DE69303960T2

DE69303960T2 - Herstellungsverfahren von mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid für optische Glasfaservorformen

Info

Publication number: DE69303960T2
Application number: DE69303960T
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Nozawa; Tetsuya Sakai; Daiichirou Tanaka; Akira Wada; Ryozo Yamauchi
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1992-04-07
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2013-04-07
Also published as: SG43149A1; DE69303960D1; EP0565439B1; JP2766420B2; EP0565439A1; JPH05286726A; US5526459A; US5474588A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mit Erbium dotiertes Siliciumdioxid, das zur Herstellung optischer Fasern geeignet ist, die in der Technik mit optischen Fasern verwendet werden, einschließlich der direkten optischen Verstärkung, und insbesondere auf ein Herstellungsverfahren von mit Erbium, Aluminium und Phosphor dotiertem Siliciumdioxid, bei dem Aluminium, Phosphor u.dgl. als Codotierungsmittel zusätzlich zu Erbium verwendet werden und das eine Vergrößerung des Verstärkungs-Wellenlängenbereiches ermöglicht.
Die direkte optische Verstärkung mittels optischer Fasern, die mit Seltenerdmetallen dotiert sind, ist ein Beispiel einer optischen Fasertechnik, die in letzter Zeit Aufmerksamkeit erregt hat. Fig. 6 stellt ein Beispiel einer solchen Verstärkungstechnik dar. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Verstärker wird das Pumplicht 3 einer (nicht in der Zeichnung dargestellten) Pumplichtquelle in eine optische Faser 1 geleitet (besonders optimistisch, da diese optische Faser 1 eine mit Er dotierte Einmodefaser ist, die zur optischen Verstärkung im 1,55 µm Wellenlängenbereich dient), wobei ein nach dem Wellenlängenmultiplex-Verfahren arbeitender optischer Koppler 2 verwendet und gleichzeitig ein Signallicht 4 durch einen Isolator 6a hindurch eingeführt wird. Dadurch wird die Energie der Erbiumionen, die durch das Pumplicht 3 angeregt wurden, mittels induzierter Emission auf das Signallicht 4 übertragen, so daß das dadurch verstärkte Signallicht durch einen Isolator 6b hindurchgeht und in einen Faserkanal 5 übertragen wird.
Einfache allein mit Erbium dotierte optische Fasern, die einen allein mit Erbiumionen dotierten Kern haben, haben einen Verstärkungswellenlängenbereich, der in der Nähe des 1,55 µm Wellenlängenbereiches (1,53 µm bis 1,56 µm) instabil ist, wie es durch die Linie A im Graphen der Fig. 7 dargestellt ist, wenn ein kleines Signal verwendet wird. Deshalb sind derartige Fasern zur Verwendung als Materialien für die Herstellung einer optischen Faser 1 ungeeignet, die den obigen optischen Verstärker bildet, der ein Signallicht benötigt, das eine sehr hohe Verstärkungswellenlängenbereichsstabilität aufweist.
Eine durch Erbium und Aluminium dotierte optische Faser mit einem Kern, der durch Erbiumionen und Aluminiumionen dotiert worden ist, die den Verstärkungswellenlängenbereich der Erbiumionen stabilisieren, ist bereits vorgeschlagen worden. Diese mit Erbium und Aluminium dotierte optische Faser hat bekanntlich eine geringe Abhängigkeit der Verstärkung von der Wellenlänge in der Nähe des 1,55 µm Wellenlängenbereichs im Vergleich zu der allein mit Erbium dotierten optischen Faser, wie es durch die Linie B in dem Graphen nach Fig. 7 dargestellt ist.
Vorzugsweise wird beispielsweise ein Axialaufdampfverfahren bei der Herstellung der mit Erbium und Aluminium dotierten optischen Fasern, die oben beschrieben wurden, angewandt. Bei diesem Verfahren wird zunächst, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, ein Glaskeimstab 12 in einer Reaktionskammer 11 angeordnet. Als nächstes wird Wasserstoff- und Sauerstoffgas einem Brenner 13 zugeführt, der in der Reaktionskammer 11 angeordnet ist und eine Flamme erzeugt. Diese Flamme wird auf das vordere Ende des Glaskeimstabs 12 gerichtet, wobei SiCl&sub4;-Gas, bestehend aus verdampftem flüssigem SiCl&sub4;, durch den Brenner 13 geleitet und einer Pyrolyse unterzogen wird, SiO&sub2;-Mikroteilchen (Pulver) gebildet werden und dieses Pulver auf dem vorderen Ende des Glaskeimstabs 12 zur Bildung einer Pulvervorform 14 niedergeschlagen wird. Als nächstes wird die so gebildete Pulvervorform 14 in eine Alkohollösung aus ErCl&sub3; und AlCl&sub3; getaucht, getrocknet, erhitzt und in einer Atmosphäre aus He o.dgl. transparent gemacht und eine Vorform, die mit Erbiumionen und Aluminiumionen gemeinsam dotiert wird, auf diese Weise hergestellt.
