NL8202648A - Optische vezels met grote numerieke apertuur. - Google Patents

Description

EHN 10.402 1 N.V. Philips1 Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Optische vezels met grote numerieke apertuur".

De uitvinding heeft betrekking qp optische vezels met grote numerieke apertuur bestaande uit multicanponentenglazen. De optische vezels kunnen van het zogenaamde multimode stepped index-type of van het graded index type zijn. Optische vezels met grote numerieke apertuur 5 dat wil zeggen circa 0.30 of groter bevatten meestal tenminste in het keraglas germaniumoxyde hetgeen een relatief dure component is, bovendien is een dergelijke fiber tengevolge van het betrekkelijk hoge ger-maniumgehalte gevoelig voor energierijke straling. Dit uit zich in een toename van de demping van het getransporteerde licht, die slechts voor 10 een deel weer verdwijnt na beëindiging van de bestraling.

De uitvinding beoogt optische vezels van grote numerieke apertuur uit multicanponentenglazen, die geen germaniumoxyde bevatten en waarbij althans het kemglas geen boriumoxyde bevat. Dit vereist een goede aanpassing van smelttenperatuur en viscositeit bij de verwerkings-15 temperatuur van de toegepaste multicanponentenglazen. Daarnaast is het noodzakelijk dat de toegepaste glazen een geringe neiging tot kristallisatie of fazescheiding bezitten. De uitvinding beoogt glassamenstellingen aan te geven die aan deze eisen voldoen.

volgens de uitvinding kan aan de gestelde opgaven worden vol-20 daan met optische vezels waarvan het kemglas de molekulaire samenstelling bezit: 57.5-65% Si02, 0-5% (ZrC>2 + %Y2°3)/ 12.5-27.5% (MgO + CaO + ZnO + SrO + BaO) met dien verstande dat MgO: 0-5%, CaO: 0-10%, SrO: 0-7.5%, BaO: 0-15%, ZnO: 0-20%, waarbij indien geen BaO aanwezig is het ZnO gehalte 12.5-20% is en indien geen ZnO aanwezig is het BaO gehalte 25 5-15% is en 10-25% (Li20 + Να£θ + K20) ,en het mantelglas uit een sili- kaatglas of een boros ilikaatglas bestaat met een brekingsindex die tenminste 2% lager is dan de brekingsindex van het kemglas ei waarvan de viscositeit bij de verwerkingsterpertuur 0.5 tot tweemaal de viscositeit van het kemglas uitgedrukt in Pa.s bedraagt.

30 Het is gebleken, dat in het geval het mantelglas aan de ge stelde eisen voldoet door middel van bijvoorbeeld de op zichzelf bekende dubbele kroes methode stepped index vezels en graded index vezels met een N.A. groter dan 0.30 kunnen worden verkregen. In het voor het kemglas 8202648 PHN 10.402 2 aangegeven samenstellingsgebied worden glazen gevonden met een smelttemr peratuur tussen 1250 en 1400°C, een brekingsindex tussen 1.550 en 1.595 en een viscositeit bij 1100°C tussen 30 en 100 Pa.s.

Bij voorkeur is indien K20 aanwezig is het gehalte daarvan 5 kleiner dan de helft van het totaal alkalimetaal-oxydegehalte in het kemglas. De neiging tot eventuele kristallisatie of fazescheiding bij langzame afkoeling van het kemglas wordt door deze maatregel onderdrukt. Ditzelfde geldt voor het hierna behandelde mantelglas A.

Geschikte mantelglazen zijn bijvoorbeeld glazen met de vol-10 gende molékulaire samenstelling.

A. Si02 60-67.5% (ZnO + CaO + MgO) 10-25%, waarbij CaO: 0-5%, MgO: 0-10% en ZnO: 0-10% (Li20 + Na20 + K20) 10-25% B. Si02 55-67.5% 15 A1203 0-7.5% (ZnO + CaO + MgO) 10-15%, waarbij CaO: 0.7.5%, MgO: 0-15% en ZnO: 0-10% B203 5-15% (Li20 + Na20 + K20) 10-15% 20 Binnen het samenstellingsgebied A worden glazen gevonden met een smelttemperatuur tussen 1300 en 1400°C, een brekingsindex tussen 1.535 en 1.540 en een viscositeit bij 1100°C tussen 70 en 200 Pa.s.

