CH655085A5 - METHOD FOR PRODUCING A RESISTANT LIGHT-CONDUCTING FIBER AGAINST RADIATION. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gegen kurz- und langzeitige Ionisations- oder Neutronenbestrahlung widerstandsfähigen Multimode-Lichtleitfaser mit Gradientenindex aus einem Faserrohling. The present invention relates to a method for producing a multimode optical fiber which is resistant to short-term and long-term ionization or neutron radiation and has a gradient index from a fiber blank.

Die GB-Patentschrift Nr. 1475496 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern, bei welchem die Innenwand eines Siliciumdioxid-Substratrohres mit einer Ablagerungsschicht versehen wird, welche aus einem Oxid eines einzelnen Elements, wiez. B. Germaniumdioxid, besteht, wobei dieses Oxid in Siliciumdioxid diffunierbar ist, um ein Glas zu bilden mit einem höhern Brechungsindex als jener von Siliciumdioxid. Die Beschichtung wird herbeigeführt durch eine Reaktion, welche die Ablagerung aus chemischem Dampf einschliesst, z.B. aus einem Halogenid eines einzelnen Elements; nach der Beschichtung des Rohres wird dieses einem Zusammenfallvorgang unterworfen , wodurch ein Faser-Rohling entsteht. Dieser Rohling wird dann zu einer Lichtleitfaser heruntergezogen. In einem Alternativvorgang kann das Glas der gewünschten Zusammensetzung, z. B. Siliciumdioxid-Germaniumdioxid oder Mehrfachkombinationen dieser Oxide, direkt abgelagert werden. GB Patent Specification No. 1475496 describes a process for the production of optical fibers, in which the inner wall of a silicon dioxide substrate tube is provided with a deposition layer which consists of an oxide of a single element, e.g. B. Germanium dioxide, which oxide is diffusible in silicon dioxide to form a glass with a higher refractive index than that of silicon dioxide. The coating is brought about by a reaction involving chemical vapor deposition, e.g. from a halide of a single element; after coating the tube, it is subjected to a collapse process, which results in a fiber blank. This blank is then pulled down to an optical fiber. In an alternative operation, the glass of the desired composition, e.g. As silicon dioxide-germanium dioxide or multiple combinations of these oxides can be deposited directly.

Es wurde festgestellt, dass Ionisations- oder Neutronenbestrahlungen einer Lichtleitfaser den Anstieg von Dämpfungsverlusten zur Folge haben, was sehr ungünstig ist. Die Absorptionen, welche die erwähnten Erhöhungen von Dämpfungsverlusten verursachen, sind bestrahlungsdosis- und zeitabhängig. Literaturangaben zufolge kann vorausgesetzt werden, dass Fasern aus reinem Siliciumdioxid die besten Langzeitergebnisse betreffend Bestrahlungsresistenz ergeben, oft jedoch auf Kosten von kurzzeitigen Dämpfungsspitzen. Im GB-Patent Nr. 2083 921 wurde gezeigt, dass Lichtleitfasern mit guter Bestrahlungsresistenz aus einem binären Siliciumdioxid-Germaniumdioxid-Kern und einem binären Siliciumdioxid-Bortrioxid-Mantel hergestellt werden können. Es ist bekannt, dass Fasern, deren dotierter Kern Phosphorpentoxid enthält, kurzzeitige Dämpfungsspitzen unterdrücken können, dies j edoch auf Kosten einer Langzeitzunahme der Dämpfungsverluste. Bisher herrschte also die Überzeugung, dass von Lichtleitfasern mit germaniumdotierten Kernen keine guten Langzeiteigenschaften in Bezug auf deren Strahlungswiderstand zu erwarten sind. It has been found that ionization or neutron radiation from an optical fiber leads to an increase in attenuation losses, which is very unfavorable. The absorptions, which cause the mentioned increases in attenuation losses, are radiation dose and time dependent. According to the literature, it can be assumed that fibers made from pure silicon dioxide give the best long-term results regarding radiation resistance, but often at the expense of short-term attenuation peaks. In GB Patent No. 2083 921 it was shown that optical fibers with good radiation resistance can be produced from a binary silica-germanium dioxide core and a binary silica-boron trioxide jacket. It is known that fibers whose doped core contains phosphorus pentoxide can suppress short-term attenuation peaks, however at the expense of a long-term increase in attenuation losses. So far, there has been a belief that optical fibers with germanium-doped cores are not expected to have good long-term properties in terms of their radiation resistance.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtleitfaser mit germaniumdotiertem Kern, enthaltend Phosphorpentoxid, zu beschreiben, welche Faser gute Langzeiteigenschaften betreffend deren Strahlungswiderstand aufweist. The purpose of the present invention is to describe an optical fiber with a germanium-doped core containing phosphorus pentoxide, which fiber has good long-term properties with regard to its radiation resistance.

