NL8103089A - Optische vezel van het graded index type en werkwijze voor de vervaardiging daarvan. - Google Patents

Description

9

* ... \ A

PHN 10,087 1 N.V. Philips' Gloeilampenfatrieken te Eindhoven "Optische vezel van het graded index type en warkwijze voor de vervaardiging daarvan".

De uitvinding heeft betrekking op een optische vezel van het graded index type uit een silikaat glas dat iragnesiumoxyde en een of meer andere metaaloxyden met een tegen het magnesimrikation uitwissel-' baar kation be vat. De brekingsindexgradient wordt veroorzaakt door een 5 afnemend gehalte aan het metaaloxyde en een toenemend gehalte aan mag-nesiumoxyde gerekend vanaf de as van de vezel naar de arrtrek van de vezel.

Optische vezels van deze aard zijn bekend uit de gepubliceer-de UK octrooiaanvrage GB 2,002,341. De daarin beschreven glazen zijn 10 van het borosilicaat type en bevatten naast oxyden met uitwisselbare kationen zoals aardalkalioxyden nog alkalioxyden. De optische vezels warden vervaardigd met behulp van de dubbele kroestechniek.

In toenemende mate kanen zuiverder uitgangsmaterialen ter beschikking voor de bereiding van uitgangsglazen voor de vervaardiging 15 van optische vezels met behulp van de dubbele kroesmethode. Dit heeft tot gevolg dat bij de denping van het lichtsignaal de mogelijke veront-reinigingen in het glas afkanstig uit de uitgangsmaterialen een steeds geringere rol gaan spelen.

Demping van het lichtsignaal wordt echter mede veroorzaakt 2o door de zogenaamde intrinsieke denping die samenhangt met de eigen-schappen van de carponenten, die het glas vormen.

Steeds meer komt bij de optische teleccnminicatie het golf-lengtegebied tussen ca. 1100 en 1500 ran in de belangstelling te staan.

Het is gebleken dat boriumoxyde bij golflengten groter dan 25 ca. 1200 nm cp storende wijze licht absorbeert. Borosilicaatglazen zijn daarcm in dit gebied vanwege een hoge intrinsieke absorptie niet bruikbaar als het ercp aankomt een zo laag mogelijke intrinsieke dentping te bereiken.

De uitvinding beoogt een glas vezel van de in de aanhef 30 beschreven aard met een geringe intrinsieke denping tussen 1100 en 1500 nm.

Volgens de uitvinding wordt aan deze cpgave voldaan met een vezel, met het kenmerk, dat deze bestaat uit een glas met de volgende 8103089 ΡΗΝ 10,087 2 / ΐ.

* samenstelling: 60 tot 70 mol.% siliciumdioxyde 15 tot 30 mol.% alkalioxyden, waarbij de hoeveelheid lithium-oxyde 0-15 mol.% bedraagt.

5 10 tot 15 mol.% magnesiumoxyde tezamen met tenminste een metaaloxyde gekozen uit de groep gevonrd door CaO, SrO, BaO en ZnO.

In deze samenstelling kan een deel van het siliciumdioxyde worden ver-vangen door en GeC>2 tot 5 mol.% en/of Y202 611 Zr0 2,5 mol.% 10 berekend op de totale glassamenstelling.

Het alkalioxyde kan uit twee of meer oxyden van de alkali-metalen Li, Na en K bestaan met dien verstande, dat indien Li20 aan-wezig is de hoeveelheid daarvan niet groter mag zijn dan 15 mol.% daar anders het gevaar bestaat dat bij de vervaardiging van de vezel fase-15 scheiding optreedt onder vorming van kristallijn LiMg-orthosilikaat, indien ZnO aanwezig is kan dan 00k LiZn-orthosilikaat ontstaan.

Indien het glas minder dan 60 mol.% SiC>2 bevat dan treedt makkelijk kristallisatie op hetgeen een verhoging van de strooiing van het lichtsignaal veroorzaakt. Indien het glas meer dan 70 mol.% Si02 20 bevat ,wordt de verwerkbaarheid moeilijker (hogere smelttemperatuur, hoge vezeltrekteirperatuur), terwijl de hoeveelheid oxyden met uit-wisselbare kationen in het glas dan te klein wordt cm een voldoende groot verschil in brekingsindex te kunnen verkrijgen.