Als nächstes wurde eine optische Faservorform unter Verwendung der obigen Vorform als Kernvorform hergestellt. Beispielsweise wurden hierbei folgende Verfahren angewandt: ein Verfahren, bei dem die obige Kernvorform in ein Loch zur Kernvorformeinführung im mittleren Teil einer getrennt hergestellten Verkleidungsvorform eingeführt wurde, diese geschmolzen wurde, um eine einstückige Struktur zu bilden, und auf diese Weise eine optische Faservorform gebildet wurde; ein Verfahren, bei dem Pulver zur Verkleidung auf dem äußeren Umfang der obigen Kernvorform niedergeschlagen (aufgedampft) wurde, die so gebildete Pulvervorform zur Ver kleidung erhitzt wurde, um sie transparent zu machen, und so die Verkleidung gebildet wurde, wobei auf diese Weise eine optische Faservorform gebildet wurde; und dergleichen Verfahren.
Schließlich wurde diese optische Faservorform einer Faserziehung unterzogen und eine erbium-aluminium-codotierte optische Faser hergestellt.
Wenn bei diesen Verfahren jedoch die Dotierungskonzentration von AlCl&sub3; im Siliciumdioxid 3 Gew.-% überschreitet, wird AlCl&sub3; auskristallisiert, so daß ein Kristall aus AlCl&sub3; im Siliciumdioxid gebildet wird und das Problem auftrat, daß AlCl&sub3; nicht mit hohen Konzentrationen dotiert werden konnte.
Um das Auskristallisieren von AlCl&sub3; zu verhindern, ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Phosphorverbindung (z.B. POCl&sub3;), das die Wirkung hat, das Auskristallisieren von AlCl&sub3; zu unterdrücken, zusammen mit SiCl&sub4; durch den Brenner 13 geleitet und auf diese Weise der Pulvervorform 14 zugeführt wird. Danach wird diese mit einer Alkohollösung aus ErCl&sub3; und AlCl&sub3; nach einem Axialaufdampfungs-Eintauchverfahren, das mit dem oben beschriebenen übereinstimmt, imprägniert, dann getrocknet und die Pulvervorform 14 erhitzt und transparent gemacht.
Nachdem nach diesem Verfahren Pulver auf dem vorderen Ende des Glas-Keimstabs 12 niedergeschlagen wurde, wird eine Phosphorverbindung mit der Wirkung, die Auskristallisierung von AlCl&sub3; zu unterdrücken, in das Pulver dotiert und die so gebildete Pulvervorform 14 mit der eindotierten Phosphorverbindung erhitzt und in einer gemischten Atmosphäre aus Gasen, die durch die Sublimation von ErCl&sub3; und AlCl&sub3; erzeugt wird, erhitzt und transparent gemacht, so daß eine Vorform gebildet wird; auf diese Weise wurde versucht, eine hohe Dotierungskonzentration von Aluminiumionen in der Siliciumdioxid-Vorform durch Verhinderung der Kristallisation von AlCl&sub3; zu realisieren.
Wie jedoch schon erläutert wurde, wird, wenn Pulver beim Niederschlagen mit einer Phosphorverbindung dotiert wird, die Viskosität des mit Phosphor dotierten Pulvers verringert, und infolge dieser Verringerung der Pulverviskosität nimmt die Massendichte der Pulvervorform 14 in unerwünschter Weise zu, so daß sich das Problem ergibt, daß die Dotierungskonzentration der Aluminiumverbindung verringert wird.
Ferner wird das Dotieren von Pulver mit einer Phosphorverbindung, während das Pulver kontinuierlich auf dem vorderen Ende des Glas-Keimstabs 12 niedergeschlagen wird, mittels des Brenners 13 durchgeführt, so daß sich das Problem ergibt, daß infolge der Unregelmäßigkeiten der Erhitzungstemperatur dieses Brenners 13 die Dotierungskonzentration der Phosphorverbindung und die Konzentration der anderen Dotierungsmittel, mit denen später in flüssiger Phase dotiert wurde, zwischen dem mittleren Bereich der Pulvervorform 14, die eine hohe Erhitzungstemperatur hat, und dem Umfangsbereich der Pulvervorform 14, die eine niedrige Erhitzungstemperatur hat, nicht gleichmäßig ist.
Ferner sind die Unterschiede der Viskosität aufgrund von Unterschieden in der Phosphorkonzentration groß, so daß es schwierig ist, die Pulvervorform zu erhitzen und transparent zu machen, während sie gesintert wird, und es ergibt sich das Problem, daß es schwierig ist, massives Glas zu erzeugen, da sich die Schrumpfung der Innenseite der Pulverform fortsetzt, obwohl ihre Außenseite pulverförmig bleibt.
Die EP-A-0 466 932 offenbart ein Quarzglas, das mit Seltenerdenelementen (Er oder Nd) und Aluminium, optional auch mit Germanium oder Phosphor, dotiert wird, wobei es durch Dotierung einer porösen Siliciumdioxidpulver-Vorform mit Germanium oder Phosphor aus der Dampfphase und anschließendes Codotieren mit Aluminium und entweder Er oder Nd aus einer Lösung hergestellt wird. Diese vorveröffentlichte Patentanmeldung beschreibt mithin ein Verfahren, das die im Oberbegriff des Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung angegebenen Merkmale aufweist. Das "Journal of Lightwave Technology", Heft 9, Nr. 2, Februar 1991, Seiten 220 bis 227 gibt einen Überblick über die Herstellung und Eigenschaften von mit Erbium dotierten Fasern für optische Verstärker. Die JP-A-03 252 320 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglases, das mit Erbium und Aluminium dotiert ist. Keine dieser Veröffentlichungen lehrt oder schlägt vor die Verwendung von Dotierungsmitteln aus Erbium-, Aluminium- und Phosphorionen die zusammen aus einer Lösung in einen Kern aus einer optischen Faser eingebracht werden.
