DE2930816C2 - Optische Faser mit einem Mantelglas, hauptsächlich aus Quarzglas, und einem Kernglas aus Quarzglas, dotiert mit Ge0↓2↓ und P↓2↓0↓5↓, Ti0↓2↓, Al↓2↓0↓3↓ und/oder Ga↓2↓0↓3↓ - Google Patents
Optische Faser mit einem Mantelglas, hauptsächlich aus Quarzglas, und einem Kernglas aus Quarzglas, dotiert mit Ge0↓2↓ und P↓2↓0↓5↓, Ti0↓2↓, Al↓2↓0↓3↓ und/oder Ga↓2↓0↓3↓Info
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Description
25
Die Erfindung betrifft eine optische Faser mit einem
hauptsächlich aus Quarzglas bestehenden Mantelglas und einem Kernglas, welches aus Quarzglas, das mit
GeO2 und mindestens einer der Verbindungen P2Os,
TiO2, AI2Oj und/oder Ga2O3 dotiert ist, besteht und
einen höherem Brechungsindex als das Mantelglas
aufweist Eine optische Faser mit der vorstehend angegebenen Zusammensetzung ist bereits aus der
DE-AS 25 38 313 bekannt. Diese bekannte optische Faser besteht aus dem Kernglas und einer Vielzahl von
konzentrischen Schichten, welche das Mantelglas bilden. Über den Querschnitt der bekannten optischen
Faser ergeben sich von außen nach innen steigende Brechungsindizes, so daß ein graphisches Schaubild der
Brechungsindizes über den Lichtfaserquerschnitt einen parabelförmigen Verlauf zeigt
In dem bekannten optischen Fasermaterial sind Zusätze von wenigstens einem der Stoffe GeCl4, POCI3,
AICI3, GaCl3 sowie TiCI4 vorhanden, wobei diese
Zusätze zum Einstellen der angestrebten Brechungsindizes dienen. Angaben über den GeO2-Gehalt der
bekannten optischen Faser sind der DE-AS 25 38 313 nicht zu entnehmen. Für optische Fasern mit parabelförmigem Verlauf des Brechungsindex über den Faserquer- so
schnitt ist die Breite des Transmissionsbandes umgekehrt proportional zur zweiten Potenz der Brechungsindexdifferenz zwischen Kern und Mantel, so daß der
Brechungsindexunterschied klein sein muß, um eine hohe Kapazität der optischen Faser als Wellenleiter zu
gewährleisten. Andererseits sollte jedoch hinsichtlich des Leitungsverlustes der Brechungsindexunterschied
zwischen Kern und Mantel groß sein, um die Absorptionsverluste sowie Verlust durch Beugungserscheinungen im Mikromaßstab gering zu halten. Eine μ
Erhöhung der Brechungsindexunterschiede zwischen Kernmaterial und Mantelmaterial führt jedoch wiederum zu einer Erhöhung der Licht-Streuverluste. Aufgrund dessen ist bei einer optischen Faser für das
Übertragen von Lichtsignalen über lange Distanzen bei hoher Kapazität der Brechungsindexunterschied zwischen Mantel und Kern relativ begrenzt, woraus sich ein
relativ schmales Band vorteilhafter GeOrGehalte
ergibt, wie im Anspruch 1 der Erfindung definiert
Aus der DE-OS 23 64 782 ist ein optischer Wellenleiter mit einem Mantelglas und einem Kernglas bekannt,
wobei der Kern bis zu 100Gew.-% GeO2 enthalten
kann.
Diese bekannte optische Faser hat eine große numerische Apertur, wobei das Brechungsindexdifferential zwischen dem Ksmglas und dem Mantelglas
relativ hoch ist, um die Lichtaufnahme dss Leiters aus einer Lichtquelle zu erhöhen. Wie bereits e>
wähnt, ist ein großer Brechungsindexunterschied zwischen Mantel und Kern stets dann ungeeignet wenn Licht über große
Distanzen geführt werden soll und die verwendeten optischen Fasern über eine recht hohe Kapazität
verfügen sollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Faser der generell aus der DE-AS 25 38313
bekannten Gattung so zu verbessern, daß ein breites Transmissionsband bei gleichzeitig niedrigen Übertragungsverlusten erreicht wird. Auch soll die erfindungsgemäße optische Faser imstande sein, Wärmedehnungen beschädigungsfrei zu ertragen.
