestellt werden kann.
Eine fünfte Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Vorform einer optischen Faser bereitzustellen, wodurch eine dotierte Faser, die für eine effiziente Lichtverstärkung ausgelegt ist, realisiert werden kann.
Das erste Verfahren der Erfindung, hauptsächlich zum Erreichen der ersten, zweiten und fünften Aufgaben umfaßt die folgenden Schritte: den ersten Schritt, bei dem ein rußartiges Kernglas durch Erwärmen eines feinen Pulvers eines Oxidglases, welches durch eine Dampfphasenreaktion von einer Quartzreaktionsröhre aufgebracht ist, gebildet wird; den zweiten Schritt, bei dem die Quartzreaktionsröhre erwärmt wird, um einen eingeengten Abschnitt der Quartzreaktionsröhre an gegenüberliegenden Seiten des rußartigen Kernglases zu bilden, den dritten Schritt, bei dem eine Lösung, die eine Verbindung eines Edelerdenelements als ein Lösungsmittel enthält, zwischen die verengten Abschnitte der Quartzreaktionsröhre eingebracht wird, wodurch ermöglicht wird, daß die Lösung in dem rußartigen Kernglas getränkt wird, den vierten Schritt, bei dem ein Lösungsmittel der in die Quartzreaktionsröhre eingebrachten Lösung verdampft wird, den fünften Schritt, bei dem das Lösungsmittel-enthaltende rußartige Kernglas erwärmt wird, bis das Glas verglast ist, und den sechsten Schritt, bei dem die Quartzreaktionsröhre zum Verschließen erwärmt wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung, hauptsächlich zum Erreichen der dritten, vierten und fünften Aufgaben umfaßt zusätzlich die folgenden Schritte: den siebten Schritt, bei dem ein Laserstrahl durch die Quartzreaktionsröhre gesendet wird, in der das rußartige Kernglas in dem ersten Schritt gebildet worden ist, wodurch eine Menge eines transmittierten Lichts gemessen wird und der dritte Schritt eines Einbringens einer Lösung einer Verbindung eines als ein Lösungsmittel verwendetem Edelerdenelements in die Quartzreaktionsröhre in einem gesteuerten Betrag wird in Abhängigkeit von der transmittierten Lichtmenge durchgeführt, wodurch ermöglicht wird, daß die Lösung in dem rußartigen Kernglas getränkt wird.
Wenn ein Laserstrahl durch die Quartzreaktionsröhre gesendet wird, in der das rußartige Kernglas gebildet worden ist, um dadurch eine Menge eines transmittierten Lichts zu messen, kann die Dichte des rußartigen Kernglases klar gemacht werden, woraus ersehen werden kann, wie weit die Lösung in dem rußartigen Kernglas imprägniert werden kann. Wenn die Konzentration der Lösung konstant gemacht wird, wird der Betrag des Lösungsmittels, welches gerade in den Kern eingebaut wird, bestimmt. Der Betrag des Lösungsmittels in dem Kern entspricht einer Dotierungskonzentration eines Edelerdenelements in dem Kern. Zum Steuern der Dotierungskonzentration des Edelerdenelements in dem Kern auf ein gewünschtes Niveau ist es ausreichend, die Konzentration der Lösung in Abhängigkeit von dem Betrag des transmittierten Lichts zu steuern. Somit kann gemäß der Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung die Konzentration des dotierten Edelerdenelements in dem Kern mit hoher Genauigkeit gesteuert werden.
In diesem Zusammenhang wird die Konzentration der Lösung in dem dritten Schritt so gesteuert, daß sie mit ansteigender transmittierter Lichtmenge verringert wird. Dadurch kann die Dotierungskonzentration des Edelerdenelements in dem Kern unabhängig von den Eigenschaften des rußartigen Kernglases konstant gemacht werden.
Wenn die Lösungen ferner vorbereitet sind, so daß sie unterschiedliche Konzentrationen in dem dritten Schritt relativ zu einer gegebenen transmittierten Lichtmenge aufweisen, werden der erste, der siebte und der dritte bis fünfte Schritt mehrmals in dieser Reihenfolge wiederholt, wodurch die Konzentrationsverteilung des Edelerdenelements in dem Kern in beliebiger Weise gesteuert werden kann.
Wenn die Konzentration der Lösung für eine gegebene transmittierte Lichtmenge in dem dritten Schritt höher gemacht wird, wenn der erste, siebte und dritte bis fünfte Schritt wiederholt wird, kann eine derartige Konzentrationsverteilung erhalten werden, daß der sich ergebende Kern eine ansteigende Konzentration des dotierten Edelerdenelements von der äußeren Oberfläche in Richtung auf den zentralen Abschnitt des Kerns hin aufweist. Somit ist es möglich, eine Vorform einer optischen Faser bereitzustellen, aus der eine dotierte Faser hergestellt werden kann, die sich zum Leiten einer Lichtverstärkung in einer effizienten Weise eignet.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung, hauptsächlich zum Erreichen der vierten und fünften Aufgaben, wird der erste Schritt mehrmals wiederholt, während unterschiedliche Erwärmungstemperaturen für das feine Pulver aus Oxidglas verwendet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Dichte des rußartigen Kernglases, welches auf den inneren Wänden der Quartzreaktionsröhre gebildet ist, entlang der radialen Richtung der Quartzreaktionsröhre verändert. Der Grund, warum die Dichte des rußartigen Kernglases sich in Abhängigkeit von der Erwärmungstemperatur des feinen Oxidglaspulvers verändert, besteht darin, daß bei der Bildung des rußartigen Kernglases aus dem feinen Oxidglaspulver die Korngröße sich in Abhängigkeit von der Bedingung der Erwärmungstemperatur verändert. Wenn die Dichte des rußartigen Kernglases relativ hoch ist, wird die Raumbelegungsrate des Glases an dem Abschnitt relativ hoch. Wenn die Lösung in dem rußartigen Kernglas imprägniert oder getränkt wird, kann der Betrag der Lösung, der in einem Einheitsvolumen des rußartigen Kernglases imprägniert werden kann, relativ verringert werden. Wenn andererseits die Dichte des rußartigen Kernglases relativ gering ist, wird die Raumbelegungsrate des Glases an dem Abschnitt relativ gering. Der Betrag der Lösung, der in einem Einheitsvolumen des rußartigen Kernglases imprägniert werden kann, kann relativ vergrößert werden. Demzufolge gewährleistet eine geeignete Steuerung der Erwärmungstemperatur des feinen Oxidglaspulvers zur Zeit einer Bildung des rußartigen Kernglases ein beliebiges Niveau der Verteilungskonzentration des Edelerdenelements in der nach einem Verschließen erhaltenen Vorform einer optischen Faser.
Wenn in diesem Zusammenhang die Erwärmungstemperatur des feinen Oxidglaspulvers geringer gemacht wird, immer wenn der erste Schritt wiederholt wird, ist die Konzentrationsverteilung des Edelerdenelements in der sich ergebenden Vorform für die optische Faser derart, daß die Konzentration des Edelerdenelements an dem Mittenabschnitt des Kerns am höchsten ist. Somit ist es möglich, eine Vorform für eine optische Faser bereitzustellen, aus der eine dotierte Easer realisiert werden kann, die sich für eine effiziente Lichtverstärkung eignet.
