DE2122896B2 - Optischer wellenleiter in form einer glasfaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft optische Wellenleiter aus Glas in Form von Glasfasern.

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 lO'-lO⁹ Hertz ist schon wieder überlastet, so daß an der Aufschließung des Bands von 10'-10¹² Hertz gearbeitet wird. Ein Bedürfnis nach weiteren Frequenzbereichen bis zum sichtbaren Lichtspektrum bei etwa 10¹⁵ Hertz ist bereits abzusehen. Für das zukünftige optische Nachrichtensystem werden zuverlässige optische Wellenleiter benötigt.

Als optische Wellenleiter geeignete Fasern müssen eine Reihe besonders kritischer Anforderungen erfüllen, die zu erreichen äußerst schwierig und problematisch ist (vgl. die allgemeinen Ausführungen zur spezifischen Natur und Problematik optischer Wellenleiter bei N. S. K a ρ a η y, Fiber Optics - Principles and Applications [1967} sowie in dem Aufsatz von E. S η i t ζ e r, Journal of the Optical Society of America, Bd. 51, Nr. 5, und die US-PS 31 57 726).

Grundlegend wichtig ist die Lichtfortpflanzung, oft auf weite Strecken, ohne übermäßige Dämpfung, Dispersion und Streuung. Eine Besonderheit dieser optischen Fasern liegt ferner in der Notwendigkeit einer sorgfältigen und genauen Koordinierung wesentlicher physikalischer Merkmale und Parameter. Während in gewöhnlichen optischen Fasern dem Erfordernis, das Licht weitgehend in der Faser zu halten, also möglichst wenig entweichen zu lassen, schon durch eine möglichst große Brechungsindexdifferenz von Kern und Mantel und gegebenenfalls eine lichtabsorbierende Mantelschicht genüge getan werden kann, gelten für optische Wellenleiter weitaus komplexere Regeln, die beispiels-

weise eine besonders genaue gegenseitige Abstimmung des Kerndurchmessers, des Brechungsindex des Kerns und des Brechungsindex des Mantels verlangen.

Erhebliche Schwierigkeiten entstehen durch die für optische Wellenleiter kennzeichnende Beschränkung

der Lichtfortpflanzung auf weniger als die GesEmtheit der den Lichtstrahl aufbauenden Wellenformen oder Moden. Die Beschränkung auf eine Vielzahl, aber nicht alle Moden geht oft bis zur Einschränkung auf nur wenige Moden oder sogar nur eine einzelne Mode, was

ίο u. U. besonders günstig sein kann. Wie K a ρ a η y a.a.O. ausführt, verlangt diese Modenbeschränkung eine Koordinierung der Werte a = Radius des Faserkerns, J7i = Brechungsindex des Kerns und /I₂ = Brechungsindex des Mantels dergestalt, daß bei abnehmen- dem Kernradius a die Differenz n\ — /?₂ größer ausgelegt werden muß und umgekehrt. Schon bei Fasern mit sehr dünnem Kern ist die für optische Wellenleiterfasern benötigte Brechungsdifferenz m - n₂ sehr klein, z. B. 10~² bei einem 1 μπι dicken Kern, dagegen nur \0~* bei

einem 1 mm dicken Fasernkern.

Ferner dürfen an den Grenzflächen von Kern und Mantei mit derart geringer, aber notwendiger Brechungsdifferenz keine nennenswerten Lichtstreuzentren, z. B. infolge von gasförmigen Einschlüssen,

Verunreinigungen usw., entstehen, wslche die geringe

aber scharfe Brechungsgrenze von Kern und Mantel verwischen und das fortgepflanzte Licht unerwünscht streuen.

