DE2351354B2 - Verfahren zur herstellung einer optischen faser aus quarzglas - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer optischen faser aus quarzglas

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DE2351354B2 DE19732351354 DE2351354A DE2351354B2 DE 2351354 B2 DE2351354 B2 DE 2351354B2 DE 19732351354 DE19732351354 DE 19732351354 DE 2351354 A DE2351354 A DE 2351354A DE 2351354 B2 DE2351354 B2 DE 2351354B2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser aus einem Kern und einem Mantel aus Quarzglas unterschiedlicher Brechung, bei dem auf der Innenfläche eines Quarzglasrohres oder der Außenfläche eines Quarzglasstabes eine Quarzglasschicht mit abweichendem Brechungsindex aufgebracht und das Rohr bzw. der Stab erhitzt und zu einer Faser ausgezogen wird.
Eine derartige optische Faser kann aus einer stark lichtdurchlässigen Quarzglasfaser mit einer dünnen, zylindrischen Schicht bestehen, deren Brechungsindex um 0,01% bis zu einigen Prozenten höher als der einer anderen Schicht zwischen ihrer Mitte und ihrem Umfang ist. Bei solchen Fasern tritt bekanntlich der größte Teil der Energie des übertragenen Lichts in der dünnen, zylindrischen Schicht auf.
Zur Herstellung einer optischen Faser aus einer
2s Quarzglasfaser mit einer darin vorhandenen dünnen, zylindrischen Schicht mit hohem Brechungsindex ist ein Verfahren bekannt, bei dem entweder ein transparenter Quarzglasstab in ein transparentes Quarzglasrohr eingesetzt wird, das eine zylindrische und gleichförmige Schicht mit hohem Brechungsindex an seiner Innenseite aufweist, oder ein transparenter Stab mit einer zylindrischen, gleichförmigen Schicht mit hohem Brechungsindex an seiner Außenfläche koaxial in ein transparentes Quarzglasrohr eingesetzt wird. Dabei werden die Enden beider Elemente auf ihren Schmelzpunkt erhitzt und mit konstanter Geschwindigkeit zu einer Faser gezogen.
Bei solchen Fasern, die beispielsweise nach den Verfahren der DT-OS 21 22 895 und der DT-OS 21 22 89b hergestellt sind, werden Lichtverluste in der Grenzschicht zwischen einem Teil mit höherem Brechungsindex und einem Teil mit niedrigerem Brechungsindex verursacht. Diese Verluste können darauf zurückgeführt werden, daß an der Grenzschiciit Oberflächenunregelmäßigkeiten trotz eines vorherigen Polierens bzw. anderer geeigneter Behandlung vorhanden sind. Da eine Schicht mit hohem Brechungsindex direkt auf die Innenseite eines Quarzglasrohres aufgebracht wird, bleiben Oberflächenunregelmäßigkeiien der Innenflä-
so ehe auch dann noch vorhanden, wenn das Rohr zu einer Faser gezogen wird.
Beim Verfahren nach der DT-AS 14 94 874 wird eine optische Faser hergestellt, deren Kern durch eine Kunststoffschicht bedeckt ist. deren Brechungsindex niedriger als derjenige des Kerns ist. Durch die Kunststoffschicht kann der Öffnungswinkel einer optischen Faser erhöht werden. Dies hat aber nichts mit der Vermeidung von Streuungsverlusten zu tun.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, cm neues und verbessertes Herstellungsverfahren fui eine optische Faser anzugeben, die möglichst geringe Übertragungsverluste durch Vermeidung der Streuungsverluste an den Grenzflächen gewährleistet.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist zur
6s Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß vor dem Erhitzen und Ziehen auf die polier te Innenfläche des Rohres bzw. die polierte Außenfläche des Stabes zunächst eine Schicht aus reinem
Quarzglas, dann auf diese eine den Mantel bildende uünne Schicht aus dotiertem, ein oder mehrere Metalloxide enthaltendem Quarzglas mit gegenüber dem reinen Quarzglas höherem Brechungsindex und darauf eine Schicht aus reinem Quarzglas aufgebracht wird.