Wenn in den ersten bis dritten Ausführungsformen des Verfahrens der Erfindung das rußartige Kernglas auf einem Überzugs-Glasfilm gebildet wird, der auf den inneren Wänden der Quartzreaktionsröhre gebildet worden ist, kann eine thermische Diffusion von Verunreinigungen aus der Quartzreaktionsröhre wie beispielsweise in dem Verschließoder Zusammenlegungsschritt verhindert werden. Wenn in diesem Fall eine Quartzreaktionsröhre mit einer geringen Verunreinigung verwendet wird, kann der Verlust auf einen geringen Grad heruntergedrückt werden.
Wenn ferner das rußartige Kernglas direkt auf den inneren Wänden einer Quartzreaktionsröhre in dem ersten bis dritten Verfahren der Erfindung gebildet wird, kann die Herstellungsprozedur vereinfacht werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung, und um zu zeigen, wie diese in der Praxis umgesetzt werden kann, wird nachstehend beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Anordnung einer Vorrichtung zum Herstellen einer Vorform einer optischen Faser, die zur Ausführung eines ersten Verfahrens der Erfindung verwendet wird;
Figuren 2A-2E jeweils Erklärungsansichten von Herstellungsschritten einer Vorform einer optischen Faser gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Verfahrens der Erfindung;
Figuren 3A und 3B jeweils Querschnittansichten einer Quartzreaktionsröhre vor und nach einem Verschließen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Prozesses der Erfindung;
Eigur 4 einen Längsquerschnitt einer Quartzreaktionsröhre zur Erläuterung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des ersten Verfahrens der Erfindung;
Figur 5 eine schematische Ansicht einer Anordnung einer bekannten Ziehvorrichtung, die zur Herstellung einer optischen Faser aus einer Vorform einer optischen Faser verwendet wird;
Figur 6 einen Graph, der den Zusammenhang zwischen dem Verlust und der Wellenlänge in einer dotierten Faser zeigt, die aus einer Vorform einer optischen Faser hergestellt wird, die in einem Beispiel des ersten Verfahrens der Erfindung erhalten wird;
Figur 7 einen Graph, der den Zusammenhang zwischen den gefundenen und berechneten Werten einer Er-dotierten Konzentration in der dotierten Faser zeigt;
Figur 8 eine schematische Ansicht einer Anordnung einer Herstellungsvorrichtung für eine Vorform für optische Fasern, die zur Ausführung eines Verfahrens verwendet wird, das für Vergleichszwecke beschrieben wird;
Figuren 9A-9D jeweils Erklärungsansichten von Herstellungsschritten einer Vorform einer optischen Faser gemäß einem Beispiel des Verfahrens aus Figur 8;
Figur 10 eine schematische Ansicht einer Anordnung einer Herstellungsvorrichtung einer Vorform für optische Fasern, die zur Ausführung eines zweiten Verfahrens der Erfindung verwendet wird;
Figuren 11a-11e jeweils Darstellungen von Herstellungsschritten einer Vorform für optische Fasern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten Verfahrens der Erfindung;
Figur 12 eine Erklärungsansicht einer Messung eines Betrags von transmittiertem Licht in einer Ausführungsform des zweiten Verfahrens der Erfindung;
Figuren 13A und 13B jeweils schematische Erklärungsansichten des Zusammenhangs zwischen der Dichte eines rußartigen Kernglases und dem Betrag von transmittiertem Licht in der Ausführungsform des zweiten Verfahrens der Erfindung;
Figur 14 eine Querschnittansicht einer Vorform für optische Fasern, die in der Ausführungsform des zweiten Verfahrens der Erfindung erhalten wird;
Figur 15 einen Graph, der eine Er- Dotierungskonzentration entlang der radialen Richtung der Vorform für optische Fasern zeigt;
Figuren 16A-16E jeweils Erklärungsansichten der Herstellungsschritte einer Vorform für optische Fasern in einer bevorzugten Ausführungsform eines dritten Verfahrens der Erfindung;
Figur 17 eine Querschnittsansicht einer Quartzreaktionsröhre, in der ein rußartiges Kernglas gemäß einer Ausführungsform des dritten Verfahrens der Erfindung gebildet ist;
Figur 18 einen schematischen Graph, der eine Dichteverteilung entlang des Querschnitts des rußartigen Kernglases entlang einer Schnittlinie A-A in Figur 17 und eine Verteilung einer Menge einer Lösung, die in einem Einheitsvolumen des Kernglases imprägniert wird, zeigt; und
Figuren 19A und 19B jeweils eine Verteilung der Konzentration von dotiertem Er und eine Verteilung des Brechungsindex entlang der radialen Richtung der Vorform für optische Fasern, die in der Ausführungsform des dritten Verfahrens der Erfindung erhalten wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden eingehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Anordnung einer Herstellungsvorrichtung für eine Vorform einer optischen Faser, um das erste Verfahren der Erfindung auszuführen. Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Drehbank zur Glasherstellung, die drehbar eine Quartzreaktionsröhre 4 haltert und eine Bezugszahl 6 bezeichnet einen Brenner, der sich entlang der Länge der Quartzreaktionsröhre 4 auf der Drehbank 2 hin- und herbewegt, um die Quartzreaktionsröhre 4 von außen zu erwärmen. Eine Bezugszahl 8 bezeichnet eine Temperatursteuereinheit zum Steuern der Brennbedingung des Brenners 6 durch Steuern von Flußraten von O&sub2; und H&sub2;, die an den Brenner 6 geführt werden. Die Quartzreaktionsröhre 4 besitzt ein Verbindungsstück 10 an ihrem einen Ende, das wiederum mit einem Gaszuführungsrohr 12 verbunden ist. Startgase und andere Gase wie beispielsweise O&sub2; werden durch das Gaszuführungsrohr 12 in die Quartzreaktionsröhre 4 eingebracht. Eine Bezugszahl 14 bezeichnet einen Zuführer für Startgase, wie beispielsweise SiCl&sub4;, GeCl&sub4; und dergleichen und deren Zuführung wird durch die Flußrate eines Trägergases wie beispielsweise O&sub2; gesteuert, welches durch einen Massenflußmesser 16 geführt wird. Das Verbindungsstück 10 ist mit einem Lösungszuführungsrohr 18 zusammen mit dem Gaszuführungsrohr 12 verbunden. Das Lösungszuführungsrohr 18 ist über ein Ventil 20 mit einem Lösungstank 22 verbunden. Wenn das Ventil 20 geöffnet wird, wird eine Lösung in dem Tank 22 in die Quartzreaktionsröhre 4 hineingeführt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Verbindungsabschnitte zwischen dem Gaszuführungsrohr 12 und dem Quartzreaktionsrohr 4 und auch zwischen dem Lösungszuführungsrohr 18 und dem Quartzreaktionsrohr 3 über das Verbindungsstück 10 in gewöhnlicher Weise abgedichtet sind. Dadurch wird ein geschlossenes System in der Quartzreaktionsröhre 4 hergestellt.
