DE2122895C3 - Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter - Google Patents

Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter

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Description

35
4°
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung optischer Glasfasern, die besonders als Wellenleiter geeig'net sind.
Die Datenübertragung, z. B. auf dem Gebiet der Fernmeldetechnik, kämpft seit längerem mit der zunehmenden starken Besetzung und Überlastung der verfügbaren Frequenzbänder. Der seit kurzem erschlossene Frequenzbereich von 10* — 109 Hertz ist schon wieder überlastet, so daß an der Aufschließung des Bands von 109 - 1012 Hertz gearbeitet wird. Ein Bedürfnis nach weiteren Frequenzbereichen bis zum sichtbaren Lichtspektruin bei etwa 10" Hertz ist bereits abzusehen.
Für das zukünftige, optische Nachrichtensystem werden zuverlässige Lichtleiter benötigt.
Hierfür sind optische Fasern mit einem Kern und einem diesen umgebenden Mantel mit jeweils verschiedenem Brechungsindex grundsätzlich geeignet, vgl. hierzu sowie hinsichtlich der Einzelheilen des Aufbaus und der Wirkungsweise optischer Wellenleiter das US-Patent 31 57 726 sowie E. Snitzer in Journal of the Optical Sogiety of America. Bd. 51. S. 491-498 und N.S, Kapany, Fiber Optics (1967), . # 6^
Die Herstellung optischer Fasern erfolgt bisher in der Weise, daß ein Glasstab aus einem für den Faserkern geeigneten Glas in ein Glasrohr aus einem für den Fasermantcl bestimmten Glas gesteckt und erhitzt wird, bis die Viskosität das Ziehen des Rohres mit dem eingesteckten Släbkern gestattet Beim Ausziehen fällt das Röhr nach Innen zusammen Und YeFsehrnilzt mit dem Stabkern, Es kann dann noch weiter gezogen werden, bis der erforderliche kleinere Duchmesser erreicht ist. Für ein besiimmtes Durchmesserverhälinis werden Rohr und Stabkern meist mit verschiedener Geschwindigkeit gezogen. Es verbleibt aber ein im Verhältnis zum Mantel sehr starker Kern; das Verhältnis des Gesamtdurchmessers zum Kerndurchmesser beträgt in der Regel 8 :7.
Ferner entstehen häufig Luftblasen und Tremdkörpereinschlüsse, besonders an der kritischen Grenzfläche von Kern und Mantel, welche Lichtstreuzentren bilden.
Besondere Schwierigkeiten bereitete bisher auch die Herstellung optischer Glasfasern mit verhältnismäßig kleinem Kerndurchmesser, beispielsweise im Verhältnis Gesamtdurchmesser zum Kerndurchmesser von 100 :1.
Weitere Schwierigkeiten bereitet die für optische Wellenieiter besonders wichtige, präzise Einstellung des Kerndurchmessers und des Brechungsindex von Kern und Mantel.
Die Lichtstärke im optischen Wellenleiter nimmt mit zunehmendem Radialabsland von der Mitte des Wellenleiters ab und kann bei entsprechend großem Abstand oder geeigneter Wahl von Kerndurchmesser und Brechungsindex von Kern und Mantel sich praktisch dem Wert Null nähern. Erreicht die Lichtstärke an der Manteloberfläche nicht einen sehr niedrigen Wert, se kann Licht in den Kern zurückreflektiert werden, ein Teil des zu übertragenden Lichts aus dem Wellenleiter entweichen, und schließlich kann Licht in einen bei.achbarten Wellenleiter einfallen und Nebensprechstörungen hervorrufen.
Die genaue Einstellung der Durchmesser und Brechungswerte ist ferner für die Forlpflanzung des Lichts in wenigen Wellenmoden oder in nur einer Wellenmode günstig.
