DE2826010A1

DE2826010A1 - Glasfaser fuer die optische nachrichtenuebertragung

Info

Publication number: DE2826010A1
Application number: DE19782826010
Authority: DE
Inventors: Charles Kuen Kao; Mokhtar Sayed Maklad
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1977-06-20
Filing date: 1978-06-14
Publication date: 1979-01-04
Also published as: FR2395232A1; ES470963A1; GB1602052A; AU3709578A; AU521376B2

Description

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Glasfaser für die optische Nachrichtenübertragung

Die Erfindung betrifft eine

Glasfaser mit erhöhter Zugfestigkeit für die optische Nachrichtenübertragung bei der der lichtleitende Aufbau wenigstens aus einem Kern mit hohem Brechungsindex und einer Hülle mit niedrigerem Brechungsindex als dem des Kerns besteht, und der lichtleitende Aufbau mit einer Außenhülle versehen ist.

Wenn eine Glasfaser in Richtung ihrer Längsachse einer Zugkraft ausgesetzt wird, dann erhöht sich die Spannung an der Faseroberfläche erheblich. Obwohl stets dafür Sorge getragen wird, die Glasfaseroberfläche von Staubteilchen und Wasser frei zu halten, ist die Glasfaser üblicherweise etwa aufgerauht und es sind Mikrorisse auf der Glasfaseroberfläche vorhanden. Da sich die Glasfaser unter einer ständigen Spannung befindet, wachsen die Risse von außen nach innen weiter. In dem Maße, wie die Risse wachsen, wird die Glasfaser geschwächt und kann gegebenenfalls brechen.

Das Vorhandensein von Wassermolekülen auf der Glasoberfläche begünstigt das Wachsen der Risse, das zu einem frühen Bruch führt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, Maßnahmen anzugeben, welche zu einer beträchtlichen Erhöhung der Zugfestigkeit der Glasfaser führen.

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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im Prinzip dadurch gelöst, daß die Außenhülle aus

wenigstens einer Schicht besteht, die wegen ihres gegenüber der Hülle niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten Druck auf den lichtleitenden Aufbau ausübt.

Auf diese Weise wird die Zugfestigkeit der Glasfaser beträchtlich erhöht. Ausführungsbexspiele der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 enthalten und werden nachstehend anhand der Figuren 1 bis 7 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt einer ganz aus Glas bestehenden lichtleitenden Faser,

Fig. 2 die Kennlinie, welche die Abhängigkeit zwischen der Differenz der Ausdehnungskoeffizienten der äußeren Schichten der Glasfaser gemäß Fig. 3 und der Zugfestigkeit einer solchen Glasfaser verdeutlicht,

Fig. 3 den Querschnitt einer hochzugfesten Glasfaser gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform der Glasfaser gemäß Fig. 3,

Fig. HA eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasfaser,

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Pig. 5 eine Tabelle, welche für einige Werkstoffe, die für die Glasfasern gemäß den Fig. 3 bis 5 verwendet werden können, die entsprechenden mechanischen Werte wiedergibt,

Fig. 6 die Kennlinien der Zug- und Druckkräfte, die bei den Glasfasern gemäß Fig. 3 bis 5 auftreten, und

Fig. 7 die Kennlinien, welche die verbesserte

Zugfestigkeit der erfindungsgemäßen Glasfasern verdeutlichen.

Fig. 1 zeigt einen typischen, ganz aus Glas bestehenden Lichtleiter 10, dessen Kern 11 üblicherweise aus einer Quarzglasmischung und dessen Hülle 12 üblicherweise entweder aus einem Quarzglas, welches mit einem den Brechungsindex erniedrigenden Stoff dotiert ist, oder aus reinem Quarzglas besteht. Gemäß der Erfindung erhält man ganz aus Glas bestehende Lichtleiter mit erheblich erhöhter Zugfestigkeit dadurch, daß die Außenhülle aus Glas einen Radialdruck ausübt. Dies wird bei einem einfachen Ausführungsbeispiel dadurch verwirklicht, daß die Hülle 12 mit einer Außenhülle aus einem solchen Werkstoff versehen wird, der einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Hülle 12 besitzt.