Die Figuren 2A-2E sind Erklärungsansichten von Herstellungsschritten einer Vorform für eine optische Faser in einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Verfahrens der Erfindung. Der Herstellungsprozeß der Vorform der optischen Faser wird unter Bezugnahme auf diese Figuren und Figur 1 beschrieben.
Figur 2A zeigt, daß während eines Drehens der Quartzreaktionsröhre 4, in das die Startgase und das Trägergas eingeleitet worden sind, die Röhre 4 mit dem Brenner 6 von außen erwärmt wird, wobei feines Pulver von Oxidglas in die Reaktionsröhre 4 gelagert wird, um einen Überzug bereitzustellen. Dieses feine Pulver wird beim Erwärmen mit dem Brenner 6 unmittelbar verglast. Ein mehrmaliges Hin- und Herbewegen des Brenners 6 führt zu einer gleichmäßigen Bildung eines Überzugs-Glasfilms 24, der einen vorgegebenen Brechungsindex und eine vorgegebene Dicke auf den inneren Wänden der Reaktionsröhre 4 aufweist. Die Reaktionsröhre 4 ist so ausgelegt, daß sie einen äußeren Durchmesser, einen inneren Durchmesser und eine Länge von beispielsweise 22 mm, 18 mm bzw. 700 mm aufweist. Die Startgaszusammensetzung wird so gesteuert, daß der Brechungsindex des Überzugs-Glasfilms 24 gleich zu demjenigen der Quartzreaktionsröhre 4 ist.
Nach einer Steuerung einer Startgaszusammensetzung und der Erwärmungstemperatur mit dem Brenner 6 wird danach die Quartzreaktionsröhre 4 genauso mit dem Brenner von außen erwärmt. Infolgedessen wird ein feines Oxidglaspulver, welches als ein Kern dient, auf dem Überzugs-Glasfilm 24 aufgebracht. Das feine Pulver wird auf den Überzugs-Glasfilm porös aufgebracht. Die Hin- und Herbewegung des Brenners wird mehrmals wiederholt, mit dem Ergebnis, daß eine rußartiges Kernglas 26 auf dem Überzugs-Glasfilm 24 gebildet wird, wie in Figur 28 gezeigt. Die Startgaszusammensetzung ist so formuliert, daß wenn das rußartige Kernglas 26 wie voranstehend beschrieben verglast wird, sein Brechungsindex größer als der Brechungsindex des Überzugs-Glasfilms 24 ist.
Wie in Figur 2C gezeigt, wird der Brenner 6 an eine Position in der Nähe eines Endabschnitts der Reaktionsröhre 4 bewegt, wonach während einer Drehung die Reaktionsröhre 4 lokal erwärmt wird, wodurch ein verengter Abschnitt 28 mit einem kleineren Durchmesser an dem erwärmten Abschnitt gebildet wird. Zwei verengte Abschnitte 28 werden an gegenüberliegenden Seiten der Röhre gebildet, zwischen denen das rußartige Kernglas 26 gebildet worden ist.
Wenn die Reaktionsröhre 4 und dergleichen auf eine geeignete Temperatur abgekühlt werden, wird das Lösungszuführungsrohr 18, welches beispielsweise aus einem Teflon -Harz gebildet ist, in die Reaktionsröhre 4 eingefügt, so daß seine Spitze sich an einer Position zwischen den verengten Abschnitten 28, 28 befindet. In diesem Zustand wird eine Lösung aus einer Verbindung eines Edelerdenelements als ein Lösungsmittel zwischen die verengten Abschnitte 28, 28 der Reaktionsröhre 4 gegossen. Wenn die Lösung in die Reaktionsröhre 4 gegossen ist, wird sie nur in das poröse rußartige Kernglas 26 imprägniert. Die Lösung der Edelerdenelementverbindung als ein Lösungsmittel ist beispielsweise eine Alkohollösung aus ErCl&sub3; 6H&sub2;O. Der Alkohol ist vorzugsweise Ethanol. Die Konzentration der Lösung ist beispielsweise im Bereich von 0,001-1 Gewichtsprozent und die Zuführung der Lösung ist beispielsweise im Bereich von 5-20 ml. Die Konzentration des in den Kern dotierten Edelerdenelements wird in Abhängigkeit von dem Betrag und der Konzentration der in das rußartige Kernglas 26 imprägnierten Lösung bestimmt. Da die Menge der imprägnierten Lösung entlang der Länge der Reaktionsröhre 4 gleichförmig ist, kann die gleichförmige Konzentration des dotierten Elements entlang der Länge der Reaktionsröhre erhalten werden.
Danach wird das Lösungszuführungsrohr 18 entfernt und trockenes N&sub2;-Gas wird in die Reaktionsröhre eingeleitet, um den Alkohol und das Wasser sanft zu verdampfen. Eine verbleibende Feuchtigkeit sollte zu einem ausreichenden Ausmaß durch Zuführung von Cl&sub2; und O&sub2; in die Reaktionsröhre 4 und ferner durch Erwärmen der Reaktionsröhre mit dem Brenner 6 entfernt werden.
Dann wird das rußartige Kernglas 26 durch Erwärmen mit dem Brenner 6 verglast, der, wie in Figur 2E gezeigt, hin- und herbewegt wird, wodurch ein Kernglasfilm 26' auf dem Überzugs-Glasfilm 24 gebildet wird.
Schließlich wird die Quartzreaktionsröhre 4 auf höhere Temperaturen erwärmt, um sie zusammenfallen zu lassen, um eine Vorform einer optischen Faser zu erhalten. Die Bildung des Kernglasfilms 26' und das Zusammenfallenlassen können gleichzeitig durchgeführt werden.
Die Querschnitte der Quartzreaktionsröhre 4 vor und nach dem Zusammenfallen sind in den Figuren 3A bzw. 3B gezeigt. Eine Vorform 30 einer optischen Faser, die nach dem Zusammenfallen erhalten wird, besteht aus einem Kern-bildenden Abschnitt 32, der nach einem Ziehen als ein Kern ausgestaltet ist, und einem Ummantelungs-bildenden Abschnitt 34, der als eine Ummantelung gebildet ist. Der Kern-bildende Abschnitt 32 entspricht dem Kernglasfilm 26' vor dem Zusammenfallen und der Ummantelungs-bildende Abschnitt 34 entspricht dem Überzugs-Glasfilm 24 und der Quartzreaktionsröhre 4 vor dem Zusammenfallen.