Aus der GB-PS 11 13 101 sind Lumineszenzgläser

bekannt, welche aus feinteiliger Kieselsäure und einem oder mehreren Oxiden von seltenen Erden bestehen, die gegebenenfalls auch in Faserform für den beabsichtigten Einsatz als Lymineszenzgerät vorliegen können, wobei die Oxide bestimmter seltener Erden wie Europium und Terbium den Lumineszenzeffekt stark erhöhen. Diese Gläser · sind für den* Einsatz als Lumineszenzgeräte zugeschnitten und als optische Wellenleiter nicht als solche geeignet. Die besonaeic für Wellenleiter geltende Problematik ist nicht beriicksich tigt und nicht erkannt.

Die DT-OS 19 13 358 betrifft optische Wellenleiter und ihre Herstellung, wobei Unterschiede im Brechungsindex eines Glaskörpers durch im Wege des differentiellen lonenaustausches erzielte Konzentra tionsänderungen bestimmter Kationenarten bewirkt werden sollen. Wie die Erfahrung lehrt, sind Ionenaustauschprozesse aber nicht so fein steuerbar, daß die aus den obenerwähnten Gründen kritische und scharfe Grenze im Brechungsindex bei oft kleinster Sndexdiffe renz mit der erforderlichen Genauigkeit einstellbar und beherrschbar ist. Ferner kann die für die Lichtfortpflanzung auf größure Strecken wesentliche geringe Dämpfung, Streuung und Dispersion nicht erreicht werden.

6s Die Erfindung hat optische Wellenleiter in Form von Glasfasern zur Aufgabe, welche mit weitgehend herabgedrückter Dämpfung, Dispersion und Streuung arbeiten und eine genaue Einstellung der Brechungsin-

dexdifferenz von Kern und Mantel gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Wellenleiter in Form einer Glasfaser, bestehend aus einem Mantel und einem Kern mit höherem Brechungsindex als der Mantel, gelöst, in welchem Kern und Mantel aus reinem Kieselsäureglas (SiO₂ mit höchstens 5 Gew.-% Wasserstoff und höchstens 0,1 Gew.-% Verunreinigungen) besteht und zur Einsteilung der Brechungsdifferenz zwischen Mantel und Kern das Glas des Kerns und wahlweise auch das Glas des Mantels ein Dotierungsmittel enthalten.

Obwohl ein Kieselsäureglas infolge seiner großen Härte und schweren Bearbeitbarkeit an sich weniger günstig als andere Gläser erscheinen sollte, ist gerade ein solches, sehr reines, nämlich nicht mehr als 0,1 Gew,-% Verunreinigungen und nicht mehr als 5 Gew.-% Wasserstoff enthaltendes Glas für die aus den oben erläuterten Gründen notwendige präzise Einstellung kleiner Brechungsindexdifferenzen, niedrige Dämpfung, Dispersion und Streuung in hohem Maße günstig und fortschrittlich.

Weitere günstige Ausbildungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Unteransprüchen.

In der Zeichnung zeigen die

F i g. 1 und 2 perspektivisch bzw. im Querschnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der F i g. 1 einen optischen Wellenleiter. Die

F i g. 3 zeigt als Schaubild den Einfluß verschiedener Dotiermittel auf den Brechungsindex.

Nach einer am leichtesten herzustellenden Ausbildung ist nur der Kern 30 des Wellenleiters 10 mit Dotiermaterial versehen, während der Mantel 20 aus reinem Kieselsäureglas, nämlich einem Glas aus reiner Kieselsäure ohne andere Bestandteile als SiO₂, außer bis zu 0,1 Gew.-% Verunreinigungen oder bis zu 5 Gew.-% Wasserstoff, besteht. Die Menge des Dotiermittels wird hierbei so sorgfältig dosiert, daß die erforderliche, präzise Differenz des Brechungsindex von Kern und Mantel erzielt wird.

Nach einer weiteren Ausgestaltung sind sowohl Kern als auch Mantel dotiert, und zwar mit dem gleichen Dotiermittel, aber in genau dosierten, verschiedenen Mengen, z. B. größerer Menge im Kern als im Mantel.

