DE1957626A1

DE1957626A1 - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Lichtleiterglasfasern aus einer Glasschmelze und Einrichtung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1957626A1
Application number: DE19691957626
Authority: DE
Inventors: Ken Koizumi; Seiichi Ono; Mitsugi Yoshiyagawa
Original assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Current assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Priority date: 1968-11-18
Filing date: 1969-11-15
Publication date: 1970-06-11
Also published as: DE1957626C3; DE1957626B2; GB1287300A; US3836347A; FR2024889A1

Description

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Dr. Werner Haßler . . Mdenscheid, H. November 1969 PATENTANWALT A. 69380

588 LODENSCHEID
Asenberg 3ό - Postfach 1704

Anmelderin: Firma Nippon Selfoc Kabushiki (also known as Nippon Selfoc Co., Ltd.), 7-15, 5-Chome, Shiba, Kinato-Ku, Tokyo-To, Japan.

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Lichtleiterglasfasern aus einer Glasschmelze und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Lichtleiterglasfasern aus einer Glasschmelze, wo die Glasfasern eine Verteilung des Brechungsindex senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung mit fortschreitender Abnahme vom Zentrum zur Faseroberflache haben sollen.

Eine bekannte Lichtleiterglasfaser besitzt einen Kernteil mit vergleichsweise hohem Brechungsindex zur Lichtübertragung und eine Mantelschicht mit vergleichsweise kleinem Brechungsindex, die den Kernteil umgibt. Zwischen dem Kernteil und der Mantelschicht liegt eine Grenzfläche vor. Ein in eine Stirnfläche unter einem Winkel größer als der Grenzwinkel der genannten Grenzfläche eintretendes Lichtbündel wird in dem Kernteil unter fortgesetzter Reflexion an der Grenzfläche ■übertragen. Eine solche 3chichtartige Glasfaser unter ausnutzung der Reflexion weist die folgenden Nachteile auf. ^a ein in die Paser eintretendes Lichtbündel bei der Ausbreitung innerhalb der Faser fortgesetzt eine Totalreflexion erleidet

ergeben sich Längenunterschiede der Lichtwege der einzelnen Lichtstrahlen, so daß innerhalb des. Lichtbündels auf der Ausgangsseite der Faser eine Verzerrung oder Versetzung der Phasengeschwindigkeit vorliegt. Dieses ergibt Schwierigkeiten bei der Übertragung von Lichtsignalen mit hoher Taktfrequenz innerhalb einer Lichtnachrichtenverbindung. Da das Lichtbündel bei der Ausbreitung fortgesetzte. Totalreflexionen an der Grenzfläche erleidet, nehmen die Querabmessungen des Lichtbündeis fortschreitend zu. Gleichzeitig ergeben sich an der Grenzfläche Reflexionsverluste. Dies setzt den Wirkungsgrad der Lichtübertragung zusätzlich herab.

Aus mehreren, parallel zueinander angeordneten optischen Fasern werden optische Faserplatten und optische Faserbündel zu Bildübertragungszwecken aufgebaut. Dabei übertragen jedoch die einzelnen Fasern das Licht jeweils nur fleckenweise. Deshalb ist das Auflösungsvermögen auf den Faserdurchmesser begrenzt. Durch Verringerung des Faserdurchmessers kann man zwar das Auflösungsvermögen bis zu einem gewissen Grade steigern; doch liegt'herstellungsmäßig eine untere Grenze· des Faserdurchmessers vor. Die Herstellung optischer Fasern mit Durchmessern unterhalb 10 Ai ist außerdem sehr schwierig. Entsprechend ist das erzielbare Auflösungsvermögen begrenzt. Ferner ergibt ein kleinerer Faserdurchmesser weitere Schwierigkeiten und Probleme bei der Herstellung der Bildübertragungseinrichtungen aus optischen Fasern. Infolgedessen wird die wirtschaftliche Herstellung eingeschränkt.

Der Brechungsindex eines Glases hängt hauptsächlich von der Glaszusammensetzung ab. Indem man innerhalb eines Glases eine stellungsabhängige fortschreitende Änderung der Verteilung der einzelnen Bestandteile vorsieht, kann man ein Glas mit sich fortschreitend änderndem Brechungsindex erhalten, ferner ist eine Lichtleiterglasfaser mit einer fortschreitenden Zunahme _} des Brechungsindex von der Außenfläche in das Faserinnere ' herstellbar, indem eine fortschreitende Änderung der Zusammen-

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Setzung einer Glasfaser von der Oberfläche zürn Innern eingestellt wird. Jedoch ist die Herstellung von Glaskörpern mit solchen Verteilungen der Zusammensetzung zwecks fortschreitender Änderung des Brechungsindex sehr schwierig.

Die deutsche Patentanmeldung P1913358.5 enthält bereits einen Vorschlag zur Herstellung von Glasfasern für Lichtübertra^un^szwecke. Danach wird eine Glasfaser aus glasbildenden Oxiden und Glasabwandlungsoxiden (einschließlich amphoterer Oxide) in eine Salzschmelze getaucht, die Rationen enthält, welche mit den Kationen der Glasabwandlungsoxide innerhalb der Faser austauschbar sind. -Uabei ergibt sich ein Ionenaustausch. In anderer Weise hält man eine schichtartige Glasfaser auf einer hohen Temperatur, bei der noch keine Verformung; auftritt; dies bedingt eine thermische Diffusion der Glasabwandlungsoxide infolge der Konzentrationsunterschiede der Glasabwandlungsoxide in dem Kernteil und der Mantelschicht. Man erhält dadurch eine stellungsabhängige, sich ändernde I.onzentrationsverteilung der Glasabwandlungsoxide in radialer Richtung der Glasfaser", so daß der Brechungsindex vom Paserinnern fortschreitend in Richtung der Außenfläche abnimmt.

