Lichtleitfaser auf Si02-Basis zur Übertragung einer hohen Lichtleistungsdichte sowie
Herstellungsverfahren dazu
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser auf Si02-Basis zur Übertragung einer hohen Lichtleistungsdichte, bei dem in einem Zwei-Schritt-Prozeß zunächst eine Preform hergestellt und dann aus dieser die Lichtleitfaser gezogen wird, sowie auf eine Lichtleitfaser.
Um gewünschte effektive Lichtleitungseigenschaften zu erreichen, muß zwischen Mantel und Kern einer Lichtleitfaser bekanntermaßen ein Brechzahlunterschied dahingehend bestehen, daß die Brechzahl des Mantels gegenüber der des Kerns abgesenkt ist, damit Totalreflexion von aus dem Kern zum Mantel hin laufender Strahlung erfolgt. Der Brechzahlunterschied kann dabei entweder als Brechzahlsprung zwischen Kern und Mantel oder in Form eines bestimmten Brechzahiprofiies ausgebildet werden.
Bei der Herstellung einer Lichtleitfaser kann der Brechzahlunterschied auf zwei Weisen erreicht werden. Mahlke/Gössing, „Fiber Optic Cables", Publicis MCD Verlag Erlangen, 1997, Seiten 29 bis 33 und 94 bis 101 , schildern, daß die Dotierung von Si02 mit Ge02 oder P205 eine brechzahlerhöhende Wirkung hat. Sie schlagen deshalb Herstellverfahren vor, bei denen der Kern einer Lichtleitfaser mit diesen Substanzen dotiert wird, um durch Anhebung der Kern- Brechzahl den Brechzahlunterschied für die gewünschten Lichtleitungseigenschaften zu erreichen. Ähnliches ist auch in Agrawal, „Fiber-Optic Communication Systems", 2. Aufl., John Wiley & Sons, New York, 1997, auf den Seiten 64 bis 68 beschrieben.
Eine weitere Möglichkeit zum Erzielen des erforderlichen Brechzahlunterschiedes findet sich in der EP 0 520 337 A1 , die die Dotierung des Mantels mit Fluor zur Absenkung der Brechzahl des Mantels erwähnt. Der erforderliche Brechzahlunterschied wird dabei nicht durch die Anhebung der Kern-Brechzahl sondern durch die Absenkung der Mantel-Brechzahl erreicht. Zur Vergleichmäßigung des Brechzahlverlaufes im Kern ist in EP 0 520 337 A1 zusätzlich zur brechzahlsenkenden Manteldotierung eine Kombination aus Fluordotierung und Ge02- bzw. P205-Dotierung des Kern-Materials beschrieben, wobei beide Dotierungen nur in geringen Konzentrationen vorgenommen werden. Diese gegenläufig wirkenden Dotierungen
vergleichmäßigen den Brechzahlverlauf im Kern der Lichtleitfaser und dienen der Optimierung eines einzustellenden Stufenprofils.
Aus der Literatur sind unterschiedlichste Verfahrensschritte veröffentlicht, die die Fasereigenschaften vorteilhaft verändern sollen.
In US 5,059,229 wird ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Lichtleitfaser auf Si02-Basis beschrieben, bei der diese in einer Wasserstoffatmosphäre aus der Preform gezogen wird. Derartige Lichtleitfasern sollen besonders wenige Fehlstellen aufweisen und eine geringe Dämpfung haben.
Katherine Ciemiecki Nelson u.a., „The Fabrication and Performance of Long Lengths of Silica Core Fiber", J. of Lightwave Technology, 935-940 Vol. LT-3, No. 5, October 1985, beschreiben eine Glasfaser aus Si02, deren Kern mit Germanium dotiert ist, um Dämpfungsverluste in der Lichtleitfaser zu reduzieren. Derartige Lichtleitfasern sollen unempfindlich gegen radioaktive Strahlung und Wasserstoff-eindiffusion sein.
EP 0 767 147 (DiGiovanni) und EP 0 772 061 (Antos) beschreiben, daß der Mantel Germanium enthalten sollte, um eine Schädigung der Fasereigenschaften durch einen Wasserstoffeintrag zu vermeiden.
Wie aus den vorstehenden Literaturstellen ersichtlich ist, ist die Anwendung von Germanium bei der Herstellung von Si02-basierten Lichtleitfasern bekannt, um spezifische Eigenschaften zu beeinflussen. Ein Wasserstoffeintrag soll vermieden werden, da dieser die Fasereigenschaften verschlechtert. Derartige Lichtleitfasern sind überwiegend für den nahen Infrarot-Bereich (NIR) konzipiert.
Bekannte Si02-basierte Lichtleitfasern zeigen bei einer Bestrahlungsstärke von zum Beispiel 0,6 MW/cm2 Degradationserscheinungen, die insbesondere bei Wellenlängen kleiner 600 nm beobachtet werden. Mit der Dauer der Bestrahlung durch das in der Lichtleitfaser geführte Licht steigen die Lichtverluste innerhalb der Lichtleitfaser, so daß sich zum Beispiel nach einem Zeitraum von etwa 200 Stunden 25% der ursprünglichen Transmission ziemlich konstant einstellen. Es wurde festgestellt, daß ab einer Energieschwelle, die wellenlängenabhängig ist, eine Degradation der Fasereigenschaften eintritt, die dazu führt, daß die Transmission während der Betriebsdauer abnimmt. Es werden eine Zunahme der Streuung, der Absorption und der Belastungsempfindlichkeit beobachtet, die im Extremfall zur Zerstörung der Lichtleitfaser führen. Dieser Effekt ist insbesondere bei Wellenlängen beobachtet worden, die dem blauen und ultravioletten Licht entsprechen. Die Degradation tritt aber auch bei Wellenlängen des
grünen Lichtes auf und bei entsprechend großen Leistungen auch bei rotem Licht und im nahen infraroten Bereich (NIR). Aus der Literatur sind jedoch keine Anhaltspunkte dafür gegeben, wie die Degradation infolge des Energieeintrages durch das in der Lichtleitfaser geführte Licht, vermindert oder gar verhindert werden kann.
