DK158577B - Fremgangsmaade til fremstilling af optiske fibre med ekstremt lave tab i den midterste del af det infraroede omraade - Google Patents

Description

i

DK 158577B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af optiske fibre med ekstremt lave tab i den midterste del af det infrarøde område, hvor det materiale, der anvendes til præfabrikation udgøres af meta1 ha logenid glas, som opnås fra dampfasere-5 aktanter dannet ved reaktion i et oxygengias-bærerør mellem en organometal1isk forbindelse og det element, hvis halogenidfor-bindelse er ønsket, og en gasformig reaktant indeholdende halogenet, og som derefter afsættes på indervæggen af bærerøret.

10 Der eksisterer forskellige materialer med en minimal intrin-sisk dæmpning på størrelsesordenen 10-2 t*i 1 20“4 dB/km i det spektrale område mellem 2 og 12 pm. De anses derfor for at være velegnede til fremstilling af optiske fibre med ekstremt lave tab til brug i transmissionssystemer med forstærkere med 15 en stor indbyrdes afstand, og som opererer i den midterste del af det infrarøde område. Materialer til fremstilling af optiske fibre må have forskellige egenskaber, nemlig en høj mekanisk modstandsstyke, kemisk og strukturel stabilitet og lav reaktivitet med omgivelserne.

20

Blandt de materiale, som tilfredsstiller disse krav, er halo-genglasser og især f1uoridgi asser med metalfluorider som grundlæggende komponenter.

25 Nogle af hovedfluoridforbindelserne vil blive anført i det følgende; de kan anvendes som "glasdannere" eller som "ma-trixstabi1isatorer" eller "modifikatorer" til fremstilling af fluoridglasstrukturer. For sådanne kemiske forbindelser og for deres metalliske elementer og relevante oxider er smeltepunk- 30 tet Tf, kogepunktet Tj, sublimations- eller dekompositionstemperaturen angivet i det følgende, hvis disse temperaturer kendes.

35

DK 158577 B

2

Tf (eC) Te (°C) A1F3; Al; AI2O3 1291subl; 660.2; 2045 - ; 2467; 2980 5 BaF2; Ba; BaO 1280 ; 725 ; 1293 2173; 1140; 2000

BiF2; Bi; Bi203 727 ; 271.3 ; 820 - ; 1560; 1890

GaF3; Ga; Ga203 800 ; 29.78; 1900 1000; 2403;

GdF3; Gd; Gd203 - ; 1312 ; “ 3000; IO HfF4; Hf; Hf02 - ; 2150 ; 2812 - ; 5400; 5400

LaF3; La; La203 - ; 920 ; 2315 - ; 3469; 4200

LiF ; Li; Li20 842 ; '179 ;>1700 1676; 1317; -

NaF ; Na; Na20 988 ; 97.8 ; 1275subl 1695; 892;

PbF4; Pb; Pb02 855 ; 327.5 ; 290dec 1290; 1744; 15 SCF3; Sc; Sc203 ~ ; 1539 ; - ; 2727; T1F3; TI; Tl203 550dec ; 303 ; 717 - ; 1457; 875dec

ThF4; Th; Th02 >900 · 1700 ; 3050 - ;~4000; 4400

ZnF2; Zn; ZnO 872 ; 419 ; 1975 1500; 907; 20

ZrF4; Zr; Zr02 600subl; 1852 ; 2715 - ; 3578;

Selv om ~glasstrukturer udledt fra elementerne af gruppe II (Be, Zn, Ba) eller gruppe III (Al, Sc, La, Th) kan anvendes, så har matricer udledt fra elementerne af gruppe IV (Hf, Zr) 25 vist sig at være særligt egnet til optisk transmission i den midterste del .af det infrarøde område, der ligger fra 2 til 6 pm. Fluorhafnat- og fluorzirconatglasser, der blev opdaget i Frankrig i 1976, er i almindelig brug og har alle de egenskaber, der er nødvendige for et materiale, der skal anvendes i 30 det optiske telekommunikationsområde.

Nu til dags er disse materialer behandlet med de teknikker, der stammer fra multikomponent-glasteknologi.

35 Ud fra fluoridforbindelser, der er blevet tilvejebragt ved kemisk reaktion med det grundlæggende element eller dets oxid, er blandinger fremstillet med de forskellige komponenter 7 de ønskede koncentrationer.

DK 158577B

3

Derefter foretages udglødning, forglasning og en eventuelt rensning inde i en ovn i en grafit- eller platindigel.

Endelig falder det forglassede materiale sammen i cylindriske 5 stave eller i præforme til udtrækningsdigler eller for direkte trækning.

