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DE2463016C2 - Verfahren zur Herstellung eines Glasfaser-Lichtleiters - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Glasfaser-Lichtleiters

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DE2463016C2
DE2463016C2 DE2463016A DE2463016A DE2463016C2 DE 2463016 C2 DE2463016 C2 DE 2463016C2 DE 2463016 A DE2463016 A DE 2463016A DE 2463016 A DE2463016 A DE 2463016A DE 2463016 C2 DE2463016 C2 DE 2463016C2
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fiber
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fiber optic
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Philip William Standsted Mountfitchet Essex Black
John Bishop's Stortford Hertfordshire Irven
Paul Elliott Sawbridgewortth Hertfordshire Lighty
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Alcatel Lucent NV
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International Standard Electric Corp
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Glasfaser-Lichtleiters mit einem Kern und einem Mantel, wobei der Brechungsindex des Mantels niedriger ist als der maximale Brechungsindex des Kerns, bei dem in einem ersten Schritt ein Quarzglasrohr mit Kernglasmaterial innenbeschichtet wird.
Dieses Verfahren ist in der DE-OS 2122 895 beschrieben unu in der DE-OS 21 22 896 zitiert.
Dabei wird das Quarzplasrohr -nit dem Kernglasmaterial innenbeschichtet. Dps innenbeschichtete Quarzglasrohr wird am einen Ende crhit?' und gezogen. Dabei geht der Ringquerschnitt in einen \Ollquerschnitt über. Durch weiteres Ziehen dieses Gebildes mit Vollquerschnitt (in der DE-OS 2122 896 als »fester Stab« bezeichnet) wird der Querschnitt verringert, bis eine als Wellenleiter geeignete Faser entsteht.
Dies bedeutet aber, daß zwischen dem Ziehen des Rohrs und dem Weiterziehen zur Faser keine längere Zeitspanne liegen darf, da sonst das Gebilde rr.U Vollquerschnitt erkaltet ist und sich sein Querschnitt durch Ziehen nicht weiter verringern läßt. Also wird in Wirklichkeil das Rohr kontinuierlich zur Faser ausgezogen.
Es hat sich gezeigt, daß es sehr schwierig ist, mil diesem Verfahren einen Glasfaser-Lichtleiter herzustellen, dessen Kern und Mantel einen konstanten Durchmesser haben und gleichmäßig konzentrisch sind.
Solche Geometrie-Eigenschaften sind aber unter anderem Voraussetzung für die optischen Eigenschaften, die eine Glasfaser haben muß. wenn sie als Lichtleiter für die optische Nachrichtenüberiragung verwendbar sein soll.
Aus der DE-OS 19 13 3*>8, S. 22 ist es bekannt, einen Glasfaser-Lichtleiter dadurch herzustellen, daß man eine Hohlfaser durch Ionenaustausch innen behandelt und dann durch Erhitzen und Verformen in eine Faser mit Vollquerschnitt überführt. Dieses Verfahren unterscheidet sich grundsätzlich vom erstgenannten Verfahren, bei dem man von einem innenbeschichteten Glasrohr ausgeht und dieses zum Glasfaser-Lichtleiter weiterverarbeitet.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ausgehend vom erstgenannten Verfahren ein anderes Verfahren anzugeben, mit dem sich Glasfaser-Lichtleiter der eingangs genannten Art mit verbesserter optischer Qualität herstellen lassen..
Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 angegeben gelöst. Eine Weiterbildung ergibt sich aus dem Unteranspruch.
Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß massive Vorformen, die als Zwischenstufe bei der Glasfaser-Herstellung hergestellt werden, bis zum Faserziehen über längere Zeiträume hinweg bequem a"fbewahrt werden können, ohne daß das empfindliche Kernglasmaterial der Gefahr der Verunreinigung, insbesondere durch Feuchtigkeit ausgesetzt ist.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein mit einer einzigen Schicht innenbeschichtetes Glasrohr vor seiner Kollabierung zur Glasfaser-Vorform,
Fig.2 ein mit zwei Schichten innenbeschichtetes Glasrohr vor seiner Kollabierung zur Glasfaser-Vorform,
F i g. 3 eine Vorrichtung zur Innenbeschichtung eines Giasrohres und
Fig.4 die Kollabierung der Längsbohrung eines Glasrohres zur Herstellung einer Galsfaser-Vorform.
Fig. 1 zeigt eine Struktur, die durch ein einfaches Herstellungsverfahren durch Niederschlagung von nur einer Schicht 10 im Inneren eines Roh;es 11 hergestellt wird. Der Kern der fertigen Faser wird zumindest teilweise durch das Material der abgelagerten Schicht 10 gebildet, während der Mantel aus dem Material des Rohres 11 besteht.