In dem ersten Verfahren der Erfindung wird die Lösung zwischen die verengten Abschnitte der Quartzreaktionsröhre gefüllt, unter denen der Lösung ermöglicht wird, in das rußartige Kernglas imprägniert zu werden. Demzufolge ist es nicht erforderlich, die Reaktionsröhre von einer Drehmaschine wie in den herkömmlichen Verfahren zu entfernen, wenn die Lösung imprägniert wird. Das Einfüllen der Lösung in den Abschnitt zwischen den verengten Abschnitten der Reaktionsröhre kann von einer Seite der Reaktionsröhre durchgeführt werden, so daß ein geschlossenes System einschließlich des Zuführungssystems der Startgase beibehalten werden kann, ohne irgendeine Möglichkeit, daß die Reaktionsröhre mit Verunreinigungen verunreinigt wird, so daß Verlustcharakteristiken verschlechtert werden. Wenn mit herkömmlichen Verfahren die Reaktionsröhre von der Drehbank entfernt wird und in eine Lösung eingetaucht wird, werden Reaktionsprodukte instabil auf einer Auslaßseite der Reaktionsröhre auf dem rußartigen Kernglas abgelagert, wodurch Defekte gebildet werden. Im Gegensatz dazu wird mit diesem ersten Prozeß verhindert, daß derartige Defekte auftreten.
Der erste Prozeß der Erfindung weist die folgenden Merkmale auf. Allgemein findet bei dem Zusammenfallschritt, bei dem die Quartzreaktionsröhre auf hohe Temperaturen erwärmt wird, eine Reaktion statt, die umgekehrt zu einer Ummantelungsreaktion von Chloriden in Oxide ist. Infolgedessen wird die Konzentration des Dotierungsmittels in der Oberflächenschicht des Kernglasfilms entsprechend dem zentralen Abschnitt der Vorform einer optischen Faser verringert. Wenn ein Edelerdenelement in den Kern dotiert ist, wird bevorzugt, daß das Edelerdenelement mit einer hohen Konzentration an dem Mittenabschnitt des Kerns vorhanden ist, an dem eine optische Leistungsdichte hoch ist, um eine effiziente Lichtverstärkung sicherzustellen. Angesichts dieser Tatsache wird bevorzugt, daß das Edelerdenelement in einer höheren Konzentration in der Oberflächenschicht des Rußkernglases vorhanden ist. Wenn in dem ersten Prozeß der vorliegenden Erfindung eine Lösung in den Abschnitt zwischen den verengten Abschnitten der Reaktionsröhre mit größeren Mengen als eine Menge eingebracht wird, die ausreicht, um eine Imprägnierung des rußartigen Kernglases damit zu ermöglichen, wird ein größerer Betrag des Lösungsmittels auf oder in der Oberflächenschicht des rußartigen Kernglases nach einer Verdampfung des Lösungsmittels zurückgelassen. In diesem Sinn eignet sich das erste Verfahren der Erfindung zur Herstellung einer dotierten Faser, die eine Lichtverstärkung in einer effizienten Weise ermöglicht.
Da gemäß dem ersten Verfahren der Erfindung alle Schritte zur Herstellung einer Vorform einer optischen Faser in einem solchen Zustand durchgeführt werden können, daß die Quartzreaktionsröhre 4 auf der Drehmaschine 2 angebracht ist, ist irgendein komplizierter Arbeitsvorgang wie beispielsweise eine Entfernung der Reaktionsröhre von der Drehmaschine oder die Anbringung der Röhre an der Drehmaschine nicht erforderlich.
Figur 4 ist ein Längsquerschnitt der Quartzreaktionsröhre zur Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform bezüglich des ersten Verfahrens der Erfindung, die derjenigen aus Figur 2B in der ersten Ausführungsform entspricht. In dieser Ausführungsform wird das rußartige Kernglas 26 direkt auf den inneren Wänden der Quartzreaktionsröhre 4 gebildet und danach in der gleichen Weise wie in der voranstehend beschriebenen Ausführungsform verarbeitet, um eine Vorform einer optischen Faser zu erhalten. In diesem Fall entspricht das rußartige Kernglas 26 letztendlich dem Kern-bildenden Abschnitt 32, der in Figur 3B gezeigt ist, und die Quartzreaktionsröhre 4 entspricht dem Ummantelungs-bildenden Abschnitt 34.
Figur 5 ist eine schematische Ansicht, die eine Anordnung einer bekannten Ziehvorrichtung zum Ziehen der Vorform der optischen Faser in eine optische Faser zeigt. Mit 36 ist eine Zuführungseinheit für eine Vorform einer optischen Faser bezeichnet, um nach und nach die Vorform 30 der optischen Faser in einer Richtung nach unten weiter zu transportieren, mit 38 ist ein Erwärmungsofen bezeichnet, in dem die Vorform der optischen Faser erwärmt und an einen unteren Endabschnitt davon geschmolzen wird, mit 39 ist eine gezogene dotierte Faser bezeichnet, mit 40 ist eine Faserdurchmesser-Meßeinheit zum Messen des Durchmessers der dotierten Faser in einem kontaktfreien Zustand bezeichnet, mit 42 ist eine Beschichtungseinheit zum Beschichten der dotierten Faser 39 beispielsweise mit einem Harz bezeichnet, mit 44 ist eine Windenrolle bezeichnet, die sich mit einer gesteuerten Geschwindigkeit dreht, mit 46 ist eine Aufnahmeeinheit zur Aufnahme der dotierten Faser 39 bezeichnet, die von der Windenrolle 44 zugeführt wird, und mit 48 ist eine Faserdurchmesser-Steuereinheit zur Rückkopplungssteuerung der Drehgeschwindigkeit der Windenrolle 44 bezeichnet, um einen mit der Durchmessermeßeinheit 40 gemessenen Durchmesser konstant zu halten. Die Verwendung der Ziehvorrichtung und der Vorform 30 der optischen Faser stellt eine Herstellung einer dotierten Faser sicher, deren Charakteristiken wie beispielsweise eine Konzentration des dotierten Edelerdenelements und der Faserdurchmesser entlang der Länge stabil werden.
Die Absorptionswellenlängencharakteristik der so erhaltenen dotierten Faser ist in Figur 6 gezeigt. Die Ordinatenachse bezeichnet einen Absorptionsverlust (db/m) und die Abszissenachse bezeichnet eine Wellenlänge von Licht, welches für die Messung verwendet wird (nm). Für die Messung wurde eine 0,1 m lange dotierte Faser verwendet. Aus der Figur wurde bestätigt, daß die Absorptionsspitzen von Er³&spplus; deutlich erkannt wurden und die dotierte Faser als ein faseroptischer Verstärker verwendet werden konnte.
Figur 7 ist ein Graph, der den Zusammenhang zwischen dem gefundenen oder gemessenen Wert der Er-Konzentration in dem Kern (auf Grundlage der Absorptionswellenlängencharakteristik) und dem berechneten Wert der Konzentration von Er in der eingebrachten Lösung relativ zu der Gesamtmenge des Kernglases zeigt. Aus dem Graph läßt sich entnehmen, daß wenn die Konzentration oder Menge der eingebrachten Lösung eingestellt ist, die Konzentration von Er in dem Kern auf einen gewünschten Pegel eingestellt werden kann.