Ziel der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid anzugeben, das eine homogene und hochkonzentrierte Dotierung von Siliciumdioxidglas mit Codierungsmitteln, die Erbiumverbindungen, Aluminiumverbindungen und Phosphorverbindungen enthalten, ermöglicht.
Die Erfindung besteht daher in einem Herstellungsverfahren für mit Erbium dotierten Siliciumdoxid nach Anspruch 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren von mit Erbiumdotiertem Siliciumdioxid wird bei dem Dotierungsvorgang die bei der Pulverbildung gebildete Pulvervorform in eine Lösung getaucht, die eine Erbium-, eine Aluminium- und eine Phosphorverbindung enthält, getrocknet oder entwässert und hierbei eine mit dieser Erbium-, Aluminium- und Phosphorverbindung imprägnierte Pulvervorform hergestellt, so daß die Dotierungsmittelkonzentrationen und die anteilsmäßige Verteilung der Erbiumverbindung, Aluminiumverbindung und Phosphorverbindung in der Pulvervorform nach der Imprägnierung auf extrem genaue und homogene Weise gesteuert werden kann. Die Vorform, die durch das Erhitzen und Transparentmachen dieser Pulver-Vorform, die auf diese Weise imprägniert worden ist, gebildet wird, ist mithin ein mit Erbium, Aluminium und Phosphor dotiertes Siliciumdioxidmaterial, das eine Dotierungsmittelkonzentration und eine anteilmäßige Verteilung von Erbiumionen, Aluminiumionen und Phosphorionen aufweist, die in radialer Richtung und Längsrichtung der Vorform extrem genau und homogen sind.
Ferner hat die Vorform eine Dotierungsmittelkonzentration und anteilmäßige Verteilung der Erbiumionen, Aluminiumionen und Phosphorionen, die in ihrer Radial- und Längsrichtung extrem genau und homogen sind, so daß bei einer optischen Faser, die mittels einer solchen Vorform als deren Kern hergestellt wird, die Probleme, die bei mit Erbium dotierten optischen Fasern existieren, die nach herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, d.h. die niedrige Konzentration von Erbiumionen und Aluminiumionen im Kernbereich, gelöst sind. Ein mittels der optischen Faser hergestellter optischer Verstärker hat daher einen Anregungswirkungsgrad, der deutlich höher als der eines herkömmlichen optischen Verstärkers ist.
Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren von mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid die Pulvervorform mit einer Aluminiumverbindung und einer Phosphorverbindung dotiert, was die Unterdrückung der Auskristallisierung dieser Aluminiumverbindung - zusätzlich zu der Erbiumverbindung - zur Folge hat, so daß die Auskristallisierung der Aluminiumverbindung bei dem Vorformbildungsprozeß unterdrückt wird und es auf diese Weise möglich ist, die Dotierungskonzentration der Aluminiumionen in der Vorform auf einen hohen Wert einzustellen.
Außerdem hat die Vorform eine hohe Dotierungskonzentration an Aluminiumionen, wie bereits erläutert wurde, so daß eine optische Faser mit dieser Vorform als Kern einen großen Verstärkungswellenlängenbereich im Vergleich zu herkömmlichen mit Erbium dotierten optischen Fasern hat. Daher ist es möglich, den Verstärkungswellenlängenbereich eines optischen Verstärkers, der mittels solcher optischer Fasern hergestellt wird, zu vergrößern.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt ein Beispiel einer Vorrichtung zur Herstellung eines mit Erbium dotierten Siliciumdioxids dar, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens von mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid geeignet ist.
Fig. 2 stellt einen Teil des Prozesses dar, der bei der Herstellung einer mit Erbium dotierten optischen Faser ausgeführt wird, bei der als Kern mit Erbium dotiertes Siliciumdioxid verwendet wird, das mittels der Vorrichtung nach Fig. 1 hergestellt wird.
Fig.3 ist eine graphische Darstellung der Massendichteverteilung einer Pulvervorform 34, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hergestellt wird.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Konzentrationsverteilung von Erbiumionen und Aluminiumionen in einer Vorform 42 (in radialer Richtung), die nach einer bevorzugten Ausführungsform hergestellt wurde.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung von Ergebnissen einer Messung des Verstärkungswellenlängenbereichs in der Nähe des 1,55 µm Wellenlängenbereichs (1,53 µm bis 1,56 µm) bei einer optischen Faser 45, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde.
Fig. 6 dient der Erläuterung eines Beispiels der Technik der direkten optischen Verstärkung, bei dem eine mit einem Seltenerdemetall dotierte optische Faser verwendet wird und die ein Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung des Verstärkungswellenlängenbereichs in der Nähe des 1,55 µm Wellenlängenbereichs (1,53 µm bis 1,56 µm) einer lediglich mit Erbium dotierten optischen Faser.
Fig. 8 stellt eine Vorrichtung zur Axialaufdampfung dar, die für die Durchführung eines herkömmlichen Herstellungsverfahrens von mit Erbium und Aluminium dotierten optischen Fasern geeignet ist.

Ausführlichebeschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens von mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid ausführlich anhand der Figuren beschrieben. Fig. 1 stellt ein Beispiel einer Vorrichtung zur Herstellung von mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid dar, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid geeignet ist. In der Figur ist mit 21 eine Axialaufdampfungsvorrichtung, mit 31 ein Behälter mit einer Dotierungsmittellösung und mit 41 ein Heizofen für eine Vorform bezeichnet.

(1) Pulverbildungsprozeß

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid mittels der erwähnten Vorrichtung zur Herstellung von mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid wird zunächst eine Pulvervorform in der Axialaufdampfungsvorrichtung 21 gebildet. Diese Axialaufdampfungsvorrichtung 21 enthält eine Reaktionskammer 22; einen Brenner 23, der am Boden dieser Reaktionskammer 22 vorgesehen ist und eine Öffnung hat, die der Innenseite der Reaktionskammer 22 zugewandt ist; einen Kanal 24, der mit der Reaktionskammer 22 verbunden ist und die Einführung von Abgas aus der Reaktionskammer 22 in eine Abgasverarbeitungsvorrichtung 27 gestattet; eine Basismaterial-Hubvorrichtung 25, die über der Reaktionskammer 22 angeordnet ist und einen Glaskeimstab 33, der in der Reaktionskammer 22 angeordnet ist, auf- und abbewegt; und eine Gaszuführvorrichtung 26, die mit dem Brenner 23 in Verbindung steht und Rohmaterialgas, Sauerstoffgas und Wasserstoffgas dem Inneren der Reaktionskammer 22 zuführt.
Bei der Herstellung dieser Pulvervorform in der Axialaufdampfungsvorrichtung 21 wird zunächst das eine Ende eines Siliciumdioxidglaskeimstabs 33 mit der Basismaterial-Hubvorrichtung 25, die über der Reaktionskammer 22 angeordnet ist, verbunden und das andere Ende des Siliciumdioxidglaskeimstabs 33 in der Reaktionskammer 22 so angeordnet, daß es in der Nähe der Öffnung des Brenners 23 liegt.
Als nächstes werden mittels der Gaszuführvorrichtung 26 etwa 450 bis 550 cc SiCl&sub4; pro Minute, 15 Liter Sauerstoffgas pro Minute und 10 Liter Wasserstoffgas pro Minute in den Brenner 23 geleitet, eine Flammenhydrolyse und eine thermische Oxidationsreaktion durchgeführt, das SiCl&sub4; einer Pyrolyse unterzogen und ein Pulver, das SiO&sub2;-Mikroteilchen aufweist, gebildet, und dieses Pulver auf dem vorderen Ende des Siliciumdioxidglaskeimstabs 33 niedergeschlagen. Ferner wird beim Niederschlagen des Pulvers der Siliciumdioxidglaskeimstab 33 mittels der Basismaterial-Hubvorrichtung 25 nach oben bewegt, Pulver in Richtung des unteren Endes des Siliciumdioxidglaskeimstabs 33 mit einer Geschwindigkeit von 55 bis 65 mm pro Stunde aufgebracht und dadurch eine Pulvervorform 34 mit der gewünschten Länge gebildet.