Schließlich können auch verschiedene Dotiermittel ^₅ verwendet werden, wobei die Menge u. U. gleich sein kann, sofern der erforderliche Brechungsunterschied erzeugt wird. Infolge der größeren Maße des Mantels kann die Dotiermenge in diesem u. U. auch erheblich größer sein als im Kern. ·

Diese Ausgestaltungen sind oft dann besonders günstig, wenn eine gute Übereinstimmung physikalischer Eigenschaften, wie Anlaß- oder oberer Spannungspunkt, Wärmedehnung, Viskosität usw., erforderlich ist. Nieist erleich'tert eine solche Übereinstimmung die Herstellung ganz wesentlich, insbesondere die sonst beim Ausziehen auftretenden Probleme wie Entglasung, zu starke innere Spannung, zu großer Viskositätsunterschied. Vorzugsweise beträgt das Dotiermittel daher nicht mehr als 15% des Glases. Besonders günstig ist die durch die Dotierung genau einstellbare, sehr geringe Differenz der Brechungsindizes von Kern und Mantel des Wellenleiters. Der Kerndurchmesser kann entsprechend größer ausgeführt werden, was die Herstellung erleichtert. Da Kieselsäureglas mit großer Reinheit herstellbar ist, kann durch genaue Dosierung des Dotiermittels eine sehr präzise Differenz erreicht wi»rrlpn

Eine wesentliche Verbesserung wird durch die günstigen Eigenschaften des reinen Kieselspureglases erzielt, wie geringe Absorption und geringe Streuung von Lichtenergie, Fehlen von Übergangsmetalloxiden, Farbstoffen usw. Die Streuung wird auch durch den Einbau der Dotiermittel nicht wesentlich verstärkt.

Die große Härte von Kieselsäureglas und die hohe Temperaturfestigkeit sind weitere Vorteile.

Zahlreiche Dotiermittel sind als Zusatz in kleinsten Mengen zur Einstellung des Brechungsindex geeignet Für die Auswahl des Dotiermittels kommt es dabei wesentlich darauf an, ob dessen Diffusion erforderlich oder unerwünscht ist Mitunter wird der Kern mit verkleinertem Durchmesser ausgezogen und durch Diffusion des Dotiermaterials auf die erforderliche Stärke gebracht Geeignet sind hierfür Dotiermittel, die Alkaliionen enthalten; Caesium und Rubidium sind besonders günstig.

In den meisten Fällen soll das Dotiermittel dagegen nichl in das Kieselsäureglas diffundieren, insbesondere nicht aus dem Kern in das Mantelglas, und zwar weder bei der Herstellung noch beim späteren Gebrauch. Eine Erhöhung des Kerndurchmessers durch Diffusion würde die Selektivität des Wellenleiters· für bestimmte Wellenformen unerwünscht ändern. Geeignete Dotiermittel mit minimaler Diffusion sind z. B. die mehrwertigen Metalloxide, wie die Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niobium, ΖΌ-kon, Ytterbium, Lanthan oder Aluminium.

Durch Zusatz eines oder mehrerer dieser Oxide wird der Brechungsindex des Glases in geregelter Weise erhöht. Meist besteht ein lineares Verhältnis zwischen der Menge des Zusatzes und sowohl dem absoluten Brechungsindex als auch der Differenz oder Zunahme, vgl. die F i g. 3, in der der Oxidzusatz in Gew.-% auf der Waagerechten und der Brechungsindex auf der Senkrechten abgetragen ist. Der Bruch in der Kennlinie für TiO₂ und Ta₂O5 beruht vermutlich auf Strukturänderungen im Glas. Aus dem Schaubild der F i g. 3 läßt sich die jeweils erforderliche Menge des Zusatzes ohne weiteres errechnen.

Wird z. B. eine Brechungsindexdifferenz zwischen Kern und Mantel aus Kieselsäureglas (i,4584) von 0,0164 gewünscht, so muß die Brechung des Kerns 1,4748 betragen, und die Zusammensetzung für ZrO₂ als Dotiermittel beträgt annähernd 5,4% ZrO₂ und 94,6% S1O2; sollen sowohl der Kern als auch der Mantel dotiert werden, so ist die Zusammensetzung 98% SiO₂ und 2% ZrO₂ für den Mantel, 92,6% SiO₂ und 7,4% ZrO₂ für den Kern.