Figur 8 ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines Hauptteils einer Herstellungsvorrichtung einer Vorform für eine optische Faser zeigt, die zur Ausführung eines Vergleichsverfahrens verwendet wird. Gleiche Bezugszahlen wie in Figur 1 bezeichnen gleichen Teile der Einfachheit halber. Mit so ist ein Lösungssprüher bezeichnet, um eine Lösung einer Verbindung eines Edelerdenelements aufzusprühen, welche als ein Lösungsmittel verwendet wird. Die aufgesprühte Lösung wird durch eine Zuführungssteuereinheit 52 an ein Lösungszuführungsrohr 18 zugeführt. Das Lösungszuführungsrohr 18 weist eine Düse an seiner Spitze auf, die auf der Seite der Reaktionsröhre vorgesehen ist, wie nachstehend beschrieben. Das Lösungszuführungsrohr 18 wird mittels einer Antriebseinheit 54 mit einer gegebenen Geschwindigkeit angetrieben, so daß die Düse in die Quartzreaktionsröhre 4 entlang der Länge der Reaktionsröhre 4 bewegt wird.
Die Figuren 9A-9D sind Erklärungsansichten, die eine Abfolge von Herstellungsschritten einer Vorform einer optischen Faser gemäß dem Vergleichsverfahren zeigen, wobei gleiche Bezugszahlen wie in dem ersten Prozeß gemäß der Erfindung gleiche Teile bezeichnen.
Wie in Figur 9A gezeigt, wird der Überzugs-Glasfilm 24 auf den inneren Wänden der Quartzreaktionsröhre 4 gebildet.
Danach wird das rußartige Kernglas 26 auf dem Überzugs- Glasfilm 24 gebildet, wie insbesondere in Figur 9B gezeigt.
Wenn die Quartzreaktionsröhre 4 und dergleichen auf eine geeignete Temperatur abgekühlt sind, wird das Lösungszuführungsrohr 18 mit einer gegebenen Geschwindigkeit entlang der Länge der Reaktionsröhre 4 bewegt, während eine atomisierte Lösung von einer Düse 56 gesprüht wird, die an einer Spitze des Lösungszuführungsrohrs 18 angebracht ist oder direkt an der Spitze gebildet ist, wie in Figur 9C gezeigt. Die atomisierte Lösung wird über das rußartige Kernglas 26 gesprüht und in das poröse rußartige Kernglas 26 getränkt. Die Bewegung des Lösungszuführungsrohrs 18 mit einer gegebenen Geschwindigkeit stellt eine gleichmäßige Imprägnierung der Lösung entlang der Länge der Reaktionsröhre 4 sicher. Somit weist die sich ergebende Vorform der optischen Faser eine gleichförmige Konzentration des dotierten Edelerdenelements in der Vorform der optischen Faser entlang ihrer Länge auf. Die Lösung wird gesprüht, während die Reaktionsröhre 4 gedreht wird, so daß die Menge der imprägnierten Lösung in dem rußartigen Kernglas 26 entlang des Umfangs der Reaktionsröhre 4 gleichmäßig gemacht werden kann. Die Imprägnierungsmenge der Lösung, die die Konzentration des dotierten Edelerdenelements beeinflußt, kann durch Steuern der Konzentration oder Zuführung der Lösung oder der Geschwindigkeit einer Bewegung des Lösungszuführungsrohrs 18 gesteuert werden. Die Lösung kann in der gleichen Weise wie in den Ausführungsformen des ersten Verfahrens der Erfindung formuliert sein.
Nach einer Dehydratisierung wird das poröse rußartige Kernglas 26 wie in Figur 9D gezeigt verglast, wodurch ein Kernglasfilm 26' auf dem Überzugs-Glasfilm 24 gebildet wird.
Schließlich wird die gesamte Anordnung zusammenfallen gelassen, um eine Vorform einer optischen Faser zu erhalten. Der Verglasungsschritt des rußartigen Kernglases 26 kann nicht ausgeführt werden, aber das Zusammenfallen kann in der Form des rußartigen Kernglases 26 bewirkt werden.
Figur 10 ist eine Ansicht einer Anordnung eines Hauptteils einer Herstellungsvorrichtung für Vorformen von optischen Fasern, die zur Ausführung des zweiten Verfahrens der Erfindung verwendet wird. In der Figur bezeichnen gleiche Bezugszahlen wie in der Vorrichtung aus Figur 1 gleiche Teile und werden nicht besonders erläutert. Mit 58 ist ein Mischer bezeichnet, mit dem das Lösungszuführungsrohr 18 verbunden ist. Der Mischer 58 hat die Funktion eines Mischens einer höchst konzentrierten Lösung einer Edelerdenelementverbindung, als ein Lösungsmittel, welches von dem Lösungstank 60 zugeführt wird, und eines Verdünnungsmittels von einem Verdünnungsmitteltank 62 bei einem gegebenen Mischverhältnis und zum Zuführen der sich ergebenden Mischung an das Lösungszuführungsrohr 18. Eine Bezugszahl 64 bezeichnet eine Lasereinrichtung zum Ausstrahlen eines Laserstrahls, beispielsweise eines He-Ne- Laserstrahls, auf eine Quartzreaktionsröhre 4. Der durch die Reaktionsröhre 4 übertragene Laserstrahl wird mit einem Lichtempfänger 66 empfangen. Das Ausgangssignal von dem Empfänger 66 wird einer Steuerschaltung 68 eingegeben, durch die das Mischverhältnis in dem Mischer 58 gesteuert wird. Der Ausgangssignalpegel des Lichtempfängers 66 entspricht einer transrnittierten Lichtintensität, so daß die Konzentration des dotierten Edelerdenelements in Abhängigkeit von der transmittierten Lichtintensität gesteuert werden kann.
Die Figuren 11A-11E sind Erklärungsansichten einer Abfolge von Herstellungsschritten einer Vorform einer optischen Faser gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten Verfahrens der Erfindung. In diesen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszahlen wie in dem ersten Verfahren und in den Ausführungsformen des ersten Verfahrens gemäß der Erfindung gleiche Teile.
Wie in den Figuren 11A und 11b gezeigt, werden auf den inneren Wänden der Quartzreaktionsröhre 4 der Überzugs- Glasfilm 24 und das rußartige Kernglas 26 gebildet.
Ferner wird, wie in den Figuren 11c und 12 gezeigt, ein Laserstrahl auf die Quartzreaktionsröhre 4 aufgestrahlt, in der der Überzugs-Glasfilm 24 und das rußartige Kernglas 26 gebildet worden sind, um eine Menge von transmittiertem Licht zu messen. Um eine gute Reproduzierbarkeit der Beziehung zwischen der transmittierten Lichtmenge und der Dichte des rußartigen Kernglases 26 zu erhalten, sollte der Lichtpfad des von der Lasereinrichtung 64 emittierten Strahls bezüglich der Reaktionsröhre 4 in der Position unveränderlich sein. Vorzugsweise sollte sich der Lichtpfad an der Mittenachse der Reaktionsröhre 4 befinden.