Da nach dieser Technik zuerst eine Glasfaser hergestellt und dann eine Behandlung derselben in der beschriebenen V/eise erfolgt, nimmt die Behandlung eine lange Zeitdauer in der Größe einiger zehn Stunden an, so daß die Herstellungskosten unerwünscht hoch liegen. Außerdem ist die Länge einer jeden Faser vergleichsweise kurz, was durch die Ionenaustauschbehandlung oder die thermische Diffusion bedingt ist. Hehrere solcher kurzer Fasern müssen aneinander-stoßend miteinander verbunden werden, damit diese als Laser-Lichtleiter brauchbar sind. Die Verbindung dieser Fasern erfordert eine präzise ur.d umfangreiche Fertigungstechnik. An den Verbindungsflächen ergibt sich eine Impulsverzerrung mit entsprechender Verschlechterung der Genauigkeit der Lichtübertragung.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens

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sowie einer Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, womit eine günstige Herstellung solcher Glasfasern möglich ist,

Jiese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß durch die auf einer "'Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes gehaltene Glasschmelze mithilfe mindestens zweier Elektroden ein elektrischer Strom geleitet wird, wobei mindestens eine Elektrode unmittelbar oder mittelbar über eine Leiterflüssigkeit mit der Glasschmelze in Verbindung steht, damit man innerhalb uer Ferti-faser eine stellungsabhängige Konzentrationsverteilung der Glasabwandlungsoxide und anderen Oxiden vergleichsweise geringer "Bindungsfestigkeit erhält.

In weiterer Ausbildung schlägt die 'Erfindung eine Einrichtung mit einem Aufnahme- und Leitbehälter für'die Glasschmelze sov/ie einer -uüzieheiririchtung zum Ausziehen einer Glasfaser der- i-.ennseiclmung vor, daß mindestens zwei Elektroden vorgesehen sind, uie unmittelbar oder mittelbar über eine Leiterflüssigkeit nit uem Glas in Verbindung stehen, und daß eine Stromquelle an die Elektroden angeschlossen ist,-damit ein ■Strom.-lürcr die Glasschmelze geleitet werden kann..

Die "v-rf inaung· wird anhand bevorzugter Ausführungsbeisoiele unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnung erläutert, in weichen darstellen:

-ig. 1 eine vergrößerte, schematische Seitenansicht

einer herkömmlichen schichtartigen Lichtleiterglasfaser, ■ - . . -

5ij. 2 eine entsprechende Seitenansicht einer Licht--' leiterglasfaser nach der Erfindung,

Pig. 3 ein Scraubild zur Erläuterung der Abbildungsfunktion einer Lichtleiterglasfaser nach der Erfindung und

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Pig. .4 "bis 8 jeweils vertikale oder axiale Schnitte von Ausführungsformen der Erfindung.

Eine Lichtleiterglasfaser mit Schichtaufbau nach Pig. 1 besitzteinen Kernteil 1 mit vergleichsweise hohem Brechungsindex zur Lichtübertragung und eine Mantelschicht 2 mit vergleichsweise niedrigem Brechungsindex, die den Kernteil abdeckt. Ein Licht bündel 3, das in eine Stirnfläche des Iiernteils 1 unter einem Winkel größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion für die Grenzfläche zwischen Rernteil 1 und Mantelschicht 2 eintritt,. wird unter fortgesetzter Reflexion an dieser Grenzfläche innerhalb des Kernteils übertragen.

Wenn im Gegensatz dazu ein Lichtbündel in ein Stirnende einer Lichtleiterglasfaser mit einer Verteilung des Brechungsindex unter fortschreitender Zunahme von der Oberfläche in das Paserinnere eintritt, wird das Licht bündel 5, das in die Lichtleiterglasfaser 4 eintritt, jeweils in Richtung des ansteigenden Brechungsindex gekrümmt, wie dies in Pig. 2 veranschaulicht ist. Das Lichtbündel schreitet innerhalb der Paser ohne Reflexion an der Paseroberfläche fort. Infolgedessen fehlt die Verzerrung der Phas enges chwindiglceit, die Queraufspreizung des Liehtbündels und der Reflexionsverlust kann weitgehend herabgesetzt werden. Diese Wirkung entspricht der sog. Gaslinse.

Eine Verteilung des Brechungsindex, die in einem Pasercmerschnitt eine radiale Symmetrie um"die Mittelachse aufweist und wobei außerdem der Brechungsindex von der Außenfläche in das Paserinnere fortschreitend ansteigt, ist deshalb erstrebenswert, weil dadurch eine weitere Verringerung der Verzerrung der Phasengeschwindigkeit auf der Austrittsseite una der Queraufspreizung sichergestellt ist.

Die zweckmäßigste Verteilung des Brechungsindex in einer Querschnittsfläche senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung ist

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die folgende quadratische Beziehung: η = n_o (1 - ar²)

mit η als Brechungsindex im Zentrum der Faser, η als Brechungsindex in einem Abstand r vom Zentrum und a als einer positiven Konstanten.

Wenn ein Lichtbündel mit einer bestimmten Breite in eine Glasfaser mit solcher Verteilung des Brechungsindex eintritt, breitet sich das Lichtbündel innerhalb der Faser unter Beibehaltung der Ausgang3breite aus; das Lichtbündel verläßt die Faser auf der Austrittsseite ohne Verzerrung der Phasengeschwindigkeit.

Wenn die Lichtleiterglasfaser mit einem Krümmungsradius unterhalb eines Grenzwertes gebogen wird, wird ein in die Faser eintretendes Lichtbündel an der Faseroberfläche reflektiert oder tritt in den. Außenraum aus. Dieser Grenzradius der Krümmung hängt von der Verteilung des Brechungsindex innerhalb der Faser ab. Er wird· normalerweise kleiner mit ansteigendem Gradienten des Brechungsindex.

Die Abbildungswirkung einer optischen Faser 6 nach der Erfindung ist in Fig. 3 veranschaulicht. Die Verteilung des Brechungsindex in einem Faserquerschnitt senkrecht zur· Lichtausbreitungsrichtung genügt im wesentlichen der obigen Be-Ziehung η = n_Q ( 1 - ar ). Lichtstrahlen eines Gegenstandes im Gegenstandsraum vor der Eintrittsfläche der optischen Faser 6 verlaufen innerhalb des Faserinnern auf ainusfö rmigen Lichtwegen mit einer jeweiligen Wellenlänge S = 2-ft/ /2ÜT~, wobei ein reelles Bild 8 im Außenraum der Faser 6 jenseits des Austrittsendes entsteht. Fig. 3 zeigt ein reelles Bild im Außenraum der Faser. Man kann jedoch durch entsprechende Bemessung der Faserlänge sowie des Gegenstandsabstandes ein Bild in der Austrittsfläche der Faser erhalten. Außerdem sich die Vergrößerung oder Verkleinerung einstellen.