Für einen Zusatz aus 5% Al₂O₃ zu 95% SiO₂ im Mantel wäre der Brechungsindex 1,4633, und der des Kerns müßte auf 1,4797 eingestellt werden, was einen zu hohen Al₂O₃-Zusatz bedingen würde. Die Differenz läßt sich hier aber durch 93,7% SiO₂ und 6,3% TiO₂ erreichen.

Der zulässige Zusatz wird in der Regel nur durch die ohne spätere Kristallbildung schmelz- und lösbare Menge begrenzt

Aluminiumoxid kann z. B. bis zu 40%, andere Oxide bis zu 25%, TiO₂ bis zu 20% und ZrO₂ und Nb₂Os bis zu 5% beigegeben werden. Soll eine gute Übereinstimmung anderer physikalischer Merkmale erzielt werden, so wird das Dotiermittel zweckmäßig unter 15% gehalten.

Die Herstellung des Wellenleiters kann auf verschiedene Weise erfolgen. Nach einem Verfahren werden ein Glasrohr und ein Glass¹ ab getrennt hergestellt und sodann zu einem Wellenleiter aus Kern und Mantelglas

vereinigt, indem der Glasstab in das Rohr gesteckt, beide erhitzt und zusammen ausgezogen werden, bis das Rohr um den Stab zusammenfällt und mit diesem verschmilzt Die hierzu erforderlichen Gläser können in bekannter Weise durch Erschmelzen eines Ansatzes aus S Kieselsäure und Dotiermittel oder nach dem Flammhydrolyseverfahren gemäß US-PS 23 26 059 oder nach einem Gelierverfahren hergestellt werden Da die Gläser aber sehr feuerfest (refraktär) sind und die für optische Wellenleiter erforderliche Homogenität auf to diese Weise nur schwer zu erreichen ist, wird ein modifiziertes Flammhydrolyseverfahren bevorzugt

Nach diesem Verfahren wird eine geeignete Mischung hydrolysierbarer Verbindungen von Silizium und Dotiermittel in Dampfform von einem trockenen Trägergas, z. B. Sauerstoff, durch einen Brenner geführt und dabei durch Flammhydrolyse oxidiert. Die Oxide schmelzen in der Flamme und werden als Glas auf einem Dorn oder dergleichen niedergeschlagen, bis ein größerer Glasklumpen entsteht Dieser kann nach to Entnahme zur Inspektion auf Zimmertemperatur gekühlt oder in einen Ofen gebracht und angelassen, d h. auf den Anlaß- oder oberen Spannungspunkt gekühlt sowie anschließend zurechtgeschnitten und weiter bearbeitet oder ausgezogen werden.

Hierfür sind alle hydrolysierbaren Siliziumverbindungen und Dotiermittel geeignet Ein flüssiger Ansatz ist möglich, wenn die Verbindungen in Mischung verträglich sind und geeignete Dampfdrücke haben. Andernfalls werden sie getrennt verdampft und im erforderli- chen Verhältnis, gegebenenfalls unter Erhitze;) zwecks Vermeidung von Kondensation, zusammengeführt.

Bevorzugt werden die leicht zugänglichen und billigen Metallchloride, deren Nebenprodukte auch gut zu kontrollieren sind. Andere hydrolysierbare Verbin- 3s düngen sind aber ebenfalls geeignet, wie z. B. die übrigen Haiide und organometallische Verbindungen. Als Trägergas sind alle mit den Dämpfen nicht reagierenden Gase geeignet, wie z. B. Stickstoff, aber auch Sauerstoff, Naturgas usw. Für die Flammhydrolyse wird günstigerweise ein Sauerstoffbrenner und als Trägergas Sauerstoff oder Naturgas verwendet. Das Trägergas muß trocken sein, um eine vorzeitige Hydrolyse der Dämpfe und ein Verstopfen von Leitungen usw. zu vermeiden.