Der Zusammenhang zwischen der Dichte des rußartigen Kernglases 26 und der transmittierten Lichtmenge ist schematisch in den Figuren 13A und 13B dargestellt. Wenn die Korngröße des rußartigen Kernglases 26 mit einer relativ geringen Dichte wie in Figur 13A groß ist, dann wird die Streuung und die Frequenz der Fresnel-Reflexion des auf das rußartige Kernglas 26 auffallenden Laserstrahls gering mit einer relativ großen transmittierten Lichtmenge. Wenn die Dichte des rußartigen Kernglases 26 gering ist, wird die Raumbelegungsrate des Glases relativ gering. Für die Imprägnierung der Lösung in dem rußartigen Kernglas 26 nimmt die Menge der Lösung, die pro Einheitsvolumen imprägniert werden kann, zu. Demzufolge wird zur Erreichung einer Konzentration des dotierten Edelerdenelements mit dem gleichen Grad wie für das großartige Kernglas 26 mit einer hohen Dichte, die Konzentration der Lösung so gesteuert, daß sie gering ist. Wenn andererseits das rußartige Kernglas 26 eine kleine Korngröße und eine hohe Dichte aufweist, wie in Figur 13B gezeigt, wird die Streuung und die Reflexionsfrequenz des auf das rußartige Kernglas 26 einfallenden Laserstrahls hoch, mit einer relativ geringen transmittierten Lichtmenge. Die hohe Dichte des rußartigen Kernglases 26 führt zu einer relativ hohen Raumbelegungsrate, was zu einer Verringerung der pro Einheitsvolumen zu imprägnierenden Lösungsmenge führt. Um eine Konzentration eines dotierten Edelerdenelements mit dem gleichen Pegel wie für den Fall, daß das rußartige Kernglas eine niedrige Dichte aufweist, zu erhalten, sollte die Konzentration der zu imprägnierenden Lösung vorzugsweise hoch sein.
Auf Grundlage des Zusammenhangs zwischen der Dichte des rußartigen Kernglases 26 und der transmittierten Lichtmenge wird die Lösung, deren Konzentration in Abhängigkeit von der transmittierten Lichtmenge gesteuert wird, in die Reaktionsröhre 4 in dem in Figur 11d gezeigten Schritt eingebracht. Um ein Lecken der eingebrachten Lösung von den Seiten der Reaktionsröhre 4 zu vermeiden, sind die verengten Abschnitte 28 vor der Einbringung der Lösung gebildet, genauso wie bei der Ausführungsform des ersten Verfahrens gemäß der Erfindung. Auf Grundlage des unter Bezugnahme auf die Figuren 13A und 13B dargestellten Prinzips wird die Konzentration der Lösung innerhalb eines Bereichs von 0,001-1 Gewichtsprozent gesteuert und die Menge ist beispielsweise im Bereich von 5-20 ml. Das Verdünnungsmittel kann ein Lösungsmittel für die Lösung sein. Die Steuerung der Konzentration der in das rußartige Kernglas zu imprägnierenden Lösung wie in dieser Ausführungsform bewirkt, daß eine gegebene Konzentration des Edelerdenelements in den Kern unabhängig von den Eigenschaften des rußartigen Kernglases dotiert wird.
Die nachfolgenden Schritte sind diejenigen, die in dem ersten Verfahren der Erfindung verwendet werden und sie werden hier nicht erläutert.
Der Querschnitt der so erhaltenen optischen Faservorform ist in Figur 14 gezeigt. Die Vorform der optischen Faser, die nach einem Zusammenstürzen erhalten wird, ist aus dem Kernbildenden Abschnitt 32, der nach einem Ziehen in einen Kern gebildet wird, und aus dem Ummantelungs-bildenden Abschnitt 34 gebildet, der in eine Ummantelung gebildet wird.
Wenn die Konzentration von Er in der Lösung auf 1% für die Herstellung einer Vorform einer optischen Faser gesteuert wird, kann die Konzentration des dotierten Er in dem Kernbildenden Abschnitt 32 innerhalb eines Bereichs von 10- 5000 ppm bei einer Genauigkeit von ± 20% gesteuert werden. Unter Berücksichtigung einer Genauigkeit des Standes der Technik von ± 100% ist ersichtlich, daß die Steuerung der Dotierungskonzentration sehr genau ist.
Es ist bekannt, daß mit dotierten Fasern ein Gewinn nur bei einer eingegebenen Lichtenergie erzeugt wird, die größer als ein vorgegebenes Niveau einer eingegebenen Lichtenergie von Pumplicht ist und daß keine Lichtverstärkung bei einem kleineren Pegel einer Lichtenergie durchgeführt wird. Nicht nur angesichts der obigen Tatsache, sondern auch angesichts der Tatsache, daß das Modenfeld von Ausbreitungslicht einer optischen Faser eine Gauss-Verteilung aufweist, wird eine effiziente Lichtverstärkung möglich, indem die Dotierungskonzentration gesteuert wird, so daß die Konzentration an dem Mittenabschnitt des Kerns höher ist, vorausgesetzt, daß der Gesamtbetrag des in dem Kern vorhandenen Edelerdenelements sich auf einem gegebenen Niveau befindet. Wenn beispielsweise die Konzentration des dotierten Edelerdenelements entlang der radialen Richtung des Kerns konstant gemacht wird, wird eine Lichtenergie an Abschnitten in der Nähe des Umfangs des Kerns mit einem zunehmenden Verlust durch Absorption geringer. Im Gegensatz dazu wird die Dotierungskonzentration positiv an dem zentralen Abschnitt des Kerns angehoben, an dem eine ausreichende Lichtenergie zur Verursachung eines Gewinns erzeugt wird, was eine Verstärkung von Licht in einer effizienten Weise ermöglicht.
Zum Erhalten einer derartigen Konzentrationsverteilung, so daß die Dotierungskonzentration an dem zentralen Abschnitt des Kerns in dem zweiten Verfahren der Erfindung höher ist, wird beispielsweise die folgende Prozedur durchgeführt. Die Bildung des rußartigen Kernglases 26 in der Reaktionsröhre 4 (erster Schritt), eine Messung einer transmittierten Lichtmenge (zweiter Schritt), eine Imprägnierung der Lösung in das rußartige Kernglas 26 (dritter Schritt) und eine Verglasung des rußartigen Kernglases 26 (vierter Schritt) werden mehrmals in dieser Reihenfolge ausgeführt. Gleichzeitig wird die Konzentration der Lösung, die mit hoher Genauigkeit gesteuert wird, vergrößert, jedes Mal, wenn die obige Prozedur wiederholt wird. Dadurch wird die Verteilung der Konzentration von Er in dem Kern-bildenden Abschnitt 30 entlang der radialen Richtung der sich ergebenden optischen Faservorform in bezug auf die Konzentration von Er an dem zentralen Abschnitt des Kerns wie in Figur 15 gezeigt höher gemacht. Die dotierte Faser, die durch Ziehen der optischen Faservorform erhalten wird, besitzt die Verteilung der Er-Konzentration, die ähnlich zu derjenigen der optischen Faservorform ist. Somit ist es möglich, eine dotierte Faser herzustellen, die sich für eine effiziente Lichtverstärkung eignet.
