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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↓

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DE2930816C2
DE2930816C2 DE19792930816 DE2930816A DE2930816C2 DE 2930816 C2 DE2930816 C2 DE 2930816C2 DE 19792930816 DE19792930816 DE 19792930816 DE 2930816 A DE2930816 A DE 2930816A DE 2930816 C2 DE2930816 C2 DE 2930816C2
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DE
Germany
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glass
core
optical fiber
geo
cladding
Prior art date
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Application number
DE19792930816
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English (en)
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DE2930816A1 (de
Inventor
Takao Edahiro
Masao Hoshikawa
Yuji Yokohama Kanagawa Kameo
Toru Kuwahara
Yuichi Masuda
Ibaraki Mito
Tadashi Miyashita
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Nippon Telegraph & Telephone Public Corp Tokyo
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph & Telephone Public Corp Tokyo, Nippon Telegraph and Telephone Corp, Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Nippon Telegraph & Telephone Public Corp Tokyo
Publication of DE2930816A1 publication Critical patent/DE2930816A1/de
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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/01Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/012Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments
    • C03B37/014Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments made entirely or partially by chemical means, e.g. vapour phase deposition of bulk porous glass either by outside vapour deposition [OVD], or by outside vapour phase oxidation [OVPO] or by vapour axial deposition [VAD]
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C13/00Fibre or filament compositions
    • C03C13/04Fibre optics, e.g. core and clad fibre compositions
    • C03C13/045Silica-containing oxide glass compositions

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  • Manufacture, Treatment Of Glass Fibers (AREA)

Description

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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
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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
Beispiel
Menge an SiO2 für das Kernglas:
Menge an Zusätzen:
GeO2
P,O5
]]
Gesamt
Menge an SiO2 für das Mantelglas: Menge an Zusätzen:
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)

Patentansprüche:
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
DE19792930816 1978-07-31 1979-07-30 Optische Faser mit einem Mantelglas, hauptsächlich aus Quarzglas, und einem Kernglas aus Quarzglas, dotiert mit Ge0&darr;2&darr; und P&darr;2&darr;0&darr;5&darr;, Ti0&darr;2&darr;, Al&darr;2&darr;0&darr;3&darr; und/oder Ga&darr;2&darr;0&darr;3&darr; Expired DE2930816C2 (de)

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