Glasfasern der beschriebenen Art lassen sich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren schnell und in jeder gewünschten länge, herstellen. Nach der Erfindung wird ein Gleichstrom oder gepulster Strom zwischen mindestens zwei Elektroden durch eine Glasschmelze geschickt. Me beiden Elektroden sin^ unmittelbar oder mittelbar mit der Glasschmelze in Berührung, deren Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes liegt. Die mittelbare Berührung erfolgt unter Vermittlung einer Leiterflüssigkeit wie einer Metallschmelze, einer Ketallegierunrasclimelze oder einer Salzschmelze, dadurch wird eine tfand.erung der Ionen der Glasabwandlungsoxide innerhalb aes Glases bewirkt. Vorzugsweise erfolgt auf der Anodenseite ein Eintritt von Kationen in die Glasschmelze sowie ein Abzug von Nationen aus der Glasschmelze auf der Kathodenseite. Man erhält so eine Konzentrationsverteilung der Glasabwandlungsoxiae in radialer dichtung der Glasfaser der Art, daß der Brechungsindex fortschreitend vom Faserinnern zur Außenfläche abnimmt.

!Normalerweise^ zeigt der Brechungsindex eines Stoffes eine Besiehung zu der molekularen Brechung und dem Kolekülvcluiaen des Stoffes, ^er Brechungsindex steigt mit zunehmender ir.olekularer Brechung und mit abnehmendem ί· olekülvoluinen an. Außerdem ist die molekulare Brechung der Polarisierbarkeit .;o.: Stoffes proportional. Die molekulare Brechung eines Gl-.ees läßt sich nälu'ungsweise durch die Summe der einzelnen Ionenbrechungen darstellen. Deshalb läßt sich der nualitative einfluß bestimmter Ionen auf dem Brechungsindex eines Glases durch Vergleich der Werte der spezifischen Elektronenpolarisier barkeit der betreffenden Ionen

Elektronenpolarisierbarkeit

Iönenradius^

"bestimmen.

Jede lonenart hat ein bestimmtes Verhältnis der Elektronenpolai'iaierbarkeit zum Ionenradius ^ innerhalb des betreiiender Glases, wenn folglich der "Brechungsindex eines Glases „iit

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Glasabwandlungsoxiden mit dem Brechungsindex eines Glases verglichen wird, worin dre Kationen der Abwandlungsoxide teilweise oder vollständig durch Kationen ersetzt sind, für die das Verhältnis Elektronenpolarisierbarkeit/Ionenradius kleiner äLs für die zuerst genannten Kationen ist, ergibt es sich, daß der Brechungsindex in letzterem Falle kleiner als in ersterem Falle ist.

Die Nationen lassen sich hinsichtlich ihres Beitrages zur Vergrößerung des gesamten Verhältnisses in folgender Reihe anordnen: Tl > Li^K s= Na * Rb für einwertige Kationen und. Pb^Ba>Gd >Sr >Ca >Zn >Be ,>Mg für zweiwertige Kationen.

Wenn entsprechend erste Kationen von Abwandlungsoxiden eines Glases durch zweite Kationen mit größerem Wert des charakteristischen Verhältnisses Elektronenpolarisierbarkeit/Ionenrad'ius ^ substitutiert werden, erhält man für den Brechungsindex des Glases in solchen Bereichen, wo diese Substitution erfolgt ist,einen hohen Wert. Auch wenn die Kationen der Abwandlun£soxide nicht substitutiert sind, läßt sich eine veränderliche Konzentrationsverteilung der Abwandlungsoxide innerhalb Glases in bestimmten Gläsern, v/ie Silikatgläsern una Boratgläsern erhalten, da die Brechungsindices dieser Gläser mit zunehmender Kenge der Glasabwandlungsoxide ansteigen, so dai;· man eine veränderliche Verteilung des Brechungsindex erhält.

V/enn eine Glasfaser in eine Salzschmelze eingetaucht wird, die andere Kationen als die Kationen des hauptsächlichen Abwandlungsoxids enthalten, tritt ein Ionenaustausch ein, doch die Austauschgeschwindigkeit ist außerordentlich klein. Wenn zwei gesonderte kengen einer Salzschmelze mit gegenüberliegenden Seiten eines Glaskörpers als Elektroden in Berührung sind und ein Gleichstrom durch den Glaskörper gleitet wird, treten auf der Anodenseite Kationen aus der Salzschmelze in, den Glaskörper ein; aus der Kathodenseite gehen Kationen der"

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Abwandlungsoxide aus dem Glaskörper in die Salzschmelze über. Die Geschwindigkeit dieser Ionenwanderung ist viel höher als die einfache Austauschgeschwindigkeit. Doch wenn der Glaskörper "bei einer Temperatur unterhalb des Erweichungspunktes behandelt wird, ist die Viskosität groß und die Wanderungsgeschwindigkeit hat eine natürliche obere Grenze. -Die Wanderungsgeschwindigkeit von Kationen innerhalb eines Glases aufgrund des Durchgangs eines elektrischen Stromes hängt von der Viskosität des Glases ab. Die Viskosität eines Glases nimmt mit ansteigender Temperatur schnell ab.

Die Erfindung stellt· ein Verfahren und eine Einrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Glasfasern bereit, wonach ein Strom durch ein auf eine hohe Temperatur oberhalb des ' Erweichungspunktes erhitztes Glas -geleitet wird, damit Kationen der Glasabwandlungsoxi'de schnell wandern, damit vorzugsweise auf der Anodenseite Kationen schnell in die Glasschmelze übergehen und gleichzeitig auf der Kathodenseite Kationen aus -dem Glas schnell abgezogen werden. Man erhält so eine Glasfaser aus dieser Glasschmelze mit einer Konzentrationsverteilung¹ der Abwandlungsoxide innerhalb der Glasfaser in radialer Richtung. Damit läßt' sich kontinuierlich eine Glasfaser mit einer Verteilung deff Brechungsindex unter fortschreitender .Abnahme in radialer Richtung von der Faserachse zur Außenfläche herstellen.