Vor dem Aufbringen einer gleichmäßigen Schicht mit hohem Brechungsindex auf die Innenfläche eines zylindrischen Rohrs oder auf die Außenfläche eines Stabes werden die Oberflächen glatt und sauber poliert, dann wird auf der in Betracht kommenden Fläche eine gleichmäßige Schicht aus reinem Quarzglas gebildet und auf diese eine gleichmäßige Schicht mit hohem Brechungsindex aus reinem Quarzglas aufgebracht. Dann wird eine gleichmäßige Schicht aus reinem Quarzglas auf die Schicht mit hohem Brechungsindex aufgebracht, um zu verhindern, daß Licht aus der Schicht mit hohem Brechungsindex in die Schicht mit geringem Brechungsindex übergeht. Der Stab und das Rohr werden nach dieser Behandlung koaxial angeordnet und auf die Schmelztemperatur erhitzt, wonach das Ziehen zu einer Faser mit zylindrischer, gleichmäßiger Schicht mii hohem Brechungsindex erfolgt. Dieses Herstellungsverfahren einer optischen Faser gewährleistet eine Beseitigung von Rauhigkeit an den Grenzflächen der zylindrischen Schicht mit hohem Brechungsindex sowie von Luft und Fremdstoffen, die während des Herstellungsganges an den Grenzschichten auftreten können. Dadurch wird der Streuungsverlust weitestgehend reduziert, und die Übertragungsverluste eines mit der optischen Faser gebildeten Lichtleiters haben einen geringstmöglichen Wert.
Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen in erster Linie darin, daß ein besonders gründliches Polieren der Innenfläche des Quarzglasrohres bzw. der Außenfläche des Quarzglasstabes vor der eigentlichen Bildung der Faser nicht erforderlich ist. Durch die
F 1 g. 1 die Darstellung eines Lichtleiters mit einer zylindrischen Schicht mit hohem Brechungsindex,
F i g. 2 und 3 Darstellungen eines Stabes und eines Rohrs aus Quarzglas zur Erläuterung eines Herstcllungsganges nach der Erfindung.
F i g. 4 einen Längsschnitt zur Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung,
F 1 g. 5 und 6 Darstellungen eines Stabes und eines Rohrs aus Quarzglas zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung und
F i g. 7 den Längsschnitt eines Materials zur Erklärung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
In F i g. 1 ist eine zylindrische Schicht 1 vorgesehen, deren Brechungsindex größer als derjenige eines den Lichtleiter bildenden Quarzglases 2 ist. Das Material 2 bildet den lichtdurchlässigen inneren Teil des Lichtleiters, das Material 3 den lichtdurchlässigen äußeren Teil. Die Herstellung eines Lichtleiters der in F i g. 1 gezeigten Art wird an Hand der Figuren beschrieben. F i g. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines transparenten Stabes aus reinem Quarzglas, der mit drei dün· ren Hüllschichten versehen ist, die von innen nach außen aus je einem feinen Pulver aus reinem SiO:, dotiertem SiCh mit hohem Brechungsindex: und reinem SiO; bestehen.
In F 1 g. 2 sind der transparente Stab mit 4. die zylindrischen Schichten aus feinem Pulver aus reinem SiO. mit 5 und 7 und eine zylindrische Schicht aus feinem Pulver aus dotiertem SiO? mit hohem Brechungsindex mit 6 bezeichnet.
Bei einem Herstellungsverfahren nach der Erfindung wird die Oberfläche des Stabes 4 glatt und sauber polien, wozu eine optische Politur und eine Flammpoütur durchgeführt wird. Auf der polierten Oberfläche des Stabes 4 wird eine gleichmäßige dünne Schicht 5 aus feinem Pulver aus reinem S1O2 abgelagert, die durch s Oxidation von Siliziumtetrachlorid bis zu einer Dicke von einigen Mikron bis zu einigen zehn Mikron aufgetragen wird. Dann wird ein feines Pulver 6 aus reinem SiO: in ähnlicher Weise aufgebracht, dieses Material enthält ein oder mehrere Metalloxide, beispielsweise TiO: mit einem Anteil von einigen Prozent.