Indien het glas minder dan 15 mol.% alkalioxyden bevat dan 25 neemt de neiging tot kristallisatie sterk toe, terwijl de verwerkbaarheid van het glas af neemt.

Indien het glas meer dan 30 mol.% alkalioxyden bevat dan neemt de chemische bestendigheid sterk af, terwijl de hoeveelheid oxyden met uitwisselbare kationen dan te klein wordt cm een voldoende 30 groot verschil in brekingsindex te kunnen verkrijgen.

Bij voorkeur wordt een glassamenstelling toegepast die 12,5 mol.% (CaO + MgO) bevat. Hiermede kan een brekingsindexverschil van 1% worden gerealiseerd bij een glassamenstelling gekozen in het aange-geven gebied, terwijl de intrinsieke absorptie bij zander laag is.

35 De aanwezigheid van een relatief geringe hoeveelheid Ge02 beinvloedt de intrinsieke absorptie in het interesserende golflengte-gebied nauwelijks, terwijl reeds bij geringe toevoegingen een duidelijke verlaging van de verwerkingstemperatuur van de glazen kan worden gerea- 8103089 3- . ί ΡΗΝ 10,087 3 ----liseerd. De toevoeging van A^Og, YgOg 811 7x0 3911 de 9la2en verbetert de chemische bestendigheid. De glazen kunnen verder nog geringe hoeveel-heden fluor bevatten, dat in de vorm van LiF bij de bereiding kan wor-den toegevoegd.

5 De glazen warden als volgt bereid: CJitgegaan wardt van alkalicarbonaten en/of nitraten, silicium=· dioxide en andere inetaalcarbonatenrnitraten en/of-oxyden (van Mg, Ca,

Sr, Ba en/of Zn) van de grootst mogelijke zuiverheid. Dlt betekent, dat bet niveau aan onzuiverheden die in het betreffende golflengtege-10 bied absorber en (zoals Cu, Fe, Cr) kleiner is dan 0,01 ppm. Aan de glazen kunnen nog louteringsmiddelen zoals AS203 ^ s^2°3 TOr<3en toege-voegd in een haeveelheid tot 1 mol.% berekend op de glassamenstelling.

Bij voorkeur warden de glazen gesmolten door verhitting door middel van een hoogfrequent dielectrisch veld in een kroes uit een ma-15 teriaal met geringe dielectrische verliezen bij de gekozen frequentie, waarvan de wand wordt gekoeld (zie bijvoorbeeld bet Amerikaans octrooi 3,937,625).

De glassmelten warden enige tijd (bijvoorbeeld 1 tot 10 uur) op een temperatuur van tenminste 1300° gehouden. Door de smelt kunnen 20 droge gassen zoals zuurstof, koolmonoxyde of kooldioxyde al of niet verzadigd met D90 warden geblazen. Hiema warden uit de smelt staven getrokken. Deze staven dienen als uitgangsmateriaal voor de vervaar-diging van cptische vezels. Hiertoe warden ze gesmolten bij voorkeur in een dubbele kroes, waarbij tenminste het kemglas wardt verhit door 25 middel van een hoogfrequent electrisch veld in een gekoelde kroes.

Deze laatste werkwijze en een dergelijke dubbele kroes· is het onder-werp van een parallelle Nederlandse octrooiaanvrage no. 81 02 878 (uitvinder Prof. Dr. H.H. Brongersma). In deze octrooiaanvrage wardt een werkwijze voor de vervaardiging van een optische vezel met be-30 hulp van de dubbele kroesmethode beschreven, waarbij een dubbele kroes wardt toegepast, waarvan tenminste de binnenkroes dubbelwandig is uitgevoerd. In de door de dubbele wand ansloten ruimte is een metaal-draadwikkeling ondergebracht. Bij de fabricage van de optische vezel wardt door middel van een hoog frequent electrisch veld warmte ont-35 wikkeld in het kemglas en de kroeswand met een koelvloeistof gekoeld.