Diese Aufgabe wird bei einer optischen Faser der eingangs angegebenen Gattung dadurch gelöst daß die
Menge an GeO2 im Kernglas weniger als 15 Gew.-%
und die Gesamtmenge an GeO2 und an anderen Dotierungsmitteln 15 Gew.-% oder mehr beträgt
Der mit Hilfe .{er Erfindung erzielbare technische
Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß die gestellte Aufgabe gelöst und eine optische Faser
geschaffen werden konnte, die sich durch ein breites Transmissionsband und geringen Übertragungsverlust
auszeichnet
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Kernglas zusätzlich zum GeO2 noch mit B2O3
und/oder SiF4 dotiert Dabei hat es sich als vorteilhaft
herausgestellt daß das Mantelglas aus SiO2 besteht
Femer ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das aus SiO2 bestehende
Mantelglas mit wenigstens einem Her Stoffe GeO2, P2O5
und/oder B2O3 dotiert ist
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die
Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt F i g. 1 einen Querschnitt durch eine optische Faser,
F i g. 2 eine graphische Darstellung des Brechungsindexverlaufs im Kern einer optischen Faser, wobei der
Brechungsindex in Abhängigkeit vom Radius dargestellt ist,
F i g. 3 eine schematische Darstellung eines Herstellungsverfahrens für die erfindungsgemäße optische
Faser und
Fig.4 eine schematische Darstellung eines Brechungsindexverlaufs in einer Faser.
Eine typische optischer Faser ist in F i g. 1 dargestellt und besitzt ein Mantelglas 2 und ein Kernglas 1, wobei
das Kernglas einen höheren Brechungsindex als das Mantelglas aufweist.
Es ist bereits bekannt, dem Kemglas Gehalte an GeO2 hinzuzufügen, um dadurch den Brechungsindex
des Kernglases gegenüber einem GeO2-freiem Glas zu
steigern, so daß zwischen dem Kemglas und dem Mantelglas eine Brechungsindexdifferenz hervorgerufen wird. Der Brechungsindex steigt proportional zu
dem GeOrGehalt des dotierten Glases an. Wenn auch geringe Mengen an GeO2 im Mantelglas vorhanden sein
können, beispielsweise als Folge unbeabsichtigter Einmischungsvorgänge, so wird dem Mantelglas der
10
srfindungsgemäßen optischen Faser in der Regel
willentlich kein GeCh hinzugefügt.
Ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kernglases I wesentlich verschieden von demjenigen
des Mantelglases 2, so wird eine extrem starke Spannung zwischen dem Kern 1 und dem Mantel 2
erzeugt, was das Verbundgebilde zum Zerspringen veranlassen kann. Um dieses Problem zu umgehen, wird
der thermische Ausdehnungskoeffizient gesteuert durch Hinzugabe von Zusätzen wie P2O5 und B2O3 zum Kern 1
weiche den Brecnungsindex des Kernes im Vergleich zur Verwendung von GeO2 allein nicht stark beeinflussen,
jedoch die Erweichungstemperatur des Kernglases herabsetzen. Die Hinzugabe dieser Zusätze wird im
allgemeinen so gesteuert, daß die Erweichungstemperatür
des Kernes etwa 50 bis 20O0C niedriger liegt als die
des Mantelglases und die Differenz der Wärmedehnungskoeffizienten
3 · ΙΟ7/"C oder weniger beträgt. Die
genauen hinzugesetzten Mengen sind von verschiedenen Faktoren abhängig; hierzu zählen der Durchmesser
der Vorform, der Typus der Vorform und die Art der optischen Faser. Zusätze an GeO2 und B2O3 werden bei
der Erfindung angewandt, weil sie von einem Minimum an Absorption und Streuung der Lichtenergie begleitet
sind.