Die folgenden Einzelbeispiele erläutern die Verwirklichung der Erfindung.^ Diese Einzelbeispiele dienen lediglich zur Erläuterung der Erfindung jedoch nicht zur Einschränkung des Erfindungsgedankens.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Pig. 4 fließt eine Glasschmelze 10 durch einen konvergenten Ringraum zwischen einer zentralen Anode 11 aus einem porösem Leiterstoff und einer Kathode 12 ebenfalls aus einem porösen Leiteratoff nach unten, wobei die Kathode die Anode konzentrisch ^v

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umgibt. Durch eine Düse 15a wird eine Glasfaser 13 ausgezogen.

Die Anode 11 aus einem porösem Stoff bildet ein Gefäß zur Aufnahme einer Metallegierungsschmelze 14; das Metall ist als Kation für ein Glasabwandlungsoxid geeignet, wenn es in die Metallschmelze in lösung geht. Außerdem wird dann der Brechungsindex des Glases durch Ionenaustausch vergrößert. Außerhalb der Kathode 12 befindet sich ein Gefäß 15 aus porösem Stoff. Die Ausflußmündung der Kathode 12 ist mit der Düse 15a am Boden des Gefäßes 15 verbunden/Eine Iuetalllegierungsschmelze 16 zur Aufnahme der Kationen der Abwandlungsoxide aus der Glasschmelze befindet sich innerhalb des Gefäßes 15.

Wenn während des Ausziehens einer Glasfaser 13 aus der Glasschmelze 10 eine bestimmte Spannung zwischen den Elektroden 11 und 12 vonseiten einer nicht dargestellten Stromquelle anliegt, fließt ein Gleichstrom von der Anode 11 zur Kathode durch die nach unten strömende Glasschmelze hindurch. Die Metallegierung 14 du'rehsötzt die poröse Anode 11 und löst sich als Kationen innerhalb der Glasschmelze mit einer höheren Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung.

Aus der Glasschmelze werden Kationen der Abwandlungsoxide durch die poröse Kathode 12 extrahiert und durchdringen dieselbe. Sie lösen sieh in der Metallegierung 16. Erforderlichenfalls kann das Glas zwischen den Elektroden 11 und auf einer Temperatur oberhalb' des Erweichungspunktes mittels eines nicht dargestellte» auf der Außenseite der Elektrode angebrachten Temperaturreglers gehalten werden.

Die aus der legierungsschmelze 17 auf der Anodenseite in ■ die Glasschmelze in Lösung gehenden Kationen sind so ausgewählt, daß sie den Brechungsindex vergrößern, wenn sie die Kationen der Abwandlungsoxide der Glasschmelze s.ubstituieren«, Da die Konzentration der Kationen, die"den Brechungsindex ' · vergrößern, in der Nähe der Anode höher ist, hat die herge- '* stellte Glasfaser 13 einer» Brechungeindez mit einem Maximalwert

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im Zentrum und einer fortschreitender Abnahme zur Aui3enfläche.

Der poröse Leiterstoff für Anode 11 und Kathode 12 ist ein Stoff, der mit Glas nicht reagiert und außerdem von demselben nicht angegriffen wird, bspw. poröser Graphit und eine Platinplattenzubereitung mit einer großen Anzahl von Durchbrüchen. Die Legierungsschmelze tritt durch die Durchbrüche des

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porösen Stoffes in Bereiche in der Mhe der Oberfläche eier Elektrode. Die Legierungsschmelze befindet sich in Berührungmit der Glasschmelze in einem durch die Oberflächenspannung bedingten Gleichgewichtszustand. Deshalb gibt es kaum eine Möglichkeit, daß das Glas selbst in den Raum der Legierungs-

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die Legierungsschinelze unmittelbar mit der Glasschmelze vermischt, wodurch ein* Kationen« austausch innerhalb der Glasschmelze und der Legierun^sschmelEe nur in einem kleinen Ausmaß auftritt. Vienn auch im Rahmen dieses Ausführungsbeispieles eine legierungsselunelae sowie eine "Legierungsschmelze 16 für die Kationenquelle eov.-ie für die Kationensenke beschrieben sind, kann man auch an.iere Stoffe benutzen wie Metallschmelzen oder eine Salzschmelze einer einzigen Verbindung. Im xiahmen dieses Ausführung:sbeispiels stellen die porösen Stoffe 11 und 12 selbst die Elektroden dar. I-ian kann jedoch die Elektroden auch gesondert von den porösen Stoffen 11 und 12 vorsehen, wie das Beispiel der Pig. 5 zeigt.

Außerdem kann man eine Glasfaser mit der genannten Verteilung- des Brechungsindex herstellen, wobei die porösen Stoffe 11 und 12 mit umgekehrter Polung als Kathode und Anode benutzt sind, indem man eine Glaszusammensetzung von vergleichsweise Ionen Brechungsindex auswählt und Kationen zur Verkleinerung des Brechungsindex bei Substitution von Kationen innerhalb des Glas***, vonseiten des porösen Stoffes 12 in die Glasschmelze eintreten sowie Kationen innerhalb des Glases durch den porösen 'Stoff 11 auf der Kathodenseite in die Legierungsschmelze austreten, läßt.