Binnen het samenstellingsgebied B worden glazen gevonden met een smelttemperatuur tussen 1200 en 1400°C, een brekingsindex tussen 25 1.503 en 1.520 en een viscositeit bij 1100°C tussen 15 en 250 Pa.s. Man telglazen met de samenstelling A bezitten het voordeel dat deze ook bij golflengten groter dan 1,3 ^um een geringe absorptie bezitten, dit in tegenstelling tot mantelglazen met de samenstelling B, die boven 1,3 ^um absorberen tengevolge van de aanwezigheid van borium. De laatste glazen 30 hebben echter een lagere smelttemperatuur, een lagere viscositeit met als gevolg een betere trekbestendigheid van de vezel en in het algemeen een lagere brekingsindex dan mantelglazen met de samenstelling A, zodat om dezelfde numerieke apertuur te bereiken een lagere brekingsindex van het kemglas kan warden toegestaan.

35 Met betrekking tot de multicomponentglazen die volgens de uit vinding toepassing kunnen vinden in multimode stepped index en graded index fibers van grote numerieke apertuur kan nog het volgende worden opgemerkt: 8202648 t 3? *·.

PHN 10.402 3

Bij gehaltes aan Si02 kleiner dan respektievelijk 57.5 inol.% voor het kemglas, 60 mol.% voor het mantelglas A en 55 nol.% voor het mantelglas B neemt de neiging tot kristallisatie en fazescheiding, die de Rayleighstrooiing doen toenemen, van deze glazen snel toe. Bij 5 gehaltes groter dan respektievelijk 65 mol.% voor het kemglas en 67.5 mol.% voor de mantelglazen A en B wordt de smelttemperatuur hoger dan 1400°C, waardoor de verwerkbaarheid van de glazen af neemt.

In de glassamenstellingen die volgens de uitvinding in optische fibers worden toegepast verbeteren ZnO en MgO in het bijzonder de 10 corrosiebestendigheid, MgO heeft vergeleken met CaO, ZnO, Sro en BaO

een gering effect (¾) de brekingsindex terwijl het de lichtverstrooiing doet toenemen, het wordt daarom in het kemglas bij voorkeur slechts in een hoeveelheid tot hoogstens 5 mol.% toegepast. Bij hoeveelheden groter dan 10 mol.% in mantelglas A en 15 mol.% in mantelglas B wordt de smelttem-15 peratuur te hoog voor toepassing in optische fibers, terwijl eveneens de lichtverstrooiing toeneemt. CaO, ZnO, SrO en BaO werken brekingsindex verhogend, ZnO is bijzonder geschikt omdat het de Rayleigh strooiing slechts weinig of niet doet toenemen bij toenemende concentratie. Bij concentraties groter dan die hoven aangegeven neemt echter de neiging tot 20 kristallisatie van de glazen snel toe. In mantelglas B wordt de laagste brekingsindex verkregen als ZnO en CaO ontbreken en uitsluitend MgO aanwezig is. Toevoegingen van ZnO en CaO tot de aangegeven percentages aan het mantelglas B leidt weliswaar tot 'een hogere brekingsindex maar tevens wordt de corrosie bestendigheid daardoor verbeterd. De alkali-25 metaaloxyden verlagen de smelttenperatuur en verbeteren daarmede de smeltbaarheid der genoemde glazen maar verminderen bij toenemend gehalte de corrosiebestendigheid, om deze reden wordt maximaal 25 mol.% toegevoegd.

Het totaal alkalimetaaloxydegehalte in mol.% van kern- en mantelglas is bij voorkeur onderling gelijk. Onder deze omstandigheid kunnen als de 30 glazen met elkaar in contact komen in een platina kroes geen galvanische cellen worden gevormd die aanleiding zouden kunnen geven tot bellenvorming in de dubbele kroes. Uitwisseling van alkalimetaalionen tussen kern- en mantelglas tijdens de vervaardiging van optische vezels volgens de uitvinding kan worden voorkomen door de concentraties van elk der 35 in kern- en mantelglas aanwezige alkalimetaaloxiden gelijk te kiezen. Bij een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding bedraagt de concentratie in totaal 15 mol.%, waarbij lu^O: 3 mol.%, Na2Q: 6 mol.% en K20: 6 mol.%, 8202648 t PHN 10.402 4 bij deze samenstelling bezit het glas een minimale smelttemperatuur met een maximale corrosiebestendigheid.