Die Erfindung soll das Problem lösen, die Leistungsfestigkeit und Leistungsstabilität von Si02- basierten Lichtleitfasern zur Lichtleitung zu erhöhen. Die Übertragungseigenschaften für das in der Lichtleitfaser geleitete Licht hoher Energiedichte sollen dauerhaft so konstant bleiben, daß eine Degradation praktisch nicht auftritt oder vernachlässigbar klein ist, so daß eine Lichtleitfaser für einen Betriebszeitraum von mindestens mehreren 100 Stunden technisch einsetzbar ist.
Die Erfindung soll insbesondere Lichtleitfasern liefern, die im Wellenlängenbereich kleiner 750 nm Licht effizient und dauerhaft stabil übertragen. Weiterhin soll Licht mehrerer Wellenlängen im Spektrum des sichtbaren Lichtes (z.B. Rot, Grün, Blau) effizient und zeitlich stabil übertragbar sein, wobei die übertragbare Dauerstrich-Leistung für jede der Wellenlängen im Watt-Bereich liegen sollte.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser zur Übertragung einer hohen Lichtleistungsdichte, bei dem in einem Zwei-Schritt- Prozeß zunächst eine Preform hergestellt und dann aus dieser die Lichtleitfaser gezogen wird, wobei ein Kern-Material und ein Mantel-Material abgeschieden werden, die ein durch Dotierung des Mantels für Lichtleitungseigenschaften geeignetes Brechzahlprofil aufweisen, und das Kern-Material zusätzlich mit einer Substanz derart dotiert wird, daß dadurch die Brechzahl des Kerns gegenüber der Brechzahl des undotierten Kern-Materials um weniger als 0,001 , insbesondere um 0,0004 bis 0,0008 verändert wird, wobei keine Dotierung des Kern-Materials mit Fluor vorgenommen wird.
Das Problem wird weiter gelöst durch eine Lichtleitfaser mit einem Kern und einem Mantel, wobei ein Kernmaterial des Kerns und ein Mantel-Material des Mantels Si02 aufweisen, zwischen Kern-Material und Mantel-Material ein für Lichtleitungseigenschaften geeignetes Brechzahlprofil besteht, das Kern-Material mit einer brechzahländernden Substanz dotiert ist, wobei die Brechzahl des dotierten Kern-Materials um weniger als 0,001 von der Brechzahl des undotierten Kern-Materials abweicht und das Kern-Material nicht mit Fluor dotiert ist.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt also das Konzept zugrunde, zur Herstellung einer Lichtleitfaser eine Preform zu bilden und in dieser das Mantel-Material so zu dotieren, daß der für effektive Lichtleitungseigenschaften gewünschte Brechzahlunterschied zwischen Kern- und
Mantel-Material besteht. Anschließend wird darüber hinaus das Kern-Material zusätzlich derart dotiert, daß seine Brechzahl um weniger als 0,001 gegenüber der Brechzahl des undotierten Kern-Materials verändert wird. Eine Dotierung des Kern-Materials mit Fluor findet dabei nicht statt. Diese erfindungsgemäße geringe Dotierung des Kerns verbessert die Übertragungseigenschaften der Lichtleitfaser für Strahlung hoher Leistungsdichte und vermindert die Degradationserscheinungen, die bislang bei hohen Lichtleistungen unvermeidbar waren.
Die Dotierung des Kern-Materials erfolgt vorzugsweise mit Ge, P, Sn, AI, N oder Cl. Diese Substanzen sind in Herstellprozessen einfach als Dotierungsmaterial anzuwenden und führen zur gewünschten Lichtleistungsfestigkeit. Sie können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Besonders zu bevorzugen ist eine derartig geringe Konzentration, daß dadurch die Brechzahl des dotierten Kern-Materials um 0,00001 bis 0,001, vorzugsweise zwischen 0,0004 bis 0,0008 von der des undotierten Kern-Materials abweicht. Im vorzugsweise genannten Bereich erhält man besonders lichtleistungsfeste Fasern.
Eine Germanium-Dotierung wird bisher bei Verfahren zur Lichtleitfaserherstellung zur Erzeugung eines definierten Brechzahlprofiles (Änderung des Brechungsindex) eingesetzt. Dabei ist allgemein bekannt, daß Dotanden, so auch Germanium, die Stabilität der Lichtleitfaser gegenüber energiereicher Strahlung verschlechtern. Daher wird ein undotiertes Kernmaterial bevorzugt; üblicherweise reines Si02 für das Kernmaterial und innerer Mantel aus Fluordotiertem Si02 , zur Herstellung der Brechzahlabsenkung.
Überraschend wurde festgestellt, daß kleine Mengen an Germanium im Kernmaterial die Leistungsstabilität erheblich verbessern. Dabei sollte die Dotierung so erfolgen, daß im Kernmaterial Ge02 in einer Konzentration zwischen 0,001 mol% und 1 mol% vorliegt, wobei ein Bereich zwischen 0,3 mol% und 0,6 mol% sich durch besondere Lichtleitungsfestigkeit auszeichnet, ohne daß die Transmission geschwächt wäre.