In bedrijf vormt zich op de wand van de binnenkroes een relatief koude laag uit het kemglas. Deze relatief koude glaslaag die aan de opbouw van de optische vezel niet bijdraagt, voarkomt, dat verontreinigingen 81 0 3 0 8 9 S z .

\ EHN 10,087 4 ---......- uit het kroesmateriaal in de glazen kurmen diffunderen en dat kroes- materialen kunnen oplossen. Hierdoor kunnen de qptische vezels bij hogere teirperaturen warden getrokken dan tot nu toe praktisch voor mogelijk werd gehouden. Door toepassing van deze warkwijze wordt het 5 mogelijk althans het kemglas op een voor het trekken van de vezel voldoende hoge temperatuur te houden zonder dat uit de binnenkroes verontreinigingen kunnen warden opgenomen. Tijdens het trekken van de vezel bedraagt de temperatuur van de glazen in de kroezen tenminste 900°C of hoger.

10 Aan de hand van de bijgaande tekening waarvan de enige figuur een samenstellingsdiagram toont en een aantal uitvoeringsvoorbeelden zal de uitvinding nu meer in het bij zonder warden uiteengezet.

In het bijgaande driehoeksdiagram geeft het gebied ABCD het gebied van samenstelling aan waarin glazen warden gevonden, die kunnen 15 warden bereid bij ca. 1300°C en hoger en ook na 24 uur op 1000°C te zijn gehouden geen of slechts weinig neiging tot fasescheiding of kristallisatie vertonen. Met deze glazen kunnen qptische fibers warden verkregen die een intrinsieke strooiing vertonen kleiner dan 0,45 dB/km bij 1100 nm.

20 In de onderstaande tabel warden enkele voorbeelden van glas- samenstellingen gegeven waarbij het verschil in brekingsindex tussen kern en mantelglas 1% bedraagt. Kern en mantelglas bevatten naast de aangegeven hoeveelheden oxyden met uitwisselbare kationen steeds 62,5 mol.% Si02 en 25 mol.% alkalioxyden.

25

Tabel

Mantelglas Kemglas ......

12.5 mol.% Mgo 12,5 mol.% CaO

12.5 mol.% MgQ 6,5 mol.% MgO + 6 mol.% BaO

12.5 mol.% MgO 3 mol.% MgO + 9,5 mol.% SrO

12.5 mol.% MgO 3 mol.% BaO + 9,5 mol.% ZnO

35 Bij de vezel volgens de uitvinding bezit het mantelglas dankzij de aanwezigheid van MgO de hoogste chemische bestendigheid vergeleken met de kemglazen en de kleinste therraische uitzettingscoefficient.

Dit laatste heeft tot gevolg dat de tuitenzijde van de optische vezel 81 0 3 0 8 9 ΗίΝ 10,087 5 volgens de uitvinding onder cxxipressiespannlng staat waardoor de sterkte van de vezel aanmerkelijk wordt verbeterd. Uitvoerinqsvoorbeeld 1

Er warden de volgende glazen bereid door de betreffende metaaloxyden 5 in de vorm van het nitraat en siliciumdioxyde te smelten en 1½ uur onder doorborrelen van zuurstof op 1350°C te hcuden.

Kemglas: Mantelglas:

Li^O 5 mol.% Li20 5.0 mol.%

Na20 10 mol.% Na20 10.0 mol.% K20 10 mol.% K20 10.0 raol.%

CaO 12,5 mol.% MgO 12.5 mol.%

Si02 62,5 mol.% Si02 62,5 mol.% 15 n * 1,530 n = 1,515

Er warden optische vezels getrokken bij een temperatuur van 1100°C met een totale diameter van 125 ^um. Er ward een dubbele kroes toegepast met een verwarmde uitloqppijp van 10 cm lengte. Er werd qp 2(J deze wijze een gradientenvezel verkregen. De numerieke apertuur be-droeg 0,19, de intrinsieke verstrooiing 0,45 dB/km bij 1100 nm en 0,13 dB/km bij 1500 nm, de totale derrping bij 850 nm bedroeg 5,1 dB/km en de intrinsieke strooiing 1,3 dB/km.