Wie Kapany, Fiber Optics — Principles and Applications. S. 55. erläutert, besteht ein funktionales Verhältnis der Brechungsindexdifferenz von Kern und Mantel und dem Kernradit;s. wohsi mit zunehmender Differenz der Kernradius abnehmen muß. Es ist äußerst schwierig oder sogar unmöglich, die Fortpflanzung in wenigen Moden oder einer Mode nur zu erreichen, wenn der Kerndurchmesser größer wird; beträgt beispielsweise der Kerr.durchmesser 1 μπι. so ist die erforderliche Brechung'idifferenz nur etwa ΙΟ"2, während bei größerem Kerndurchmesser, z. B. 1 mm, die Differenz noch kleiner sein muß, nämlich ca. 10-4. Derart kleine Brechungsunlerschiede sind bisher kaum erreichbar.
Ganz allgemein soll eine möglichst geringe Schwächung des fortgepflanzten Lichts eintreten.
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur 1 Herstellung einer besonders als Wellenleiter geeigneten optischen Faser, die das gegebenenfalls in nur einer oder nur wenigen Wellenmoden fortgepflanzte Licht mit möglichst geringer Störung. Schwächung und Streuung überträgt und eine präzise Einstellung des Kerndurchmessers und der Brechungsdifferenz von Kern und Mantel ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren der Erfindung dadurch gelöst, daß auf der Innenfläche eines Glasrohrs eine Schicht aus Kerriglasrnalenal aufgc brächt und das beschichtete Rohr zur Glasfaser aus· gezogen wird,
Weitere, den Erfindungsgedanken in günstiger Weise ausgestaltende Merkmale sind der Beschreibung und den Ünteranspruchen zu entnehmen,
Die Erfindung sei anhand der Zeichnungen, näher erläutert Es zeigt
Fig. I in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt eine erfindungsgemäß hergestellte, insbesondere als Wellenleiter geeignete optische Faser,
Fig.2 und 3 die Faser im Querschnitt entlang den Schnittlinien2-2und3-3der Fig. I1
Fig.4 als Schaubild die Lichtintensität (y-AcUss) als Funktion der Radialentfernung von der Mittellinie der Faser bzw. des Wellenleiters.
In der Fig. 1 irägt die Innenwand des dickwandigen Rohrs 10 aus Mantelglasmaterial eine dünne Schicht 12 aus Kcrnglasmaterial. Das Rohr wird durch den mit 14 angedeuteten Ofen erhitzt, bis die Viskosität des Mantelmaterials und des Kernmaterials niedrig genug zum Ausziehen ist. Das Rohr wird nun ausgezogen, bis das Kernglas zusammenfällt und den Hohlraum 16 ausfüllt, so daß eine Faser 24 mit festem, durchgehenden QuerschniU ohne Hohlraum mit einem Kern 22 kleinen Durchmessers und einem diesen umgebenden Mantel 20 erheblich größerer Dicke entsteht. Vorzugsweise liegt das Verhältnis des Gesamtdurchmessers der fertigen Faser zum Kerndurchmesser im Bereich von '0:1 bis 300:1; andere Verhältniswerie sind aber ebenfalls brauchbar.
Die Herstellung des dickwandigen Rohrs für den Mantel der Faser erfolgt beispielsweise durch Ausbohren eines festen Glasstabs mit dem erforderlichen Brechungsindex. Die rauhen Bohrflächen werden zweckmäßig geglättet, z. B. durch erneutes Ausziehen, durch Laserbearbeitung, vorzugsweise durch mechanisches und Flammenpolieren oder durch Auswaschen mit Fluorwasserstoffsäure.
Da ζ. B. bei Verwendung als Wellenleiter das übertragene Signal eine möglichst geringe Schwächung, Dämpfung und dergleichen erfahren soll, wird zweckmäßig ein Glas mit möglichst geringer Lichtabsorption verwendet Geeignet ist Glas optischer Qualität. Besonders günstig ist ein aus erschmolzener Kieselsäure hergestelltes Glas. Da das Kernglas einen größeren Brechungsindex als das Mantelglas, sonst aber ähnliche physikalische Eigenschaften aufweisen soll, wird nach zweckmäßiger weiterer Ausgestaltung das gleiche Grundglas für den Kern mit einem den Brechungsindex leicht erhöhenden anderen Material dotiert. Zur Dotierung verwendet man beispielsweise, einzeln oder in Mischung. Titanoxid, Tantaloxid, Zi.inoxid, Niobiumoxid. Zirkonoxid, Aluminiumoxid, u. a. m. Der vom Fachmann bestimmbare Dotierungsanteil soll nicht zu hoch sein, da sonst der Brechungsunterschied von Kern und Mantel zu groß wird, jnd der zulässige Kerndurchmesser des Wellenleiters entsprechend verkleinert werden muP Außerdem verliert ein aus Kieselsäure erschmolzenes Glas seine außergewöhnlich gute Lichtübertragungsfähigkeit.