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Im nahmen eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung nach Pig. 5 läßt man die'Glasschmelze 20 durch einen konvergenten xiingraura zwischen einer zentralen Anode 21 und einem porösen 3toff 22 nach unten strömen, der konzentrisch die Anode umgibt. Eine Glasfaser 23 wird durch eine Mse 24a ausgesogen". Me Anode 21 i.st ein massiver Körper aus einem Fetall oder einer legierung der Wirkung zur Vergrößerung des Brechungsindex eines Glases, wenn aus; der Ano-ie 21 "i.atiorien in die Glasschmelze in lösung gehen und dabei I.ationen innerhalb des Glases ersetzen. Ler poröse Stoff hat eine ähnliche Formgebung wie der poröse otoff des >-?iö'piel3 nac'a Fig. 4* Er ist am Unterende mit. der Juso 24a im FuOteil des Gefäßes 24 ebenso wie bei dem Gefäß 15 verbunden. Eine Metallegierungsschmelze 25 befindet sich in de·.;": Gefä<? 24 und ist· mit der Außenfläche des porösen stoffe,: 22 in berührung. Innerhalb der Legierungsschmel'ze befinuet sich eine Kathode 26 in konzentrischer Anordnung .jeweils in. Abstand von dem porösen Stoff 22. Der poröse Stoff 22 braucht nicht elektrisch leitend zu sein. Bei der Herstellung der Glasfaser 23 aus der Glasschmelze 20 fließt ein '"l^ic" κ .rom von der Anode 21 durch die Glasschmelze zur Xathüue 26, wobei die Glasschmelze zwischen der Anode 21 unu -:em norönen "Stoff 22 nach unten strömt. Dadurch gehen Kationen, aie durch Substitution von Kationen innerhalb des Glases den brechungsindex.des Glases vergrößern, in die Glasschmelze vona^iten der Kathode 26 in Lösung, wogegen Kationen von Abwandlungsoxiden aus der Glasschmelze in die Legierung3sc:r3elze 25 übernommen werden.

Die Konzentration von Kationen, die sich in dem Glas vonseiten der Anode 21 gelöst haben, ist an Stellen in der Nähe der Anode höher. Infolgedessen hat die Glasfaser 23 eine Verteilung dee £rechungsindex mit einem Höchstwert im Paserzentrum und einer fortschreitenden Abnahme zur Außenfläche. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 kann in verschiedener '■> Weise abgewandelt werden. Beispielsweise kann der poröse

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Stoff 22 dann, wenn er elektrisch leitend 1st, als Kathode anstelle der Kathode 26 benutzt werden. Man kann auch eine andere Schmelze benutzen, bspw. eine Metallschmelze odtjr eine Salzschmelze aus einer einzigen Verbindung anstelle der Legierungsschmelze 25.

Wenn man eine Glaszusammensetzung mit vergleichweise hohem Brechungsindex auswählt, kann man eine Glasfaser mit der .genannten Verteilung des Brechungsindex erhalten, indem man eine Anode 21 ähnlich dem Beispiel der -t'ig. 4 als Kathode benutzt und als Anode eine Seitenwandung aus einem Stoff wie einem Metall oder einer Legierung vorsieht, der Kationen in das Glas in Lösung gibt, die den Brechungsindex des Glases bei Übergang in die Glasschmelze herabsetzen. Es wird dann ein Gleichstrom in umgekehrter Richtung wie nach Fig. 5 durchgeleitet.

Wenn auch im Rahmen d-er Ausführungsformen der Fig. 4 und 5 die Glasschmelze nach unten fließt und nach unten zu einer Glasfaser ausgezogen wird, kann die Glasfaser auch durch Aufwärtsziehen der Glasschmelze mittels einer ähnlichen Einrichtung erhalten werden. Im Rahmen der beiden beschriebenen Ausführungsbeispiele ist ein poröser Stoff auf der Kathodenseite benutzt, und die aus der Glasschmelze aufgelösten Kationen werden in_ einer Schmelze wie einer Legierungsschmelze gelöst, die sich auf der Außenseite des porösen Stoffes befindet. Man kann die gewünschte Verteilung des Brechungsindex auch ohn»e porösen Stoff erhalten, indem man nur auf der Kathodenseite Kationen aus dem Glas in metallischer Form auszieht. ■

Abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Fig. 6 und 7 beschrieben. Nach Fig. 6 ist eine Metallegierungsschmelze 31 bspw. eine Legierung mit höherem spezifischem Gewicht als die Glasschmelze in einem Gefäß 30 gespeichert. Eine Glasschmelze 32 einer Zusammensetzung von 48 Gewichts- >· ' Prozent SiOp, 12 Gewichts-Prozent WapO, 16 Gewichts-Prozent

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TIpO und 24 Gewichts-Prozent PbO sowie einer Temperatur von 800° C befindet sich in dem gleichen Gefäß oberhalb der Legierungsschmelze 31« Aus dem Mittelteil der Glasachmelzenmasse 32 wird eine Glasfaser 33 nach oben' gezogen und durch eine nichtdargestellte Aufnahmeeinrichtung aufgenommen. Ein Ringkörper 35 auf einer KNO^-SaIzschmelze ist infolge der Oberflächenspannung an einer Ringelektrode 34 gehalten und umgibt den Unterteil der Glasfaser 33 oberhalb der Glasschmelze 32.

Das Salz 35 enthält eine Kationenart zur Herabsetzung des Brechungsindex des Glases, wenn K⁺-Ionen in dem Glas gelöst sind und die Tl⁺-Ionen innerhalb desselben substituieren. Las Glas 32 hat eine Zusammensetzung mit einem vergleichsweise hohen Brechungsindex.

Wenn ein Gleichstrom von bspw. 10 A zwischen der Elektrode 34 als Anode und der' Legierungssehmelze 31 als Kathode durch die Glasschmelze 32- "geleitet wird, gehen Kationen der genannten Art aus der Salzschmelze 35 in die Glasschmelze 32 in lösung, und hauptsächlich Kationen der Abwandlungsoxide lösen sich in der Legierungsschmelze 31 vonseiten der Glasschmelze 32. Infolgedessen nimmt innerhalb der Glasschmelze die Konzentration der Kationen, die aus der Salzschmelze 35 in das Glas in Lösung gegangen sind, fortschreitend von der in dem Salz 35 in Berühxang befindlichen Oberfläche in das Glasinnere ab; die Konzentration der ursprünglich in dem Glas enthaltenen Kationen steigt fortschreitend in gleicher Richtung an. Die Glasteile der 'gezogenen Glasfaser 33 in der Nähe der Außenfläche werden aus Glasteilen der Glasschmelze J2 gebildet, die sich in der Nähe der mit der Salzschmelze 35 in Berührung befindlichen Oberfläche befunden haben. Infolgedessen erhält man eine Glasfaser 33 der oben genannten ge- · wünschten Verteilung des Brechungsindex.