Bei einer Monomode-Faser pflanzt sich ein wesentlicher Teil des optischen Signals im Mantel fort. Die Durchlässigkeit des Mantels stellt deshalb einen wesentlichen Faktor hinsichtlich des optischen Verlustes der Faser dar. Aus mechanischen Gründen macht man normalerweise die Dicke des Mantels viel größer als die Tiefe, bis zu der ein wesentlicher Teil der optischen Energie eindringt. Deshalb muß tatsächlich nur der Bereich des Mantel:, unmittelbar am Kern eine hohe Durchlässigkeit besitzen.
Der Vorteil, der sich aus dem obigen Faktor ergibt, wird bei dem Herstellungsverfahren zur Erzeugung von Strukturen nach F i g. 2 berücksichtigt. Das Innere eines Glasrohres 20 ist mit einer Glasschicht 21 und einer weiteren Schicht 22 überzogen. Der Kern der fertigen Faser wird wenigstens zum Teil durch das Material der zweiten abgelagerten Schicht 22 gebildet, während der innere Bereich des Mantels aus dem Material der ersten niedergeschlagenen Schicht 21 und der äußere Bereich des Mantels aus dem Material des Rohres 20 besteht.
Der äußere Bereich des Mantels kann ohne weiteres ■crlustbringender gemacht werden als der Rest der Faser, aber Energie sollte aus dem Kern nicht in diesen Bereich eingekoppelt werden. Um dieser Bedingung zu genügen, darf der Brechungsindex des äußeren Bereichs des Mantels nicht größer sein als der des inneren Bereichs des Mantels. Der Brechungsindex des inneren Mantelbereichs muß wiederum geringer sein als der des Kerns. Es muß gesagt werden, daß der Brechungsindex
Wi eines absorbierenden Mediums genau genommen eine komplexe Größe ist und daß es der Realleil des Brcchungsindcxcs des Rohres 20 ist. der nicht größer sein darf als der Brechungsindex der Schicht 21.
In typischer Weise besitzt eine Monomodc-Fascr
bri einen Kern von 3 bis 4 μηι Durchmesser, wahrend der Kern einer Multimode-Faser einen Durchmesser bis zu 60 μηι besitzen kann. Der Durchmesser des Mantels beträgt bis zu 150 um. und das Urechungsindexverhiilt-
nis von Kern zu Mantel beträgt 1,01.
Bei einem typischen Herstellungsverfahren für eine optische Faser, die Strahlung im Bereich von 800 bis 875 nm überträgt, verwendet man ein Siliciumdioxjdrohr 30 (Fig.3) mit 7mm Außendurchmesser, I mm Wandstärke und 33 cm Länge. Das Innere des Rohres wird flammenpoliert und dann vakuumgetrocknet, um jegliche Spuren von Feuchtigkeit zu entfernen. Die Anwesenheit von Feuchtigkeit kann OH-Gruppen in der fertigen Faser erzeugen mit der Möglichkeit, daß eine unerwünschte Absorption im Bereich von 0,9 μπι entsteht.
Nach dem Trocknen des Rohres wird dieses in die Mitte eines Widerstandsofens 31 gebrachi, wobei die Rohrenden in zwei Adaptern 32a und 32i> angeordnet wird, die z. B. aus Polytetrafluoräthylen sein können.
Der Adapter 32a ist an ein Einlaßrohr 33 angeschlossen, das eine erste Einlaßöffnung 34 für Sauerstoff und eine zweite Einlaßöffnung 35 für Germaniumtetrahydrid oder z. B. Germaniumtetrachlorid aufweist, das in einem Trägergas enthalten ist, und eine dritte Einlaßöffnung 36 zur Einleitung eines geeigneten Materials zum Niederschlagen von Siliziumdioxid, wie noch später beschrieben wird.
Der Adapter 326 ist an ein Absaugrohr 37 angeschlossen.
Soll die auf der Innenwand des Rohres 30 aufzubringende Schicht aus Germaniumdioxid bestehen, so wird das Germaniumdioxid als Produkt einer thermisch induzierten chemischen Dampfphasenreaktion auf der Innenfläche des Rohres niedergeschlagen Die chemischen Reagenzien für diesen Prozeß können Germaniumtetrahydrid und Sauerstoff sein. Da aber eines der Reaktionsprodukte Wasser ist, besteht die Gefahr, daß in dem Endprodukt unerwünschte OH-Gruppen gebildet werden. Dieses Problem vermeidet man dadurch, daß man Verbindungen verwendet, die keinen Wasserstoff enthalten, wie Halogenide, ι. B. Germaniumtetrachlorid anstelle des Hydrids. Germaniumtetrahyorid kann als Gas in die Reaktionszone eingebracht werden, aber Germaniumtetrachlorid ist bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit und wird daher als Dampf in einem Trägergas eingeführt.