(2) Dotierungsmittelimprägnierungsprozeß

Als nächstes wird die bei dem Pulverbildungsprozeß gebildete Pulvervorform 34 in einem Dotierungsmittellösungs-Behälter 31 angeordnet, der mit einer Dotierungsmittellösung gefüllt ist, die Dotierungsmittel enthält, eine Erbiumverbindung, eine Aluminiumverbindung und eine Phosphorverbindung, und diese Vorform 34 wird mit der Erbiumverbindung, Aluminiumverbindung und Phosphorverbindung imprägniert.
Als Erbiumverbindungen werden hier beispielsweise ErCl&sub3;, ErCl&sub3; ½H&sub2;O, ErCl&sub3; 6H&sub2;O u.dgl. bevorzugt, doch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Vielmehr kann irgendeine Er-, Al- und P-Verbindung verwendet werden, sofern sie in dem verwendeten Lösungsmittel löslich ist. Ferner kann die Konzentration der Erbiumverbindung in der Dotierungsmittellösung entsprechend den jeweiligen Anforderungen eingestellt werden. Wenn beispielsweise reines Ethanol als Lösungsmittel verwendet wird, sind die verschiedensten Konzentrationsbedingungen möglich, wobei der obere Grenzwert bei 0,54 Gew.-% liegt, bei dem es sich nahezu um die höchste lösliche Konzentration von ErCl&sub3; (Anhydrid) in Ethanol handelt.
Ferner werden unter den hier verwendeten Aluminiumverbindungen vorzugsweise Aluminiumsalze, wie z.B. AlCl&sub3;, AlCl&sub3; 6H&sub2;O u.dgl., verwendet, doch ist vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt; vielmehr kann irgendeine in dem verwendeten Lösungsmittel lösliche Er-, Al- und P-Verbindung verwendet werden, wie im Falle der oben beschriebenen Erbiumverbindung. Ferner sollte in dem Falle, in dem reines Ethanol als Lösungsmittel verwendet wird, die Konzentration der Aluminiumverbindung im Dotierungslösungsmittel beispielsweise unter Gew.-% im Falle von AlCl&sub3; (Anhydrid) liegen. Der Grund hierfür ist, daß wenn dessen Konzentration Gew.-% überschreitet, AlCl&sub3; ausgefällt würde.
Ferner werden unter den hier verwendeten Phosphorverbindungen phosphorige Ester, wie z.B. PO(OC&sub2;H&sub5;), P(OCH&sub3;), PO(OCH&sub3;)&sub3;, PO(OC&sub3;H&sub5;)&sub3; u.dgl. bevorzugt, doch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt; vielmehr kann irgendeine in dem verwendeten Lösungsmittel lösliche Er-, Al- und P-Verbindung verwendet werden. Ferner sollte bei Verwendung von Ethanol als Lösungsmittel die Konzentration der Phosphorverbindung in der Dotierungsmittellösung vorzugsweise im Bereich von 1,0 bis 2,0 Gew.-% liegen, wenn (CH&sub3;O)&sub3;PO verwendet wird. Der Grund hierfür ist, daß wenn deren Konzentration geringer als 1,0 Gew.-% ist, der Phosphordotierungseffekt schwach ist, und wenn ferner diese Konzentration 2,0 Gew.-% überschreitet, die Glasviskosität auf ein unerwünschtes Maß verringert wird.
Ferner umfassen bevorzugte Beispiele des Lösungsmittels&sub1; in dem die oben erwähnten Dotierungsmittel aufgelöst werden, beispielsweise Alkohole, z.B. Ethanol und Methanol u.dgl., und Wasser; die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, da es möglich ist, irgendein Lösungsmittel zu verwenden, das geeignet ist, die verwendeten Dotierungsmittel aufzulösen.
Um die Pulvervorform 34 mit einer Erbiumverbindung, einer Aluminiumverbindung und einer Phosphorverbindung im Dotierungsmittellösungsbehälter 31 zu imprägnieren, wird eine Ethanollösung, die 0,1 bis 0,6 Gew.-% ErCl&sub3;, Gew.-% AlCl&sub3; und 1,0 bis 2,0 Gew.-% PO(OC&sub2;H&sub5;) enthält, in dem Dotierungsmittellösungsbehälter 31 angeordnet und die Pulvervorform 34 in diese Ethanollösung getaucht. Auf diese Weise ergibt sich eine imprägnierte Pulvervorform 35, die aus einer mit den oben beschriebenen Dotierungsmitteln imprägnierten Pulvervorform 34 besteht.