Die Figuren 16A-16E sind Erklärungsansichten, die eine Abfolge der Herstellungsschritte einer optischen Faservorform gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des dritten Verfahrens der Erfindung zeigen. In dieser Ausführungsform wird die in Figur 1 gezeigte Herstellungsvorrichtung für Vorformen von optischen Fasern verwendet, um direkt das rußartige Kernglas auf den inneren Wänden der Quartzreaktionsröhre zu bilden.
Während die Quartzglasröhre 4, in die Startgase und ein Trägergas eingeführt werden, sich anfänglich dreht, wird die Reaktionsröhre 4 von außen mit dem Brenner erwärmt, der mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit bewegt wird, beispielsweise von der linken Seite nach der rechten Seite in der Figur. Ein feines Oxidglaspulver wird in der Reaktionsröhre 4 abgelagert. Das feine Pulver wird mit dem Brenner 6 erwärmt, um eine erste Schicht eines rußartigen Kernglases 26A zu bilden, wie in Figur 16A gezeigt.
Danach wird eine Zusammensetzung von Startgasen und eine Erwärmungstemperatur wie gewünscht gesteuert, unter denen die Reaktionsröhre 4 wieder von außen mit dem Brenner erwärmt wird, der sich mit einer gegebenen Geschwindigkeit von der rechten zur linken Seite in der Figur bewegt, wodurch eine zweite Schicht eines rußartigen Kernglases 26B auf der ersten Schicht des rußartigen Kernglases 26A gebildet wird, wie in Figur 16B gezeigt. Der Grund, warum die Startgaszusammensetzung unterschiedlich gesteuert wird, liegt darin, daß ein Kern mit einer Brechungsindexverteilung bereitgestellt wird, indem die Konzentration von GeO&sub2; oder dergleichen zur Steuerung des Brechungsindex in dem rußartigen Kernglas in einer stufenartigen Weise geändert wird. Der Grund, warum die Erwärmungstemperatur mit dem Brenner 6 gesteuert wird, liegt darin, daß die Dichte des rußartigen Kernglases verändert wird, um dadurch zu ermöglichen, daß der Kern eine Konzentrationsverteilung des Edelerdenelements aufweist.
In gleicher Weise werden eine Vielzahl von Schichten aus rußartigern Kernglas, beispielsweise insgesamt fünf Schichten, gebildet, wodurch ein rußartiges Kernglas 26 gebildet wird, wie in Figur 16C gezeigt. Die Dichte des rußartigen Kernglases 26 wird allmählich von der Außenseite in Richtung zur Innenseite hin verringert. Eine derartige Dichteverteilung kann beispielsweise erhalten werden, indem die Erwärmungstemperatur um ungefähr 50ºC abgesenkt wird, immer wenn die jeweiligen Schichten des rußartigen Kernglases gebildet werden. Danach wird die Reaktionsröhre 4 mit den verengten Abschnitten 28 versehen, wie in Figur 16C gezeigt.
Das Lösungszuführungsrohr 18 wird in die Reaktionsröhre 4 eingefügt, um die Lösung darin zuzuführen. Die Konzentration des in die optische Faservorform zu dotierenden Edelerdenelements wird in Abhängigkeit von der Menge der in das rußartige Kernglas 26 in diesem Schritt zu irnprägnierenden Lösung bestimmt. Die Menge der imprägnierten Lösung entspricht der Dichte des rußartigen Kernglases 26, so daß die Konzentrationsverteilung des Edelerdenelements in beliebiger Weise in Abhängigkeit von der Verteilung der Dichte eingestellt werden kann.
Nach einer Dehydratisierung, falls erforderlich, wird das poröse rußartige Kernglas 26 verglast, wie in Figur 16E gezeigt, um in der Quartzreaktionsröhre 22 einen Kernglasfilm 26' zu bilden.
Schließlich wird ein Zusammenfallen bewirkt, um eine Vorform einer optischen Faser zu erhalten. Es sei darauf hingewiesen, daß die Verglasung und das Zusammenstürzen des rußartigen Kernglases 26 gleichzeitig durchgeführt werden können. Die Imprägnierung der Lösung in dem rußartigen Kernglas 26 kann durch Eintauchen der Reaktionsröhre mit dem rußartigen Kernglas in die Lösung durchgeführt werden.
Figur 17 ist ein Querschnitt der Quartzreaktionsröhre 4, in dem das rußartige Kernglas 26 gebildet worden ist, und Figur 18 ist ein Graph, der schematisch eine Verteilung der Dichte in dem Querschnitt des rußartigen Kernglases 26 entlang der Schnittlinie A-A in Figur 17 und eine Verteilung der Menge der pro Einheitsvolumen irnprägnierten Lösung zeigt. Die Dichte des rußartigen Kernglases 26 nimmt allmählich von dem Übergang der Quartzreaktionsröhre 4 und dem rußartigen Kernglas 26 in Richtung auf die innere Oberfläche des rußartigen Kernglases 26 ab. Dies hat zur Folge, daß der Betrag der pro Einheitsvolumen imprägnierten Lösung allmählich von dem Übergang in Richtung auf die innere Oberfläche zunimmt.
Die Figuren 19A und 19B sind jeweils Graphen einer Verteilung der Konzentration von dotiertern Er und eine Verteilung des Brechungsindex entlang der radialen Richtung der sich ergebenden optischen Faservorform. Als Folge der Verteilung der Menge der imprägnierten Lösung, wie in Figur 18 gezeigt, ist die Konzentrationsverteilung derart, daß die Er-Konzentration an dem Mittenabschnitt des Kerns höher ist. Somit ist es möglich, eine dotierte Faser herzustellen, die sich für eine effiziente Lichtverstärkung eignet.
Obwohl die Konzentrationsverteilung eines Edelerdenelements auf einen beliebigen Grad eingestellt wird, wird zur Durchführung des dritten Verfahrens der Erfindung die Verteilung des Brechungsindex nicht in unerwünschter Weise verändert. Dies liegt daran, daß die Konzentration eines Dotierungsmittels wie beispielsweise GeO&sub2;, das den Brechungsindex beeinflußt, bei Herstellung des feinen Oxidglaspulvers durch die Gasphasenreaktion ohne irgendeinen Einfluß der Dichte des rußartigen Kernglases zu erfahren, bestimmt worden ist. Demzufolge kann die Konzentrationsverteilung eines Edelerdenelements und die Brechungsindexverteilung jeweils frei unabhängig eingestellt werden.
In der in Figur 19B gezeigten Ausführungsform ist die Brechungsindexverteilung so bestimmt, daß der Brechungsindex an dem Mittenabschnitt des Kerns höher ist. Allerdings kann, wie voranstehend beschrieben, die Brechungsindexverteilung unabhängig von der Konzentrationsverteilung von Er gesteuert werden, z.B. kann der Brechungsindex entlang der radialen Richtung des Kerns auch konstant gemacht werden.