Die Reaktion geht nicht spontan bei Raumtemperatur vonstatten; sie wird jedoch in der festgelegten Heizzone in dem Ofen gefördert.
Eine einheitliche Beschichtung über die ganze Länge der Rohrinneren erreicht man durch sorgfältige Steuerung der Reaktionsparameter wie Durchflußraten. Temperatur, Dampfdrücke usw. Für größere Längen ist eine bewegliche Heizzone vorzuziehen: der Niederschlag folgt der Heizzcne entsprechend ihrem Vorrükken entlcngdem Rohr.
Je nach Temperatur und den Strömungsbedingungen der Abscheidung kann das Germaniumdioxid als pulvrige Schicht oder als glasige Schicht niedergeschlagen werden. Beide Formen eignen sich zur Herstellung einer optischen Faser.
Das beschichtete Rohr wird aus der Innenbeschichtungsvorrichtung herausgenommen und in einem Gerät ίο befestigt, um dort das Rohrinnere zusammenfallen zu lassen. In diesem Gerät wird das Rohr an beiden Enden gehalten und rotiert um seine Längsachse, während eine Knallgasflamme die gesamte Rohrlänge entlangstreicht. Aufgrund der äußeren Erhitzung des Rohres durch die Knallgasflamme steigt die Temperatur an der Innenwand so weit an, daß die niedergeschlagene pulvrige Germaniumdioxidschicht 40 mit dem Siliziumdioxid des Rohres 41 reagiert und eine transparente, glasige Schicht 42 von gemischter Zusammensetzung bildet. Diese Schicht fällt mit der Erweid .-vig des Rohres dann am Koiiabierungspunkt (44) zusamme»·, so daß sich aus der Schicht 42 der Kern 45 der Faser-Vorform 46 bildet. Der resultierende Unterschied des Scneitelwerts des Brechungsindex zwischen Kern und Mantel liegt im Bereich von 0,02 bis 0,03, was anzeigt, daß das Germaniumdioxid kräftig mit der Rohrwand reagiert.
Wenn die Qualität des ursprünglichen Siliziumdioxidrohres so ist, daß es keine ausreichend geringen Verluste besitzt, kann die Inncnbeschichtungjvorrichtung dazu benutzt werden, vor der Niederschlagung des Germaniurndioxids zunächst eine Schicht aus reinem Siliziumdioxid niederzuschlagen. Ist das Siliziumdioxid als pulvrige Schicht niedergeschlagen worden, so wird es zur Umwandlung in eine glasige Schicht vor der Niederschlagung des Germaniumdioxids erhitzt. Ein Weg zur Niederschlagung von Siliziumdioxid besieht in der Reaktion von Siliziumtetrachlorid mit Sauerstoff.
Siliziumdioxiü kann auch gleichzeitig mit Germaniumdioxid niedergeschlagen werden. Auf diese Weise lassen sich selbstfokussierende Glasfaser-Lichtleiter herstellen, deren Brechungsindex stufenweise zur Mitte hin zunimmt.
Eingangs wurde erwähnt, daß eine Faser hergestellt werden soll, deren Kern sich an dem Material der niedergeschlagenen Schicht (10, F i g. 1 bzw. 22, F i g. 2) ergibt. Auch wurde erläutert, wie aus dem innenbeschichteten Rohr eine massive stabförmige Vorform erzeugt wird. Auf welche Weise nun aus dieser Vorform die Glasfaser hergestellt wird, wurde nicht erläutert, jedoch ist es selbstverständlich, daß es ein Ziehvorgang ist. der die feste Vorform in die Glasfaser überführt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Glasfaser-Lichtleiters mit einem Kern und einem Mantel, wobei der Brechungsindex des Mantels niedriger ist als der maximale Brechungsindex des Kerns, bei dem in einem ersten Schritt ein Quarzglasrohr mit Kernglasmaterial innenbeschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zweiten Schritt aus dem innenbeschichteten Quarzglasrohr durch Erhitzen mittels einer entlang seiner Außenseite bewegten Flamme bis zum Zusammenfallen seines gesamten Innenraumes eine stabförmige massive Vorform hergestellt wird und daß in einem dritten Schritt aus dieser Vorform der Glasfaser-Lichtleiter gezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzglasrohr während des Erhitzens um seine Längsachse rotiert.
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