Da der Streuungsverlust proportional der Menge an Zusätzen ansteigt, muß die Menge an GeO2 und
gegebenenfalls weiteren Zusätzen wie P2Os und B2O3 im
Kern gering sein, um den Streuungsverlust herabzusetzen. Andererseits sollte der Brechungsindex des Kernes
recht hoch sein, um Verluste durch Mikrobeugung und Abstrahlung herabzumindern. Zu diesem Zweck sollte
die Menge an GeO2 und gegebenenfalls weiteren Dotierungsmitteln recht hoch sein.
Wie bereits erwähnt, zeigt die Verteilung des Brechungsindex des Kernes t über den Durchmesser
einen parabelförmigen Verlauf, wie in F i g. 2 dargestellt,
und ist die Transmissionsbandbreite der optischen Faser umgekehrt proportional der zweiten Potenz der
Differenz (Δη) zwischen dem Maximalwert des Brechungsindex des Kernes und des Brechungsindex des
Mantels. Im Hinblick hierauf sollte Δη klein sein, um das
Transmissionsband zu verbreitern, und folglich die Menge an GeO2 gering gehalten werden. Somit besteht
das Problem, daß hohe Mengen an GeO2 im Kern erforderlich sind, um seinen Brechungsindex zu steigern
und den Übertragungsverlust herabzusetzen, dabei jedoch zu hohe Mengen an GeO2 im Kern zu hohen
Werten für Δη führt, was eine Herabsetzung der Transmissionsbandbreite zur Folge hat.
Aus dem Vorangegangenen ist zu verstehen, daß die Menge an Zusätzen in einer optischen Faser, welche
geringen Ühertragungsverlust und ein breites Übertragungsband aufweist, ausgewogen und auf bestimmte
Bereiche eingegrenzt sein muß.
Ein Beispiel einer Methode zum Erzeugen eines Rohlings für optische Fasern durch einen Flammenhydrolyseprozeß,
sei nachstehend beschrieben.
Diese Herstellungsmethode ist schematisch in F i g. 3 weise Sauerstoff und Wasserstoff, Butan und Propan)
geblasen. Die Glasmaterial bildenden Gase werden in der Flamme außerhalb der Mehrfachdüsen hydrolysiert
und bilden feine Glaspartikel,· welche sich auf dem Anfangsstab 5 ansammeln. Ein feiner Glaspartikelkörper
6 wächst dann in axialer Richtung. Der feine Glaspartikelkörper durchwandert langsam einen Hochtemperaturofen
mit einer Temperatur von 1400 bis 1600° C, wodurch der Glaspartikelkörper gesintert und
verglast wird, wodurch ein Rohling für eine optische Glasfaser erzeugt wird.
Wie in F i g. 2 gezeigt, besitzt der erhaltene Rohling
für optische Fasern in seinem Kern 1 eine Brechungsindexverteilung in Form einer Parabel.
Die Verteilung der Zusätze in einem Querschnitt eines Kernglases ist nicht einheitlich und der thermische
Ausdehnungskoeffizient variiert ebenfalls über den Querschnitt Wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient
stark variiert, so bilden sich Spannungen beim Sintern des Feinglaspartikelkörpers 6, die deu Feinglaspartikelkörper
zerstören können. Ferner neigt der Rohling zum leichten Zerbrechen beirr Entnehmen aus
dem Hochieir.peraturofen nach dem Sintern wie auch
beim Verformen und anderen Wärmebehandlungen.