In den Ausführungsformen der ersten bis dritten Verfahren der Erfindung, die voranstehend aufgeführt wurden, wird ErCl&sub3; 6H&sub2;O als der gelöste Stoff verwendet und Ethanol wird als das Lösungsmittel verwendet. Andere gelöste Stoffe und Lösungsmittel können genauso verwendet werden. Die Verbindungen von Edelerdenelementen sind vorzugsweise Halogenide von Edelerdenelementen, aber andere Verbindungen können auch verwendet werden. Beispiele der Lösungsmittelalkohole außer Ethanol und andere Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser können auch verwendet werden.
Wenn Er dotiert wird, kann Licht mit einem Wellenlängenband von 1,55 µm durch die Verwendung eines Pumplichts mit einer Wellenlänge von 0,98 µm oder 1,48 µm verstärkt werden. Wenn Nd dotiert wird, kann Licht mit einem Wellenlängenband von 1,3 µm verstärkt werden, wobei Pumplicht mit einem Wellenlängenband von 0,8 µ verwendet wird. Wenn eine Mischung von Er und Yb dotiert wird, kann Licht mit einem Wellenlängenband von 1,55 µm verwendet werden, wobei Pumplicht mit einer Wellenlänge von 0,84 µm verwendet wird.
Um einen hohen Gewinn über ein breites Wellenlängenband in dem faseroptischen Verstärker unter Verwendung der dotierten Faser zu realisieren, ist es effektiv, Aluminium in den Kern an der Seite von Edelerdenelementen zu dotieren. Somit können die Verfahren der Erfindung auf das Dotieren von Edelerdenelementen und Aluminium angewendet werden. In diesem Fall kann eine Lösung einer Aluminiumverbindung als ein Lösungsstoff eine Alkohol- (z.B. Ethanol-) Lösung aus AlCl&sub3; sein.
Obwohl ErCl&sub3;, welches als eine Edelerdenelementverbindung verwendet wird, in Alkoholen nur in der Form eines Hexahydrats (ErCl&sub3; 6H&sub2;O) aufgelöst wird, wird AlCl&sub3; in einer wasserfreien Form aufgelöst werden. Wenn eine Alkohollösung aus AlCl&sub2; in ein rußartiges Kernglas imprägniert wird, ist eine natürliche Trocknung ausreichend, so daß ein Dehydratisierungsschritt weggelassen werden kann. Wenn die Dehydratisierung mittels einer Erwärmung durchgeführt wird, neigt eine Aluminiumverbindung dazu, zu sublimieren. In diesem Sinn ist die Vermeidung des Dehydratisierungsschritts effektiv, um eine zufriedenstellende Konzentration von dotiertem Aluminium zu erhalten. Von diesem Standpunkt ist bevorzugt, daß zunächst eine Lösung einer Edelerdenelementverbindung als ein Lösungsstoff in ein rußartiges Kernglas imprägniert wird und für eine Dehydratisierung erwärmt wird. Danach wird eine Lösung einer Aluminiumverbindung als ein Lösungsstoff in das rußartige Kemgias imprägniert und bei normalen Temperaturen getrocknet, gefolgt von einem Zusammenfallen, um eine optische Faservorform zu erhalten. Das Ziehen der so erhaltenen optischen Faservorform kann dotierte Fasern mit einem hohen Gewinn über einem breiten Wellenlängenbereich bereitstellen.

Industrielle Anwendung

Wie voranstehend beschrieben, ist das Verfahren zur Herstellung einer Vorform einer optischen Faser gemäß der Erfindung auf die Herstellung von dotierten optischen Fasern für faseroptische Verstärker anwendbar, wobei Edelerdenelemente in den Kern dotiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Vorform einer optischen Faser, umfassend die folgenden Schritte:

den ersten Schritt, in dem ein rußartiges Kernglas gebildet wird, indem ein feines Pulver aus einem Oxidglas erwärmt wird, welches durch eine Darnpfphasenreaktion in einer Quartzreaktionsröhre abgelagert ist;

den zweiten Schritt, in dem die Quartzreaktionsröhre erwärmt wird, um einen verengten Abschnitt der Quartzreaktionsröhre an gegenüberliegenden Seiten des rußartigen Kernglases zu bilden;

den dritten Schritt, in dem eine Lösung, die eine Verbindung eines Edelerdenelements als einen Lösungsstoff enthält, zwischen die verengten Abschnitte der Quartzreaktionsröhre eingebracht wird, wodurch eine Imprägnierung der Lösung in das rußartige Kernglas ermöglicht wird;

den vierten Schritt, in dem ein Lösungsmittel der in die Quartzreaktionsröhre eingebrachten Lösung verdampft wird;

den fünften Schritt, in dem das Lösungsstoff-enthaltende rußartige Kernglas erwärmt wird, bis das Glas verglast ist; und

den sechsten Schritt, in dem die Quartzreaktionsröhre zum Zusammenfallen erwärmt wird.

2. Verfahren zum Herstellen einer Vorform einer optischen Faser gemäß Anspruch 1, ferner umfassend:

den siebten Schritt zwischen den ersten und zweiten Schritten, in dem ein Laserstrahl durch die Quartzreaktionsröhre übertragen wird, in der das rußartige Kernglas in dem ersten Schritt gebildet worden ist, wodurch eine transrnittierte Lichtmenge gemessen wird; und

den dritten Schritt, der das Einbringen der Lösung der Verbindung eines Edelerdenelements, welches als der Lösungsstoff verwendet wird, in die Quartzreaktionsröhre in einer gesteuerten Menge in Abhängigkeit von der transmittierten Lichtmenge eingebracht wird, wodurch eine Imprägnierung der Lösung in das rußartige Kernglas ermöglicht wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer Vorform einer optischen Faser gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Lösung in dem dritten Schritt so gesteuert wird, daß die Konzentration mit einer Zunahme der transmittierten Lichtrnenge verringert wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer Vorform einer optischen Faser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, siebten und dritten bis fünften Schritte mehrmals in dieser Reihenfolge wiederholt werden, in solcher Weise, daß die Lösung, die relativ zu einer gegebenen transmittierten Lichtmenge gesteuert wird, so erstellt wird, daß sie eine unterschiedliche Konzentration für jede Wiederholung aufweist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Vorform einer optischen Faser gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Lösung, die relativ zu der gegebenen transmittierten Lichtmenge gesteuert wird, erhöht wird, wenn die ersten, siebten und dritten bis fünften Schritte wiederholt werden.

6. Verfahren zur Herstellung einer Vorform einer optischen Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schritt mehrmals wiederholt wird, während unterschiedliche Erwärmungstemperaturen für das feine Pulver aus Oxidglas verwendet werden.

7. Verfahren zur Herstellung einer Vorform einer optischen Faser gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungstemperatur für das feine Pulver aus Oxidglas abgesenkt wird, jedes Mal, wenn der erste Schritt wiederholt wird.

8. Verfahren zur Herstellung einer Vorform einer optischen Faser gemäß Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das rußartige Kernglas auf einem Überzugs-Glasfilm gebildet wird, der auf inneren Wänden der Quartzreaktionsröhre gebildet ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Vorform einer optischen Faser gemäß Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das rußartige Kernglas direkt auf inneren Wänden der Quartzreaktionsröhre gebildet wird.