Uitwisseling van aardalkalimetaalionen zal alleen dan met een optisch merkbaar effect optreden indien,de contacttijden tassen kem-5 en mantelglas bij de werktemperatuur voldoende lang is.

Een gehalte groter dan 7.5 mol.% in mantelglas B leidt tot een toename van de smelttemperatuur tot boven de grens van 1400°C. Een B202 gehalte kleiner dan 5 mol.% in mantelglas B leidt tot een smelttemperatuur hoger dan 1400°C. Dit geldt in het bijzonder voor 10 glazen met 15 mol.% K20. B^ gshaltes groter dan 15 mol.% leiden tot een glas met een te geringe corrosiebestendigheid.

De hoeveelheid (ZrC>2 + bedraagt bij voorkeur 0-3 mol.%.

In de concentratieaanduiding wordt ^2°3 gebruikt, omdat een ½ grmol Y202 vergelijkbaar is met 1 grmol Zr02 voor wat betreft het· aantal 15 grammatomen Yttrium en Zirconium, Zr02 en/of Y^ worden toegepast in het kemglas indien een grote numerieke apertuur gewenst is en de toelaatbare hoeveelheid BaO, CaO, SrO en/of ZnO niet voldoende is cm de gewenste brekingsindex te bereiken. In het bijzonder bij toepassing van Zr02 tezanen net de aardalkalJnetaatoxyden CaO en SrO of tezanen net 20 ZnO blijkt een synergistisch effect op te treden, dat zich uit in een extra verhoging van de brekingsindex boven de verhoging die uit de concentratie Zr02 kan worden verwacht zoals uit de volgende tabel blijkt. TABEL

25 Hoeveelheden in mol.% ~S102 zro, cao BaO n 75 25 1.5029 70 5 25 1.5337 30 62.5 12.5 25 1.5348 62.5 12.5 25 1.5349 62.5 12.5 25 1.5332 62.5 12.5 25 1.5552 57.5 5 12.5 25 1.5688 35 57.5 5 12.5 25 1.5723 57.5 5 12.5 25 1.5710 57.5 5 , 12.5 25 1.5860 8202648 EHN 10.402 5 Λ'

Vervanging van 5 mol.% SiC>2 door 5 mol.% Zr02 doet blijkens de tabel de brekingsindex bij een alkalimetaal silikaatglas net 0.0308 toenemen. Bij een alkalimetaalsilikaatglas dat tevens CaO, SrO of ZnO bevat bedraagt de toename bij vervanging van 5 mol.% SiC>2 door 5 mol.% 5 ZrC>2 echter respektievelijk 0.0340, 0.0374 en 0.0378.

Ter vergelijking zijn ook samenstellingen met BaO opgenomen, hierbij blijkt de toename de verwachte 0.0308 te zijn.

Soortgelijke effecten treden op bij toepassing van Y2°3' laatste 0x7de verbetert eveneens de korrosiebestendigheid van het kem-10 glas, de kristallisatieneiging blijft daarbij gering.

Aan de glazen kunnen de gebruikelijke louteringsmiddelen bij de bereiding worden toegevoegd, zoals As2°3 en sb2°3' voorkeur warden aan de eerder genoemde samenstellingen hoeveelheden tot 1 mol.% van As203 en/of Sb203 toegevoegd. In de praktijk blijkt dit tevens te leiden 15 tot een lagere demping in het bijzonder bij 850 nm.

De glazen kunnen bijvoorbeeld als volgt worden bereid. Uitgegaan wordt van alkalicarbonaten en/of nitraten, de andere metalen (Mg, Ca, Sr, Ba en Zn) kunnen in de vorm van hun oxyden, carbonaten of nitraten worden toegepast, Si02 en B203 (en/of H3BC>3), ZrC>2 (en/of 20 ZrSiO^), Y2C>3 en A1203. Steeds warden materialen van de grootst mogelijke zuiverheid toegepast. Dit betekent dat het niveau van de onzuiverheden, die in de interesserende golflengte gebieden absorberen zo mogelijk kleiner is dan 0,01 ppm. De glassmelten worden enige tijd (bijvoorbeeld 1 tot 10 uur) op een temperatuur boven het smeltpunt gehouden. Door 25 de smelt kunnen gedurende enige tijd droge gassen zoals zuurstof, koolmonoxide of kooldioxide, al of niet verzadigd met D2<0 worden geblazen.

