DE2351354C3 - Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser aus Quarzglas - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser aus Quarzglas

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DE2351354C3
DE2351354C3 DE2351354A DE2351354A DE2351354C3 DE 2351354 C3 DE2351354 C3 DE 2351354C3 DE 2351354 A DE2351354 A DE 2351354A DE 2351354 A DE2351354 A DE 2351354A DE 2351354 C3 DE2351354 C3 DE 2351354C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser aus einem Kern aus Quarzglas und einem Mantel aus Quarzglas mit höherem Brechungsindex als dem des Kerns, 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 einige Prozent höher ist als der des Kerns und Mantels. 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 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 transparcnies 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 DE-OS 21 22 895 und \£r DE-OS 21 22 896 hergestellt sind, werden Lichtvcrlustc 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 Grenzschicht Obcrflächcnunrcgclmäßigkeiten trotz eines vorherigen Policrens bzw. anderer geeigneter Behandlung vorhanden sind. Da eine Schicht mit hohem Brechungsindex direkt auf die Innenseite eines Quarzglasrohrcs aufgebracht wird, bleiben Obcrflächenunrcgclmäßigkeiten der Innenfläche auch dann noch vorhanden, wenn das Rohr zu einer Faser gezogen wird.
Beim Verfahren nach der DE-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 Strcuungsvcrlustrn zu tun.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neues und verbessertes Herstellungsverfahren für eine optische Faser anzugeben, die möglichst geringe Übcriragungsverlusie durch Vermeidung der Streuungsvcrlustc an den Grenzflächen gewährleistet.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe crfindiingsgcmäß derart ausgebildet, daß vor dem Erhitzen und Ziehen auf die polierte Innenfläche des Rohres bzw. die polierie Außenfläche des Stabes zunächst eine Schicht aus reinem
Quarzglas, dann auf diese eine den Mantel bildende dünne Schicht aus dotiertem, ein oder mehrere Metalloxide enthallendem 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 mit hohem Brechungsindex erfolgt Aiieses Herstellungsverfahren einer optischen Faser gewährleistet eine Beseitigung von Rauhigkeit an den Grenzflächen der zylindrischen Schicht mit hohem Brechungsindex sowie von Luft und Fremdsloffcn. die während des Herstellungsganges an den Grenzschichten auftreten können. Dadurch wird der Strcuungsvcrlust weitestgehend reduziert, und die Übertragungsvcrlustc eines mit der optischen Faser gebildeten Lichtleiters haben einen geringst möglichen Wert.
Die durch die Erfindung cr/.ielbarcn Vorteile bestehen in erster Linie darin, daß ein besonders gründliches Policren der Innenfläche des Quarzglasrohrcs bzw. der Außenfläche des Quarzglasstabcs vor der eigentlichen Bildung der Faser nicht erforderlich ist. Durch die reinen Quarzglasschichtcn werden extrem glatte Oberflächen erzielt, die die beschriebenen Streuungsverlustc gegenüber bisher bekannten Fasern wesentlich herabsetzen, wenn η ich ι vollständig vermeiden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben, in denen mit optischen Fasern gebildete Lichtleiter dargestellt sind.
Es zeigt
F i g. I 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 Herstellungsganges nach der Erfindung,
Fig.4 einen Längsschnitt zur Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung.
F i g. 5 and b Darstellungen eines Stabes und eines Rohrs aus Quarzglas zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbcispicls der Erfindung und
F i g. 7 den Längsschnitt eines Materials zur Erklärung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
In F i g. I 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. I 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 dünnen Hüllschichtcn versehen ist, die von innen nach außen aus je einem feiKin Pulver aus reinem SiO?, dotiertem SiOi mit hohem Brechungsindex und reinem SiOj bestehen.
In F i μ. 2 sind der transparente Stab mit 4, die zylindrischen Schichten aus feinen) Pulver aus reinem SiOj mit 5 und 7 und eine zylindrische Schicht aus feinem Pulver aus dotiertem SiOj mit hohem Brechungsindex mit 6 bezeichnet.
Bei einem Herstellungsverfahren nach der Erfindung wird die Oberfläche des Stabes 4 glatt und sauber poliert, wozu eine optische Politur und eine Flammpolitur durchgeführt werden. Auf der polierten Oberfläche des Stabes 4 wird eine gleichmäßige dünne Schicht 5 aus feinem Pulver aus reinem SiOj abgelagert, die durch Oxidation von Sili/.iumtctrachlorid bis zu einer Dicke von einigen μπι bis zu einigen zehn ujti aufgetragen wird. Dann wird ein feines Puivcr 6 aus reinem SiOj in ähnlicher Weise aufgebracht, dieses Material enthält ein oder mehrere Metalloxide, beispielsweise TiOj mit einem Anieil von einigen Prozent.