Die Fig. 7 betrifft ein Ausführungsbeispisl mit einem Gefäß» 40, das zentral in der Fußwandung S'ine Ausziehdüse 41 besitat,

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die mit ihrem entgegen der .Ausziehrichtung gelegenen Oberteil in das Innere des Gefäßes hineinragt. Das Gefäß 40 enthält auf der Innenfläche des Bodenteils eine legierunrsschmelze 42, die den hineinragenden Teil der Düse 41 umgibt; diese Legierung schmelze hat ein höheres spezifisches Gewicht als die Glasschmelze- 43* die auf der LegierungsschiueiEe 42 in Berührung mit derselben liegt. Eine Glasfaser 44 wird auf der Glasschmelze 43 durch die uüse 41 nach unten auegezogen. Die Legierung 42 enthält einen Stoff sur Herabsetzung des Brechungsindex des Glases bei Auflösung in .der Glasschmelze 4^ und bei Substitution der Kationen inner-halb des Glases. Oberhalb der Glasschmelze 43 befindet sich eir.^ Legierungsachr^lze 46, die durch die Oberflächenspannung an einer Elektrode 45 gehalten ist.

Wenn zwischen ύ-av Legierungsschmeise 42 als Anode un-j der Elektrode 4^C· h.1.3 Kathode ein Gleichstrom durch die Glasschmelze 43 fließt, gehen Kationen der genannten Art in die Glasschmelze 43 aus der Legierunirsschinelze 42 in lüsunt, während IIati#nen der Abwandlungsoxide aus der Glasecii: el::·³ 4 · in die Legierunjsschmelze 46 übergehen. Damit nin.rat die ].onst»ntration der Nationen, die aus der Legierung in ei ^y Glas übergegangen sind,, fortschreitend, in Abhängigkeit von der stellung ab. JJie Konzentration der zunächst in de::, .·Γ.:.β enthaltenen Kationen steigt innerhalb der Glasschmelze 43 fortschreitend νοη der in der Legierungsschmelze 42 in "erührung befindlichen Oberfläche zum Glasinnern hin an. ve:: Teil der nach unten ausgezogenen Glasfaser 44 in der Vähe tier Außenfläche wird aus dem Teil der Glasschmelze 43 in der Nähe der Kontaktfläche mit der Legierungsschmelze 42 {ebilüet. Infolgedessen hat die Glasfaser uie oben beschriebene Verteilung des Brechungsindex.

, die Stro-urichtung durch die Glasschmelze 42 unc 43 rei;.ä den Beispielen der Fig. 6 und 7 umgekehrt wird, so da. eine Substitution der Kationen des Glases durch Kationen aus der'

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anodenseitigen Legierungsschmelze erfolgt, und wenn Lationen zur Vergrößerung des Brechungsindex in die Glasschmelze in Lösung gehen sowie Kationen des Glases in die kathodenseitige legierungsschmelse übernommen werden, nimmt die Konzentration der in des Glas gelösten Ionen aus der Legierung fortschreitend ab und die Konzentration der zunächst in dem Glas enthaltenen Kationen steigt entsprechend innerhalb des Glases von derjenigen Oberfläche aus an, die mit der anodenseitigen Legierungsschmelze in Berührung steht. In diesem Fall enthält das ien Hittelteil der Glasfaser 43 oder 44 bildende Glas eine vergleichsweise hohe Gla3menge, die zunächst in Ober·- fl^:4c::ennähe in Berührung mit der anodenseitigen Legierungsschnolne war. Infolgedessen erhält man eine Glasfaser mit der ---ewünschten Verteilung des Brechungsindex.

Neben Legierun~sschmelzen als Kationenquelle, woraus aie Kationen in die Glasschmelze in Lösung gehen,sowie als Auf— ntthinestoff fär die aus -der Glasschmelze ausgezogenen Kationen der Abwandlirn-soxide kann man andere Schmelzen benutzen, wie .Metallschmelzen und Salzschmelzen. Han kann auch eine ketallanuue oder eine Ketallegierungsanode inform eines Festköx-yei·^ einer solchen Art vorsehen, daß beim Stromdurchgang Kationen in aie Glasschmelze in Lösung gegeben werden.

Im -'-ahmen ler zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele der Fi~. 4,5 und. 6 werden Nationen von der Anodenseite in die Glasschmelze in Lösung gegeben. Man kann auch eine Glasfaser mit der gewünschten Verteilung des Brechungsindex herstellen, indem man einen Gleichstrom durch die Glasschmelze ohne äußere Zufuhr von Kationen hindurchleitet, damit sich innerhalb der Glasschmelze eine Konzentrationsverteilung der Äbwanälungsoxide.und anderer Oxide mit vergleichsweise geringer Bindungsfestigkeit einstellt.

■!fach der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 8 erhält' man eine Konzentrationsverteilung hauptsächlich der Kationen

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der Abwandlungsoxide der Glasschmelze 51 innerhalb des Ge-fäßes 50 durch einen Stromdurchgang durch die Glasschmelze, welche dann nach unten zu einer Paser 52 ausgezogen wird, die die gewünschte Verteilung des Brechungsindex hat.

Das Gefäß 50 hat eine kegelförmige Fußwandung, die in eine Düse 50a konvergiert, aus der die Glasschmelze zu einer Easer 52 ausgezogen wird. Die kegelförmige Fußwandung ist im Oberteil mit einer ringförmigen oder kegelstumpfförmigen Anode 53 ausgestattet und besteht aus einem porösem Stoff, bspw. einem Platinblech* mit zahlreichen Durchbrechungen. Am Unterende sitzt eine ebenfalls kegelstumpfförmige Kathode Anode 53 und Kathode 54 bilden Teile.der kegelförmigen Fußwandung des Gefäßes 50 und dienen zur Durchleitung eines Gleichstromes durch die Glasschmelze 51. Die Stromdichte des zwischen Anode 53 und Kathode 54 innerhalb der Glasschmelze 51 fließenden Gleichstromes hat im Bereich der Innenwandung des Gefäßes 50 ihren höchsten Wert und nimmt gegen den Mittelteil der Glasschmelze 51 hin fortschreitend ab. Innerhalb der Glasschmelze sammeln sich jeweils Kationen und Anionen der Glasabwandlungsoxide an den kathoden- und anodenseitigen Enden der Stromfäden des ^leidistromes.