Die charakteristischen Merkmale des erfindungsgemässen Verfahrens zur Herstellung einer derartigen Faser sind dem Wortlaut des Patentanspruchs 1 zu entnehmen. The characteristic features of the method according to the invention for producing such a fiber can be found in the wording of patent claim 1.

In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens weist das Substratrohr, auf dessen Innenwand die erwähnte Dampfablagerung erfolgt, (in einer Weise, die im erwähnten GB-Patent beschrieben ist), folgende Masse auf: Länge 1,3m, Aussendurchmesser 14mm, Wanddicke 1,2 mm. Das Material des Rohres ist Siliciumdioxid, die Reinigung erfolgt durch Säureätzen, Waschen in hochreinem Wasser und schlies-lich Trocknen. In one exemplary embodiment of the method according to the invention, the substrate tube, on the inner wall of which the aforementioned vapor deposition takes place, (in a manner which is described in the aforementioned GB patent) has the following dimensions: length 1.3 m, outer diameter 14 mm, wall thickness 1.2 mm . The material of the tube is silicon dioxide, the cleaning is done by acid etching, washing in high-purity water and finally drying.

Die ersten Ablagerungen auf die Innenwand des Rohres bilden in der Endphase der Herstellung den optischen Mantel der Faser, wobei es sich um ein SiO^/BiOrBinärglas handelt; es wurden drei Schichten abgelagert mit folgenden Dampfablagerungs-Parametern: The first deposits on the inner wall of the tube form the optical cladding of the fiber in the final phase of production, which is a SiO ^ / BiOrBinary glass; three layers were deposited with the following vapor deposition parameters:

a) Ein SiCl4-Trägergasfluss bei 133 cm3/min, wobei Sauerstoff als Trägergas verwendet wurde. a) An SiCl4 carrier gas flow at 133 cm3 / min, using oxygen as the carrier gas.

b) Ein BBr3-Trägergasfluss bei 50cm3/min, wobei wiederum Sauerstoff als Trägergas verwendet wurde. Sowohl im Falle a als auch im Falle b wurde die Vorrichtung, aus welcher die Si eroder BBr3-Dampfträger stammten, auf einer Temperatur von 21°C gehalten. b) A BBr3 carrier gas flow at 50 cm3 / min, again using oxygen as the carrier gas. In both cases a and b, the device from which the Si er or BBr3 vapor carriers originated was kept at a temperature of 21.degree.

c) Ein zusätzlicher Gasfluss bei 1920cm3/min, verwendet wurde Sauerstoff. c) An additional gas flow at 1920 cm3 / min, oxygen was used.

d) Eine Ablagerungstemperatur von 1690°C. d) A deposit temperature of 1690 ° C.