Die Dicke der Schicht 6 beträgt gleichfalls eine μπι bis zu einigen zehn μτη,
Eine Schien' 7 aus feinem Pulver aus reinem SiOj 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 V i g. 2 gezeigten Art.
F i g. i 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 Querschnittsabmcssungcn erhält. Mit 9 ist eine Schicht aus feinem Pulver aus reinem SiOj bezeichnet, die in ähnlicher Weise wie die Schicht 5 hergestellt wird, die in F i g. 2 gezeigt ist.
Beim nachfolgenden Verfahren werden der ip> F i g. 2 gezeigte Stab und das in F i g. 3 gezeigte Rohr auf eine Temperatur von ca. I5OO"C erhitzt, um die feinen Qsarzpulvcrschichtcn 5. 6. 7 und 9 in einer sauerstoffreichen Atmosphäre zu sintern.
Nach F i g. 4 wird dann der Quar/.glassiab 4 koaxial in das Quarzglasrohr 8 eingesetzt, diese Anordnung wird in einen Hochlcmpcraturofcn eingegeben. Sie wird auf eine Temperatur von ca. 19000C erhitzt und dann zu einer Faser gewünschter Größe und Form gezogen.
F i 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. I, 2 und 3 verwendet.
Der auf diese Weise hergestellte Lichtleiter hat eine Form, wie sie in F i g. I dargestellt ist. wobei die Brechungsindizes m, m, nb, m, m und m für die Teile 4f, 5,6, 7,8 und 9 vorliegen. Dabei gilt
/Μ = ίΛ=Π7 = Π8=/Β, Pb > ΠΑ
Dadurch bildet die Schicht 6 aus reinem S1O2 mit ein oder zwei Me'.alloxiden eine zylindrische, dünne Schicht 1 mit einem Brechungsindex rfe, der um mehrere Prozent höher als der Brechungsindex m oder andere Werte im Inneren des Lichtleiters ist.
Dann werden die Schicht 5 aus reinem S1O2 und der Stab 4 aus Quarzglas zu einem Körper vereinigt und in den transparenten Stab 2 on der Innenseite der Schicht I verwandelt, während die Schichten 7 und 9 aus reinem S1O2 und das Rohr 8 aus Quarzglas zu einem Körper vereinigt und in das transparente Rohr 3 außerhalb
der Schicht I verwandelt werden.
Wenn bei einem I lerstellungsverfahren mich der Itfindung die Zugabe von TiO.· zu dein reinen SiO.'l'ul ver der Schicht 6 genau auf die erforderliche Menge eingestellt wird, erhält niiin einen Lichtleiter mit einer zylindrischen Schicht I mil idealem Hrcchimgsindex u*.
Die Dicke der Schicht β des l.ichtleiiers hat einen Wen entsprechend einigen bis zu einigen /ehn Wellenlängen des /u überirngendcn l.ichis.
Hei dem Herstellungsverfahren des Lichtleiters ist eine Schicht 9 ;m ilor Innenriiichc des Kölns 8 nicht erforderlich, wenn die Dicke der Schicht 7 anl dein Stab 4 einen groUeren Wert hat. Man kann ilenselhen Lichtleiter aus einem Slub herstellen, der nut einer Schicht 7 aus Quarzglas versehen ist. »lic genauso dick wie das Kohr 8 ist.
Lin Lichtleiter mit einem zylindrischen l'ilm kann in ähnlicher Weise wie bereits beschrieben nach dem fol genden Verfahren hergestellt »erden, das an ll.nul der I ι g r) bis 7 beschrieben wird Hei diesem Verfahren werden eine dünne zylindrische Schicht Il .ms leinen) Pulver .ms reinem Si():. eine diinne /> lindnsi he Schicht 12 aus einem feinen Pulver .ms reinem SiO mti einem ()xul. z. It ΙΊΟ·. und eine dünne z>lindnsche S1 hichl I 1 aus einem feinen Pulver aus reinem SiO: nacheinander auf die Innenfläche des Rohrs IO aus Quarzglas aulgc bracht Die so aufgebrachten Schichten II. 12 und IJ »erden in derselben Weise »ic die Schichten 5. h und 7 gebildet, die auf die Oberflache des Stabes 4 aulgc bracht sind In ähnlicher Weise wird eine Schuht 15 ,ms feinem PuK er aus ι einem Si() aiii der AuHenflai lic des Stalles 14 erzeugt, der in I ι g h gezeigt im
Wie .ins I ig 7 hei vorgeht, werden das RoIn IO und der Slab 14 in einem Ölen zur Sinterung dei Si buhten erhitzt Dann »erden das so behandelte Kohl IO und der Stab 15 koaxial angeordnet und auf eine hohe lern peralur bei I*-*<><) ( erhitzt, wonach sie /ii einer I asci gezogen «erden, die einen Lichtleiter mit den Quer si !nullstellen I. 2 und 5 bildet die in I ig 1 gezeigt sind Die l.ichtiihcrtragiingscigcnschaflcn eine», aiii die se Weise hergestellten Lichtleiters konner. \ c Ih".set I
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ausgesetzt »ird Hcispiclswcisc kann eine so hct gestell Ie laser auf ca H(Ml ( einige Stunden lang et w.ti ml »erden, ihre Oberfläche kann durch Atzen und l'ohc ren mil III Saure gereinigt »eidcn. umlm t Ii del I .isci auch eine Stabilität \ ei liehen " ird Als Dolieriingsmillel für die Schicht f> oder 12 können laiilaloxid. Zinnoxid, Nioboxid. Zirkoniumoxid. Aluminiumoxid. Ylterbiiimoxid. l.anlhanoxid. C'asiumoxid. Kiibidiiiiiioxid. (iermaniiimoxid usw. gleichfalls verwendet werden, um den mit TiO.' angestrebten Zweck zn erreichen.