Da die Stromstärke in der Nähe der Gefäßwandung hoch ist, werden die Ionen in diesem Wandungsbereich sehr stark in Richtung der Anode bzw. der Kathode angezogen, wogegen mit abnehmender Stromdichte gegen den Hittelteil der Glasschmelze 51 hin, der Trennungsgrad für Ionen längs den Stromfäden in Richtung der Elktroden herabgesetzt ist. Infolgedessen nimmt die Konzentration der Glasabwandlungsoxide vom Mittelteil gegen die Außenfläche der Glasschmelze 51 hin ab. Dadurch stellt sich eine Konzentrationsverteilung der Abwandlungsoxide in radialer Richtung innerhalb der erhaltenen Glasfaser 52' mit einer Abnähme vom Mittelteil zur Außenfläche der Faser ein.

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Bei Gläsern wie Silikatgläsern und Boratgläsern bedingt eine Konzentrationszunähme eines Abwandlungsoxides einen Anstieg des Brechungsindex, Wenn ein solches Glas für die Glasschmelze 51 benutzt wird, weist die erhaltene Glasfaser 52 eine fortschreitende Konzentrationsabnahme der Abwandlungsoxide von der Fasermitte zur Außenfläche auf, so daß man die .gewünschte Verteilung des Brechungsindex erhält.

Auf der Außenseite der Kathode 54 befindet sich ein Gefäß zur Aufnahme einer Legierungsschmelze 56, welche zur lösung von Metallen aus Kationen der Abwandlungsoxide nach Extraktion aus der Glasschmelze 51 dient. Die Anionen sammeln sich als Gas, hauptsächlich Sauerstoff an der Anode 53. Deshalb ist eine Ringleitung 57 auf der Außenseite der Anode 53 angeordnet, die die Außenfläche des Gefäßes 50 dicht abschließt. Diese Ringleitung wird über eine Anschlußleitung 57a evakuiert, damit das gebildete Gas entfernt wird.

Die Lage der Elektroden ist nicht unbedingt an die Wandung des Gefäßes 50 gebunden. Die Elektroden können sich auch · innerhalb der Glasschmelze 51 befinden. Indem man bspw. mehrere Ringelektroden konzentrisch Innerhalb der'Glasschmelze auf der Innenseite der Gefäßwandung anordnet,so daß das Glas durch die Zwischenräume zwischen den Ringelektroden strömen muß,und indem man einen höheren Strom zwischen den Elektroden in der Nähe der G-efäßwandung fließen läßt, läßt sich eine fortschreitende Konzentrationsabnahme der Abwandlungsoxide und anderen Oxiden mit"vergleichsweise geringer Bindungsfestigkeit innerhalb der Glasschmelze in-Richtung der Gefäßwandung einstellen.

Die Erfindung läßt sich auch bei optischen Glasfasern anderer Art anwenden. Man kann bspw. bei einer schichtartigen Glasfaser einen'Gleichstrom senkrecht zur Grenzfläche zwischen der Hantelschicht und dem Kernteil der Glasfaser durchlelten, solange sich die Glasfaser auf einer hohen Temperatur ober-, halb des Erweichungspunktes befindet, damit die Abwandlungs—

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oxide im Bereich der Grenzfläche zwischen dem kernteil unu •der Mantelsehicht wandern und damit die Konzentrationsändeuung der Abwandlungsdxide geglättet verläuft, JDadurch kann man eine Glasfaser der gewünschten Verteilung des Brechungsindex erhalten, wo derselbe vom Faserzentrum fortschreitend in rtlehtung der Außenfläche abnimmt,

Die Giaazusamraensetzung ist durch die Erfindung nicht eingeschränkt} man kann Silikatgläser, Eoratgläser, Phosphatgläser und andere Oxidgläser verwenden.

Ein Kationenaustausch in einem Glas unter Substitution von Kationen mit vergleichsweise niedrigem Wert des genannten Verhältnisses durch Kationen mit hohem Wert diesee Ver— ' hältnisses bspw. Tl -Ionen ergibt eine Zunahme des Brechungsindex des Glases« Umgekehrt führt ctie oubstitution von. Kationen mit großem rfert dieses Verhältnisses durca Kotionen mit niedrigem Wert bspw. Na⁺-Ionen zu einer Verringerung des Brechungsindex des Glases» Man kann verschiedene Arter. von Kationenquellen in fester. Me tall form und Metalle^icruii.--form, in Metall efierungsschmelzenf ο rim, in !«,etallscknielLenforp und, in SalzschmelJäenform zur Lieferung der in der Glasschmelze von der Anodenseite in Lösun_o gehenden katior.er.

vorsehen; als besonders günstig- haben sich Kationen-in f
.' flüssigem Zustand hinsichtlich einer gleichmäßigen Sufuhr von Ionen in die Glasschmelze erwiesen.

„. Obgleich die , erforderlichen Eigenschaften der c,uelle Oer !j Kationen, die in dem Glas gelöst werden sollen, in Abh"'n'-i_fjkeit von der Glastmsaaaaensetzung, dem gewünschten Gradienten dea Brechungsindex und der Behandlungstemperatur vei^schieden sind, sind unter ilen flüssigen Stoffen besonders Iegierun_tsse. """'lzen geeignet, da man die Legierungen unter Berüchsiehti

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^" der genannten Kenngrößen durch nahezu beliebige Loi oi-" nationen verschiedener Metalle auswählen kann. Die Kationen

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in der Glasschmelze werden an der Kathode in Metallforiii aus-:e-

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zogen. Wenn eine Metallschmelze oder eine Legierungsschrnelze in flüssigem Zustand zur Auflösung des extrahierten Metalls . benutzt ist, kann man leicht und vorteilhafter-weise eine legierung mit diesem Metall erhalten. Eine Salzschmelze als Kationenquelle ist insoweit vorteilhaft, als sie leicht durch den porösen Stoff hindurchdringt.