Bei der Abscheidung des Kern-Materials mit SiCI und 02 kann die Verbindung GeCI4 in einer Menge zugegeben werden, bei der sich eine Ge02 -Konzentration im Kern zwischen 0,001 mol% und 1 mol% einstellt und sich die Brechzahl des Kerns weniger als 0,001 gegenüber der Brechzahl des Si02 verändert.
Zu dem üblicherweise gasförmigen Reaktionsgemisch von SiCI4 und 02 (bei Innenrohrverfahren, wie MCVD oder PCVD) oder SiCI und einem H2/02 -Gemisch (bei direkten Flammenverfahren, wie OVD oder VAD) wird gasförmiges GeCI4 zugesetzt, zum Beispiel in
einer Menge 100 sccm SiCI4 + 1 sccm GeCI4. Je nach Verfahrensbedingungen wird von diesem Gemisch eine etwas variierende Menge Ge02 in das Kernmaterial eingebaut.
Eine deutliche Erhöhung der Leistungsbelastbarkeit der Lichtleitfaser ist nur festzustellen, wenn die durch die Dotierung erzeugte Veränderung der Brechzahl zwischen 0,00001 und 0,001 gegenüber der Brechzahl des reinen Si02 liegt. Die angegebenen Grenzen sind jedoch nicht als absolute Werte anzusehen, ab denen die Leistungsbelastbarkeit der Faser abrupt abfällt. Die angegebene obere Grenze für die Veränderung der Brechzahl durch die Dotierung wird vor allem dadurch festgelegt, daß etwa bis zu der Brechzahländerung von maximal 0,001 keine Veränderung der effektiven lichtleitenden Eigenschaften (Erhaltung des Brechzahlprofils, Erhaltung des Brechzahlsprungs zwischen Kern und Mantel) festzustellen ist.
Wird eine zu geringe Dotierung der Preform vorgenommen, erhält man eine unzureichende Langzeitstabilität, die, bei einer Lichtleitfaser ganz ohne Dotierung, der einer herkömmlichen Lichtleitfaser entspricht. Wird eine zu hohe Dotierung vorgenommen, verringert sich die Anfangstransmission und die Langzeitstabilität verschlechtert sich ebenfalls.
Die Erfindung löst das eingangs erwähnte Problem weiter mit einem Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser zur Übertragung einer hohen Lichtleistungsdichte, bei dem in einem Zwei- Schritt-Prozeß zunächst eine Preform hergestellt und dann aus dieser die Lichtleitfaser gezogen wird, wobei die Preform nach einer Abscheidung eines Kern-Materials und vor dem Ziehen der Lichtleitfaser mit einer H2-haltigen Atmosphäre behandelt wird, so daß das Kern- Material der Preform mit Wasserstoff beladen wird.
Ebenfalls wird das Problem gelöst durch eine Lichtleitfaser mit einem Kern und einem Mantel, herstellbar durch Abscheiden eines Kern-Materials und eines Mantel-Material zu einer Preform und Behandeln der Preform mit einer H2-haltigen Atmosphäre, so daß das Kern-Material mit Wasserstoff beladen wird, und Ziehen der Preform zur Lichtleitfaser. Nach der Abscheidung des Kern-Materials erfolgt also eine Behandlung der Preform mit dem Si02-Kern und Fluor- dotiertem inneren Mantel mit einer H2-haltigen Atmosphäre bei höherer Temperatur erfolgt. Optional kann dabei eine H2-Behändlung des Mantels vermieden werden.
Die in die Preform eindiffundierten Wasserstoffatome werden in das Material eingelagert und reagieren zum Teil mit atomaren Defekten innerhalb der Materialschichten. Es erfolgt vermutlich weiter eine teilweise chemische Reduktion der Si-O-Si-Verbindungen zu Si-Si-Verbindungen. Es wird angenommen, daß die in den Materialschichten eingelagerten Wasserstoffatome ein Reservat dafür bilden. Die während des Betriebes der Lichtleitfaser durch die Lichtleitung entstehenden Defekte im Kern-Material können wahrscheinlich durch Wasserstoffatome aus
diesem Reservat geheilt werden und sichern dadurch den Betrieb der Lichtleitfaser mit einer hohen Leistungsdichte mit hoher Stabilität über einen langen Zeitraum.
Der Wirkungsmechanismus der geringen Germanium-Dotierung des Kern-Materials und der Wasserstoff-Beladung der Preform ist noch nicht vollständig bekannt und bedarf weiterer Untersuchungen. Wesentlich ist aber, daß die Germanium-Dotierung des Kern-Materials für sich alleine eine mindestens 30-fach längere Einsatzdauer der Lichtleitfaser und die Wasserstoff-Beladung der Preform für sich alleine eine mindestens fünffach längere Einsatzdauer der Lichtleitfaser bewirkt. Diese Ergebnisse wurden für eine Lichtleitfaser mit 15 μm Kerndurchmesser, eine Wellenlänge des geführten Lichtes von 441 nm bei einer Leistung von 1 W Dauerstrich-Betrieb gewonnen. Für eine andere Wellenlänge und einen anderen Leistungseintrag ergeben sich andere Werte. Es soll hier nur verdeutlicht werden, daß mit jeder der Maßnahmen eine wesentliche Verbesserung der Stabilität der Übertragungs-eigenschaften einer Lichtleitfaser auf einen langen Betriebszeitraum gesichert werden kann.
Die Wirkung des Wasserstoffs zur Leistungsstabilisierung beruht offensichtlich hauptsächlich auf sein Vorhandensein im Kernmaterial. Eine Einlagerung des Wasserstoff in die Schicht(en) des Mantels hat demgegenüber vermutlich eine untergeordnete Bedeutung. Diese kann möglicherweise hauptsächlich als Reservat für Wasserstoff dienen, der beim Betrieb der Lichtleitfaser in den Kern hinein diffundiert.