Auf den gerade erwähnten Ablagerungsvorgang folgt eine weitere Ablagerung, die dereinst den Si02/Ge02/P205-Kern bilden soll; hier wurden vierzig Schichten abgelagert, bei Verwendung folgender Parameter: The deposition process just mentioned is followed by a further deposition, which will one day form the Si02 / Ge02 / P205 core; forty layers were deposited here using the following parameters:

a) Ein SiCl4-Trägergasfluss bei 138cm3/min, wobei Sauerstoff als Trägergas verwendet wurde. a) A SiCl4 carrier gas flow at 138 cm3 / min, using oxygen as the carrier gas.

b) Ein GeCl4-Trägerfluss bei 0-150cm3/min, wobei als Trägergas Sauerstoff verwendet wurde. Dieser Gasfluss wird in 40 Schritten erhöht, um eine Gradientenfaser mit einem a-Wert von ungefähr 2,1 zu bilden, (a ist die Kennzahl, welche den Indexverlauf im Faserkern charakterisiert - siehe »Elektrisches Nachrichtenwesen«, Band 50, Nr.3,1975, Seite 169.) b) A GeCl4 carrier flow at 0-150cm3 / min, using oxygen as the carrier gas. This gas flow is increased in 40 steps to form a gradient fiber with an a value of approximately 2.1, (a is the key figure which characterizes the course of the index in the fiber core - see "Electrical Communication", Volume 50, No. 3, 1975, page 169.)

c) Ein POCI3-Gasfluss bei einem Wert im Bereiche von 0,5 bis 10cm3/min, wobei Sauerstoff als Trägergas verwendet wurde. c) A POCI3 gas flow at a value in the range of 0.5 to 10 cm3 / min, using oxygen as the carrier gas.

d) Ein zusätzlicher Gasfluss bei 1800cm3/min. d) An additional gas flow at 1800 cm3 / min.

e) Eine Ablagerungstemperatur, die vom POCl3-Trägergas-fluss abhängt und zwischen 1700°C bei 10cm3/min und 1760°C bei 0,5cm3/min variiert. e) A deposition temperature that depends on the POCl3 carrier gas flow and varies between 1700 ° C at 10cm3 / min and 1760 ° C at 0.5cm3 / min.

Die totale Ablagerungszeit beträgt ungefähr fünf Stunden. Für den Zusammenfallvorgang, durch welchen der Rohling entsteht, werden zwei Durchgänge einer Hitzequelle bei 2100°C verwendet, wobei die benötigte Gesamtzeit ungefähr 1,5 Stunden beträgt. The total deposition time is approximately five hours. For the collapse process that creates the blank, two passes of a heat source at 2100 ° C are used, the total time required being approximately 1.5 hours.

Der entstandene Rohling weist einen Durchmesser von ungefähr 8,5 mm auf, welcher dann in einem Hochtemperatur-Ofen heruntergezogen wird zu einer 2,5 km langen und 125 um im Aussendurchmesser messenden Faser. Der optische Kern weist einen Durchmesser von 50 [.im und der optische Mantel eine Dicke von ungefähr 3 [im auf, wobei die numerische Apertur 0,2 beträgt. The resulting blank has a diameter of approximately 8.5 mm, which is then pulled down in a high-temperature oven to form a fiber 2.5 km long and 125 µm in outside diameter. The optical core has a diameter of 50 μm and the optical cladding has a thickness of approximately 3 μm, the numerical aperture being 0.2.

In der beiliegenden Tabelle werden experimentelle Resultate an einer Reihe von Fasern dargelegt, die bei verschiedenen POCl3-Gasflüssen im oben erwähnten Bereiche hergestellt wur5 The attached table shows experimental results on a number of fibers that have been produced with various POCl3 gas flows in the range mentioned above5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

655 085 655 085

den. Zu Vergleichszwecken wird auch eine Faser herangezogen, die nach dem Verfahren des oben erwähnten GB-Pantents Nr. 1475496 hergestellt wurde. the. For comparison purposes, a fiber made using the process of GB Pantent No. 1475496 mentioned above is also used.

• Es ist klar ersichtlich, dass die neuen Fasern im kurzzeitigen Bereiche (der Grössenordnung von 10ms) im Vergleich zur herkömmlichen Faser widerstandsfähiger gegen Bestrahlung sind, ohne dass sich diese Eigenschaften bei Zeiten der Grössenordnung von 30 Minuten verschlechtern würden. • It is clearly evident that the new fibers in the short-term range (of the order of 10 ms) are more resistant to radiation than conventional fibers, without these properties deteriorating at times of the order of 30 minutes.