In Fig. 2 verdeutlicht die Kennlinie A die Abhängigkeit zwischen der Zugfestigkeit und der Differenz der Ausdehnungskoeffizienten von Außenhülle und Hülle 12 bei einem ganz aus- Glas bestehenden Lichtleiter.

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Da der thermische Ausdehnungskoeffizient von reinem Quarzglas bereits verhältnismäßig niedrig ist und Werte von 5*5 bis 8.10~' cm/°C aufweist, ist es etwas schwierig, Werkstoffe zu finden, die einen noch niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen und auf die Oberfläche der Quarzglasschicht aufgebracht werden können.

Bei dem aus Fig. 3 ersichtlichen Ausführungsbeispiel umhüllt eine einschichtige Außenhülle 13 mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten die Hülle 12 des Lichtleiters 10 und übt Druck auf die Oberfläche der Hülle 12 aus. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient von Quarzglas bereits einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, ist es zweckmäßig die Außenhülle

12 aus mehr als einer Schicht aufzubauen, wenn die Hülle aus Quarzglas besteht.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Glasfaser, die eine noch größere Zugfestigkeit besitzt als die Ausführungsform gemäß Fig. 3· Diese Glasfaser besteht aus dem Kern 11, der Hülle 12, der inneren Schicht 14 aus einem Werkstoff mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der äußeren Schicht 13 aus einem Werkstoff mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Das Vorhandensein der innenliegenden Schicht 14 mit hohem Ausdehnungskoeffizienten übt Druck auf die außenliegende Schicht 13 mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten aus.

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Der ganz aus Glas bestehende Lichtleiter 10 gemäß Fig. 4a besitzt einen Kern 11 aus Germanatglas, eine Hülle 12 aus Borsilikatglas und eine äußere Schutzhülle 20 aus reinem Quarzglas. Dies ist der Aufbau von Glasfasern für die optische Nachrichtenübertragung, die durch chemische Dampfabscheidung in einem Quarzglasrohr hergestellt werden. Die Schichten 14 und mit hohem bzw. niedrigem Ausdehnungskoeffizienten werden wie folgt hergestellt:

Nach dem Abscheiden der Germanat- und Borsdlikatglasschichten in dem Quarzglasrohr und dem Kollabieren des Quarzglasrohres zur Lichtleiter-Vorform, wird die Vorform auf der erhöhten Temperatur gehalten, und es wird die Schicht 1*1, beispielsweise durch Abscheiden von Borsilikatglas auf der Oberfläche der Vorform, erzeugt. Danach wird eine Schicht aus Quarzglas auf der Borsilikatglasschicht abgeschieden, welche die Schicht 13 mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten bildet.

Dieses Verfahrensweise ist bei ganz aus hochreinem Glas bestehenden Lichtleitern zweckmäßig, weil die hochreinen Kern- und Hüllengläser auf der Innenwandung des Quarzglasrohres und die Gläser mit großem und kleinem Ausdehnungskoeffizienten auf der Oberfläche des Quarzglasrohres abgeschieden werden. Die Gläser der Außenhülle müssen nicht die gleiche Reinheit besitzen wie die Kern- und Hüllengläser und können daher bequem ohne die bei der Abscheidung von hochreinen Stoffen zu beachtenden Maßnahmen abgeschieden werden.

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Ein anderes, für die Herstellung der Schichten 13 und Ik geeignetes Verfahren, besteht darin, daß die Vorform in konzentrisch angeordnete Borsilikat- und Quarzglasrohre eingesetzt wird und die gesamte Anordnung gemeinsam nach dem Stab-in-Rohr Verfahren zur Glasfaser gezogen wird. Die Schichten 13 und 14 können auch nach dem Ziehvorgang auf den Lichtleiter 10 aufgebracht werden. Die Schichten 13 und Ik können aber auch zu verschiedenen Zeiten während der Lichtleiterherstellung erzeugt werden, beispielsweise kann die Schicht Ik auf die Vorform und die Schicht 13 nach dem Ziehen der Vorform auf die Faser aufgebracht werden.

Fig. 5 zeigt eine Tabelle, in der verschiedene Werkstoffe mit ihren Eigenschaften aufgezählt sind, die für die Schichten Ik und 13 in Fig. k und kA geeignet sind.