Der Wasserstoff diffundiert zum einen in das Kern-Material der Preform und reagiert zum anderen mit dem Si02 des Kernmaterials, wird dadurch „unbeweglich" und kann beim nachfolgenden Ziehen der Preform zur Faser nicht ausdiffundieren. Die notwendigen hohen Temperaturen sichern einerseits eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit, andererseits aber auch die Reaktion mit dem Si02. Zu hohe Temperaturen beeinträchtigen jedoch den Gesamtprozeß und führen insbesondere zu einer Profilveränderung des Brechzahlverlaufes durch Fluordiffusion.
Besonders günstig ist die Kombination einer geringen Germanium-Dotierung (z.B. 0,05 mol%) mit einer Wasserstoffbehandlung der fertigen Preform oder auch eines innen beschichteten Rohres vor dem Kollabieren. Eine Weiterbildung sieht eine Kombination der vorgenannten Verfahrensschritte vor, die darin besteht, daß bei der Abscheidung des Kern-Materials mit SiCI und 02 die Verbindung GeCI in einer Menge zugegeben wird, bei der sich eine Ge02 - Konzentration im Kern zwischen 0,001 moI% und 1 mol% einstellt und sich die Brechzahl des Kerns weniger als 0,001 gegenüber der Brechzahl des Si02 verändert und nach der Abscheidung des Kern-Materials eine Behandlung der Preform mit einer H2 -haltigen Atmosphäre erfolgt.
Die Behandlung der Preform mit Wasserstoff erfolgt am einfachsten durch eine Außenatmosphäre, die die Preform umgibt. Diese kann zum Beispiel bei dem OVD-Verfahren, dem VAD-Verfahren oder dem MCVD-Verfahren durch einen Wasserstoffüberschuß in der Brennerflamme realisiert werden oder diese wird zum Beispiel beim PCVD-Verfahren in einem die Preform umgebenden Behälter erzeugt.
Die Herstellung der Preform erfolgt in einem Fall durch direkte Verfahren. Zu denen gehören Flammenverfahren, wie OVD und VAD, das Ziehen aus der Schmelze oder das Sol-Gel- Verfahren.
Einen besonders einfachen und stabilen Prozeßablauf gewährleistet ein Innenrohrverfahren, wie das MCVD-Verfahren oder das PCVD-Verfahren, welches für einen der oben genannten erfindungsgemäßen Verfahrensschritten (Germanium-Dotierung des Kern-Materials oder der Wasserstoff-Beladung der Preform oder deren Kombination) entsprechend modifiziert wird. Die Preform besteht hier aus einem Rohr, bei dem eine Innenbeschichtung dieses Rohres mit der Abscheidung des Mantels und der Abscheidung des Kern-Materials erfolgt. Durch anschließendes Kollabieren des innen beschichteten Rohres unter Anwendung der Wärmequelle wird die Preform hergestellt, aus der die Lichtleitfaser gezogen wird.
Bei einem Innenrohrverfahren ist es vorteilhaft nach der Abscheidung des Kern-Materials eine Behandlung des innen beschichteten Rohres mit einer H2 -haltigen Innenatmosphäre durchzuführen. Alternativ kann hier auf eine Wasserstoff-Beladung der Materialschichten durch die Außenatmosphäre verzichtet werden. Die Wasserstoff-Beladung über die Innenatmosphäre ist technologisch einfacher zu führen und erfordert weniger Zeit. Die Wasserstoff-Beladung über die Außenatmosphäre lagert jedoch eine größere Anzahl Wasserstoffatome in die Materialien der Preform ein, bildet also ein größeres Reservat. Daher kann es zweckmäßig sein, die Wasserstoff-Behandlung der Preform sowohl über die Innen- und die Außenatmosphäre durchzuführen.
Bei den Verfahren zur Herstellung der Preform können die Materialschicht für den Mantel und/oder das Kernmaterial porös abgeschieden und nachfolgend verglast werden. Die Wasserstoff-Beladung erfolgt bei einer Preform mit einer oder mehreren porösen Schichten besonders schnell und wirkungsvoll.
Alternativ oder zusätzlich zur Außenbehandlung und/oder Innenbehandlung mit Wasserstoff nach der Abscheidung des Kern-Materials kann bei Verfahren, die mit einem Rohr arbeiten, das innen beschichtete Rohr vor und/oder während des Kollabierens des Rohres mit der H2 -
haltigen Innenatmosphäre behandelt werden. Eine weitere Verbesserung des Langzeitverhaltens ist mit oder ohne vorherige Dotierung des Kerns mit Germanium feststellbar.
Bei den beispielhaft genannten Verfahren OVD, VAD oder MCVD wird die Wasserstoff-haltige Außenatmosphäre zweckmäßig durch eine H2/02 -Flamme erzeugt, wobei das Verhältnis von H2 zu 02 größer zwei, insbesondere sechs ist. Offensichtlich ist bei der Flammenbehandlung des Rohres oder der Preform die Wirkung des gasförmigen Wasserstoffs an deren Oberfläche entscheidend. Wenn das Flammenverhältnis deutlich größer 2 ist, bleibt an der Oberfläche eine merkliche Konzentration unverbrannten Wasserstoffs erhalten, die in den Mantel bis zum Kern hin eindiffundieren kann. In einem Bereich zwischen 2 und 8 ist dieser Effekt besonders ausgeprägt und führt zu außergewöhnlich langzeitstabilen Lichtleitfasern im Hinblick auf hohe Lichtleistungsdichten.