Alle disse operationer er stærkt forurenede og muliggør ikke nogen kontrol af strukturen af den optiske kerne/belægnings-10 skilleflade, som for oxidglasser eller for halogenglasser er denne direkte materialebehandlingsteknik ikke egnet til fremstilling af optiske strukturer med ekstra lave tab (10-3 - 10“4 dB/Km), med tabsværdier, der teoretisk er mulige for sådanne materialer.

15

Som følge af smelte- og kogepunkterne af forbindelserne og elementerne af TA Bl kan indirekte synteseteknikker, såsom traditionelle CVD-processer ikke anvendes. Uorganiske forbindelser af sådanne elementer, der er lette at fordampe ved om-20 givelsernes temperatur, eksisterer således ikke.

En let fordampning ved omgivelsernes temperatur er af afgørende betydning for anvendelsen af CVD-processer til fremstilling af præforme for optiske fibre, eftersom en høj tempe-25 ratur for fordampning af forbindelsen ikke kun giver betydelige komplikationer for aflejringsanlæg, men også umuliggør en nøjagtig kontrol af reaktionen med omgivelserne, hvorfor der vil kunne ske en vis forurening.

30 Fra US-patentskrift nr. 4.378.987 er det kendt at fremstille optiske fibre fra en optiske bølgeleder-præform af glas, hvor det materiale, der anvendes til præform-fremsti 11 ingen, er metal hal ogen idglas opnået fra dampfasereaktanter, dvs. gasfor-mige halogeneringsmidler og organometalliske forbindelser, som 35 er flygtige, ved reaktion i et bærerør af oxidglas, mellem den organometal1iske forbindelse og det element, hvis haloge-nidforbindelse er ønsket, og en gasformig reaktant indeholdende halogenet, idet halogenidet er et fluorid.

4

DK 158577B

I en proces af denne type, som er beskrevet i US-patentskrift nr. 4.378.987, anvendes ifølge den foreliggende opfindelse en speciel organometal1isk forbindelse, hvilket resulterer i styrbare reaktioner, som giver anledning til dannelse af op-5 tiske fibre af høj renhed ved brug af metalhalogenidglas, idet halogener i sig selv benyttes i reaktionerne med den nævnte organometal1iske forbindelse. For at øge graden af kemisk forenelighed mellem oxyd- og halogenid-grundmasser er glasset i reaktorens indre overflade beriget ved termisk diffusion.

10

Ifølge opfindelsen er der således tilvejebragt en fremgangsmåde til fremstilling af optiske fibre med ekstremt lave tab i den midterste del af det infrarøde område, hvor det materiale, der anvendes til præfabrikation, udgøres af metalhaloge-15 nidglas, som opnås fra dampfasereaktanter dannet ved reaktion i et oxidglas-bærerør mellem en organometallisk forbindelse og det element, hvis halogenidforbindelse er ønsket, og en gas-formig reaktant indeholdende halogenet, og som derefter afsættes på indervæggen af bærerøret, og denne fremgangsmåde er 20 ejendommelig ved, at der anvendes en organometa11isk forbindelse af typen: Μ(0γΗ5)ψΑη 25 hvor M repræsenterer det metal, hvis halogenidforbindelse skal opnås ved reaktiv syntese, C er et carbonatom, H er et hydrogenatom, A er et halogen, og symbolerne γ, δ, ψ, η repræsenterer de molekylære koefficienter for atomerne C, H, og for gruppen CH og for halogenet A, og ved at den indre overflade 30 af det nævnte bærerør beriges med den nævnte halogen ved en termisk diffusion.

De ovenfor angivne træk vil fremgå klarere af den efterfølgende beskrivelse af en foretrukken udførelse.

Organometal!iske forbindelser samt organiske forbindelser må kun repræsentere bærere i dampfase ved omgivelsernes tempera- 35

DK 158577 B

5 tur for det metal, hvis halogenforbindelse ønskes. De må ikke indeholde forurenende elementer eller grupper, såsom 0H“-grup-per eller overgangsmetalioner og ikke en gang oxygen.

5 Den betingelse, at der ikke må være oxygen til stede, begrænser i betydelig grad valget af bæreforbindelse sammenlignet med det tilfælde, hvor der er tale om oxidglasmaterialer. Reaktionsprodukterne må desuden være gasformige forbindelser, naturligvis med undtagelse af metalhalogenidet således, at de 10 let kan udsendes gennem strømmen af bæregasser.