Die Dicke der Schicht 6 beträgt gleichfalls einige Mikron bis zu einigen zehn Mikron.
Eine Schicht 7 aus feinem Pulver aus reinem SiO: wird ferner in ähnlicher Weise wie die Schicht 5 aufgebracht, ihre Dicke ist gleichfalls der Schicht 5 angeglichen. Nach diesem Verfahren erhält man einen Stab der in F i g. 2 gezeigten Art.
F i g. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines transparenten Rohrs desselben Materials wie der Stab
4. bei dem eine Schicht auf die Innenfläche aufgebracht ist. Das transparente Rohr ist mit 8 bezeichnet, sein Innendurchmesser und seine Dicke werden in bezug auf die Abmessungen eines Stabes der in F i g. 2 gezeigten Art bestimmt, so daß die Lichtleitfaser durch
; Ziehen des Stabes und des Rohrs im nachfolgenden Verfahren entsprechende Querschnittsabmessungen erhält. Mit 9 ist eine Schicht aus feinem Pulver aus reinem SiO: bezeichnet, die in ähnlicher Weise wie die Schicht 5 hergestellt wird, die in F i g. 2 gezeigt ist.
vi Beim nachfolgenden Verfahren werden der in F i g. 2 gezeigte Stab und das in F i g. 3 gezeigte Rohr auf eine Temperatur von ca. 150O0C erhitzt, um die feinen Quarzpulverschichten 5. 6, 7 und 9 in einer sauerstoffreichen Atmosphäre zu sintern.
"o Nach F i g. 4 wird dann der Quarzglasstab 4 koaxial in das Quarzglasrohr 8 eingesetzt, diese Anordnung wird in einen Hochtemperaturofen eingegeben. Sie wird auf eine Temperatur von ca. 190O0C erhitzt und dann zu einer Faser gewünschter Größe und Form gez.ogen.
F 1 g. 4 zeigt einen Längsschnitt des Stabes 4 und des Rohrs 8 während des Ziehens bei hoher Temperatur. Dabei sind dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1, 2 und i verwendet.
Der auf diese Weise hergestellte Lichtleiter hat eine Form, wie sie in ί ι ε 1 dargestellt ist. wobei die Brechungsindizes /w. m. π- iv m und m für die Teile 4. 5 6. 7, 8 und 9 vorliegen Dabei gilt
Π4 = /r> ----- m = m — m. rih > πα
so Dadurch bildet die Schicht 6 aus reinem SiO: mit ein oder zwei Metalloxiden eine zylindrische, dünne Schicht 1 mit einem Brechungsindex m, der um mehrere Prozent höher als der Brechungsindex πα oder andere Werte im Inneren des Lichtleiters ist.
Dann werden die Schicht 5 aus reinem SiO: und der Stab 4 aus Quarzglas zu einem Körper vereinigt und in den transparenten Stab 2 an der Innenseite der Schicht 1 verwandelt, während die Schichten 7 und 9 aus reinem SiO: und das Rohr 8 aus Quarzglas zu einem Kör-
hn per vereinigt und in das transparente Rohr 3 außerhalb der Schicht I verwandelt werden.
Wenn bei einem Herstellungsverfahren nach der Erfindung die Zugabe von TiO: zu dem reinen SiO:-Pulver der Schicht b genau auf die erforderliche Menge
(>s eingestellt wird, erruilt man einen Lichtleiter mit einer zylindrischen Schicht I mit idealem Brechungsindex n*. Die Dicke der Schicht 6 des Lichtleiters hat einen Wert entsprechend einigen his zu otnirn zehn Wellen-
längen des zu übertragenden Lichts.