Die Behandlung mit der H2/02 - Flamme erfolgt bei einer Temperatur im Bereich zwischen 600°C und 2000°C, wobei diese Erwärmung für jeden Punkt der Preform vorzugsweise für eine Zeitdauer von größer 10 min aufrechterhalten wird. Unterhalb 600°C erfolgt keine oder ein sehr langsame Reaktion und oberhalb 2000°C erfolgen unerwünschte Diffusionsprozesse und die mechanische Stabilität der Preform vermindert sich, ein Rohr als Preform neigt zum Kollabieren. Die erforderliche Zeitdauer ist stark von der Zusammensetzung und Breite der Brennerflamme und den Rohrdimensionen abhängig. Wichtig ist, daß die Wasserstoff-Eindiffusion das Kernmaterial vollständig erreicht.
Die Innenbehandlung des Rohres und/oder die Außenbehandlung der Preform mit Wasserstoff erfolgt (alternativ zur Anwendung einer H2/02 - Flamme mit Wasserstoffüberschuß) mit einem Gemisch aus H2 und einem Edelgas, wobei vorzugsweise die H2 -Konzentration kleiner 5 % ist, insbesondere 3% beträgt. Dies wirkt sich ebenfalls günstig auf die Lichtleistungsbeständigkeit aus. Die Außenbehandlung erfolgt in diesem Fall vorzugsweise ohne offene Flamme, z.B. durch Erhitzen der Preform mittels einer Hochfrequenzquelle (z.B. PCVD-Verfahren). Als Edelgas wird He oder Ar eingesetzt.
Alternativ zu dem Edelgas kann die Behandlung mit einem Gemisch aus H2 und CO erfolgen, wobei vorzugsweise die H2 -Konzentration kleiner 1 % ist. CO hat eine zusätzlich reduzierende Wirkung und verbessert somit die Fasereigenschaften.
Die Behandlung der Preform bzw. des Rohres mit dem H2 -Gemisch mit dem Edelgas oder dem CO erfolgt bei einer Temperatur im Bereich zwischen 600°C und 1800°C, wobei diese Erwärmung für jeden Punkt der Preform oder des Rohres vorzugsweise für eine Zeitdauer von größer 2 min aufrechterhalten wird. Die Verdünnung des Wasserstoffs durch Edelgase oder CO
verhindert oder begrenzt eine störende Reaktion durch Reduktion des Si02 zu gasförmigen SiO. Sie führt dazu, daß die Reaktion nur in dem Maße abläuft, der zu dem gewünschten Effekt der Leistungsstabilisierung der Lichtleitfaser erforderlich ist.
Der Zusatz von CO unterstützt dabei die Wirkung des Wasserstoffs, insbesondere bei einer sehr geringen Wasserstoffkonzentration. Die Dauer der Behandlung mit Wasserstoff ist auch hier stark von den anderen Verfahrensparametern abhängig. Sie muß jedoch solange erfolgen, bis das Kern vollständig von Wasserstoffatomen durchdrungen ist. Dies gelingt am Besten und am Schnellsten innerhalb des Prozesses eines der Innenrohrverfahren.
Erfindungsgemäß werden die erforderlichen Lichtleitungseigenschaften durch eine geeignete Dotierung des Mantel-Materials erreicht. Dabei kann Fluor verwendet werden, das einen günstigen Einfluß auf die gewünschte hohe Leistungsbeständigkeit hat. Vorzugsweise erfolgt die Dotierung in einer Konzentration über 1 mol%, besonders gute Lichtleitungseigenschaften werden zwischen 1,5 mol% und 3 mol% erreicht. Fluor dotierte Lichtleitfasern haben typischerweise eine numerische Apertur von 0,11.
Alternativ ist eine Dotierung des Mantel-Materials mit Bor möglich, das den Vorteil einer größeren Variationsbreite für die Brechzahlabsenkung im Mantel der Lichtleitfaser bietet. Die numerische Apertur kann damit auch über 0,11 liegen und z.B. 0,2 betragen. Weiter ermöglicht Bor eine höhere Abscheiderate für Siliziumdioxid, was die Geschwindigkeit des Herstellungsprozesses der Faser verkürzt. Der praktisch anwendbare Dotierungsbereich für Bor liegt im Bereich zwischen 0 und 20 mol%, wobei bei einer Konzentration von über 5 mol% besonders gute Lichtleitungseigenschaften erreicht werden.
Bei einer von außen hergestellten Preform bestehen der Mantel und der Kern aus Si02, wobei Fluor als Dotierung für den Mantel eingesetzt werden kann.
Das Vorhandensein weiterer Dotanden wie z.B. Phosphor, Germanium oder Bor im Mantel führt zu einer intensiven Reaktion mit dem eindiffundierenden H2 und verlangsamt oder verhindert den Diffusionsprozeß, insbesondere wenn dieser durch den Mantel hindurch in den Kern hinein gerichtet ist.
Die Prinzipien der Erfindung sind nicht auf die hier beispielhaft genannten Verfahren beschränkt sondern auf andere Verfahren, bei denen die Lichtleitfaser aus der Prefom gefertigt wird, entsprechend übertragbar. Wesentlich ist, daß die erfindungsgemäßen Prozesse - geringfügige, die Brechzahl des Kern-Materials um weniger als 0,001 mindernde Dotierung und/oder Wasserstoffbeladung des Kern-Materials - bei der Herstellung der
Ausgangsmaterialien für die Preform und/oder während der Herstellung der Preform Und/oder nach der Herstellung der Preform durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind also unabhängig von den Schritten der Herstellung einer Lichtleitfaser bzw. den Merkmalen einer Lichtleitfaser, die ihre Lichtleitungseigenschaften betreffen, also unabhängig vom Brechzahlunterschied zwischen Kern und Mantel der Lichtleitfaser, da durch die Erfindung die Brechzahl von Mantel- und Kern-Material im wesentlichen unverändert bleiben. Somit können die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte bzw. Merkmale bei beliebigen Herstellverfahren bzw. Lichtleitfasern Anwendung finden, um die gewünschte Langzeitstabilität hinsichtlich des Führens hoher Leistungsdichten zu erreichen.