(3) Vorformbildungsprozeß

Als nächstes wird die mit dem Dotierungsmittel imprägnierte Pulvervorform 35, die den beschriebenen Dotierungsmittelimprägnierungsprozeß durchlaufen hat, in dem Erhitzungsofen 41 für Vorformen angeordnet, erhitzt und transparent gemacht, so daß sich eine Vorform 42 ergibt.
Um die Vorform 42 durch Erhitzen und Transparentmachen einer imprägnierten Pulvervorform 35 in dem Erhitzungsofen 41 für Vorformen herzustellen, wird die imprägnierte Pulvervorform 35 zunächst während einer Dauer von 24 bis 240 Stunden bei einer Temperatur von 60 bis 70º C in einer Atmosphäre aus Stickstoffgas oder inertem Gas entwässert. Als nächstes wird diese entwässerte Pulvervorform 35a während einer Dauer von 2,5 bis 3,5 Stunden bei einer Temperatur von 950 bis 1050º C in einer Atmosphäre aus Heliumgas, das Chlorgas in einer Menge von 0,25 bis 0,35 Vol.-% enthält, erhitzt und dehydriert. Ferner wird die Atmosphäre im Erhitzungsofen 41 gegen eine Atmosphäre ausgetauscht, die lediglich aus Heliumgas besteht, und in dieser lediglich aus Heliumgas bestehenden Atmosphäre wird die dehydrierte Pulvervorform 35b während einer Dauer von 3 bis 5 Stunden bei einer Temperatur von 1.400 bis 1.600º C erhitzt und transparent gemacht, so daß sich die Vorform 42 ergibt.
Es ist möglich, diese Vorform 42, die nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren von mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid hergestellt wurde, zur Herstellung einer optischen Faser nach beispielsweise dem nachstehend beschriebenen Verfahren zu verwenden.
Zunächst wird diese Vorform 42 als Kern-Vorform verwen det, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, und diese Kernvorform 42 wird in ein Loch zur Kernvorformeinführung eingeführt, das in dem mittleren Teil einer separat hergestellten Auskleidungsvorform 43 vorgesehen ist. Diese Anordnung wird zur Bildung einer einstückigen Struktur verschmolzen, so daß sich eine optische Faservorform 44 ergibt.
Als nächstes wird diese optische Faservorform 44 in einem Faserziehofen angeordnet, ihr vorderes Ende erhitzt und das Ziehen der Faser durchgeführt, so daß sich eine mit Erbium dotierte optische Faser 45 ergibt.
Wie zuvor erläutert wurde, wird bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren von mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid in dem Dotierungsmittelimprägnierungsprozeß eine Pulvervorform 34 in porösem Zustand in eine Ethanollösung getaucht, die Dotierungsmittel aus ErCl&sub3;, AlCl&sub3; und PO(OC&sub2;H&sub5;) enthält, und dann entwässert, so daß sich eine imprägnierte Pulvervorform 35, die mit Dotierungsmitteln aus ErCl&sub3;, AlCl&sub3; und PO(OC&sub2;H&sub5;) u.dgl. imprägniert ist, ergibt. Auf diese Weise können mithin die Dotierungskonzentration und die Bestandteilsverhältnisverteilung der Erbiumverbindung, Aluminiumverbindung und Phosphorverbindung in der imprägnierten Pulvervorform 35 extrem genau und homogen eingestellt werden. Die sich durch das Erhitzen und Transparentmachen der imprägnierten Pulvervorform 35 ergebende Vorform 42 wird daher zur Herstellung eines mit Erbium, Aluminium und Phosphor dotierten Siliciumdioxids verwendet, das eine Dotierungskonzentration und ein Anteilsverhältnis der Erbiumionen, Aluminiumionen und Phosphorionen aufweist, die in radialer Richtung und in Längsrichtung der Vorform 42 äußerst genau und homogen sind.
Ferner hat die Vorform 42 eine Dotierungskonzentration und ein Anteilsverhältnis der Erbiumionen, Aluminiumionen und Phosphorionen, das in radialer Richtung und in Längsrichtung äußerst genau und homogen ist, wie bereits erwähnt wurde, so daß bei einer optischen Faser mit dieser Vorform 42 als Kern das Problem nicht auftritt, daß auftritt, wenn die mit Erbium dotierte optische Faser nach herkömmlichem Verfahren hergestellt wird, nämlich daß die Konzentration der Erbiumionen und Aluminiumionen im Kernabschnitt niedrig ist. Ein mit derartigen optischen Fasern 45 hergestellter optischer Verstärker hat daher einen Verstärkungswirkungsgrad, der deutlich über dem des herkömmlichen Gegenstands liegt.
Ferner werden bei dem Herstellungsverfahren von mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid gemäß dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel AlCl&sub3; und PO(OC&sub2;H&sub5;), das die Auskristallisation von AlCl&sub3; verhindert, homogen in die Pulvervorform 34 imprägniert, zusätzlich ErCl&sub3;, so daß die Auskristallisation von AlCl&sub3; bei der Vorformbildung unterdrückt wird und es infolgedessen möglich ist, die Dotierungskonzentration der Aluminiumionen in der Vorform 42 auf einen hohen Wert einzustellen.
Ferner hat die Vorform 42 eine hohe Aluminiumionendotierungskonzentration, wie bereits erwähnt wurde, so daß bei einer optischen Faser 45, in der die Vorform 42 als Kern verwendet wird, der Verstärkungswellenlängenbereich im Vergleich zu einer herkömmlichen mit Erbium dotierten optischen Faser stabilisiert wird. Es ist daher möglich, die Bandbreite des Verstärkungswellenlängenbereiches eines mittels solcher optischer Fasern 45 hergestellten optischen Verstärkers zu vergrößern.