Het verschil kan warden verklaard door de aanwezigheid van water in „ de vezel.

Z5

Uitvoerinqsvoorbeeld 2

Een qptische vezel kan cp dezelfde wijze als beschreven in voorbeeld 1 warden verkregen uit glazen met de volgende samenstelling.

30 Kemglas: Mantelglas:

Li20 4 mol.% Li20 4 mol.%

Na20 8 mol.% Na20 8 mol.% K20 8 mol.% K20 8 mol.%

MgO 6,5 mol.% MgO 12,5 mol.% 35 BaO 6 mol.% SiO 67,5 mol.%

«(V

Si02 67,5 mol.% 8103089

Claims (6)

1. Optische vezel van het graded index type uit een silikaat-glas, dat magnesiumoxyde en een of meer andere metaaloxyden met een kation dat uitwisselbaar is tegen het magnesiumkation bevat, met het kenmerk, dat de vezel bestaat uit een glas met de volgende samenstelling 5 60 tot 70 mol.% siliciumdioxyde 15 tot 30 mol.% alkalioxyden, waarbij de hoeveelheid lithiumoxyde 0-15 mol.% bedraagt 10 tot 15 mol.% magnesiumoxyde tezamen met tenminste een metaaloxyde gekozen uit de groep gevormd door CaO, SrO, BaO en/of ZnO en het 10 gehalte aan in het golflengtegebied tot 1500 nm absorberende veront-reinigingen kleiner is dan 0,01 ppm.

2. Optische vezel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tot 5 mol.% aan siliciumdioxyde is vervangen door germaanoxyde en/of aluminiumoxyde tot 2,5 mol.% aan siliciumoxyde door yttriumoxyde en/of 15 zirkoonoxyde.

3. Optische vezel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vezel bestaat uit een glas met de volgende samenstelling: 60-70 mol.% siliciumdioxyde 15-30 mol.% alkalioxyden, waarbij de hoeveelheid lithiumoxyde 20 0-15 mol.% bedraagt 12,5 mol.% (MgO + CaO).

4. Werkwijze voor de vervaardiging van een optische vezel van het graded index type onder toepassing van een dubbele kroesmethode met het kenmerk, dat de centrale kroes een glas met de samenstelling: 25 60-70 mol .% siliciumdioxyde 15-30 mol.% alkalioxyden, waarbij de hoeveelheid lithiumoxyde 0-15 mol.% bedraagt 10-15 mol.% van een metaaloxyde gekozen uit de groep gevormd door CaO, SrO, BaO en/of ZnO 30 en dat de huitenkroes een glas van gelijke moleculaire samenstelling bevat, dat echter MgO in plaats van een metaaloxyde uit de groep gevormd door CaO, SrO, BaO en/of ZnO bevat, de glazen qp de vezeltrek-teirperatuur worden verhit en tot een optische vezel worden uitgetrokken.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat zowel in 35 het glas in de centrale kroes als in dat in de huitenkroes tot 5 mol.% aan siliciumdioxyde is vervangen door aluminiumoxyde en/of germaanoxyde tot 2,5 mol.% aan siliciumdioxyde door yttriumoxyde en/of zirkoonoxyde.

6. Werkwijze volgens conclusie 4, met bet kenmerk, dat het glas 81 03 0 8 9 IBN 10,087 7 r in de centrale kroes de samenstelling 60-70 nol.% siliciundidxyde 15-30 nol.% alkaliaxyden, waarbij de hoeveelheid litMumoxyde 0-15 nol.% bedraagt 5 12,5 nol.% calciumoxyde en dat de buitenkroes een glas van gelijke noleculaire samenstelling bevat dat echter nagnesiunoxyde in plaats van calciumoxyde bevat, de glazen op de vezeltrektenperatuur warden verhit en tot een qptische vezel warden uitgetrokken. 10 15 20 25 30 81 03 0 89 35