Die Kern-Ablagerungstemperatur ist um 20-80°C niedriger als jene, welche zur Herstellung des binären Kerns der Faser im oben erwähnten GB-Patent Nr. 2 083 921 benötigt wurde, in Abhängigkeit des POCl3-Gasflusses. Der Bereich der Kernzusammensetzung, bestimmt durch eine Rasterelektronenmikroskop-Abtastung des gespaltenen Faserendes ist wie folgt: The core deposition temperature is 20-80 ° C lower than that required to make the binary core of the fiber in the aforementioned GB Patent No. 2,083,921, depending on the POCl3 gas flow. The range of the core composition, determined by scanning electron microscope scanning of the split fiber end, is as follows:

Si ca 38 Gewichtsprozente, Si about 38 percent by weight,

Ge ca, jedoch maximal, 11 Gewichtsprozente, gemessenin der Kernmitte, Ge ca, but maximum, 11 percent by weight, measured in the center of the core,

O ca 51 Gewichtsprozente, und O about 51 percent by weight, and

P im Bereiche von 0,02 bis 0,34 Gewichtsprozenten für einen POCl3-Gasfluss von 0,5 bis 10cm3/min. P in the range of 0.02 to 0.34 percent by weight for a POCl3 gas flow of 0.5 to 10 cm3 / min.

Die optimale P-Konzentration gemäss Tabelle liegt im Bereiche von 0,02 bis 0,17 Gewichtsprozent, bei welcher die geprüften Fasern die niedrigste Bestrahlungsempfindlichkeit aufweisen. Aber auch im sonsten, wie bereits erwähnt sind die erfindungsgemässen Fasern widerstandsfähiger gegen Bestrahlung als herkömmliche Fasern. The optimum P concentration according to the table is in the range of 0.02 to 0.17 percent by weight, at which the fibers tested have the lowest sensitivity to radiation. But otherwise, as already mentioned, the fibers according to the invention are more resistant to radiation than conventional fibers.

Bei den Bestrahlungstests wurde eine Impuls-Röntgenquelle, welche 600rd in weniger als 1 ms lieferte mit einer Spitze des Energiespektrums bei 0,5 MeV, verwendet. Hervorzuheben bei der neuen Faser sind die verhältnismässig niedrigen Dämp10 In the radiation tests, a pulse X-ray source, which delivered 600rd in less than 1 ms with a peak of the energy spectrum at 0.5 MeV, was used. The comparatively low damping10 should be emphasized for the new fiber

fungsverluste bei kurzen Zeiten (ungefähr 10ms), ohne dabei erhöhte Verluste bei längern Zeiten in Kauf nehmen zu müssen. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren kann z.B. eine Faser hergestellt werden, deren Dämpfungsverlust bei 30 Minuten ungefähr gleich ist wie jener der gemäss dem erwähnten GB-Patent Nr. 2 083 921 hergestellten, wobei jedoch der Verlust bei 10ms nur ungefähr 60% des Verlusts der herkömmlichen Faser beträgt. Losses in short times (about 10ms) without having to accept increased losses in long times. According to the method according to the invention, e.g. a fiber can be made whose loss of attenuation at 30 minutes is approximately the same as that made according to the aforementioned GB Patent No. 2,083,921, but the loss at 10 ms is only about 60% of the loss of the conventional fiber.

Als weiterer Vorteil der neuen Faser ist eine bessere Ausbeute bei der Produktion zu nennen, die auf eine niedrigere Ablagerungstemperatur zurückzuführen ist. Es entstehen folglich weniger Probleme mit Geometriekontrollen. Another advantage of the new fiber is a better yield in production, which is due to a lower deposition temperature. As a result, there are fewer problems with geometry controls.