Bei dem Herstellungsverfahren des Lichtleiters ist eine Schicht 9 an der Innenfläche des Rohrs 8 nicht erforderlich, wenn die Dicke der Schicht 7 auf dem Stab 4 einen größeren Wert hat. Man kann denselben Lichtleiter aus einem Stab herstellen, der mit einer Schicht 7 aus Quarzglas versehen ist. die genauso dick wie das Rohr 8 ist.
Ein Lichtleiter aus einem zylindrischen Film kann in ähnlicher Weise wie bereits beschrieben nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden, das an Hand der F i g. 5 bis 7 beschrieben wird. Bei diesem Verfahren werden eine dünne zylindrische Schicht 11 aus feinem Pulver aus reinem SiCh. eine dünne zylindrische Schicht 12 aus einem feinen Pulver aus reinem SiOj mit einem Oxid. ζ. B. TiO:. und eine dünne zylindrische Schicht 13 aus einem feinen Pulver aus reinem SiO: nacheinander auf die Innenfläche des Rohrs 10 aus Quarzglas aufgebracht. Die so aufgebrachten Schichten 11, 12 und 13 werden in derselben Weise wie die Schichten 5, 6 und 7 gebildet, die auf die Oberfläche des Stabes 4 aufgebracht sind, !n ähnlicher Weise wird eine Schicht 15 aus feinem Pulver aus reinem S1O2 auf der Außenfläche des Stabes 14 erzeugt, der in F i g. 6 gezeigt ist.
Wie aus F i g. 7 hervorgeht, werden das Rohr 10 und der Stab 14 in einem Ofen zur Sinterung der Schichten erhitzt. Dann werden das so behandelte Rohr 10 und der Stab 15 koaxial angeordnet und auf eine hohe Temperatur bei 19000C erhitzt, wonach sie zu einer Faser gezogen werden, die einen Lichtleiter mit den Querschnittsteilen 1, 2 und 3 bildet, die in F i g. 1 gezeigt sind. Die Lichtübertragungseigenschaften eines auf diese Weise hergestellten Lichtleiters können verbessert werden, indem er einer geeigneten Wärmebehandlung ausgesetzt wird. Beispielsweise kann eine so hergestellte Faser auf ca. 8OO0C einige Stunden lang erwärmt werden, ihre Oberfläche kann durch Ätzen und Polieren mit HF-Säure gereinigt werden, wodurch der Faser auch eine Stabilität verliehen wird.
Als Dotierungsmittel für die Schicht 6 oder 12 können Tantaloxid, Zinnoxid, Nioboxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Ytterbiumoxid, Lanthpnoxid. Cäsiumoxid, Rubidiumoxid, Germaniumoxid usw. gleichfalls verwendet werden, um den mit TiO? angestrebten Zweck zu erreichen.
Bei einem Herstellungsverfahren nach der Erfindung werden die dünnen Schichten aus reinem SiO.' zwi-
■^ sehen die Schicht aus dotiertem SiO: mit hohem Brechungsindex und den Stab oder das Rohr aus Quarzglas gebracht und so zu einem Körper mit dem Stab oder Rohr während der- Ziehverfahren* verschmolzen und integriert, daß die Innen- und Außenflächen der Schicht
ίο mit hohem Brechungsindex durch die Schichten aus rei nem SiO: extrem glatt und sauber werden, auch wenn Einbuchtungen und Erhöhungen an den Flächen des Stabes und des Rohrs durch das Polieren nicht ausreichend entfernt wurden.
Die Rauhigkeit der Oberfläche des Stabes und des Rohrs wird also durch die Zwischenschichten aus reinem S1O2 beseitigt so daß man dadurch eine glatte Oberfläche des Stabes und des Rohrs erhält. Ein gründliches Pohei -n dieser Flächen ist deshalb nicht erfor-
:o derlich.
Durch die Erfindung wird es möglich, ohne Schwierigkeiten einen Lichtleiter herzustellen, der sehr geringe Übertragungsverluste hat, da eine nur geringfügige Streuung an den Grenzflächen einer zylindrischen dün-
2S nen Schicht mit hohem Brechungsindex auftritt.