In Suzanne R. Nagel, „R&D Directions for Optical Fiber", IEEE LTS 26-34, November 1992 und in John B. MacChemey and David J. DiGiovanni, „Materials Development of Optical Fiber", J.Am.Soc. 73(12) 3537-56 (1990), werden die wichtigsten Herstellungsverfahren für Lichtleitfasern beschrieben, die sämtlich im Zusammenhang mit einigen oder allen Verfahrensschritten der Erfindung Anwendung finden können, um eine Verbesserung der Leistungsfestigkeit und -Stabilität von Lichtleitfasern auf Si02-Basis zu erzielen.
Die erfindungsgemäßen Lichtleitfasern sind aufgrund ihrer Lichtleistungsfestigkeit besonders dazu geeignet, Licht mit einer mittleren Lichtleistung von 0,5 W oder mehr oder einer mittleren Leistungsdichte von 0,4 MW/cm2 oder mehr zu führen. Die Erfindung sieht deshalb die Verwendung einer der erwähnten Lichtleitfasern vor, wobei Licht mit einer mittleren Lichtleistung von 0,5 W oder mehr oder einer mittleren Leistungsdichte von 0,4 MW/cm2 oder mehr in der Lichtleitfaser geführt wird. Eine solche Verwendung ist besonders vorteilhaft, wenn hohe Lichtleistungen von einem Laser zu abgeführt werden sollen. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist die Laserprojektion, bei der insbesondere die Eigenschaft einer Lichtleitfaser, beständig gegenüber leistungsstarkem Licht verschiedenster Wellenlängenbereiche zu sein, vorteilhaft ist.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Querschnitt eines innen beschichteten Rohres vor dem Kollabieren,
Fig. 2 Querschnitt einer Preform nach dem Kollabieren des Rohres,
Fig. 3 Darstellung der Leistungsfestigkeit, angegeben über den Transmissionsverlauf bei 441 nm über die Dauer der Lichtübertragung bei 441 nm,
Fig. 4 Darstellung der Leistungsfestigkeit, angegeben über den Transmissionsverlauf bei 532 nm über die Dauer der Lichtübertragung bei 532 nm,
Fig. 5 Darstellung der Leistungsfestigkeit, angegeben über den Transmissionsverlauf
bei 630 nm über die Dauer der Lichtübertragung bei 441 nm, ,
Fig. 6 Querschnitt einer Preform nach dem OVD-Verfahren.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Rohres 1 vor dem Kollabieren. Ein Ausgangsrohr mit einer Länge von 1,20 m mit einem Außendurchmesser von 14 mm und einem Innendurchmesser von 11 mm wird in einem PCVD-Verfahren eingesetzt. Ein derartiges Ausgangsrohr ist unter der Bezeichnung F300/Heraeus Quarzglas handelsüblich. Das Rohr 1 hat eine Innenatmosphäre 7 und ist von einer Außenatmosphäre 6 umgeben. Eine Wärmequelle 2 wird so gesteuert, daß diese das Rohr 1 im Bereich seiner Längenausdehnung und in seinem Umfang gleichförmig erwärmt. Im Beispiel wird das Rohr 1 gedreht und die Wärmequelle 2 ist ein Ring einer Mikrowellenkavität, die längs des Rohres 1 gleichmäßig linear bewegt wird. In einem ersten Verfahrensschritt wird der „Mantel 2" 3 aus Si02 erzeugt. Dieses entsteht in der Reaktion der Innenatmosphäre 7 aus SiCI4 und 02.
Die Temperaturführung wird so ausgelegt, daß eine gleichmäßig 15 μm dicke Beschichtung des Innendurchmessers des Rohres 1 mit Si02 erfolgt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der „Mantel 1" 4 erzeugt. Dieses entsteht in der thermischen Reaktion der Innenatmosphäre 7 aus SiCI4 , C2F3CI3 und 02. Der „Mantel 1" besteht aus Fluor-dotiertem Si02 mit einer Dicke von 0,25 mm. In einem dritten Verfahrensschritt wird eine 25 μm dicke Kernbeschichtung 5 aus Si02 erzeugt. Diese entsteht in der thermischen Reaktion der Innenatmosphäre 7 aus SiCI4 und 02. Bis hierher sind die Verfahrensschritte allgemein üblich und das innenbeschichtete Rohr 1 wird dann kollabiert, so daß anschließend aus der erhaltenen Preform eine Lichtleitfaser gezogen werden kann.
Gemäß der Erfindung werden nun ein oder mehrere Verfahrensschritte modifiziert oder mit dem innen beschichteten Rohr 1 zusätzlich durchgeführt, um die Leistungsfestigkeit und -Stabilität der aus der Preform gezogenen Lichtleitfaser zu erhöhen. Im Beispiel wird der Innenatmosphäre 7 während der Abscheidung des Kern-Materials 5 1sccm GeCI4 auf 100 sccm SiCI zum Gemisch aus SiCI und 02 zugesetzt. Dies führt zu einer Brechzahlerhöhung des Kern-Materials von nur 0,0004 bzw. zu einer Germanium-Dotierung von 0,3 mol% Ge02 im Kernmaterial. Allein durch diese Dotierung wird die Leistungsstabilität der aus der Preform gezogenen Lichtleitfaser um mehr als 30-fach für blaues Licht gesteigert.