Beim Bilden von SiO2-GIaS mit einem Gehalt an
GeO2 durch Flammenhydrolysereaktion, wird eine
bemerkenswerte Erscheinung beobachtet Es wird nämlich eine feste Lösung zwischen GeO2 und SiO2
gebildet und ein Teil des GeO2 wird in hexagonalen
Kristallen abgeschieden. Der hexagonale GeO2-Kristall
besitzt einen Schmelzpunkt von etwa 10860C was viel niedriger ist als der Schmelzpunkt von SiO2 (1600 bis
1700° C). Daher besteht die Neigung, daß sich Blasen aus
verdampftem GeO2 bei der Erhitzung zwecks Gewinnen von Glasfasern durch einen Ziehvorgang bilden.
Durch solche Blasen werden die Übertragungsverluste groß. Die Wahrscheinlichkeit des Bildens von Blasen ist
groß bei höheren Konzentrationen an Ge02- Verschiedene
Versuche haben gezeigt, daß die Menge an GeO2 niedriger als 15Gew.-% sein sollte. Dam ist die
Blasenbildung zu vernachlässigen und ein geringer Übertragungsverlust gewährleistet.
Wenn ferner der Mittelbereich des Feinglaspartikelkörpers
6 einen höheren Schmelzpunkt besitzt als der äußere Umfangsbereich, so beginnt beim Sintern des
Glaspartikelkörpers die Verglasung an der Oberfläche des Körpers, was es schwierig macht. Blasen aus dem
Mittelbereich vollkommen abzuziehen. Daher neigen Blasen dazu, im Mittelbereich zu verbleiben und einen
Streuungsverlust in den optischen Fasern herbeizuführen. Um diese Blasen an ihrer Bildung zu hindern, wird
der Glaspartikelkörper 6 erzeugt durch Differenzierung der Menge an Zusätzen im Mittelbereich und im
Umfangsbereich, wie vorstehend erörtert.
Wie lieh aus dem Obigen ergibt, sind die Mengen an Zusätzen in den Kernbereichen der Vorform für
optische Fasern arf bestimmte Bereiche begrenzt. Wenn ein Feinglaspartikelkörper 6 mit einem Gehalt an
5 bis 15 Gew.-% GeO2 am Kern und einem Gehalt von 0
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gezeigt Aus einer ersten Düse 3 und einer zweiten Düse 60 bis 10 Gew.-°/o P2Os und B2O3 gesintert wird, so erhält
4 werden ein gasförmiges, glasbildendes Material, man einen sehr guten Rohling für optische Fasern,
welches Zusätze entMilt, die einen höheren Brechungs- Ferner wird ein guter Rohling für optische Fasern aus
index als SiO2 schafft (beispielsweise ein Gemisch von einem Glaspartikelkörper 6 erhalten, welcher
SiCU. GeCI4, PoCI3 <md BBr3) und ein gasförmiges, 15Gew.-% oder mehr an GeO2, P2Ui und B2O3
glasbildendes Materal, welches Zusätze enthält, die 65 insgesamt am Kern enthält. Durch Einstellen der Menge
- — ■ " an GeO2 zur Einstellung von Δη (in diesem Gebiet auf
etwa 0,9 bis 1,2%) (was in enger Beziehung steht zum Übertragungsverlust und zur Transmissionsbandbreite)
einen geringeren Brechungsindex (beispielsweise ein Oemisch von
als SiO2 schaffen SiCU und BBr3)
zusammen mit einerP Hitzeverbrennungsgas (beispiels-
auf weniger als 15Gew.-%, erhält man einen Rohling für optische Fasern, welcher eine hohe Qualität besitzt
mit einem Übertragungsverlust von nicht mehr als 3,0 dB/km (bei 0,85 Mikrometer Durchmesser) und einer
Transmissionsbandbreite von mindestens
400MHz- km0 "(0,75te Potenz).
In den obigen Versuchen wurden GeO2, P2O5 und
B2O3 als Dotierungsmittel für das Mantelglas verwendet.