Das Herstellungsverfahren nach der Erfindung i^t auf viele Arten von Lichtleitern anwendbar. Man kann beispielsweise leicht einen Verbundlichtleiter herstellen, bei dem ein Rohr aus Quarzglas mit einer Schicht aus reinem Quarzglas und einer Schicht aus dotiertem Quarzglas mit einem oder zwei Metaüoxiden an der Innenfläche des Rohrs vorgesehen ist. Die Schichten sind nacheinander auf die Innenfläche des Rohrs aufgebracht, diese Anordnung wird verschmolzen und zu einer Lichtleitfaser gezogen. Man kann auch einen Verbundlichtleiter herstellen, bei dem ein Rohr aus Quarzglas mit einer Schicht aus feinem Quarzglaspulver und einer Schicht aus feinem, dotiertem SiO:-Pulver mit einem oder mehr Metalloxiden auf die Innenfläche aufgebracht ist. Diese Anordnung wird in einer sauerstoffreichen Atmosphäre gesintert und verschmolzen sowie zu einer Faser gezogen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser aus einem Kern und einem Mantel aus Quarzglas unterschiedlicher Brechung, bei dem auf der Innenfläche eines Quarzglasrohres oder der Außenfläche eines Quarzglasstabes eine Quarzglasschicht mit abweichendem Brechungsindex aufgebracht und das Rohr bzw. der Stab erhitzt und zu einer Faser ausgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Erhitzen und Ziehen auf die polierte Innenfläche des Rohres bzw. die polierte Außenfläche des Stabes zunächst eine Schicht aus reinem Quarzglas, dann auf diese eine den Mantel bildende dünne Schicht aus dotiertem, ein oder mehrere Metalloxide enthaltendem Quarzglas mit gegenüber dem reinen Quarzglas höherem Brechungsindex und darauf eine Schicht aus reinem Quarzglas aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Schichten versehene Stab vor dem Ziehen koaxial in einem Quarzglasrohr angeordnet wird, an dessen Innenfläche eine Schicht aus reinem Quarzglas aufgebracht wird, und daß die so gebildete Anordnung verschmolzen und zu einer Faser gezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Quarzglasrohr an seiner Innenseite mit einer reinen Quarzglasschicht, einer darauf angeordneten, mit einem oder mehreren Metalloxiden dotierten Quarzglasschicht und einer darauf angeordneten reinen Quarzglasschicht versehen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Schichten versehene QuarzglasstaV vor dem Ziehen in einem Rohr aus Quarzglas angeordnet wird und daß diese Anordnung verschmolzen und zu einer Faser gezogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Quarzglasstab vor dem Ziehen in das Quarzglasrohr eingesetzt wird, das an seiner Innenseite mit einer Schicht aus reinem Quarzglas, einer darauf angeordneten dünnen, dotierten Quarzglasschicht mit einem oder mehreren Metalloxiden und einer darauf angeordneten reinen Quarzglasschicht versehen ist. und daß diese Anordnung verschmolzen und zu einer Faser gezogen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stab bzw. ein Rohr aus Quarzglas mit einer Schicht aus feinem Pulver aus reinem SiCh, einer darauf angeordneten dünnen Schicht aus feinem Pulver aus dotiertem SiO: mit einem oder mehreren Metalloxiden und einer darauf angeordneten Schicht aus feinem Pulver aus reinem SiCh versehen und in einer sauerstoffreichen Atmosphäre gesintert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Quarzglasstab mit einer Schicht aus einem feinen Pulver aus reinem SiO? an seiner Außenfläche versehen und in einer sauerstoffreichen Atmosphäre gesintert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gezogene Faser in einer sauerstoffreichen Atmosphäre einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
dadurch gekennzeichnet, daß die gezogene Faser durch Einwirkung von HF-Säure geätzt und poliert wird.
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