Die Kennlinien in Fig. 6 zeigen den Verlauf von Druck und Zugfestigkeit im Bereich der Grenzfläche zwischen äußerer Schicht 13 und innerer Schicht Ik bei den Lichtleitern gemäß Fig. k und kA. Den Verlauf des Druckes in der äußeren Schicht 13 gibt die Kennlinie 16 wieder, aus welcher zu entnehmen ist, daß der Druck auf die Grenzlinie zwischen Schicht 13 und Ik zu exponentiell zunimmt.

Den Verlauf der Spannung in der inneren Schicht Ik verdeutlicht die Kennlinie 17. Auch hier ist erkennbar, daß die Zugspannung an der Grenzlinie 15 am größten ist.

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Eine Aussage über die tatsächliche Erhöhung der Zugfestigkeit bei einer optischen Glasfaser, die eine zweischichtige Außenhülle gemäß Fig. ^l\ und '4A besitzt, geben die Kennlinien, in denen die Standzeit (Zeit bis zum Bruch der Paser) über der aufgebrachten Zugspannung aufgetragen ist, wobei zunehmende Differenzen in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe, welche die äußere Schicht 13 und die innere Schicht 14 bilden, die Parameter sind. Fig. 7 zeigt ein solches Kennlinienfeld. Die Kennlinie A ist an einer Glasfaser 10 gemäß Fig. 4 und 4A aufgenommen, .bei der zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schichten 13 und 14 nur eine relativ geringe Differenz besteht. Eine solche Faser bricht bei einer bestimmten Zugspannung schon nach relativ kurzer Zeit. Die Kennlinie B ist an einer Glasfaser aufgenommen, bei die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer ist. Bei gleicher Zugspannung an der Glasfaser ist die Standzeit hier bereits größer. Die Kennlinie C, die an der Faser mit der größten Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schichten 13 und 14 aufgenommen wurde, verdeutlicht, daß dies auch zur größten Standzeit der Glasfaser führt.

üblicherweise werden Glaswerkstoffe für die äußere Schicht 13 und die innere Schicht I²I des ganz aus Glas bestehenden Lichtleiters wegen der guten Verarbeitbarkeit und des günstigen Preises der erwähnten Glassorten verwendet. Es können aber auch zahlreiche Nichtglaswerkstoffe, wie Aluminium und Zinn, verwendet werden. Metalle haben

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^ch einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Glas. Wird eine Metallschicht auf die Oberfläche des Lichtleiters aufgebracht, dann wird die darunterliegende Glasschicht unter Druck gesetzt.

Außenhonen, bei denen eine Schicht aus Metall und die andere Schicht aus Glas besteht, können auch verwendet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Pig. Il kann die innere Schicht 14 mit höherem Ausdehnungskoeffizienten aus Metall und die äußere Schicht l'l mit kleinerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus Glas bestehen.

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ORIGINAL INSPEGtiD

Claims

2S26010 Patentanwalt Dipl.-Phys. Leo Thul Stuttgart O.K. Kao - M.S. Maklad 20-7 INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK Ansprüche

1) Glasfaser mit erhöhter Zugfestigkeit für die optische Nachrichtenübertragung bei der der lichtleitende Aufbau wenigstens aus einem Kern mit hohem Brechungsindex und einer Hülle mit niedrigerem Brechungsindex als dem des Kerns besteht, und der lichtleitende Aufbau mit einer Außenhülle versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle aus wenigstens einer Schicht besteht, die wegen ihres gegenüber der Hülle niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten Druck auf den lichtleitenden Aufbau ausübt.

2) Glasfaser nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle aus wenigstens einer Schicht mit einem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als dem jenigen der Hülle besteht und die Differenz zwischen beiden thermischen Ausdehnungskoeffizienten möglichst groß ist.

3) Glasfaser nach den Ansprüchen 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle aus einer innenliegenden Schicht mit höherem thermischen

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Ausdehnungskoeffizienten und einer außenliegenden Schicht mit niedrigerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht.

4) Glasfaser nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß die innen- und die außenliegende Schicht aus Glas bestehen.

5) Glasfaser nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die innenliegende Schicht aus Metall und die außenliegende Schicht aus Glas besteht.

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