Hei einem Herstellungsverfahren nach der Ijfindiing werden die dünnen Schichten aus reinem SiO; zwischen die Schicht aus dotiertem SiO: mit hohem lire ehungsindex und den Stab oder das Kohr aus Quarzglas gebracht und so zu einem Korper mit dem Stab oder Kohl während lies Ziehverfahrens verschmolzen und integriert. daU die Innen und Aullenflächcn der Schicht mit hohem Hrechiingsindex durch die Schichten aus rei nein SiO: extrem glatt und sauber »erden, auch wenn I mbuchliingen und Iihohungcn an den Dächen des Stabes und des Kölns durch das Policren mehl ausreichend entfernt wurden
Die i<auhigkeil tier Oberfläche ties Stabes und lies Kohrs wird also durch die Zwischenschichten aus reinem SiO: beseitigt, so dall man dadurch eine glatte Oberflaehe lies Stabes und lies Rohrs erhall Lm griind liebes Polieren dieser I lachen ist deshalb mehl ei forderlich.
Durch die I Windung wird es möglich, ohne Schvvie ngkeilen einen Lichtleiter herzustellen, der sehr germ ge I Ibertragungsverluslc hai. da eine nur germgliigige Streuung *·.ι den (ireiizflachen einer z>lindrischen dun neu Schicht mn hohem Hrechiingsindex auftritt.
Das Herstellungsverfahren nach der l.rliiidiiug M .111? viele Allen von I ichlleileru anwendbar Man kann beispielsweise leicht einen Verbiiriillichlleilci hersiel len. bei dem ein Rohr aus Quarzglas mn einer Schicht aus reinem Quarzglas und einer Schuht aus donciieni Quarzglas mn einem oder zwei Melalloxiden an der liineiillache des Kölns vorgesehen ist Die Schii hicn sind nacheinander auf die Innenfläche lies Rohrs aiilgc bracht, diese Anordnung wird verschmolzen und /u einer Lichtleitfaser gezogen Man kann auch einen V ei bündln hlleilcr herstellen, bei dem ein Rohr aus Ouaiz glas nut einer Schicht aus feinem Quarzglaspiilvci und einer Schicht aus leinen), dotiertem SiO: PuK ei mit einem oder mehr Metalloxide!! aiii die Innenfläche .ml gebracht ist. Diese Anordnung wird in einei sauet stoll reichen Atmosphäre gesintert und verschmolzen sowie /ti einer I aser gezogen
I In. ι/u Z MIaIl Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser aus einem Kern aus Quarzglas und einem Mantel aus Quarzglas mit höherem Brechungsindex als dem des Kerns, 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, daB 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 mil gegenüber dem reinen Quarzglas höhcrem Brechungsindex und darauf eine Schicht aus reinem Quarzglas aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch I, 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 angeordnetn. mit einem oder mehreren Mctalloxidcn dotierten Quarzglasschir^i und einer darauf angeordneten reinen Quarzglasschicht verschen wird.
4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Schichten versehene Quarzgla:,->:ab 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 I. 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 Metall· oxiden und einer darauf angeordneten reinen Quar/glasschichi 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 SiOi, einer darauf angeordneten dünnen Schicht aus feinem Pulver »us dotiertem SiCh mit einem oder mehreren Mctalloxidcn und einer darauf angeordneten Schicht aus feinem Pulver aus reinem SiO; versehen und in einer sauersloffreichen Atmosphäre gesintert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Quarzglasstab mit einer Schicht aus einem feinen Pulver aus reinem SiOi an seiner Außenfläche versehen und in einer sauerstoffreichen Atmosphäre gesintert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die gezogene Faser in einer sauerstoffreichen Atmosphäre einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dall die gezogene Faser durch Einwirkung von HF-Säure geätzt und poliert wird.
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