Zur Herstellung ues Kerns wird auf die Innenwandung des Glasrohrs eine Schicht aus einem Glas mit den erforderlichen Eigenschaften wie Viskosität, Dehnungskoeffizient und Brechungsindex aufgebracht
Die Aufbringung der Schicht kann in verschiedenster Weise erfolgen, z. B. durch Sputtern mit Radiofrequenz, Niederschlagung aus der Dampfphase, Aufbringen einer Glasfritte usw, Besonders günstig ist die Aufbringung einer GJasschicht feinteiliger Partikeln (englischer Fachausdruck »soot of Glass« [(Glasruß)] durch Flammhydfolyse nach den US-Patenten 22 72 342 und 23 26 059, die anschließend gesintert wird. Eine Abwandlung dieses güns'ijen Verfahrens sei am Beispiel der Auftragung einer mit Titanoxid dotierten, aus Kieselsäure erschmolzenen Glasschicht erläutert
Trockener Sauerstoff wird durch einen mit einer Mischung von etwa 55 Gew.-% SiCI< und 47% TiCI4 gefüllten Tank geleitet. Die Temperatur der Mischung beträgt ca. 35°. Die vom durchlaufenden Sauerstoff aufgenommenen Dämpfe der Mischung werden durch die Mitte einer Gas-Sauersioff-Flamme geleitet, hier hydrolysiert und bilden eine Sr-hi^ht aus feinteiligen G'laspartikeln, die etwa 95% SiO2 und 5% TiO2 enthalten. Die in einem ständigen Strom von der
ίο Flamme abgegebenen Glaspartikeln werden in das offene Rohrende geleitet und auf der Rohrinnenwand niedergeschlagen. Die Dicke der Glaspartikelschicht kann dabei durch entsprechende Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit, des Abstands zwischen dem Glasrohr und der Flamme, des Innendurchmessers des Glasrohrs und der Niederschlagszeit geregelt werden. Durch Anlegen eines Vakuums an das der Flamme gegenüberliegende Rohrende wird die Glaspartikelschicht gleichmäßiger. Diese wird durch Erhitzen gesintert und bildet dann eine „dnne, an der Rohrinnenwand haftende Schicht aus ti.andotiertem Kieselsäureglas. Durch Sintern einer 30 μπι starken Glaspartikelschicht (»Rußschicht«) erhält man eine Schicht einer Dicke von annähernd 2 μΐη.
Eine .-.eitere Verringerung der ohnehin schon niedrigen Lichtabsorption, z. B. von litandotiertem Kieselsäureglas, e.zielt man durch Ausziehen des Glasrohrs mit dem Kernglasmaterial in einer Sauerstoffatmosphäre und anschließende Wärmebehandlung ebenfalls in einer Sauerstoffatmosphäre, ζ. Β. während mindestens 30 Min. bei 500-1000°C, wobei die Behandlungsdauer bei niedriger Temperatur länger ist und umgekehrt.
Zur hinreichenden Lichtübertragung eines Wellenleiters darf das Licht weder durch Lichtstreuungizcntren zerstreut noch durch das Glas übermäßig absorbiert werden. Lichtstreuungszentren entstehen oft durch winzige Luftblasen oder Verunreinigungen an der Grenzfläche von Kern und Mantel. Das Verfahren der
.jo Erfindung schafft eine besonders saubere und gut haftende Grenzfläche und vermeidet damit unerwünschte Lichtstreuungszentren.