Diese Zusätze sind nicht beschränkt auf GeO2, P2O5
und B2O3; wie aus dem Vorstehenden zu erkennen ist,
können andere Zusätze ebenfalls verwendet werden, welche geringen Verlust und geringe Streuung gestatten
und welche den Brechungsindex, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und den Schmelzpunkt steuern
können, wie TiO2, AI2O3, SiF« und Ga2O3. Ferner
kann das Mantelglas aus reinem Quarzglas bestehen.
Wenn auch die obige Beschreibung fur optische Fasern gerichtet ist, deren Kernbrechungsindex parabelförmig
verläuft, wie in F i g. 2 gezeigt, so sind doch die obigen exnerimentCÜen Tatsachen auch auf nntische
Fasern mit anderen Brechungsprofilen anwendbar.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung eingehender. Wenn nichts anderes angegeben ist,
beziehen sich alle Prozentangaben auf das Gewicht.
Vergleichsbeispiel 1
Menge an SiO2 für das Kernglas
(Grundmaterial): 86,70%
Menge an Zusätzen
GeO2
Gesamt
Menge an SiO2 für das Mantelglas
(Grundmaterial):
Menge an Zusatz
Es wird ein Feinglaspartikelkörper der obigen Zusammensetzung hergestellt und gesintert. Im Mantelglas
tretten Risse auf.
Vergleichsbeispiel 2
Menge an SiO2 für das Kernglas:
88,89% Menge an Zusätzen:
GeO2
P2O5
B2O,
Gesamt
Menge an SiO2 für das Mantelglas:
Menge an Zusatz:
B2O,
8,2% 0,51%
11,11%
92%
8%
Ein Feinglaspartikelkörper der obigen Zusammensetzung wird erzeugt und in einem Hochtemperaturofen
bei 15500C gesintert. Im Kernglas bleibt ein poröses
Gebiet zurück und ein vollkommener Feststoff, welcher als optische Faser wirkt, kann nicht erzielt werden
Menge an SiO2 für das Kernglas:
Menge an Zusätzen:
GeO2
P,O5
]]
Menge an Zusätzen:
GeO2
P,O5
]]
Gesamt
Menge an SiO2 für das Mantelglas: Menge an Zusätzen:
GeO2
P2O5
B2O3
Gesamt
GeO2
P2O5
B2O3
Gesamt
81,72%
12,5%
0.48%
5,3% _
18,28%
90,02%
3,2% 0,38% 6,4% 9,98%
Es wird ein Feinglaspartikelkörper der obigen Zusammensetzung hergestellt und in einem Ofen bei
1550"1C gesintert. Man erhält einen guten Rohling für
optische Fasern. Der Rohling wird bis auf einen Durchmesser von 10 mm gestreckt und in ein Quarzrohr
mit einem inneren Durchmesser von 11 mm und einem
äußeren Durchmesser von 20 mm eingesetzt. Beide werden miteinander verschmolzen und zu einer Faser
mit einem Außendurchmesser von 150 μίτι ausgezogen.
Übertragungsverlust und Übertragungsband dieser Faser betragen 2,64 dB/km (Verlust bei 0,83 Mikrometer)
bzw. 405 MHz · km0" (0,75 Potenz: Koeffizient für
Distanzumwandlung).
Hierzu 1 Elatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Optische Faser mit einem Mantelglas, welches hauptsächlich aus Quarzglas besteht, und einem
Kernglas, welches aus Quarzglas, das mit GeO2 und s
mindestens einer der Verbindungen P2Os, TiO2,
AI2O3 und/oder GaZU3 dotiert ist, mit einem höheren
Brechungsindex als das Mantelglas besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an
GeO2 im Kernglas weniger als 15 Gew.-% und die
Gesamtmenge an GeO2 und den anderen Dotierungsmitteln 15 Gew.-% oder mehr beträgt
Z Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernglas zusätzlich zum
GeO2 noch mit B2O3 und/oder SiF4 dotiert ist is
3. Optische Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelglas aus SiO2
besteht
4. Optische Faser nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelglas aus
SiO2 m»t mindestens einer der Substanzen GeO2,
P2O5 und B2O3 als Dotieningsmitte! besteht
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