15 15

Faser fiber

POCl3-Gasfluss (cm3/min) POCl3 gas flow (cm3 / min)

20 20th

25 25th

30 30th

Änderungen der Dämpfungsverluste (in db-km_1-krd_1) bei einem F aser-Lichtwellenbereich von 850 nm nach Changes in attenuation losses (in db-km_1-krd_1) after a fiber optic light wave range of 850 nm

lOmsec lOmsec

5 min 5 min

30 mir 30 me

1 1

0 0

45 45

5 5

4,4 4.4

2 2nd

0,5 0.5

18 18th

3,5 3.5

3,0 3.0

3 3rd

1 1

16 16

4 4th

3,6 3.6

4 4th

2,5 2.5

12 12

7 7

6,5 6.5

5 5

5 5

12 12

11 11

— -

6 6

7,5 7.5

13 13

10,8 10.8

10,4 10.4

7 7

10 10th

15 15

13,5 13.5

13,3 13.3

M M

Claims (3)

655 085655 085 1. Verfahren zur Herstellung einer gegen kurz- und langzeitige Ionisations- oder Neutronenbestrahlung widerstandsfähigen Multimode-Lichtleitfaser mit Gradientenindex aus einem Faser-Rohling, dadurch gekennzeichnet, dass ein binäres Siliciumdi-oxid-Bortrioxid-GIas durch Dampfablagerung auf die Innenwand eines Substratrohres aufgebracht wird, wobei diese Ablagerung aus den Halogeniddämpfen von Bor und Silicium erfolgt, dass ein ternäres Siliciumdioxid-Germaniumdioxid-Phos-phorpentoxid-Glas durch Dampfablagerung der erwähnten Oxide auf die Innenoberfläche des binären Siliciumdioxid-Bor-trioxid-Glases aufgebracht wird, wobei diese Ablagerung aus den Halogeniddämpfen von Silicium und Germanium und aus POCl3 erfolgt, dass die Anteile der in der Ablagerung des erwähnten Ternärglases verwendeten Dämpfe derart sind, dass das entstandene Ternärglas Phosphor im Bereiche von 0,02 bis zu 0,34 Gewichtsprozenten enthält und der Rest des Glases folgende angenäherte Zusammensetzung aufweist: 38 Gewichtsprozente Si, 11 Gewichtsprozente Ge, wobei diese Menge nicht überschritten werden darf, und 51 Gewichtsprozente O, dass Ablagerungen durch Hitzeeinwirkung zum Zusammenfallen gebracht werden, wodurch ein fester Rohling entsteht, und dass dieser anschliessend zur Lichtleitfaser heruntergezogen wird. 1. A process for the production of a short-term and long-term ionization or neutron radiation-resistant multimode optical fiber with a gradient index from a fiber blank, characterized in that a binary silicon dioxide-boron trioxide gas is applied to the inner wall of a substrate tube by vapor deposition, wherein this deposition takes place from the halide vapors of boron and silicon, that a ternary silicon dioxide-germanium dioxide-phosphorus pentoxide glass is applied to the inner surface of the binary silicon dioxide-boron trioxide glass by vapor deposition of the oxides mentioned, this deposition being produced from the halide vapors of silicon and germanium and of POCl3, the proportions of the vapors used in the deposition of the ternary glass mentioned are such that the ternary glass formed contains phosphorus in the range from 0.02 to 0.34 percent by weight and the rest of the glass has the following approximate composition has: 38 weight percent Si, 11 percent by weight Ge, whereby this amount must not be exceeded, and 51 percent by weight O that deposits are brought to collapse by the action of heat, which creates a solid blank, and that this is then pulled down to the optical fiber. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphor-Konzentration sich im Bereiche zwischen 0,02 und 0,17 Gewichtsprozenten bewegt. 2. The method according to claim 1, characterized in that the phosphorus concentration ranges between 0.02 and 0.17 percent by weight. 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 3. Lichtleitfaser, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Kern der Faser aus dem erwähnten Ternärglas und der optische Mantel aus dem erwähnten Binärglas besteht. 3. Optical fiber, produced by the method according to claim 1, characterized in that the optical core of the fiber consists of said ternary glass and the optical cladding consists of said binary glass.