Die Lichtintensität bzw. -stärke in einem optischen Wellenleiter nimmt mit zunehmendem radialen Abstand von der Kernmitte sehr rasch ab. Nähert sich die Lichtstärke dem Wert Null bereits in einem geringeren Abstand von der Kernmitte als dem Wellenleiterradius, so werden Nebcnsprechstörungen und unerwünschte Phasenverschiebungen ausgeschaltet. Wie die Fig.4 jo zeigt, liegt die Lichtstärke des Wellenleiters praktisch ganz innerhalb des Kernradius η und beträgt annähernd Null im Bereich des äußeren Durchmessers η des Weilemeiters.
Zur Beschränkung der Lichtfortpflanzung auf eine bestimmte Wellenmode werden Kerndurchmesser und Brechungsindex von Kern und Mantel durch die folgende, an einem Beispiel erläuterte Gleichung in Beziehung gesetzt:
R =
KW + »6) W-
worin
3 - Kernradius;
X = Wellenlänge des übertragenen Lichts (Natriumlichtz.B.5893A);
Π] - Brechungsindex des Kerns (SiOi + TiOj. z. B.
1,466); Πι ~ Brechungsindex des Mantels (Kieselsäuregfas, 1,4584).
Bei R - 2,405 oder R < 2,405 wird die Lichtfortpflanzung auf die HEw Wellenmode beschränkt. Hierzu rriuD a — 1,5 μηι oder a < 1,5 μΐη sein*
Zur weiteren, nicht beschränkenden Erläuterung diene das folgende Beispiel.
; In einem 12.7 cm .langen Kieselsäureglässtab mit einem Durchmesser von 1,9 cm wurde eine 0,6 cm weite LängsSohrung eingebohrt und die rauhe Bohrflächc mechanisch poliert und mit der Flamme nachpoliert. Auf diese sehr glatt polierte Innenfläche wurde eine Glaspartikelschicht aus einem mit Titanoxid dotiertem Kiesclsäureglas nach dem vorerwähnten Flammhydrolyseverfahren niedergeschlagen. Die etwa 20 μπι dicke Schicht bestand zu 94.75% aus Kieselsäure und /u 5,25% aus Titanoxid: sie wurde anschließend bei HSO" gesintert und an die Innenfläche dfi Glasrohr gebunden. Sodann wurde in einer Saucrstoffatmosphirc weiter erhitzt, bis die zum Ausziehen geeignete Viskosität erreicht war (etwa bei 1900°). Sodann wurde der Glaskörper gezogen, bis der Kern die Längsbohrung ausfüllte, und bis auf einen Durchmesser von etwa 100 μπι nachgezogen. Der Kerndurchmesser betrug nun
ίο 3 μιη, der Brechungsindex des Kerns annähernd 1,466, der des Mantels annähernd 1,4584. Sodann wurde die Faser durch Erhitzen auf 800° in Sauerstoff 3 Std. nachbehandelt.
Die so hergestellte optische Faser erfüllte die
gestellte Aufgabe als Wellenleiter für Natriumiicht mit der Lichtfortpflanzung in nur einer Wellenmode ohne übermäßige Schwächung des Signals und mit sehr geringer Streuung, Störung und Dämpfung.
Hicrzu i Blatt Zeichnungen

Claims (6)

  1. Patentansprüche:
    ). Verfahren zur Herstellung optischer Glasfasern mit einem Mantel und einem Kern mit höherem Brechungsindex als dem des Mantels, dadurch gekennzeichnet, daD auf der Innenfläche eines Glasrohres eine Schicht aus Kernglasmaterial aufgebracht und das beschichtete Glasrohr zur Glasfaser ausgezogen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr aus Kieselsäureglas und das Kernglas ebenfalls aus Kieselsäureglas mit einem Dotierzusatz besieht.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotiermaterial aus einem oder mehreren der Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niob, Zirkonium oder Aluminium besieht.
  4. 4. Venuhren nach Anspruch I, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht durch Flamm- *° hydrolyse unier Niederschlagung feinteiliger Glaspartikeln und anschließendes Sintern unter Erhitzen vor oder während des Ausziehens aufgebracht wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht durch Sputtering, 2S Dampfniederschlagung oder als Glasfriite aufgebracht wird.
  6. 6. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser in .'ner Sauerstoffatmosphäre ausgezogen und/oder gegebenenfalls die ausgezogene Faser mit festem Querschnitt in Sauerstoff nachbehandelt wird.
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