Uit de smelt worden staven getrokken. Deze staven dienen als uitgangsmateriaal voor de vervaardiging van optische vezels.

De optische vezels kunnen op de bij toepassing van multiccmpo-30 nentglazen bekende manier worden vervaardigd bijvoorbeeld met behulp van de dubbele kroestechniek. Desgewenst kan via deze techniek onder toepassing van een extra kroes nog een tweede mantel uit bijzonder cor-rosiewerend glas worden aangebracht.

In afhankelijkheid van de afstand tussen de uitstroamopeningen 35 van de beide kroezen bij een dubbele kroes zal er tussen kern en mantel-glas uitwisseling van aardalkalimetaalionen optreden en kan een graded index vezel worden verkregen. Uitwisseling kan bijvoorbeeld optreden tussen enerzijds de ionen van één of meer van de aardalkalimetalen Ba, Sr 8202648 * ^ PHN 10.402 6 en Ca en Zn (kemglas) tegen het magnesiumion (mantelglas). De afstand moet daarbij, bij werktemperaturen tussen 1000en 1200°C, groter zijn dan 500 mn. Bij kleinere afstanden is de kontakttijd voor een optisch merkbare ionenuitwisseling te gering. Aan de hand van de volgende 5 uitvoeringsvoorbeelden zal de uitvinding nu nader worden toegelicht.

Uitvoeringsvoorbeeld 1

Er werd een optische vezel vervaardigd door middel van de dubbele kroesmethode uit glazen met de volgende molekulaire samenstelling: 10 Kemglas: Mantelglas: 60% Si02 62,5 Si02

2,5% tèY203) 10% ZnO

5% ZnO 2.5% CaO

5% CaO 10% MgO

15 12,5% BaO 3% Li20 3% Li20 6% Na20 6% Na20 6% K20 6% K20

Smelttemperatuur 1350°C 1400°C

20 Brekingsindex 1.582 1.5366

Viscositeit (1100°C) 40 Pa.s (1100°C) 80 Pa.s

De glazen werden in een dubbele kroes tot een temperatuur van 1100°C verhit, waarna een optische vezel met de volgende eigenschappen werd getrokken: 25 diameter kern: 200^-um diameter vezel: 250,um De numerieke apertuur bedroeg 0,37 -1

De Rayleighstrooiing bij 850 nm bedroeg 2.8 dB km Denping bij 850 nm bedroeg 11 dB/km 30 Uitvoeringsvoorbeeld 2:

Er werd een optische vezel vervaardigd met hetzelfde kemglas als in voorbeeld 1 echter met 2.5 mol.% Zr02 in plaats van 1.25 mol.% het mantelglas had echter de volgende molekulaire samenstelling Si02 57,5% 35 2'5%

MgO 12,5% B203 12,5%

Li20 3% 8202649 η ΡΗΝ 10.402 '7

Na20 6% Κ20 6%

De smelttenperatuur van dit mantelglas is 1250°C

Brekingsindex 1.519 5 Viscositeit (1100oC) 43 Pa.s

Er werd een optische vezel vervaardigd door de glazen te verhitten pp 1100°C in een dubbele kroes en vervolgens een vezel te trekken met de volgende afmetingen: kerndiameter: 200 yUm 10 vezeldiameter: 250 ,um i -1

De derrping bij 850 nm bedroeg 13.7 dB.km , de numerieke apertuur 0.45.

-1

De Rayleigh strooiing bij 850 nm bedroeg 6.4 dB km .De hogere demping ten opzichte van voorbeeld 1 wordt veroorzaakt door het gebruik 15 van relatief onzuiver Zr02 (0,1 ppm Cu, 0,1 ppm Ni).

Uitvoeringsvoorbeeld 3

Op de wijze als aangegeven in voorbeeld 1 werd een optische vezel (kerndiameter 200 ^um, vezeldiameter 250 yum) vervaardigd.