Eine weitere Verbesserung der Beständigkeit der Lichtleitfaser gegen Schäden durch das in der Lichtleitfaser geführte Licht wird durch eine Wasserstoff-Behandlung des innenbeschichteten Rohres 1 erzielt. Im Beispiel wird das Edelgas Argon mit 3% Wasserstoff versetzt und dem Rohr 1 als Innenatmosphäre 7 zugeführt. Dies erfolgt solange bis die gesamte nutzbare Länge des Rohres 1 eine Aufwärmung durch die Wärmequelle 2 erfahren hat.
Fig. 2 zeigt eine Preform, d.h. ein kollabiert.es Rohr 8 mit dem Mantel 3, 4 und einem Kern 9 im Querschnitt. Die Innenbeschichtung des unkollabierten Rohres erfolgte hier ähnlich zu 'den in Fig. 1 beschriebenen Schritten, hier allerdings mit dem MVCD-Verfahren. Hier ist die Wärmequelle 2 ein Flammenring einer Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung, der längs des Rohres gleichmäßig linear bewegt wird. In dem ersten Verfahrensschritt wird der „Mantel 2" 3 aus Si02 erzeugt. Dieses entsteht in der thermischen Reaktion der Innenatmosphäre 7 aus SiCI und 02. In dem zweiten Verfahrensschritt wird der „Mantel 1" 4 erzeugt. Dieses entsteht in der thermischen Reaktion der Innenatmosphäre 7 aus SiCI4 , C2F3CI3 und 02. In dem dritten Verfahrensschritt wird das Kern-Material 5 aus Si02 erzeugt. Dieses entsteht in der thermischen Reaktion der Innenatmosphäre 7 aus SiCI4 und 02.
Gemäß der Erfindung können wie oben beschrieben ein oder mehrere Verfahrensschritte modifiziert oder mit dem innen beschichteten Rohr zusätzlich durchgeführt werden, um die Leistungsstabilität der aus der Preform gezogenen Lichtleitfaser zu erhöhen. In diesem Beispiel wird jedoch auf den Germanium-Eintrag und/oder die Wasserstoff-Behandlung über die Innenatmosphäre des Rohres verzichtet. Hier erfolgt ausschließlich ein Wasserstoffeintrag aus der Außenatmosphäre 6 in das kollabierte Rohr 8. Dazu erhält der Flammenring der Wärmequelle 2 einen Wasserstoff-Überschuß. Im Beispiel wird mit einem sechsfach höheren H2-Verhältnis gegenüber 02 gearbeitet. Die Erwärmung des kollabierten Rohres 8 erfolgt auf 1400 °C, wobei jeweils eine Zone des kollabierten Rohres 8 in einer Breite von 10 cm von der Flammeneinwirkung betroffen ist und der Flammenring kontinuierlich in Längsrichtung des kollabierten Rohres 8 mit einer Geschwindigkeit 0,5 cm/min bewegt wird.
Infolge des Wasserstoffüberschusses und der hohen Temperatur des kollabierten Rohres diffundieren Wasserstoffatome bis in das Material des Kernes 9 hinein und führen zu einer bleibenden, nichtflüchtigen Wasserstoff-Beladung des kollabierten Rohres 8. Allein durch diese Wasserstoff-Beladung wird die Leistungsstabilität der Lichtleitfaser um den Faktor fünf gesteigert.
Die Wasserstoff-Beladung kann zusätzlich auch noch bei der Herstellung des innen beschichteten Rohres 1 über die Außenatmosphäre 6 und/oder durch die Innenatmosphäre 7 erfolgen (siehe dazu auch Fig. 1). Weiterhin kann zusätzlich die Germanium-Dotierung der Kernbeschichtung erfolgen. Jede dieser einzelnen Maßnahmen führt zu einer Verbesserung der Leistungsfestigkeit und -Stabilität, wobei deren höchster Wert für blaues Laserlicht bei einer Kombination der Germanium-Dotierung und nachfolgender Wasserstoff-Beladung ermittelt wurde.
Fig. 3 zeigt den Transmissionsverlauf T in % als Funktion der Betriebsdauer d in Tagen für verschiedene Si02-Lichtleitfasertypen und folgend genannte beispielhafte Parameter: von der Lichtleitfaser geführtes Licht: jeweils 1 W Dauerstrich Laserlicht bei 441 nm, - Kerndurchmesser: jeweils 15 μm
Transmissionsmessung bei 441 nm. Die durchgehende Linie zeigt einen Transmissionsverlauf für eine herkömmliche Si02- Lichtleitfaser. Die Strich-Punkt-Linie zeigt einen Transmissionsverlauf für eine Lichtleitfaser, die aus einer mit Wasserstoff beladenen Preform hergestellt wurde. Die gepunktete Linie zeigt einen Transmissionsverlauf für eine Lichtleitfaser, die aus einer Preform mit einem Germanium dotierten Kern hergestellt wurde. Die gestrichelte Linie zeigt einen Transmissionsverlauf für eine Lichtleitfaser, die aus einer mit Germanium im Kern dotierten und mit Wasserstoff beladenen Preform hergestellt wurde.
Die dargestellten Transmissionsverläufe für die Lichtleitfasern, deren Preformen mit Germanium im Kern dotiert und/oder mit Wasserstoff beladenen wurden, zeigen eine mindestens fünffach längere Betriebsdauer, bei der kein wesentlicher Transmissionsverlust feststellbar ist.
Weiterhin wurde bei blauem Licht eine höhere Ausgangstransmission bei einer mit Wasserstoff beladenen und/oder mit Germanium im Kern dotierten Lichtleitfaser, im Vergleich zu einer herkömmlichen Si02-Lichtleitfaser, gemessen.