De ovenfor angivne betingelser tilfredsstilles af de organome-talliske forbindelser af typen: 15 Μ(ϋγΗδ)ψΑη (1) hvor M repræsenterer metallet, hvis halogenidforbindelse skal opnås ved reaktiv syntese, C er carbonatomet, H er hydrogenatomet, A repræsenterer et halogen, som kan være chlor eller 20 fluor, og symbolerne γ, δ, ψ, η repræsenterer de molekylære koefficienter for atomerne C, H, gruppen CH og atomet A. i nærværelse af fluorid eller en af fluorforbindelserne: CCI2F2, cc1F3, CF4, HF og ved en termisk aktivering af den organometal-liske forbindelse vil følgende syntesereaktion finde sted: 25 M (CyHg )ψΑ + ψ (Y+«5)F2 -* MF (ψ+η) + Ύψ0?4 + (δψ-η).ΗΡ + η HA (2) hvor δ = 1 + 2γ.

30 i dette tilfælde dannes en fast halogenidforbindelse og nogle flygtige forbindelser (CF4, HF, HA).

I det følgende gives som eksempel egenskaberne og den relevante reaktion for en aluminium-organometallisk forbindelse, 35 dvs. diethy1 a 1uminiumhc1 orid: (C2H5)2 Al Cl Tf CC) = -50 Te (°C) = 87 ved 200 mm Hg (C2Hg)2 Al Cl + 14 F2 AIF3 + 4CF4 + 9 HF + HCl

DK 158577B

6

Blandt de organometalli ske forbindelser (1) findes forbindelser, som ved omgivelsernes temperatur er i flydende form, og som let fordampes, f.eks. ved bobling af inaktive bæregasser gennem væsken.

5 Når forbindelserne og reaktionerne en gang er valgt, kan afsætningsprocessen og præform-dannelsen udføres ved anvendelse af kendte teknikker inden for halvlederteknikken, såsom OM-CVD (organometal-kemisk dampafsætning) modificeret på hensigtsmæs-10 sig måde for at tage hensyn til den forskellige symmetri af produktet (plant i ét tilfælde, cylindrisk i et andet tilfælde) den forskellige sammensætning og krystallinske eller glasagtige struktur, de forskellige kemiske og fysiske egenskaber af materialerne. Alternativt kan de metoder, som er ty-15 piske for forskelligt doterede oxidglasser og især siliciumdi-oxidglasfibre komme på tale.

Indre dampaflejringsteknikker er egnet i betragtning af kravene til renhed af disse materialer for at kunne udnytte deres 20 optiske egenskaber maksimalt. Bærerøret kan være af et fluoridglas med en glasmatriks svarende til den ydre belægning af fiberen. Både refraktionsindekser og termiske udvidelseskoefficienter samt glasovergangstemperaturer afpasses efter hinanden .

25

Betragter man f.eks. en optisk fiber, hvis kerne og belægning består af en kvarternær forbindelse ZrF4 - BaF2 - GdF3 - A1F3, så har denne følgende sammensætning udtrykt i molært procentvis blandingsforhold: 61,8 ZrF4 - 32,3 BaF2 - 3,9 GdFg - 2A1F3 30 med refraktionsindeks ng = 1,519 og 59,2. ZrF4 - 31,0 BaF2 - 3,8 GdF3 - 6 A1F3 med refraktionsindeks ng = 1,514 som omtalt i artiklen "Preparation of Low Loss Fluorid Glass Fibers" af S. Mitachi, T. Kanamori, T. Miyashita i Japanese Journal of Applied Physics bind 21, nr. 1, januar 1982, side L55-56.

Bærerøret, der både anvendes som reaktor og som udvendig fiberbelægning, består af flerkomponent-oxidglasmatricer indeholdende natri um-bor-kali um-si1ikater.

35

Claims (3)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af optiske fibre med ek stremt lave tab i den midterste del af det infrarøde område, hvor det materiale, der anvendes til præfabrikation, udgøres af metalhalogenidglas, som opnås fra dampfasereaktanter dannet ved reaktion i et oxidglas-bærerør mellem en organometallisk 25 forbindelse af det element, hvis halogenidforbindelse er ønsket, og en gasformig reaktant indeholdende halogenet, og som derefter afsættes på indervæggen af bærerøret, kendetegnet ved, at der anvendes en organometal1isk forbindelse af typen 30 M(CyH$)ψΑη hvor M repræsenterer metallet, hvis halogenidforbindelse skal opnås ved reaktiv syntese, c er et carbonatom, H er et hydro-35 genatom, A er et halogen, og symbolerne γ, δ, φ, r? repræsenterer de molekylære koefficienter for henholdsvis atomerne C, H, gruppe CH og for halogen A, og ved at bærerørets indre overflade beriges med halogenet ved termisk diffusion. DK 158577 B

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der som halogenid anvendes fluorid.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, 5 at den gasformige reaktant indeholdende fluor udvælges blandt F2, CC12F2' CC1F3, CF4, HF. 10 15 20 25 30 35