(Experimentelles Beispiel)

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid wurde mit einer Vorrichtung ausgeführt, die den gleichen Aufbau wie das beschriebene Ausführungsbeispiel der Hertellungsvorrichtung für mit Erbium dotiertem Siliciumdioxid hatte. Zunächst wurde ein Siliciumdioxidglaskeimstab 33 mit einem Durchmesser von 22 mm hergestellt, dessen eines Ende mit der Basismaterialhubvorrichtung 25 über der Reaktionskammer 22 verbunden wurde und dessen anderes Ende in der Reaktionskammer 22 angeordnet wurde, so daß es in der Nähe der Öffnung des Brenners 23 lag.
Als nächstes wurden Sauerstoff und Wasserstoff in den Brenner 23 geleitet und eine Flamme erzeugt, 500 cc/min SiCl&sub4;-Gas in die Axialaufdampfungsvorrichtung 21 mittels der Rohmaterialgaszuführvorrichtung 26 eingeführt, ferner SiCl&sub4; einer Pyrolyse unterzogen und ein SiO&sub2;-Mikroteuchen aufweisendes Pulver gebildet und dieses Pulver auf dem vorderen Ende des Keimstabs 33 niedergeschlagen. Beim Niederschlagen dieses Pulvers wurde ferner die Basismaterialhubvorrichtung 25 betätigt und der Keimstab 33 nach oben mit einer Geschwindigkeit von 60 mm/h bewegt, um das Pulver niederzuschlagen. Nachdem dieses Verfahren über eine Dauer von fünf Stunden fortgesetzt worden war, ergab sich eine Pulvervorform 34 mit einem zylindrischen Querschnitt, einem Durchmesser von 60 mm und einer Länge von 300 mm in Richtung der unteren Seite des Keimstabs 33.
Die Massendichteverteilung der Pulvervorform 35 mit einem Durchmesser von 60 mm und einer Länge von 300 mm, die sich nach obigem Pulverbildungsverfahren ergab, wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 graphisch dargestellt. Nach Fig. 3 ist die Massendichteverteilung der Pulvervorform 35 in ihrer radialen Richtung homogen, und die Massendichte liegt in einem Bereich von etwa 0,32 g/cm³ bis 0,31 g/cm³.
Als nächstes wurde die in dem Pulverbildungsprozeß gebildete Pulvervorform 34 in eine Ethanollösung getaucht, die 0,1 Gew.-% ErCl&sub3;, 25 Gew.-% AlCl&sub3; und 1,5 Gew.-% PO(OC&sub2;H&sub5;) enthielt, bei Zimmertemperatur, und diese Pulvervorform 34 wurde dabei mit diesen Dotierungsmitteln imprägniert.
Als nächstes wurde die Pulvervorform 35, die den Dotierungsmittelimprägnierungsprozeß durchlaufen und auf diese Weise mit Dotierungsmitteln imprägniert worden war, auf eine Temperatur von 70º C in einer Atmosphäre aus Stickstoffgas erwärmt und auf diese Weise getrocknet bzw. entwässert. Ferner wurde die entwässerte Pulvervorform 35a in einem Heizofen 41 für Vorformen angeordnet, der eine Atmosphäre aus Helium mit Cl&sub2;-Gas in einer Menge von 0,3 % enthielt, eine thermische Dehydrierung über eine Dauer von drei Stunden bei einer Temperatur von 1.000º C durchgeführt und eine dehydrierte Pulvervorform 35b gebildet. Als nächstes wurde die Atmosphäre in dem Heizofen 41 für Vorformen geändert, so daß sie nur Helium enthielt, und die dehydrierte Pulvervorform 35b vier Stunden lang bei einer Temperatur von 1.500º C erwärmt und transparent gemacht, so daß sich die Vorform 42 ergab.
Sodann wurden die Dotierungskonzentrationen von Erbiumionen und Aluminiumionen in dieser Vorform 42, die bei dem Vorformbildungsprozeß hergestellt wurde, gemessen. Dabei ergab sich, daß die Dotierungskonzentration der Erbiumionen bei 1 x 10³ ppm und die der Aluminiumionen bei 6 x 10&sup4; ppm lag.
Ferner wurde die Konzentrationsverteilung der Erbiumionen und der Aluminiumionen in radialer Richtung der Vorform 42 gemessen, und wie sich aus Fig. 4 ergibt, war die Konzentrationsverteilung der Erbiumionen und Aluminiumionen in radialer Richtung der Vorform 42 im wesentlichen homogen.
Als nächstes wurde diese Vorform 42 in das Loch zur Kernvorformeinführung einer Verkleidungsvorform 43 aus mit einem Fluorid dotierten Siliciumdioxid eingeführt, die vorab hergestellt worden war; diese wurde zur Ausbildung einer einstückigen Struktur geschmolzen, wonach sich die optische Faservorform 44 ergab. Diese optische Faservorform 44 wurde zusätzlich in einem Faserziehofen angeordnet, ihr vorderes Ende erhitzt und mit dem Zie hen der Faser begonnen, so daß sich die mit Erbium dotierte optische Faser 45 ergab. Der Verstärkungswellenlängenbereich der auf diese Weise hergestellten optischen Faser 45 wurde in der Nachbarschaft des 1,55 µm Wellenlängenbereichs (1,53 µm bis 1,56 µm) gemessen, und wie die grafische Darstellung in Fig. 5 zeigt, war der Verstärkungswellenlängenbereich im Bereich des 1,55 µm Wellenlängenbereichs stabil.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer optischen Faservorform, deren Kemformungsteil mit Erbium dotiertes Siliciumdioxid aufweist, bei dem die folgenden Schritte ausgeführt werden:

(a) das Aufbringen von porösem Siliciumdioxidglaspulver auf einem Keimstab zur Erzeugung einer porösen Siliciumdixoidglaspulvervorform;

(b) das Imprägnieren der porösen Glaspulvervorform nach Schritt (a) mit Dotierungsmitteln durch Eintauchen der erwähnten Pulvervorform in eine Lösung, die wenigstens eine Erbiumverbindung und eine Aluminiumverbindung enthält;

(c) das Trocknen der nach Schritt (b) mit Dotierungsmitteln imprägnierten Vorform;

(d) das Erhitzen der Vorform nach Schritt (c), um sie transparent zu machen;

dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (b), zur Imprägnierung der Vorform mit Dotierungsmitteln durch Eintauchen, die erwähnte Lösung ferner eine Phosphorverbindung enthält, so daß eine optische Faservorform mit einem Kernformungsteil aus mit Erbium, Aluminium und Phosphor dotiertem Siliciumdioxid-Glas gebildet wird.

2. Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser nach Anspruch 1, bei dem ferner die erwähnte optische Faservorform mit einem Kernformungsteil aus Siliciumdioxid-Glas, das mit Erbium, Aluminium und Phosphor dotiert ist, gezogen wird.

3. Verfahren zum Herstellen einer optischen Faservorform nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Erbiumverbindung ein Erbiumchlorid ist.

4. Verfahren zum Herstellen einer optischen Faservorform nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Aluminiumverbindung ein Aluminiumchlorid ist.

5. Verfahren zum Herstellen einer optischen Faservorform nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Phosphorverbindung ein Phosphorester ist.

6. Verfahren zum Herstellen einer optischen Faservorform nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erwähnte Lösung, die eine Erbiumverbindung, eine Aluminiumverbindung und eine Phosphorverbindung enthält, eine Alkohollösung und/oder eine wässrige Lösung aufweist.