Die verschiedenen Varianten der Erfindung haben ein unterschiedliches Langzeitstabilitätsverhalten, wobei die Lichtleitfaser, bei der die Preform mit Germanium im Kern dotiert und mit Wasserstoff beladen wurde, die beste Langzeitstabilität für blaues Licht zeigt.
Fig. 4 zeigt den Transmissionsverlauf T in % als Funktion der Betriebsdauer d in Tagen für die in Fig. 3 genannten Lichtleitfasertypen und folgend genannte beispielhafte Parameter: - von der Lichtleitfaser geführtes Licht: jeweils 1 W Dauerstrich Laserlicht bei 532 nm,
- Kerndurchmesser: jeweils 15 μm
- Transmissionsmessung bei 532 nm.
Die durchgehende Linie zeigt einen Transmissionsverlauf für eine herkömmliche Si02- Lichtleitfaser. Die Strich-Punkt-Linie zeigt einen Transmissionsverlauf für eine Lichtleitfaser, die aus einer mit Wasserstoff beladenen Preform hergestellt wurde. Die gepunktete Linie zeigt einen Transmissionsverlauf für eine Lichtleitfaser, die aus einer mit Germanium im Kern dotierten Preform hergestellt wurde. Die gestrichelte Linie zeigt einen Transmissionsverlauf für
eine Lichtleitfaser, die aus einer mit Germanium im Kern dotierten und mit Wasserstoff beladenen Preform hergestellt wurde.
Die dargestellten Transmissionsverläufe zeigen auch hier für die Germanium im Kern dotierten und/oder mit Wasserstoff beladenen Preformen und die daraus hergestellten Lichtleitfasern ein besseres Langzeitverhalten. Es ist hier für die erfindungsgemäßen Lichtleitfasern nur eine sehr geringe Verschlechterung der Transmission feststellbar. Hier hat jedoch die mit Wasserstoff beladene Preform die günstigste Ausgangstransmission und den günstigsten Transmissionsverlauf für grünes Licht.
Fig. 5 zeigt den Transmissionsverlauf T in % als Funktion der Betriebsdauer d in Tagen für die in Fig. 3 genannten Lichtleitfasertypen und folgend genannte beispielhafte Parameter:
- von der Lichtleitfaser geführtes Licht: jeweils 1 W Dauerstrich Laserlicht bei 441 nm,
- Kerndurchmesser: jeweils 15 μm
- Transmissionsmessung bei 630 nm.
Es wurde festgestellt, daß sich zum Beispiel bei der Führung von blauen Licht in einer herkömmlichen Lichtleitfaser auch die Transmission des roten Lichtes mit der Dauer der Lichteinstrahlung merklich verschlechtert.
Die durchgehende Linie zeigt einen Transmissionsverlauf bei 630 nm für eine herkömmliche Si02-Lichtleitfaser bei der Lichtübertragung von Laserlicht mit einer Wellenlänge von 441 nm. Die Strich-Punkt-Linie zeigt einen Transmissionsverlauf für eine Lichtleitfaser, die aus einer mit Wasserstoff beladene Preform hergestellt wurde. Die gepunktete Linie zeigt einen Transmissionsverlauf für eine Lichtleitfaser, die aus einer mit Germanium im Kern dotierten Preform hergestellt wurde. Die gestrichelte Linie zeigt einen Transmissionsverlauf für eine Lichtleitfaser, die aus einer mit Germanium im Kern dotierten und mit Wasserstoff beladenen Preform hergestellt wurde.
Die dargestellten Transmissionsverläufe zeigen auch hier für die mit 0,3 mol% Ge02 dotierten und/oder mit Wasserstoff beladenen Preformen und die daraus hergestellten Lichtleitfasern ein besseres Langzeitverhalten für den gesamten Wellenlängenbereich, der von einer Lichtleitfaser auf Si02-Basis übertragen werden kann. Es ist hier für die erfindungsgemäßen Lichtleitfasern nur eine sehr geringe Verschlechterung der Transmission für den gesamten übertragbaren Wellenlängenbereich, d.h. von nahen Infrarot bis in den ultravioletten Bereich hinein feststellbar.
In der Praxis wird man also für einen vorgegebenen Wellenlängenbereich die Kombination der Verfahrensschritte so wählen, daß die gewünschten vorteilhaftesten Eigenschaften Ausgangstransmission und deren Langzeitstabilität für den zu übertragenden Wellenlängenbereich erzielt werden. So kann die Preform, aus der die Lichtleitfaser gezogen wird, mit der Auswahl der angegebenen Verfahrensschritte zur Herstellung der Preform durch wenige Versuche für eine Wellenlänge optimiert werden.
Ebenso kann die Lichtübertragung für einen vorgesehenen Spektralbereich, z.B. den des weißen Lichtes, zur Übertragung von rotem, grünem und blauem Laserlicht, optimiert werden, wobei hier die Kombination der geringen Dotierung des Kernes mit Germanium und mit der zusätzlichen Beladung der Preform mit Wasserstoff die beständigsten und ausgewogensten Eigenschaften einer Lichtleitfaser für den relativ großen Spektralbereich des weißen Lichtes liefern.
Fig. 6 zeigt eine Preform, die durch den OVD-Prozeß hergestellt wurde. Diese enthält herstellungsbedingt einen Luftspalt 10 mit einer Innenatmosphäre 7. Das Kern-Material 4 und der Mantel 3 werden in einem thermischen Prozeß erzeugt, bei dem sowohl die Dotierung des Kerns mit Germanium als auch die Wasserstoff-Behandlung während der Herstellung des Preform erfolgen kann. Die Preform kann aber auch nachträglich von innen und/oder von außen mit Wasserstoff beladen werden, wobei dies vorteilhaft bei der Umwandlung eines porösen Zustandes der Preform in einen glasigen Zustand erfolgt.