Kemglas (mol.%) Mantelglas (mol.%) 20 Si02 57,5 Si02 57.5

ZnO 17,5 A1203 2.5

CaO 2,5 MgO 12.5

BaO 7,5 B203 12.5

Li20 3 Li20 3 25 Na20 6 Na20 6 K20 6 K20 6

Smelttemperatuur 1250°C 1250°C

Brekingsindex 1.5701 1.519

Viscositeit (1100°C) 33 Pa.s 43 Pa.s -1 30 De dertping bij 850 nm bedroef 11 dB.km , de numerieke apertuur 0.40.

-1

De rayleighstrooiing was 4.6 dB km bij 850 nm. In dit experiment werd relatief onzuiver ZnO toegepast (met 0.03 ppm Cu en 0.01 ppm Ni). Uitvoeringsvoorbeeld 4

Er werd een optische vezel (kerndiameter 200 ^um, vezeldia-35 meter 250 ^um) vervaardigd op de wijze als aangegeven in uitvoerings-voorbeeld 1.

8202648 PHN 10.402 8 r-

Kemcrlas (nol.%) Mantelglas (mol.%).

Si02 62.5 Si02 57.5

ZnO 17.5 B203 15

CaO 5 MgO 12.5 5 Li20 3 K20 5

Na20 6 K2° 6

Smelttemperatuur 1300°C 1300 C

Brekingsindex 1.553 1.503 10 Viscositeit (1100¾) 85 Pa.s 89 Pa.s

De derrping bij 850 bedroeg 9 dB km .De numerieke apertuur: 0.39. Ook hier werd relatief onzuiver ZnO gebruikt (0.03 ppa Cu, 0,01 ppn Ni).

“1

De Rayleighstrooiing bij 850 nm: 3.6 dB km .

15 Indien het mantelglas volgens voorbeeld 2 werd toegepast werd in dit geval een vezel met een numerieke apertuur van 0.32 verkregen.

20 25 30 35 8202648

Claims (6)

1. Optische vezel uit germaniumvrije multicarponent glazen met het kenmerk, dat het kemglas de molekulaire samenstelling bezit: 57,5 - 65%; (Zr02 + ^2°3^ : ^“5%; (1¾0 + CaO + SrO + BaO + ZnO): 12.5 - 27.5%, met dien-verstande dat MgO: 0-5%, CaO: 0-10%, SrO: 5 0-7,5%, BaO 0-15%, ZnO: 0-20%, waarbij indien geen BaO aanwezig is het Zn gehalte 12.5 - 20% is en indien geen ZnO aanwezig is het BaO gehalte 5-15% is, (Id^O + Na2Ü + K20): 10-25% en het mantelglas uit een silikaat-glas of een boro-silikaatglas bestaat met een brekingsindex die tenminste 2% lager is dan de brekingsindex van het kemglas, en waarvan de visco-10 siteit bij de verwerkingstemperatuur 0.5 tot tweemaal de viscositeit van die van het kemglas uitgedrukt in Pa.s. bedraagt.

2. Optische vezel volgens conclusie 1 met het kenmerk dat indien in het kemglas K^O aanwezig het gehalte kleiner is dan de helft van het toaal alkalimetaaloxydegehalte.

3. Optische vezel volgens conclusie 1 met het kenmerk dat het mantelglas de molekulaire samenstelling bezit: Si02: 60-67.5%; (ZnO + CaO + MgO): 10-25% met dien verstande dat ZnO:0-10%, CaO: 0-5% en MgO:0-10% en (LiO + Na20 + I^O): -• 10-25%. . '

4. Optische vezel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het mantelglas de molekulaire samenstelling bezit: Si0255-67,5%;AL202 0.7.5%; (ZnO + CaO + MgO) met dien verstande dat ZnO: 0-10%, CaO: 0-7.5%, MgO: 0-15% 10-15% B^ 5-15%; (Li20 + N20 + K20) 10-25%.

5. Optische vezel volgens conclusie 1-3, met het kenmerk, dat het alkalimetaaloxydegehalte van zowel kern- als mantelglas 15% bedraagt.

6· Optische vezel volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat zowel het kemglas als het mantelglas 3%Li20, 6%Na20 en 6%K20 bevat. 30 35 8202648