Die Herstellung des Wellenleiters kann auch nach dem Verfahren der DT-OS 21 22 895 vorgenommen werden, d. h. durch Aufbringen eines dotierten Kieselsäurefilms auf die Innenwand eines Kieselsäureglasrohrs, Erhitzen zwecks Bildung einer Materialschichi bzw. eines Glasfilms, und Ausziehen zu einer festen Faser, deren Kern durch die Materialschicht bzw. den Film gebildet wird. Das Glasrohr wird dabei in der oben erläuterten Weise hergestellt und die Schicht aus feinteiligen Glaspartikeln [englischer Fachausdruck »soot of glass« (Glasruß)] durch Flammhydrolyse auf die Innenwand des Rohrs bis zur gewünschten Dicke aufgebracht, anschließend das Rohr zur Verglasung der aufgebrachten Schicht erhitzt und erweicht, bis es zu einem festen Stab oder einer festen Faser zusammenfällt Der erweichte Glasstab kann dann zur gewünschten Größe ausgezogen werden.

Die Lichtübertragung von Wellenleitern mit Titanoxyiddotierung kann durch Ausziehen in Sauerstoff und anschließende Wärmebehandlung, z.B. Erhitzen auf 500-1000⁰C für mindestens 30 Minuten Sauerstoff verbessert werden. Die Dauer der Wärmebehandlung ist dabei um so kürzer, je höher die Temperatur ist

Als Beispiel eines erfirtdungsgemäßen Wellenleiters wurde ein mit Titanoxid dotierter, 1,5—2 μΐη starker Kieselsäurefilm auf die Innenwand eines Rohrs aus reinem Kieselsäureglas mit einem Außendurchmesser von 1,9 cm und einer lichten Weite von 0,6 cm aufgetragen (Zusammensetzung des Films 94,75% Kieselsäureglas, 5,25% Titanoxid). Das Rohr wurde in Sauerstoff erhitzt bis das Material gezogen werden konnte (bei ca. 1900⁰C). Das Rohr wurde ausgezogen, bis ein fester Stab mit dem Film als Kern und dem Rohr als Mantel entstand. 'Der feste Stab wurde weiter bis auf einen Durchmesser von etwa ΙΟΟμίτι gezogen. Der Kern hatte nun einen Durchmesser von etwa 3 μπι. Sein Brechungsindex war etwa 1,466, während der Brechungsindex des Mantels annähernd 1,4584 betrug. Zuletzt wurde der fertig gezogene Stab bzw. die Faser drei Stunden bei 800⁰C in Sauerstoff warm behandelt

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Optischer Wellenleiter in Form einer Glasfaser, bestehend aus einem Mantel und einem Kern mit höherem Brechungsindex als der Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß Kern und Mantel aus reinem Kieselsäureglas (SiO₂ mit höchstens 5 Gew.-% Wasserstoff und höchstens 0,1 Gew.-% Verunreinigungen) besteht und daß zur Einstellung der Brechungsdifferenz zwischen Mantel und Kern das Glas des Kerns und wahlweise auch das Glas des Mantels ein Dotierungsmittel enthalten.

2. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmittel aus einem mehrwertigen Metalloxid besteht.

3. Wellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid wenigstens aus einem der Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niobium, Zirkonium, Ytterbium, Lanthan und Aluminium besteht.

4. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmittel Alkaliionen enthält.

5. Wellenleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmittel Caesium- und/oder Rubidiumionen enthält.

6. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß Kern und Mantel Dotierungsmittel der gleichen Art enthalten.

7. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus wenigstens 85 Gew.-% Kieselsäureglas und bis zu 15 Gew.-% Dotierungsmittel besteht.

8. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus 94,75 Gew.-% Kieselsäureglas und 5,25 Gew.-% Titanoxid besteht.