Die Stärke des durch die Glasschmelze, in den beschriebenen Aucführunfsbeispielen geleiteten-Gleichstromes wird sehr stark von solchen Größen, wie dem Durchmesser der herzustellenden Glasfaser, der Faserausziehgeschwindigkeit, dem gewünschten Gradienten des Brechungsindex, der Glaszusammensetzung;, der Art der für den Ionenaustausch bestimmten Kationen der Glasviskosität im Verarbeitungszustand und der Form des Gerätes beeinflußt. Die optimale Stromstärke ist dabei von Fall zu Fall verschieden. Wenn eine Metallschmelze -oder eine Legierungsschmelze benutzt wird, ist die Anwendung- einer niclitoxydierenüen Atmosphäre innerhalb der Gasphase vorzuziehen, die mit der Metallschmelze oder der Legierungs-. schmelze in Berührung ist, damit keine Oxydation dieser Metall- oder Legierungsschmelze erfolgt.

iJie Erfindung stellt ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Glasfasern bereit, in denen der Breehungsinaer. kontinuierlich von der Mitte in Richtung der Faseraußenfläche abnimmt. Außerdem kann man kontinuierlich Glasfasern herstellen, die jeweils eine ideale Verteilung des Brechungsindex im wesentlichen nach der oben genannten Gleichung η = n_Q (1 - ar²) haben, indem die Verfahrensgrößen v/ie Elektrodenform, Stromstärke innerhalb der Glasschmelze und Art der Kationen der Abwandlungsoxide eingestellt werden.

Wenn ein Lichtbündel in ein Stirnende eines Glaafaserabschnitts nach der Erfindung eintritt, wirkt die Glasfaser als Lichtleiterfaser, wobei der Weg des Lichtbündels" ohne Reflexion innerhalb der Faser gekrümmt ist.· Der Lichtweg ist

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jeweils in Richtung des ansteigenden Brechungsindex gebogen.

Unter Verwendung einer Lichtleiterglasfaser nach der Erfindung kann man eine bogenförmige oder gekrümmte Lichtausbreitungsrichtung erhalten. ' Eine · Lichtleiterglasfaser mit radialsymmetrischer Verteilung des Brechungsindex bezogen auf die Mittelachse senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung und mit abnehmendem Brechungsindex bei zunehmendem Abstand von der Mittelachse wirkt als Sammellinse zur Fokussierung eines Lichtbündels.

Da ein in eine'Lichtleiterglasfaser nach der Erfindung eintretendes Lichtbündel reflexionsfrei innerhalb der Faser · ' übertragen wird, ist keine Verzerrung des Phäsengeschwindigkeit auf der Austrittsseite der Faser vorhanden. Auch eine Queraufspreizung des Lichtbündels ist ausgeschlossen.-Folglieh kann man eine Lichtleiterglasfaser nach der Erfindung' für eine Lichtübertragung zur Übertragung von Lichtsignalen hoher Taktfrequenz mit hohem Wirkungsgrad einsetzen. Glasfasern nach der Erfindung können zur Lichtübertragung von Laserlicht zur Bildübertragung und für andere Lichtübertragungszwecke benutzt werden. ·

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Claims

Patentansprüche - ·.

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Lichtleiterglasfasern aus einer Glasschmelze, wo die Glasfasern eine Verteilung des Brechungsindex senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung mit fortschreitender Abnahme vom Zentrum zur Faseroberfläche haben sollen, dadurch gekennzeichnet, daß durch die"auf einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes gehaltene Glasschmelze mithilfe mindestens zweier Elektroden ein elektrischer Strom geleitet wird, wobei mindestens eine Elektrode unmittelbar oder mittelbar über eine Leiterflüssigkeit mit der Glasschmelze in Verbindung steht, damit man innerhalb der Fertigfaser eine stellungsabhängige Konzentrationsverteilung der Glasabwandlungsox^de und anderen Oxiden vergleichsweise geringer Bindungsfestigkeit erhält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschmelze zwischen den als Anode und Kathode dienenden Elektroden in Richtung einer Düse strömen gelassen wird, durch welche die Glasschmelze kontinuierlich zu einer Faser ausgezogen wird. ' ·
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode mittelbar über eine Metallschmelze, eine Metallegierungsschmelze oder eine' Salzschmelze als ■ Leiterflüssigkeit mit der Glasschmelze verbunden wird, damit Kationen von Glasabwandlungsoxiden von. der Anodenseite in die Glasschmelze einwandern imd Kationen der ursprünglich in der Glasschmelze enthaltenen Abwandlungsoxide zur Kathodenseite abwandern. ι
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Aufnahme- und Leitbehälter für die Glasschmelze sowie ainsr Auszieheinrichtung zum Ausziehen einer Glasfaser, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 2 Elektroden vorgesehen sind, die unmittelbar oder mittelbar "

QGWf 47 f42e

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über eine leiterflüssigkeit mit dem Glas in Verbindung stehen, und daß eine Stromquelle an die Elektroden angeschlossen ist, damit ein Strom durch die Glasschmelze geleitet werden kann.
5. Einrichtung nach Anspruch 4_f dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode mittelbar über eine elektrische Leiterflüssigkeit mit der Glasschmelze in Verbindung steht und daß die Leiterflüssigkeit von der Glasschmelze durch eine poröse Trennwand getrennt ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 41 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektroden aus porösem Stoff einen sich in .Richtung uer Ausziehdüse für die Glasschmelze verjüngenden Hingkanal bilden, wobei eine Elektrode als sich verjüngendes Gefäß geformt ist und einen geschmolzenen Stoff getrennt von der Glasschmelze enthält und Wobei die jeweils andere Elektrode konzentrisch im Abstand außerhalb der ersten Elektrode angeordnet und zwischen der Glasschmelze und einem anderen geschmolzenen otofr gelegen ist. .

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